DSC2型称重式降水传感器的电源扰动及解决办法

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第 3期2013年 9月气 象 水 文 海 洋 仪 器Meteorological，Hydrological and Marine InstrumentsNO．3Sep．2013DSC2型称重式降水传感器的电源扰动及解决办法李 林，常 晨，张 曼，范雪波，崔 炜，刘金城，陈 璐(北京市气象局大气探测技术保障中心，北京 100089)摘 要：为保 障称重式降水传感器观测数据 的准确性，本文选取两个先期安装 DSC2型称重式降水传感器的典型站点，对其 因电源扰动而出现的降水误报情况进行 了介绍 ，并通过对充电控制器产生扰动的原因分析，提出了相应解决方案。结果表明，在传感器供电前端安装直流稳压模块 ，可以有效解决 DSC2型称重式降水传感器 因电源扰动而出现的降水误报。

关键词：称重式降水传感器；电源扰动；故障分析中图分类号 ：TH765．6 文献标识码 ：B 文章编号 ：1006—009X(2013)03—0082—04Solutions on power disturbances of DCS2 weighing gaugeLi Lin，Chang Chen，Zhang Man，Fan Xuebo，Cui Wei，Liu Jincheng，Chen Lu(Atmospheric Sounding and Technical Support Center of Beijing Meteorological Service，Beijing 100089)Abstract：To insure the accuracy of observation data from weighing gauge，based on DSC2 weighinggauge that is pre—installed on two typical weather stations，this paper introduces the precipitationmisinformation that caused by the power disturbance． Then，the suggestions are proposed for thismalfunction by means of the disturbance analysis of charge controller．The results show that installingDC manostat into the power supply of DSC2 weighing gauge could be an efficient solution.

Key words：weighing gauge；power disturbance；malfunction analysis0 引言作为地面气象观测的主要项 目之一，降水观测为气象防灾减灾 、天气预报 、气候分析和科学研究等提供了重要基础资料[】]。称重式降水传感器可实现所有类型降水的全天候 自动化观测 ，能够解决 目前气象台站固态降水观测的时效差和频次低等问题[2。]，有利于提高固态降水观测的准确性和及时性 ，减轻观测人员工作量 ，对做好冰雪天气过程的气象预报和服务工作提供有力支撑，以降低冰雪灾害对工农业生产造成的影响 ]。

根据中国气象局综合观测司通知要求，2009年北京市气象局开展固态降水和雪深 自动观测试点工作 ，并于 2012年按照《降水观测规范 ～称重式降水传感器(试行)》[6]要求 ，通过气象灾害监测预警工程和极端天气道路交通保畅物联网应用示范工程，在北京市建设固态降水 自动观测网。该观测网共包括 20个国家级站和 57个区域站 ，其中 62个站点采用 DSC2型称重式降水传感器。

在运行 中有 降水误报现象(即当人工定 时观测天气现象无降水时，而 DSC2型称重式降水传感器在此时段观测到的降水量≥0．1 mm)_7]，本文主要针对 DSC2型称重式降水传感器在建设安装和业务应用过程中出现降水误报原因进行分析 ，发现电源扰动对振弦频率存在干扰 ，并提 出相应的解决方案降低降水误报率，从而实现固态降收稿 日期 ：2013—05—17.

基金项目：国家 自然科学基金(40930949)，城市气象研究基金(UMRF201108)共同资助.

作者简介：李林(1979一)，男，大学，工程师．从事综合气象观测系统建设工作.

第 3期 李 林，等 ：DSC2型称重式降水传感器的电源扰动及解决办法 。83。

水观测站点的稳定运行以提高数据质量。

1 设备原理DSC2型称重式降水传感器可以测量 0～400 mm降水量，降水采集面积为 314 cm。，分辨力为 0．1 mm。该设备基于载荷测量技术原理设计，包含硬件及处理软件两部分，由称重单元(振弦式称重传感器、激振电路、拾振电路等)、处理单元、外围组件(含收集容器、外壳、底盘、基座和防风圈等)构成硬件组成。载荷单元采用振弦技术 ，即利用内部弹性元件(即弦丝)由被测量物(即降水)拉紧的程度来称重，其输出的频率量与降水重量存在对应关系，数据处理单元测出称重单元传送来的频率量 -厂，使用以下公式即可计算得到集水桶内的降水量。

P一 6．37[A(-厂一fo)+B(f—fo) ]式中 P为降水量；f为称重单元输出频率；A、B、厂0为常数。在连续测量时，用本次降水量减去前次降水量则得到两次测量间隔间的实际降水量 。

2 设备误报情况在北京市固态降水 自动观测网的安装建设过程中，有部分站点在晴天情况下降水误报率较高，明显超过中国气象局《2010~2011年冬季固态降水自动化观测试验考核》中的合格指标，即降水误报率≤1次／月。在降水误报故障解决之前，采用SL3—1型进行 降水观测 ，同时确保 DSC2型称 重式降水传感器可工作运行。由于车道沟区域气象站和先农坛区域气象站 DSC2型称重式降水传感器均为首批安装 ，且故障情况具有代表性 ，下文将对它们的误报情况进行说明。

2．1 先农坛站点误报情况先农坛区域气象站位于先农坛体育场西南侧，2012—09—15安装 DSC2型称重式降水传感器。

在 9月 20日 23：00至 9月 22日 01：00期 间，该站出现降水误报，具体为：27个时次中有 2O个时次出现降水误报，误报率为 74．1 ，单次误报最小值为 0．3 mm，单次误报最大值为 4．9 mm，如图 1所示 。

分析先农坛站 9月 20～22日 DSC2型称重式降水传感器的分采集器数据，发现振弦频率出现较大扰动 的开始 时间为 9月 20日 20：44，在23：45至 21 日 00：30期 间 扰 动较 小 ，接 着 于o0：31开始出现扰动并一直持续到 9月 22日人员进行维修处理。图 2为 2012—09—20T16：00之后24 h内供电电压及 3根振弦频率的5 rain数据。

时间图 1 2012-09-20T23：00-2012-09-22T01：00先农坛误报小 时降水量时间图2 2012-09—20T16：00后先农坛站点 24 h内供电电压及振弦频率的 5 rain数据2．2 车道沟站点误报情况车道沟区域气象站位于北京市气象局业务楼楼顶，2012—09—20安装 DSC2型称重式降水传感器。通过下载观测数据发现 ，在该设备安装后 即出现 降水误报，时段均 出现在 白天 12：0O～18：OO，其中 10月 1～7日出现降水误报 31次，误报率为 18．4 ，单次误报最小值为0．3 mm，单次误报 最 大值 为 24．9 mm，日平 均误 报 值 为35．0 mm，详见图 3。

· 84· 气 象 水 文 海 洋 仪 器 Sep．2013重＼ 删篷时间图 3 2012-10-01T00：00—2012-10-07T23：00车道沟误报小 时降水量分析车道沟站 1O月 1～7日DSC2型称重式降水传感器的分采集器数据 ，并对频率扰动出现前后各 1 h内3根振弦观测频率的标准差取平均值，具体数据见表 1。结果表明，频率扰动出现前振 弦观测频 率数据 一致性 较好 ，最大标 准差 为0．20，频率扰动 出现后振弦观测频率数据 的标准差除 10月 4日为 6．94外 ，其余几 日则在 7O～100之间，表明振弦观测频率值的离散度较高。

同时，先于降水误报前振弦频率已经出现扰动，振弦频率扰动 出现的时间在每 日 10：O0左右，扰动结束的时间在每 日 17：O0左右 ，出现扰动期间采集器的工作电压为 14 V左右。

表 1 10月 1～7日车道沟站扰动 出现情况一 ．
扰动出现 扰动结束 出现扰动 扰动前标 扰动后标 日期时间 时间 时 电压／V 准差 准差1日2日3日4日5日6日7日由于 7天的扰动现象较为一致 ，选取 10月 1日为例，车道沟站点供电电压和 3根振弦频率的5 rain数据如图 4所示。该站点 OO：00时 3根振弦频率分别为 1 35O．7、1 344．5、1 348．5Hz，在23：59时 3根振弦频率分别为 1 340．1、1 333．8、1 337．7Hz，该部分 频率减少是 因为集水桶 内 的存水 自然蒸发。在频率扰动出现时段 内的大部分时间中，3根振弦输出的频率分别低于空集水桶时对应的频率，即 1 053．1、1 044．1、1 061．2Hz。

特别是，在 13：13时，3根振弦的频率降到了212、167．6、212．8Hz。

瓣骚时间图 4 2012-10-01车道沟站点 24 h内供 电电压及振弦频率 的 5 rain数据3 误报产生原因及解决研究表明，称重式降水传感器的敏感元件易受到环境因素(温度和风)的影响而导致称重信息发生变化，从而导致降水误报。本研究中将先农坛、车道沟两站的温度、风速数据分别与降水误报数据进行分析 比对 ，未发现其存在关联性 ，可排除在本案例中两者导致降水误报的可能。进一步分析 DSC2型称重式降水传感器分采集器所保存的分钟数据，发现降水误报与自动气象站的供电状态存在明显相关。

3．1 电源影响先农坛和车道沟两站点均采用 CAWS600型自动气象站 ，但在供 电方式上存在显著差别 ，前者采用交流电供电和 DY01型控制器，后者则采用太阳能供电和 6．6C型控制器 。但 两者对 自动气象站均匀直流供电。

表 2 电压稳步变化时振弦输出频率测试 电压／v 1#振弦／Hz 2 振弦／Hz 3 振 弦／Hz9．0010．0011．0O12．00l3．0014．0015．0016．0017．0018．0019．002O．OO7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 7 O O O O O O O O 0 0 0 O mmmmm
∞ ％ ％％ 他 鹳7 7 0 9 9 0 8 O O 2 O O 1 O O 0 O 0 O O O 9 O 1 O 3 9 9 3 4 4 4 4 3 3 4 O 9 8 O 2 O 0 2 0 0 1 4 2 7 6 7 4 7 6 6 } ； l 5 9 5 0 0 4 O 5 O 4 2 1 5 2 9 O 9 O O 9 O 0 1 0 1 1 0 1 第 3期 李 林，等：DSC2型称重式降水传感器的电源扰动及解决办法 ‘85‘针对供电电压对 DSC2型称重式降水传感器输出频率值的可能影响，在实验室采用稳压电源对 DSC2型称重式降水传感器进行供电，逐步将稳压电源的电压输出由 9 V增加到 20 V，每次增加幅度为 1 V，每个测试点 DSC2型称重式降水传感器运行 10 min。

由表 2可以看出，在不同供电电压下，观测到3根振弦的频率未 出现变化。考虑到 DSC2型称重式降水传感器的分采集器供电电压采样为每分钟一次，其采样频率可能远低于供电电压变化的频率，即实际供电电压的扰动可能较分采集器的观测数据更为快速、幅度更大，而导致振弦频率出现扰动的主要原 因正是供 电电压的快速扰动。有研究指出，电力半导体器件工作在高频开关状态，它所产生的电流和电压会通过各种耦合途径，产生传导干扰和辐射干扰L8]。

3．2 DY01型控制器产生扰动的原因DY01型控制器是带有充 电控制 的直流蓄 电装置 ，采用非浮充的控制充电方式，并配有充电指示灯 、工作指示灯、外接交流电源指示灯_g]。9月22日在先农坛站现场检查时，发现 DY01型控制器的充放电指示灯不断闪烁。经检查，该站蓄电池使用时间较长，存在电池老化现象。当DY01型控制器进入充电状态时 ，电池电压即达到最终充电电压而导致停止充电，随即电池电压又降低到小于启动充电电压，从而往复形成供电电压的扰动。

3．3 6．6C型控制器产生扰动的原 因6．6C型太阳能控制器应用于光伏太阳能系统中，用作铅酸电池的充放电控制，具备过冲保护 、深放 电保护等功 能。为了防止析气会导致 电解液的损失进而损坏电池，6．6C型太 阳能充放 电控制器在电池电压达到最终充电电压时启动过充保护功能 ，即在 电池 电压达到最终充 电电压后充电控制器通过极快速 、短暂 的短路 (脉 冲宽度调节)来减小充 电电流 ，因此形成供 电电压的扰动。

6．6C的浮充电压为 13．9V，因此从表 1中可 以看出，当车道沟站称重式降水传感器的振弦频率出现干扰时，采集器记录电压均在 13．9V及以上。

1O月 1～7日期间大部分为晴到多云天气，仅 10月 4日为阴天，光照不足导致太阳能充电效率较低，所以该日的频率扰动较小、扰动时长较短，表现为频率扰动出现后振弦观测频率数据的标准差也较小，也同时证明了供电电压扰动对降水误报的影响。

3．4 供电电压扰动对 DSC2型称重式传感器干扰的原理振弦式称重传感器工作时由激振电路驱动电磁线圈，当信号频率和振弦固有频率相接近时，振弦迅速达到共振状态。振弦式称重传感器采用直流信号激励，对传感器施加一个直流激励信号，电流经过线圈时产生磁场吸住振弦，然后通过切换，将传感器接至拾振电路，此时振弦被释放而自由振动，产生一个频率信号，通过拾振电路的放大和滤波从而提取到传感器的信号。

由上可知，由于该类型传感器采用直流信号激励产生信号后再由拾振电路产生频率，当供电电压出现较大幅度的变动时会导致激振和拾振信号出现异常，直接表现为传感器输出频率扰动，产生降水误报情况。

为解决供电电压可能出现较大幅度的扰动而产生的误报降水问题，在传感器供电前端增加直流稳压模块 。直流变换 的基本方法是采用半导体器件作为功率开关，使带有滤波器的负载与供电输入时接时断，从而在负载上得到稳定的供电输出，实现将一个不受控制 的输入直 流电压变换 成为另一个受控的输出直流电压。通过升降压变换电路，实现 9～36 V宽范围的直流电输入与12 V的直流电输 出，即供电电压在 9～36 V 的直流电范围内扰动仍能得到稳定 12 V的直流电输出，输入与输出之间的有效隔离使得输出电压稳定度高、输出纹波噪声小，从而有效解决由于供电电压扰动导致的降水误报问题。

10月 10日，在先农坛和车道沟站安装直 流稳压模块，其后两站均未出现降水误报现象。记录先农坛站点直流稳压模块的输人和输出电压的1 h数据 ，如图 5所示 。

时间图 5 安装直流稳压模块后输入与输出电压比较(下转 90页)／^ 删· 9O · 气 象 水 文 海 洋 仪 器日照时数时值有 1 h缺测时，日总量值就按缺测处理；日照时数全天缺测，若全天是阴雨天气，日照时数的日合计值记 0．0，否则日合计值按缺测处理，各时数栏空白，此时在日数据维护中不能对其进行维护，只能在 A文件中将 日合计值改为“／／／”，并备注说明记录处理方法和缺测日的可照时数。

风向风速缺测时 ，2 rain风 向风速可 以用 人工补测或观测的记录代替，10 min风向风速、极大风向风速、最大风向风速按缺测处理，并备注缺测记录的处理及统计方法 。

3 结束语为了确保自动气象站的正常工作和上传数据的准确性，在平时的工作中要做好以下几点：(1)做好地面测报软件数据文件及参数文件的备份工作，以便在软件出现故障时快速准确的进行排除。

(2)要对自动站各接线端子和传感器加强维护，不要带电拔插各种接线端子，不要带电撤换或安装传感器，同时要加强对 自动站知识的学习，以便在 自动站出现故障时快速准确的进行判断排除。

(3)要深刻领会 自动站数据缺测时的各处理规定，以便在自动站出现故障时快速准确的处理不正常记录，按时上传数据文件和正确处理月报表文件 中的数据 。

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(上矮 85页J在后续安装的其他站点 时，直接在 DSC2型称重式降水传感器供电前端加装直流稳压模块，未出现明显的降水误报现象 。

4 结束语本文选取先两个先期安装 DSC2型称重式降水传感器的站点，对其因电源扰动而出现的降水误报进行了情况介绍，通过对 DY01型控制器及6．6C型控制器产生扰动的分析，选取在传感器供电前端安装直流稳压模块的方法对此问题予以有效解决。同时，建议相关生产厂家在后续改进时时，可考虑直接安装直流稳压模块，从而减少降水误报的可能，有效提高 DSC2型称重式降水传感器观测数据的可用性。

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