地面風(fēng)傳感器加熱裝置設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

沈玉亮, 邰俊杰, 陳箐箐, 周先鋒

(1.安徽省大氣探測(cè)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(fēng)向風(fēng)速觀測(cè)是地面氣象觀測(cè)的主要項(xiàng)目之一,安徽省國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站業(yè)務(wù)在用的風(fēng)傳感器多采用EL15型,具有穩(wěn)定性好、成本低、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[1],但未采取預(yù)防雨雪、雨凇、霧凇、凍雨等冰凍災(zāi)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(shí),風(fēng)傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)部件容易發(fā)生凍結(jié),造成風(fēng)向風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù)缺測(cè)。目前的處理方法主要是人工進(jìn)行干預(yù),需要多人協(xié)同倒伏風(fēng)桿或攀爬風(fēng)塔進(jìn)行結(jié)冰清除維護(hù),但此方法清除結(jié)冰持續(xù)時(shí)間較短,特別是在高山和艱苦臺(tái)站,維修維護(hù)非常困難。此外,高山和艱苦臺(tái)站所在區(qū)域冬季雨雪天氣過(guò)程中往往交通短時(shí)中斷,加大了修復(fù)操作難度。因此,開(kāi)展自動(dòng)氣象站風(fēng)傳感器加熱裝置的寬溫設(shè)計(jì),減少或解決雨凇、霧凇和冰凍對(duì)風(fēng)傳感器運(yùn)行的影響,使風(fēng)傳感器穩(wěn)定工作,是地面氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)質(zhì)量對(duì)風(fēng)傳感器穩(wěn)定運(yùn)行的最基本要求。

風(fēng)傳感器冬季容易凍結(jié)的問(wèn)題一直以來(lái)備受關(guān)注。近年來(lái),中外關(guān)于地面風(fēng)傳感器防凍技術(shù)研究文獻(xiàn)較少,相關(guān)研究文獻(xiàn)年代較為久遠(yuǎn),多采用電加熱技術(shù),Liu等[2]設(shè)計(jì)了一種風(fēng)矢量的測(cè)量方法,在加熱單元設(shè)計(jì)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(fēng)速下的溫度場(chǎng)分布;邢麗平等[3]提出了一種風(fēng)傳感器防凍結(jié)裝置的思路,采用云母片加熱技術(shù)預(yù)防風(fēng)傳感器凍結(jié),設(shè)計(jì)了智能可調(diào)參數(shù)控制加熱片加熱啟動(dòng)和停止,維持一定溫度范圍,通過(guò)一次凍雨過(guò)程試驗(yàn),分析了風(fēng)傳感器凍結(jié)時(shí)發(fā)生的天氣情況和預(yù)防凍結(jié)效果,但防凍結(jié)效果缺乏大量的研究試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證;鄔昀[4]研制出風(fēng)傳感器智能防凍裝置,根據(jù)風(fēng)傳感器外殼結(jié)構(gòu)特點(diǎn),采用了“卡扣”設(shè)計(jì)的加熱環(huán),通過(guò)靜態(tài)試驗(yàn)分析了防凍裝置防凍效果和數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確性,然而外場(chǎng)試驗(yàn)僅分析了防凍裝置的防凍效果,對(duì)于風(fēng)觀測(cè)要素?cái)?shù)據(jù)準(zhǔn)確性未做進(jìn)一步的評(píng)估分析;畢于健等[5]設(shè)計(jì)了一種基于聚酰亞胺(polyimide,PI)模的新風(fēng)速傳感器自動(dòng)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(dòng)或關(guān)閉,但系統(tǒng)沒(méi)有給出加熱片工作過(guò)程中具體的技術(shù)參數(shù),對(duì)加熱片未設(shè)置合理的溫度上下限閾值,容易引起加熱過(guò)程中溫度過(guò)高燒毀傳感器組件或溫度過(guò)低無(wú)法達(dá)到防凍效果;李宗昊等[6]研制了一種風(fēng)傳感器防凍害保護(hù)裝置,采用鎳鉻電熱絲特點(diǎn)發(fā)熱的原理使傳感器的本體始終保持恒溫,可減少風(fēng)傳感器凍結(jié)時(shí)間,沒(méi)有描述該裝置在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中防凍結(jié)效果;也有學(xué)者對(duì)風(fēng)傳感器凍結(jié)發(fā)生的天氣條件和特征進(jìn)行了研究[7-13],研究表明:氣溫(0～5 ℃)、平均風(fēng)速(≤5 m/s)、相對(duì)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(shí)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(wú)法有效解決風(fēng)傳感器凍結(jié)的問(wèn)題,加熱時(shí)間隨著工作環(huán)境溫度的降低不斷增加,而無(wú)法滿(mǎn)足在極端低溫環(huán)境中正常工作的要求。針對(duì)不同天氣過(guò)程影響風(fēng)傳感器穩(wěn)定運(yùn)行的情況,現(xiàn)設(shè)計(jì)一種基于分級(jí)加熱技術(shù)的風(fēng)傳感器加熱裝置,具有寬溫區(qū)、自動(dòng)保護(hù)等功能,采用多級(jí)電熱膜組合控制形式,根據(jù)外界溫度環(huán)境啟動(dòng)加熱裝置,通過(guò)繼電器來(lái)開(kāi)啟或關(guān)閉相應(yīng)層級(jí)的加熱片,可根據(jù)天氣條件動(dòng)態(tài)自動(dòng)調(diào)整加熱功率的模型,確保風(fēng)傳感器的穩(wěn)定運(yùn)行,適應(yīng)中國(guó)不同氣候區(qū)域的應(yīng)用。

1 加熱裝置設(shè)計(jì)

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(hù)外工作特性;控制單元主要由溫度比較器、開(kāi)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(guò)電源線連接,當(dāng)外界環(huán)境溫度達(dá)到控制單元所設(shè)閾值時(shí),將電源接通,通過(guò)繼電器來(lái)開(kāi)啟或關(guān)閉不同層級(jí)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(gè)加熱裝置的核心,用于采集外界環(huán)境溫度,判斷是否滿(mǎn)足控制單元所設(shè)閾值條件,主要由嵌入式處理器微控制器(microcontroller unit,MCU)進(jìn)行控制。通過(guò)控制單元面板上的按鈕可設(shè)置溫度的控制閾值,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(fēng)向風(fēng)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(fēng)向風(fēng)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(fēng)向風(fēng)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(gè)結(jié)構(gòu)相同的加熱片組成,風(fēng)向風(fēng)速傳感器加熱片每路功率選擇10 W。加熱片分別纏繞在風(fēng)向風(fēng)速傳感器殼體表面,通過(guò)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(fēng)傳感器外圍與加熱元件、保溫貼層合并成一體,固定在風(fēng)向風(fēng)速傳感器外圍,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。加熱單元通過(guò)電源線連接在機(jī)箱內(nèi)部控制單元的輸出端上,溫度傳感器通過(guò)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(shí)時(shí)采集風(fēng)傳感器加熱元件的溫度,當(dāng)外殼溫度低于或高于閾值時(shí),啟動(dòng)或停止加熱;同時(shí)通過(guò)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(hào)為STM32L51CB)進(jìn)行控制,其控制原理如圖3所示。系統(tǒng)上電后,開(kāi)始循環(huán)讀取溫度傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并與系統(tǒng)預(yù)設(shè)溫度閾值進(jìn)行比較,輸出相應(yīng)電信號(hào)至嵌入式處理單元,按照預(yù)先所設(shè)邏輯進(jìn)行工作,控制繼電器組合工作狀態(tài),自動(dòng)啟動(dòng)或者停止相應(yīng)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(dāng)采集的溫度數(shù)據(jù)Te達(dá)到所設(shè)閾值下限時(shí),MCU發(fā)出控制指令,繼電器閉合,啟動(dòng)加熱單元工作;當(dāng)采集的溫度數(shù)據(jù)大于所設(shè)閾值上限時(shí),MCU發(fā)出指令,繼電器斷開(kāi),關(guān)閉加熱單元,加熱單元開(kāi)始降溫。控制單元具有動(dòng)態(tài)調(diào)整設(shè)置溫度閾值功能,該閾值重新設(shè)置后,MCU按照新設(shè)置控制加熱電路[18]。

2 試驗(yàn)過(guò)程

研究表明[12,19-21],任何設(shè)備或裝置的研發(fā)都需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)做支撐。為了檢驗(yàn)風(fēng)傳感器加熱裝置的性能,以及在氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)中應(yīng)用的可行性,需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)室靜態(tài)測(cè)試和外場(chǎng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)來(lái)對(duì)加熱裝置性能進(jìn)行分析,為帶有加熱裝置風(fēng)傳感器應(yīng)用于氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)提供決策支撐。

實(shí)驗(yàn)室測(cè)試在安徽省氣象計(jì)量檢定站進(jìn)行;外場(chǎng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)選取風(fēng)傳感器出現(xiàn)凍結(jié)次數(shù)較多的黃山國(guó)家基準(zhǔn)氣候站作為試驗(yàn)臺(tái)站,用于檢驗(yàn)風(fēng)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(guó)家基準(zhǔn)氣候站兩套風(fēng)傳感器型號(hào)、軟件算法有差異,故選取設(shè)備型號(hào)、軟件算法相同的長(zhǎng)豐國(guó)家氣象觀測(cè)站作為另一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)站,用于檢驗(yàn)加熱裝置對(duì)風(fēng)傳感器采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響。

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

3 靜態(tài)測(cè)試

3.1 風(fēng)洞試驗(yàn)

在檢定室內(nèi)采用HDF-500-I型環(huán)形低速風(fēng)洞對(duì)風(fēng)速性能進(jìn)行了靜態(tài)測(cè)試[22-24]。《自動(dòng)氣象站風(fēng)向風(fēng)速傳感器》依據(jù)[JJG(氣象)004—2011]規(guī)定的方法,分別將風(fēng)速傳感器和帶有加熱裝置的風(fēng)速傳感器安裝在相應(yīng)的試驗(yàn)段內(nèi)(風(fēng)速傳感器相同),分析帶有加熱裝置的風(fēng)速傳感器的準(zhǔn)確性。

試驗(yàn)是測(cè)試風(fēng)速傳感器在不同標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速下的性能檢定,開(kāi)啟風(fēng)洞風(fēng)機(jī),使風(fēng)洞內(nèi)風(fēng)速分別達(dá)到穩(wěn)定的2、5、10、15、20、25、30 m/s檢定點(diǎn),分別記錄風(fēng)速傳感器的實(shí)測(cè)風(fēng)速。風(fēng)速傳感器與帶有加熱裝置的風(fēng)速傳感器風(fēng)速示值如表1所示。

表1 風(fēng)速傳感器測(cè)量結(jié)果

由表1可知,標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)速?gòu)? m/s變化到30 m/s的過(guò)程中,未帶有加熱裝置的風(fēng)速傳感器風(fēng)速值與帶有加熱裝置風(fēng)速傳感器的風(fēng)速值變化基本一致,兩者差值均符合風(fēng)杯風(fēng)速傳感器計(jì)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(fēng)速示值。因此,加熱裝置未影響風(fēng)傳感器采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3.2 加熱單元的測(cè)試

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

表2 加熱裝置溫度隨時(shí)間變化關(guān)系

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

4 外場(chǎng)試驗(yàn)及應(yīng)用

4.1 資料說(shuō)明

研究使用的資料包括:①為檢驗(yàn)風(fēng)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(zhǔn)氣候站一次凍結(jié)過(guò)程的逐分鐘氣象要素觀測(cè)數(shù)據(jù),包括2 min風(fēng)向風(fēng)速、10 min風(fēng)向風(fēng)速、氣溫、相對(duì)濕度等觀測(cè)數(shù)據(jù);②為判斷加熱裝置對(duì)風(fēng)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響,選取2021年12月1日00:00—24:00長(zhǎng)豐國(guó)家氣象觀測(cè)站主站、備份站逐分鐘氣象要素觀測(cè)數(shù)據(jù),包括2 min風(fēng)向風(fēng)速、10 min風(fēng)向風(fēng)速。

以上數(shù)據(jù)由黃山、長(zhǎng)豐站提供,并經(jīng)過(guò)質(zhì)控訂正得到;2021年10月主站、備份站風(fēng)傳感器均經(jīng)過(guò)省級(jí)計(jì)量部門(mén)檢定合格,并取得計(jì)量檢定合格證書(shū)。

4.2 處理方法

4.2.1 數(shù)據(jù)完整性

評(píng)估主站、備份站風(fēng)向風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù)完整性,檢驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定性。評(píng)估過(guò)程中排除因正常維護(hù)過(guò)程、故障維修期間等因素造成的數(shù)據(jù)缺測(cè)時(shí)間。以分鐘觀測(cè)數(shù)據(jù)為基本單位,計(jì)算2 min風(fēng)向風(fēng)速的數(shù)據(jù)完整性,計(jì)算公式為

(1)

式(1)中:A為分鐘數(shù)據(jù)實(shí)際觀測(cè)次數(shù);B為分鐘數(shù)據(jù)應(yīng)觀測(cè)次數(shù)。

4.2.2 風(fēng)速相關(guān)性

將主站和備份站風(fēng)速數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性評(píng)估,并進(jìn)行線性擬合,得到兩組數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)R1、R2,達(dá)到0.85則可以認(rèn)為帶有加熱裝置的風(fēng)傳感器和未帶有加熱裝置的風(fēng)傳感器之間具有可比較性。相關(guān)系數(shù)計(jì)算公式為

(2)

4.2.3 風(fēng)向一致性

氣象學(xué)上規(guī)定,風(fēng)向角度范圍0°～360°,共16個(gè)方位,其中0°為正北,90°為正東,180°為正南,270°為正西。每個(gè)方向角度寬度為22.5°,判斷2個(gè)風(fēng)向是否在同一角度內(nèi),通過(guò)計(jì)算2個(gè)風(fēng)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(dāng)差值大于180°,則用差值減去360°,再取絕對(duì)值。

風(fēng)向采用一致性進(jìn)行評(píng)估,即比較主站風(fēng)向與備份站風(fēng)向相應(yīng)數(shù)據(jù)相差不超過(guò)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(fēng)向相差不大于22.5°的次數(shù);D為有效總次數(shù),即對(duì)比的兩套儀器的相應(yīng)風(fēng)速均大于0.5 m/s時(shí)的次數(shù)。

4.3 結(jié)果與分析

4.3.1 凍結(jié)時(shí)氣象條件

2022年2月11日20:45—12日10:53黃山基準(zhǔn)氣候站備份站發(fā)生凍結(jié)的一次天氣過(guò)程(主站未凍結(jié)),該段時(shí)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(guò)程氣溫和相對(duì)濕度的變化情況,如圖5所示。

圖5 凍結(jié)時(shí)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(duì)濕度數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)基本一致,此次凍結(jié)過(guò)程的天氣條件為低溫、高濕狀態(tài),為加熱裝置的啟動(dòng)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(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)完整性均為100%;備份站2 min風(fēng)向風(fēng)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(shí),帶有加熱裝置的風(fēng)傳感器比未帶有加熱裝置的風(fēng)傳感器運(yùn)行更加穩(wěn)定。

表3 風(fēng)向風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù)完整性統(tǒng)計(jì)

4.3.3 防凍效果分析與結(jié)果

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

圖6 凍結(jié)時(shí)風(fēng)向風(fēng)速變化曲線Fig.6 Change curve of wind direction and speed during freezing

4.3.4 風(fēng)速相關(guān)性分析與結(jié)果

圖7給出了2 min和10 min風(fēng)速數(shù)據(jù)曲線圖。

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

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

圖8 風(fēng)速差值統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.8 Statistical histogram of wind speed difference

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

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

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

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

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

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

圖10 風(fēng)向一致性統(tǒng)計(jì)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(fēng)向風(fēng)速數(shù)據(jù)完整性,以及長(zhǎng)豐主站、備份站風(fēng)向風(fēng)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(shí),帶有加熱裝置的風(fēng)傳感器運(yùn)行更加穩(wěn)定,防凍效果顯著,可有效降低或消除風(fēng)傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)部件凍結(jié)發(fā)生的次數(shù),保證風(fēng)向風(fēng)速觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

(2)通過(guò)靜態(tài)測(cè)試和對(duì)試驗(yàn)臺(tái)站風(fēng)速數(shù)據(jù)相關(guān)性、風(fēng)向數(shù)據(jù)一致性的分析可知,加熱裝置未對(duì)風(fēng)向風(fēng)速采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響。

(3)加熱裝置減輕了業(yè)務(wù)人員維護(hù)工作量,縮短了設(shè)備故障時(shí)間,提高了運(yùn)維效率,降低了運(yùn)維成本。特別是在高山和艱苦臺(tái)站作用尤為突出。

風(fēng)傳感器凍結(jié)是溫度、濕度和風(fēng)速等天氣條件綜合因素的結(jié)果,在實(shí)際外場(chǎng)測(cè)試過(guò)程中,僅考慮外界環(huán)境溫度參數(shù),實(shí)際的業(yè)務(wù)運(yùn)行環(huán)境需要考慮受多種因素(對(duì)流、輻射、接觸面積和天氣因素等)的影響,需要進(jìn)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(dòng)態(tài)自動(dòng)調(diào)整加熱功率的模型,并輸出狀態(tài)參數(shù),適應(yīng)中國(guó)不同氣候區(qū)域的應(yīng)用。另外,現(xiàn)有外部結(jié)構(gòu)件對(duì)實(shí)際業(yè)務(wù)工作帶來(lái)許多問(wèn)題,無(wú)法做到連續(xù)使用,需要優(yōu)化加熱裝置的結(jié)構(gòu)件,設(shè)計(jì)一種可拆卸的、操作簡(jiǎn)便的構(gòu)件。