大連機場HMP45D濕度傳感器故障的分析和驗證

金敏

摘要：2013年8月，位于大連機場10號跑道的HMP45D溫濕度傳感器連續多次出現系統告警，且相對濕度（RH）及露點溫度（DP）測值丟失的情況。文章主要就是對這次傳感器故障的故障分析做一個回顧，同時歸納總結該傳感器在使用維護中的方法和注意事項，為今后的工作提供有益借鑒。

關鍵詞：濕度傳感器；故障；分析；驗證

1 引言

HMP45D是芬蘭VAISALA公司生產的一款溫濕度測量傳感器，在民航及地方氣象部門中廣泛應用。目前，民航大連空管站氣象部門業務化運行的自動氣象站以及自動氣象觀測系統中的溫濕度測量均采用該型傳感器，該傳感器具有高精確度、工作穩定、反應迅速等優點，但由于測量部分長期和空氣中的灰塵和化學物質接觸、溫度影響及其他電氣參數隨時間的變化等因素，傳感器測量值在某些環境下必然會產生漂移，從而導致相關氣象要素測量值失準甚至缺測。

2 故障分析和驗證

2.1 故障現象

民航大連空管站現運行有芬蘭VAISALA公司生產的MIDASIV型自動氣象觀測系統作主用設備，一套單獨的MAWS301型自動氣象站作備用設備。它們的溫濕度測量傳感器HMP45D分別位于大連機場10號跑道、28號跑道和MID中間跑道。

2013年8月5日23：39（協調世界時UTC，下同），本站自動氣象觀測系統出現10號跑道RH、DP數據丟失，界面顯示為“////”的現象，同時，系統狀態監控界面的10號跑道RH項出現紅色告警信息，系統其他各氣象要素測值均無異常。同樣的故障現象在8月6日15：27，8月6日18：50，8，q6日21：08，8月25日21：34也多次出現，并且每次都是毫無例外地在持續一段時間后自動恢復正常，系統相關的告警信息也同時消失。

2.2 故障分析

針對“系統為什么會出現數據丟失”的問題，根據測量數據的生成、采集、傳輸和處理過程，筆者對故障原因提出了以下幾種猜測。

一是相關氣象數據生成、采集、和傳輸過程均正常，數據丟失發生在MIDAS IV系統對接收數據的處理階段。對于這種猜測，故障發生當天的值班人員通過進入系統后臺查詢系統入口數據發現，故障發生時MIDAS IV系統接收到的KH原始數據便是“////”，這也與狀態監控界面的10號跑道RH項出現紅色告警信息相互印證：如果數據丟失在系統處理階段，狀態監控界面不會出現告警信息。

二是相關氣象數據生成和采集過程均正常，數據丟失發生在通信線路的傳輸過程中。眾所周知，通信線路的穩定可靠對于數據的準確傳輸起著至關重要的作用。我們知道RH是由溫濕度傳感器HMP45D測量獲得，它和T、本站氣壓（PAins）、風速（WS）、風向（WD）、地溫（TG）均屬于自動氣象觀測系統中MAWS301型自動氣象站測量值的組成部分，所有以上數據均共用同一對通訊線纜進行傳輸。在RH、DP數據丟失期間，T、PAins、WS、WD和TG數據均正常，而且在系統服務器前端通過網絡/串口調試助手截取的數據也表明整個數據段中無干擾。因此，我們可以排除是通訊線路不穩定導致數據傳輸丟值的可能性。

三是相關氣象數據生成正常，數據丟失發生在采集階段。對于這種猜測，由于我們沒能及時地在故障發生過程中進入場內對采集器濕度傳感器輸出電壓信號進行測量，因此無法排除這種可能性。

四是相關氣象數據在生成階段便已經出現問題，極有可能濕度傳感器本身出現了故障或失準。這種故障或者失準可能是短時的，間歇性的或者某種不持續的外部條件所導致的。通過查詢歷史數據我們發現每次故障的發生和消失都伴隨著降水過程如表1所示。因此我們有理由懷疑是傳感器及其測量電路受到雨水侵襲而導致數據丟失。但我們進場排查發現HMP45D溫濕傳感器除外殼表面附著較厚的灰塵泥土外，內部器件及電路清潔干燥，并無雨水侵襲跡象。然而，我們仍無法排除其他原因導致的傳感器故障或失準。準或者它們兩者的共同作用。為更進一步定位故障點和弄清“為什么出現數據丟失的是10號跑道的RH和DP，而不是其他”，我們又對故障發生前后處于運行中的三處RH歷史數據進行了細致的研究。我們選取RH歷史數據的原則是：數據盡可能靠近故障發生點且RH盡可能覆蓋各種濕度范圍，得到結果如圖1所示。

結合表1和圖l可以發現以下幾點。

（1）每次故障發生都有相同或相近的天氣背景一降水，更直接的表現方式就是空氣的RH值增大，接近或達到100%。

（2）每次故障發生前，三處的RH值都是迅速上升，達到空氣濕度飽和的100%后持續一段時間便出現數據丟失；數據恢復時也是首先出現RH值達到空氣濕度飽和的100%，持續一段時間后再次丟失或者逐漸下降。圖1中10號RH曲線的斷點便是數據丟失的時間段。

（3）在空氣濕度為低濕或者中濕（RH<80%）時段，10號跑道的RH值與其他兩處的RH差值較小；在高濕（RH>80%）時段，10號跑道的RH值持續高于其他兩處且差值較大，最大的差值甚至達到22%，遠遠超出觀測員在三處的RH經驗差值：0-3%。

2.3 故障定位

通過上面三點結論，我們不難判斷：10號跑道濕度傳感器在高濕（RH>80%）時段的測值已經嚴重失準，而這是不是導致RH測量值丟失的原因呢？帶著這個問題，筆者研究了HMP45D濕度傳感器的工作原理和誤差產生原因。

HMP45D對于RH的測量是基于薄膜聚合體的電容HUMICAP180及其測量電路完成的。隨著外界水汽含量的變化，電容電解質成分會隨之改變，從而改變HUMICAP180的電容值，不可避免的是，儀器測量就必然會產生誤差。對于HMP45D濕度傳感器來說，檢定校準和傳感器表面附著物是RH惻量誤差產生的主要因素有以下幾點。

（1）檢定校準作為儀器測量的基礎，重要性不言而喻，如果檢定校準都是不準確的儀器其測量值必然是不準確的。

（2）傳感器表面附著物具有吸水性，長期使用傳感器表面附著物過多后，必然會造成傳感器的測量值比實際值偏高。

結合傳感器RH測量的工作原理和故障分析，我們可以對故障原因做出定位：10號跑道濕度傳感器在高濕（RH>80%）時段的測值嚴重失準且高于實際值是導致此次自動氣象觀測系統RH測量值丟失的直接原因。

2.4 故障驗證

對于故障原因的定位是否準確，筆者做了一個簡單的驗證性試驗，測試結果如表2所示。

通過表2的驗證測試結果，我們可以得到以下結論。

（1）濕度傳感器防護蓋上的附著物會使其測量值增大，但增大效果并不明顯。

（2）10號跑道濕度傳感器在低濕環境中誤差在允許范圍之內，但在高濕環境中誤差極大，且輸出電壓值已經超過0～1V的門限范圍，將導致系統出現數據丟失和RH紅色告警。

發生故障的10號跑道濕度傳感器最近一次檢定校準是2012年11月，筆者對其剛完成檢定校準之后的歷史數據進行了分析，得到結果如圖2所示。

從圖2可以發現，剛完成檢定校準之后，三處RH測量值整體吻合度較高，但是在高濕（RH>80%）時段，10號跑道RH測量值明顯高于其他兩處，最大差值達到11%。這說明在10號跑道傳感器的檢定校準過程中存在問題，校準結果與實際RH有