區(qū)域站風(fēng)向風(fēng)速故障判斷與維修

摘要：分布廣泛的區(qū)域自動站在氣象預(yù)報預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)過程中發(fā)揮的作用越來越重要。如何科學(xué)判斷區(qū)域自動站風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)質(zhì)量，提高數(shù)據(jù)可用度是擺在氣象工作者面前的主要問題。本文通過介紹如何運(yùn)用JJE2、JJE3、JJEIO等風(fēng)向風(fēng)速檢測設(shè)備，對區(qū)域自動站風(fēng)向風(fēng)速進(jìn)行維修維護(hù)，從而達(dá)到提高風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度及數(shù)據(jù)應(yīng)用率的目的。

關(guān)鍵詞：區(qū)域自動站;風(fēng)向風(fēng)速;故障判斷;維修

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）19-0232-02

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

區(qū)域自動站具有增強(qiáng)氣象觀測能力，提高氣象服務(wù)水平，保障地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)，為三農(nóng)服務(wù)的重要作用。近年來，隨著極端天氣氣候事件增多，災(zāi)害性天氣頻繁出現(xiàn)，人們對天氣預(yù)報服務(wù)的質(zhì)量和范圍要求越來越高，通過建設(shè)區(qū)域自動站，大大增強(qiáng)了災(zāi)害性天氣的監(jiān)測能力和區(qū)域性氣象數(shù)據(jù)的覆蓋面，為提高預(yù)報的準(zhǔn)確度和質(zhì)量以及精細(xì)化預(yù)備程度提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。

風(fēng)向風(fēng)速的預(yù)報預(yù)測對于保障人民財產(chǎn)免受風(fēng)災(zāi)損失具有重要意義，因此區(qū)域站對風(fēng)的氣象觀測意義就顯得尤為重要。風(fēng)向傳感器一般在十米以上的鐵塔上，人工維護(hù)不方便，故障的排除也不及時。區(qū)域站風(fēng)向風(fēng)速是自動站維修的難點(diǎn)，因此一定要確保日常對風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)研判檢查，及時分析風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)疑點(diǎn)。那么如何針對風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)質(zhì)量要求，排除干擾因素是氣象工作人員的一項(xiàng)重要工作。筆者結(jié)合多年的工作經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出了風(fēng)向風(fēng)速傳感器故障后的數(shù)據(jù)特征。

1 風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)生成原理

在風(fēng)杯轉(zhuǎn)動情況下電壓值應(yīng)該在6.5 -11.5V之間（對應(yīng)0～75m/s），所以風(fēng)杯轉(zhuǎn)動對應(yīng)的電壓值會轉(zhuǎn)化為格雷碼，格雷碼總共有七位數(shù)字，當(dāng)有一位或多位數(shù)字不隨風(fēng)向的變化而變化，這時就會出現(xiàn)風(fēng)向風(fēng)速監(jiān)測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的情況。風(fēng)向風(fēng)速傳感器通過接收的電信號，轉(zhuǎn)換出的格雷碼又將數(shù)字信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號進(jìn)行傳輸，進(jìn)而得出實(shí)時風(fēng)向風(fēng)速信息。如果發(fā)現(xiàn)格雷碼7位數(shù)字中有的位置數(shù)據(jù)不變，那么判斷風(fēng)向風(fēng)速傳感器出現(xiàn)了故障，這時就需要進(jìn)行及時的維修檢查。

2 風(fēng)向風(fēng)速主要故障及其原因

2.1 區(qū)域自動站風(fēng)向風(fēng)速主要故障

根據(jù)區(qū)域自動站的特點(diǎn)，風(fēng)向風(fēng)速異常的原因有移動信號不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)無法正常采集;采集的數(shù)據(jù)無法正常進(jìn)行傳輸;當(dāng)供電電壓異常時，就會出現(xiàn)讀數(shù)有偏差、傳感器反應(yīng)不良等導(dǎo)致數(shù)據(jù)值明顯錯誤或異常;設(shè)備無法正常轉(zhuǎn)動導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯誤;傳感器北線不準(zhǔn)確等情況。

2.2 故障原因分析

移動信號不穩(wěn)定并不會影響數(shù)據(jù)采集傳輸，只會影響數(shù)據(jù)時效，當(dāng)信號恢復(fù)正常時，區(qū)域站中心軟件就會將延誤數(shù)據(jù)補(bǔ)收采集。傳感器由于在野外運(yùn)行，環(huán)境中雜質(zhì)多，進(jìn)入風(fēng)向風(fēng)速轉(zhuǎn)動軸后會出現(xiàn)傳感器風(fēng)向拉直卡滯的現(xiàn)象。再就是由于風(fēng)向風(fēng)速在風(fēng)桿頂端，無法對風(fēng)向傳感器進(jìn)行日常維護(hù)，有可能會出現(xiàn)風(fēng)杯或風(fēng)向標(biāo)破損情況，當(dāng)維護(hù)自動站時需要仔細(xì)觀察風(fēng)桿頂端是否有裂紋破損，認(rèn)真查看風(fēng)桿拉線牢固程度及風(fēng)桿與地面是否垂直，這些都會影響風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度;此外，還應(yīng)該對傳感器北線進(jìn)行查看，確認(rèn)其北線是否與地理北線保持一致，若不一致，則應(yīng)及時對其進(jìn)行調(diào)整、校正。如果風(fēng)向風(fēng)速設(shè)備正常，線路正常無法采集數(shù)據(jù)，鏈接到其他主板可以正常采集數(shù)據(jù)，這時可以確定是主板故障。由于風(fēng)速傳感器設(shè)備主要通過輸出電壓值來判斷風(fēng)速，風(fēng)向風(fēng)速傳感器的供電確保為5V。風(fēng)向的判斷主要是通過風(fēng)向桿來確定，風(fēng)向桿的垂直度、拉線的牢固程度、轉(zhuǎn)動的靈活度都需要符合標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)出現(xiàn)雨雪天氣時，自動站安裝位置的泥土松弛程度也會影響傳感器的數(shù)據(jù)值可用度。如果確定風(fēng)向風(fēng)速故障無法通過軟件解決，則需要對風(fēng)向風(fēng)速傳感器進(jìn)行清潔和檢測.必要時進(jìn)行維修和更換。這時只能通過硬件故障排除法，需要將風(fēng)桿放倒對硬件進(jìn)行檢測。

3 風(fēng)速故障校驗(yàn)方式方法

風(fēng)速出現(xiàn)故障，首先排除采集器或鏈接線是否正常，如果正常，那么就需要放倒風(fēng)桿對風(fēng)速傳感器進(jìn)行檢測了。如發(fā)現(xiàn)的風(fēng)速故障無法解決則通過JJE2起動風(fēng)速校驗(yàn)儀與JJE3型風(fēng)速校驗(yàn)儀對風(fēng)速進(jìn)行檢測維修。

JJE2起動風(fēng)速校驗(yàn)儀采用風(fēng)速發(fā)生器法進(jìn)行測量，其體積小易操作、精確度高，而且測量原理先進(jìn)，測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠性高，可以用于檢測杯式風(fēng)速傳感器起動特性和風(fēng)速特性，能夠快速檢測風(fēng)速傳感器的風(fēng)杯、軸阻力等。通過小型起動風(fēng)速主體、葉輪風(fēng)表配合使用從而檢驗(yàn)風(fēng)速傳感器起動風(fēng)速數(shù)值是否正確。

JJE3風(fēng)速校驗(yàn)儀主要用于各類風(fēng)速傳感器的定性定量測試，是集風(fēng)速模擬、檢測、顯示于一體的專用杯式風(fēng)速傳感器檢測設(shè)備。由于對測試環(huán)境要求較低，方便在室內(nèi)和室外進(jìn)行不同種類風(fēng)速傳感器的測試，操作簡單，使用方便。

首先測試起動風(fēng)速。起動風(fēng)速又稱臨界風(fēng)速，就是能使地面沙粒開始移動的風(fēng)速。顧名思義，測試杯式風(fēng)速傳感器起動風(fēng)速，就是能使風(fēng)杯移動的風(fēng)速。在測試杯式風(fēng)速傳感器性能時，通過調(diào)節(jié)直流風(fēng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)產(chǎn)生空氣流動，配合葉輪風(fēng)表用以讀取相應(yīng)的風(fēng)速數(shù)值，待被測傳感器轉(zhuǎn)動風(fēng)杯時，記下當(dāng)前的葉輪風(fēng)表數(shù)值，即得出被測傳感器的起動風(fēng)速值，對照規(guī)程判別起動風(fēng)速及其風(fēng)速特性是否合格。使用標(biāo)識為（L12_起動風(fēng)速）線纜將JJE3風(fēng)速校驗(yàn)儀背面“起動風(fēng)速”位置與JJE2型起動風(fēng)速校驗(yàn)儀“電源插座”位置連接;調(diào)節(jié)JJE2起動風(fēng)速校驗(yàn)儀三個螺紋支腳，觀察內(nèi)部水平泡，達(dá)到水平。將線纜接好，電壓調(diào)節(jié)到5V，按照操作規(guī)程完成后，按下風(fēng)速調(diào)節(jié)按鈕，校驗(yàn)儀會自動控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，脈寬值逐漸增大直到被測傳感器轉(zhuǎn)動，同時葉輪風(fēng)表得出數(shù)據(jù)后，通過換算，自動得出起動風(fēng)速值，起動風(fēng)速值顯示在“傳感器風(fēng)速值”位置：根據(jù)計算出的起動風(fēng)速值通過起動風(fēng)速檢定標(biāo)準(zhǔn)判斷被測傳感器是否滿足使用要求，這樣起動風(fēng)速檢測工作就完成了。

下一步風(fēng)速測試采用風(fēng)速比較測試的方法，準(zhǔn)備一套與被測傳感器相同型號檢定過良好的傳感器1臺與被測傳感器進(jìn)行風(fēng)速比較測試。進(jìn)行風(fēng)速比較測試時控制器必須采用220VAC供電，不得采用電池供電！在現(xiàn)場檢測時，首先啟動車載柴油發(fā)動機(jī)或者輸出穩(wěn)定的12VAC轉(zhuǎn)220VAC逆變器，將設(shè)備連接電源，測試時，電池應(yīng)保證充電基本完成，一般是將JJE3控制器連接好外接供電，靜置1小時即可，也可觀察背部的電量顯示模塊。鏈接好線纜后，將準(zhǔn)備好的與被測傳感器相同型號，檢定過一切正常的傳感器安裝在風(fēng)座上并緊固固定螺絲，短線纜穿人中間的孔中：擰松兩側(cè)緊固螺絲，將硅膠管套在風(fēng)速傳感器轉(zhuǎn)軸上，調(diào)整標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速發(fā)生器移動到合適位置，擰緊緊固螺釘：并保持傳感器風(fēng)杯軸與風(fēng)速校驗(yàn)裝置輸出軸保持同軸狀態(tài)，接線前，將控制器上的電壓調(diào)節(jié)到5v;使用標(biāo)識為（L5_風(fēng)速輸入）的線纜一端與短線纜連接，另一端與控制器的風(fēng)速輸入接口連接，設(shè)置一個風(fēng)速值，按下黑色旋鈕即開始轉(zhuǎn)動，這時電機(jī)就會驅(qū)動傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)動?？刂破髯髠?cè)數(shù)碼管顯示實(shí)時的標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)轉(zhuǎn)速對應(yīng)的風(fēng)速值：右側(cè)數(shù)碼管顯示實(shí)時傳感器信號輸出的風(fēng)速值。記錄下數(shù)值，然后只將檢定良好的傳感器取下，換上被測傳感器，使用旋轉(zhuǎn)黑色旋鈕（不要按下）將脈寬值調(diào)節(jié)到前面得到的脈寬值，此時觀察傳感器風(fēng)速值與檢定良好的傳感器表下的風(fēng)速值是否一致，采用差分對比方式檢測杯式風(fēng)速傳感器的低風(fēng)速段內(nèi)的風(fēng)速特性。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值與測量值之間的差異根據(jù)風(fēng)速傳感器檢定標(biāo)準(zhǔn)判斷被測傳感器是否滿足使用要求至此檢定工作完成。從而得出被測傳感器是否滿足合格。

4 風(fēng)向故障檢測

風(fēng)向故障判斷檢測需要使用JJEIO型風(fēng)向校驗(yàn)儀進(jìn)行檢測。該儀器可測試各類風(fēng)向傳感器的定性定量測試，由校驗(yàn)臺和便攜式控制器兩大部分組成。它能夠針對風(fēng)向傳感器的驅(qū)動控制、檢測、顯示于一體的新型檢測設(shè)備。功能很強(qiáng)大，性能穩(wěn)定可靠，對測試環(huán)境要求較低，方便室外進(jìn)行風(fēng)向傳感器的現(xiàn)場檢測，其使用方便，穩(wěn)定性高。

首先，將風(fēng)向傳感器安裝于校驗(yàn)臺上，根據(jù)被測傳感器用對應(yīng)的風(fēng)座轉(zhuǎn)接件鏈接，將支撐桿固定風(fēng)向標(biāo)。當(dāng)便攜式控制器控制步進(jìn)電機(jī)拖動風(fēng)向標(biāo)轉(zhuǎn)動，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為內(nèi)置360刻度線的碼盤，角度盤用于實(shí)際觀察角度使用，可在不使用自動模式時手動旋轉(zhuǎn)支撐桿，用眼觀察數(shù)值，起到輔助測量的作用。通過光電開關(guān)傳感器將采到的數(shù)據(jù)反饋到控制器中作為標(biāo)準(zhǔn)。采用閉環(huán)控制原理，使得校驗(yàn)儀精度得到保證，校驗(yàn)全程自動化、一鍵化運(yùn)行，從而產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)向。測試有單機(jī)和聯(lián)機(jī)兩種不同的工作模式。單機(jī)模式就是獨(dú)立使用，不需要配合其他設(shè)備和上位機(jī)軟件就可進(jìn)行傳感器的測試，測試數(shù)據(jù)將顯示在控制器觸摸屏上，主要用于簡單測試及室外測試使用：聯(lián)機(jī)模式是指配合上位機(jī)軟件來進(jìn)行傳感器的檢測。測試時連接好線纜，對應(yīng)廠家設(shè)置好，確認(rèn)無誤后，若只使用“置北”功能，則觸碰“置北”按鈕，此時尾翼隨著校驗(yàn)臺支撐桿轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動過程中注意避免尾翼與其他物品干涉，如果正確找到北的位置，蜂鷗器將長鳴一聲（持續(xù)時間約1秒）：若連續(xù)轉(zhuǎn)動五次均無法正常找到傳感器北的位置，蜂鳴器則會短鳴6聲，對于模擬風(fēng)向傳感器，由于輸出可能會首外界干擾而波動，有時在尋北結(jié)束后實(shí)測風(fēng)向在0-1度之間跳變，蜂鳴器因此短鳴6聲，這里也可以判定傳感器為正常;觸碰設(shè)定值下方的深色框彈出鍵盤，輸入要求的角度值，后觸碰“OK”鍵則返回到主界面（風(fēng)向），此時設(shè)定值的深色方框中顯示的就是剛才設(shè)置的角度值。測試配置一般有四個測試點(diǎn)，依次觸碰“第一點(diǎn)”“第二點(diǎn)”“第三點(diǎn)”“第四點(diǎn)”右側(cè)的淺色方框，在彈出的數(shù)字鍵盤中輸入相應(yīng)的角度值（0-360）。，輸入完成后觸碰“確認(rèn)更改”，即可完成配置。在軟件界面（風(fēng)向）中使用“快速”功能時，被測傳感器會按照設(shè)定的角度采用原點(diǎn)檢定模式順時針進(jìn)行轉(zhuǎn)動，每個點(diǎn)停留約2-4秒。風(fēng)速快速功能配置時也有四個測試點(diǎn)，依次觸碰“第一點(diǎn)”“第二點(diǎn)”“第三點(diǎn)”“第四點(diǎn)”右側(cè)的淺色方框，在彈出的數(shù)字鍵盤中輸入相應(yīng)的風(fēng)速值，在間隔時間方框中輸入時間值（秒值），輸入完成后觸碰“確認(rèn)更改”，即可完成配置。在軟件界面（風(fēng)速）中使用“快速”功能時，被測傳感器會按照設(shè)定的風(fēng)速值進(jìn)行轉(zhuǎn)動，每個點(diǎn)停留時間可自定義。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)值與測量值之間的差異及風(fēng)向傳感器檢定標(biāo)準(zhǔn)判斷被測傳感器是否滿足使用要求至此檢定工作完成。

風(fēng)向風(fēng)速維修注意事項(xiàng)：

首先確保220VAC供電電源電壓穩(wěn)定，防止由于電壓不穩(wěn)導(dǎo)致測量結(jié)果不穩(wěn)導(dǎo)致測量結(jié)果誤差，或者燒毀設(shè)備，必要時對發(fā)電機(jī)輸出電壓進(jìn)行檢測或添加穩(wěn)壓器。

其次避免設(shè)備在供電情況下進(jìn)行熱插拔，避免燒壞設(shè)備，減少不必要的損失。

5 結(jié)束語

區(qū)域自動站風(fēng)向風(fēng)速的正常運(yùn)行、保養(yǎng)可以確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，提高可用度，為人民生產(chǎn)生活免受風(fēng)災(zāi)影響保駕護(hù)航。在平常的工作中要針對風(fēng)向風(fēng)速設(shè)備無法維護(hù)的情況，多做風(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)問題分析，記錄原因，提高設(shè)備無故障運(yùn)轉(zhuǎn)時效，盡量減少設(shè)備因故障而發(fā)生的更換新設(shè)備情況，提高設(shè)備使用效率。

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【通聯(lián)編輯：梁書】

作者簡介：徐驍，本科學(xué)歷，工作單位：濟(jì)南市氣象局，助理工程師。