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1、ZQZ-C型自动气象站硬件故障与维修摘要:ZQZ-CII型自动气象站是地面气象要素的有线自动化遥测设备。本文根据ZQZ-CII型自动气象站的工作原理和近年来的维修工作,通过实际案例介绍了硬件故障分析和维修方法。0引言ZQZ-C型自动气象站是对风向、风速、气温、相对湿度、气压、雨量和地温等气象要素进行实时采集的自动气象观测系统。自动气象站的传感器和数据采集器长期经受各种自然环境等因素的影响,其性能易发生改变,以至发生故障,严重影响测报和预报的质量。尽快排除硬件故障就显得格外重要。本文通过实际案例介绍了硬件故障分析和维修方法。1自动气象站的设备及工作原理1.1ZQZ-CII型自动气象站的设备主要设
2、备分为室外和室内两部分。室外设备通常是HMP45D型温湿度传感器、ZQZ-TW1型地温传感器、EC9-1型或ZQZ-TF型风向和风速传感器、SL3型雨量传感器等设备。旧规格的自动气象站测量地表温采用了4个传感器,而新规格的自动气象站只用1个地表温度传感器,增加了1支测量草温的传感器。室内设备通常是PTB220型气压传感器、ZQZ-C数据采集器、后备电源箱、UPS等设备。1.2工作原理自动气象站是地面气象要素的有线自动化遥测设备。它通过温度、湿度、气压、雨量、风向和风速等诸要素传感器感应的不同物理量,经过相应的电路转换成标准的电信号模拟量和数字量。然后由数据采集器按时序采集和计算,得出各个气象要
3、素的实时值,并实时显示。采集器向计算机发送数据,计算机以统一规格的数据形式进行显示、存储和打印。2硬件故障分析与维修ZQZ-CII型自动气象站硬件故障较为复杂,它涉及到传感器、信号电缆、采集器、电源等。ZQA-CII型自动气象站硬件故障检修应遵循安全、逻辑、分解、替代和记录等原则,其中安全原则最为重要。自动气象站的采集器、后备电源箱、微机、UPS以及打印机都是与市电相连接的。检修时如果确信后备电源正常,可以先将后备电源箱的交流电源插头与市电脱开,使用后备电源箱中的蓄电池供电,以防触电危险。检修完毕后再与市电相连接。2.1故障的类型根据气象要素异常或者缺测等情况,故障可分为两类。一是自动气象站系
4、统的实时采集、计算处理、显示存储、以及通讯发报等一切运作是正常的,只是所采集到的测量数据异常,明显偏离实际值。此类故障通常是由于传感器所致。部分传感器的测量范围、分辨率和准确度见表1。二是自动气象站无法正常运行,诸如要素缺测乃至设备死机等等。即自动气象站已经无法正常完成某个要素或全部气象要素的采集、计算、显示、存储、通讯等功能。其原因是多方面的,既可能是属于硬件方面,也可能是来自软件方面,或者二者共同导致的。2.2常见故障现象与维修2.2.1气象要素数据异常(1)地温异常地表、浅层和深层地温传感器安装在地温场内。它们的感温元件为Pt100铂电阻。地温传感器的故障主要是由于雨水侵蚀、雷电破坏以及
5、田间鼠害等造成的。故障现象:夏日,自动气象站上空出现过雷雨天气,某只浅层地温示值不稳定,有跳变,偏差大。分析与维修:可能是地温传感器故障,或是相关的主板地温信号通道故障。一种简单的判别方法是将室内采集器的后面板上地表温度电缆插头与浅层地温电缆插头位置对调一下。观察采集器或电脑上浅层地温显示的数据。由于此时浅层地温实际上显示的是正常的地表温度,如果数据正常没有跳变,说明浅层地温传感器有故障。否则是主板地温信号通道故障。另一种判断方法是打开地温转接盒,对调有跳变的浅层地温传感器和另一个无跳变的浅层地温传感器的接线,再从采集器观察有跳变的浅层地温传感器的数据。若对调后跳变消失,说明数据有跳变的传感器
6、故障了。通常更换该传感器后即可恢复正常。(2)湿度异常温湿度传感器放在观测场中的百叶箱内。该传感器的感湿元件为高分子湿敏电容。故障现象:在汛期或者高温多雨的天气条件下,自动气象站显示的湿度却异常偏低。分析与维修:可能是HMP45D温湿度传感器内的滤纸被污染,或者湿度传感芯片损坏或者是温湿度信号电缆插头插座线间局部短路或接触不良。长期处于潮湿条件下的电缆插头座,水汽容易进入并凝结成水滴,造成插头线间局部短路或引起接插部件产生锈蚀,会造成湿度异常。首先清洁或更换滤纸,清洁方法是:拧下传感器防护罩,取出滤纸滤架,放在稀释的医用酒精中用软毛刷轻轻刷洗,再用蒸馏水漂洗,然后烘干或晾干后装回。若清洗后效果
7、不明显,应更换湿度传感芯片。并且检查电缆插头座及其焊接端。如果发现有水气或水迹,必须除去,必要时用酒精棉擦拭信号电缆的插头座。再测量信号电缆的通断,通常可恢复正常。湿度故障及维修见表2。(3)气压异常智能数字气压传感器或者振筒式气压传感器被直接安装在采集器内,并且通过RS-232串行通信口接入采集器主板。故障现象:自动气象站气压值与动槽水银气压表数据存在较大的系统偏差,其差值已大于07 hPa以上,且有继续扩大的趋势。分析与维修:可能是气压传感器超差或损坏;人工观测用的动槽水银气压表超差。自动气象站气压测量的允许误差是在0.3 hPa之间,动槽水银气压表的测量不确定度在0.25 hPa之间,因
8、此合成后气压的最大误差限为0.55 hPa。气压传感器除了有示值误差以外,还存在温度漂移和时间漂移误差。气压传感器允许的年漂移应在0.1 hPa之间,假如这种漂移误差和示值误差是同方向的,若干年后其误差将可能愈来愈大。首先查询自动气象站在以往若干时段中气压的分钟数据资料。如果存在跳变或者较大的偏差,采用“替代”法换上1个新的或正常的气压传感器。如果还是偏差大,应当启用另1个备份的动槽水银气压表与气压传感器进行比对,判断人工观测用的动槽水银气压表是否超差。(4)风向和风速异常风向风速传感器通常安装在风杆或者风塔上使用。故障现象:从自动气象站风速资料发现,与常年相比本站的静风频率增多,且与邻近自动
9、气象站对比本站大风天气的风速偏低。 分析与维修:可能是风速传感器内的上下轴承干涸、锈蚀、磨损或有污渍,致使启动风速偏大或转动不灵活;风杯组件与风速主轴的固定螺丝松脱或者螺丝安装不到位,会造成风杯转动时不能正常带动主轴同步转动;风速传感器的主轴弯曲等。从风杆或者风塔上卸下风速传感器,拆除上下轴承并且退出风速传感器主轴。检查轴承和主轴,清洗轴承并加油或更换新轴承。若主轴变形应校正主轴或更换新主轴,最后正确安装风速传感器并拧紧风杯的固定螺丝。2.2.2自动气象站无法正常运行(1)地温缺测。故障现象:某自动气象站地表温在正常天气状况下,突然出现缺测的故障,经检查电缆正常。 分析与维修:如果采用的是4支
10、地表温度传感器,至少有1支损坏,或者采集器主板的地表温信号通道有故障。打开地温转接盒,使用万用表电阻档对4支地表温传感器分别进行测量。铂电阻的阻值在一定的范围内,可等效为Rt=R0(1+0.385 T),式中Rt为T时的电阻值,R0表示0时的电阻值为100。若4支地表温传感器中有异常值者,必然为出故障的那支传感器。否则应怀疑主板地表温信号通道有故障,维修或更换主板。(2)气压缺测故障现象:采集器内的蜂鸣器每分钟发出规律性的鸣叫声,同时出现气压缺测现象。 分析与维修:可能是采集器内稳压电源板损坏造成气压传感器掉电;气压传感器与主板之间的接插件接触不良;气压传感器损坏;主板气压信号通道损坏等。上述
11、故障的出现,通常与电源故障有关或者由于雷击造成。如果是雷击所致有可能伴随着采集器主板的故障。检查后备电源箱电源。若正常则检查采集器内稳压电源板输出电压是否正常,以及传感器与主板的接线端子是否接触良好,通常更换气压传感器后可恢复正常,否则检修或更换主板。气压缺测故障及维修见表3。(3)风向风速缺测故障现象:自动气象站遭到雷击后,风向始终停留在一个方位上,风速显示为“0”。分析与维修:可能是风向或风速传感器被雷电打坏;采集器主板中的风向风速信号电路损坏;也可能是风向风速信号电缆故障。从风杆或风塔上拆卸风向传感器之前,应先沿着指北杆方向在传感器安装底座上作一个方位记号。重新安装新的风向传感器时必须确
12、定方位。顺便检查风向信号电缆及插头座有无断线、碰线、脱焊等现象。通常情况下更换风向传感器后,重启采集器,故障现象解除。否则应更换风速传感器。必要时维修或更换采集器主板。(4)雨量缺测雨量传感器由承水器、漏斗、支架、翻斗、干簧气象站采集器上雨量显示却为零。分析与维修:可能是雨量传感器损坏;雨量信号电缆中断;或采集器主板的雨量通道损坏。应按照分解隔离原则,化整为零、逐步深入、寻找故障。检查漏斗、翻斗和滤网等是否有杂物堵塞。利用雨量校准器检验传感器的性能。人工模拟加水测试,如果发现计量翻斗翻转时,雨量校准器无数据反映,则用万用表测量干簧管在翻斗翻转过程中有无通断现象,以确认是否应更换干簧管。排除传感
13、器的故障后,则用万用表进一步检测雨量信号电缆的导通状况;必要时采用替代法甄别主板通道的好坏。(5)所有要素缺测故障现象:自动气象站上空出现强雷暴以后,所有要素缺测。采取按采集器复位按钮、重新启动、甚至更换主板等措施仍不能恢复正常工作。分析与维修:可能是采集器内的稳压电路板损坏;采集器内的电源变压器烧毁或保险丝断。采集器是ZQZ-C自动气象站的核心,其内部的主要部件包括主板、稳压电路板、显示板、变压器和气压传感器,见图1。所有的传感器、微机、后备电源都与数据采集器相连接。采用分解隔离的方法,缩小寻找主要故障点的范围,排除其他因素的干扰。先拔除采集器后面板上连接室外传感器的所有电缆插头,排除了传感
14、器对采集器的影响。拔掉采集器与微机连接的RS-232通讯接口电缆的插头。在切断采集器的电源后,用万用表的电阻档测量保险丝的导通性能。检查市电电压,若正常,打开采集器顶盖板,再连接交流220 V电源。按照开机程序启动采集器,用万用表测量采集器内的稳压电路板上对应的输出端子的相应电压。如不正常,应更换电源板或变压器。然后再次测量输出端子的相应电压。如果正常,则先将部分传感器(例如浅层地温传感器)与采集器相连接。以确认主板和传感器是否正常。再进一步检查其余的传感器以及主板的相关通道的情况。值得提醒的是,在更换主板前,首先确保稳压电路板的输出电压必须正常,防止损坏新主板。(6)单项缺测故障现象:自动气
15、象站缺测某单项气象要素,比如:气压或湿度等。继而逐步蔓延到多个要素甚至所有要素均无法采集。采集器复位无效。分析与维修:可能是后备电源箱电源线的插头松脱;后备电源箱的保险丝烧断;后备电源箱未接交流电。电源系统是保障自动气象站正常运行的前提,因此在自动气象站出现故障时,往往总是首先检查电源系统的状况。电源系统分2部分,一是采集器内部的电源变换电路,二是后备电源箱。该电源箱向采集器提供220 V交流和12 V直流电源。后备电源箱内部装有蓄电池。当后备电源箱因各种原因出现掉电现象时,只能使用箱内蓄电池来保证采集器和传感器的运行。长时间的掉电会造成蓄电池过放电,导致电压下降而无法维持采集器和传感器的运行,引起气象要素缺测.观察后备电源箱指示灯是否显示,若无显示,应检查有无市电。确认有电后,则检查电源箱电源线的插头座是否松脱以及电源箱保险丝是否完好。如果后备电源出故障,采集器可以直接用市电供电。3结束语从以上的案例分析中可知,尽管自动气象站硬件的故障错综复杂,但只要熟悉各部分仪器的工作原理,掌握分析和判断的基本原则,就能迅速排除故障。参考文献: 1 江苏省无线电科学研究所有限公司.ZQZ-C型自动气象站用户手册M.无锡:江苏省无线电科学研究所有限公司,2005. 2 胡帆,陈正一.PTB220系列数字式气压表的原理与应
