DFZ2型三级辐射站故障排查与维护

DFZ2型三级辐射站故障排查与维护

杨涛，沈玉亮，陈建春

黄山市气象局，安徽 黄山 245000

摘要：DFZ2型三级辐射站主要挂接DFN2 型热电式数字总辐射表，是一种用于精确测量总辐射的自动化气象仪器。针对DFZ2型三级辐射站在实际应用中出现的问题，本文简要介绍了DFZ2型三级辐射站结构和工作原理，详细分析判断故障原因及日常维护方法，旨在为气象台站维护该型设备提供技术参考。

关键词：DFZ2型辐射站；三级站；工作原理；故障排查；日常维护

引言

总辐射是指水平面上 ,天空2π立体角内所接收到的太阳直接辐射（SL）和散射辐射（Ed↓）之和，是辐射观测中最基本的项目，也是三级辐射站的唯一观测项目。DFZ2型热电式数字总辐射表可测量太阳总辐射，具有技术结构先进、性能指标精良、业务使用与维护方便等优点，可满足气象、气候和社会化服务对辐射观测数据不断增长的需求。

1.基本结构与辐射测量单位

1.1 辐照度

感应件由感应面与热电堆组成，涂黑感应面通常为圆形，也有方形。热电堆由康铜、康铜镀铜构成。另一种感应面由黑白相间的金属片构成，利用黑白片的吸收率的不同，测定其下端热电堆温差电动势，然后转换成辐照度。玻璃罩为半球形双层石英玻璃构成。附件包括机体、干燥器、白色档板、底座、水准器和接线柱等。此外还有保护玻璃罩的金属盖(又称保护罩)。

1.2 辐照度

辐照度E：在单位时间内，投射到单位面积上的辐射能，即观测到的瞬时值。单位为瓦/平方米（W·m^-2），取整数。

1.3曝辐量

曝辐量H：指一段时间（如1天）辐照度的总量或称累计量。单位为兆焦耳/平方米（MJ· m^-2），取两位小数，1MJ=106J=106W·s。

2.气象辐射量

2.1太阳短波辐射

垂直于太阳入射光的直射辐射S：包括来自太阳面的直接辐射和太阳周围一个非常狭窄的环形天空辐射(环日辐射)，可用直接辐射表测量。

2.2水平面太阳直接辐射

水平面太阳直接辐射SL：SL与 S的关系为SL=S·sinHA=S·cosZ (13.1) 式中，HA为太阳高度角，Z为天顶距(Z=90-HA)。

2.3散射辐射

散射辐射散射辐射Ed↓是指太阳辐射经过大气散射或云的反射，从天空2π立体角以短波形式向下，到达地面的那部分辐射。可用总辐射表，遮住太阳直接辐射的方法测量。

2.4总辐射

总辐射可用总辐射表(亦称天空辐射表)测量，总辐射Eg↓=SL+Ed↓，白天太阳被云遮蔽时，Eg↓=Ed↓，夜间Eg↓=0。

3.测量原理

总辐射表使用的辐射传感器为热电型，传感器由感应面与热电堆组成。感应面是薄金属片、涂上吸收率高、光谱响应好的无光黑漆。紧贴在感应面下部是热电堆，它与感应面应保持绝缘。热电堆工作端位于感应面下端。参考端(冷端)位于隐蔽处。为了增大仪器的灵敏度，热电堆由康铜丝绕在骨架上，其中一半镀铜，形成几十对串联的热电偶。

当辐射表对准辐射源(如太阳)，感应面黑体吸收辐射能而增热时，使下部的热电堆点两端形成温度差，热电堆产生电动势。当辐照度E越强，热电堆两端的温差就越大，输出的电动势V也就越大，它们的关系基本是线性的：

其中V(μV)=K·E(Wm^-2)

其中 K(μV/Wm^-2)=V/E

K称仪器的灵敏度,单位为 μVW-1m2，取二位小数。辐射仪器灵敏度定义为仪器达到稳态后，输出量与输入量之比，也就是单位辐照度产生的电压微伏数。若已知K，测量辐射表输出电压大小，就可确定辐照度的强弱，这就是热电型辐射传感器的基本原理。

4 常见故障处理

4.1 ISOS数据异常

4.1.1数据偏大

①故障原因：仪器灵敏度K偏大。根据公式V(μV)=K·E(Wm^-2)，若K偏大，则输出电动势V偏大，得到的辐射数据也相应偏大。

解决方法：设置正确的K值。

②故障原因：光污染。检查日照计安装位置周围是否有障碍物、反射面或者明显的污染源,例如玻璃幕墙、釉面墙砖、抛光大理石等发射率比较高的建筑材料，这些材料可能会将较强的太阳光反射到辐射传感器的感应面上，造成辐射数值偏大，较强的光源也可能会造成同样的后果。

解决方法：及时拆除影响辐射数据的光源或建筑材料。

③故障原因：传感器安装不水平。根据公式太阳直接辐射SL=S·sinHA，若传感器安装不水平，可能导致实际HA偏小，从而导致太阳直接辐射SL、总辐射E偏大，进而导致输出电动势V偏大，得到的辐射数值也偏大。

解决方法：将辐射传感器重新调整至水平，确保水平泡在水准器中间。

4.1.2数据偏小

①故障原因：仪器灵敏度K偏小。根据公式V(μV)=K·E(Wm^-2)，若K偏小，则输出电动势V偏小，得到的辐射数据也相应偏小。

解决方法：设置正确的K值。

②故障原因：玻璃罩上覆盖异物。总辐射表玻璃罩上若覆盖有异物会阻挡部分或全部的太阳直接辐射和散射辐射，造成辐射数据偏小。

解决方法：清除总辐射表玻璃罩上的异物。因为玻璃罩易碎且贵重，擦拭玻璃罩时一定要仔细、小心。冬季玻璃罩及其周围如附有水滴或其它凝结物，应擦干后再盖上，以防结冻。金属盖一旦冻住，很难取下时，可用吹风机使冻结物溶化或采用其它方将盖取下，以免损坏玻璃罩。

③故障原因：玻璃罩内有水珠。玻璃罩内内的水珠 会折射、散射掉一部分的辐射。

解决方法：玻璃罩内有水珠说明玻璃罩内的硅胶干燥剂已失效，应及时检查辐射传感器是否有破损，若无破损，取出干燥剂，放在微波炉内烘烤使之颜色由白变蓝，重新放回玻璃罩内。重复此步骤，直至玻璃罩内水珠消失。同时要规范辐射传感器的日常维护工作，有降水时及时加盖保护，定期更换干燥剂等。

④故障原因：辐射传感器周围有遮挡。地面气象观测场四周存在较高的障碍物，障碍物的影子投射到了辐射观测仪器的受光面上，导致辐射观测数值偏小。

解决方法：及时排除障碍物影子对辐射观测设备的影响。

⑤故障原因：传感器安装不水平。根据公式太阳直接辐射SL=S·sinHA，若传感器安装不水平，可能导致实际HA偏大，从而导致太阳直接辐射SL、总辐射E偏小，进而导致输出电动势V偏小，得到的辐射数值也偏小。

解决方法：将辐射传感器重新调整至水平，确保水平泡在水准器中间。

4.2 ISOS数据缺失

辐射数据从传感器到电脑终端，中间通过数据采集器和综合硬件集成控制器连接，若相关设备供电或者通讯出现故障，都会导致ISOS上无法显示数据。

排查故障时，应遵循先软件后硬件，由近到远的原则，对辐射观测设备硬件及数据传输系统进行检查。

4.2.1软件与通讯故障

①故障原因：软件参数设置错误。软件参数设置错误包括观测项目挂接错误、通讯参数设置错误。

解决方法：针对参数设置错误类型，重新设置正确的参数。

②故障原因：软件兼容性错误。随着业务的发展，ISOS软件升级速度较快，内核软件版本较低的辐射数据采集器产生的的数据文件格式和综合集成硬件控制器的通讯机制可能与新版的ISOS软件不兼容。

解决方法：更新辐射数据采集器、综合集成硬件控制器的软件版本，或直接更换设备。

4.2.2 硬件与线路故障

①通讯线路故障。通讯线路主要由光纤、网线和串口数据线组成。任何一部分通讯线路、通讯串口或端子出现故障，ISOS都将缺测。

解决方法：更换故障部分线路。

②故障原因：设备供电故障。从传感器到电脑端，中间的设备有数据采集器、综合集成硬件控制器、光电转换模块，任何一个中间设备发生供电故障都会导致数据传输的中断。

解决方法：观察设备工作指示灯，若有异常，检查供电线路、设备供电模块是否有短路或断路并修复。

③故障原因：设备损坏。若通讯、供电均没有问题，则依次排查传感器、数据采集器、综合硬件集成控制器、光电转换模块是否有故障。

解决方法：硬件设备损坏的话，基层台站一般没有能力对其进行维修，应及时更换新设备。

5结语

随着社会服务和科学研究对太阳辐射数据的需求越来越高，辐射DFZ2型三级辐射站作为气象自动观测仪器，虽能长时间独立运行，且性能较稳定，但作为一款电子设备，难免在运行过程中出现故障。对于它在运行、维护过程中可能出现的问题，要结合其工作原理，按照故障处理方法，及时查找出故障发生的元件，确保设备稳定工作。因此，在以后的业务工作中，要不断加强相关知识的学习，进一步提高自身的保障技术水平；对出现的故障现象进行总结与归纳，为今后能够更好地做好气象设备的维护维修工作提供参考。

参考文献

[1]中央气象局.(2003).地面气象观测规范.气象出版社.

[2]DFZ2辐射气象观测系统使用说明书.

[3]朱一正,杨严意,董猛.DFC3光电式数字日照计故障排查与维护[J].农业与技术,2019,39(7):53-54.

第一作者简介：杨涛（1992-），男，安徽滁州全椒，本科，助理工程师，从事综合观测工作。