邢台双套自动站湿度传感器故障分析

冯志强，施海瑞，贾益超

邢台市气象局，河北邢台 054000

湿度与人的生活紧密相关，也是重要的气象观测要素。随着气象业务现代化的深入，新型自动气象站等智能设备不断投入业务使用。双套自动站为保证常规七要素的现用新型动站数据缺失后，使用备份站数据进行替代。备份站数据是否正常也很重要。湿度传感器是新型自动气象站不可缺少的一部分，邢台地区主要使用的湿度传感器型号是DHC2型和DHC1型。有人使用3MS计量检定系统对各100支DHC2型和DHC1型2种气象用温湿度传感器的湿度性能进行对比试验，试验表明，相较 于DHC2型，DHC1型 正反行程中正负误差所占比重变化相对平缓，但高湿时正误差率大，更容易出现高湿不退的情况；2种传感器湿度的平均误差曲线趋势基本一致，DHC1型平均误差-1.23% RH～0.72% RH，DHC2型平均误差-2.56% RH～0.55% RH[1]。湿度传感器测量部分经过长期使用，空气中的灰尘堆积、化学物质腐蚀、电器老化等因素，造成传感器测量值在某些环境下会产生漂移，从而导致相关气象要素测量值失真或者缺测[2-4]。邢台市气象探测中心通过气象台站观测要素实时数据质量监控服务系统发现主备站对比邢台隆尧气象局主备站DHC2型和DHC1型湿度传感器数据差值超过20% RH，远远超出传感器平均误差最大允许误差范围。

1 湿度传感器的工作原理及结构

湿度传感器的测湿元件是采用电容式薄膜聚合物感应元件，湿敏电容具有感湿特性的电介质，其介电常数随相对湿度变化而变化，从而完成对湿度的测量。湿敏电容主要有湿敏电容和转换电路2个部分，由上层电极、湿敏材料、下层电极、玻璃基片几部分组成。湿敏电容传感器上电极是一层多孔膜，能透过水汽，下电极为一对电极，引线由下电极引出，基板是玻璃。湿敏材料是一种高分子聚合物，它的介电常数随着环境相对湿度的变化而变化。

当环境湿度发生变化时，湿敏元件电容量随之发生改变，即当相对湿度增大时，湿敏电容量随之增大，反之减小。传感器的转换电路把湿敏电容变化量转换成电压量变化，对应于湿度0~100% RH 的变化，传感器的输出呈0~1 V的线性变化，电压与湿度呈线性正比关系，其计算公式如下：

RH（相对湿度）=U（传感器输出电压）×100%

DHC1型湿度传感器测量采用ROTRONIC AG公司最新生产的电容式湿度探头，三线制输出。传感器由湿度探头、温度探头、壳体、连接电缆4个部分构成，具有集成度高、微功耗、智能化、高可靠、易维护等特点（图1）。

图1 DHC1型湿度传感器外形结构示意图

DHC2型湿度传感器采用芬兰维萨拉公司的HUMICAP180R高精度湿敏电容，传感器由防护过滤罩、保护盖及M12型的8针插座组成。防护过滤罩采用聚四费乙烯材料制成，其具有保护湿敏电容、薄膜免受污染并提供良好透气性（图2）。DHC2型湿度传感器具有可靠性能高、准确度好、适应性强、维护方便等特点。

图2 DHC2型湿度传感器外形结构示意图

DHC1型与DHC2型湿度传感器技术参数比较，测量范围、分辨力、最大允许误差、时间常数、输出信号、工作温度范围全部相同，仅在电器性能功耗上有所不同，DHC1型为100 mW、DHC2型为36 mW。DHC2型湿度传感器比 DHC1型湿度传感器功耗更低，可以节省能源。

2 故障现象

邢台市隆尧气象局现在使用双套气象自动站运行，分别为江苏无线电研究所有限公司DZZ4上传站的DHC2型湿度传感器与CAWS600-B备份站中环天仪气象仪器有限公司DHC1湿度传感器。当DZZ4上传站湿度出现数据问题，需要使用CAWS600-B备份站湿度数据进行代替。通过监控软件发现DZZ4上传站与CAWS600备份站湿度数据相差很大。观察2022年2月8日湿度对比数据表发现，当高湿情况下DHC1湿度数据晚上到达饱和后，下降比较缓慢，与主站DHC2湿度数据对比差值在20% RH以上。当低湿情况下主站数据DHC2与备份站数据DHC1对比差值变小，趋于正常误差。低湿情况下很难发现的湿度故障十分隐蔽。

表1 隆象局2022年2月8日湿度数据对比表 % RH

3 故障分析

当湿度传感器出现常规故障时，第一要检查业务软件与采集器相关参数设置是否正确。如业务软件参数设置是否正确、采集器的温湿分采是否启用以及输入SENST U查看主采集器是否启用湿度传感器。

第二，外观检查。查看主备站湿度传感器外观没有变形，过滤网是否有灰尘堆积。

第三，线缆情况检查。检查线缆插头是否牢固，有无松动脱落，依次排查从湿度传感器到主采集器的线路是否破损。

第四，供电与传感器检查。湿度传感器主要由湿敏电容和转换电路两部分组成。湿敏电容的电容量经外围电路转换后输出电压信号。电压与湿度成线性正比关系。用万用表20 V DC档测量CAWS600备份站6、7脚之间的电压为12 V DC左右，这是湿敏电容正常工作时的工作电压范围。测量FL-1防雷板5和7脚之间的电压，湿度输出为0.65 V，对应于相对湿度 65%。用万用表20 V DC 档测量气温多传感器标准控制器至主采集器的供电电压，应在12 V左右。使用2 V DC档在DZZ4主站气温多传感器标准控制器测量湿度输出为0.8 V，对应于相对湿度80%。传感器输出信号的电压与湿度显示一致，说明采集器与线路都工作正常，这时应该怀疑两个湿度传感器中有一个出现错误。通过软硬件检查，软件设置正确传感器运行正常，2个湿度传感器高湿偏差大，无法判断哪个湿度传感器出现偏差。

第五，通过实验室鉴别法分析湿度传感器故障。

3.1 试验设备

本次试验采用中国华云升达公司生产的GRZ5301湿度检定箱、多通道湿度传感器数据采集装置、佐格精密露点仪DM2000等试验装置组成。GRZ5301湿度检定箱湿度场均匀度0.8% RH（@20℃），箱内湿度场波动控制在±0.3% RH/30 min。此试验装置设置相应湿度点，自动采集记录标准器与被测量的湿度传感器的数据。被测的湿度包括DHC2型湿度传感器、DHC1型湿度传感器以及DHC1备件湿度传感器共3个湿度传感器。

3.2 试验方法

本次试验方法参照JJG（气象）003—2001自动气象站湿度传感器检定规定中相关规定。湿度检定箱采用智能高精度的PID温控技术，控制温度在20℃下选取湿度点，湿度点分别选取30% RH、40% RH、55% RH、75%RH、95% RH共5个，湿度采用蒸汽加湿法和制冷除湿技术，能快速湿度控制先升湿后降湿，每个试验点结束后自动进行下一点进行检测。先从湿度点30%RH到高湿95% RH进行测量，叫湿度的正程检测，反之为反程检测。

3.3 试验计算方法

标准器3次测量平均值为标准值，被检定湿度3次测量平均值作为测量值。被检测量值减去标准值，得出检定点的测量误差。计算方法如下：

式中：Δhi—= 被hi检−h湿s度传感器在各检定点上的测量误差（% RΔHh）i=；—− 被hs检湿度传感器在各检定点上3次输出值的平均值（%）；—精密露点仪在各检定点上3次测量值的平均值（% RH）。

3.4 试验数据分析

对更换下主备站湿度传感器与一个备件DHC1湿度传感器进行编号并试验。试验数据见表2，湿度传感器分为正、反行程，共检测三个湿度传感器，分别标为备份站（DHC1）、主站（DHC2）、备件（DHC1）。

根 据JJG（气 象）003—2001自 动气象站湿度传感器检定规定中要求误差允许“当湿度≤80% RH时，最大允许误差为±4% RH；当湿度＞80%RH时，最大允许误差为±8% RH”。由表2数据分析可知，备份站湿度传感器在到正程75% RH时与标准器出现9.7的误差，在反行程时55% RH、75% RH 2个试验点分别出现6.9、24.4的误差，备份站（DHC1）湿度传感器的误差值24.4远远超过了最大允许误差。备份站湿度传感器在30% RH、40% RH 2个试验点的正反程误差都在正常误差范围内，表明备份站湿度传感器低湿环境时工作正常。备份站（DHC1）湿度传感器反程时，相对湿度一直达到饱和状态，下降十分延迟。主站（DHC2）在到正反程95% RH时出现误差相对于30% RH、40% RH、55% RH、75% RH检测点偏大，但在最大允许误差范围内，其他检测点误差值都正常。备件（DHC1）湿度传感器是未使用的新传感器，与标准器正反程误差值都在最大允许误差范围内，检测数据表现良好。

表2 主备站湿度传感器的试验数据 % RH

4 结论

邢台市使用的双套自动站以主站数据为准，备份站数据为补。主站数据缺测后可用备份站数据代替，所以要保证两套自动站数据差值在合理的范围内。本文通过对一次双套自动站DHC2型和DHC1型2种湿度传感器数据相差太大的维修，详细讲解湿度传感器的维修过程，最后通过实验室鉴别，发现备份站（DHC1）湿度传感器75% RH反程超差故障。随着湿度传感器使用时间增加，空气中一些粉尘和化学物质会腐蚀湿敏电容和堵塞过滤网，所以值班员要经常观察在低湿高湿情况下双套自动站湿度数据差值变化，湿度数据差值一定要在合理的范围内。还需要定时进行自动站湿度传感器维护，DHC1型湿度传感器每次巡视仪器都要从外观上看过滤网是否堵塞和破损，取下保护套使用软毛刷擦拭干净。DHC2型湿度传感器清洁传感器探头，需要使用沾有适度去污剂的柔软无绒布擦拭，根据不同传感器型号特点，错开整点数据采集时间进行相应的维护。