Анемометр выдает ложные показания. Поиск и устранение неисправности

Приветствую! Сегодня у нас проблема с анемометром, который показывает скорость и направление ветра на мосту. Показания зависли в одном направлении (противоположном направлению ветра). При этом скорость ветра отображается правильно.

Что такое анемометр?

Анемометр (или анемоскоп) представляет из себя флюгер, который состоит из генератора, синхронного мотора, подшипников, передаточных механизмов, кольца и щеточного аппарата. Все это можно объединить в одно название - трансмиттер.

Один пользователь LinkedIn сделал замечание, что лучше просто называть синхронный мотор - «Synchro», поскольку это не электродвигатель, хотя в мануале он прямо указан как «синхронный мотор». Я согласен, но в статье я использую название «синхронный мотор», поэтому оставлю всё как есть. Имейте в виду следующее замечание:

Неправильное описание функции. Правильное название — Synchro, synchro TX или transmitter. Двигатель приводит в движение или развивает механическую работу. Его даже можно назвать генератором, но не двигателем. Например, в электрических силовых установках могут быть (или не быть) синхронные двигатели, которые требуют роторной обмотки и системы возбуждения, точно так же, как и генератор переменного тока. На самом деле, часто эти двигатели работают с рекуперативным торможением, как генераторы переменного тока (или имеют дроссель для рассеивания энергии).
Таким образом, технически можно указать устройство как синхронный мотор, но на самом деле это не двигатель, а скорее генератор (Tx). Короче говоря: называйте его «Synchro» и всё.

Блок-схема работы анемометра

При изменении направления ветра флюгер соответственно меняет свое положение на определенный угол и при этом меняется положение вала синхронного мотора.

Принцип работы синхронного двигателя в анемометре
В анемометре (обычно чашечном или винтовом типе) синхронный двигатель используется как часть механизма преобразования скорости вращения в частоту, что позволяет переводить скорость ветра в электрический сигнал.
Как это работает:
1. Вращение от ветра:
Ветер вращает винт или чашки анемометра.
Это приводит в движение вращающийся вал, скорость которого пропорциональна скорости ветра.
2. Синхронный двигатель как генератор:
На валу установлен небольшой синхронный двигатель с постоянными магнитами.
При вращении ротора (магнита) в статоре индуцируется переменное напряжение.
Частота этого сигнала прямо пропорциональна скорости вращения, а значит — и скорости ветра.
3. Выходной сигнал:
Полученный переменный ток поступает в электронику, которая по частоте сигнала рассчитывает скорость ветра.
Почему используется синхронный двигатель:
Точная зависимость “скорость – частота”: в отличие от асинхронного двигателя, синхронный всегда вращается с постоянной скоростью.
Устойчивость к помехам: частотные сигналы легче измерять и обрабатывать.
Простота и надежность: долговечен, требует минимум обслуживания.
Синхронный двигатель в анемометре используется как миниатюрный генератор переменного тока, а его частота отражает скорость ветра.

Как измеряется направление ветра в анемометре Heriana AT-200

Принцип работы измерения направления ветра

Измерение направления ветра в анемометре AT-200 основано на вращении хвостовой части (флюгера), которая ориентирует винт анемометра по направлению воздушного потока. Это вращение передаётся на датчик положения — чаще всего реализованный с помощью одного из следующих методов:

1. Синхронный трансформатор / двигатель (synchro transmitter)

Способ реализации, особенно с питанием 110 В AC.
Флюгер соединён с ротором синхронного трансформатора.
При повороте ветра ротор вращается, а на трёх выходных обмотках статора возникает напряжение, зависящее от угла.
Эти три сигнала поступают на индикатор, где обрабатываются и преобразуются в показание угла (в градусах).
Такой тип устройства обеспечивает высокую точность и стабильность, особенно при морской эксплуатации.

2. Потенциометрический датчик (в некоторых моделях)

Иногда направление определяется с помощью прецизионного кругового потенциометра.
Вал, соединённый с флюгером, вращает бегунок потенциометра.
Сигнал снимается как аналоговое напряжение, пропорциональное углу поворота (например, 0–5 В соответствует 0–360°).
Это более простой, но менее надёжный метод для морской среды (подвержен коррозии и механическому износу).

3. Кодовые диски или оптические датчики (редко, в более современных цифровых моделях)

Используют оптический диск с прорезями или магнитный энкодер, обеспечивающий цифровой сигнал с высоким разрешением.
В AT-200 такой подход в маловероятен, так как устройство работает по аналоговым принципам и выдаёт синусоидальный сигнал.

Передача сигнала:

В случае с синхронным датчиком:
Сигнал передаётся в виде трёхфазного переменного напряжения, где соотношение амплитуд указывает на угол.
Этот сигнал поступает на судовой анемометрический индикатор (обычно в рулевой рубке), где он преобразуется в градусы.
При наличии системы автоматизации данные могут быть преобразованы в цифровой протокол NMEA 0183 для дальнейшей передачи.

В анемометре Heriana AT-200 измерение направления ветра осуществляется через синхронный трансформатор (двигатель), который преобразует угол поворота флюгера в аналоговый трехфазный сигнал, обрабатываемый на индикаторе.

Ресивер (transformer box)

В результате чего получает и обрабатывает напряжение ресивер (на схеме - transformer box) и значение направления ветра отображается на панели индикатора.

Панель индикатора

Сила ветра измеряется с помощью пропеллера и генератора. Напряжение генератора преобразуется и считывается вольтметром, который в свою очередь показывает скорость ветра в метрах / сек (или узлах) на панели индикатора.

Общая схема работы анемометра

Панель индикатора. Анемометр завис на 173˚ левого борта, хотя должен показывать около 30˚ правого борта

Из опыта морской практики можно сразу обращаться к трансмиттеру сигнала, т.к. именно он подвержен действиям агрессивной морской среды, а также силе ветра. Чаще всего проблему можно обнаружить в нем. Поэтому прежде всего откроем распределительную коробку флюгера и посмотрим, что происходит с синхронным мотором и щетками.

Синхронный мотор и щеточный аппарат анемометра

Синхронный мотор и щеточный аппарат анемометра

В результате внутренней проверки анемометра обнаружилась проблема с полумуфтой на валу синхронного мотора, отдался зажимной болт (под шестигранный ключ). При вращении вала флюгера вал мотора стоял на месте, поэтому показания анемометра зависли в одном положении.

Видео работы полумуфты

Видео работы полумуфты анемометра (youtube)

Щетки представляют собой группу тонких волосков, которые на старых анемометрах могут терять свою жесткость и переплетаться между собой, что также приводит к неправильным показаниям.

Полумуфта была обжата, а щеточный аппарат почищен от графитовой пыли. Показания начали меняться, но все равно они были неверны (противоположны на 180˚).

В таких системах должна быть предусмотрена калибровка нуля. В данном случае её можно обнаружить на плате ресивера.

ZERO SET (калибровка нуля) на плате ресивера

Предварительно необходимо зафиксировать флюгер в нулевой позиции, чтобы он не вращался. Пропеллер тоже нужно зафиксировать (на фото не показано). Можно с помощью помощника или веревки.

Зафиксировали трансмиттер в нулевом положении (привязали за хвост к елочке)

Переключили свитч ZERO SET вправо и установили ноль на индикаторе.

Ноль на индикаторе

После этого свитч вернули в нормальное положение и отвязали флюгер. В результате показания выровнялись и работа анемометра восстановилась.

Если нет возможности выставить ноль и анемометр точно перекрутился на 180˚, то временно можно перекинуть фазы местами на ресивере.

Переключение фаз местами

Это временное аварийное решение. В последствии всё равно нужно будет подключить фазы правильно и делать калибровку нуля.

Какие ещё могут быть проблемы с анемометром?

Самые распространённые проблемы, которые могут быть с анемометрами, это заклинивание подшипников, а также выгорание внутренних компонентов (генератора и синхронного мотора), в результате попадания воды внутрь трансмиттера.

Также предлагаю ознакомиться с инструкцией от мэйкера по поиску и устранению неисправностей анемометра.

Troubleshooting анемометра

Модель анемометра (анемоскопа): Wind transmitter (propeller type) AT-200. Heriana

Видео нормальной работы анемометра на судне

Анемометр AT-200 (Heriana) — как он работает
Анемометр модели AT-200 от Heriana — это винтовой анемометр морского назначения, измеряющий скорость и направление ветра, используемый в судовых навигационных системах.
Принцип действия:
1. Вращающийся винт:
Ветер вращает винт устройства, и скорость этого вращения пропорциональна скорости ветра.
2. Синхронный двигатель (датчик):
Вал винта соединён с синхронным двигателем или аналогичным устройством, которое при вращении генерирует переменный ток.
Частота этого сигнала соответствует скорости вращения винта → напрямую зависит от скорости ветра.
3. Передача сигнала:
Электрический сигнал поступает на дисплей или интегрируется в судовую систему, где рассчитывается точная скорость и направление ветра.
Обслуживание и калибровка:
Чтобы анемометр AT-200 работал точно и стабильно, рекомендуется:
Очистка: удалять загрязнения и отложения соли с винта и корпуса.
Смазка: периодически смазывать подшипники или движущиеся части.
Калибровка: сверять показания с эталонными приборами после сильных штормов или при подозрении на неточность.
AT-200 работает на основе механического привода и синхронного генератора, создавая электрический сигнал, частота которого напрямую указывает на скорость ветра.
Принцип работы и схема подключения AT-200
Согласно руководству пользователя, анемометр AT-200 состоит из двух независимых систем:
1. Измерение направления ветра:
Осуществляется с помощью синхронного двигателя (synchro motor), который преобразует угол поворота флюгера в электрический сигнал.
Этот сигнал передаётся на индикатор, где отображается направление ветра.
2. Измерение скорости ветра:
Винт анемометра приводит в движение генератор, создающий переменное напряжение.
Полученное напряжение выпрямляется и отображается на вольтметре, откалиброванном для отображения мгновенной скорости ветра.
Обе системы работают независимо друг от друга.
Электропитание и выходные сигналы
Питание:
Измеритель направления ветра: переменное напряжение 110 В, 50/60 Гц.
Индикаторы: постоянное напряжение 24 В.
Выходные сигналы:
Скорость и направление ветра: цифровые сигналы по протоколам NMEA0183 или RS422.