測(cè)風(fēng)傳感器故障檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

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(cè)中心，南京 210008)

0 引言

目前，江蘇省自動(dòng)氣象站大部分使用ZQZ-TF型(或EC9-1型)[1]測(cè)風(fēng)傳感器。當(dāng)自動(dòng)氣象站技術(shù)保障人員需要維修測(cè)風(fēng)傳感器，或因雷擊等自然災(zāi)害需要檢查測(cè)風(fēng)傳感器時(shí)，急需一款能夠快速直觀地檢查測(cè)風(fēng)傳感器的工具。為此，文章研制了ZQZ-TF型測(cè)風(fēng)傳感器故障檢測(cè)儀，為技術(shù)保障人員提供了在檢查測(cè)風(fēng)傳感器時(shí)必要的工具。該檢測(cè)儀操作簡(jiǎn)便、性能可靠，可以同時(shí)檢查風(fēng)向和風(fēng)速傳感器是否正常。檢測(cè)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(cè)儀的電路和外接口經(jīng)過(guò)改進(jìn)后，可通過(guò)配置合適的電纜用于檢查其他型號(hào)的測(cè)風(fēng)傳感器。

1 測(cè)風(fēng)傳感器工作原理

1.1 風(fēng)向傳感器的工作原理

ZQZ-TF型風(fēng)向傳感器的感應(yīng)元件為風(fēng)向標(biāo)組件[2]；角度變換電路由格雷碼盤(pán)和光電電路組成。當(dāng)風(fēng)向標(biāo)組件旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶動(dòng)主軸及碼盤(pán)一同旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)動(dòng)1個(gè)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(gè)風(fēng)向。由于碼盤(pán)外圈被128等分，故風(fēng)向分辨力為360°/128=2.8125°，即每轉(zhuǎn)過(guò)2.8125°輸出1組新的格雷碼。共有128個(gè)方位指示。

1.2 風(fēng)速傳感器的工作原理

ZQZ-TF型風(fēng)速傳感器的感應(yīng)元件為三杯式風(fēng)杯組件，信號(hào)變換電路為霍爾開(kāi)關(guān)電路。在水平風(fēng)力的驅(qū)動(dòng)下，風(fēng)杯組件旋轉(zhuǎn)，通過(guò)主軸帶動(dòng)碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)，在霍爾磁敏元件中感應(yīng)出脈沖信號(hào)，其頻率隨風(fēng)速的增大而線性增加。通過(guò)測(cè)量頻率即可計(jì)算出風(fēng)速。

2 檢測(cè)儀的結(jié)構(gòu)、特性和工作原理

2.1 檢測(cè)儀的結(jié)構(gòu)和功能

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

圖1 檢測(cè)儀的組成

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

2.2 檢測(cè)儀的特性

該檢測(cè)儀集自檢與檢查功能為一體，切換操作簡(jiǎn)便。檢測(cè)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(cè)儀內(nèi)部的電池，還可以使用檢測(cè)儀上的USB接口連接計(jì)算機(jī)的+5 V電源或通過(guò)市電轉(zhuǎn)換獲得供電電源。在室外時(shí)，還可以使用檢測(cè)儀上的小12針插座連接室外測(cè)風(fēng)傳感器插頭上的+5 V電源。檢測(cè)儀上的大12針插座連接風(fēng)信號(hào)電纜用來(lái)檢查測(cè)風(fēng)傳感器。

2.3 檢測(cè)儀的工作原理

2.3.1 風(fēng)向檢查電路

風(fēng)向檢查電路由7只發(fā)光管指示電路組成。當(dāng)傳感器的光電變換電路輸出的7位格雷碼信號(hào)傳送至風(fēng)向檢查電路后，電路中的7只發(fā)光管會(huì)相應(yīng)地點(diǎn)亮或熄滅[3]。發(fā)光管點(diǎn)亮?xí)r對(duì)應(yīng)的格雷碼數(shù)字編碼是1，熄滅時(shí)對(duì)應(yīng)的格雷碼數(shù)字編碼是0。

若檢測(cè)儀上的7只發(fā)光管指示在傳感器方位角度為0°時(shí)全部熄滅并在240°時(shí)全部點(diǎn)亮，則風(fēng)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(huì)造成64個(gè)方位出錯(cuò)，并且能夠迅速在檢測(cè)儀上反映出來(lái)。

2.3.2 風(fēng)速檢查電路

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

將1支正常的ZQZ-TF型測(cè)風(fēng)傳感器(編號(hào)#152)放在風(fēng)洞中進(jìn)行測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速的輸出范圍是0～20 m/s。同步使用檢測(cè)儀和ZQZ-CII型自動(dòng)氣象站采集器顯示測(cè)風(fēng)傳感器的風(fēng)速值，如表1所示。

表1 檢測(cè)儀和風(fēng)速采集器顯示的風(fēng)速 m/s

由表1得出，檢測(cè)儀顯示的風(fēng)速值與測(cè)風(fēng)傳感器采集器顯示風(fēng)速值的差值的絕對(duì)值≤0.1 m/s。檢測(cè)儀顯示的風(fēng)速值與標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速值比較，誤差在±(0.3+0.03 V)m/s(V為指示風(fēng)速值)范圍內(nèi)。

3 檢測(cè)儀的應(yīng)用

檢查測(cè)風(fēng)傳感器時(shí)，先將測(cè)風(fēng)傳感器通過(guò)適當(dāng)?shù)碾娎|與檢測(cè)儀的信號(hào)插座相連接，然后連接電源。檢測(cè)儀既可以單獨(dú)檢查風(fēng)向或風(fēng)速信號(hào)，也可以同時(shí)檢查風(fēng)向和風(fēng)速信號(hào)。

風(fēng)向傳感器故障的來(lái)源有兩類(lèi)：機(jī)械故障和電路故障。機(jī)械故障包括碼盤(pán)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(shè)置0°和240°兩個(gè)檢查點(diǎn)可以檢查7位格雷碼信號(hào)全“0”和全“1”的情況，以判別風(fēng)向是否會(huì)出現(xiàn)缺方位的現(xiàn)象[4]。

4 結(jié)束語(yǔ)

測(cè)風(fēng)傳感器故障檢測(cè)儀配有使用說(shuō)明書(shū)，自動(dòng)氣象站技術(shù)保障人員通過(guò)閱讀說(shuō)明書(shū)，在短時(shí)間內(nèi)就能夠熟練應(yīng)用檢測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)檢查ZQZ-TF型(或EC9-1型)測(cè)風(fēng)傳感器。該檢測(cè)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(cè)風(fēng)傳感器并排除故障。