测风传感器故障检测仪的设计与应用

刘 颖，胡 帆，周红根，杨恒祥，王冰梅，张 正

(1.黑龙江省气象数据中心，哈尔滨150030；2.江苏省气象探测中心，南京 210008)

0 引言

目前，江苏省自动气象站大部分使用ZQZ-TF型(或EC9-1型)[1]测风传感器。当自动气象站技术保障人员需要维修测风传感器，或因雷击等自然灾害需要检查测风传感器时，急需一款能够快速直观地检查测风传感器的工具。为此，文章研制了ZQZ-TF型测风传感器故障检测仪，为技术保障人员提供了在检查测风传感器时必要的工具。该检测仪操作简便、性能可靠，可以同时检查风向和风速传感器是否正常。检测仪可以在室外使用，也可以在室内使用，而且只需要1人即可完成检查工作。该检测仪的电路和外接口经过改进后，可通过配置合适的电缆用于检查其他型号的测风传感器。

1 测风传感器工作原理

1.1 风向传感器的工作原理

ZQZ-TF型风向传感器的感应元件为风向标组件[2]；角度变换电路由格雷码盘和光电电路组成。当风向标组件旋转时，带动主轴及码盘一同旋转，每转动1个角度，位于光电器件支架上下两边的7位光电变换电路就输出1组格雷码，经整形电路整形并反相输出。每组格雷码有7位，代表1个风向。由于码盘外圈被128等分，故风向分辨力为360°/128=2.8125°，即每转过2.8125°输出1组新的格雷码。共有128个方位指示。

1.2 风速传感器的工作原理

ZQZ-TF型风速传感器的感应元件为三杯式风杯组件，信号变换电路为霍尔开关电路。在水平风力的驱动下，风杯组件旋转，通过主轴带动码盘旋转，在霍尔磁敏元件中感应出脉冲信号，其频率随风速的增大而线性增加。通过测量频率即可计算出风速。

2 检测仪的结构、特性和工作原理

2.1 检测仪的结构和功能

ZQZ-TF型测风传感器故障检测仪检测电路由自检电路、风向检查电路、F/V转换电路、风速显示电路、信号和电源接口电路等组成。通过电源转换开关，检测仪既可用自带电池，也可外接+5 V电源。检测仪通过电缆线连接需要检查的测风传感器。检测仪的组成如图1所示。

图1 检测仪的组成

检测仪的主要功能有：1)检测仪的自检，即在检查测风传感器之前，按下检测仪的自检按钮查验检测仪的风向指示和风速显示电路的工作情况；2)风向检查，即通过检测仪面板上的7只发光管的指示情况检查风向传感器电路的工作情况；3)风速检查，即通过检测仪面板上的风速表显示的瞬时风速值检查风速传感器电路的工作情况。

2.2 检测仪的特性

该检测仪集自检与检查功能为一体，切换操作简便。检测仪采用+5 V电源，具有多种电源连接方式，既可以直接使用检测仪内部的电池，还可以使用检测仪上的USB接口连接计算机的+5 V电源或通过市电转换获得供电电源。在室外时，还可以使用检测仪上的小12针插座连接室外测风传感器插头上的+5 V电源。检测仪上的大12针插座连接风信号电缆用来检查测风传感器。

2.3 检测仪的工作原理

2.3.1 风向检查电路

风向检查电路由7只发光管指示电路组成。当传感器的光电变换电路输出的7位格雷码信号传送至风向检查电路后，电路中的7只发光管会相应地点亮或熄灭[3]。发光管点亮时对应的格雷码数字编码是1，熄灭时对应的格雷码数字编码是0。

若检测仪上的7只发光管指示在传感器方位角度为0°时全部熄灭并在240°时全部点亮，则风向传感器的电路正常。若传感器的任意一位发光管或光电接收管出现故障，则会造成64个方位出错，并且能够迅速在检测仪上反映出来。

2.3.2 风速检查电路

检测仪风速检查电路由F/V转换(频率/电压转换)和风速显示电路组成。风速传感器输出的脉冲频率信号通过F/V转换后，再传送到风速显示电路显示瞬时的风速。风速传感器风杯旋转时，检测仪能显示出瞬时风速值，随着风杯组件的加速旋转，显示出的风速值也随之增大。

将1支正常的ZQZ-TF型测风传感器(编号#152)放在风洞中进行测试，标准风速的输出范围是0～20 m/s。同步使用检测仪和ZQZ-CII型自动气象站采集器显示测风传感器的风速值，如表1所示。

表1 检测仪和风速采集器显示的风速 m/s

由表1得出，检测仪显示的风速值与测风传感器采集器显示风速值的差值的绝对值≤0.1 m/s。检测仪显示的风速值与标准风速值比较，误差在±(0.3+0.03 V)m/s(V为指示风速值)范围内。

3 检测仪的应用

检查测风传感器时，先将测风传感器通过适当的电缆与检测仪的信号插座相连接，然后连接电源。检测仪既可以单独检查风向或风速信号，也可以同时检查风向和风速信号。

风向传感器故障的来源有两类：机械故障和电路故障。机械故障包括码盘的变形、偏心、缺损等；而电路故障主要由传感器的发光管或光电接收管损坏引起。设置0°和240°两个检查点可以检查7位格雷码信号全“0”和全“1”的情况，以判别风向是否会出现缺方位的现象[4]。

4 结束语

测风传感器故障检测仪配有使用说明书，自动气象站技术保障人员通过阅读说明书，在短时间内就能够熟练应用检测仪现场检查ZQZ-TF型(或EC9-1型)测风传感器。该检测仪不受环境限制，尤其方便室外使用，便于气象行业工作人员快速检查测风传感器并排除故障。