諧振式積冰自動觀測儀研究

劉興麗，潘 雪，高新明，黃 瀟

（1.黑龍江省氣象局，黑龍江 哈爾濱 150000；2.黑龍江科技大學材料科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱 150027；3.中國氣象局氣象干部培訓學院，北京 100081）

0 引 言

目前，人們對物體積冰的認知還處在一個初期階段，而2008年西南電力的冰災使積冰研究快速地成為氣象工作者們的研究熱點［1～3］。積冰對人們現代生活的影響無處不在，從航空到高速鐵路、高速公路、智慧農業，特別是電力系統都需要對積冰進行觀測研究。而國內目前對積冰的觀測還停留在手工操作階段，其觀測的數據也僅限于滿足積冰結果的記錄，對積冰的形成、生長、發展及結束的規律無法掌握［4，5］。為此，對電線積冰的連續、高效率、自動觀測就顯得極為重要和迫切。

基于直接檢測輸電線路上積冰的不切實際的事實，大多數國家都采用在沿線建立積冰觀測站（點）的辦法進行現場積冰觀測。積冰的測量裝置基本上依靠人工操作，如加拿大的被動覆冰監測儀、捷克的水平金屬桿等［6～8］。但人工觀測法比較費時、費力。在20世紀80年代，人們開始研究能自動快速測量積冰的裝置和方法，例如基于磁致伸縮特性的傳感器，基于稱重原理的傳感器，基于紅外光學原理的傳感器等［9～11］。而國內對電線積冰自動測量裝置雖然也開展了廣泛的研究，但從其測量原理和觀測方法的實用性來看，還遠遠達不到國外的先進水平，尤其是對傳感器積冰與電線積冰關系的研究還是空白。未來的電線積冰觀測應該是一個包含積冰自動化觀測和氣象要素自動化觀測的綜合性觀測。

針對傳統人工積冰觀測的成本高、效率及準確率低、觀測數據不連續、安全性低等缺點，本文提出了一種效率高、連續性好、無人值守的石英晶體諧振式積冰觀測儀，可以有效地在電力系統結冰預警和電力輸配線冬季監測發揮重要作用。

1 石英諧振式積冰觀測儀的結構原理

石英晶體諧振式觀測儀是利用石英晶體諧振器的共振頻率隨被測物理量變化而變化的特點。其共振頻率變化Δf如下

式中D為石英晶體振子厚度，Kf為石英晶體拉氏系數，N為諧波次數，f為諧振器基頻，Δf為沿晶體X軸受力變化。由公式可見，石英晶體諧振式頻率變化與其受力的變化呈線性關系。具體來說，如圖1 所示。石英諧振式積冰觀測儀是一種以彎曲振動模式的雙閉端石英音叉應變計為核心部件的管狀荷重積冰桿。當積冰桿表面出現結冰聚集時（受到載荷作用），積冰重量通過積冰桿傳遞給石英音叉應變計，應變計的變形量導致石英音叉的固有頻率發生變化，通過諧振電路檢測輸出到后臺的石英振子頻率的改變量，從而達到檢測積冰桿積冰重量的目的。

圖1 電線積冰自動觀測儀石英芯體受力示意

圖2 為積冰觀測儀的核心部分，即石英雙音叉應變計以及利用無應力封接工藝使其與石英應變梁結合成一體的石英梁式力敏元件，并且在真空環境下，使所述石英梁式力敏元件與石英托架氣密封裝在一起，從而構成了一種高精度高穩定的頻率輸出型諧振式荷重梁。其優點是諧振品質因數Q高，穩定性優異，重現性佳。

圖2 石英雙音叉應變計

雙端固支石英應變計的振梁工作原理：諧振器由2 個平行的石英振梁構成，2 個石英振梁在同一平面內反相振動，作用于2個石英振梁根部的力和力矩相互抵消，從而減小石英音叉的固定連接端與外界的能量耦合，降低了諧振時的能量損耗，從而提高了諧振器的品質因數［12，13］

式中f0為不受軸向力作用時梁的一階固有頻率；P為軸向力，l為振梁長度，E為石英楊氏模量，I為振梁極慣性矩，設梁的厚和寬分別為h和w，則慣性矩I＝hw3／12。振梁的一階固有頻率表達式為

將振梁的尺參數（l，h，w）以及式（3）代入式（2），可以得到細長梁受到軸向應力時固有頻率與結構尺寸參數之間的關系。

石英是一種理想的彈性材料，在彈性范圍內工作完全滿足胡克定律，甚至到石英彈性梁斷裂前的一瞬間仍然符合胡克定律，所以上述的石英應變梁采用與石英雙音叉相同的晶體切型。因此不僅彈性特性優良，而且石英應變梁與石英雙音叉的熱膨脹系數相同，即使環境溫度改變時，也不產生熱應力，且不會降低測量精度。顯然，所述的石英應變梁與石英雙音叉應變計是一種最佳組合，它能夠確保傳感器具有高精度、高穩定和快響應特性。

2 積冰觀測儀中石英應變梁的信號處理流程

對數據采集單元采集的電信號進行算法處理，使石英應變梁輸出的電信號轉換成氣象標準信號進行編碼傳輸，同時完成設備管理工作，其傳輸方式可以是RS-232、RS-485，也可以是WiFi 或無線通信；包括微控制單元（MCU）、數據存儲器、程序存儲器、高精度時鐘和驅動電路［14，15］。軟件主要包括數據采集、數據處理、數據存儲和數據傳輸等功能模塊。數據采集模塊須按規定的采樣頻率進行采集；數據處理模塊負責完成采樣算法、數據計算處理和數據質量控制；數據存儲模塊主要完成數據的存儲與管理；數據傳輸模塊實現與終端計算機的通信，并具有數據補償功能，整個信號流程如圖3所示。

圖3 石英諧振式荷重應變梁測量信號處理流程

3 測試結果與分析

由于目前采用人工的方式進行積冰檢測，依照《GB／T35235-2017 地面氣象觀測規范電線積冰》中5.2.2.1 規定［16］：當單純的霧凇直徑較導線直徑增加了11 mm 及以上，雨凇、濕雪凍結物或包括霧凇在內的混合積冰直徑較導線直徑增加了4 mm及以上時，應測定積冰重量。積冰重量單位為“g／m”，取整數。取霧凇ρ＝0.25 ×103kg／m3，按標準線徑26.8 mm、長1 m電線換算，直徑增加11 mm 相當于結冰厚度為5.5 mm，質量按下式計算

式中W為冰層質量，D為結冰后的導線直徑，d為導線直徑，L為電線長度。將以上數據代入公式

得到人工最小測冰質量為140 g。根據以上計算，與人工測冰比較，諧振式積冰自動觀測儀的偏差值取±80 g／m，能夠滿足積冰測量的要求［16］。為此，選用標準砝碼對5 支積冰觀測儀（分別命名為S1、S2、S3、S4、S5）的偏差度進行標定結果如圖4所示。從柱狀圖4（a）中可觀察到S1、S2、S3、S4、S5的每次不同模擬積冰質量與標準砝碼相對應的積冰質量都具有近似相同的高度，且圖4（b）中也能觀察到S1、S2、S3、S4、S5的多次模擬積冰質量曲線與標準砝碼的積冰曲線也幾乎重合，說明擬合曲線具有較高的擬合精度。此外，依據GB／T35235-2017 中的規定，可從圖4（c）中觀察到最大的偏差值為35.2（S3樣機），仍處于偏差值的合理閾值范圍內。可進一步說明諧振式積冰觀測儀具有較小的偏差值。

圖4 測試結果

此外，2019年秋季至2020 年冬季，在湖南省衡陽氣象臺衡山氣象站開展了諧振式積冰觀測儀和人工測量積冰的外場對比試驗。具體觀測數據如圖5所示。

圖5 試驗周期積冰次數統計

從圖5中可以看出，在整個試驗周期內，人工測量采集到的積冰次數共7 次，自動觀測儀采集的完整積冰周期次數共4次。第一次積冰過程從2019 年11 月24 日～2019 年12月3 日，在這個過程積冰狀態有消融時段，但未完全消融，并重新積冰，直至12 月3 日積冰完全消融，而在這一過程中人工采集3次數據，但不是完整的積冰從開始到完全消融的狀態；第二次積冰過程從2019 年12 月18 日～2019年12月21日，自動觀測儀記錄了完整的積冰從開始到消融的全過程，在這過程中人工記錄2 次；第三次積冰過程從2020年1月9日～2020年1月13日，人工記錄1次；第四次積冰過程從2020 年1 月13 日～2020 年1 月18 日，人工記錄1次。經過對比可知，相比于隨機型的人工觀測，諧振式積冰觀測儀具有數據完整、觀測效率高、積冰過程可評估等優點。

圖6（a）為第一次未修正前的人工積冰數據及自動觀測儀的積冰數據，可觀察到人工數據相對于諧振式積冰觀測儀的數據有較大的偏差。為此，需要對人工數據進行修正。由于人工測量的導線線徑和自動觀測儀的線徑不同，設積冰觀測儀線徑與人工測量線徑的比值30／26.8 ＝1.12為線徑系數，用人工觀測值乘以線徑系數進行修正，可觀察到人工數據能與自動觀測儀數據基本達到一致，如圖6（b）中圓圈標注處。然而，由于人工數據采集的隨機性，使得某些修正后的人工數據點（1＃，3＃）仍無法與自動觀測儀的數據完全重合，存在明顯的偏差。這就說明人工觀測誤差大且數據不連續，不能滿足氣象觀測的性能穩定、檢測精度高、無人值守等要求。

圖6 積冰觀測儀觀測數據與未修正和修正后的人工數據對比

4 結 論

諧振式積冰觀測儀的標定擬合曲線具有較高的擬合精度，可以根據積冰性質推算出電線積冰架上的積冰直徑和厚度；起止時間和測冰時間；可觀測記錄積冰的增長階段、保持階段、消融崩潰階段，包括積冰增長、消融的速率，能完整記錄電線積冰的全過程。其次，外場試驗表明用國際標準推薦的30 mm直徑積冰桿能夠滿足氣象觀測的需要。最后，利用諧振式積冰觀測儀的積冰數據來推算輸電線路的積冰信息是一個可靠實用的方法。