大连机场HMP45D湿度传感器故障的分析和验证

    金敏

    

    

    

    摘要：2013年8月，位于大连机场10号跑道的HMP45D温湿度传感器连续多次出现系统告警，且相对湿度（RH）及露点温度（DP）测值丢失的情况。文章主要就是对这次传感器故障的故障分析做一个回顾，同时归纳总结该传感器在使用维护中的方法和注意事项，为今后的工作提供有益借鉴。

    关键词：湿度传感器；故障；分析；验证

    1 引言

    HMP45D是芬兰VAISALA公司生产的一款温湿度测量传感器，在民航及地方气象部门中广泛应用。目前，民航大连空管站气象部门业务化运行的自动气象站以及自动气象观测系统中的温湿度测量均采用该型传感器，该传感器具有高精确度、工作稳定、反应迅速等优点，但由于测量部分长期和空气中的灰尘和化学物质接触、温度影响及其他电气参数随时间的变化等因素，传感器测量值在某些环境下必然会产生漂移，从而导致相关气象要素测量值失准甚至缺测。

    2 故障分析和验证

    2.1 故障现象

    民航大连空管站现运行有芬兰VAISALA公司生产的MIDASIV型自动气象观测系统作主用设备，一套单独的MAWS301型自动气象站作备用设备。它们的温湿度测量传感器HMP45D分别位于大连机场10号跑道、28号跑道和MID中间跑道。

    2013年8月5日23：39（协调世界时UTC，下同），本站自动气象观测系统出现10号跑道RH、DP数据丢失，界面显示为“////”的现象，同时，系统状态监控界面的10号跑道RH项出现红色告警信息，系统其他各气象要素测值均无异常。同样的故障现象在8月6日15：27，8月6日18：50，8，q6日21：08，8月25日21：34也多次出现，并且每次都是毫无例外地在持续一段时间后自动恢复正常，系统相关的告警信息也同时消失。

    2.2 故障分析

    针对“系统为什么会出现数据丢失”的问题，根据测量数据的生成、采集、传输和处理过程，笔者对故障原因提出了以下几种猜测。

    一是相关气象数据生成、采集、和传输过程均正常，数据丢失发生在MIDAS IV系统对接收数据的处理阶段。对于这种猜测，故障发生当天的值班人员通过进入系统后台查询系统入口数据发现，故障发生时MIDAS IV系统接收到的KH原始数据便是“////”，这也与状态监控界面的10号跑道RH项出现红色告警信息相互印证：如果数据丢失在系统处理阶段，状态监控界面不会出现告警信息。

    二是相关气象数据生成和采集过程均正常，数据丢失发生在通信线路的传输过程中。众所周知，通信线路的稳定可靠对于数据的准确传输起着至关重要的作用。我们知道RH是由温湿度传感器HMP45D测量获得，它和T、本站气压（PAins）、风速（WS）、风向（WD）、地温（TG）均属于自动气象观测系统中MAWS301型自动气象站测量值的组成部分，所有以上数据均共用同一对通讯线缆进行传输。在RH、DP数据丢失期间，T、PAins、WS、WD和TG数据均正常，而且在系统服务器前端通过网络/串口调试助手截取的数据也表明整个数据段中无干扰。因此，我们可以排除是通讯线路不稳定导致数据传输丢值的可能性。

    三是相关气象数据生成正常，数据丢失发生在采集阶段。对于这种猜测，由于我们没能及时地在故障发生过程中进入场内对采集器湿度传感器输出电压信号进行测量，因此无法排除这种可能性。

    四是相关气象数据在生成阶段便已经出现问题，极有可能湿度传感器本身出现了故障或失准。这种故障或者失准可能是短时的，间歇性的或者某种不持续的外部条件所导致的。通过查询历史数据我们发现每次故障的发生和消失都伴随着降水过程如表1所示。因此我们有理由怀疑是传感器及其测量电路受到雨水侵袭而导致数据丢失。但我们进场排查发现HMP45D温湿传感器除外壳表面附着较厚的灰尘泥土外，内部器件及电路清洁干燥，并无雨水侵袭迹象。然而，我们仍无法排除其他原因导致的传感器故障或失准。准或者它们两者的共同作用。为更进一步定位故障点和弄清“为什么出现数据丢失的是10号跑道的RH和DP，而不是其他”，我们又对故障发生前后处于运行中的三处RH历史数据进行了细致的研究。我们选取RH历史数据的原则是：数据尽可能靠近故障发生点且RH尽可能覆盖各种湿度范围，得到结果如图1所示。

    结合表1和图l可以发现以下几点。

    （1）每次故障发生都有相同或相近的天气背景一降水，更直接的表现方式就是空气的RH值增大，接近或达到100%。

    （2）每次故障发生前，三处的RH值都是迅速上升，达到空气湿度饱和的100%后持续一段时间便出现数据丢失；数据恢复时也是首先出现RH值达到空气湿度饱和的100%，持续一段时间后再次丢失或者逐渐下降。图1中10号RH曲线的断点便是数据丢失的时间段。

    （3）在空气湿度为低湿或者中湿（RH<80%）时段，10号跑道的RH值与其他两处的RH差值较小；在高湿（RH>80%）时段，10号跑道的RH值持续高于其他两处且差值较大，最大的差值甚至达到22%，远远超出观测员在三处的RH经验差值：0-3%。

    2.3 故障定位

    通过上面三点结论，我们不难判断：10号跑道湿度传感器在高湿（RH>80%）时段的测值已经严重失准，而这是不是导致RH测量值丢失的原因呢？带着这个问题，笔者研究了HMP45D湿度传感器的工作原理和误差产生原因。

    HMP45D对于RH的测量是基于薄膜聚合体的电容HUMICAP180及其测量电路完成的。随着外界水汽含量的变化，电容电解质成分会随之改变，从而改变HUMICAP180的电容值，不可避免的是，仪器测量就必然会产生误差。对于HMP45D湿度传感器来说，检定校准和传感器表面附着物是RH恻量误差产生的主要因素有以下几点。

    （1）检定校准作为仪器测量的基础，重要性不言而喻，如果检定校准都是不准确的仪器其测量值必然是不准确的。

    （2）传感器表面附着物具有吸水性，长期使用传感器表面附着物过多后，必然会造成传感器的测量值比实际值偏高。

    结合传感器RH测量的工作原理和故障分析，我们可以对故障原因做出定位：10号跑道湿度传感器在高湿（RH>80%）时段的测值严重失准且高于实际值是导致此次自动气象观测系统RH测量值丢失的直接原因。

    2.4 故障验证

    对于故障原因的定位是否准确，笔者做了一个简单的验证性试验，测试结果如表2所示。

    通过表2的验证测试结果，我们可以得到以下结论。

    （1）湿度传感器防护盖上的附着物会使其测量值增大，但增大效果并不明显。

    （2）10号跑道湿度传感器在低湿环境中误差在允许范围之内，但在高湿环境中误差极大，且输出电压值已经超过0～1V的门限范围，将导致系统出现数据丢失和RH红色告警。

    发生故障的10号跑道湿度传感器最近一次检定校准是2012年11月，笔者对其刚完成检定校准之后的历史数据进行了分析，得到结果如图2所示。

    从图2可以发现，刚完成检定校准之后，三处RH测量值整体吻合度较高，但是在高湿（RH>80%）时段，10号跑道RH测量值明显高于其他两处，最大差值达到11%。这说明在10号跑道传感器的检定校准过程中存在问题，校准结果与实际RH有