自動(dòng)氣象站風(fēng)傳感器智能防凍裝置研制與應(yīng)用

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(shí)觀測數(shù)據(jù)是自動(dòng)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(dòng)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(dòng)氣象站正常觀測業(yè)務(wù)。

近些年，湖北省內(nèi)各國家級(jí)自動(dòng)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(shí)間段內(nèi)，全省82 個(gè)國家級(jí)自動(dòng)氣象站共有54 個(gè)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(dòng)化。隨著我國自動(dòng)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(duì)自動(dòng)氣象站觀測的影響，已成為自動(dòng)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(duì)自動(dòng)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(duì)風(fēng)傳感器內(nèi)殼軸承、風(fēng)傳感器外殼2 個(gè)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(duì)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(dòng)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(hào)國家級(jí)自動(dòng)氣象觀測站和區(qū)域自動(dòng)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(duì)濕度＜80%，與文獻(xiàn)[4-5]的研究結(jié)論相一致。在此，設(shè)計(jì)出針對(duì)不同型號(hào)、不同工作條件下自動(dòng)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(dòng)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(tái)組成，其主要功能是在不影響自動(dòng)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(dòng)按照設(shè)定的條件對(duì)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(dòng)處于待命狀態(tài)，等待下一次自動(dòng)啟動(dòng)，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(hào)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(gè)電源適配器、1 個(gè)控制模塊、1 個(gè)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(shí)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(duì)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(hào)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(xiàng)寄存器，之后循環(huán)讀取溫度傳感器（型號(hào)NTC10K3950）和濕度傳感器（型號(hào)SHT71）的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。同時(shí)，對(duì)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(dòng)啟動(dòng)加熱電路工作，在加熱的同時(shí)不間斷的采集溫濕度實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，待超過預(yù)設(shè)條件時(shí)，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(shí)，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(dòng)，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(dòng)斷路器的溫濕度值，調(diào)節(jié)到需設(shè)置的數(shù)值時(shí)，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(chǔ)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(shí)刻調(diào)整設(shè)置加熱器啟動(dòng)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(gè)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(gè)加熱環(huán)由1 個(gè)溫濕度傳感器和1 個(gè)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(shí)間戶外工作。

2.3 監(jiān)控平臺(tái)

中心站服務(wù)器監(jiān)控平臺(tái)，通過每個(gè)防凍裝置中的通訊模塊（型號(hào)SIM7600CE），實(shí)現(xiàn)對(duì)所有入網(wǎng)防凍裝置的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控，并通過計(jì)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?cái)?shù)據(jù)保密性。目前已實(shí)現(xiàn)對(duì)湖北省22 個(gè)國家級(jí)自動(dòng)氣象站風(fēng)傳感器的遠(yuǎn)程監(jiān)控。監(jiān)控平臺(tái)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(xiàng)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(tái)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(duì)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(duì)每種材質(zhì)的各種性能表現(xiàn)進(jìn)行評(píng)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(píng)價(jià)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(jì)量檢定站風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室對(duì)“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(hào)15040760304，型號(hào)EL15-1C）1 個(gè)，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(shí)，對(duì)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(shí)間陰雨天氣過程，氣溫0～5 ℃，相對(duì)濕度90%以上?？蒲腥藛T對(duì)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(duì)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(shí)平均電流不超過2 A。按蓄電池輸出效率為0.7 計(jì)算[15-16]，理論使用時(shí)長應(yīng)不低于35 h。在不影響自動(dòng)站設(shè)備正常工作情況下，現(xiàn)場試驗(yàn)實(shí)際時(shí)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(dòng)加熱有關(guān)。后期將在氣溫低于0 ℃、 相對(duì)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(dòng)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(dòng)氣象站風(fēng)傳感器進(jìn)行長時(shí)間數(shù)據(jù)對(duì)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(shí)間工作性能穩(wěn)定。

在湖北省咸寧市溫泉區(qū)域（區(qū)站號(hào)Q8018）、馬橋區(qū)域氣象觀測站（區(qū)站號(hào)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(duì)該站自動(dòng)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(dòng)氣象站和無錫ZQZ-CII 型備份自動(dòng)氣象站） 自動(dòng)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(shí)—2019年2月11日15 時(shí)） 有效防止了自動(dòng)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(duì)濕度變化以及安裝有防凍裝置與未安裝防凍裝置的自動(dòng)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(duì)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(dòng)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(dòng)氣象站風(fēng)傳感器防凍的設(shè)計(jì)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(jì)的加熱環(huán)，適用于國家級(jí)自動(dòng)氣象觀測站和區(qū)域自動(dòng)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(dòng)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。