气象自动站测风传感器故障个例分析

气象自动站测风传感器故障个例分析

余鹏

中国民用航空珠海空中交通管理站气象台  519000 

摘要：依据珠海机场自动站机械风传感器WA151系列以及超声测风传感器WMT700系列的实际使用情况，笔者对测风传感器使用过程中出现的一些故障问题分析其具体成因，并研究了与故障相对应的解决办法，阐述了关于自动站测风传感器日常维修保养的一些建议，为使用该传感器的相关技术人员提供部分可供参考的具体建议。

关键词：气象自动站；机械风传感器；超声测风传感器；故障分析

前言

芬兰维萨拉公司生产的WA151系列机械风传感器和WMT700系列超声风传感器广泛使用在中国大陆各机场自动气象观测系统中，这两个系列风传感器的测风原理不同，与其他公司的生产的传感器相比具有前沿性，优点众多，比如测试精准性很高、能在严寒酷暑等恶劣环境下长期进行使用、日常维护容易操作等优势，可以使用的范围很广而且跨度也很大。目前除在机场使用外，还有在航空航天、公路和能源等诸多领域使用，是气象探测传感器领域的标杆。两个系列的传感器的结构精细，使用了大量创新的技术元素，现就两种传感器测量原理及日常运行中发现的一些问题进行探究。

1.风传感器测风的原理

WAA151 是一种光电风速计，反应速度快且阈值低。它的杯轮上有三只轻质锥形杯，能在高达 75 米/秒风速的全量程内提供出色的线性。杯轮的轴上装有截光盘，随风转动时，每转动一周能够切断红外光束 14 次，并通过光电晶体管产生脉冲串输出。每面的六个轨道上。WAV151风向仪使码盘转动，导致光电晶体管所接收的代码发生变化。代码以 5.6° 的增幅逐步发生变化，每次一位，以消除编码中任何不明确性。

WMT700超声测风传感器运用超声波测试水平方向的风速，是以超声传送时间的长短为根据的测试原理，超声波从一个探头传送到另一个探头，声波传送过程里消耗的时长取决于风度的大小和超声所经过的途径两个方面的因素。有三个探头，明显有益于仅有一个探头的风传感器，每一个探头都是具有双重功能的，一方面发射一方面接受，双向记录传送的时长，超声波在探头之间的真实的传送速度在不同的风向情况下实际速度数值不同。在逆风的时候， 超声波理论传输速度再加上风速；在顺风的时候，超声波理论传输速度再减去风速；零风速传送来回的传输时长是一致的。测量传送时间就可以计算记录测量出得出两点之间的风速[1]。

2.技术指标

两种系列的测风传感器的工作电压一般情况下均为12V。

WAV151测量范围 0 ... 360°；启动阈值 <0.4 米/秒；分辨率 5.6°；阻尼比率 0.19；过冲比 0.55；延迟距离 0.4 米。WAA151测量范围 0.4 - 75 米/秒；启动阈值 < 0.5 米/秒 ；距离常数 2.0 米。

WMT700超声测风传感器的型号有多种；分别是标准型和加热型。

加热型的自动站超声WMT700型风传感器的传感探头里面会配置有恒温控制加热器，这个加热装置需要36V更大的电压来供给热量。风速分辨率是0.2m/s，准确度±0.135 m/s，风分辨率1°，准确度±2°，这款风传感器的性能极好，性能方面均高于长臂单叶风向传感器和三杯风速传感器这两类风传感器[2]。

3.发现故障

自动站超声WMT700型风传感器测风速的办法与物理中的声学法有异曲同工之妙。

测风速的精度很高、对外界风的变化响应很快、不易出现故障是该自动站超声WMT700型风传感器的三大主要优点。国内很多关键的测试站点都使用该传感器测试风速。

珠海空管站使用该传感器时曾发现传感器无数据输出。现场人员仔细检查后发现是传感器供电电压不足了。测得传感器的供电电压是9V，一般情况下，正常值是高于这个数值的，分析其成因是直流供电模块故障，所以设备无法正常使用；

在更换自动站直流供电模块后，温度、湿度、气压等测试目标数据均恢复如初，唯一疑惑的是，风向、风速数据依然无法恢复。

4.故障分析

对于以上的具体发生的故障，先对超声风传感器的输入电压进行检验，当表盘示数显示的是12V的时候，说明仪器正常。此种现象也说明了设备的供电是正常没问题的。再对超声风传感器进行通电，如若听到超声波发出的声音时，说明高超声风传感器的硬件没有发现故障。

那么，该仪器可能的故障原因是超声风传感器发生了断电问题，导致了仪器内部的之前设置的信息全部都消失无踪了。维修人员只需要将线路接通，直到超声风传感器能够直接得出数字信号，再连接上电脑直接进行调试即可。

在气象具体业务的实施过程中，风传感器出故障的情况比较多，一般就是传感器本身出故障和线路连接出故障，不论是哪一种都会对气象业务的有效性和准确性造成极大的影响，异常问题的出现会干扰观测人员观测到的数据的准确性，也会干扰观测人员的判定和对问题的及时解决。风速和风向观测器里已经存在的观测数据差错包括风速和风向的错误信息，降低了观测数据传输的准确性，最终会影响到测报出气候分析、气象预报等气象服务项目的有效性和精准性下面对故障分析具体的阐述分析：

4.1 风速传感器开启风速过大

这个故障很难被维修人员发现或者易被误判，一般情况下跟风的方向有关。风向传感器和风速传感器位于风塔的东边的时候如果有西风吹来，位于反方向的备用自动站的数据可以参考，实际风速和风向传感器自动站显示的数据出现滞后性，备用自动站的数据可以正常读数，如若数据的滞后性小于等于1m/s，那么就可以默认并判断自动站的风传感器处于正常状态。

当有微风状态时，自动站风杯的数据长时间不变化，备用自动站的确有数据存在，如若自动站的风速测试数据很大，这时就能判断故障是由开启的风速过于大造成的。一般情况下会造成开启的风速过于大的状况就是因为机器年久老化所致或者润滑效果失效。

4.2风向传感器风向方位不够齐全

在风传感器测风向的过程中，可初步判定故障为风向传感器方位不全的情况是：风向传感器在固定一个方向或者是其他任何风向方位从始至终都没有发生变化的现象。这种故障虽然很容易理解，但是值班人员通常不容易发现故障发生，如若做到及时发现并处理这种故障，只需要值班人员更加仔细认真的巡视检查风向传感器的具体情况，并做出比较才能发现识别并维修故障。当然，除了以上做法，相关维修人员还要凭借雷达、地面月报表等实际信息资料的分析之后才能盖棺定论。普遍情况下，造成这种故障一般是因为控制测量风向的格雷码盘受到损坏所引发的故障。

4.3 风向传感器风向方位错乱。

在用风传感器进行测量并报告实际风向和风速的事宜时，当异常显著的变化问题出现在风向方位上面时，一般情况下有两种因素会引发以上的现象，一种原因是航空头到转接盒的这一段线路连接出现错误了，第二种原因是风向转接盒里面的具体线路存在虚假接通的现象。

4.4 风向传感器风向方位偏差

通常情况下，北方地区的寒冷空气来临的时候，风向传感器所监测到的数据也是偏北风，但实际测量出的却为偏西风。这种情况可能是由于风向传感器的风向方位出现了偏差的故障。此类故障产生的原因可以追溯到在对风向传感器最开始进行安装的过程中，工程师没有把风向传感器自身配备的指北针对准实际场景中的北方所造成的故障。

4.5 风向标转动数据没有变化或者是风向标转动不灵活

一般情况下，出现风向标发生了转动，但是实际显示的数据无法与其匹配或者压根就没变的故障问题时，原因可能是供电发生了故障或者是CAN总线出现了故障。前者的直接体现是电压实际显示的数值不满足相关的标准要求或者直接就没有电压显示。后者的直接体现是发生了电路开路或者是断路状况的原因。风向标作为直接指示风的来向的指标应该本身就要足够灵活巧妙，如若其变得不够灵活时会发生这种卡滞现象，原因有风传感器的轴承干燥粗糙或者轴承不干净的缘故。这就涉及到对风传感器的轴承进行拆卸的工作了，拆卸过程比较复杂困难，需要专业人员才能完成相应的动手操作，工作人员不能自行拆卸维护，需咨询厂家请示上级领导后，在有资质的人员帮助下共同开展拆卸维修活动。

5.总结

对于这两款常用的风传感器出现的故障现象，机务人员应该强化业务学习和培训工作，熟练掌握风传感器的运用、测量还有维修维护的方式方法，提高相关人员的应急处理的能力。同时，还要加强风传感器的日常维护，以此来提升仪器的使用寿命，降低风传感器发生故障问题的频率，进而不断提升地面气象数据探测的质量水平。

参考文献：

[1]宋中玲,张静. 新型自动气象站传感器工作原理及测试方法研究[J]. 自动化仪表,2018,39(7):78-81.

[2]林辉阳,王珊珊,杨庆波. 超声波测风仪对比观测试验研究[J]. 福建电脑,2019,35(6):33-36.