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        邢臺雙套自動站濕度傳感器故障分析

        2022-08-29 03:29:34馮志強施海瑞賈益超
        農(nóng)業(yè)災(zāi)害研究 2022年6期
        關(guān)鍵詞:采集器備份濕度

        馮志強,施海瑞,賈益超

        邢臺市氣象局,河北邢臺 054000

        濕度與人的生活緊密相關(guān),也是重要的氣象觀測要素。隨著氣象業(yè)務(wù)現(xiàn)代化的深入,新型自動氣象站等智能設(shè)備不斷投入業(yè)務(wù)使用。雙套自動站為保證常規(guī)七要素的現(xiàn)用新型動站數(shù)據(jù)缺失后,使用備份站數(shù)據(jù)進(jìn)行替代。備份站數(shù)據(jù)是否正常也很重要。濕度傳感器是新型自動氣象站不可缺少的一部分,邢臺地區(qū)主要使用的濕度傳感器型號是DHC2型和DHC1型。有人使用3MS計量檢定系統(tǒng)對各100支DHC2型和DHC1型2種氣象用溫濕度傳感器的濕度性能進(jìn)行對比試驗,試驗表明,相較 于DHC2型,DHC1型 正反行程中正負(fù)誤差所占比重變化相對平緩,但高濕時正誤差率大,更容易出現(xiàn)高濕不退的情況;2種傳感器濕度的平均誤差曲線趨勢基本一致,DHC1型平均誤差-1.23% RH~0.72% RH,DHC2型平均誤差-2.56% RH~0.55% RH[1]。濕度傳感器測量部分經(jīng)過長期使用,空氣中的灰塵堆積、化學(xué)物質(zhì)腐蝕、電器老化等因素,造成傳感器測量值在某些環(huán)境下會產(chǎn)生漂移,從而導(dǎo)致相關(guān)氣象要素測量值失真或者缺測[2-4]。邢臺市氣象探測中心通過氣象臺站觀測要素實時數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控服務(wù)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)主備站對比邢臺隆堯氣象局主備站DHC2型和DHC1型濕度傳感器數(shù)據(jù)差值超過20% RH,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳感器平均誤差最大允許誤差范圍。

        1 濕度傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)

        濕度傳感器的測濕元件是采用電容式薄膜聚合物感應(yīng)元件,濕敏電容具有感濕特性的電介質(zhì),其介電常數(shù)隨相對濕度變化而變化,從而完成對濕度的測量。濕敏電容主要有濕敏電容和轉(zhuǎn)換電路2個部分,由上層電極、濕敏材料、下層電極、玻璃基片幾部分組成。濕敏電容傳感器上電極是一層多孔膜,能透過水汽,下電極為一對電極,引線由下電極引出,基板是玻璃。濕敏材料是一種高分子聚合物,它的介電常數(shù)隨著環(huán)境相對濕度的變化而變化。

        當(dāng)環(huán)境濕度發(fā)生變化時,濕敏元件電容量隨之發(fā)生改變,即當(dāng)相對濕度增大時,濕敏電容量隨之增大,反之減小。傳感器的轉(zhuǎn)換電路把濕敏電容變化量轉(zhuǎn)換成電壓量變化,對應(yīng)于濕度0~100% RH 的變化,傳感器的輸出呈0~1 V的線性變化,電壓與濕度呈線性正比關(guān)系,其計算公式如下:

        RH(相對濕度)=U(傳感器輸出電壓)×100%

        DHC1型濕度傳感器測量采用ROTRONIC AG公司最新生產(chǎn)的電容式濕度探頭,三線制輸出。傳感器由濕度探頭、溫度探頭、殼體、連接電纜4個部分構(gòu)成,具有集成度高、微功耗、智能化、高可靠、易維護(hù)等特點(圖1)。

        圖1 DHC1型濕度傳感器外形結(jié)構(gòu)示意圖

        DHC2型濕度傳感器采用芬蘭維薩拉公司的HUMICAP180R高精度濕敏電容,傳感器由防護(hù)過濾罩、保護(hù)蓋及M12型的8針插座組成。防護(hù)過濾罩采用聚四費乙烯材料制成,其具有保護(hù)濕敏電容、薄膜免受污染并提供良好透氣性(圖2)。DHC2型濕度傳感器具有可靠性能高、準(zhǔn)確度好、適應(yīng)性強、維護(hù)方便等特點。

        圖2 DHC2型濕度傳感器外形結(jié)構(gòu)示意圖

        DHC1型與DHC2型濕度傳感器技術(shù)參數(shù)比較,測量范圍、分辨力、最大允許誤差、時間常數(shù)、輸出信號、工作溫度范圍全部相同,僅在電器性能功耗上有所不同,DHC1型為100 mW、DHC2型為36 mW。DHC2型濕度傳感器比 DHC1型濕度傳感器功耗更低,可以節(jié)省能源。

        2 故障現(xiàn)象

        邢臺市隆堯氣象局現(xiàn)在使用雙套氣象自動站運行,分別為江蘇無線電研究所有限公司DZZ4上傳站的DHC2型濕度傳感器與CAWS600-B備份站中環(huán)天儀氣象儀器有限公司DHC1濕度傳感器。當(dāng)DZZ4上傳站濕度出現(xiàn)數(shù)據(jù)問題,需要使用CAWS600-B備份站濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行代替。通過監(jiān)控軟件發(fā)現(xiàn)DZZ4上傳站與CAWS600備份站濕度數(shù)據(jù)相差很大。觀察2022年2月8日濕度對比數(shù)據(jù)表發(fā)現(xiàn),當(dāng)高濕情況下DHC1濕度數(shù)據(jù)晚上到達(dá)飽和后,下降比較緩慢,與主站DHC2濕度數(shù)據(jù)對比差值在20% RH以上。當(dāng)?shù)蜐袂闆r下主站數(shù)據(jù)DHC2與備份站數(shù)據(jù)DHC1對比差值變小,趨于正常誤差。低濕情況下很難發(fā)現(xiàn)的濕度故障十分隱蔽。

        表1 隆象局2022年2月8日濕度數(shù)據(jù)對比表 % RH

        3 故障分析

        當(dāng)濕度傳感器出現(xiàn)常規(guī)故障時,第一要檢查業(yè)務(wù)軟件與采集器相關(guān)參數(shù)設(shè)置是否正確。如業(yè)務(wù)軟件參數(shù)設(shè)置是否正確、采集器的溫濕分采是否啟用以及輸入SENST U查看主采集器是否啟用濕度傳感器。

        第二,外觀檢查。查看主備站濕度傳感器外觀沒有變形,過濾網(wǎng)是否有灰塵堆積。

        第三,線纜情況檢查。檢查線纜插頭是否牢固,有無松動脫落,依次排查從濕度傳感器到主采集器的線路是否破損。

        第四,供電與傳感器檢查。濕度傳感器主要由濕敏電容和轉(zhuǎn)換電路兩部分組成。濕敏電容的電容量經(jīng)外圍電路轉(zhuǎn)換后輸出電壓信號。電壓與濕度成線性正比關(guān)系。用萬用表20 V DC檔測量CAWS600備份站6、7腳之間的電壓為12 V DC左右,這是濕敏電容正常工作時的工作電壓范圍。測量FL-1防雷板5和7腳之間的電壓,濕度輸出為0.65 V,對應(yīng)于相對濕度 65%。用萬用表20 V DC 檔測量氣溫多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器至主采集器的供電電壓,應(yīng)在12 V左右。使用2 V DC檔在DZZ4主站氣溫多傳感器標(biāo)準(zhǔn)控制器測量濕度輸出為0.8 V,對應(yīng)于相對濕度80%。傳感器輸出信號的電壓與濕度顯示一致,說明采集器與線路都工作正常,這時應(yīng)該懷疑兩個濕度傳感器中有一個出現(xiàn)錯誤。通過軟硬件檢查,軟件設(shè)置正確傳感器運行正常,2個濕度傳感器高濕偏差大,無法判斷哪個濕度傳感器出現(xiàn)偏差。

        第五,通過實驗室鑒別法分析濕度傳感器故障。

        3.1 試驗設(shè)備

        本次試驗采用中國華云升達(dá)公司生產(chǎn)的GRZ5301濕度檢定箱、多通道濕度傳感器數(shù)據(jù)采集裝置、佐格精密露點儀DM2000等試驗裝置組成。GRZ5301濕度檢定箱濕度場均勻度0.8% RH(@20℃),箱內(nèi)濕度場波動控制在±0.3% RH/30 min。此試驗裝置設(shè)置相應(yīng)濕度點,自動采集記錄標(biāo)準(zhǔn)器與被測量的濕度傳感器的數(shù)據(jù)。被測的濕度包括DHC2型濕度傳感器、DHC1型濕度傳感器以及DHC1備件濕度傳感器共3個濕度傳感器。

        3.2 試驗方法

        本次試驗方法參照J(rèn)JG(氣象)003—2001自動氣象站濕度傳感器檢定規(guī)定中相關(guān)規(guī)定。濕度檢定箱采用智能高精度的PID溫控技術(shù),控制溫度在20℃下選取濕度點,濕度點分別選取30% RH、40% RH、55% RH、75%RH、95% RH共5個,濕度采用蒸汽加濕法和制冷除濕技術(shù),能快速濕度控制先升濕后降濕,每個試驗點結(jié)束后自動進(jìn)行下一點進(jìn)行檢測。先從濕度點30%RH到高濕95% RH進(jìn)行測量,叫濕度的正程檢測,反之為反程檢測。

        3.3 試驗計算方法

        標(biāo)準(zhǔn)器3次測量平均值為標(biāo)準(zhǔn)值,被檢定濕度3次測量平均值作為測量值。被檢測量值減去標(biāo)準(zhǔn)值,得出檢定點的測量誤差。計算方法如下:

        式中:Δhi—= 被hi檢?h濕s度傳感器在各檢定點上的測量誤差(% RΔHh)i=;—? 被hs檢濕度傳感器在各檢定點上3次輸出值的平均值(%);—精密露點儀在各檢定點上3次測量值的平均值(% RH)。

        3.4 試驗數(shù)據(jù)分析

        對更換下主備站濕度傳感器與一個備件DHC1濕度傳感器進(jìn)行編號并試驗。試驗數(shù)據(jù)見表2,濕度傳感器分為正、反行程,共檢測三個濕度傳感器,分別標(biāo)為備份站(DHC1)、主站(DHC2)、備件(DHC1)。

        根 據(jù)JJG(氣 象)003—2001自 動氣象站濕度傳感器檢定規(guī)定中要求誤差允許“當(dāng)濕度≤80% RH時,最大允許誤差為±4% RH;當(dāng)濕度>80%RH時,最大允許誤差為±8% RH”。由表2數(shù)據(jù)分析可知,備份站濕度傳感器在到正程75% RH時與標(biāo)準(zhǔn)器出現(xiàn)9.7的誤差,在反行程時55% RH、75% RH 2個試驗點分別出現(xiàn)6.9、24.4的誤差,備份站(DHC1)濕度傳感器的誤差值24.4遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了最大允許誤差。備份站濕度傳感器在30% RH、40% RH 2個試驗點的正反程誤差都在正常誤差范圍內(nèi),表明備份站濕度傳感器低濕環(huán)境時工作正常。備份站(DHC1)濕度傳感器反程時,相對濕度一直達(dá)到飽和狀態(tài),下降十分延遲。主站(DHC2)在到正反程95% RH時出現(xiàn)誤差相對于30% RH、40% RH、55% RH、75% RH檢測點偏大,但在最大允許誤差范圍內(nèi),其他檢測點誤差值都正常。備件(DHC1)濕度傳感器是未使用的新傳感器,與標(biāo)準(zhǔn)器正反程誤差值都在最大允許誤差范圍內(nèi),檢測數(shù)據(jù)表現(xiàn)良好。

        表2 主備站濕度傳感器的試驗數(shù)據(jù) % RH

        4 結(jié)論

        邢臺市使用的雙套自動站以主站數(shù)據(jù)為準(zhǔn),備份站數(shù)據(jù)為補。主站數(shù)據(jù)缺測后可用備份站數(shù)據(jù)代替,所以要保證兩套自動站數(shù)據(jù)差值在合理的范圍內(nèi)。本文通過對一次雙套自動站DHC2型和DHC1型2種濕度傳感器數(shù)據(jù)相差太大的維修,詳細(xì)講解濕度傳感器的維修過程,最后通過實驗室鑒別,發(fā)現(xiàn)備份站(DHC1)濕度傳感器75% RH反程超差故障。隨著濕度傳感器使用時間增加,空氣中一些粉塵和化學(xué)物質(zhì)會腐蝕濕敏電容和堵塞過濾網(wǎng),所以值班員要經(jīng)常觀察在低濕高濕情況下雙套自動站濕度數(shù)據(jù)差值變化,濕度數(shù)據(jù)差值一定要在合理的范圍內(nèi)。還需要定時進(jìn)行自動站濕度傳感器維護(hù),DHC1型濕度傳感器每次巡視儀器都要從外觀上看過濾網(wǎng)是否堵塞和破損,取下保護(hù)套使用軟毛刷擦拭干凈。DHC2型濕度傳感器清潔傳感器探頭,需要使用沾有適度去污劑的柔軟無絨布擦拭,根據(jù)不同傳感器型號特點,錯開整點數(shù)據(jù)采集時間進(jìn)行相應(yīng)的維護(hù)。

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