EL15-1C型風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裝備保障中心，蘭州 730020)

0 引言

目前，全國自動氣象站普遍采用EL15-1C型風速傳感器采集風速要素。由于風速傳感器常年暴露在自然環境中，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]等先后對自動氣象站的故障維護和運行能力進行分析，為各氣象要素傳感器的運行維護提供了參考；宋中玲[3]、徐瑾薇[4]等分析了風速傳感器運行中的故障原因和排查方法，但現場故障維修和排查有一定的局限性，為了保證觀測數據的準確必須按期送檢傳感器，在實驗室依據檢定規程對風速傳感器進行檢定；唐曉波[5]分析了惡劣環境對風速傳感器啟動風速的影響；李昕娣[6]研究了檢定中風速傳感器示值超差的原因，并提出了相應的解決方案。

文章從風速傳感器的工作原理和實驗室檢定裝置的組成出發，歸納了實驗室檢定中數據異常的類型，通過對異常現象、故障原因分析排查，得出3類異常情況的處理方法，并總結了異常數據處理思路，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現異常原因，正確地采取維修措施。

1 風速傳感器概述

EL15-1C型風速傳感器作為一種光電式風速傳感器，由3個互成120°的鋁質風杯、隨風杯軸旋轉的截光盤光電轉換器及信號輸出插座等部件組成。風杯在風的帶動下旋轉，并帶動截光盤切割光電轉換電路的紅外光束產生電脈沖。風杯轉速在風速測量范圍內與風速有良好線性關系，所以輸出的脈沖頻率與風速成正比(圖1)。

1—風杯；2—殼體；3—插座

2 檢定裝置

風速傳感器的檢定裝置是由法定授權機構考核授權的風速表檢定裝置，其標準器及配套設備主要為二等皮托靜壓管、0.01級數字壓力計、DZS-Ⅱ型低速風洞、VAISALA生產的PTB220型壓力傳感器和HMP45D型溫濕度傳感器。

甘肅省計量檢定站采用風速自動化檢定系統(M3DS NEW)控制檢定裝置中相關硬件運行，該系統可以自動采集數字壓力計和氣壓、溫度、濕度傳感器數值，并計算出標準風速值；同時讀取被檢風速傳感器的風速值，計算出示值誤差，并根據每個檢定點規定的最大允許誤差自動判別所檢傳感器是否合格，如圖2所示。

圖2 風速自動化檢定系統

檢定時，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，并對本身存在故障的傳感器進行維修處理和二次檢定，以確保檢定結果準確可靠[7-9]。

3 檢定中異常情況分析與處理

3.1 風速傳感器無法啟動

操作風速自動化檢定系統，安裝在風洞的傳感器未轉動，或者輕微轉動之后又停止，導致檢定軟件無法讀取啟動風速值，迫使檢定過程中斷時，可按如下步驟進行排查：

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

2)在數字壓力計與溫濕度、壓力傳感器通信正常的情況下，優先檢查風速傳感器輸出端和采集器輸入端的通信線是否出現故障。由于地市州風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，極易導致傳感器通信線接頭線路斷裂，從而無法采集風速傳感器示值。

3)若通信線無故障，則檢查風速傳感器，調整風杯安裝螺絲使其轉動平穩、靈活，轉軸呈水平狀態時，風杯應能自然平衡，再次安裝傳感器檢定；若風杯無法轉動或存在卡頓，考慮傳感器內部元件存在問題，需要更換軸承重新檢定。

3.2 啟動風速不合格

根據檢定規程要求，風速傳感器的啟動風速必須不大于0.5 m/s。但是對于臺站撤換回來的傳感器，由于其常年受到室外沙塵、大風、冰雹等惡劣環境的影響，導致風速傳感器的機械結構發生改變，同時降低了風速傳感器啟動風速的鑒別閥，導致啟動風速變大，甚至超過0.5 m/s，此時可按如下過程進行排查：

1)首先，檢查檢定裝置中硬件設備是否存在異常，尤其是變頻器的工作狀態。同時要注意，開始檢定后，工作人員一定不能隨意走動，走動產生的氣流會引起數字壓力計的改變，從而影響標準風速值，導致啟動風速采集出現偏差。

2)在冬季溫度較低環境下，傳感器軸承內機油冷凍，會影響風杯旋轉，因此需要確保實驗室溫度達到10 ℃以上方能進行檢定。

3)排除溫度過低造成啟動風速不合格的情況，需要檢查傳感器內部機械結構，清洗保護罩內部塵土以及銹蝕、清潔軸承并加潤滑油處理，由于光柵表面的清潔與否會引起啟動風速的變化，滴油時一定要確保光柵表面清潔，維修完畢可再次進行檢定。

3.3 示值誤差超過最大允差

依據檢定規程，EL15-1C型風速傳感器取5個檢定點：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為指示風速)，示值誤差為對應點指示風速與實測風速之差。若示值誤差超過最大允許誤差，則需要進一步排查與處理。

1)檢查實驗室的檢定環境是否達標，以免外部環境不合格導致示值誤差超差，同時確認檢定過程中檢定員是否隨意走動，影響數字壓力計的數值，使得實測風速存在誤差，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，應對風速傳感器內部進行清洗維修，因為風速傳感器在室外長時間運行過程中，容易積累污垢，且因摩擦作用的影響，軸承極易出現損壞，從而導致檢定時出現示值誤差超差。將傳感器軸承取下并用汽油清洗干凈，涂抹優質潤滑機油，重新安裝并觀察軸承轉動是否連續，若能正常連貫轉動，可進行二次檢定；若無法靈活轉動，則需要更換新的軸承再次檢定。經風洞實驗室二次檢定仍然不合格的風速傳感器判為不合格，需要返廠維修。

4 排查流程總結

目前，各省風洞實驗室都能實現對EL15-1C型風速傳感器的全自動檢定，但檢定系統無法識別數據異常原因，需要檢定人員仔細排查，首先從軟件、硬件以及操作規范排查外部影響因素，若檢定數據異常非外部因素影響，則需要檢修傳感器內部機械結構，清洗或更換保護罩以及軸承，再進行二次檢定，最終確定檢定結果，排查流程如圖3所示。

圖3 風速傳感器檢定數據異常排查流程

5 結束語

保證風速、風向、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確性和可靠性是氣象裝備保障的重要組成部分。文章對自動氣象站EL15-1C型風速傳感器檢定中數據異常情況的分析方式與處理流程也可應用到其他氣象要素的檢定過程中，為氣象行業檢定人員提供參考，更好地保障氣象觀測業務運行。