风向风速传感器故障的分析与研究

风向风速传感器故障的分析与研究

路尊伟

民航安徽空管分局230000

摘要：新桥机场跑道三端上均架设了AWOS系统设备，且均配有自动站MAWS301，其中包含了风传感器。本文分析了一次新桥机场跑道上风传感器故障，对掌握风传感器的原理、性能、故障诊断和维护尤为重要。

关键词：AWOS系统；风向风速传感器；温控开关；

一、引言

安徽空管分局AWOS系统担负着机场区域气象探测的重要工作，不仅为气象预报提供精准服务，为气象观测提供实时数据；还向机场现场指挥中心、进近、塔台等部门提供气象服务信息。2023年1月14日夜间，新桥机场R15端风向风速数据出现异常，通过对各条线路的判断和排查分析，最终确定该为温控开关故障，对以后该类型的风向风速传感器的故障排查具有借鉴意义。AWOS系统风传感器由主要由风向传感器、风速传感器、WAC155组成。

二、AWOS系统简介

AWOS系统全名为自动气象观测系统，是由机场跑道范围内的一套传感器系统和几台数据处理服务器的系统，它通过测量、收集、分发、传输气象数据，将各传感器收集的气象数据传输至中央数据单元（CDU）中进行分析处理，为机场相关部门提供即时的气象数据，从而为航空器起降的安全服务。

三、MAWS301和风向风速传感器工作原理

自动站MAWS301，主要探测气象六要素，即风速、风向、温度、湿度、气压、雨量等要素的传感器设备组成，可以根据实际情况自行选择传感器。本次故障的风速传感器WAA151和风速传感器WAV151数据为六位格雷码数字信号，经过串口测风变送器WAC155处理为RS-485总线，并发往MAWS301进行集中处理后发往中央数据单元（CDU）中，获得AVIMET上所能见到的风向风速数据。

风向传感器WAV151是低起动风速的光电风向传感器。风向的信号发生装置是由风标转轴连接一个由风标带动的6位格雷码光码盘组成，码盘由六个等分的同心圆组成，由内到外分别作2、22、23、24、25、26等分，相邻每份作透光与不透光处理，通过位于码盘两侧同一半径上的6对光电耦合器件输出相应的6位格雷码，码盘的上面安装有一组(6个)红外发光二极管，下面有一组光电转换器(6个)，都正对码盘的6个轨道。随风向标的转动，码盘下面的光电管接收到电码发生变化，每一个格雷码代表一个风向，分辨率为5.6~1.4度。传感器有格雷码、电压、电流三种输出方式。传感器内部的加热元件使整个轴承在寒冷的天气下仍能保持不冻结。它一般能提供10W的加热功率。

风速传感器WAA151是响应快、启动风速低的光电子风速计。该风速传感器是采用传统的三杯式的，感应部分由三个锥形风杯组成，能在整个工作范围内提供良好的线性，直到风速达到75m/s。随着在中心不锈钢轴上的截光盘随轴旋转，每转动一圈，切割红外光束14次，从而由光电晶体中产生出一个脉冲链。输出的脉冲速率与风速成正比(例如，246Hz=24.6m/s)。在轴中有一个加热元件，提供10W的额定功率，以保证轴承在寒冷天气状况下不冻结。

WAC155是串口测风变送器，将维萨拉151和252系列风传感器输出的的数字信号转换为RS-485总线。传感器的电源由WAC155变送器来提供。变送器的输入电源为9-15.5伏直流。WAC155变送器还为传感器提供一定功率的可供选择的温控开关。在温度低于+4℃时，单元可自动开启加热电源。

四、排查过程及故障原因分析

2023年1月14日夜间，新桥机场R15端风向风速数据出现异常，风向风速数据保持不变且风速为0，对比跑道其他两端的情况，当前数据不符合当时的天气。当时天气为小雨，温度为0℃以下。初步推测为因温度过低且伴随小雨，导致风向风速传感器结冰冻住，风向风速传感器无法移动导致数据无法变化。放下风杆去除积冰后，转动传感器，与值班人员对比数据发现数据恢复。目前可以确定的是风速风向传感器在数据传输是没有问题的，如果当前跑道的风速过低，确实存在双传感器均被冻住的可能性，而在当前跑道的风速不低的情况下，风速传感器反而很难被冻住。而当时的天气情况属于后者，且风速风向传感器均带有加热元件，在低于4℃的时候就会启动，所以是推测是给风速风向传感器的加热元件的线路出现了问题。

给风向风速传感器供电的是WAC155，线路如图1，其中HT1，HT2，均为加热供电的线路。经测量发现供电正常，而剩下的就是加热电路和传感器之间的温控开关。更换温控开关后恢复正常，若无温控开关备件，在紧急情况下可以将温控开关两端的线短接也可以达到持续的加热效果，待天气恢复正常后再更换温控开关。

图一

五、问题影响及如何保障

温控开关这种不怎么明显的故障，只有在特殊天气情况下才会发现。正是在复杂天气下才更需要保障气象设备的安全稳定运行，才能为航空器起降的安全服务。虽然风向风速数据存在可替代性，可以用同一跑道的其他位置传感器的数据代替，但是温控开关这种不怎么明显的故障也存在同时发生的可能性。而风速风向传感器因为在风杆上，在维护、更换、排故时本就需要一段的时间和一定的人数，一般情况难以开展日常维护，但是应注意其是否正常工作，比如一定风速下是否转动是否摆动。平时注意AWOS系统Avimet界面的数据是否显示或者有无异常变化。尤其是雨雪天气和低温天气下，更需要注意风向风速传感器的数据是否正常，出现异常根据实际情况判断分析。设备到达一定的运行年限后，做到防患于未然，尽可能的更换一些线路和备件，尤其是裸露在风杆上的通讯线路，特殊情况发生。

六、小结

在气象中，风向风速传感器可能只是一个很简单的设备，其数据也存在可替代性，但是并不代表其故障是肉眼可见的，除了温控开关以外存在着很多除了传感器故障以外难以发现的问题，气象设备技术人员经过详细的排查，深入学习了风向风速传感器的链路，了解其数据的传输。要想达到了“学以致用”的目的，不仅要了解传感器的构造和原理，获取其数据的设备及链路也都要深入挖掘，并做好定期的检查和维护工作，减少故障发生的几率，才能真正满足保障气象设备安全稳定运行的实际需要。

参考文献：

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