風向風速儀工作原理及常見故障解決
本文針對風向風速儀容易出現的故障情況,結合風要素的概念,根據排除故障的經驗加以分析,為觀測員能迅速地排除故障或及時更換風向風速儀,保證資料的準確性、連續性和比較性。
風要素由2個參數確定,即風速(風矢量的模數)和風向(風矢量的幅度)。風向是指風的來向,符號用16個方位表示,自動觀測時以正北為標準,按順時針旋轉的角度表示,以度為單位,取整數。風速是空氣質點單位時間里經過的水平距離,以m/s為單位,取1位小數。
1 風向風速儀的工作原理及可能出現的故障
風向風速儀為單板式風向標,當風標隨風轉動時,通過主軸帶動7位格雷碼光電碼盤旋轉。按照碼盤切槽的設計,360b/27=2.815b,碼盤每轉動2.815b,上下光電管組件就會產生新的7位并行的格雷碼輸出,每組格雷碼代表1個方位角,共128個編碼。通過格雷碼方位的換算,就可以得到當時風向的角度了。同時,每一個角度通過對光信號的遮蔽和打開,再經過光電轉換輸出/00和/10的電信號,風向風速儀轉過1圈后,風向風速儀7位編碼輸出信號的每一位均會出現/00和/10的電平。自動氣象站采集軟件在1d的時間里記錄每位/00和/10的電平,如果發現其中某1位(或幾位)總是00或總是10時,則可初步判斷風向觀測有故障。自動氣象站每天日界(即北京時20:00)都會對風向風速儀自檢診斷,診斷碼復位正常為1111111-0000000。
在實踐中,當20:00后風向狀態無法完全復位(例:1101111)0100000)時,可進行如下檢查:根據天氣系統可判斷風向是否相對穩定,若是風向穩定,人工把風向風速儀轉動一周,應該能復位(正常為1111111-0000000);用測試盒檢查采集器的風傳感器端口,扳動風向開關,風向瞬時值是0和239為正常,否則,檢查風雨板UB1及相關元件;檢查風向風速儀到采集器間的12芯電纜所有接口是否松脫和電纜是否有損傷滲水;測量風向風速儀信號電平,確認7位風向信號有無異常。用20V萬用表測量采集器端風電纜插座的3~9腳分別對2腳的電壓,萬用表讀數的高電平>3V,低電平接近0V。
排查以上情況仍不能復位,如判斷電纜系統和數據采集器是正常的,就應更換風向風速儀了。更換風向風速儀時應把/0b0標志對準正北方,固定后進入采集器測試菜單檢查東、南、西、北(0b、90b、180b、270b)4個方位,再從正北/0b0順時針方向開始緩慢轉動風向標,看風向示值是不是按照度的間隔增加,中間不能有跳變或某段出現反向變化等情況,檢查每一位是否都出現/00和/10。
2 風速傳感器的工作原理及故障原因
目前使用的風速傳感器由2個廠家生產,自動氣象站使用天津廠的,區域站則使用天津廠和長春廠的。天津廠生產的傳感器風速測量是利用1個低慣性的3杯式部件作為感應部份,其感應部件隨風旋轉并帶動風速碼盤,由光電管進行掃描,輸出相應的電脈沖信號,其脈沖頻率隨風速增大而增加,經計數器處理后,輸出實際的風速。長春廠生產的風速傳感器的感應部件也是3杯式組件,信號變換電路為霍爾集成電路。在水平風力驅動下,風杯組件旋轉,通過主軸帶動磁捧盤旋轉,其上面的小磁體形成若干個旋轉運動的磁場,通過霍爾磁敏元件感應出脈沖信號,其頻率隨風速的增大而線性增大。
計算公式:v=0.1f,式中,v為風速,單位為m/s;f為脈沖頻率,單位為Hz。
風速傳感器的故障:一種是風杯轉動時采集器沒有示值,可能故障原因有:多為雷擊損壞或沒有5V電源;風速感應器與采集器7芯電纜接口出現松脫和電纜有損傷滲水;風雨板UB1、D1、或UA6、UA7損壞。另一種是偶爾被外力擊碎其中一個風杯或風杯被打穿孔,造成起動風速明顯提高,與實際風速不符。第三種是由于潮濕環境酸腐蝕,使軸承生銹轉動不靈活,風速大時有風速,風速小的時候沒有風速,可擰下風速感應器的蓋形螺母(注意反時針為緊,順時針為松),取下風杯組件,再取下橡膠墊圈,用小扳手或尖咀鉗擰下螺母,取出保護罩,在軸承上加上幾滴儀表油,慢慢轉動1周以改變現狀。
3 特別說明
由于風向風速感應器下面的軸承拆卸復雜,需要專業人員完成,否則容易增加人為故障,所以此部分不能自行拆卸維護。
