大連機場HMP45D濕度傳感器故障的分析和驗證

金敏

摘要：2013年8月，位于大連機場10號跑道的HMP45D溫濕度傳感器連續(xù)多次出現(xiàn)系統(tǒng)告警，且相對濕度（RH）及露點溫度（DP）測值丟失的情況。文章主要就是對這次傳感器故障的故障分析做一個回顧，同時歸納總結(jié)該傳感器在使用維護中的方法和注意事項，為今后的工作提供有益借鑒。

關(guān)鍵詞：濕度傳感器；故障；分析；驗證

1 引言

HMP45D是芬蘭VAISALA公司生產(chǎn)的一款溫濕度測量傳感器，在民航及地方氣象部門中廣泛應(yīng)用。目前，民航大連空管站氣象部門業(yè)務(wù)化運行的自動氣象站以及自動氣象觀測系統(tǒng)中的溫濕度測量均采用該型傳感器，該傳感器具有高精確度、工作穩(wěn)定、反應(yīng)迅速等優(yōu)點，但由于測量部分長期和空氣中的灰塵和化學(xué)物質(zhì)接觸、溫度影響及其他電氣參數(shù)隨時間的變化等因素，傳感器測量值在某些環(huán)境下必然會產(chǎn)生漂移，從而導(dǎo)致相關(guān)氣象要素測量值失準(zhǔn)甚至缺測。

2 故障分析和驗證

2.1 故障現(xiàn)象

民航大連空管站現(xiàn)運行有芬蘭VAISALA公司生產(chǎn)的MIDASIV型自動氣象觀測系統(tǒng)作主用設(shè)備，一套單獨的MAWS301型自動氣象站作備用設(shè)備。它們的溫濕度測量傳感器HMP45D分別位于大連機場10號跑道、28號跑道和MID中間跑道。

2013年8月5日23：39（協(xié)調(diào)世界時UTC，下同），本站自動氣象觀測系統(tǒng)出現(xiàn)10號跑道RH、DP數(shù)據(jù)丟失，界面顯示為“////”的現(xiàn)象，同時，系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控界面的10號跑道RH項出現(xiàn)紅色告警信息，系統(tǒng)其他各氣象要素測值均無異常。同樣的故障現(xiàn)象在8月6日15：27，8月6日18：50，8，q6日21：08，8月25日21：34也多次出現(xiàn)，并且每次都是毫無例外地在持續(xù)一段時間后自動恢復(fù)正常，系統(tǒng)相關(guān)的告警信息也同時消失。

2.2 故障分析

針對“系統(tǒng)為什么會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失”的問題，根據(jù)測量數(shù)據(jù)的生成、采集、傳輸和處理過程，筆者對故障原因提出了以下幾種猜測。

一是相關(guān)氣象數(shù)據(jù)生成、采集、和傳輸過程均正常，數(shù)據(jù)丟失發(fā)生在MIDAS IV系統(tǒng)對接收數(shù)據(jù)的處理階段。對于這種猜測，故障發(fā)生當(dāng)天的值班人員通過進入系統(tǒng)后臺查詢系統(tǒng)入口數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，故障發(fā)生時MIDAS IV系統(tǒng)接收到的KH原始數(shù)據(jù)便是“////”，這也與狀態(tài)監(jiān)控界面的10號跑道RH項出現(xiàn)紅色告警信息相互印證：如果數(shù)據(jù)丟失在系統(tǒng)處理階段，狀態(tài)監(jiān)控界面不會出現(xiàn)告警信息。

二是相關(guān)氣象數(shù)據(jù)生成和采集過程均正常，數(shù)據(jù)丟失發(fā)生在通信線路的傳輸過程中。眾所周知，通信線路的穩(wěn)定可靠對于數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸起著至關(guān)重要的作用。我們知道RH是由溫濕度傳感器HMP45D測量獲得，它和T、本站氣壓（PAins）、風(fēng)速（WS）、風(fēng)向（WD）、地溫（TG）均屬于自動氣象觀測系統(tǒng)中MAWS301型自動氣象站測量值的組成部分，所有以上數(shù)據(jù)均共用同一對通訊線纜進行傳輸。在RH、DP數(shù)據(jù)丟失期間，T、PAins、WS、WD和TG數(shù)據(jù)均正常，而且在系統(tǒng)服務(wù)器前端通過網(wǎng)絡(luò)/串口調(diào)試助手截取的數(shù)據(jù)也表明整個數(shù)據(jù)段中無干擾。因此，我們可以排除是通訊線路不穩(wěn)定導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸丟值的可能性。

三是相關(guān)氣象數(shù)據(jù)生成正常，數(shù)據(jù)丟失發(fā)生在采集階段。對于這種猜測，由于我們沒能及時地在故障發(fā)生過程中進入場內(nèi)對采集器濕度傳感器輸出電壓信號進行測量，因此無法排除這種可能性。

四是相關(guān)氣象數(shù)據(jù)在生成階段便已經(jīng)出現(xiàn)問題，極有可能濕度傳感器本身出現(xiàn)了故障或失準(zhǔn)。這種故障或者失準(zhǔn)可能是短時的，間歇性的或者某種不持續(xù)的外部條件所導(dǎo)致的。通過查詢歷史數(shù)據(jù)我們發(fā)現(xiàn)每次故障的發(fā)生和消失都伴隨著降水過程如表1所示。因此我們有理由懷疑是傳感器及其測量電路受到雨水侵襲而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失。但我們進場排查發(fā)現(xiàn)HMP45D溫濕傳感器除外殼表面附著較厚的灰塵泥土外，內(nèi)部器件及電路清潔干燥，并無雨水侵襲跡象。然而，我們?nèi)詿o法排除其他原因?qū)е碌膫鞲衅鞴收匣蚴?zhǔn)。準(zhǔn)或者它們兩者的共同作用。為更進一步定位故障點和弄清“為什么出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的是10號跑道的RH和DP，而不是其他”，我們又對故障發(fā)生前后處于運行中的三處RH歷史數(shù)據(jù)進行了細致的研究。我們選取RH歷史數(shù)據(jù)的原則是：數(shù)據(jù)盡可能靠近故障發(fā)生點且RH盡可能覆蓋各種濕度范圍，得到結(jié)果如圖1所示。

結(jié)合表1和圖l可以發(fā)現(xiàn)以下幾點。

（1）每次故障發(fā)生都有相同或相近的天氣背景一降水，更直接的表現(xiàn)方式就是空氣的RH值增大，接近或達到100%。

（2）每次故障發(fā)生前，三處的RH值都是迅速上升，達到空氣濕度飽和的100%后持續(xù)一段時間便出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失；數(shù)據(jù)恢復(fù)時也是首先出現(xiàn)RH值達到空氣濕度飽和的100%，持續(xù)一段時間后再次丟失或者逐漸下降。圖1中10號RH曲線的斷點便是數(shù)據(jù)丟失的時間段。

（3）在空氣濕度為低濕或者中濕（RH<80%）時段，10號跑道的RH值與其他兩處的RH差值較?。辉诟邼瘢≧H>80%）時段，10號跑道的RH值持續(xù)高于其他兩處且差值較大，最大的差值甚至達到22%，遠遠超出觀測員在三處的RH經(jīng)驗差值：0-3%。

2.3 故障定位

通過上面三點結(jié)論，我們不難判斷：10號跑道濕度傳感器在高濕（RH>80%）時段的測值已經(jīng)嚴(yán)重失準(zhǔn)，而這是不是導(dǎo)致RH測量值丟失的原因呢？帶著這個問題，筆者研究了HMP45D濕度傳感器的工作原理和誤差產(chǎn)生原因。

HMP45D對于RH的測量是基于薄膜聚合體的電容HUMICAP180及其測量電路完成的。隨著外界水汽含量的變化，電容電解質(zhì)成分會隨之改變，從而改變HUMICAP180的電容值，不可避免的是，儀器測量就必然會產(chǎn)生誤差。對于HMP45D濕度傳感器來說，檢定校準(zhǔn)和傳感器表面附著物是RH惻量誤差產(chǎn)生的主要因素有以下幾點。

（1）檢定校準(zhǔn)作為儀器測量的基礎(chǔ)，重要性不言而喻，如果檢定校準(zhǔn)都是不準(zhǔn)確的儀器其測量值必然是不準(zhǔn)確的。

（2）傳感器表面附著物具有吸水性，長期使用傳感器表面附著物過多后，必然會造成傳感器的測量值比實際值偏高。

結(jié)合傳感器RH測量的工作原理和故障分析，我們可以對故障原因做出定位：10號跑道濕度傳感器在高濕（RH>80%）時段的測值嚴(yán)重失準(zhǔn)且高于實際值是導(dǎo)致此次自動氣象觀測系統(tǒng)RH測量值丟失的直接原因。

2.4 故障驗證

對于故障原因的定位是否準(zhǔn)確，筆者做了一個簡單的驗證性試驗，測試結(jié)果如表2所示。

通過表2的驗證測試結(jié)果，我們可以得到以下結(jié)論。

（1）濕度傳感器防護蓋上的附著物會使其測量值增大，但增大效果并不明顯。

（2）10號跑道濕度傳感器在低濕環(huán)境中誤差在允許范圍之內(nèi)，但在高濕環(huán)境中誤差極大，且輸出電壓值已經(jīng)超過0～1V的門限范圍，將導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失和RH紅色告警。

發(fā)生故障的10號跑道濕度傳感器最近一次檢定校準(zhǔn)是2012年11月，筆者對其剛完成檢定校準(zhǔn)之后的歷史數(shù)據(jù)進行了分析，得到結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以發(fā)現(xiàn)，剛完成檢定校準(zhǔn)之后，三處RH測量值整體吻合度較高，但是在高濕（RH>80%）時段，10號跑道RH測量值明顯高于其他兩處，最大差值達到11%。這說明在10號跑道傳感器的檢定校準(zhǔn)過程中存在問題，校準(zhǔn)結(jié)果與實際RH有