一種簡易恒溫加熱防凍結(jié)裝置在三穗國家基準氣候站的實踐應用

楊再禹，楊 平，謝佳豪

(貴州省三穗縣氣象局，貴州 三穗 556500)

0 引言

三穗國家基準氣候站地處貴州省東部，屬低海拔地區(qū)，承擔著溫度、氣壓、相對濕度、風向、風速、能見度、日照、天氣現(xiàn)象、雨量、云、蒸發(fā)、結(jié)冰、覆冰監(jiān)測任務；自建站以來，每年1月、2月、12月(以下簡稱冬季)或多或少都會出現(xiàn)凝凍天氣，氣溫較低、有雨雪天氣時，風向、風速傳感器、雨量筒等氣象設備易被凍結(jié)，待到自然解凍時，已經(jīng)丟失了大量數(shù)據(jù)，嚴重影響三穗國家基準氣候站的設備穩(wěn)定運行率、數(shù)據(jù)傳輸及時率和數(shù)據(jù)可用性，造成歷史數(shù)據(jù)不連續(xù)，無法修復彌補。長期以來，三穗氣象工作者周而復始前往10 m高的風塔頂人工除冰，如遇到凝凍強勁的天氣，即使白天攀爬上冰滑的風塔完成除冰，可夜間又被凍住了，且該方法對人身安全帶來隱患，又容易對風傳感器機械部位造成物理損壞。

近年來，氣象工作者對風向風速傳感器冬季防凍做了大量研究。張雅昕等[1]運用25 W/24 V電加熱器通過廠家嵌入風向、風速傳感器自動保溫進行了研究；柯莉萍等[2]利用加熱絲進行加熱的方法對風向風速傳感器防凍設計在西南地區(qū)高海拔地區(qū)的應用進行實驗研究；無錫新氣象科技有限公司采用陶瓷PTC發(fā)熱片進行外置加熱防凍[3]；2019年以來，三穗縣氣象局從業(yè)人員利用加熱條、加熱線、加熱片反復進行加熱試驗，其中采用加熱片的方法簡單、經(jīng)濟實惠、耐用。本文利用三穗縣國家基氣候站2008—2020年冬季逐日、逐時、逐分鐘地面氣象監(jiān)測資料，詳細分析冬季冰凍期間風向風速相關(guān)氣象信息，判定風向風速凍住的氣象要素閾值，采用USB碳纖維發(fā)熱片，運用智能化科學控熱方式，保障了風向、風速監(jiān)測資料連續(xù)可靠，確保冬季氣象資料準確及時、精密可靠，對冬季低海拔地區(qū)風向、風速數(shù)據(jù)正常采集具有重要的應用價值。

1 資料與方法

1.1 資料

三穗國家基氣候站2008—2020年1月、2月、12月月報表、分鐘報表等逐日、逐時、逐分鐘地面氣象觀測資料。

1.2 方法

1.2.1 統(tǒng)計分析 統(tǒng)計2008—2020年1月、2月、12月月報表(見表1)，發(fā)現(xiàn)14 a中有2 a(2009年和2017年)風向、風速傳感器沒有被凍結(jié)外，其余12 a都有被凍結(jié)的月份，被凍結(jié)率達85%以上。14 a來，一年中風向、風速傳感器3個月都被凍結(jié)的為0，2個月的有3 a，占比為21%，1個月的有9 a,占比達64%。風向、風速傳感器凍結(jié)時間最長為128 h，出現(xiàn)在2018年1月，其次為2011年1月，凍結(jié)時間111 h，第3是2015年的1月底，持續(xù)100 h。統(tǒng)計還發(fā)現(xiàn)風向、風速傳感器在1月凍結(jié)時間最長，2月時次最多，1月和12月凍結(jié)時次都是4次，但12月風向、風速傳感器凍結(jié)時間均在30 h以內(nèi)。

表1 2008—2020年風向風速傳感器凍結(jié)情況統(tǒng)計表Tab.1 Wind direction and wind speed freezing statistics in 2008—2020

續(xù)表1

1月份月極端最低氣溫為-0.3～-5.9 ℃，2月份月極端最低氣溫為0.7～-5.3 ℃，12月份月極端最低氣溫為-0.8～-5.3 ℃。由此，2月份極端最低氣溫有可能在0 ℃以上，從風向、風速傳感器被凍結(jié)狀態(tài)來看，不僅僅與氣溫有關(guān)，同時與天氣狀況有密切關(guān)系。即使氣溫達到-5.0 ℃以下，若沒有凍雨產(chǎn)生，將不會凍結(jié)風要素傳感器，如有降水，氣溫達-1.8 ℃時也會產(chǎn)生凍結(jié)。因此，采用加熱裝置時，整個冬季都不能拆除，需保持應急狀態(tài)。

1.2.2 閾值分析 統(tǒng)計2008—2020年1月、2月、12月分鐘數(shù)據(jù)報表(見表2)。

表2 2008—2020年風向風速傳感器凍結(jié)與解凍時部分氣象要素變化情況表Tab.2 The change of some meteorological elements when wind direction and wind speed are frozen and thawedin 2008—2020

續(xù)表2

從表2可知，風向風速凍結(jié)時前1 min氣溫在0.3～-2.4 ℃之間、風速在0.1～2.5 m·s-1、相對濕度86%～97%，風向風速自然解凍時氣溫在0.5～-1.3 ℃之間、風速在0.1～2.6 m·s-1、相對濕度63%～95%。查詢月報表發(fā)現(xiàn)，所有被凍結(jié)的時段都是前期有持續(xù)凍雨或雨雪天氣發(fā)生。因此，采用加熱法防止風向風速凍結(jié)，至少設置0.3 ℃時啟動加熱裝置，上限根據(jù)本地歷史凝凍程度靈活設置。

2 加熱法試驗情況

2.1 風向風速傳感器凍結(jié)監(jiān)測分析

2019年以來，通過對三穗國家基準氣候站主站以及備用站的ZQZ-TF風向、風速傳感器凍結(jié)狀況觀察，發(fā)現(xiàn)其凍結(jié)方向均在偏北方位，于正北方120°范圍內(nèi)形成覆冰。隨著冰雪、凍雨時間延長，致使風速、風向機械傳感器轉(zhuǎn)動部位及上下邊緣覆冰層層疊加，累積成較大范圍的冰塊，阻礙風速傳感器隨風旋轉(zhuǎn)速度和風向擺動，當風速達到2.5 m·s-1(見表2)以下時，就能將風速、風向傳感器牢牢凍住，此時風速為“0”，風向長時間停滯在一個方向不能隨風擺動，造成風速、風向數(shù)據(jù)失真，不能正確反映一段時間的實況。監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，當溫度保持在0.5 ℃以上時，借助風向、風速傳感器的轉(zhuǎn)速，是不容易被凍結(jié)的，只有在溫度一降再降或一直維持數(shù)分鐘0.3 ℃以下(見表2)，才會發(fā)生凍結(jié)。

2.2 試驗情況分析

2019年1月以來，采用220V加熱帶進行試驗，又用USB鼠標暖手墊中的加熱線試驗，后改用12V碳纖維發(fā)熱片進行加熱試驗，在2019年2月后的4次凍結(jié)過程中能保證風速、風向傳感器正常運行，數(shù)據(jù)監(jiān)測傳輸正常。

2019年2月17日風速缺測，2月17日19時26分啟動加熱裝置，19時27分風速傳感器開始轉(zhuǎn)動，此時風速達到0.2 m·s-1，因凍結(jié)時間不長，冰層不厚，加熱用時不長。

2020年12月14日08時40分開啟加熱裝置加熱主站風速傳感器，08時46分有數(shù)據(jù)傳輸，據(jù)監(jiān)測，一共加熱了4 min 42 s后風速轉(zhuǎn)動正常；因備份站一直加熱，無數(shù)據(jù)缺測，而主站因凍結(jié)共造成缺測2 h 38 min，加熱裝備啟動后沒有發(fā)生凍結(jié)現(xiàn)象。

2021年1月7日和17日為雨雪天氣，1月6日和16日分別設置好智能加熱溫控儀，啟動加熱裝置，2021年1月、2月沒有出現(xiàn)風向風速傳感器凍結(jié)現(xiàn)象，由此可見，采用此方法是有效的。

在測試過程中，采用OPPO電源適配器，型號CF1001，輸入電壓100-240～50/60 Hz 0.2 A，輸出為5V=1000 mA；三星充電器，型號EP—TA10CBC,輸入電壓100-240～50/60 Hz 0.35 A，輸出為5.3 V=2.0 A；NOKIA充電器，型號AC—8C,輸入電壓100-240～50/60 Hz 150 mA，輸出為5.3 V=600 mA；3種充電器加熱時(碳纖維發(fā)熱片電線長1.2 m)，2 min后均加熱到35 ℃及以上，最后在55 ℃左右就沒有再升溫。如將碳纖維發(fā)熱片卷曲放入30 mL注射器中進行加熱，10 min后可以將其軟化，再繼續(xù)加熱，可將30 mL注射器融變形。由此可以判斷，碳纖維發(fā)熱片在敞開的環(huán)境中加熱，溫度是有上限的。測試用其卷曲包裹在風向、風速傳感器的轉(zhuǎn)動軸下方，連續(xù)加熱1周無異常(室內(nèi))?？梢?，將其覆蓋包裹在室外的ZQZ-TF風向、風速傳感器上加熱，因直接接觸空氣，冬天溫度低，容易散熱，開啟一周的時間是不會發(fā)生異常的。

2.3 加熱裝置分析

碳纖維發(fā)熱片為DIY暖腳寶、鼠標墊、暖手套、電熱膜等方面運用，功率10 W，發(fā)熱均勻，發(fā)熱量低。

本文防凍裝置采用碳纖維發(fā)熱片4片(1.2 m長透明塑料膜8 cm×10 cm)，集線器1根(4口USB2.0)，溫控儀1臺(XH—W1412牌LCD微電腦數(shù)字顯示),手機充電器1臺(5V單USB口)，電源線1根(15 m)，風向、風速傳感器加裝加熱片系統(tǒng)如圖1a，發(fā)熱片安裝效果如圖1b，其成本價在人民幣200元以內(nèi)。

圖1 加裝加熱器系統(tǒng)框架圖(a)，外置碳纖維發(fā)熱片安裝效果圖(b)Fig.1 Add heater system(a)，external heating plate installation(b)

利用可調(diào)控溫XH—W1412微電腦LCD數(shù)字溫控儀(以下簡稱溫控儀)，對風向風速傳感器周圍的環(huán)境溫度進行實時監(jiān)測，當溫度傳感器(NTC10k熱敏電阻)感應到周圍環(huán)境溫度低于設定的臨界溫度時，控溫儀繼電輸出，啟動加熱片進行加熱。當溫度上升到高于設定的臨界溫度時，加熱自動斷開，從而達到風向風速傳感器防凍的目的。根據(jù)閾值分析結(jié)果，本試驗控制加熱到2.0 ℃停止，低于0.5 ℃時再加熱，即設定啟動值為0.5 ℃停止為2.0 ℃。

3 結(jié)論

①三穗國家基準氣候站冬季風向、風速傳感器凍結(jié)率達85%以上，凍結(jié)時間最長為128 h；風向、風速傳感器凍結(jié)前1 min氣溫在0.3～-2.4 ℃之間、風速0.1～2.5 m·s-1、相對濕度86%～97%；風向、風速傳感器自然解凍時氣溫在0.5～-1.3 ℃之間、風速0.1～2.6 m·s-1、相對濕度63%～95%。

②三穗國家基準氣候站溫控儀閾值設定啟動值為0.5 ℃、停止為2.0 ℃適宜；當氣溫保持在0.5 ℃以上時，借助風向、風速傳感器的機械轉(zhuǎn)速，不容易被凍結(jié)。

③該防凍裝置在三穗國家基準氣候站運行設備上外場試驗，操作過程簡捷，實驗效果明顯，對保障冬季風向、風速數(shù)據(jù)正常監(jiān)測與傳輸具有實用價值。

④該防凍裝置加熱功率低，裝置具有很高的安全性、可靠性、穩(wěn)定性，用碳纖維發(fā)熱片加熱方法簡單、經(jīng)濟實惠、耐用、具有可移植性；研究團隊將嘗試將其運用于雙翻斗雨量等氣象監(jiān)測設備的冬季觀測。