基于PI膜的风传感器自动加热系统研究

毕于健 尹祥坤 吴迪 丁善文 刘恒德

摘 要：自动气象站在低温条件下易出现风传感器冻结，本文介绍一种基于PI膜的新风速传感器自动加热技术，可以有效解决风速传感器低温下冻结的问题；并增加温控模块和电子显示元件，实现自动化运转。另外，为验证新的风速传感器加热装置是否影响传感器正常运转，经过长时间对比观测实验，结果发现风向、风速数据都具有较好一致性，该加热装置稳定可靠且不影响风速风向传感器正常运转。

关键词：风速传感器；防冻；对比分析

中图分类号：P415.12 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20180632218

1 设计思路

该加热系统由加热器与温控盒2部分组成。加热器安装在风向和风速传感器轴承外部，内附温度感应设备，并通过电源线与温控盒连接。温控盒由变压器和温控模块组成，配备电子显示元件。本设计可自由调整温度阈值，当环境温度低于温度阈值时，加热器自动启动；当环境温度高于温度阈值时，加热器自动关闭。既保证低温时风向风速传感器可靠运转，又减轻台站工作人员工作强度。同时电子显示元件可显示加热温度、电压、电流等，更好地监测加热系统是否正常，为排除故障提供直接数据支持。

2 技术原理及结构组成

2.1 加热器结构

本设计加热器采用一种新型加热片，该加热芯片是一种通电即发热薄片，芯子采用蚀刻成一定形状镍铬箔，具有很高的可靠性。加热片选用聚酰亚胺（PI膜）电热片。

2.2 PI膜加热元件

PI膜加热片是用厚度0.02～0.1mm的镍铬箔蚀刻成一定形状，两面包上导热绝缘材料，经高温模压成形及老化热处理而成，特点是：发热迅速、导电即热，其平均导热系数>1W/m·k。由于热容量小，加热迅速，可达到快速“去冻”要求；优异耐热性。聚酰亚胺（PI膜）分解温度一般超过500℃，是目前已知的有机聚合物中热稳定性最高的品种之一；优异机械性能。聚酰亚胺（PI膜）弹性模量可达500MPa，仅次于碳纤维；良好化学稳定性及耐湿热性。聚酰亚胺（PI膜）材料一般不溶于有机溶剂，耐腐蚀、耐水解；良好介电性能。介电常数<3.5，电绝缘强度高；体积小，在使用中加热片几乎不占空间；使用方便，本身绝缘，无明火，保温、隔热工艺大为简化；寿命长，正常使用条件下可以永久连续使用；可制成任何尺寸，靠温度控制器协助具有精确的温度控制功能。

2.3 温控设备

温控设备是一种可调温度电子温度开关，通过电源线与温度感应设备相连，当风速风向传感器周围环境温度低于设定温度阈值时，加热装置启动；反之，则关闭加热装置进入正常工作状态。

3 对比观测

选取新型加热装备传感器与原传感器对比观测，验证新型加热设备工作时是否会对风向风速传感器产生明显影响。2个传感器位于泰安市宁阳县基本观测站12m风塔上，水平距离约1m。其中未安装加热装置风速风向传感器为国家基本大气监测站（下文称大监站），加装自动加热装置风向风度传感器为备份站（下同）。选取观测时段2017年3—4月2min、10min平均风速风向及1min内极大风速风向6个要素对比分析。

3.1 风速

大监站与备份站在2min、10min及分钟内极大风速等风速要素都具有基本一致分布，平均差值分别为0.032m/s、0.033m/s和0.045m/s，2个传感器差值大部分集中在0 m/s附近，说明两者差异性极小，且随时间平均尺度增大，2个仪器差异缩小。使用U检验法检验这2个传感器2min、10min平均风速及极大风速三者平均值是否具有显著差异性、一致性。

提出原假设H0，E（X）-E（Y）=0为检验两总体均值相等统计假设，用统计语言表述为“两组对比观测数据均值没有显著差异”。

计算统计量U数值。使用公式：

利用公式（1）分别计算2min风速、10min风速及极大风速3要素，检验结果分别为0.6646、1.93和0.4548，均通过显著性系数为0.05显著性检验，两者均值相等，数据一致性良好。

3.2 风向

大监站2min平均风向出现最多是东南偏东风（ESE），频率为13.66%，其次为偏东风（E），频率12.78%，西南风（SW）出现最少，仅3.14%；而备份站2min出现最多的是偏东风（E），频率13.87%，然后为东南偏东风（ESE），频率13.42%，西南风（SW）最少，频率3.18%。10min平均风向大监站出现频率最高是13.63%的偏东风（E），最少是西南风（SW）（2.97%）；而备份站出现频率最高是14.68%偏東风（E），西南风（SW）最少（3.09%）。极大风速出现概率与前两者基本相同，相差不大。2个传感器风向频率与2min平均、10min平均及分钟极大风向频率一致，若排除阵风及仪器本身误差影响，则该新型加热装置对数据本身不会产生影响。

作者简介：毕于健（1981-），男，山东省济南市平阴县人，本科，助理工程师，研究方向：大气探测。