測風(fēng)傳感器故障檢測儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉 穎，胡 帆，周紅根，楊恒祥，王冰梅，張 正

(1.黑龍江省氣象數(shù)據(jù)中心，哈爾濱150030；2.江蘇省氣象探測中心，南京 210008)

0 引言

目前，江蘇省自動氣象站大部分使用ZQZ-TF型(或EC9-1型)[1]測風(fēng)傳感器。當(dāng)自動氣象站技術(shù)保障人員需要維修測風(fēng)傳感器，或因雷擊等自然災(zāi)害需要檢查測風(fēng)傳感器時(shí)，急需一款能夠快速直觀地檢查測風(fēng)傳感器的工具。為此，文章研制了ZQZ-TF型測風(fēng)傳感器故障檢測儀，為技術(shù)保障人員提供了在檢查測風(fēng)傳感器時(shí)必要的工具。該檢測儀操作簡便、性能可靠，可以同時(shí)檢查風(fēng)向和風(fēng)速傳感器是否正常。檢測儀可以在室外使用，也可以在室內(nèi)使用，而且只需要1人即可完成檢查工作。該檢測儀的電路和外接口經(jīng)過改進(jìn)后，可通過配置合適的電纜用于檢查其他型號的測風(fēng)傳感器。

1 測風(fēng)傳感器工作原理

1.1 風(fēng)向傳感器的工作原理

ZQZ-TF型風(fēng)向傳感器的感應(yīng)元件為風(fēng)向標(biāo)組件[2]；角度變換電路由格雷碼盤和光電電路組成。當(dāng)風(fēng)向標(biāo)組件旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動主軸及碼盤一同旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)動1個(gè)角度，位于光電器件支架上下兩邊的7位光電變換電路就輸出1組格雷碼，經(jīng)整形電路整形并反相輸出。每組格雷碼有7位，代表1個(gè)風(fēng)向。由于碼盤外圈被128等分，故風(fēng)向分辨力為360°/128=2.8125°，即每轉(zhuǎn)過2.8125°輸出1組新的格雷碼。共有128個(gè)方位指示。

1.2 風(fēng)速傳感器的工作原理

ZQZ-TF型風(fēng)速傳感器的感應(yīng)元件為三杯式風(fēng)杯組件，信號變換電路為霍爾開關(guān)電路。在水平風(fēng)力的驅(qū)動下，風(fēng)杯組件旋轉(zhuǎn)，通過主軸帶動碼盤旋轉(zhuǎn)，在霍爾磁敏元件中感應(yīng)出脈沖信號，其頻率隨風(fēng)速的增大而線性增加。通過測量頻率即可計(jì)算出風(fēng)速。

2 檢測儀的結(jié)構(gòu)、特性和工作原理

2.1 檢測儀的結(jié)構(gòu)和功能

ZQZ-TF型測風(fēng)傳感器故障檢測儀檢測電路由自檢電路、風(fēng)向檢查電路、F/V轉(zhuǎn)換電路、風(fēng)速顯示電路、信號和電源接口電路等組成。通過電源轉(zhuǎn)換開關(guān)，檢測儀既可用自帶電池，也可外接+5 V電源。檢測儀通過電纜線連接需要檢查的測風(fēng)傳感器。檢測儀的組成如圖1所示。

圖1 檢測儀的組成

檢測儀的主要功能有：1)檢測儀的自檢，即在檢查測風(fēng)傳感器之前，按下檢測儀的自檢按鈕查驗(yàn)檢測儀的風(fēng)向指示和風(fēng)速顯示電路的工作情況；2)風(fēng)向檢查，即通過檢測儀面板上的7只發(fā)光管的指示情況檢查風(fēng)向傳感器電路的工作情況；3)風(fēng)速檢查，即通過檢測儀面板上的風(fēng)速表顯示的瞬時(shí)風(fēng)速值檢查風(fēng)速傳感器電路的工作情況。

2.2 檢測儀的特性

該檢測儀集自檢與檢查功能為一體，切換操作簡便。檢測儀采用+5 V電源，具有多種電源連接方式，既可以直接使用檢測儀內(nèi)部的電池，還可以使用檢測儀上的USB接口連接計(jì)算機(jī)的+5 V電源或通過市電轉(zhuǎn)換獲得供電電源。在室外時(shí)，還可以使用檢測儀上的小12針插座連接室外測風(fēng)傳感器插頭上的+5 V電源。檢測儀上的大12針插座連接風(fēng)信號電纜用來檢查測風(fēng)傳感器。

2.3 檢測儀的工作原理

2.3.1 風(fēng)向檢查電路

風(fēng)向檢查電路由7只發(fā)光管指示電路組成。當(dāng)傳感器的光電變換電路輸出的7位格雷碼信號傳送至風(fēng)向檢查電路后，電路中的7只發(fā)光管會相應(yīng)地點(diǎn)亮或熄滅[3]。發(fā)光管點(diǎn)亮?xí)r對應(yīng)的格雷碼數(shù)字編碼是1，熄滅時(shí)對應(yīng)的格雷碼數(shù)字編碼是0。

若檢測儀上的7只發(fā)光管指示在傳感器方位角度為0°時(shí)全部熄滅并在240°時(shí)全部點(diǎn)亮，則風(fēng)向傳感器的電路正常。若傳感器的任意一位發(fā)光管或光電接收管出現(xiàn)故障，則會造成64個(gè)方位出錯，并且能夠迅速在檢測儀上反映出來。

2.3.2 風(fēng)速檢查電路

檢測儀風(fēng)速檢查電路由F/V轉(zhuǎn)換(頻率/電壓轉(zhuǎn)換)和風(fēng)速顯示電路組成。風(fēng)速傳感器輸出的脈沖頻率信號通過F/V轉(zhuǎn)換后，再傳送到風(fēng)速顯示電路顯示瞬時(shí)的風(fēng)速。風(fēng)速傳感器風(fēng)杯旋轉(zhuǎn)時(shí)，檢測儀能顯示出瞬時(shí)風(fēng)速值，隨著風(fēng)杯組件的加速旋轉(zhuǎn)，顯示出的風(fēng)速值也隨之增大。

將1支正常的ZQZ-TF型測風(fēng)傳感器(編號#152)放在風(fēng)洞中進(jìn)行測試，標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速的輸出范圍是0～20 m/s。同步使用檢測儀和ZQZ-CII型自動氣象站采集器顯示測風(fēng)傳感器的風(fēng)速值，如表1所示。

表1 檢測儀和風(fēng)速采集器顯示的風(fēng)速 m/s

由表1得出，檢測儀顯示的風(fēng)速值與測風(fēng)傳感器采集器顯示風(fēng)速值的差值的絕對值≤0.1 m/s。檢測儀顯示的風(fēng)速值與標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速值比較，誤差在±(0.3+0.03 V)m/s(V為指示風(fēng)速值)范圍內(nèi)。

3 檢測儀的應(yīng)用

檢查測風(fēng)傳感器時(shí)，先將測風(fēng)傳感器通過適當(dāng)?shù)碾娎|與檢測儀的信號插座相連接，然后連接電源。檢測儀既可以單獨(dú)檢查風(fēng)向或風(fēng)速信號，也可以同時(shí)檢查風(fēng)向和風(fēng)速信號。

風(fēng)向傳感器故障的來源有兩類：機(jī)械故障和電路故障。機(jī)械故障包括碼盤的變形、偏心、缺損等；而電路故障主要由傳感器的發(fā)光管或光電接收管損壞引起。設(shè)置0°和240°兩個(gè)檢查點(diǎn)可以檢查7位格雷碼信號全“0”和全“1”的情況，以判別風(fēng)向是否會出現(xiàn)缺方位的現(xiàn)象[4]。

4 結(jié)束語

測風(fēng)傳感器故障檢測儀配有使用說明書，自動氣象站技術(shù)保障人員通過閱讀說明書，在短時(shí)間內(nèi)就能夠熟練應(yīng)用檢測儀現(xiàn)場檢查ZQZ-TF型(或EC9-1型)測風(fēng)傳感器。該檢測儀不受環(huán)境限制，尤其方便室外使用，便于氣象行業(yè)工作人員快速檢查測風(fēng)傳感器并排除故障。