一次報表審核發現的風向數據異常故障維修

孫百安 姜水平

一次報表審核發現的風向數據異常故障維修

孫百安1姜水平2

（1.南平市氣象局，福建 南平 353000；2.南平市建陽區氣象局，福建 南平 354200）

格雷碼盤式風向傳感器部分編碼和傳輸通道出現故障時，仍然有風向輸出，造成風向記錄混亂，且不易被發現。而利用這些異常的風向觀測數據，大致倒查到風向傳感器及傳輸通道的某些通道故障，接著用傳感器替換法和測量法判斷風向信號各通道短路或斷路，找到具體故障點排除，是一種簡便有效的故障判斷排除方法。

EL15－2C 故障維修 傳感器 風向

目前，DZZ5型自動站是我國新一代多功能新型自動氣象站，氣象部門在國家天氣站、區域站中廣泛使用。與其配套使用的是EL15－2C型風向傳感器，它是一種7位格雷碼盤式風向傳感器。格雷碼采用絕對編碼方式，屬于可靠性編碼，是一種錯誤最小化的編碼[1]，但格雷碼盤式風向傳感器部分編碼出現故障時（包括傳輸通道故障），仍然有風向輸出，只不過風向是失真的，觀測員不易察覺，造成錯誤與正確記錄混淆，引起記錄失真而只能按缺測處理。而利用這些異常的風向觀測數據倒查風向傳感器及傳輸通道故障，是一種簡便有效的故障判斷方法。

1 數據異常現象

2017年6月8日，某國家基本氣象站接到省級氣象信息中心審核員通知，質疑該站5月份氣象月報表風向記錄可能失真，請臺站人員分析排查。查看該站逐時風向數據均存在，并未缺測，但發現從4月24日起風向只在ESE-WSW之間變化，且實時觀察發現在上述風向之外的風都記錄為上述風向，記錄已無使用價值。該站主站和備份站2017年5月逐時風向頻率對照見表1。

表1 某站2017年5月逐時風向頻率對照表（主站故障、備份站正常）

通過與備份站風向記錄對比，主站風向在方位W-N-E之間均無記錄，并且在方位SE-SW度之間風向出現頻率較備份站正常記錄明顯偏多，顯然在方位W-N-E之間風向出現故障且記錄疊加在方位SE-SW之上。

2 故障原因分析

2.1 EL15-2C型風向傳感器編碼轉化原理

DZZ5型自動站用的是EL15-2C型風向傳感器，由主采集器給風向傳感器提供5V直流電源，并通過主采集器讀取風向傳感器輸出7位格雷碼（D0~D6與GND間電壓值，高電位為1，低電位為0），由于格雷碼相鄰的兩個碼組之間只有一位不同，因而在用于風向的轉角位移量到數字量的轉換中，當風向的轉角位移量發生微小變化可能引起數字量發生變化時，格雷碼僅改變一位，與別的編碼同時改變兩位或多位相比更為可靠，可減少出錯的可能性。但格雷碼不是權重碼[2]，每位碼沒有確定的大小，不能直接比較大小和算術運算，需變成自然二進制碼，經計算轉換而得到風向值。

格雷碼轉換為二進制碼，最高位二進制碼與最高位格雷碼一致，次高位二進制碼則為次高位格雷碼與高一位二進制碼相異或，其它依次位次的二進制碼分別是同位次的格雷碼與高一位二進制碼相異或。

七位格雷碼為：G6G5G4G3G2G1G0

對應的七位二進制碼為：B6B5B4B3B2B1B0

其中最高位：B6= G6

其余各位B-1=G-1⊕B（=6,5,4,3,2,1）

二進制碼B6B5B4B3B2B1B0轉化為十進制數：

十進制數= B6×64+B5×32+B4×16+B3×8+B2×4+B1×2+B0×1

則對應風向=十進制數×360/128°

通過以上方法，可以算出7位格雷碼共有128種組合，所對應的各個風向見表2。

表2 風向角度與格雷碼對照表

2.2 風向故障對應編碼的判斷

從風向統計表1中可見，主站在W-N-E方向的風向缺失，將缺失的風向對應的格雷碼與表2風向角度與格雷碼對照表比較，可以初步判斷出格雷碼盤以及傳輸通道的大致范圍。此例故障中，第4位、第5位格雷碼G4、G5異常可能性最大，其中G5都是1時，表現出風向只在90~270°范圍內。

根據區域站風向核查辦法[3]，核查特征點風向0°和239°時，對應的七位格雷碼分別是0000000和1111111，將風向傳感器的風向標轉到這兩個特征點位置時，測報終端機顯示的風向是177度和208度，與實際風向不符，根據風向角度與格雷碼對應關系，風向177度和208度對應的格雷碼是0100000和1101111，顯然在上述風向中格雷碼G5應該為0，實際為1，而格雷碼G4應該為1，實際為0。格雷碼G4、G5出錯了。

3 故障排查

分析了故障原因，找到故障范圍后，根據先易后難、先軟件后硬件的原則進行故障排查，就能找出第4、第5位格雷碼G4、G5出錯的故障點。因其他要素正常，故軟件錯誤可能性不大，出現主要故障的點可能在風向傳感器、傳輸通道、防雷板和主采集器輸入口等。具體故障點可用替代法和測量法進行排查。風向信號流向圖見圖1。

圖1 風向信號流向圖

3.1 用替代法排查傳感器

用備用站同型號的風向傳感器與主站對換，轉動風向標，業務終端機輸出的風向仍然是W-N-E方向的風向缺失，故障情況依舊。可見，故障不在風向傳感器而在它的前端。

3.2 用測量法排查傳輸通道

檢測風橫臂上風轉接盒內1腳和2腳的電壓4.9V，供電正常，各級接線端子連接堅固，無虛接現象。接著，測量輸出風向格雷碼可判斷風向是否故障，風轉接盒內從左向右第4、5、6、7、8 9、10腳分別對應采集器和風向傳感器的D0、D1、D2、D3、D4D5、D6腳;防雷板上第12、13、14、15、16、17 、18腳分別對應采集器D0、D1、D2、D3、D4D5、D6腳，在采集器風向輸入端、防雷板輸入輸出端和風轉接盒端測量結果D5腳在不同風向下始終是高電平（4.5V以上）, 而D4腳始終是低電平（1V以下）。可斷定連接D5腳電纜有短路，而連接D4腳電纜斷路。

再將風信號電纜一端空載，在另一端用萬用表蜂鳴檔測量任意兩根芯線之間電阻應為“∞”，但在電纜頭上測出第6腳和第10腳有短路；接著，電纜一端芯線兩兩短接，在另一端用萬用表蜂鳴檔測量對應兩根芯線之間應連通，在電纜頭上第5腳判斷斷路故障。

3.3 檢查風信號電纜

仔細檢查了線槽內風信號電纜，未出現異常，但拉出原來塞在地下暗管內的一段電纜仔細檢查時，發現電纜破損，其中紅色的電源線和紫色的信號線絕緣橡膠破皮后纏繞在一起，造成D5腳始終高電位，格雷碼G5一直為1；另一根橙色信號線已斷，D4腳始終低電位，格雷碼G4一直為0。重新連接好電纜，包上絕緣膠帶后，通過業務軟件查看監控界面實時數據，與備用站實時觀測數據比較，確定風向實時記錄恢復正常。

4 結論

該站從4月24日出現風向故障，至6月8日被省級資料審核員發現異常后排查修復，造成長時間實時風向資料失真。為了及時發現類似故障，測報員在巡視時要對比主站和備用站實時風向記錄，包括監視運行的主備站資料對比小程序；定期生成A文件，在編制的月報表中查看風的統計欄，看是否出現風向缺失或異常偏多；每月儀器定期維護時，檢查風向標方向與終端顯示的風向是否一致。用以上方法盡早發現風向故障。

當出現風向異常時，利用異常的風向觀測數據，分析所缺風向對應的七位格雷碼，確定哪些位格雷碼異常，大致倒查到風向傳感器及傳輸通道的某些通道故障，進一步測量各接點的高低電位，將測得的七位格雷碼與對應風向比較，確定故障格雷碼位。接著用傳感器替換法和測量法判斷風向信號各通道短路或斷路，找到具體故障點排除，是一種簡便有效的故障判斷排除方法。

[1] 鄭亮,張天華,張虎,等.自動氣象站風向測量系統現場校準方法改進的探討[J].氣象科技,2014,42(4):593-596.

[2] 陳明霞,陳燕萍,楊清玲,等. 風向風速傳感器原理及故障排除[J]. 青海氣象, 2005(S1) 22-24.

[3] 中國氣象局綜合觀測司. 區域自動氣象站現場核查方法(試行)[Z]. 2014.

P415.1+1

A

1673-8683(2020)01-0027-03