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觀測要素之一，其觀測數據在氣象預報、工業、農業、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，其觀測數據一般采用7位格雷碼方式輸出。由于現行風向傳感器檢定規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”狀態的檢測，而未對后3位進行全“1”狀態的檢測。因此，在檢定校準中很難發現風向傳感器出現的超差現象。

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，不但能消除現行檢定規程中的不足，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 現有檢定規程中的不足

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

表1 檢定規程規定的風向檢測點

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”狀態的檢測，而對D2～D0位只有對全“0”狀態的檢測，沒有對其進行全“1”狀態的檢測，這樣會導致風向傳感器超差而不被發現。

按照現行檢定規程中要求的檢定點進行校準，如表1所示，如果在D2、D1、D0位出現故障，則無法檢出。例如，當D2出現故障時，D2一直顯示數值為0，規程要求的檢定點測試完畢后，未發現超差。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

采用現行檢定規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位都出現“0”到“1”或“1”到“0”的變化?；诖?，文章提出以下改進的校準方法。

由風向碼盤度數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個狀態位變化均能檢測到，從理論上講，這兩個點已經能有效解決D2～D0位未對全“1”狀態進行檢測的問題。但在實際操作中，如果D0發生故障一直顯示為1時，單靠239°檢定點很難發現超差，因為D0的故障只可使檢定出現±3°的偏差，而檢定規程規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，以增加發現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間出現問題時，可能會影響其計量特性而不被發現。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程的規定。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，每個狀態位被檢測到出現高電平(“1”)和低電平(“0”)的次數均大于等于2次。因此，可有效解決規程中檢定點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

文章通過對現有檢定規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個狀態位均能進行檢測，而且少于規程要求的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。