首都机场测风系统故障诊断

崔屹

摘 要：在首都国际机场，测风系统是最重要的观测设备之一，文章简要介绍了首都机场测风系统的工作原理，全面分析了引起测风系统故障的原因，并针对不同的故障给出解决方法.

关键词：风传感器；测风系统；故障诊断

中图分类号：TH165+.4 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）18-0062-02

1 概 述

对于天空中的飞行器来说，风数据是最重要的气象数据之一。因此测风系统成为现代的民用航空机场必备的标准气象观测设备。对于气象机务人员来说，当测风系统出现故障时能够及时准确地判断出故障原因并快速维修好则能最大限度的减小气象设备风险。本文首先介绍了首都机场的测风系统工作原理，然后列出风系统故障判断的流程图并进行详细说明。最后介绍针对常见故障采取的措施。

2 首都机场测风系统工作原理

2.1 首都机场风数据处理流程

首都机场使用vaisala公司的WS425型风传感器，采集器型号为MILOS520。风数据的处理流程为传感器采集到原始数据后发送给采集器，采集器再将原始数据发送给系统主机，主机软件对风的原始数据进行加工，加工后将处理好的数据发送给用户。

2.2 超声波风传感器的测量原理

风传感器是测风系统中最重要的组成部分，首都机场使用的是超声波风传感器。与过去的机械式传感器相比较，该类型传感器具有体积小、无机械部件、寿命长、精度高等特点。超声波是指频率大于20 kHz的声波，很早人们就发现声波在空气中的传播速度受空气流动（即风）的影响，为此提出了利用测量声波在已知距离的两点之间传播时间的变化来逆向推导两点间风速的方法。发射探头发射一组超声波脉冲到达接收探头，从向发射施加激励脉冲起到接收到第一个脉冲止的超声传播时问，可以由下式计算：

其中，v0为静风下的声速，v为风速，L为传播距离，当方向和超声波传播方向一致时为正，反之为负。但是 会受到环境影响，其变化会引入较大的风速测量误差。因此后来又提出采用双向测量的方法，同时测量两个相对方向上传播时间的变化来抵消静声速变化的影响： T2=L/（v0■v）两个时间相减，得到风速测量公式：

显然，式中已经抵消了Vo，相当于做了差分测量，消除了Vo影响，这种方法通常称为“脉冲声时法”。

超声波风传感器的水平面上具有一个包含三个等间距的超声波探头的探头阵列。风传感器测量探头阵列之间的三条路径的传送时间（双向），如图1所示。然后可以计算出三条超声波路径中每一条路径的V.使用两条探头路径的V值便足以计算风速和风向。

2.3 风速和风向平均值计算

超声波风传感器可通过标量或向量平均值计算为风速和风向提供平均值。对于这两种方法，平均值是根据使用者可配置的平均时间来确定的。平均时间还会影响串行通信和模拟输出。使用者也可以配置阵风平均时间以计算风极值。根据世界气象组织 （WMO） 的建议，默认的阵风平均时间间隔为3 s。 如果选择了标量平均值计算，则使用者还可以启用风向移动以确保在风速较低的情况下获得一致的风向测量结果。

2.3.1 标量平均值计算

如果选择了标量平均值计算，超声波风传感器将会通过以下方式计算风速和风向平均值：从平均时间将每个风测量值加起来，然后将总和除以测量次数。每个连续的风速和风向测量之间的时间为0.25 s。风向是一个北向不连续的三角函数，在北向360 °等于零度。例如：

359 °+ 5 °= +4 °

0 °-5 ° = 355 °

超声波风传感器可将风向转换为线性函数以确定风向平均值。例如：359 °+ 5 ° 转换为364 °，然后进一步转换为+4 ° 进行输出。0 °- 5 °转换为355 °。 这样可确保风向平均值始终体现实际情况，即使在零方向的两侧单独进行采样也是如此。

如果数据采集系统在初始平均时间结束之前请求数据，传感器将会返回最新完成的测量数据。

准确的风向测量要求风速足够高。如果您启用风向移动，则当风速低于选定的风向移动阈值时，超声波风传感器将不会计算风向。最后计算的风向输出将保持不变，直到风速增加足以达到阈值并且超声波风传感器恢复正常操作为止。

2.3.2 向量平均值计算

如果选择了向量平均值计算，超声波风传感器将会通过以下方式计算风速和风向平均值：从平均时间将每个x速度和y 速度测量值加起来，然后将总和除以测量次数。超声波风传感器可将生成的x平均速度和y平均速度转换为极坐标方向和大小，从而返回以度为单位的风向平均值和选定单位的风速平均值。

如果数据采集系统在初始平均时间结束之前请求数据，传感器将会返回最新完成的测量数据。

3 风系统的故障诊断

可能多种原因导致测风系统的故障，具体诊断流程图，如图2所示。

当风系统数据出现不正常时，首先判断是否是异物所影响。最常见的情况是落鸟。设备正常工作时，在室内用远程通讯软件与采集器直接建立通讯联系，应有原始的字符串传过来，系统正常时软件接收到的字符样式如下：$PAMWV，341，R，008.1，M，A*3E.其中341为风向，008.1为风速，A*3E为效验码。当落鸟时通常仍然可以接收到字符串，但字符串中的各项数据往往不正确。例如$PAMWV，，R，，M，V*38该字符串中没有风向和风速值，校验码为V*38，表示数据不正常。还有一种情况为风速出现与实际情况不符的极大值，出现一段时间后消失，此故障通常情况下也是由落鸟所引起的。

主机中的软件故障也可以导致测风系统的失效。当系统显示界面中所有的风数据均出现丢失，通常是由主机软件故障所引起的。在主机的系统诊断软件中查看各个数据“对象”的值，若风数据的原始值正常，但计算得到的平均值丢失则是计算程序出现故障。此时重启风的计算服务，则系统可以恢复正常。

若只有某一个地点的风数据丢失，则通常是由采集器或传感器的故障导致的。首先使用远程通讯软件连接采集器，若该采集器上其他的传感器数据例如温湿数据等均丢失，则应为采集器故障。若只有风数据丢失，则应为传感器故障或传感器与采集器之间的通讯故障。WS425型风传感器是一种智能传感器，它的风的测量数据通过串口直接发送给采集器，机务人员可以使用维修计算机直接与传感器的串口建立连接，接收传感器发送的数据。若接收到，则传感器工作正常。若没有则是传感器与采集器之间的通讯故障导致。

4 针对系统故障采取的措施

针对首都机场的风系统的常见故障，机务人员采取了相应的措施。对于落鸟现象，机务人员自制了防鸟器。即在传感器的表面安装倒刺，使飞鸟无法落在上面。该防鸟器制作简单，成本低廉，但效果十分明显。另外WS425的替代品为WMT700，该传感器可以倒装，这也是解决落鸟问题的一种方法。

主机中关于风的计算程序故障是由于主机程序设计缺陷造成的。当操作人员对两个风数据源互相手工备份时将有可能导致该程序异常。软件升级是解决这一问题的最终办法。在没有升级前，加强人员管理，禁止互相手工备份风数据可以预防这种故障出现。

当WS425风传感器出现故障时，需要及时地进行更换。目前厂家已经停止了WS425的生产，替代品为新型的传感器WMT700。这两种传感器在硬件结构和软件设置方面有了较大的变化。因此替换前要对WMT700进行相应的配置，保证各项参数与老传感器保持一致。还需要从厂家另外购买两个接口转换头才可以成功替换WS425。

参考文献：

[1] 孟蕊.首都机场安检系统优化设计研究[J].中国安防，2014，（20）.