鄔 昀

（湖北省氣象信息與技術(shù)保障中心，武漢430074）

風(fēng)要素實(shí)時觀測數(shù)據(jù)是自動氣象站觀測中最重要的氣象要素之一。氣象部門現(xiàn)用機(jī)械式風(fēng)向風(fēng)速傳感器具有穩(wěn)定性好、成本低、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，但未采取預(yù)防雨、霧凇凍害的措施，在冬季低溫雨雪天氣條件下容易結(jié)冰導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)缺失，而人為防凍除冰難度極大，即使人工攀登風(fēng)塔除冰安全隱患也大，且效率低下。在我國全面實(shí)施氣象探測設(shè)備自動化的初期，各省均出現(xiàn)因?yàn)閮鼋Y(jié)造成風(fēng)要素記錄缺測，嚴(yán)重影響自動氣象站正常觀測業(yè)務(wù)。

近些年，湖北省內(nèi)各國家級自動氣象站風(fēng)傳感器在冬季頻繁出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量。2016年11月至2017年3月、2017年11月至2018年3月時間段內(nèi)，全省82 個國家級自動氣象站共有54 個出現(xiàn)了風(fēng)傳感器凍結(jié)現(xiàn)象，凍結(jié)次數(shù)達(dá)到109 次。其中咸寧金沙站凍結(jié)次數(shù)最多，達(dá)到12 次。2020年4月1日起，我國全面實(shí)現(xiàn)地面氣象觀測自動化。隨著我國自動氣象站布點(diǎn)數(shù)量的不斷增多，風(fēng)傳感器冬季凍結(jié)導(dǎo)致觀測數(shù)據(jù)缺失現(xiàn)象愈發(fā)凸顯，解決風(fēng)傳感器凍結(jié)對自動氣象站觀測的影響，已成為自動氣象觀測亟待解決的問題。

1 風(fēng)傳感器防凍裝置的相關(guān)研究

針對自動氣象站風(fēng)傳感器在冬季低溫高濕環(huán)境下容易發(fā)生凍結(jié)這一問題，出于實(shí)際業(yè)務(wù)工作需要，文獻(xiàn)[1-3]在我國北方部分省份開展過風(fēng)傳感器防凍裝置的研究，給出了針對風(fēng)傳感器內(nèi)殼軸承、風(fēng)傳感器外殼2 個不同加熱部位的不同加熱方案；文獻(xiàn)[4-5]認(rèn)為風(fēng)傳感器凍結(jié)是溫度、濕度、風(fēng)速等氣象條件綜合因素的結(jié)果，并提出凍結(jié)的基本條件及特征：氣溫為-5～0 ℃，平均風(fēng)速≤5 m/s，空氣相對濕度＞80%的凍雨或重霧雪天氣。

已有研究表明[6-8]，電加熱是防止風(fēng)傳感器凍結(jié)的最有效方法之一。國內(nèi)相關(guān)研究均未完全考慮自動氣象觀測站野外工作環(huán)境、免維護(hù)和全智能化工作條件。通過調(diào)研湖北省在用各種型號國家級自動氣象觀測站和區(qū)域自動氣象觀測站工作環(huán)境、電源供給、安裝維護(hù)等方面，確定風(fēng)向風(fēng)速傳感器能夠正常工作的氣象條件為溫度＞0 ℃、 空氣相對濕度＜80%，與文獻(xiàn)[4-5]的研究結(jié)論相一致。在此，設(shè)計出針對不同型號、不同工作條件下自動氣象站風(fēng)傳感器的智能防凍裝置，可在無需人為干預(yù)情況下防止風(fēng)傳感器凍結(jié)。

2 風(fēng)傳感器智能防凍裝置組成

自動氣象站風(fēng)傳感器智能防凍裝置的結(jié)構(gòu)連接如圖1 所示。該裝置主要由智能控制單元、加熱單元和監(jiān)控平臺組成，其主要功能是在不影響自動氣象站風(fēng)傳感器正常工作的前提下，能在低溫、高濕條件下自動按照設(shè)定的條件對風(fēng)傳感器核心工作部位進(jìn)行快速安全加熱，待加熱完畢后系統(tǒng)設(shè)備自動處于待命狀態(tài)，等待下一次自動啟動，達(dá)到防止其結(jié)冰的效果，可實(shí)現(xiàn)智能遠(yuǎn)程控制，適用于不同地域、不同環(huán)境條件、不同型號風(fēng)傳感器設(shè)備。該裝置安裝后無需人為干預(yù)，結(jié)構(gòu)設(shè)置便于安裝維護(hù)。

圖1 智能防凍裝置結(jié)構(gòu)連接Fig.1 Structure connection of intelligent anti-freezing device

智能控制單元與加熱單元之間由1 根線纜（包括2 組電源線、2 根數(shù)據(jù)線）連接。智能控制單元由1 個電源適配器、1 個控制模塊、1 個通訊模塊和若干接口組成，有220 V 交流和12.8 V 直流2 種電源接入方式，電源適配器電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

控制模塊帶液晶顯示屏，可實(shí)時顯示被加熱風(fēng)傳感器外殼的溫度值和濕度值。通過控制模塊面板上的按鈕可設(shè)置溫度和濕度的控制閾值，實(shí)現(xiàn)對加熱環(huán)的電源控制，從而控制加熱環(huán)的“加熱”和“等待”狀態(tài)，其連接電路如圖3 所示。

圖2 電源適配器電路Fig.2 Power adapter circuit

圖3 加熱環(huán)受控電路Fig.3 Controlled circuit of heating ring

2.1 控制單元

智能控制單元主要由單片機(jī)（控制芯片型號為STM32L51CB）進(jìn)行智能控制，其電路結(jié)構(gòu)如圖4 所示。單片機(jī)程序由參數(shù)設(shè)定、溫濕度數(shù)據(jù)采集、人機(jī)接口顯示、設(shè)置控制、加熱控制等部分組成，其接口細(xì)節(jié)如圖5 所示。單片機(jī)上電后，進(jìn)行初始化設(shè)置各項寄存器，之后循環(huán)讀取溫度傳感器（型號NTC10K3950）和濕度傳感器（型號SHT71）的實(shí)時數(shù)據(jù)。同時，對比設(shè)置的溫濕度閾值，一旦達(dá)到設(shè)定的閾值，單片機(jī)發(fā)出控制指令，自動啟動加熱電路工作，在加熱的同時不間斷的采集溫濕度實(shí)時數(shù)據(jù)，待超過預(yù)設(shè)條件時，單片機(jī)發(fā)出指令，斷開加熱電路，關(guān)閉加熱狀態(tài)。在程序運(yùn)行的同時，單片機(jī)不斷地讀取設(shè)置鍵信息，一旦讀取到設(shè)置鍵被按動，立即進(jìn)入設(shè)置狀態(tài)，設(shè)置者可以根據(jù)顯示的數(shù)據(jù)上調(diào)或下調(diào)啟動斷路器的溫濕度值，調(diào)節(jié)到需設(shè)置的數(shù)值時，按下確認(rèn)鍵即可。該數(shù)值將被寫入單片機(jī)的內(nèi)部存儲器，單片機(jī)將按照新設(shè)置的數(shù)值控制加熱電路。通過改人機(jī)接口界面實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，可以在任意時刻調(diào)整設(shè)置加熱器啟動條件。

圖4 單片機(jī)控制電路Fig.4 Single chip microcomputer control circuit

圖5 STM32L51CB 芯片細(xì)節(jié)Fig.5 STM32L51CB chip details

2.2 加熱單元

加熱單元由2 個結(jié)構(gòu)相同的加熱環(huán)組成，分別為風(fēng)向傳感器和風(fēng)速傳感器進(jìn)行加熱。文獻(xiàn)[9]提出，溫濕度傳感器與被測材質(zhì)間應(yīng)做技術(shù)隔離，實(shí)際測量材質(zhì)表面空氣的溫濕度數(shù)據(jù)。每個加熱環(huán)由1 個溫濕度傳感器和1 個加熱帶組成，傳感器和加熱帶融為一體，傳感器與加熱材料云母片之間技術(shù)分離，互不影響，如圖6 所示。

圖6 加熱環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Heating ring structure sketch diagram

加熱環(huán)采用“卡扣”方式固定在風(fēng)向和風(fēng)速傳感器外圍，方便戶外安裝維護(hù)。加熱單元具有保溫、防水、防曬、防靜電等特性，適合長時間戶外工作。

2.3 監(jiān)控平臺

中心站服務(wù)器監(jiān)控平臺，通過每個防凍裝置中的通訊模塊（型號SIM7600CE），實(shí)現(xiàn)對所有入網(wǎng)防凍裝置的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控，并通過計算機(jī)物理地址進(jìn)行操作者認(rèn)證授權(quán)，確保操作安全性和監(jiān)控數(shù)據(jù)保密性。目前已實(shí)現(xiàn)對湖北省22 個國家級自動氣象站風(fēng)傳感器的遠(yuǎn)程監(jiān)控。監(jiān)控平臺主界面如圖7 所示。

3 系統(tǒng)研發(fā)及測試

已有研究表明，戶外設(shè)備研發(fā)需要大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)做技術(shù)支撐[10-14]。自2017年開始，研發(fā)人員先后在導(dǎo)熱材質(zhì)選取、裝置穩(wěn)定性、抗干擾性等方面做了大量試驗(yàn)，并獲得2 項國家實(shí)用新型專利，分別在荊門、荊州兩處國家氣象觀測站進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。

圖7 監(jiān)控平臺主界面Fig.7 Main interface of monitoring platform

3.1 導(dǎo)熱材質(zhì)

在研發(fā)初期，對陶瓷、云母、鑄鋁、硅膠4 種常見導(dǎo)熱材質(zhì)從穩(wěn)定性、熱傳導(dǎo)性、抗熱衰減性、抗干擾性方面進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，對每種材質(zhì)的各種性能表現(xiàn)進(jìn)行評定，結(jié)果見表1。經(jīng)過綜合分析，選用云母作為該智能防凍裝置的熱傳導(dǎo)材料。

表1 四種導(dǎo)熱材質(zhì)的性能評價Tab.1 Performance evaluation for four kinds of heat conducting materials

3.2 風(fēng)洞試驗(yàn)

2018年12月17日，在湖北省氣象計量檢定站風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室對“風(fēng)傳感器智能防凍裝置”進(jìn)行了室內(nèi)測試。具體如下：

1）選取風(fēng)速傳感器（編號15040760304，型號EL15-1C）1 個，按照現(xiàn)行風(fēng)速檢定規(guī)程進(jìn)行風(fēng)洞檢定試驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)；

2）將智能防凍裝置安裝到該風(fēng)速傳感器上，設(shè)置參數(shù)使其持續(xù)加熱至45 ℃，保持溫度不變后，進(jìn)行檢定試驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)；

3）將智能防凍裝置自然冷卻至32 ℃，保持溫度不變后，不改變參數(shù)值，進(jìn)行檢定試驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)。

具體的試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場實(shí)際情況，得出：該智能防凍裝置正常工作時，對風(fēng)速傳感器數(shù)據(jù)沒有影響；實(shí)際風(fēng)速超過5 m/s 后，加熱環(huán)溫度下降明顯，但最終能保持穩(wěn)定。

3.3 功耗試驗(yàn)

在湖北省咸寧市馬橋區(qū)域氣象觀測站進(jìn)行智能防凍裝置性能測試期間，正值當(dāng)?shù)亻L時間陰雨天氣過程，氣溫0～5 ℃，相對濕度90%以上。科研人員對該智能防凍裝置系統(tǒng)功耗、區(qū)域站蓄電池（12 V，100 A·h）持續(xù)供電等情況也進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)。

表2 智能防凍裝置工作狀態(tài)下風(fēng)速傳感器檢定記錄（m/s）Tab.2 Verification record of wind speed sensor under working state of intelligent anti-freezing device（m/s）

經(jīng)過前期對加熱環(huán)結(jié)構(gòu)、電路配置等方面的不斷優(yōu)化，該防凍裝置工作時平均電流不超過2 A。按蓄電池輸出效率為0.7 計算[15-16]，理論使用時長應(yīng)不低于35 h。在不影響自動站設(shè)備正常工作情況下，現(xiàn)場試驗(yàn)實(shí)際時長已超過72 h，可能與現(xiàn)場環(huán)境無需防凍裝置頻繁啟動加熱有關(guān)。后期將在氣溫低于0 ℃、 相對濕度高于90%條件下繼續(xù)進(jìn)行功耗試驗(yàn)，為進(jìn)一步優(yōu)化提供依據(jù)。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)及應(yīng)用

4.1 現(xiàn)場試驗(yàn)

該智能防凍裝置先后安裝于荊門、荊州國家氣象觀測站業(yè)務(wù)使用的華云DZZ5 型，以及無錫ZQZCII 型自動氣象站風(fēng)傳感器，進(jìn)行試驗(yàn)，并與同站相同工作環(huán)境下的另一套自動氣象站風(fēng)傳感器進(jìn)行長時間數(shù)據(jù)對比。該智能防凍裝置在現(xiàn)場試驗(yàn)中均采用220 V 交流市電輸入，長時間工作性能穩(wěn)定。

在湖北省咸寧市溫泉區(qū)域（區(qū)站號Q8018）、馬橋區(qū)域氣象觀測站（區(qū)站號Q8019）進(jìn)行了智能防凍裝置性能測試。在太陽能電池板提供的12.8 V 直流電壓條件下，系統(tǒng)工作正常，無需人工干預(yù)。設(shè)備安裝方便快捷，后期免維護(hù)。

4.2 應(yīng)用實(shí)例

該智能防凍裝置已在荊門國家氣象觀測站正常運(yùn)行1 a 多，對該站自動氣象站運(yùn)行沒有影響。

經(jīng)過優(yōu)化的智能防凍裝置在荊州國家氣象觀測站（該站安裝有華云DZZ5 型在用自動氣象站和無錫ZQZ-CII 型備份自動氣象站） 自動氣象站上工作正常。2019年低溫雨雪過程期間（2019年2月7日21 時—2019年2月11日15 時） 有效防止了自動氣象站風(fēng)傳感器凍結(jié)，保證了數(shù)據(jù)連續(xù)性，其間溫度、相對濕度變化以及安裝有防凍裝置與未安裝防凍裝置的自動氣象站風(fēng)速、風(fēng)向變化趨勢如圖8所示。

圖8 應(yīng)用實(shí)例中安裝與未安裝智能防凍裝置的對比Fig.8 Comparison of installed and not installed intelligent anti freezing device in application example

5 結(jié)語

在分析了湖北省歷年冬季自動氣象站風(fēng)傳感器觀測數(shù)據(jù)缺失情況的基礎(chǔ)上，提出了適用于南方高濕、低溫條件下自動氣象站風(fēng)傳感器防凍的設(shè)計方案，解決了人工除冰安全性差、效率低等問題。該裝置采用電加熱原理，實(shí)現(xiàn)了“220 V 交流、12.8 V直流”雙電源輸入，選取了云母為導(dǎo)熱材質(zhì)，采用“卡扣”設(shè)計的加熱環(huán)，適用于國家級自動氣象觀測站和區(qū)域自動氣象觀測站，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便。在實(shí)際應(yīng)用中，該裝置能有效防止自動氣象站風(fēng)傳感器凍結(jié)，便于安裝維護(hù)，無需人為后期干預(yù)，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。