多翻斗雨量傳感器融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及故障排查

閆 平

內(nèi)蒙古自治區(qū)大氣探測技術(shù)保障中心，內(nèi)蒙古呼和浩特 010051

我國幅員遼闊，以強(qiáng)降雨引發(fā)的山洪災(zāi)害發(fā)生頻繁，且危害大，對人民生命財產(chǎn)造成重大損失。內(nèi)蒙古地區(qū)全年降水量不多，主要集中在夏季，局部地區(qū)因短時暴雨或大暴雨造成不同范圍、不同程度的洪澇災(zāi)害不乏其例。加強(qiáng)監(jiān)測是一種重要的洪澇災(zāi)害防治措施，通過監(jiān)測降雨量，能夠為防旱抗?jié)程峁┛茖W(xué)的依據(jù)，預(yù)測洪澇災(zāi)害發(fā)生的概率并及時采取措施，有效防治洪澇災(zāi)害的發(fā)生，降低損失。因此，降水監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、可靠至關(guān)重要。2019年內(nèi)蒙古氣象部門開展了以多傳感器溫度雨量融合系統(tǒng)建設(shè)為主要內(nèi)容的山洪地質(zhì)災(zāi)害防治氣象保障工程建設(shè)任務(wù)，通過降水多傳感器融合系統(tǒng)，解決了以往因自動氣象站單一雨量傳感器出現(xiàn)故障而導(dǎo)致雨量數(shù)據(jù)異?；蛉睖y的問題，確保了雨量數(shù)據(jù)的完整性和可用性。

1 多翻斗雨量傳感器融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

多翻斗雨量傳感器融合系統(tǒng)主要由3個雙翻斗式雨量傳感器、降水采集融合控制模塊、主采集器及綜合集成硬件控制器等組成（圖1）。

圖1 多翻斗雨量傳感器融合系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

該系統(tǒng)中的多支翻斗式雨量傳感器選用同一型號和同一廠家生產(chǎn)的設(shè)備；降水多傳感器融合控制器實現(xiàn)了多個降水傳感器的融合算法，通過CAN總線端口與主采集器連接，向主采集器傳輸降水?dāng)?shù)據(jù)。降水融合控制器通過自動氣象站主采集器CAN總線供電。

1.2 工作原理

單個翻斗式雨量傳感器承水口收集到的雨水，經(jīng)過漏斗注入翻斗，當(dāng)積水量達(dá)到一定量時，翻斗因重力而失去平衡翻倒將水倒出，隨著降雨的持續(xù)，將使翻斗左右翻轉(zhuǎn)，接觸開關(guān)將翻斗翻轉(zhuǎn)次數(shù)變成電信號送至記錄器，將降雨過程測量下來。本系統(tǒng)所用到的SL3-1雙翻斗雨量傳感器，主要由盛水器（常用口徑為20 cm）、上翻斗、匯集漏斗、計量翻斗、計數(shù)翻斗和干簧繼電器等組成（圖2）。它的工作原理是通過承水口收集到的雨水，順著漏斗，注入上翻斗，當(dāng)上翻斗累積到一定量的雨量，就會發(fā)生翻轉(zhuǎn)，再通過匯集漏斗注入計量翻斗，同時還可以將不同強(qiáng)度的自然降水調(diào)節(jié)為比較均勻的中等強(qiáng)度的降水[1-2]。計量翻斗是采用工程塑料注射成型的用中間隔板分成2個等容積的三角斗室。它是一個機(jī)械雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，當(dāng)一個斗室接水時，另一個斗室就處于等待的狀態(tài)。當(dāng)所接雨水容積達(dá)到預(yù)定值時，因重力作用翻倒后處于等待狀態(tài)，而另一個斗室進(jìn)入接水工作狀態(tài)，當(dāng)其接水量達(dá)到預(yù)定值時，自身翻倒后進(jìn)入等待狀態(tài)，如此往復(fù)。該雙翻斗雨量傳感器的分辨率是0.1 mm，所以當(dāng)計量翻斗每翻動1次，降水量即為0.1 mm。計量翻斗翻動1次，就有0.1 mm的降水量注入計數(shù)翻斗，在計數(shù)翻斗中間裝有1個干簧繼電器，干簧繼電器關(guān)鍵的元件是簧片開關(guān)。計數(shù)翻斗翻動時，干簧繼電器通斷，即翻斗每翻倒1次，干簧繼電器便接通1次，也會送出1個開關(guān)信號（脈沖信號），以此測量降雨量。

圖2 SL3-1雙翻斗式雨量傳感器

3個雙翻斗式雨量傳感器采集的降水觀測數(shù)據(jù)進(jìn)入降水采集融合控制模塊，通過融合算法和監(jiān)控算法實現(xiàn)多傳感器融合數(shù)據(jù)，采樣頻率為1次/min。數(shù)據(jù)采集的具體步驟為：對傳感器按預(yù)定的采樣頻率進(jìn)行掃描，將獲得的電信號轉(zhuǎn)換成微控制器可讀信號，得到氣象變量測量值序列；對氣象變量測量值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使傳感器輸出的電信號轉(zhuǎn)換成氣象單位量，得到采樣瞬時值；對采樣瞬時值，根據(jù)規(guī)定的算法，計算出瞬時氣象值，又稱氣象變量瞬時值；最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查。

降水多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器選取翻斗雨量傳感器Ⅰ的測量結(jié)果作為業(yè)務(wù)主用數(shù)據(jù)源，雨量傳感器Ⅱ或Ⅲ號的測量結(jié)果作為熱備份數(shù)據(jù)源，在整點對比3個傳感器的小時累計降水量測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值數(shù)據(jù)，若超出閾值±0.4 mm（≤10 mm）或±4%（＞10 mm），輸出相應(yīng)狀態(tài)碼，觀測業(yè)務(wù)軟件端可實現(xiàn)自動報警，并提示需要檢查異常雨量傳感器。

降水多傳感器工作時，若現(xiàn)用雨量數(shù)據(jù)源異常，標(biāo)準(zhǔn)控制器可自動切換至下一個狀態(tài)正常的雨量數(shù)據(jù)源，切換順序為翻斗式雨量傳感器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅰ依次切換，根據(jù)翻斗雨量數(shù)據(jù)源形成翻斗雨量傳輸值序列，切換后下1 min起即啟用新的數(shù)據(jù)源作為傳輸值；若標(biāo)準(zhǔn)值缺測，或3個雨量傳感器均超出閾值，則傳輸值記為缺測，并輸出相應(yīng)狀態(tài)碼。

2 多翻斗雨量傳感器融合系統(tǒng)故障排查與日常維護(hù)

根據(jù)多翻斗雨量傳感器融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要分3大部分排查系統(tǒng)的故障，即線路故障排查、傳感器故障排查和降水多傳感器融合控制器故障排查。

2.1 線路故障排查

線路排查是故障排查的第一步，多翻斗雨量傳感器融合系統(tǒng)線路排查包含傳感器到控制器線路排查、控制器到主采集器線路排查。將雨量傳感器Ⅰ的紅黑線短接，用萬用表測試控制器對應(yīng)雨量接口點位，若有蜂鳴聲則線路完好，依照此方法依次檢測雨量傳感器Ⅱ、雨量傳感器Ⅲ線路，即可排查所有傳感器到控制器之間的線路故障。控制器到主采集器線路故障即CAN總線線路故障可采用發(fā)送指令、測量電壓或測通斷等方式實現(xiàn)排查。

2.2 雨量傳感器故障排查

若信號線纜正常，開始排查是否為雨量傳感器故障。首先確定雨量傳感器輸出數(shù)值是否存在偏差或缺測。傳感器輸出值的檢測可通過發(fā)送命令實現(xiàn)。即獲取降水多傳感器融合標(biāo)準(zhǔn)控制器實時數(shù)據(jù)命令，可發(fā)送命令：OBSAMPLE RAIN（回車換行），返回值：<18:13:42RAT1:0.1RAT2:0.1RAT3:0.1 MBTEMP:21.9POWER:13.7>。對照表1降水多傳感器融合標(biāo)準(zhǔn)控制器實時數(shù)據(jù)格式即可初步判定。如果是數(shù)值偏差，就要檢查漏斗是否阻塞，翻斗是否卡滯，并通過現(xiàn)場校準(zhǔn)解除上述故障；如果是數(shù)值缺測，就需要檢查傳感器輸出是否正常，可用萬用表檢測傳感器輸出端（萬用表正極接紅色旋鈕，萬用表負(fù)極接黑色旋鈕），同時撥動翻斗（切勿直接用手觸摸），如果傳感器輸出正常，萬用表會隨著每次撥動發(fā)出短促導(dǎo)通響聲，否則為傳感器故障，更換相應(yīng)元器件（一般更換干簧繼電器）即可[3-4]。

表1 降水多傳感器融合標(biāo)準(zhǔn)控制器實時數(shù)據(jù)格式

2.3 降水多傳感器融合控制器故障排查

若信號線纜正常、傳感器輸出正常，排查降水多傳感器融合控制器故障。降水多傳感器融合控制器內(nèi)部電路板見圖3。

圖3 降水多傳感器融合控制器電路板

若模擬翻斗輸出、串口輸出、CAN總線輸出數(shù)據(jù)全部缺測，結(jié)合電源顯示指示燈異常，可初步判斷電源故障（圖3紅框部分）；若串口輸出、CAN總線輸出正常，僅模擬翻斗輸出無數(shù)據(jù)，則初步判定可能是繼電器故障，因為該端口輸出數(shù)據(jù)的原理是：每一次翻斗傾倒，都使干簧繼電器的開關(guān)接通電路，向記錄器輸送一個脈沖信號，降水多傳感器融合控制器電路板上的脈沖繼電器每接收一個脈沖，繼電器的觸點改變一次狀態(tài)，如此即可采集并輸出降雨量數(shù)據(jù)。在檢查降水多傳感器融合控制器內(nèi)部電路板時，還要同時觀察一下電路板后面一排陶瓷氣體放電管是否損壞。該器件是一種能防雷擊的放電管，它用陶瓷密閉封裝，內(nèi)部有2個及2個以上帶間隙的金屬電極，中間充滿惰性氣體，主要是氬氣或氖氣。每當(dāng)2個電極端的電壓達(dá)到可以使氣體放電管內(nèi)的氣體擊穿時，氣體放電管便開始放電。此時高阻抗變成低阻抗，使得浪涌電壓迅速短路至接近零電壓，同時將過電流釋放入地，以對后續(xù)電路起到保護(hù)作用。當(dāng)浪涌電壓消失后，陶瓷放電管恢復(fù)到高阻抗?fàn)顟B(tài)，等待下一次動作，陶瓷放電管常用于多級保護(hù)電路中的第一級或前兩級。陶瓷氣體放電管損壞后雖然不影響降水多傳感器融合控制器工作，但會使得控制器處于一種不在保護(hù)的狀態(tài)，因此檢查電路板后面一排陶瓷氣體放電管也很重要。

2.4 日常維護(hù)

多翻斗雨量傳感器融合系統(tǒng)的日常維護(hù)分為設(shè)備調(diào)試和設(shè)備維護(hù)。

2.4.1 設(shè)備調(diào)試翻斗式雨量傳感器出廠時已經(jīng)調(diào)試檢驗合格，一般情況下可以直接安裝使用；對于內(nèi)蒙古地區(qū)冬季翻斗式雨量傳感器停用的臺站，在第2年重新啟用時，必須重新調(diào)試傳感器。尤其在翻斗式雨量傳感器測量誤差超出誤差范圍時，必須認(rèn)真查找原因并進(jìn)行調(diào)整，調(diào)試步驟如下：

（1）調(diào)整上翻斗。當(dāng)上翻斗出現(xiàn)向下滴流但不翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象時，應(yīng)將對應(yīng)的上翻斗定位螺釘向內(nèi)旋進(jìn)，減小上翻斗傾角。

（2）調(diào)整計量翻斗。調(diào)整計量翻斗的容量調(diào)節(jié)螺釘，使測量誤差在誤差范圍內(nèi)。誤差=（實際排水量-測得的降水量）/實際排水量，當(dāng)誤差為“+”時，表示測得的降水量小于實際排水量，應(yīng)減小計量翻斗的容量，此時應(yīng)將容量調(diào)節(jié)螺釘向內(nèi)旋進(jìn)；反之，當(dāng)誤差為“—”時，就應(yīng)加大計量翻斗的容量，將容量調(diào)節(jié)螺釘向外旋出[5]。容量調(diào)節(jié)螺釘每向內(nèi)或向外旋轉(zhuǎn)一圈，測量誤差就會減少或增加3%左右。

2.4.2 設(shè)備維護(hù)多翻斗雨量傳感器融合系統(tǒng)日常維護(hù)內(nèi)容和方法主要有：維護(hù)期間首先應(yīng)將信號線從傳感器上拆下，避免翻斗誤翻產(chǎn)生多余的雨量數(shù)據(jù)；定期檢查雨量傳感器的安裝高度，檢查傳感器底盤上的水平泡，檢測器口是否水平、有無變形，發(fā)現(xiàn)不符合要求時及時糾正；維護(hù)中應(yīng)避免碰撞盛水器的器口，防止器口變形而影響測量準(zhǔn)確性；定期檢查盛水器，清除內(nèi)部進(jìn)入的雜物，檢查過濾網(wǎng)罩，防止異物堵塞進(jìn)水口；定期檢查和清除漏斗、翻斗和出水口沉積的泥沙，保證流水暢通，計量準(zhǔn)確，可用干凈的脫脂毛筆刷洗；翻斗內(nèi)壁切勿用手觸摸，以免沾上油污影響翻斗計量準(zhǔn)確性；定期檢查翻斗翻轉(zhuǎn)的靈活性，發(fā)現(xiàn)有阻滯感，應(yīng)檢查翻斗軸向工作游隙是否正常，軸承如有微小的塵沙，可用清水進(jìn)行清洗；翻斗軸如有變形或磨損，應(yīng)更換軸承；切勿給軸承加油，以免沾上塵土使軸承磨損；定期檢查融合控制器工作狀態(tài)；每年春季全面檢查防雷設(shè)施，復(fù)測接地電阻；當(dāng)設(shè)備故障時應(yīng)及時維護(hù)或維修。

特別注意雨量傳感器的清潔步驟如下：

（1）將電纜插頭拔下，松開外殼螺釘，將外殼取下。

（2）觀察外殼是否有泥沙，如有，則將長過濾網(wǎng)拿掉，用清水沖洗干凈，并將刷洗干凈的過濾網(wǎng)放回原處。

（3）觀察漏斗處是否有泥沙，如有，則將漏斗輕輕取出，再將小過濾網(wǎng)拿出，用清水沖洗干凈。并將小過濾網(wǎng)刷洗干凈后放入漏斗中，注意放正。

（4）將翻斗用清水刷洗干凈（勿用酒精和汽油清洗），并將清洗后的翻斗背面用干凈的布或面巾紙擦干凈（注意不要用手觸摸翻斗內(nèi)側(cè)），再將翻斗放回原處輕輕撥動螺釘使其能正常翻轉(zhuǎn)。

（5）上述工作完畢，將翻斗擺向一側(cè)，安裝外殼并檢查、調(diào)整水平，與底盤固定。

（6）用清水輕輕倒入筒殼中，聽內(nèi)部有無翻斗聲，也可通過萬用表測量通斷進(jìn)行檢查，如聽不到聲音或者萬用表測試無通斷信號，則需重復(fù)上述步驟。

（7）將電纜插頭插好。

3 結(jié)束語

氣象觀測是氣象工作的基礎(chǔ)，地面氣象觀測是其重要組成部分。近年來，各級氣象部門對標(biāo)“監(jiān)測精密”要求，綜合氣象觀測現(xiàn)代化進(jìn)程加快，各類新型化觀測儀器設(shè)備的自動化程度和科技含量越來越高，但無論監(jiān)測儀器設(shè)備多么先進(jìn)，人始終有監(jiān)測設(shè)備無法替代的優(yōu)勢，只有人與設(shè)備的有機(jī)配合才能織密氣象監(jiān)測安全網(wǎng)。各基層氣象臺站工作人員應(yīng)掌握多翻斗雨量傳感融合系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理、故障排查及日常維護(hù)等，在雨量傳感融合系統(tǒng)出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)時，及時分析異常原因，找出并排除故障，使傳感器處于正常運(yùn)行狀態(tài)，確保觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確、可靠。