余博嵩，計博嚴，蘇 睿

(江西省大氣探測技術中心，南昌 330096)

江西省國家級氣象臺站中有40多個臺站安裝了DSG4型降水類天氣現(xiàn)象儀。目前，該型號設備已經基本建成,并處于與人工觀測進行對比觀測試驗階段，試驗完成后將逐步投入業(yè)務運行。近2年的試運行情況表明，該型號降水現(xiàn)象儀運行相對穩(wěn)定。然而，當出現(xiàn)一些不能通過設備掉電重啟解決的故障時，例如汛期被雷擊后數(shù)據(jù)缺測或設備通信異常等，設備往往無法盡快恢復正常運行，維修保障時效較差。由于設備安裝時間較短，在DSG4型降水類天氣現(xiàn)象儀的技術保障工作中，普遍存在技術人員對該型號設備系統(tǒng)組成結構不夠了解，缺乏故障排除和維修經驗；全國較多臺站也使用DSG4型降水現(xiàn)象儀。所以，研究適合技術保障人員，可操作性強的故障檢修方法十分必要。目前降水現(xiàn)象儀的相關文獻較少，少數(shù)幾篇也是對降水現(xiàn)象儀設備安裝和日常維護方面的敘述，缺少對設備故障檢測維修方法方面的內容[1-3]。因此，本文根據(jù)DSG4降水現(xiàn)象儀的系統(tǒng)結構并結合故障現(xiàn)象，分類說明DSG4降水現(xiàn)象儀的檢修方法。

1 DSG4降水現(xiàn)象儀的組成結構

DSG4降水現(xiàn)象儀主要由激光雨滴譜傳感器、數(shù)據(jù)采集器和供電機箱三部分組成(圖1)。激光雨滴譜傳感器使用的是德國OTT公司生產的Pasivel激光雨滴譜傳感器，屬于新型智能傳感器，可通過數(shù)字信號接口進行配置且直接輸出雨滴譜數(shù)據(jù)[4]。采集器則是由華創(chuàng)維想公司自主研發(fā)，利用采集板中的微控制器(micro controller unit，MCU)對傳感器進行參數(shù)配置并接收處理傳感器原始數(shù)據(jù)，得到符合國家氣象局制定的“地面氣象觀測數(shù)據(jù)字典”格式要求的數(shù)據(jù)產品[5]，通過連接串口服務器傳輸?shù)接^測網絡[6]。其中采集板、傳感器和串口服務器的通信數(shù)據(jù)通過串口隔離器，實現(xiàn)信號防雷隔離。供電機箱主要功能是將220 V交流市電轉化為24 V直流，采用電源控制器(包括雙變壓器) 給雙蓄電池供電、充電，再通過雙蓄電池分別給傳感器和采集器供電，達到供電隔離的目的，由此最大限度的減小雷擊對設備的損壞。

2 故障檢修方法

DSG4降水現(xiàn)象儀故障檢測主要通過故障排查措施，明確發(fā)生故障原因。對于線路故障，查清故障點即可現(xiàn)場進行快速恢復；而對于損壞性故障的維修一般情況下只能是更換故障部件。在具備可操作性的情況下，盡可能明細故障檢測點和減小維修更換的故障部件范圍[7-8]。因此，DSG4降水現(xiàn)象儀故障檢修主要分為三個部分，分別是供電系統(tǒng)、傳感器和采集系統(tǒng)。

圖1 DSG4硬件組成結構

2.1 供電系統(tǒng)故障

供電部分檢測點包括市電220 V交流輸入、24 V直流供給傳感器、24 V直流供給采集板。電源適配器作為供電交直轉換的核心是供電機箱的關鍵檢測部分，主要由兩個直流變壓模塊組成，額定輸入、輸出都是110～240 V交流、24 V直流；但因傳感器可加裝加熱功能所以最大輸出電流配置有所差異。實際測量中，額定最大輸出電流為4.5 A的直流變壓模塊的輸入為交流230 V左右，輸出為略高于直流24 V給雨滴譜傳感器供電。額定最大輸出電流為3.0 A的直流變壓模塊的輸入為交流230 V左右，輸出為直流26 V左右給主采集板供電。如果電源適配器交流輸入異常，檢查空氣開關是否跳閘，防雷模塊是否因雷擊損壞示意條由綠色變其他顏色。如果電源適配器輸出低于24 V，則斷開蓄電池連接確認直流變壓器是否故障。因為一般這種情況下，直流變壓器故障后僅靠蓄電池給設備供電只能維持24小時左右的時間，設備維護人員不易發(fā)現(xiàn)，當電池電量不足時會使設備部分部件間歇性或停止工作，導致設備異常。整個設備的功耗遠小于72 W，當檢測存在一個變壓模塊故障時，可將兩路24 V直流供電并接在另一個正常的直流變壓模塊輸出端作為應急處理，等待備件更換。

2.2 采集系統(tǒng)故障

(1)采集板供電單元

廠家提供的設備文檔中并未提供采集板的原理圖，但為了檢修方便，參照所使用電源芯片手冊資料，根據(jù)實際電路繪制出采集板供電單元部分的原理圖(圖2)，并標注了各元件的型號和參數(shù)值。供電單元部分的原理是供電機箱提供的24 V直流電壓，經芯片LT3695-5及外圍元件組成的開關電路變換，產生+5 V的電壓(主要為美信232電平轉換芯片和SD卡供電)，再通過LDO芯片(low dropout regulator，低壓差線性穩(wěn)壓器)產生+3.3 V的電壓(為MCU供電)。在檢測這部分電路時，首先測24 V、5 V和3.3 V這三個電壓。采集板上唯一的兩口端子就是24 V輸入，5 V和3.3 V及GND點也在板面絲印有明確的標記。如果5 V或3.3 V沒有輸出，則分別檢查相應的開關電路和線性穩(wěn)壓電路。出現(xiàn)這種情況大多是芯片LT3695-5或LDO損壞，需要進行更換；同時還需檢測外圍元件，特別是肖特基二極管D1、電解電容C4是否被擊穿。在維修更換采集板供電單元元器件時，一定要按圖2中注明的元件參數(shù)進行更換，否則輸出電壓很可能將發(fā)生改變。在更換電容是盡量選擇耐壓值高的型號，保證電路穩(wěn)定運行。

圖2 采集板供電單元原理圖

(2)通信部分

采集系統(tǒng)的通信部分的檢測包括通信線路和通信模塊測試。通信線路按數(shù)據(jù)信號流向有傳感器至采集器的通訊線纜、串口隔離器、接線端子連線以及采集器數(shù)據(jù)輸出線纜，線路主要是驗證短路和斷路。通信模塊則包含RS232-TTL通訊電平轉化模塊(Maxim232芯片)以及負責通訊數(shù)據(jù)處理的MCU，模塊的測量依據(jù)是RS232收發(fā)與地(RG、TG)之間的-5～-15 V的通訊電壓。通訊電壓異常則更換相應端口上的電平轉換芯片，如果數(shù)據(jù)仍然不通，則更換MCU，型號為STM32C8T6。固件廠家已給出，將Boot引腳跳帽調至左端，進入程序下載模式，即可在新更換的STM32芯片中加載最新固件程序。

2.3 傳感器故障

(1)傳感器無數(shù)據(jù)

如果供電箱、采集系統(tǒng)正常工作，SMO業(yè)務軟件串口調試終端選擇降水現(xiàn)象儀端口，輸入“TIME”可返回當前時間，輸入“UB”則無降水現(xiàn)象分鐘數(shù)據(jù)輸出，同時輸入“READDATA”無法返回的降水現(xiàn)象儀的設備狀態(tài)信息。如果遇到此類狀況，則需要確認傳感器是否正常工作。用USB轉串口與傳感器直接連接，在串口調試助手中發(fā)送CS/C/R查看串口通訊傳輸速率配置是否為9 600 bit/s，若不是需要將其設置為9 600 bit/s；正常狀態(tài)下傳感器每分鐘自動輸出一組 32個16進制組成的數(shù)據(jù)幀。用手掌擋住傳感器探測區(qū)域，手掌朝發(fā)射端(貼有英文圖標)的方向出現(xiàn)一道紅線，說明一般情況下激光探頭正常工作，基本可以確定傳感器正常，其內部信號處理電路未燒毀。

(2)傳感器數(shù)據(jù)異常

DSG4降水現(xiàn)象儀的探測結果與實際情況相差較大，例如無降水報有降水、雨報冰雹等。鏡頭污染，可能導致傳感器數(shù)據(jù)異常。所以，設備維護人員每隔一段時間需要檢查降水現(xiàn)象儀的傳感器周圍是否有障礙物遮擋，并查看傳感器的發(fā)射端與接收端是否有蜘蛛網或者紙屑之類的東西擋住鏡頭。由于時間和位置的原因，空氣可能對激光的保護鏡造成污染，其結果可能使傳感器的工作能力大幅度下降。OTT電報提供的最新數(shù)值(傳感器狀態(tài))為傳感器中激光光學裝置的狀態(tài)提供了數(shù)值上的參考，也可在設備狀態(tài)信息欄中查閱，其中的代碼與相應意義報告如下：0表示一切正常；1表示激光保護鏡被污染，但仍可用于測量；2表示激光保護鏡受到污染，部分被遮蔽，無法繼續(xù)用于測量。需要特別注意，當傳感器鏡頭未對準時，也會顯示保護鏡受污染并且為標識2，此類情況通常發(fā)生在臺站搬遷時。傳感器在運輸過程中發(fā)生磕碰，導致鏡頭對焦產生偏差，一般將傳感器平放至平面上稍加按壓，微調探頭方向至同一水平面即可恢復。

3 故障檢修注意事項

(1)故障排查時，電壓測量(電源電壓、通訊電平)可帶電測量，而線路通斷測試時設備必須斷電，特別注意電池供電也需要斷開。在排除短路故障前，切勿隨意替換部件進行測試，以免重復故障導致新部件燒毀。

(2)降水現(xiàn)象儀數(shù)據(jù)和自動氣象站一樣要經過串口服務器(綜合硬件控制器)傳輸至臺站業(yè)務計算機上。一般自動站數(shù)據(jù)正常表示串口服務器正常工作，但也不排除串口服務器連接降水現(xiàn)象儀的PORT端口發(fā)生故障。在數(shù)據(jù)通信檢測時，要注意串口服務器是否正常工作。

(3)用熱風槍拆卸采集板上的芯片時，溫度不要超過350 ℃，并在芯片管腳處涂抹一些助焊劑快速融錫，方便拆下芯片。在分換芯片時，注意芯片正確管腳擺放位置和朝向，保證和原芯片一致。

4 修復后的測試與檢定

降水現(xiàn)象儀修復后，對傳感器進行簡單數(shù)據(jù)測試的方法，是用隨設備安裝建設時包裝箱內自帶的小工具在兩個探頭之間上下晃幾下，然后看SMO業(yè)務軟件天氣現(xiàn)象要素逐分鐘數(shù)據(jù)是否有天氣現(xiàn)象產品輸出。快速晃動出“冰雹”天氣現(xiàn)象，慢速晃動出“雨”天氣現(xiàn)象，毛毛雨可用噴霧劑進行測試。因為傳感器內部存在溫度檢測修正，氣溫在0 ℃以上不會顯示降雪，因此不便測試。

5 維修實例

例1 故障現(xiàn)象是降水現(xiàn)象儀通訊正常但無數(shù)據(jù)。打開供電機箱，發(fā)現(xiàn)箱內滲水，經檢測電源控制器的兩個變壓器都已損壞，設備僅靠電池供電，采集板功耗小于傳感器，所以傳感器先停止工作。更換變壓器后，設備恢復正常。

例2 故障現(xiàn)象是降水現(xiàn)象儀通訊異常。經通訊電平測試，串口服務器PORT口出R、G和T、G之間存在兩個-5V左右的電壓，符合RS232通訊電平要求。而通信線另一邊的主采集板輸出端口處R、G和T、G卻只有一個-5V電壓。斷電后通過通斷測試，測得黑色地線斷路，利用同芯中多余的紫線代替黑線接地，通訊恢復。

例3 故障現(xiàn)象是降水現(xiàn)象儀通訊異常。經測試傳感器直連有數(shù)據(jù)輸出而主采集板無輸出，采集板板間供電單元電壓5 V、3.3 V正常，傳感器數(shù)據(jù)接入端RS232通訊電平正常，而采集板輸出端通訊電平異常。更換Maxim232電平轉化芯片后，設備數(shù)據(jù)恢復正常。

例4 故障現(xiàn)象是SMO軟件主界面天氣現(xiàn)象應觀測次數(shù)每分鐘更新，而實際觀測次數(shù)顯示一直為0。打開業(yè)務軟件中調試終端輸入“UB”等指令卻顯示有數(shù)據(jù)。之后發(fā)現(xiàn)雷擊后更換的主采集板未更新固件，新版SMO軟件對其數(shù)據(jù)不解析但可以接受，下載更新主采集板固件后，觀測數(shù)據(jù)恢復。

6 結語與討論

DSG4降水現(xiàn)象儀維修保障能力，一方面取決于技術保障人員的故障排查能力，另一方面還受限于備件狀況和應急準備情況。對于損壞性故障的維修大多只能通過更換部件的方式進行恢復。針對采集板故障維修，將更換部件的范圍縮小到芯片級，將大大減少設備維修的成本，節(jié)約返廠維修的時間，緩解采集器這類維護成本較高備件應急庫存不足的狀況。其他型號降水現(xiàn)象儀如同樣采用OTT的雨滴譜傳感器，其系統(tǒng)結構形式和DSG4基本類似，文介紹的故障檢修方法依然具備一定的參考價值。