一次报表审核发现的风向数据异常故障维修

孙百安 姜水平

一次报表审核发现的风向数据异常故障维修

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（1.南平市气象局，福建 南平 353000；2.南平市建阳区气象局，福建 南平 354200）

格雷码盘式风向传感器部分编码和传输通道出现故障时，仍然有风向输出，造成风向记录混乱，且不易被发现。而利用这些异常的风向观测数据，大致倒查到风向传感器及传输通道的某些通道故障，接着用传感器替换法和测量法判断风向信号各通道短路或断路，找到具体故障点排除，是一种简便有效的故障判断排除方法。

EL15－2C 故障维修 传感器 风向

目前，DZZ5型自动站是我国新一代多功能新型自动气象站，气象部门在国家天气站、区域站中广泛使用。与其配套使用的是EL15－2C型风向传感器，它是一种7位格雷码盘式风向传感器。格雷码采用绝对编码方式，属于可靠性编码，是一种错误最小化的编码[1]，但格雷码盘式风向传感器部分编码出现故障时（包括传输通道故障），仍然有风向输出，只不过风向是失真的，观测员不易察觉，造成错误与正确记录混淆，引起记录失真而只能按缺测处理。而利用这些异常的风向观测数据倒查风向传感器及传输通道故障，是一种简便有效的故障判断方法。

1 数据异常现象

2017年6月8日，某国家基本气象站接到省级气象信息中心审核员通知，质疑该站5月份气象月报表风向记录可能失真，请台站人员分析排查。查看该站逐时风向数据均存在，并未缺测，但发现从4月24日起风向只在ESE-WSW之间变化，且实时观察发现在上述风向之外的风都记录为上述风向，记录已无使用价值。该站主站和备份站2017年5月逐时风向频率对照见表1。

表1 某站2017年5月逐时风向频率对照表（主站故障、备份站正常）

通过与备份站风向记录对比，主站风向在方位W-N-E之间均无记录，并且在方位SE-SW度之间风向出现频率较备份站正常记录明显偏多，显然在方位W-N-E之间风向出现故障且记录叠加在方位SE-SW之上。

2 故障原因分析

2.1 EL15-2C型风向传感器编码转化原理

DZZ5型自动站用的是EL15-2C型风向传感器，由主采集器给风向传感器提供5V直流电源，并通过主采集器读取风向传感器输出7位格雷码（D0~D6与GND间电压值，高电位为1，低电位为0），由于格雷码相邻的两个码组之间只有一位不同，因而在用于风向的转角位移量到数字量的转换中，当风向的转角位移量发生微小变化可能引起数字量发生变化时，格雷码仅改变一位，与别的编码同时改变两位或多位相比更为可靠，可减少出错的可能性。但格雷码不是权重码[2]，每位码没有确定的大小，不能直接比较大小和算术运算，需变成自然二进制码，经计算转换而得到风向值。

格雷码转换为二进制码，最高位二进制码与最高位格雷码一致，次高位二进制码则为次高位格雷码与高一位二进制码相异或，其它依次位次的二进制码分别是同位次的格雷码与高一位二进制码相异或。

七位格雷码为：G6G5G4G3G2G1G0

对应的七位二进制码为：B6B5B4B3B2B1B0

其中最高位：B6= G6

其余各位B-1=G-1⊕B（=6,5,4,3,2,1）

二进制码B6B5B4B3B2B1B0转化为十进制数：

十进制数= B6×64+B5×32+B4×16+B3×8+B2×4+B1×2+B0×1

则对应风向=十进制数×360/128°

通过以上方法，可以算出7位格雷码共有128种组合，所对应的各个风向见表2。

表2 风向角度与格雷码对照表

2.2 风向故障对应编码的判断

从风向统计表1中可见，主站在W-N-E方向的风向缺失，将缺失的风向对应的格雷码与表2风向角度与格雷码对照表比较，可以初步判断出格雷码盘以及传输通道的大致范围。此例故障中，第4位、第5位格雷码G4、G5异常可能性最大，其中G5都是1时，表现出风向只在90~270°范围内。

根据区域站风向核查办法[3]，核查特征点风向0°和239°时，对应的七位格雷码分别是0000000和1111111，将风向传感器的风向标转到这两个特征点位置时，测报终端机显示的风向是177度和208度，与实际风向不符，根据风向角度与格雷码对应关系，风向177度和208度对应的格雷码是0100000和1101111，显然在上述风向中格雷码G5应该为0，实际为1，而格雷码G4应该为1，实际为0。格雷码G4、G5出错了。

3 故障排查

分析了故障原因，找到故障范围后，根据先易后难、先软件后硬件的原则进行故障排查，就能找出第4、第5位格雷码G4、G5出错的故障点。因其他要素正常，故软件错误可能性不大，出现主要故障的点可能在风向传感器、传输通道、防雷板和主采集器输入口等。具体故障点可用替代法和测量法进行排查。风向信号流向图见图1。

图1 风向信号流向图

3.1 用替代法排查传感器

用备用站同型号的风向传感器与主站对换，转动风向标，业务终端机输出的风向仍然是W-N-E方向的风向缺失，故障情况依旧。可见，故障不在风向传感器而在它的前端。

3.2 用测量法排查传输通道

检测风横臂上风转接盒内1脚和2脚的电压4.9V，供电正常，各级接线端子连接坚固，无虚接现象。接着，测量输出风向格雷码可判断风向是否故障，风转接盒内从左向右第4、5、6、7、8 9、10脚分别对应采集器和风向传感器的D0、D1、D2、D3、D4D5、D6脚;防雷板上第12、13、14、15、16、17 、18脚分别对应采集器D0、D1、D2、D3、D4D5、D6脚，在采集器风向输入端、防雷板输入输出端和风转接盒端测量结果D5脚在不同风向下始终是高电平（4.5V以上）, 而D4脚始终是低电平（1V以下）。可断定连接D5脚电缆有短路，而连接D4脚电缆断路。

再将风信号电缆一端空载，在另一端用万用表蜂鸣档测量任意两根芯线之间电阻应为“∞”，但在电缆头上测出第6脚和第10脚有短路；接着，电缆一端芯线两两短接，在另一端用万用表蜂鸣档测量对应两根芯线之间应连通，在电缆头上第5脚判断断路故障。

3.3 检查风信号电缆

仔细检查了线槽内风信号电缆，未出现异常，但拉出原来塞在地下暗管内的一段电缆仔细检查时，发现电缆破损，其中红色的电源线和紫色的信号线绝缘橡胶破皮后缠绕在一起，造成D5脚始终高电位，格雷码G5一直为1；另一根橙色信号线已断，D4脚始终低电位，格雷码G4一直为0。重新连接好电缆，包上绝缘胶带后，通过业务软件查看监控界面实时数据，与备用站实时观测数据比较，确定风向实时记录恢复正常。

4 结论

该站从4月24日出现风向故障，至6月8日被省级资料审核员发现异常后排查修复，造成长时间实时风向资料失真。为了及时发现类似故障，测报员在巡视时要对比主站和备用站实时风向记录，包括监视运行的主备站资料对比小程序；定期生成A文件，在编制的月报表中查看风的统计栏，看是否出现风向缺失或异常偏多；每月仪器定期维护时，检查风向标方向与终端显示的风向是否一致。用以上方法尽早发现风向故障。

当出现风向异常时，利用异常的风向观测数据，分析所缺风向对应的七位格雷码，确定哪些位格雷码异常，大致倒查到风向传感器及传输通道的某些通道故障，进一步测量各接点的高低电位，将测得的七位格雷码与对应风向比较，确定故障格雷码位。接着用传感器替换法和测量法判断风向信号各通道短路或断路，找到具体故障点排除，是一种简便有效的故障判断排除方法。

[1] 郑亮,张天华,张虎,等.自动气象站风向测量系统现场校准方法改进的探讨[J].气象科技,2014,42(4):593-596.

[2] 陈明霞,陈燕萍,杨清玲,等. 风向风速传感器原理及故障排除[J]. 青海气象, 2005(S1) 22-24.

[3] 中国气象局综合观测司. 区域自动气象站现场核查方法(试行)[Z]. 2014.

P415.1+1

A

1673-8683(2020)01-0027-03