自動氣象站風傳感器智能防凍裝置研制與應用

鄔 昀

（湖北省氣象信息與技術保障中心，武漢430074）

風要素實時觀測數據是自動氣象站觀測中最重要的氣象要素之一。氣象部門現用機械式風向風速傳感器具有穩定性好、成本低、便于維護等優點，但未采取預防雨、霧凇凍害的措施，在冬季低溫雨雪天氣條件下容易結冰導致觀測數據缺失，而人為防凍除冰難度極大，即使人工攀登風塔除冰安全隱患也大，且效率低下。在我國全面實施氣象探測設備自動化的初期，各省均出現因為凍結造成風要素記錄缺測，嚴重影響自動氣象站正常觀測業務。

近些年，湖北省內各國家級自動氣象站風傳感器在冬季頻繁出現凍結現象，嚴重影響觀測數據質量。2016年11月至2017年3月、2017年11月至2018年3月時間段內，全省82 個國家級自動氣象站共有54 個出現了風傳感器凍結現象，凍結次數達到109 次。其中咸寧金沙站凍結次數最多，達到12 次。2020年4月1日起，我國全面實現地面氣象觀測自動化。隨著我國自動氣象站布點數量的不斷增多，風傳感器冬季凍結導致觀測數據缺失現象愈發凸顯，解決風傳感器凍結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 風傳感器防凍裝置的相關研究

針對自動氣象站風傳感器在冬季低溫高濕環境下容易發生凍結這一問題，出于實際業務工作需要，文獻[1-3]在我國北方部分省份開展過風傳感器防凍裝置的研究，給出了針對風傳感器內殼軸承、風傳感器外殼2 個不同加熱部位的不同加熱方案；文獻[4-5]認為風傳感器凍結是溫度、濕度、風速等氣象條件綜合因素的結果，并提出凍結的基本條件及特征：氣溫為-5～0 ℃，平均風速≤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]，電加熱是防止風傳感器凍結的最有效方法之一。國內相關研究均未完全考慮自動氣象觀測站野外工作環境、免維護和全智能化工作條件。通過調研湖北省在用各種型號國家級自動氣象觀測站和區域自動氣象觀測站工作環境、電源供給、安裝維護等方面，確定風向風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[4-5]的研究結論相一致。在此，設計出針對不同型號、不同工作條件下自動氣象站風傳感器的智能防凍裝置，可在無需人為干預情況下防止風傳感器凍結。

2 風傳感器智能防凍裝置組成

自動氣象站風傳感器智能防凍裝置的結構連接如圖1 所示。該裝置主要由智能控制單元、加熱單元和監控平臺組成，其主要功能是在不影響自動氣象站風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定的條件對風傳感器核心工作部位進行快速安全加熱，待加熱完畢后系統設備自動處于待命狀態，等待下一次自動啟動，達到防止其結冰的效果，可實現智能遠程控制，適用于不同地域、不同環境條件、不同型號風傳感器設備。該裝置安裝后無需人為干預，結構設置便于安裝維護。

圖1 智能防凍裝置結構連接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 根數據線）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，電源適配器電路結構如圖2 所示。

控制模塊帶液晶顯示屏，可實時顯示被加熱風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置溫度和濕度的控制閾值，實現對加熱環的電源控制，從而控制加熱環的“加熱”和“等待”狀態，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（控制芯片型號為STM32L51CB）進行智能控制，其電路結構如圖4 所示。單片機程序由參數設定、溫濕度數據采集、人機接口顯示、設置控制、加熱控制等部分組成，其接口細節如圖5 所示。單片機上電后，進行初始化設置各項寄存器，之后循環讀取溫度傳感器（型號NTC10K3950）和濕度傳感器（型號SHT71）的實時數據。同時，對比設置的溫濕度閾值，一旦達到設定的閾值，單片機發出控制指令，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時數據，待超過預設條件時，單片機發出指令，斷開加熱電路，關閉加熱狀態。在程序運行的同時，單片機不斷地讀取設置鍵信息，一旦讀取到設置鍵被按動，立即進入設置狀態，設置者可以根據顯示的數據上調或下調啟動斷路器的溫濕度值，調節到需設置的數值時，按下確認鍵即可。該數值將被寫入單片機的內部存儲器，單片機將按照新設置的數值控制加熱電路。通過改人機接口界面實現人機交互，可以在任意時刻調整設置加熱器啟動條件。

圖4 單片機控制電路Fig.4 Single chip microcomputer control circuit

圖5 STM32L51CB 芯片細節Fig.5 STM32L51CB chip details

2.2 加熱單元

加熱單元由2 個結構相同的加熱環組成，分別為風向傳感器和風速傳感器進行加熱。文獻[9]提出，溫濕度傳感器與被測材質間應做技術隔離，實際測量材質表面空氣的溫濕度數據。每個加熱環由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分離，互不影響，如圖6 所示。

圖6 加熱環結構示意圖Fig.6 Heating ring structure sketch diagram

加熱環采用“卡扣”方式固定在風向和風速傳感器外圍，方便戶外安裝維護。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 監控平臺

中心站服務器監控平臺，通過每個防凍裝置中的通訊模塊（型號SIM7600CE），實現對所有入網防凍裝置的無線遠程監控，并通過計算機物理地址進行操作者認證授權，確保操作安全性和監控數據保密性。目前已實現對湖北省22 個國家級自動氣象站風傳感器的遠程監控。監控平臺主界面如圖7 所示。

3 系統研發及測試

已有研究表明，戶外設備研發需要大量試驗數據做技術支撐[10-14]。自2017年開始，研發人員先后在導熱材質選取、裝置穩定性、抗干擾性等方面做了大量試驗，并獲得2 項國家實用新型專利，分別在荊門、荊州兩處國家氣象觀測站進行現場試驗。

圖7 監控平臺主界面Fig.7 Main interface of monitoring platform

3.1 導熱材質

在研發初期，對陶瓷、云母、鑄鋁、硅膠4 種常見導熱材質從穩定性、熱傳導性、抗熱衰減性、抗干擾性方面進行相關試驗，對每種材質的各種性能表現進行評定，結果見表1。經過綜合分析，選用云母作為該智能防凍裝置的熱傳導材料。

表1 四種導熱材質的性能評價Tab.1 Performance evaluation for four kinds of heat conducting materials

3.2 風洞試驗

2018年12月17日，在湖北省氣象計量檢定站風洞實驗室對“風傳感器智能防凍裝置”進行了室內測試。具體如下：

1）選取風速傳感器（編號15040760304，型號EL15-1C）1 個，按照現行風速檢定規程進行風洞檢定試驗，記錄數據；

2）將智能防凍裝置安裝到該風速傳感器上，設置參數使其持續加熱至45 ℃，保持溫度不變后，進行檢定試驗，記錄數據；

3）將智能防凍裝置自然冷卻至32 ℃，保持溫度不變后，不改變參數值，進行檢定試驗，記錄數據。

具體的試驗數據見表2。根據試驗數據及現場實際情況，得出：該智能防凍裝置正常工作時，對風速傳感器數據沒有影響；實際風速超過5 m/s 后，加熱環溫度下降明顯，但最終能保持穩定。

3.3 功耗試驗

在湖北省咸寧市馬橋區域氣象觀測站進行智能防凍裝置性能測試期間，正值當地長時間陰雨天氣過程，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功耗、區域站蓄電池（12 V，100 A·h）持續供電等情況也進行了現場試驗。

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

經過前期對加熱環結構、電路配置等方面的不斷優化，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]，理論使用時長應不低于35 h。在不影響自動站設備正常工作情況下，現場試驗實際時長已超過72 h，可能與現場環境無需防凍裝置頻繁啟動加熱有關。后期將在氣溫低于0 ℃、 相對濕度高于90%條件下繼續進行功耗試驗，為進一步優化提供依據。

4 現場試驗及應用

4.1 現場試驗

該智能防凍裝置先后安裝于荊門、荊州國家氣象觀測站業務使用的華云DZZ5 型，以及無錫ZQZCII 型自動氣象站風傳感器，進行試驗，并與同站相同工作環境下的另一套自動氣象站風傳感器進行長時間數據對比。該智能防凍裝置在現場試驗中均采用220 V 交流市電輸入，長時間工作性能穩定。

在湖北省咸寧市溫泉區域（區站號Q8018）、馬橋區域氣象觀測站（區站號Q8019）進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，系統工作正常，無需人工干預。設備安裝方便快捷，后期免維護。

4.2 應用實例

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

經過優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傳感器凍結，保證了數據連續性，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速、風向變化趨勢如圖8所示。

圖8 應用實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 結語

在分析了湖北省歷年冬季自動氣象站風傳感器觀測數據缺失情況的基礎上，提出了適用于南方高濕、低溫條件下自動氣象站風傳感器防凍的設計方案，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，實現了“220 V 交流、12.8 V直流”雙電源輸入，選取了云母為導熱材質，采用“卡扣”設計的加熱環，適用于國家級自動氣象觀測站和區域自動氣象觀測站，結構簡單，操作方便。在實際應用中，該裝置能有效防止自動氣象站風傳感器凍結，便于安裝維護，無需人為后期干預，運行穩定可靠。