劉 穎，胡 帆，周紅根，楊恒祥，王冰梅，張 正

(1.黑龍江省氣象數(shù)據(jù)中心，哈爾濱150030；2.江蘇省氣象探測中心，南京 210008)

0 引言

目前，江蘇省自動氣象站大部分使用ZQZ-TF型(或EC9-1型)[1]測風傳感器。當自動氣象站技術保障人員需要維修測風傳感器，或因雷擊等自然災害需要檢查測風傳感器時，急需一款能夠快速直觀地檢查測風傳感器的工具。為此，文章研制了ZQZ-TF型測風傳感器故障檢測儀，為技術保障人員提供了在檢查測風傳感器時必要的工具。該檢測儀操作簡便、性能可靠，可以同時檢查風向和風速傳感器是否正常。檢測儀可以在室外使用，也可以在室內(nèi)使用，而且只需要1人即可完成檢查工作。該檢測儀的電路和外接口經(jīng)過改進后，可通過配置合適的電纜用于檢查其他型號的測風傳感器。

1 測風傳感器工作原理

1.1 風向傳感器的工作原理

ZQZ-TF型風向傳感器的感應元件為風向標組件[2]；角度變換電路由格雷碼盤和光電電路組成。當風向標組件旋轉(zhuǎn)時，帶動主軸及碼盤一同旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)動1個角度，位于光電器件支架上下兩邊的7位光電變換電路就輸出1組格雷碼，經(jīng)整形電路整形并反相輸出。每組格雷碼有7位，代表1個風向。由于碼盤外圈被128等分，故風向分辨力為360°/128=2.8125°，即每轉(zhuǎn)過2.8125°輸出1組新的格雷碼。共有128個方位指示。

1.2 風速傳感器的工作原理

ZQZ-TF型風速傳感器的感應元件為三杯式風杯組件，信號變換電路為霍爾開關電路。在水平風力的驅(qū)動下，風杯組件旋轉(zhuǎn)，通過主軸帶動碼盤旋轉(zhuǎn)，在霍爾磁敏元件中感應出脈沖信號，其頻率隨風速的增大而線性增加。通過測量頻率即可計算出風速。

2 檢測儀的結構、特性和工作原理

2.1 檢測儀的結構和功能

ZQZ-TF型測風傳感器故障檢測儀檢測電路由自檢電路、風向檢查電路、F/V轉(zhuǎn)換電路、風速顯示電路、信號和電源接口電路等組成。通過電源轉(zhuǎn)換開關，檢測儀既可用自帶電池，也可外接+5 V電源。檢測儀通過電纜線連接需要檢查的測風傳感器。檢測儀的組成如圖1所示。

圖1 檢測儀的組成

檢測儀的主要功能有：1)檢測儀的自檢，即在檢查測風傳感器之前，按下檢測儀的自檢按鈕查驗檢測儀的風向指示和風速顯示電路的工作情況；2)風向檢查，即通過檢測儀面板上的7只發(fā)光管的指示情況檢查風向傳感器電路的工作情況；3)風速檢查，即通過檢測儀面板上的風速表顯示的瞬時風速值檢查風速傳感器電路的工作情況。

2.2 檢測儀的特性

該檢測儀集自檢與檢查功能為一體，切換操作簡便。檢測儀采用+5 V電源，具有多種電源連接方式，既可以直接使用檢測儀內(nèi)部的電池，還可以使用檢測儀上的USB接口連接計算機的+5 V電源或通過市電轉(zhuǎn)換獲得供電電源。在室外時，還可以使用檢測儀上的小12針插座連接室外測風傳感器插頭上的+5 V電源。檢測儀上的大12針插座連接風信號電纜用來檢查測風傳感器。

2.3 檢測儀的工作原理

2.3.1 風向檢查電路

風向檢查電路由7只發(fā)光管指示電路組成。當傳感器的光電變換電路輸出的7位格雷碼信號傳送至風向檢查電路后，電路中的7只發(fā)光管會相應地點亮或熄滅[3]。發(fā)光管點亮時對應的格雷碼數(shù)字編碼是1，熄滅時對應的格雷碼數(shù)字編碼是0。

若檢測儀上的7只發(fā)光管指示在傳感器方位角度為0°時全部熄滅并在240°時全部點亮，則風向傳感器的電路正常。若傳感器的任意一位發(fā)光管或光電接收管出現(xiàn)故障，則會造成64個方位出錯，并且能夠迅速在檢測儀上反映出來。

2.3.2 風速檢查電路

檢測儀風速檢查電路由F/V轉(zhuǎn)換(頻率/電壓轉(zhuǎn)換)和風速顯示電路組成。風速傳感器輸出的脈沖頻率信號通過F/V轉(zhuǎn)換后，再傳送到風速顯示電路顯示瞬時的風速。風速傳感器風杯旋轉(zhuǎn)時，檢測儀能顯示出瞬時風速值，隨著風杯組件的加速旋轉(zhuǎn)，顯示出的風速值也隨之增大。

將1支正常的ZQZ-TF型測風傳感器(編號#152)放在風洞中進行測試，標準風速的輸出范圍是0～20 m/s。同步使用檢測儀和ZQZ-CII型自動氣象站采集器顯示測風傳感器的風速值，如表1所示。

表1 檢測儀和風速采集器顯示的風速 m/s

由表1得出，檢測儀顯示的風速值與測風傳感器采集器顯示風速值的差值的絕對值≤0.1 m/s。檢測儀顯示的風速值與標準風速值比較，誤差在±(0.3+0.03 V)m/s(V為指示風速值)范圍內(nèi)。

3 檢測儀的應用

檢查測風傳感器時，先將測風傳感器通過適當?shù)碾娎|與檢測儀的信號插座相連接，然后連接電源。檢測儀既可以單獨檢查風向或風速信號，也可以同時檢查風向和風速信號。

風向傳感器故障的來源有兩類：機械故障和電路故障。機械故障包括碼盤的變形、偏心、缺損等；而電路故障主要由傳感器的發(fā)光管或光電接收管損壞引起。設置0°和240°兩個檢查點可以檢查7位格雷碼信號全“0”和全“1”的情況，以判別風向是否會出現(xiàn)缺方位的現(xiàn)象[4]。

4 結束語

測風傳感器故障檢測儀配有使用說明書，自動氣象站技術保障人員通過閱讀說明書，在短時間內(nèi)就能夠熟練應用檢測儀現(xiàn)場檢查ZQZ-TF型(或EC9-1型)測風傳感器。該檢測儀不受環(huán)境限制，尤其方便室外使用，便于氣象行業(yè)工作人員快速檢查測風傳感器并排除故障。