EL15-1C型风速传感器检定异常情况分析与处理

雷晓妹，黄 蕊，吴丽娜，汪 鑫

(甘肃省气象信息与技术装备保障中心，兰州 730020)

0 引言

目前，全国自动气象站普遍采用EL15-1C型风速传感器采集风速要素。由于风速传感器常年暴露在自然环境中，其工作性能极易受到沙尘、霜冻、酸雨、冰雹等恶劣气候的影响。周青[1]、裴翀[2]等先后对自动气象站的故障维护和运行能力进行分析，为各气象要素传感器的运行维护提供了参考；宋中玲[3]、徐瑾薇[4]等分析了风速传感器运行中的故障原因和排查方法，但现场故障维修和排查有一定的局限性，为了保证观测数据的准确必须按期送检传感器，在实验室依据检定规程对风速传感器进行检定；唐晓波[5]分析了恶劣环境对风速传感器启动风速的影响；李昕娣[6]研究了检定中风速传感器示值超差的原因，并提出了相应的解决方案。

文章从风速传感器的工作原理和实验室检定装置的组成出发，归纳了实验室检定中数据异常的类型，通过对异常现象、故障原因分析排查，得出3类异常情况的处理方法，并总结了异常数据处理思路，从而提出排查流程，以推广到其他气象要素的检定中，帮助检定人员更快地发现异常原因，正确地采取维修措施。

1 风速传感器概述

EL15-1C型风速传感器作为一种光电式风速传感器，由3个互成120°的铝质风杯、随风杯轴旋转的截光盘光电转换器及信号输出插座等部件组成。风杯在风的带动下旋转，并带动截光盘切割光电转换电路的红外光束产生电脉冲。风杯转速在风速测量范围内与风速有良好线性关系，所以输出的脉冲频率与风速成正比(图1)。

1—风杯；2—壳体；3—插座

2 检定装置

风速传感器的检定装置是由法定授权机构考核授权的风速表检定装置，其标准器及配套设备主要为二等皮托静压管、0.01级数字压力计、DZS-Ⅱ型低速风洞、VAISALA生产的PTB220型压力传感器和HMP45D型温湿度传感器。

甘肃省计量检定站采用风速自动化检定系统(M3DS NEW)控制检定装置中相关硬件运行，该系统可以自动采集数字压力计和气压、温度、湿度传感器数值，并计算出标准风速值；同时读取被检风速传感器的风速值，计算出示值误差，并根据每个检定点规定的最大允许误差自动判别所检传感器是否合格，如图2所示。

图2 风速自动化检定系统

检定时，检定人员的操作失误、软件故障或变频器等硬件故障都可能造成检定异常，使得原本合格的传感器被检定系统判为不合格，这就需要检定人员合理分析不合格因素，排查故障原因，并对本身存在故障的传感器进行维修处理和二次检定，以确保检定结果准确可靠[7-9]。

3 检定中异常情况分析与处理

3.1 风速传感器无法启动

操作风速自动化检定系统，安装在风洞的传感器未转动，或者轻微转动之后又停止，导致检定软件无法读取启动风速值，迫使检定过程中断时，可按如下步骤进行排查：

1)重启检定软件，排除程序运行异常情况，检查采集器、数字压力计、变频器是否工作正常，排除硬件故障。

2)在数字压力计与温湿度、压力传感器通信正常的情况下，优先检查风速传感器输出端和采集器输入端的通信线是否出现故障。由于地市州风速传感器一般都是集中撤换，集中检定，通信线端头频繁插拔，极易导致传感器通信线接头线路断裂，从而无法采集风速传感器示值。

3)若通信线无故障，则检查风速传感器，调整风杯安装螺丝使其转动平稳、灵活，转轴呈水平状态时，风杯应能自然平衡，再次安装传感器检定；若风杯无法转动或存在卡顿，考虑传感器内部元件存在问题，需要更换轴承重新检定。

3.2 启动风速不合格

根据检定规程要求，风速传感器的启动风速必须不大于0.5 m/s。但是对于台站撤换回来的传感器，由于其常年受到室外沙尘、大风、冰雹等恶劣环境的影响，导致风速传感器的机械结构发生改变，同时降低了风速传感器启动风速的鉴别阀，导致启动风速变大，甚至超过0.5 m/s，此时可按如下过程进行排查：

1)首先，检查检定装置中硬件设备是否存在异常，尤其是变频器的工作状态。同时要注意，开始检定后，工作人员一定不能随意走动，走动产生的气流会引起数字压力计的改变，从而影响标准风速值，导致启动风速采集出现偏差。

2)在冬季温度较低环境下，传感器轴承内机油冷冻，会影响风杯旋转，因此需要确保实验室温度达到10 ℃以上方能进行检定。

3)排除温度过低造成启动风速不合格的情况，需要检查传感器内部机械结构，清洗保护罩内部尘土以及锈蚀、清洁轴承并加润滑油处理，由于光栅表面的清洁与否会引起启动风速的变化，滴油时一定要确保光栅表面清洁，维修完毕可再次进行检定。

3.3 示值误差超过最大允差

依据检定规程，EL15-1C型风速传感器取5个检定点：2 m/s、5 m/s、10 m/s、20 m/s、30 m/s，最大允许误差为：±(0.5+0.03V)m/s(V为指示风速)，示值误差为对应点指示风速与实测风速之差。若示值误差超过最大允许误差，则需要进一步排查与处理。

1)检查实验室的检定环境是否达标，以免外部环境不合格导致示值误差超差，同时确认检定过程中检定员是否随意走动，影响数字压力计的数值，使得实测风速存在误差，引起了示值误差的变化。

2)排除检定过程中外部影响因素后，应对风速传感器内部进行清洗维修，因为风速传感器在室外长时间运行过程中，容易积累污垢，且因摩擦作用的影响，轴承极易出现损坏，从而导致检定时出现示值误差超差。将传感器轴承取下并用汽油清洗干净，涂抹优质润滑机油，重新安装并观察轴承转动是否连续，若能正常连贯转动，可进行二次检定；若无法灵活转动，则需要更换新的轴承再次检定。经风洞实验室二次检定仍然不合格的风速传感器判为不合格，需要返厂维修。

4 排查流程总结

目前，各省风洞实验室都能实现对EL15-1C型风速传感器的全自动检定，但检定系统无法识别数据异常原因，需要检定人员仔细排查，首先从软件、硬件以及操作规范排查外部影响因素，若检定数据异常非外部因素影响，则需要检修传感器内部机械结构，清洗或更换保护罩以及轴承，再进行二次检定，最终确定检定结果，排查流程如图3所示。

图3 风速传感器检定数据异常排查流程

5 结束语

保证风速、风向、温度、湿度和气压等气象要素在检定过程中量值自上而下传递的准确性和可靠性是气象装备保障的重要组成部分。文章对自动气象站EL15-1C型风速传感器检定中数据异常情况的分析方式与处理流程也可应用到其他气象要素的检定过程中，为气象行业检定人员提供参考，更好地保障气象观测业务运行。