自動氣象站風向傳感器校準方法探討

吳麗娜，宋 媛，雷曉妹，陳菊萍

(甘肅省氣象信息與技術裝備保障中心，蘭州730020)

0 引言

風向作為自動氣象站常規(guī)觀測要素之一，其觀測數(shù)據(jù)在氣象預報、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航空等重要領域應用廣泛[1，2]。目前國內氣象部門使用的風向傳感器多是光電式風向傳感器，其觀測數(shù)據(jù)一般采用7位格雷碼方式輸出。由于現(xiàn)行風向傳感器檢定規(guī)程所選取的檢定點僅對7位格雷碼的前4位進行全“0”和全“1”狀態(tài)的檢測，而未對后3位進行全“1”狀態(tài)的檢測。因此，在檢定校準中很難發(fā)現(xiàn)風向傳感器出現(xiàn)的超差現(xiàn)象。

針對上述問題，已有學者開展了相關研究，如王明輝等提出設計9個不同于檢定規(guī)程的特定測試方位；魏明明[3，4]等提出了一種通過在原有規(guī)程的基礎上增加2個特定點或者另外選取8個特定點的方法進行風向傳感器校準；鄭亮[5]等提出對風向傳感器進行現(xiàn)場校準時，可選取3個點，即0°、121°和239°。這些研究工作在一定程度上解決了實際檢定過程中的部分問題，但依然存在可改進之處。文章在現(xiàn)有研究的基礎上，提出了一種改進的風向傳感器校準方法，不但能消除現(xiàn)行檢定規(guī)程中的不足，且較好地考慮了實際檢定過程中可操作性和可靠性的問題。

1 風向傳感器工作原理

1.1 格雷碼介紹

格雷碼的任意兩個相鄰碼之間只有1位不同。例如，2的格雷碼為0000011，3的格雷碼為0000010，4的格雷碼為0000110，因此遇到數(shù)字進位時，只有1位代碼不同，變化微小。因而被大量應用于風向傳感器的方位角編碼[6，7]。

1.2 風向傳感器工作原理

目前，國家氣象部門使用的風向傳感器多為二代站風向傳感器。風向標是一種風向敏感器件，與其同軸的格雷碼盤是一種金屬圓盤。通過在金屬盤上刻7個同心圓將碼盤由內向外分別進行21、22、23、24、25、26、27等分處理。格雷碼盤在風向標的帶動下轉動，碼盤每轉動2.815°(360°/27=2.815°)輸出7位格雷碼，對格雷碼方位進行角度換算，得到傳感器指示的角度。

2 現(xiàn)有檢定規(guī)程中的不足

根據(jù)規(guī)定，風向傳感器的測量范圍是0°～360°，最大允許誤差±5°。規(guī)定的檢定點及對應的格雷碼如表1所示。

表1 檢定規(guī)程規(guī)定的風向檢測點

從表1可以看出，8個檢定點中僅對D6～D3位有完整的全“0”和全“1”狀態(tài)的檢測，而對D2～D0位只有對全“0”狀態(tài)的檢測，沒有對其進行全“1”狀態(tài)的檢測，這樣會導致風向傳感器超差而不被發(fā)現(xiàn)。

按照現(xiàn)行檢定規(guī)程中要求的檢定點進行校準，如表1所示，如果在D2、D1、D0位出現(xiàn)故障，則無法檢出。例如，當D2出現(xiàn)故障時，D2一直顯示數(shù)值為0，規(guī)程要求的檢定點測試完畢后，未發(fā)現(xiàn)超差。但在實際使用中，當風向是20°和110°時，角度顯示為0°和90°，與實際風向均產(chǎn)生20°的偏差。同理，D1位如果一直為0，當風向是11°和281°時，此時對應的角度則會顯示為20°和290°，均產(chǎn)生9°的偏差，也超出了最大允許誤差的范圍。

3 改進后的校準方法

采用現(xiàn)行檢定規(guī)程中的檢定點進行風向傳感器校準時，由于不能有效判斷部分輸出狀態(tài)位的故障，因此這些檢定點在實際應用中存在不可靠性。為了有效解決上述缺陷，文章選取的風向校準點所對應的格雷碼狀態(tài)位都出現(xiàn)“0”到“1”或“1”到“0”的變化?；诖耍恼绿岢鲆韵赂倪M的校準方法。

由風向碼盤度數(shù)與格雷碼對應表可知，0°時的格雷碼為0000000，239°時的格雷碼為1111111。這兩個點對格雷碼的7個狀態(tài)位變化均能檢測到，從理論上講，這兩個點已經(jīng)能有效解決D2～D0位未對全“1”狀態(tài)進行檢測的問題。但在實際操作中，如果D0發(fā)生故障一直顯示為1時，單靠239°檢定點很難發(fā)現(xiàn)超差，因為D0的故障只可使檢定出現(xiàn)±3°的偏差，而檢定規(guī)程規(guī)定風向傳感器的最大允許誤差為±5°。所以文章增加28°(格雷碼為：0001111)檢定點，對D0位進行多次檢測，以增加發(fā)現(xiàn)D0位故障的概率。

另外，格雷碼盤在實際拆卸、安裝中受到外界碰撞擠壓而變形時，會使其對應方位角度的指示不準確。因此，在日常校準工作中，如果僅選擇有一定距離的0°、28°、239°這3個檢測點，當格雷碼盤在其他區(qū)間出現(xiàn)問題時，可能會影響其計量特性而不被發(fā)現(xiàn)。所以也無法全面準確的判定該風向傳感器的特性能否滿足相應規(guī)程的規(guī)定。通過實際工作中大量實驗驗證得出，適當增加檢測點，且使其滿足均勻分布的要求，可有效解決上述問題。

通過反復試驗比較，最終選取90°、180°、267°3個檢測點，加上0°、28°、239°這3個檢測點，6個檢測點的格雷碼如表2所示。通過其對應的格雷碼顯示可知，每個狀態(tài)位被檢測到出現(xiàn)高電平(“1”)和低電平(“0”)的次數(shù)均大于等于2次。因此，可有效解決規(guī)程中檢定點D2～D0位高電平均無法被檢測到的問題，且可有效全面地判定風向傳感器的計量性能。

表2 選擇7個檢測點進行校準分析

4 結束語

文章通過對現(xiàn)有檢定規(guī)程中選取的風向檢定點進行分析，指出了該方法的欠妥之處，且結合實際工作提出一種改進的校準方法。最終選取0°、28°、90°、180°、239°、267°作為6個風向校準檢測點，不但對格雷碼的7個狀態(tài)位均能進行檢測，而且少于規(guī)程要求的8個檢測點，提高了檢測效率，且檢定結果更加可靠。目前該方法已在實際檢定過程中多次應用，取得了良好效果，對同類風向傳感器的檢定校準具有一定的借鑒意義。