DSC1型称重式降水传感器工作原理及维护维修
DSC1型称重式降水传感器工作原理及维护维修
刘冬冬，王海龙，马晓璐
（垦利县气象局，山东 垦利 257500）
摘要：DSC1型称重式降水传感器实现了固态、液态和混合性降水的自动化观测，较全面的、连续的反映了冰雪过程的变化情况，使观测结果客观化、观测资料连续化，有利于提高固态降水观测的准确性和效率，进一步提高了观测质量和观测效率。为了使业务人员对称重式降水传感器有较全面的认识，本文介绍了DSC1称重式降水传感器的工作原理、性能参数和维护维修方法，为今后台站应用称重式降水传感器奠定基础。
关键词：称重式降水传感器；工作原理；性能；维护维修
引言
降水观测是地面气象观测的主要项目之一，它为气象防灾减灾、天气预报、气候分析和科学研究提供了重要的基础资料。目前我国气象部门对固态降水以人工观测为主，存在时效性差、时空密度不足等诸多弊端，不能全面、连续反映冰雪过程的变化情况。称重式降水传感器实现了固态、液态和混合性降水的自动化观测，能够克服目前气象台站固态降水人工观测造成的时效性差、观测频次低等弊端，使观测结果客观化、观测资料连续化，有利于提高固态降水观测的准确性和效率，减轻观测人员的工作量，进一步提高观测质量和观测效率，为公众提供更多有价值的气象信息和观测产品。目前，称重式降水传感器已开始在部分台站运行。
1 基本工作原理
1.1 简介
DSC1型称重式降水传感器基于单点测压原理设计，由硬件和处理
软件组成。其硬件可分成称重单元（称重传感器）、处理单元和外围组件，既可以输出开关信号替换或模拟翻斗雨量传感器接入现有的各种自动气象站中，也可以作为智能传感器直接挂接在新型自动气象站上。DSC1型称重式降水传感器原理结构图见图1。
图1：DSC1型称重式降水传感器原理结构图
1.2 称重单元
称重单元（称重传感器）按转换方法分为光电式、液压式、电磁力式、电容式、磁极变形式、振动式、陀螺仪式、电阻应变式等8类，以电阻应变式使用最广。DSC1型称重式降水传感器的称重单元是电阻应变式的。
称重单元的工作原理：载荷元件（弹性元件，敏感梁）在外力作用下产生弹性变形，使粘贴在他表面的电阻应变片（转换元件）也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化（增大或减小），再经相应的测量电路把这一电阻变化转换为电信号（电压或电流），从而完成了将外力变换为电信号的过程。电阻应变片、弹性体和
检测电路是电阻应变式称重传感器中不可缺少的几个主要部分。
1.2.1 电阻应变片
电阻应变片是把一根电阻丝机械的分布在一块有机材料制成的基底上，即成为一片应变片。它的一个重要参数是灵敏系数K:
K = 1 + 2μ +（Δρ/ρ）/（ΔL/L） (1)
(1)式中各变量的涵义：
μ： 材料横向效应泊松系数
Δρ/ρ：电阻变化率（电阻相对变化）
ΔL/L：电阻丝伸长率（长度相对变化）
灵敏度系数K值的大小是由制作金属电阻丝材料的性质决定的一个常数，它和应变片的形状、尺寸大小无关，不同的材料的K值一般在1.7—3.6之间，K值没有量纲。
1.2.2 弹性体
弹性体是一个有特殊形状的结构件。它的功能有两个，首先是它承受称重传感器所受的外力，对外力产生反作用力，达到相对静平衡；其次，它要产生一个高品质的应变场（区），使粘贴在此区的电阻应变片比较理想的完成应变电信号的转换任务。
1.2.3 检测电路
检测电路的功能是把电阻应变片的电阻变化转变为电压输出。因为惠斯登电桥具有很多优点，如可以抑制温度变化的影响，可以抑制侧向力干扰，可以比较方便的解决称重传感器的补偿问题等，所以惠
斯登电桥在称重传感器中得到了广泛的应用。
全桥式等臂电桥的灵敏度最高，各臂参数一致，各种干扰的影响容易相互抵销，所以称重传感器均采用全桥式等臂电桥。
1.3 处理单元
DSC1型称重式降水传感器处理单元由中央处理器、时钟电路、数据存储器、信号继电器、RS-232驱动器等部分构成。其主要功能是对称重单元的信号进行采样，并对采样值进行数据运算处理，计算出分钟降水量和累计降水量，并实现质量控制、记录存储，实现数据通信和传输。处理单元既能输出雨量开关信号（模拟翻斗雨量传感器），也能通过RS232接口直接提供数字量。处理单元的结构见图2。
图2：处理单元结构图
信号继电器的开关动作由MCU控制，模拟翻斗雨量传感器的开关信号输出。当前分钟发生的降水量所对应的开关次数，平均分布后通过信号继电器输出。信号继电器每闭合一次，对应翻斗雨量传感器的一个翻斗雨量（0.1mm）信号。
1.4 外围组件
外围组件包括盛水桶、外壳、底盘、底座组件、防风圈等。
2 主要性能参数
2.1 通信参数
DSC1型称重式降水传感器支持两种形式的通信接口：RS-232接口；开关量接口[1]。
1）RS-232 接口定义：波特率 9600bps；数据位 8；停止位 1；校验方式 无；流控 无。
2）开关量接口定义：每 0.1mm 降水，开关闭合一次。
2.2 时钟要求
DSC1型称重式降水传感器对系统时钟误差的要求：不大于15s /月。
2.3 测量性能
DSC1型称重式降水传感器可测量：液态、固态和混合性降水，测量范围0～400mm，分辨力0.1mm。其详细测量性能见表1。
表1 测量性能
测量要素
液态、固态和
测量范围 0～400mm 分辨力 0.1mm 最大测量误差 ±0.4mm，≤10mm时；
输出 脉冲输出和供电 直流
点开化、弹性体内应力发生结构变化等问题；粉尘、潮湿对传感器造成短路的影响；在腐蚀性较高的环境下会造成传感器弹性体受损或产生短路现象；电磁场对传感器输出会产生干扰。
3.1.1 电源要求
DSC1型称重式降水传感器的供电电源为直流电，工作电压范围为9～15V，功耗
3.1.2 环境条件
DSC1型称重式降水传感器对工作环境的要求如下：
工作温度：-45℃～+60℃
储存温度：-45℃～+80℃
相对温度：5%～100%
大气压力：450hPa～1060hPa
3.1.3 电磁兼容性
DSC1型称重式降水传感器电磁兼容特性如下：
静电放电抗扰度：接触放电 4kV；空气放电 8kV
射频电磁场辐射抗扰度：0.15MHz～80MHz，3V，80% AMk。
3.2日常维护
值班人员应严格按照《地面气象观测规范》要求，按时巡视、检查和维护设备、场地及电源供电情况等。
1）每日检查内筒内液面高度和供电情况。
2）每日定时进行仪器小清洁，口沿以外的积雪、沙尘等杂物应及时清除，如遇有盛水口沿被积雪覆盖，应及时将口沿积雪扫入桶内，
口沿以外的积雪及时清除。
3）每周检查承水口水平、高度情况。
4）每次较大降水过程后及时检查，防止溢出。
5）降水过程中注意分析判断降水量数据的准确性，如有疑问，应及时进行现场测试。
6）每月检查防雷接地情况。
7）预计将有沙尘天气但无降水，应及时将桶口加盖；沙尘天气结束后及时取盖。
8）降水过程中，因降水量较大可能超过量程时，应在降水间歇期及时排水。
3.3 维护要求
1）当内筒内的液体较多或杂物过多时，应清空，然后添加相应的防冻液和蒸发抑制油。
2）当内筒内的防冻液和蒸发抑制油过少时，应适量添加。在满足防冻要求的前提下，应尽量少添加防冻液，以容纳更多的降水。
3）维护之前应先断开称重式传感器电源，拔下的数据线。维护完毕后，再接上电源线和数据线。
4）每次进行维护时，在打开外壳后首先应将“L”型支撑杆轻轻塞入到载荷元件和电子单元之间，以免载荷元件在外力冲击作用下产生不可恢复的弹性变形。
5）每年春季应对称重式降水传感器进行防雷安全检查。
3.4 常见故障及排除方法
DSC1型称重式降水传感器常见故障有降水冻结、测量结果受风的影响较大、处理单元运行指示灯异常、报告的降水量有误等[2]，其详细的常见故障及排除方法见表2。
表2 DSC1型称重式降水传感器常见故障及排除方法
常见故障
盛水桶中发现冻结
测量结果受风的影响较大
处理单元运行指示灯不亮
处理单元运行指示灯秒闪异常
雨量开关信号无输出
报告的降水量偏差较大 报告的降水量总是0 可能原因及排除方法 防冻液不够，按规定添加防冻液 传感器不水平或底座不稳固，重新调整水平，检查并拧紧固定螺丝 供电电源不正常，确保电压9—15V；处理单元故障，进行更换 处理单元故障，更换处理单元 处理单元故障，更换处理单元 称重单元特性漂移，对称重单元重新进行标定 盛水桶发生溢出，进行维护，清空盛水桶；载荷原件受冲击损坏，更换
DSC1型称重式降水传感器使用期间，应经常对比称重降水传感器与翻斗雨量传感器的过程降水量，当发现称重降水传感器降水量异常或缺失时，应检查称重降水传感器的工作状态：打开外壳，观察传感器的信号处理单元上的运行指示灯，在正常工作时应当1秒亮，1秒暗。如果运行指示灯不正常，应检查信号处理单元上的电源电压，工作电压范围为直流9～15V。若此时工作电压正常，则处理单元故障，更换处理单元。
4 结语
DSC1型称重式降水传感器既可以作为单独的传感器挂接在自动气象站上，也可以作为独立的降水观测仪使用，使观测结果客观化、观测资料连续化，有利于提高固态降水观测的准确性和效率，减轻观测人员的工作量，进一步提高观测质量和观测效率。
参考文献：
[1]新气象.DSC1型称重式降水传感器用户手册.江苏省无线电科学研究所有限公司，2012，28-29
[2]巩宏亚，谢万军，马良，等.浅谈称重式降水传感器[J].甘肃科技，2013，29（1）：60-62
作者简介：刘冬冬（1976-），男，山东邹平人，大专，工程师，主要从事地面气象观测工作