摘要：分布廣泛的區(qū)域自動站在氣象預報預警和防災減災過程中發(fā)揮的作用越來越重要。如何科學判斷區(qū)域自動站風向風速數(shù)據(jù)質量，提高數(shù)據(jù)可用度是擺在氣象工作者面前的主要問題。本文通過介紹如何運用JJE2、JJE3、JJEIO等風向風速檢測設備，對區(qū)域自動站風向風速進行維修維護，從而達到提高風向風速數(shù)據(jù)準確度及數(shù)據(jù)應用率的目的。

關鍵詞：區(qū)域自動站;風向風速;故障判斷;維修

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）19-0232-02

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

區(qū)域自動站具有增強氣象觀測能力，提高氣象服務水平，保障地方經濟建設，為三農服務的重要作用。近年來，隨著極端天氣氣候事件增多，災害性天氣頻繁出現(xiàn)，人們對天氣預報服務的質量和范圍要求越來越高，通過建設區(qū)域自動站，大大增強了災害性天氣的監(jiān)測能力和區(qū)域性氣象數(shù)據(jù)的覆蓋面，為提高預報的準確度和質量以及精細化預備程度提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。

風向風速的預報預測對于保障人民財產免受風災損失具有重要意義，因此區(qū)域站對風的氣象觀測意義就顯得尤為重要。風向傳感器一般在十米以上的鐵塔上，人工維護不方便，故障的排除也不及時。區(qū)域站風向風速是自動站維修的難點，因此一定要確保日常對風向風速數(shù)據(jù)研判檢查，及時分析風向風速數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)疑點。那么如何針對風向風速數(shù)據(jù)質量要求，排除干擾因素是氣象工作人員的一項重要工作。筆者結合多年的工作經驗，總結出了風向風速傳感器故障后的數(shù)據(jù)特征。

1 風向風速數(shù)據(jù)生成原理

在風杯轉動情況下電壓值應該在6.5 -11.5V之間（對應0～75m/s），所以風杯轉動對應的電壓值會轉化為格雷碼，格雷碼總共有七位數(shù)字，當有一位或多位數(shù)字不隨風向的變化而變化，這時就會出現(xiàn)風向風速監(jiān)測數(shù)據(jù)不準確的情況。風向風速傳感器通過接收的電信號，轉換出的格雷碼又將數(shù)字信息轉換成數(shù)字信號進行傳輸，進而得出實時風向風速信息。如果發(fā)現(xiàn)格雷碼7位數(shù)字中有的位置數(shù)據(jù)不變，那么判斷風向風速傳感器出現(xiàn)了故障，這時就需要進行及時的維修檢查。

2 風向風速主要故障及其原因

2.1 區(qū)域自動站風向風速主要故障

根據(jù)區(qū)域自動站的特點，風向風速異常的原因有移動信號不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)無法正常采集;采集的數(shù)據(jù)無法正常進行傳輸;當供電電壓異常時，就會出現(xiàn)讀數(shù)有偏差、傳感器反應不良等導致數(shù)據(jù)值明顯錯誤或異常;設備無法正常轉動導致數(shù)據(jù)錯誤;傳感器北線不準確等情況。

2.2 故障原因分析

移動信號不穩(wěn)定并不會影響數(shù)據(jù)采集傳輸，只會影響數(shù)據(jù)時效，當信號恢復正常時，區(qū)域站中心軟件就會將延誤數(shù)據(jù)補收采集。傳感器由于在野外運行，環(huán)境中雜質多，進入風向風速轉動軸后會出現(xiàn)傳感器風向拉直卡滯的現(xiàn)象。再就是由于風向風速在風桿頂端，無法對風向傳感器進行日常維護，有可能會出現(xiàn)風杯或風向標破損情況，當維護自動站時需要仔細觀察風桿頂端是否有裂紋破損，認真查看風桿拉線牢固程度及風桿與地面是否垂直，這些都會影響風向風速數(shù)據(jù)準確度;此外，還應該對傳感器北線進行查看，確認其北線是否與地理北線保持一致，若不一致，則應及時對其進行調整、校正。如果風向風速設備正常，線路正常無法采集數(shù)據(jù)，鏈接到其他主板可以正常采集數(shù)據(jù)，這時可以確定是主板故障。由于風速傳感器設備主要通過輸出電壓值來判斷風速，風向風速傳感器的供電確保為5V。風向的判斷主要是通過風向桿來確定，風向桿的垂直度、拉線的牢固程度、轉動的靈活度都需要符合標準。當出現(xiàn)雨雪天氣時，自動站安裝位置的泥土松弛程度也會影響傳感器的數(shù)據(jù)值可用度。如果確定風向風速故障無法通過軟件解決，則需要對風向風速傳感器進行清潔和檢測.必要時進行維修和更換。這時只能通過硬件故障排除法，需要將風桿放倒對硬件進行檢測。

3 風速故障校驗方式方法

風速出現(xiàn)故障，首先排除采集器或鏈接線是否正常，如果正常，那么就需要放倒風桿對風速傳感器進行檢測了。如發(fā)現(xiàn)的風速故障無法解決則通過JJE2起動風速校驗儀與JJE3型風速校驗儀對風速進行檢測維修。

JJE2起動風速校驗儀采用風速發(fā)生器法進行測量，其體積小易操作、精確度高，而且測量原理先進，測量數(shù)據(jù)準確可靠性高，可以用于檢測杯式風速傳感器起動特性和風速特性，能夠快速檢測風速傳感器的風杯、軸阻力等。通過小型起動風速主體、葉輪風表配合使用從而檢驗風速傳感器起動風速數(shù)值是否正確。

JJE3風速校驗儀主要用于各類風速傳感器的定性定量測試，是集風速模擬、檢測、顯示于一體的專用杯式風速傳感器檢測設備。由于對測試環(huán)境要求較低，方便在室內和室外進行不同種類風速傳感器的測試，操作簡單，使用方便。

首先測試起動風速。起動風速又稱臨界風速，就是能使地面沙粒開始移動的風速。顧名思義，測試杯式風速傳感器起動風速，就是能使風杯移動的風速。在測試杯式風速傳感器性能時，通過調節(jié)直流風機的相關參數(shù)產生空氣流動，配合葉輪風表用以讀取相應的風速數(shù)值，待被測傳感器轉動風杯時，記下當前的葉輪風表數(shù)值，即得出被測傳感器的起動風速值，對照規(guī)程判別起動風速及其風速特性是否合格。使用標識為（L12_起動風速）線纜將JJE3風速校驗儀背面“起動風速”位置與JJE2型起動風速校驗儀“電源插座”位置連接;調節(jié)JJE2起動風速校驗儀三個螺紋支腳，觀察內部水平泡，達到水平。將線纜接好，電壓調節(jié)到5V，按照操作規(guī)程完成后，按下風速調節(jié)按鈕，校驗儀會自動控制風扇轉動，脈寬值逐漸增大直到被測傳感器轉動，同時葉輪風表得出數(shù)據(jù)后，通過換算，自動得出起動風速值，起動風速值顯示在“傳感器風速值”位置：根據(jù)計算出的起動風速值通過起動風速檢定標準判斷被測傳感器是否滿足使用要求，這樣起動風速檢測工作就完成了。

下一步風速測試采用風速比較測試的方法，準備一套與被測傳感器相同型號檢定過良好的傳感器1臺與被測傳感器進行風速比較測試。進行風速比較測試時控制器必須采用220VAC供電，不得采用電池供電！在現(xiàn)場檢測時，首先啟動車載柴油發(fā)動機或者輸出穩(wěn)定的12VAC轉220VAC逆變器，將設備連接電源，測試時，電池應保證充電基本完成，一般是將JJE3控制器連接好外接供電，靜置1小時即可，也可觀察背部的電量顯示模塊。鏈接好線纜后，將準備好的與被測傳感器相同型號，檢定過一切正常的傳感器安裝在風座上并緊固固定螺絲，短線纜穿人中間的孔中：擰松兩側緊固螺絲，將硅膠管套在風速傳感器轉軸上，調整標準風速發(fā)生器移動到合適位置，擰緊緊固螺釘：并保持傳感器風杯軸與風速校驗裝置輸出軸保持同軸狀態(tài)，接線前，將控制器上的電壓調節(jié)到5v;使用標識為（L5_風速輸入）的線纜一端與短線纜連接，另一端與控制器的風速輸入接口連接，設置一個風速值，按下黑色旋鈕即開始轉動，這時電機就會驅動傳感器進行轉動?？刂破髯髠葦?shù)碼管顯示實時的標準電機轉速對應的風速值：右側數(shù)碼管顯示實時傳感器信號輸出的風速值。記錄下數(shù)值，然后只將檢定良好的傳感器取下，換上被測傳感器，使用旋轉黑色旋鈕（不要按下）將脈寬值調節(jié)到前面得到的脈寬值，此時觀察傳感器風速值與檢定良好的傳感器表下的風速值是否一致，采用差分對比方式檢測杯式風速傳感器的低風速段內的風速特性。根據(jù)標準值與測量值之間的差異根據(jù)風速傳感器檢定標準判斷被測傳感器是否滿足使用要求至此檢定工作完成。從而得出被測傳感器是否滿足合格。

4 風向故障檢測

風向故障判斷檢測需要使用JJEIO型風向校驗儀進行檢測。該儀器可測試各類風向傳感器的定性定量測試，由校驗臺和便攜式控制器兩大部分組成。它能夠針對風向傳感器的驅動控制、檢測、顯示于一體的新型檢測設備。功能很強大，性能穩(wěn)定可靠，對測試環(huán)境要求較低，方便室外進行風向傳感器的現(xiàn)場檢測，其使用方便，穩(wěn)定性高。

首先，將風向傳感器安裝于校驗臺上，根據(jù)被測傳感器用對應的風座轉接件鏈接，將支撐桿固定風向標。當便攜式控制器控制步進電機拖動風向標轉動，根據(jù)標準為內置360刻度線的碼盤，角度盤用于實際觀察角度使用，可在不使用自動模式時手動旋轉支撐桿，用眼觀察數(shù)值，起到輔助測量的作用。通過光電開關傳感器將采到的數(shù)據(jù)反饋到控制器中作為標準。采用閉環(huán)控制原理，使得校驗儀精度得到保證，校驗全程自動化、一鍵化運行，從而產生標準風向。測試有單機和聯(lián)機兩種不同的工作模式。單機模式就是獨立使用，不需要配合其他設備和上位機軟件就可進行傳感器的測試，測試數(shù)據(jù)將顯示在控制器觸摸屏上，主要用于簡單測試及室外測試使用：聯(lián)機模式是指配合上位機軟件來進行傳感器的檢測。測試時連接好線纜，對應廠家設置好，確認無誤后，若只使用“置北”功能，則觸碰“置北”按鈕，此時尾翼隨著校驗臺支撐桿轉動，轉動過程中注意避免尾翼與其他物品干涉，如果正確找到北的位置，蜂鷗器將長鳴一聲（持續(xù)時間約1秒）：若連續(xù)轉動五次均無法正常找到傳感器北的位置，蜂鳴器則會短鳴6聲，對于模擬風向傳感器，由于輸出可能會首外界干擾而波動，有時在尋北結束后實測風向在0-1度之間跳變，蜂鳴器因此短鳴6聲，這里也可以判定傳感器為正常;觸碰設定值下方的深色框彈出鍵盤，輸入要求的角度值，后觸碰“OK”鍵則返回到主界面（風向），此時設定值的深色方框中顯示的就是剛才設置的角度值。測試配置一般有四個測試點，依次觸碰“第一點”“第二點”“第三點”“第四點”右側的淺色方框，在彈出的數(shù)字鍵盤中輸入相應的角度值（0-360）。，輸入完成后觸碰“確認更改”，即可完成配置。在軟件界面（風向）中使用“快速”功能時，被測傳感器會按照設定的角度采用原點檢定模式順時針進行轉動，每個點停留約2-4秒。風速快速功能配置時也有四個測試點，依次觸碰“第一點”“第二點”“第三點”“第四點”右側的淺色方框，在彈出的數(shù)字鍵盤中輸入相應的風速值，在間隔時間方框中輸入時間值（秒值），輸入完成后觸碰“確認更改”，即可完成配置。在軟件界面（風速）中使用“快速”功能時，被測傳感器會按照設定的風速值進行轉動，每個點停留時間可自定義。根據(jù)標準值與測量值之間的差異及風向傳感器檢定標準判斷被測傳感器是否滿足使用要求至此檢定工作完成。

風向風速維修注意事項：

首先確保220VAC供電電源電壓穩(wěn)定，防止由于電壓不穩(wěn)導致測量結果不穩(wěn)導致測量結果誤差，或者燒毀設備，必要時對發(fā)電機輸出電壓進行檢測或添加穩(wěn)壓器。

其次避免設備在供電情況下進行熱插拔，避免燒壞設備，減少不必要的損失。

5 結束語

區(qū)域自動站風向風速的正常運行、保養(yǎng)可以確保數(shù)據(jù)準確，提高可用度，為人民生產生活免受風災影響保駕護航。在平常的工作中要針對風向風速設備無法維護的情況，多做風向風速數(shù)據(jù)問題分析，記錄原因，提高設備無故障運轉時效，盡量減少設備因故障而發(fā)生的更換新設備情況，提高設備使用效率。

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【通聯(lián)編輯：梁書】

作者簡介：徐驍，本科學歷，工作單位：濟南市氣象局，助理工程師。