基于PI膜的風(fēng)傳感器自動(dòng)加熱系統(tǒng)研究

畢于健 尹祥坤 吳迪 丁善文 劉恒德

摘 要：自動(dòng)氣象站在低溫條件下易出現(xiàn)風(fēng)傳感器凍結(jié)，本文介紹一種基于PI膜的新風(fēng)速傳感器自動(dòng)加熱技術(shù)，可以有效解決風(fēng)速傳感器低溫下凍結(jié)的問題；并增加溫控模塊和電子顯示元件，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)。另外，為驗(yàn)證新的風(fēng)速傳感器加熱裝置是否影響傳感器正常運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)過長時(shí)間對比觀測實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)風(fēng)向、風(fēng)速數(shù)據(jù)都具有較好一致性，該加熱裝置穩(wěn)定可靠且不影響風(fēng)速風(fēng)向傳感器正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

關(guān)鍵詞：風(fēng)速傳感器；防凍；對比分析

中圖分類號：P415.12 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20180632218

1 設(shè)計(jì)思路

該加熱系統(tǒng)由加熱器與溫控盒2部分組成。加熱器安裝在風(fēng)向和風(fēng)速傳感器軸承外部，內(nèi)附溫度感應(yīng)設(shè)備，并通過電源線與溫控盒連接。溫控盒由變壓器和溫控模塊組成，配備電子顯示元件。本設(shè)計(jì)可自由調(diào)整溫度閾值，當(dāng)環(huán)境溫度低于溫度閾值時(shí)，加熱器自動(dòng)啟動(dòng)；當(dāng)環(huán)境溫度高于溫度閾值時(shí)，加熱器自動(dòng)關(guān)閉。既保證低溫時(shí)風(fēng)向風(fēng)速傳感器可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，又減輕臺站工作人員工作強(qiáng)度。同時(shí)電子顯示元件可顯示加熱溫度、電壓、電流等，更好地監(jiān)測加熱系統(tǒng)是否正常，為排除故障提供直接數(shù)據(jù)支持。

2 技術(shù)原理及結(jié)構(gòu)組成

2.1 加熱器結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)加熱器采用一種新型加熱片，該加熱芯片是一種通電即發(fā)熱薄片，芯子采用蝕刻成一定形狀鎳鉻箔，具有很高的可靠性。加熱片選用聚酰亞胺（PI膜）電熱片。

2.2 PI膜加熱元件

PI膜加熱片是用厚度0.02～0.1mm的鎳鉻箔蝕刻成一定形狀，兩面包上導(dǎo)熱絕緣材料，經(jīng)高溫模壓成形及老化熱處理而成，特點(diǎn)是：發(fā)熱迅速、導(dǎo)電即熱，其平均導(dǎo)熱系數(shù)>1W/m·k。由于熱容量小，加熱迅速，可達(dá)到快速“去凍”要求；優(yōu)異耐熱性。聚酰亞胺（PI膜）分解溫度一般超過500℃，是目前已知的有機(jī)聚合物中熱穩(wěn)定性最高的品種之一；優(yōu)異機(jī)械性能。聚酰亞胺（PI膜）彈性模量可達(dá)500MPa，僅次于碳纖維；良好化學(xué)穩(wěn)定性及耐濕熱性。聚酰亞胺（PI膜）材料一般不溶于有機(jī)溶劑，耐腐蝕、耐水解；良好介電性能。介電常數(shù)<3.5，電絕緣強(qiáng)度高；體積小，在使用中加熱片幾乎不占空間；使用方便，本身絕緣，無明火，保溫、隔熱工藝大為簡化；壽命長，正常使用條件下可以永久連續(xù)使用；可制成任何尺寸，靠溫度控制器協(xié)助具有精確的溫度控制功能。

2.3 溫控設(shè)備

溫控設(shè)備是一種可調(diào)溫度電子溫度開關(guān)，通過電源線與溫度感應(yīng)設(shè)備相連，當(dāng)風(fēng)速風(fēng)向傳感器周圍環(huán)境溫度低于設(shè)定溫度閾值時(shí)，加熱裝置啟動(dòng)；反之，則關(guān)閉加熱裝置進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

3 對比觀測

選取新型加熱裝備傳感器與原傳感器對比觀測，驗(yàn)證新型加熱設(shè)備工作時(shí)是否會(huì)對風(fēng)向風(fēng)速傳感器產(chǎn)生明顯影響。2個(gè)傳感器位于泰安市寧陽縣基本觀測站12m風(fēng)塔上，水平距離約1m。其中未安裝加熱裝置風(fēng)速風(fēng)向傳感器為國家基本大氣監(jiān)測站（下文稱大監(jiān)站），加裝自動(dòng)加熱裝置風(fēng)向風(fēng)度傳感器為備份站（下同）。選取觀測時(shí)段2017年3—4月2min、10min平均風(fēng)速風(fēng)向及1min內(nèi)極大風(fēng)速風(fēng)向6個(gè)要素對比分析。

3.1 風(fēng)速

大監(jiān)站與備份站在2min、10min及分鐘內(nèi)極大風(fēng)速等風(fēng)速要素都具有基本一致分布，平均差值分別為0.032m/s、0.033m/s和0.045m/s，2個(gè)傳感器差值大部分集中在0 m/s附近，說明兩者差異性極小，且隨時(shí)間平均尺度增大，2個(gè)儀器差異縮小。使用U檢驗(yàn)法檢驗(yàn)這2個(gè)傳感器2min、10min平均風(fēng)速及極大風(fēng)速三者平均值是否具有顯著差異性、一致性。

提出原假設(shè)H0，E（X）-E（Y）=0為檢驗(yàn)兩總體均值相等統(tǒng)計(jì)假設(shè)，用統(tǒng)計(jì)語言表述為“兩組對比觀測數(shù)據(jù)均值沒有顯著差異”。

計(jì)算統(tǒng)計(jì)量U數(shù)值。使用公式：

利用公式（1）分別計(jì)算2min風(fēng)速、10min風(fēng)速及極大風(fēng)速3要素，檢驗(yàn)結(jié)果分別為0.6646、1.93和0.4548，均通過顯著性系數(shù)為0.05顯著性檢驗(yàn)，兩者均值相等，數(shù)據(jù)一致性良好。

3.2 風(fēng)向

大監(jiān)站2min平均風(fēng)向出現(xiàn)最多是東南偏東風(fēng)（ESE），頻率為13.66%，其次為偏東風(fēng)（E），頻率12.78%，西南風(fēng)（SW）出現(xiàn)最少，僅3.14%；而備份站2min出現(xiàn)最多的是偏東風(fēng)（E），頻率13.87%，然后為東南偏東風(fēng)（ESE），頻率13.42%，西南風(fēng)（SW）最少，頻率3.18%。10min平均風(fēng)向大監(jiān)站出現(xiàn)頻率最高是13.63%的偏東風(fēng)（E），最少是西南風(fēng)（SW）（2.97%）；而備份站出現(xiàn)頻率最高是14.68%偏東風(fēng)（E），西南風(fēng)（SW）最少（3.09%）。極大風(fēng)速出現(xiàn)概率與前兩者基本相同，相差不大。2個(gè)傳感器風(fēng)向頻率與2min平均、10min平均及分鐘極大風(fēng)向頻率一致，若排除陣風(fēng)及儀器本身誤差影響，則該新型加熱裝置對數(shù)據(jù)本身不會(huì)產(chǎn)生影響。

作者簡介：畢于健（1981-），男，山東省濟(jì)南市平陰縣人，本科，助理工程師，研究方向：大氣探測。