ZQZ-CII型浙江省自动气象站维护维修技术手册(精)

ZQZ-CII型
浙江省自动气象站维护维修技术手册浙江省气象技术装备中心
2005.1
第二篇:ZQZ-CII型自动气象站
目录
第一章整机概述 (1
1.1设备组成及各组件的型号规格 (1 1.2 各组件的功能 (2
1.3 设备的主要技术指标 (7
第二章结构布局和电路工作原理 (8 2.1 结构布局和线缆连接 (8
2.2 数据采集器及传感器原理 (13 2.3 数据采集器电路原理 (16
第三章日常维护 (19
3.1 温湿度传感器的维护 (19
3.2 气压传感器的维护 (19
3.3 风传感器的维护 (19
3.4 雨量传感器的维护 (19
3.5 地温的维护 (20
3.6 采集器的维护 (21
3.7 微机和打印机的维护 (21
3.8 电源的维护 (21
3.9 UPS的维护 (21
第四章现场故障判断与排除 (22
4.1 现场判断故障的原则、步骤和方法 (22 4.2 用“替代”的方法判断故障 (26
第五章常见故障分析与排除 (31
5.1 采集通信: (31
5.2 湿度显示异常: (33
5.3 温度显示异常: (34
5.4 风传感器故障 (34
5.5 雨量故障 (35
5.6 地温故障 (36
5.7 气压故障 (36
5.8 电源故障 (37
220V~ 220V~ 220V~ 第一章整机概述
1.1设备组成及各组件的型号规格
1.1.1 设备组成
Ⅱ型自动气象站由传感器、数据采集器和后备电源、微机和UPS 电源、打印机、电缆等组件组成,可用“图表 1 Ⅱ型自动气象站的设备组成示意图”示意。

图表 1 Ⅱ型自动气象站的设备组成示意图
1.1.2 各组件的型号规格
1.1.
2.1 传感器
1. 气压传感器
PTB200系列气压表芬兰Vaisala 公司制造
2. 温度和湿度传感器
HMP45D 湿度与温度探头芬兰Vaisala 公司制造
3. 风向和风速传感器
EC9-1高动态性能测风传感器长春气象仪器研究所制造
4. 雨量传感器
SL3型遥测雨量传感器上海气象仪器厂制造
5. 地温传感器
WZP-010温度传感器江苏省无线电科学研究所有限公司制造1.1.2.2 数据采集器
ZQZ-CⅡ江苏省无线电科学研究所有限公司制造
1.1.
2.3后备电源
ZQZ-电源江苏省无线电科学研究所有限公司制造
1.1.
2.4 微机
联想开天6410或同类产品联想有限公司制造
1.1.
2.5 UPS
Smart-UPS 美国APC公司制造
1.1.
2.6 打印机
EPSON-1600KⅢ爱普生有限公司制造
1.2 各组件的功能
1.2.1 传感器的功能
传感器将对应气象要素的变化转换成电量的相应变化。

1.2.2 数据采集器的功能
1.2.2.1 测量
对气压、温度、湿度、风向、风速、雨量、地表温度、浅层地温、深层地温等气象要素进行连续、自动的测量。

这个测量包括将敏感元件因气象要素的变化而产生的变化转换成电量、对该电量进行线性化和定标处理、按物理原理公式进行计算和对计算用的有关参数进行必要的修正、将计算结果转换成气象要素值并对其进行质量控制等。

1.2.2.2 显示
在数据采集器前面板上有八位数码管显示,可通过面板上的轻触键盘查看实时气象数据。

其中阵风风向、风速每3秒更新一次,其余气象要素值每1分更新一次。

1.2.2.3 存储
数据采集器按随机文件的格式存贮7天的正点气象观测资料。

在市电停电后又恢复供电等情况下,微机可收集到停电期间的正点气象观测资料。

1.2.2.4 查询
在采集器上可查询最近一次的正点定时观测编报所需的各项气象要素值共20组数据,这在微机故障或停电时特别有用,它可以为人工编发报提供必要的数据(含天气报、重要天气报、航危报、台风报等。

1.2.3 后备电源的功能
市电正常时,用市电供电,并起安全隔离和抗干扰作用;市电不正常时,用蓄电池供电,并自动转换。

后备电源中有蓄电池,容量为38Ah/12V,可保证数据采集器和传感器在停电情况下工作三天。

1.2.4 微机的功能
1.2.4.1 显示
在微机屏幕上,通过菜单命令可显示全部实时气象数据,包括当时的气象要素值和极值以及极值出现的时间。

每分钟的第15秒,屏幕显示内容更新一次。

其中极值是指一小时内的极值,雨量指一小时内的累计雨量。

屏幕上有“数据显示区域”和“动态仪表指示区域”,动态仪表指示使显示更加直观。

还可通过命令将“动态仪表指示区域”更改为“动态曲线显示区域”,观看气象要素随时间的变化曲线。

1.2.4.2 存贮
正点观测的气象资料经微机收集后全部保存在基本数据库文件中,该文件又简称B文件,B文件的库结构请阅读《地面气象测报业务软件OSSMO-HY2002操作手册》。

在地面气象测报和资料处理过程中,气象要素种类多,数据量大,为适应不同任务、不同工作流程的需要,将设计很多种类的数据文件格式,存贮各种不同用途的数据。

但微机上可以显示的实时气象数据资料仅供实时观察,每分钟刷新,是不保存的。

1.2.4.3 查询
在微机上可以查询任意年、月、日、时的正点观测资料。

在微机上可查阅历史报文文件,实现下班对上班报文内容的校对。

也可查询历史月报表、年报表等。

1.2.4.4 编制实时报文
微机在收集Ⅱ型站采集器的自动气象观测资料和键入人工观测取得的
能见度、云、天气现象等目测资料后,能自动编制成中国气象局统一规定的各种实时报文,例:天气报、天气加密报、雨量报、热带气旋加密报(台风报、重要天气报、航空报、危险报、解除报、气象旬月报、气候月报等。

1.2.4.5数据维护
数据维护指对数据进行格式检查,对记录进行相关审核,分析找出各类矛盾或不合理、不正常的记录,达到质量把关的目的。

广义的数据维护还包括将人工观测的气象要素资料输入基本数据库文件、转换或修改某些数据库文件等。

1.2.4.6 编制非实时报表
非实时报表有地面月报表、地面年报表等。

1.2.4.7 组网
可用广域网技术将Ⅱ型自动气象站的微机组成局域网性质的网络,实现区域中心与各台站的自动气象站通信。

微机最终完成了数据的计算处理、计算参数的修正、数据质量控制、数据的存贮和查询、报文编辑、月报表和年报表的编制、组网通信等任务,实现台站业务工作的自动化。

1.2.5 UPS的功能
能在外部输入(市电发生故障时,保证向负载(微机连续供电,供电时间约为4小时左右。

目前,Ⅱ型站配备的UPS(不间断电源为在线式不间断电源,其最大的特点是:逆变器始终处于工作状态,电网输入故障时,不存在切换问题。

除了保证连续供电外,这种电源还能隔离来自电网的浪涌、尖峰、电
压瞬间下跌和频率变化等。

1.2.6 打印机
Ⅱ型站选用宽行打印机,可打印输出所需的各种实时与定时观测记录、各种气象报文、地面气象记录月报表和年报表等。

1.3 设备的主要技术指标
Ⅱ型自动站的主要技术指标为气象要素的测量性能指标,可用“表格 1 主要测量性能指标”表示。

表格 1 主要测量性能指标
表中,性能指标用“准确度”表示。

应说明的是:准确度是一个定性概念,是无法准确定量地确定准确度的值。

但历史上曾作为定量概念使用,故这里仍沿用了。

我们只要把它理解为最大允许误差范围就可以了。

第二章结构布局和电路工作原理
2.1 结构布局和线缆连接
2.1.1 Ⅱ型站的结构布局
Ⅱ型站的结构布局可用下图示意,图表2是由图表1画得稍详细一些而得。

图表 2 Ⅱ型站结构布局和线缆连接示意图在Ⅱ型站中,传感器安装在观测场(其中,气压表安装在数据采集箱中,数据采集器(箱和后备电源、微机和UPS、打印机安装在观测室内,
传感器与数据采集器(箱直接用线缆相连。

2.1.2 Ⅱ型站的线缆连接
图表2同时示出了Ⅱ型站的线缆连接,观测场的传感器通过6根电缆与室内采集器相接,这6根是:
1. 风传感器电缆(12芯,风向传感器、风速传感器合用一根。

2. 温湿度传感器电缆(8芯,温度传感器、湿度传感器合用一根。

3. 雨量传感器电缆(2芯。

4. 地表温传感器电缆(19芯。

5. 浅层地温传感器电缆(19芯。

6. 深层地温传感器电缆(19芯。

电缆两端均有中文文字标志,以防接错。

此外:
1. 数据采集器和后备电源箱之间有二根电缆,一根为直流,一根为交流,这二根电缆在后备电源箱上,是不可拆的。

2. 采集器与微机用通信电缆相连,微机与打印机用数据电缆相连,微机与UPS用电源电缆连接。

3. 后备电源、UPS电源、打印机各有电源插头插到电源插座上。

2.1.3 数据采集器的结构示意图
数据采集器是Ⅱ型站的核心,所有传感器、微机、后备电源都与数据采集器相接。

数据采集器机箱是一种标准机箱,有前、后面板,左、右侧板,上、下盖板。

前面板主要布置数码显示管和操作键,后面板主要布置连接线缆的插座。

数据采集箱(器的结构示意图(拆去上盖板后俯视如下:
图表
拧掉四颗螺钉,打开上盖板,可见到机箱内的采集器主电路印制板(简
称主板、电源印制板(简称电源板、变压器和气压传感器。

在前面板背后,安装了一块显示器印制板(简称显示板,因它紧靠前
面板,故不易发现。

数据采集器的核心器件是CPU,它被安装在主板上。

Ⅱ型站的实时数据
采集、采集数据的计算处理、计算参数的修正、数据质量控制、数据的存贮、数据的显示、与外部(微机的数据通信以及系统的自检、故障诊断
等均由它来完成。

显示板上装有键盘、显示接口器件,使前面板具有显示和键盘(指前
面上的轻触键操作功能。

电源板的功能是为采集器提供电源,包括采集器机箱内部各印制板工
作所需的电源,数码显示管和报警器所需的电源,以及各传感器所需的电源。

变压器原边接市电,通过后面板上的开关接入,副边输出交流14伏,向电源板供电。

打开和维修采集器时,一定要注意安全。

2.1.4 数据采集器的前面板
前面板上有8位数码显示管以及日期、时间、风向、风速、温度、湿度、地温、气压和雨量等参数显示键和复位、定时、瞬时、修改等功能键,还有“♉”、“⇧”、“⇩”等选择键。

轻触键表面印有中文文字,示出该键的作用。

按某键时,可令数码管显示相应的数值,或可进行简单的操作,例如,令自动站“复位”等。

数码管右边有一运行指示灯,遥测仪正常运行时,每秒闪烁一次。

所以,给它一个名字:“秒闪灯”。

在16只轻触键中,12只键的左上角部位有指示灯,按某键时,该键左上角部位的指示灯亮,表明是该键在起作用。

“♉”、“⇧”、“⇩”三只键需与其他键配合使用,按下“⇧”键可获取所按项目的上一个数据,按下“⇩”键可获取所按项目的下一个数据。

“♉”键与“修改”配合,可使被修改的“位”右移。

图表 4 数据采集箱前面板示意图
2.1.5 数据采集器的后面板
传感器、微机、后备电源的电缆都接在采集器的后面板上。

后面板上有交流电源插座、直流电源插座、保险丝座、电源开关、风向风速传感器电缆插座、温度湿度传感器电缆插座、地表温传感器电缆插座、浅层地温传感器电缆插座、深层地温传感器电缆插座、雨量传感器电缆插座、本地终端插座、备用口、总复位开关(1 0等,如“图表 5 数据采集箱后面板示意图”所示:
图表 5 数据采集箱后面板示意图
连接时,看清电缆两端中文文字标志,将电缆插头一一插入后面板上对应的插座即可。

插拔电缆时,请注意切断电源。

后面板上的“电源开关”会同时把交流220伏和蓄电池直流12伏切断。

2.2 数据采集器及传感器原理
2.2.1 数据采集器电路组成
数据采集器是Ⅱ型站的核心,主要功能单元都安装在主板上,它可划分为9个功能单元,另加键盘显示电路和电源电路功能单元,共11个功能单元,见图表6:
图表 6 采集器电路功能单元示意图
这11个功能单元分别为:风向信号输入和变换电路、风速信号输入和变换电路、气压信号输入和变换电路、雨量信号输入和变换电路、温度信号输入和变换电路、湿度信号输入和变换电路、CPU、键盘显示电路、通信电路、Watchdog电路、电源电路。

2.2.2 传感器原理
传感器将对应气象要素的变化转换成电量的相应变化。

2.2.2.1 气压传感器
现阶段Ⅱ型站配备的气压传感器为硅电容压力式气压表PTB220,它
是完全补偿的数字气压表,具有较宽的工作温度和气压测量范围。

感应元件采用VISALA研制的硅电容压力传感器BAROCAP。

BAROCAP具有很好的滞后性和重复性及温度特性、长期稳定性。

PTB220的工作原理是基于一个先进的RC振荡电路和三个参考电容,其感应元件是硅电容压力敏感元件,硅电容C p值随大气压的变化而变化。

在一个高级RC振荡电路中,硅电容压力敏感元件的C P是重要参数。

测出RC 振荡电路的频率即可计算出C P值,从而计算出大气压值。

并且电容压力传感器及电容温度传感器连续测量。

微处理器自动进行压力线性补偿及温度补偿。

PTB220在全量程范围内有7个温度调整点,每个温度点有6个全量程压力调整点。

所有的调整参数都存储在EEPROM中,用户不可改变出厂设置。

PTB220有三种输出方式:软件可设的RS232串行输出;TTL电平输出;模拟(电压、电流输出、脉冲输出。

PTB220有两种低功耗工作方式:软件可控的睡眠模式;外部激励触发模式。

2.2.2.2 温湿度传感器
现阶段Ⅱ型站配备的温湿度传感器为芬兰VAISALA公司制造的HMP45D 湿度与温度探测器。

其感温元件是P t100铂电阻,0o C时的电阻R0为100欧。

铂电阻计算公式:Rt=R0*(1+At+Bt2
换算出温度计算公式:t=A+B*R t+C*R t2
A、B 、C为常数。

t为温度(℃,R0为标准电阻值100 。

基本上是阻值每变化0.385欧姆,温度变化1℃。

其感湿元件是高分子湿敏电容。

高分子湿敏电容的电容C H随高分子膜的吸、放湿而变化,C H是RC振荡电路中的重要参数。

测出RC振荡电路的频率即可计算出C H值,从而计算出大气相对湿度值。

进行温度补偿和其他计算处理后,相对湿度值将更为精确。

湿度计算公式:RH=KV
K为常数。

RH为湿度(%,V为湿度信号电压。

2.2.2.3 风向传感器
风向的信号发生装置由格雷码盘、发光管、光敏管等组成。

风标通过转轴带动格雷码盘转动,码盘是一个圆形金属薄片,上面有七个不同等分的同心圆,同心圆由内到外分别作2、4、8、16、32、64、128等分,每个相邻等分不是被挖空就是未被挖空,或者说不是透光就是不透光。

对应每个同心园的上下面有一组发光管和光敏管,共7组。

风标转动时,由于同心圆的透光或不透光,7个光敏管上接收到或接收不到光,7根信号线上或是“1”或是“0”,这就完成了风向到格雷码的转换。

每组格雷码有7位,代表一个风向。

由于外圈是128等分,故风向分辨力为
360o/128≈2.8o。

2.2.2.4风速传感器
风速传感器的感应元件为三杯式风杯组件,信号变换电路为霍尔集成电路。

在水平风力的驱动下,风杯组旋转,通过轴带动磁棒盘旋转,其上的数十只小磁体形成若干个旋转的磁场,在霍尔磁敏元件中感应出脉冲信号,其频率随风速的增大而线性增加。

测出频率就可计算出风速。

2.2.2.5 雨量传感器
雨量传感器的核心部件是上下排列的三个翻斗,从上而下分别称为上翻斗、计量翻斗、计数翻斗。

计量翻斗翻转一次,表示下了0.1毫米的雨。

为了计量正确,上有上翻斗作为过渡,以保证无论大雨、小雨,计量翻斗受到相同的冲击力。

下有计数翻斗,装有计数用的磁钢,计量翻斗翻转一次,计数翻斗也翻转一次,并使安装在固定支架上的干簧管吸合一次,输出一个脉冲。

由于磁钢不安装在计量翻斗上,就不会给计量翻斗带来附加力,使计量翻斗计量正确。

2.2.2.6 地温传感器
地温感温元件采用铂电阻P t100,R0为100欧。

电阻值随温度的变化而变化,采用标准四线制电路测量电阻的变化可计算出温度的变化。

其测量和计算方法与气温相同。

2.3 数据采集器电路原理
在CPU的控制下,完成数据的连续采集和预处理,包括线性化、定标、计算成要素量,还有数据存贮、显示、与微机通信等功能。

其电路按其功能可分:
2.3.1接口与保护电路
接口和保护电路将各路传感器的信号传输到数据采集器,并提供防感应雷击保护,还可消除长传输电缆易带来干扰等不良影响。

2.3.2 数据采集电路
数据采集电路包括测量变送电路、A/D转换电路、计数电路和数字信号输入电路等,它们在CPU实时控制下,根据各个气象要素的不同采样间隔,完成对气象数据的连续采集,并把所得数据交给数据处理电路(CPU进行运算处理。

2.3.3 数据处理电路(CPU
CPU是Ⅱ型站的心脏部分,外部扩展了程序存贮器ROM,数据存贮器RAM,可编程定时计数器,可编程通讯接口以及键盘与显示器电路等。

Ⅱ型站的实时数据采集控制、采集数据的计算处理、计算参数的修正、数据质量控制、数据的存贮、数据的显示、与外部的数据通信以及系统的自检、故障诊断等均由它来完成。

2.3.4 数据存贮电路
用于程序和数据的存贮。

由于采集器有后备电源,在市电停电时它继续正常工作并把正点数据存贮下来,正点数据的存贮可使Ⅱ型站在停电或通信故障的情况下保留正点气象数据,待恢复正常后,继续传输到微机。

2.3.5 键盘与显示电路
数据采集器上装有数码显示管(LED和轻触键(在标题中称之为“键盘”,通过轻触键功能的选择,数码显示管会显示相关气象要素的实时气象数据。

2.3.6 通信电路
提供数据采集器与微机的通信信道。

2.3.7 电源电路
数据采集器可使用交直流两种电源,这两种电源均来自后备电源箱。

市电正常供电情况下,使用市电,无市电时使用蓄电池的直流电。

市电经变压、整流后得到的直流电或蓄电池供应的直流电经直流/直流变换电路变换,输出+5V、±12V三组电源给采集器和传感器使用。

由于数据采集器可交流供电,在特定情况下,例需给蓄电池充电时,可不用后备电源而直接使用市电。

2.3.8 后备电源
备而有用。

市电正常时,起安全隔离和抗干扰作用;市电不正常时,容量为
38Ah/12V的蓄电池可保证数据采集器在停电情况下工作三天。

2.3.9 避雷器与抗干扰电路
专用避雷器件和抗干扰器件。

2.3.10 隔离变压器
安全隔离和抗干扰用。

2.3.11 蓄电池
蓄电池容量为38Ah/12V,可保证数据采集器在停电情况下工作三天。

2.3.12 充电电路
平时使蓄电池处浮充状态。

第三章日常维护
为保证自动站能良好的运行,应定期进行维护检查,一般每月进行一次。

并警惕危害性天气如雷电、大风、冰雹、高温、严寒、长时间大雾等给仪器设备带来的损害。

3.1 温湿度传感器的维护
温湿度传感器悬挂在百叶箱内,维护时先将传感器自备的黄色帽套上,用湿布轻轻擦拭其外表,再将百叶箱内外擦拭干净即可。

若发现传感器头上白纸有灰尘时,可用干软毛刷轻轻刷去。

3.2 气压传感器的维护
气压传感器系进口器件,安装在采集箱内,应保持与周围环境空气一致,并经常清洁箱顶的灰尘。

3.3 风传感器的维护
观察风传感器转动是否灵活,若有怀疑,可在1级风时再观察,若确实不灵活,应予更换。

冰雹、雷电、大风等灾害性天气会损坏风传感器,因此,灾害性天气过后应及时、仔细检查风传感器是否受损。

3.4 雨量传感器的维护
雨量传感器的核心部件为二只翻斗,电子元件较少,理论上是最可靠的传感器,实际上问题最多,是最需要维护保养的传感器。

一般主要是灰尘、树叶、昆虫等堵塞流水口或结网而影响翻斗翻转。

因此,应
经常拆下筒身予以检查。

检查时,应轻取轻放,千万不能撞击翻斗而引起翻斗翻转。

清洗步骤:
A、旋下采集器后面板上的雨量插头;
B、旋下雨量筒外三颗固定螺丝,轻轻取下雨量筒外壳,并对外壳内盛雨处进行
清洁,必要时取下中间过滤网;
C、用软毛刷沾水对两翻斗、漏斗轻轻刷洗。

洗净后用清水试验,保证机构完好;
D、旋下红黑两个接线柱,检查接线铜片是否生锈,如生锈则要清除锈斑。

检查
完好后接上引线,并保证接触良好;
E、装回雨量筒外壳,旋紧三颗固定螺丝;
F、将雨量传感器插头插入数据采集器并旋紧固定,雨量传感器维护完成;
3.5 地温的维护
地表面温度的四支传感器应严格按照规范要求,传感器的头部应一半在土中,一半在空气中。

埋入土中的感应部分与土壤必须密贴,不可留有空隙。

如果达不到要
求则会造成较大的误差。

因此,日常巡视中,要加强检查,尤其在雨过天晴时应及时松土,保持传感器的安装符合规范要求。

浅层地温应注意安装深度误差,尤其是雨后天晴地温场地面下陷
的台站。

深层地温一般不用维护。

3.6 采集器的维护
在日常维护时,应注意采集器的整洁,上面无覆盖物。

不要随意操作后面板上的“电源开关”、“1、0”复位开关和前面板上的“复位”键,以免造成误操作。

采集器正常时,面板上的指示灯应每秒闪烁一次。

3.7 微机和打印机的维护
按随机附带的说明书维护。

微机中不要安装与气象业务无关的软件,不要连接外网。

3.8 电源的维护
ZQZ电源正常情况下处于浮充状态,每天应检查面板指示灯是否闪亮。

3.9 UPS的维护
UPS的维护常为人所遗忘,特别是冠以“免维护”三字后,就被认为不需要维护,其实不然。

对于供电充足的台站,应每隔2~3月人为的放电一次。

而对于经常停电的台站,应防止充电不足,造成蓄电池过度放电,影响蓄电池的使用寿命。

第四章现场故障判断与排除
4.1 现场判断故障的原则、步骤和方法
当自动站出现故障时,只要掌握故障分析和判断的基本原则,按照一定的步骤去排查,则可凭台站人员具备的基础知识和经验,而无需电子方面高深的专业知识和复杂的仪表,即能找到和排除故障。

4.1.1 故障分类
为方便于故障的判断和排除,将故障分为以下三类:
1. 气象要素测量性能下降。

即一般所说的超差或测量数据严重错误,其特征是自动站正常。

这类故障的判断和排除比较容易,故障原因多半是传感器性能下降引起的。

2. 自动站工作不正常。

即自动站无法正常完成采集、计算、存储、显示、输出数据等功能。

这类故障原因较多,判断和排除比较困难。

属于软件方面的,多半是强干扰,例雷电,引起的;属于硬件方面的,多半是电源系统故障引起的。

有时,强雷电能损坏采集器,导致自动站不能正常工作。

3. 业务测报遇麻烦。

即使用业务测报软件进行采集编报、数据维护、报表处理时会出现一些小的错误。

本手册只讨论前两类故障。

4.1.2 故障分析和判断的基本原则
当自动站出现故障时,要冷静对待,不要手忙脚乱,要掌握以下基本原则,仔细分析,进行排查。

4.1.2.1 安全原则。