地面風傳感器加熱裝置設計及試驗研究

沈玉亮, 邰俊杰, 陳箐箐, 周先鋒

(1.安徽省大氣探測技術(shù)保障中心, 合肥 230031; 2.金寨縣氣象局, 六安 237300; 3.安徽省氣象信息中心, 合肥 230031)

風向風速觀測是地面氣象觀測的主要項目之一,安徽省國家級地面氣象觀測站業(yè)務在用的風傳感器多采用EL15型,具有穩(wěn)定性好、成本低、便于維護等優(yōu)點[1],但未采取預防雨雪、雨凇、霧凇、凍雨等冰凍災害的措施。在冬季雨雪、凍雨、雨凇和霧凇等天氣現(xiàn)象發(fā)生時,風傳感器轉(zhuǎn)動部件容易發(fā)生凍結(jié),造成風向風速觀測數(shù)據(jù)缺測。目前的處理方法主要是人工進行干預,需要多人協(xié)同倒伏風桿或攀爬風塔進行結(jié)冰清除維護,但此方法清除結(jié)冰持續(xù)時間較短,特別是在高山和艱苦臺站,維修維護非常困難。此外,高山和艱苦臺站所在區(qū)域冬季雨雪天氣過程中往往交通短時中斷,加大了修復操作難度。因此,開展自動氣象站風傳感器加熱裝置的寬溫設計,減少或解決雨凇、霧凇和冰凍對風傳感器運行的影響,使風傳感器穩(wěn)定工作,是地面氣象觀測業(yè)務質(zhì)量對風傳感器穩(wěn)定運行的最基本要求。

風傳感器冬季容易凍結(jié)的問題一直以來備受關(guān)注。近年來,中外關(guān)于地面風傳感器防凍技術(shù)研究文獻較少,相關(guān)研究文獻年代較為久遠,多采用電加熱技術(shù),Liu等[2]設計了一種風矢量的測量方法,在加熱單元設計方面,利用鎳鉻合金絲作為加熱元件,建立了加熱單元恒定功率控制策略,分析了傳感器加熱單元在不同風速下的溫度場分布;邢麗平等[3]提出了一種風傳感器防凍結(jié)裝置的思路,采用云母片加熱技術(shù)預防風傳感器凍結(jié),設計了智能可調(diào)參數(shù)控制加熱片加熱啟動和停止,維持一定溫度范圍,通過一次凍雨過程試驗,分析了風傳感器凍結(jié)時發(fā)生的天氣情況和預防凍結(jié)效果,但防凍結(jié)效果缺乏大量的研究試驗數(shù)據(jù)進行驗證;鄔昀[4]研制出風傳感器智能防凍裝置,根據(jù)風傳感器外殼結(jié)構(gòu)特點,采用了“卡扣”設計的加熱環(huán),通過靜態(tài)試驗分析了防凍裝置防凍效果和數(shù)據(jù)采集準確性,然而外場試驗僅分析了防凍裝置的防凍效果,對于風觀測要素數(shù)據(jù)準確性未做進一步的評估分析;畢于健等[5]設計了一種基于聚酰亞胺(polyimide,PI)模的新風速傳感器自動加熱系統(tǒng),利用PI膜加熱片通電即發(fā)熱原理,根據(jù)外界環(huán)境溫度直接控制加熱器啟動或關(guān)閉,但系統(tǒng)沒有給出加熱片工作過程中具體的技術(shù)參數(shù),對加熱片未設置合理的溫度上下限閾值,容易引起加熱過程中溫度過高燒毀傳感器組件或溫度過低無法達到防凍效果;李宗昊等[6]研制了一種風傳感器防凍害保護裝置,采用鎳鉻電熱絲特點發(fā)熱的原理使傳感器的本體始終保持恒溫,可減少風傳感器凍結(jié)時間,沒有描述該裝置在靜態(tài)和動態(tài)試驗過程中防凍結(jié)效果;也有學者對風傳感器凍結(jié)發(fā)生的天氣條件和特征進行了研究[7-13],研究表明:氣溫(0～5 ℃)、平均風速(≤5 m/s)、相對濕度(≥80%),并伴隨雪或雨夾雪、雨凇或霧凇、大霧或輕霧等天氣現(xiàn)象時容易發(fā)生結(jié)凍故障。以上研究的加熱技術(shù)均采用了單一電加熱模式,在條件惡劣的環(huán)境下無法有效解決風傳感器凍結(jié)的問題,加熱時間隨著工作環(huán)境溫度的降低不斷增加,而無法滿足在極端低溫環(huán)境中正常工作的要求。針對不同天氣過程影響風傳感器穩(wěn)定運行的情況,現(xiàn)設計一種基于分級加熱技術(shù)的風傳感器加熱裝置,具有寬溫區(qū)、自動保護等功能,采用多級電熱膜組合控制形式,根據(jù)外界溫度環(huán)境啟動加熱裝置,通過繼電器來開啟或關(guān)閉相應層級的加熱片,可根據(jù)天氣條件動態(tài)自動調(diào)整加熱功率的模型,確保風傳感器的穩(wěn)定運行,適應中國不同氣候區(qū)域的應用。

1 加熱裝置設計

加熱裝置主要由控制單元、加熱單元和供電單元等構(gòu)成,如圖1所示。其中加熱元件、外罩、保溫貼層組成加熱單元,具有保溫、防水、防曬、防靜電等戶外工作特性;控制單元主要由溫度比較器、開關(guān)電源、繼電器等組成,具有數(shù)據(jù)采集、電源控制功能。供電單元與加熱單元之間通過電源線連接,當外界環(huán)境溫度達到控制單元所設閾值時,將電源接通,通過繼電器來開啟或關(guān)閉不同層級的加熱片,如此循環(huán)加熱防止凍結(jié)。

圖1 加熱裝置組成模塊Fig.1 Heating device composition module

(1)控制單元:控制單元是整個加熱裝置的核心,用于采集外界環(huán)境溫度,判斷是否滿足控制單元所設閾值條件,主要由嵌入式處理器微控制器(microcontroller unit,MCU)進行控制。通過控制單元面板上的按鈕可設置溫度的控制閾值,實現(xiàn)對加熱片的電源控制,從而控制加熱片的加熱和等待狀態(tài)。

(2)加熱單元:與控制單元連接,由兩組加熱單元組成,分別纏繞在風向風速傳感器的杯體表面,保溫貼層貼合在加熱元件外表面,外罩固定在風向風速傳感器外圍,與加熱元件組合成一體。

(3)供電單元:采用交流220 V轉(zhuǎn)化為直流12 V的供電方式,分別給風向風速傳感器上加熱元件提供供電電壓。

1.1 加熱單元

加熱裝置采用硅膠加熱片作為加熱元件[14-17],由兩個結(jié)構(gòu)相同的加熱片組成,風向風速傳感器加熱片每路功率選擇10 W。加熱片分別纏繞在風向風速傳感器殼體表面,通過層疊的絕緣層安裝在加熱元件的內(nèi)側(cè),保溫貼層貼合在加熱元件外側(cè),外罩裝在風傳感器外圍與加熱元件、保溫貼層合并成一體,固定在風向風速傳感器外圍,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。加熱單元通過電源線連接在機箱內(nèi)部控制單元的輸出端上,溫度傳感器通過數(shù)據(jù)線連接控制單元的輸入端;根據(jù)控制單元發(fā)出指令,實時采集風傳感器加熱元件的溫度,當外殼溫度低于或高于閾值時,啟動或停止加熱;同時通過外殼溫度判斷加熱片是否增溫或降溫。

圖2 加熱單元結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structural drawing of heating unit

1.2 控制單元

控制單元主要由嵌入式處理器MCU(控制芯片型號為STM32L51CB)進行控制,其控制原理如圖3所示。系統(tǒng)上電后,開始循環(huán)讀取溫度傳感器實時數(shù)據(jù),并與系統(tǒng)預設溫度閾值進行比較,輸出相應電信號至嵌入式處理單元,按照預先所設邏輯進行工作,控制繼電器組合工作狀態(tài),自動啟動或者停止相應加熱片的供電,控制流程如圖4所示。

圖3 加熱裝置控制原理圖Fig.3 Heating device control schematic diagram

圖4 加熱裝置控制流程圖Fig.4 Flow chart of heating device control

當采集的溫度數(shù)據(jù)Te達到所設閾值下限時,MCU發(fā)出控制指令,繼電器閉合,啟動加熱單元工作;當采集的溫度數(shù)據(jù)大于所設閾值上限時,MCU發(fā)出指令,繼電器斷開,關(guān)閉加熱單元,加熱單元開始降溫?？刂茊卧哂袆討B(tài)調(diào)整設置溫度閾值功能,該閾值重新設置后,MCU按照新設置控制加熱電路[18]。

2 試驗過程

研究表明[12,19-21],任何設備或裝置的研發(fā)都需要進行大量的試驗做支撐。為了檢驗風傳感器加熱裝置的性能,以及在氣象觀測業(yè)務中應用的可行性,需要通過實驗室靜態(tài)測試和外場動態(tài)試驗來對加熱裝置性能進行分析,為帶有加熱裝置風傳感器應用于氣象觀測業(yè)務提供決策支撐。

實驗室測試在安徽省氣象計量檢定站進行;外場動態(tài)試驗選取風傳感器出現(xiàn)凍結(jié)次數(shù)較多的黃山國家基準氣候站作為試驗臺站,用于檢驗風傳感器加熱裝置防凍效果和數(shù)據(jù)連續(xù)性。由于黃山國家基準氣候站兩套風傳感器型號、軟件算法有差異,故選取設備型號、軟件算法相同的長豐國家氣象觀測站作為另一個試驗臺站,用于檢驗加熱裝置對風傳感器采集數(shù)據(jù)準確性的影響。

黃山、長豐站均為一主一備兩套觀測系統(tǒng),主站裝有風傳感器加熱裝置,備份站風傳感器未安裝加熱裝置,兩個站點的風傳感器均工作在相同的環(huán)境下,并分別布設在同一高度。

3 靜態(tài)測試

3.1 風洞試驗

在檢定室內(nèi)采用HDF-500-I型環(huán)形低速風洞對風速性能進行了靜態(tài)測試[22-24]?！蹲詣託庀笳撅L向風速傳感器》依據(jù)[JJG(氣象)004—2011]規(guī)定的方法,分別將風速傳感器和帶有加熱裝置的風速傳感器安裝在相應的試驗段內(nèi)(風速傳感器相同),分析帶有加熱裝置的風速傳感器的準確性。

試驗是測試風速傳感器在不同標準風速下的性能檢定,開啟風洞風機,使風洞內(nèi)風速分別達到穩(wěn)定的2、5、10、15、20、25、30 m/s檢定點,分別記錄風速傳感器的實測風速。風速傳感器與帶有加熱裝置的風速傳感器風速示值如表1所示。

表1 風速傳感器測量結(jié)果

由表1可知,標準風速從2 m/s變化到30 m/s的過程中,未帶有加熱裝置的風速傳感器風速值與帶有加熱裝置風速傳感器的風速值變化基本一致,兩者差值均符合風杯風速傳感器計量性能要求[22-23],即最大允許誤差為±(0.5+0.03v) m/s,其中v為風速示值。因此,加熱裝置未影響風傳感器采集數(shù)據(jù)的準確性。

3.2 加熱單元的測試

為了評估加熱裝置加熱性能,需要測試加熱裝置溫度變化情況。在加熱裝置加熱性能分析試驗中,將低溫檢定試驗箱設置為-19 ℃,啟動溫度設置為5 ℃,加熱裝置停止工作溫度設置為30 ℃。將風傳感器加熱放置試驗箱內(nèi),待溫度恒定后,將系統(tǒng)上電,加熱裝置開始工作,其溫度隨時間的變化關(guān)系如表2所示。

表2 加熱裝置溫度隨時間變化關(guān)系

從表2可知,當采集的溫度數(shù)據(jù)達到所設閾值-15 ℃時,繼電器閉合,加熱單元第一次啟動,加熱裝置從-19 ℃到5 ℃的升溫時間為74.81 s;當采集的溫度數(shù)據(jù)大于所設閾值上限時,繼電器斷開,關(guān)閉加熱單元,從30 ℃到5 ℃的第一次降溫時間為73.75 s。在加熱裝置進入正常循環(huán)后從5 ℃到30 ℃的升溫時間為155.33 s,從30 ℃到5 ℃的降溫時間為81.8 s,如此循環(huán)加熱裝置自動處于待命狀態(tài),等待下一次自動啟動,從而達到防凍和解凍的效果,也很好地降低了功耗。

4 外場試驗及應用

4.1 資料說明

研究使用的資料包括:①為檢驗風傳感器加熱裝置防凍效果和數(shù)據(jù)連續(xù)性,選取2022年2月11日20:00—12日12:00黃山基準氣候站一次凍結(jié)過程的逐分鐘氣象要素觀測數(shù)據(jù),包括2 min風向風速、10 min風向風速、氣溫、相對濕度等觀測數(shù)據(jù);②為判斷加熱裝置對風傳感器測量數(shù)據(jù)準確性的影響,選取2021年12月1日00:00—24:00長豐國家氣象觀測站主站、備份站逐分鐘氣象要素觀測數(shù)據(jù),包括2 min風向風速、10 min風向風速。

以上數(shù)據(jù)由黃山、長豐站提供,并經(jīng)過質(zhì)控訂正得到;2021年10月主站、備份站風傳感器均經(jīng)過省級計量部門檢定合格,并取得計量檢定合格證書。

4.2 處理方法

4.2.1 數(shù)據(jù)完整性

評估主站、備份站風向風速觀測數(shù)據(jù)完整性,檢驗設備運行穩(wěn)定性。評估過程中排除因正常維護過程、故障維修期間等因素造成的數(shù)據(jù)缺測時間。以分鐘觀測數(shù)據(jù)為基本單位,計算2 min風向風速的數(shù)據(jù)完整性,計算公式為

(1)

式(1)中:A為分鐘數(shù)據(jù)實際觀測次數(shù);B為分鐘數(shù)據(jù)應觀測次數(shù)。

4.2.2 風速相關(guān)性

將主站和備份站風速數(shù)據(jù)進行相關(guān)性評估,并進行線性擬合,得到兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)R1、R2,達到0.85則可以認為帶有加熱裝置的風傳感器和未帶有加熱裝置的風傳感器之間具有可比較性。相關(guān)系數(shù)計算公式為

(2)

4.2.3 風向一致性

氣象學上規(guī)定,風向角度范圍0°～360°,共16個方位,其中0°為正北,90°為正東,180°為正南,270°為正西。每個方向角度寬度為22.5°,判斷2個風向是否在同一角度內(nèi),通過計算2個風向的差值是否小于22.5°。具體方法為:如果差值小于180°,不做處理;當差值大于180°,則用差值減去360°,再取絕對值。

風向采用一致性進行評估,即比較主站風向與備份站風向相應數(shù)據(jù)相差不超過22.5°的占比公式為

(3)

式(3)中:C為一致次數(shù),即在有效總次數(shù)中兩套儀器風向相差不大于22.5°的次數(shù);D為有效總次數(shù),即對比的兩套儀器的相應風速均大于0.5 m/s時的次數(shù)。

4.3 結(jié)果與分析

4.3.1 凍結(jié)時氣象條件

2022年2月11日20:45—12日10:53黃山基準氣候站備份站發(fā)生凍結(jié)的一次天氣過程(主站未凍結(jié)),該段時間內(nèi)出現(xiàn)了霧、雨、雨夾雪、雪、雨凇、積雪等天氣現(xiàn)象。此次凍結(jié)過程氣溫和相對濕度的變化情況,如圖5所示。

圖5 凍結(jié)時氣象要素變化曲線Fig.5 Change curve of meteorological elements during freezing

由圖5可知,主站和備份站氣溫和相對濕度數(shù)據(jù)變化趨勢基本一致,此次凍結(jié)過程的天氣條件為低溫、高濕狀態(tài),為加熱裝置的啟動提供技術(shù)依據(jù)。

4.3.2 數(shù)據(jù)完整性分析與結(jié)果

由表3可知,主站2 min風向風速數(shù)據(jù)完整性均為100%;備份站2 min風向風速數(shù)據(jù)完整性為11.7%。結(jié)果表明,在霧、雨、雨夾雪、雪、雨凇、積雪等天氣現(xiàn)象發(fā)生時,帶有加熱裝置的風傳感器比未帶有加熱裝置的風傳感器運行更加穩(wěn)定。

表3 風向風速觀測數(shù)據(jù)完整性統(tǒng)計

4.3.3 防凍效果分析與結(jié)果

由圖6可知,備份站2 min風速在11日20:45躍變?yōu)?.0 m/s,2 min風向固定不變,且長時間持續(xù)不變,直至12日10:53后出現(xiàn)變化的風向風速值,可判斷11日20:45—12日10:53備份站風傳感器已凍結(jié),主站風傳感器未凍結(jié)。結(jié)果表明,帶有加熱裝置的風傳感器起到了很好的防凍結(jié)作用,保證了風傳感器的正常工作及風觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

圖6 凍結(jié)時風向風速變化曲線Fig.6 Change curve of wind direction and speed during freezing

4.3.4 風速相關(guān)性分析與結(jié)果

圖7給出了2 min和10 min風速數(shù)據(jù)曲線圖。

圖7 風速數(shù)據(jù)變化曲線Fig.7 Wind speed variation curve

圖8給出了兩種風速傳感器偏差值統(tǒng)計直方圖,用主站風速測量值減去備份站風速測量值作為兩種風速傳感器的偏差值。

圖8 風速差值統(tǒng)計直方圖Fig.8 Statistical histogram of wind speed difference

圖9給出了兩種風速傳感器觀測結(jié)果的散點圖,并用最小二乘法擬合出了觀測值的相關(guān)性曲線,更直觀的反映出兩種風速傳感器的相關(guān)性。

圖9 風速相關(guān)性曲線Fig.9 Wind speed correlation curve

主站、備份站2 min和10 min風速變化趨勢基本一致,可以看出兩者具有很強的相關(guān)性。從數(shù)據(jù)樣本分析:兩者2 min和10 min風速的相關(guān)性系數(shù)分別為0.97、0.99,相關(guān)性較強,兩者差值的離散程度很小。

2 min和10 min風速的差值統(tǒng)計直方圖近似正態(tài)分布,可直觀地判斷兩者風速偏差值主要集中分布在差值0.3 m/s范圍內(nèi),兩者風速差值分布的散差滿足誤差允許范圍。

風速散點圖直觀地反映了所有風速數(shù)據(jù)點的分布接近擬合直線兩側(cè),2 min和10 min風速具有較強的相關(guān)性。

4.3.5 風向一致性分析與結(jié)果由圖10可知,2 min和10 min風向一致性均在80%以上,10 min風向一致性優(yōu)于2 min風向一致性。從數(shù)據(jù)樣本分析:2 min風向和10 min風向一致性分別為96.77%、99.47%,一致性顯著。

圖10 風向一致性統(tǒng)計Fig.10 Wind direction consistency statistics

5 結(jié)論

利用黃山站資料分析了主站、備份站風向風速數(shù)據(jù)完整性,以及長豐主站、備份站風向風速數(shù)據(jù)可比較性,得出如下結(jié)論。

(1)在冬季雨雪、雨凇和霧凇等天氣現(xiàn)象發(fā)生時,帶有加熱裝置的風傳感器運行更加穩(wěn)定,防凍效果顯著,可有效降低或消除風傳感器轉(zhuǎn)動部件凍結(jié)發(fā)生的次數(shù),保證風向風速觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

(2)通過靜態(tài)測試和對試驗臺站風速數(shù)據(jù)相關(guān)性、風向數(shù)據(jù)一致性的分析可知,加熱裝置未對風向風速采集數(shù)據(jù)的準確性產(chǎn)生影響。

(3)加熱裝置減輕了業(yè)務人員維護工作量,縮短了設備故障時間,提高了運維效率,降低了運維成本。特別是在高山和艱苦臺站作用尤為突出。

風傳感器凍結(jié)是溫度、濕度和風速等天氣條件綜合因素的結(jié)果,在實際外場測試過程中,僅考慮外界環(huán)境溫度參數(shù),實際的業(yè)務運行環(huán)境需要考慮受多種因素(對流、輻射、接觸面積和天氣因素等)的影響,需要進一步積累各種不同覆冰的氣象條件,期望建立一種可根據(jù)天氣條件動態(tài)自動調(diào)整加熱功率的模型,并輸出狀態(tài)參數(shù),適應中國不同氣候區(qū)域的應用。另外,現(xiàn)有外部結(jié)構(gòu)件對實際業(yè)務工作帶來許多問題,無法做到連續(xù)使用,需要優(yōu)化加熱裝置的結(jié)構(gòu)件,設計一種可拆卸的、操作簡便的構(gòu)件。