EL15-1C型風(fēng)速傳感器檢定異常情況分析與處理

雷曉妹，黃 蕊，吳麗娜，汪 鑫

(甘肅省氣象信息與技術(shù)裝備保障中心，蘭州 730020)

0 引言

目前，全國自動(dòng)氣象站普遍采用EL15-1C型風(fēng)速傳感器采集風(fēng)速要素。由于風(fēng)速傳感器常年暴露在自然環(huán)境中，其工作性能極易受到沙塵、霜凍、酸雨、冰雹等惡劣氣候的影響。周青[1]、裴翀[2]等先后對(duì)自動(dòng)氣象站的故障維護(hù)和運(yùn)行能力進(jìn)行分析，為各氣象要素傳感器的運(yùn)行維護(hù)提供了參考；宋中玲[3]、徐瑾薇[4]等分析了風(fēng)速傳感器運(yùn)行中的故障原因和排查方法，但現(xiàn)場(chǎng)故障維修和排查有一定的局限性，為了保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確必須按期送檢傳感器，在實(shí)驗(yàn)室依據(jù)檢定規(guī)程對(duì)風(fēng)速傳感器進(jìn)行檢定；唐曉波[5]分析了惡劣環(huán)境對(duì)風(fēng)速傳感器啟動(dòng)風(fēng)速的影響；李昕娣[6]研究了檢定中風(fēng)速傳感器示值超差的原因，并提出了相應(yīng)的解決方案。

文章從風(fēng)速傳感器的工作原理和實(shí)驗(yàn)室檢定裝置的組成出發(fā)，歸納了實(shí)驗(yàn)室檢定中數(shù)據(jù)異常的類型，通過對(duì)異?，F(xiàn)象、故障原因分析排查，得出3類異常情況的處理方法，并總結(jié)了異常數(shù)據(jù)處理思路，從而提出排查流程，以推廣到其他氣象要素的檢定中，幫助檢定人員更快地發(fā)現(xiàn)異常原因，正確地采取維修措施。

1 風(fēng)速傳感器概述

EL15-1C型風(fēng)速傳感器作為一種光電式風(fēng)速傳感器，由3個(gè)互成120°的鋁質(zhì)風(fēng)杯、隨風(fēng)杯軸旋轉(zhuǎn)的截光盤光電轉(zhuǎn)換器及信號(hào)輸出插座等部件組成。風(fēng)杯在風(fēng)的帶動(dòng)下旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)截光盤切割光電轉(zhuǎn)換電路的紅外光束產(chǎn)生電脈沖。風(fēng)杯轉(zhuǎn)速在風(fēng)速測(cè)量范圍內(nèi)與風(fēng)速有良好線性關(guān)系，所以輸出的脈沖頻率與風(fēng)速成正比(圖1)。

1—風(fēng)杯；2—?dú)んw；3—插座

2 檢定裝置

風(fēng)速傳感器的檢定裝置是由法定授權(quán)機(jī)構(gòu)考核授權(quán)的風(fēng)速表檢定裝置，其標(biāo)準(zhǔn)器及配套設(shè)備主要為二等皮托靜壓管、0.01級(jí)數(shù)字壓力計(jì)、DZS-Ⅱ型低速風(fēng)洞、VAISALA生產(chǎn)的PTB220型壓力傳感器和HMP45D型溫濕度傳感器。

甘肅省計(jì)量檢定站采用風(fēng)速自動(dòng)化檢定系統(tǒng)(M3DS NEW)控制檢定裝置中相關(guān)硬件運(yùn)行，該系統(tǒng)可以自動(dòng)采集數(shù)字壓力計(jì)和氣壓、溫度、濕度傳感器數(shù)值，并計(jì)算出標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速值；同時(shí)讀取被檢風(fēng)速傳感器的風(fēng)速值，計(jì)算出示值誤差，并根據(jù)每個(gè)檢定點(diǎn)規(guī)定的最大允許誤差自動(dòng)判別所檢傳感器是否合格，如圖2所示。

圖2 風(fēng)速自動(dòng)化檢定系統(tǒng)

檢定時(shí)，檢定人員的操作失誤、軟件故障或變頻器等硬件故障都可能造成檢定異常，使得原本合格的傳感器被檢定系統(tǒng)判為不合格，這就需要檢定人員合理分析不合格因素，排查故障原因，并對(duì)本身存在故障的傳感器進(jìn)行維修處理和二次檢定，以確保檢定結(jié)果準(zhǔn)確可靠[7-9]。

3 檢定中異常情況分析與處理

3.1 風(fēng)速傳感器無法啟動(dòng)

操作風(fēng)速自動(dòng)化檢定系統(tǒng)，安裝在風(fēng)洞的傳感器未轉(zhuǎn)動(dòng)，或者輕微轉(zhuǎn)動(dòng)之后又停止，導(dǎo)致檢定軟件無法讀取啟動(dòng)風(fēng)速值，迫使檢定過程中斷時(shí)，可按如下步驟進(jìn)行排查：

1)重啟檢定軟件，排除程序運(yùn)行異常情況，檢查采集器、數(shù)字壓力計(jì)、變頻器是否工作正常，排除硬件故障。

2)在數(shù)字壓力計(jì)與溫濕度、壓力傳感器通信正常的情況下，優(yōu)先檢查風(fēng)速傳感器輸出端和采集器輸入端的通信線是否出現(xiàn)故障。由于地市州風(fēng)速傳感器一般都是集中撤換，集中檢定，通信線端頭頻繁插拔，極易導(dǎo)致傳感器通信線接頭線路斷裂，從而無法采集風(fēng)速傳感器示值。

3)若通信線無故障，則檢查風(fēng)速傳感器，調(diào)整風(fēng)杯安裝螺絲使其轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)、靈活，轉(zhuǎn)軸呈水平狀態(tài)時(shí)，風(fēng)杯應(yīng)能自然平衡，再次安裝傳感器檢定；若風(fēng)杯無法轉(zhuǎn)動(dòng)或存在卡頓，考慮傳感器內(nèi)部元件存在問題，需要更換軸承重新檢定。

3.2 啟動(dòng)風(fēng)速不合格

根據(jù)檢定規(guī)程要求，風(fēng)速傳感器的啟動(dòng)風(fēng)速必須不大于0.5 m/s。但是對(duì)于臺(tái)站撤換回來的傳感器，由于其常年受到室外沙塵、大風(fēng)、冰雹等惡劣環(huán)境的影響，導(dǎo)致風(fēng)速傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，同時(shí)降低了風(fēng)速傳感器啟動(dòng)風(fēng)速的鑒別閥，導(dǎo)致啟動(dòng)風(fēng)速變大，甚至超過0.5 m/s，此時(shí)可按如下過程進(jìn)行排查：

1)首先，檢查檢定裝置中硬件設(shè)備是否存在異常，尤其是變頻器的工作狀態(tài)。同時(shí)要注意，開始檢定后，工作人員一定不能隨意走動(dòng)，走動(dòng)產(chǎn)生的氣流會(huì)引起數(shù)字壓力計(jì)的改變，從而影響標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速值，導(dǎo)致啟動(dòng)風(fēng)速采集出現(xiàn)偏差。

2)在冬季溫度較低環(huán)境下，傳感器軸承內(nèi)機(jī)油冷凍，會(huì)影響風(fēng)杯旋轉(zhuǎn)，因此需要確保實(shí)驗(yàn)室溫度達(dá)到10 ℃以上方能進(jìn)行檢定。

3)排除溫度過低造成啟動(dòng)風(fēng)速不合格的情況，需要檢查傳感器內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)，清洗保護(hù)罩內(nèi)部塵土以及銹蝕、清潔軸承并加潤滑油處理，由于光柵表面的清潔與否會(huì)引起啟動(dòng)風(fēng)速的變化，滴油時(shí)一定要確保光柵表面清潔，維修完畢可再次進(jìn)行檢定。

3.3 示值誤差超過最大允差

依據(jù)檢定規(guī)程，EL15-1C型風(fēng)速傳感器取5個(gè)檢定點(diǎn)：2 m/s、5 m/s、10 m/s、20 m/s、30 m/s，最大允許誤差為：±(0.5+0.03V)m/s(V為指示風(fēng)速)，示值誤差為對(duì)應(yīng)點(diǎn)指示風(fēng)速與實(shí)測(cè)風(fēng)速之差。若示值誤差超過最大允許誤差，則需要進(jìn)一步排查與處理。

1)檢查實(shí)驗(yàn)室的檢定環(huán)境是否達(dá)標(biāo)，以免外部環(huán)境不合格導(dǎo)致示值誤差超差，同時(shí)確認(rèn)檢定過程中檢定員是否隨意走動(dòng)，影響數(shù)字壓力計(jì)的數(shù)值，使得實(shí)測(cè)風(fēng)速存在誤差，引起了示值誤差的變化。

2)排除檢定過程中外部影響因素后，應(yīng)對(duì)風(fēng)速傳感器內(nèi)部進(jìn)行清洗維修，因?yàn)轱L(fēng)速傳感器在室外長時(shí)間運(yùn)行過程中，容易積累污垢，且因摩擦作用的影響，軸承極易出現(xiàn)損壞，從而導(dǎo)致檢定時(shí)出現(xiàn)示值誤差超差。將傳感器軸承取下并用汽油清洗干凈，涂抹優(yōu)質(zhì)潤滑機(jī)油，重新安裝并觀察軸承轉(zhuǎn)動(dòng)是否連續(xù)，若能正常連貫轉(zhuǎn)動(dòng)，可進(jìn)行二次檢定；若無法靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，則需要更換新的軸承再次檢定。經(jīng)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室二次檢定仍然不合格的風(fēng)速傳感器判為不合格，需要返廠維修。

4 排查流程總結(jié)

目前，各省風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室都能實(shí)現(xiàn)對(duì)EL15-1C型風(fēng)速傳感器的全自動(dòng)檢定，但檢定系統(tǒng)無法識(shí)別數(shù)據(jù)異常原因，需要檢定人員仔細(xì)排查，首先從軟件、硬件以及操作規(guī)范排查外部影響因素，若檢定數(shù)據(jù)異常非外部因素影響，則需要檢修傳感器內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)，清洗或更換保護(hù)罩以及軸承，再進(jìn)行二次檢定，最終確定檢定結(jié)果，排查流程如圖3所示。

圖3 風(fēng)速傳感器檢定數(shù)據(jù)異常排查流程

5 結(jié)束語

保證風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度和氣壓等氣象要素在檢定過程中量值自上而下傳遞的準(zhǔn)確性和可靠性是氣象裝備保障的重要組成部分。文章對(duì)自動(dòng)氣象站EL15-1C型風(fēng)速傳感器檢定中數(shù)據(jù)異常情況的分析方式與處理流程也可應(yīng)用到其他氣象要素的檢定過程中，為氣象行業(yè)檢定人員提供參考，更好地保障氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)運(yùn)行。