自动气象站风传感器智能防冻装置研制与应用

邬 昀

（湖北省气象信息与技术保障中心，武汉430074）

风要素实时观测数据是自动气象站观测中最重要的气象要素之一。气象部门现用机械式风向风速传感器具有稳定性好、成本低、便于维护等优点，但未采取预防雨、雾凇冻害的措施，在冬季低温雨雪天气条件下容易结冰导致观测数据缺失，而人为防冻除冰难度极大，即使人工攀登风塔除冰安全隐患也大，且效率低下。在我国全面实施气象探测设备自动化的初期，各省均出现因为冻结造成风要素记录缺测，严重影响自动气象站正常观测业务。

近些年，湖北省内各国家级自动气象站风传感器在冬季频繁出现冻结现象，严重影响观测数据质量。2016年11月至2017年3月、2017年11月至2018年3月时间段内，全省82 个国家级自动气象站共有54 个出现了风传感器冻结现象，冻结次数达到109 次。其中咸宁金沙站冻结次数最多，达到12 次。2020年4月1日起，我国全面实现地面气象观测自动化。随着我国自动气象站布点数量的不断增多，风传感器冬季冻结导致观测数据缺失现象愈发凸显，解决风传感器冻结对自动气象站观测的影响，已成为自动气象观测亟待解决的问题。

1 风传感器防冻装置的相关研究

针对自动气象站风传感器在冬季低温高湿环境下容易发生冻结这一问题，出于实际业务工作需要，文献[1-3]在我国北方部分省份开展过风传感器防冻装置的研究，给出了针对风传感器内壳轴承、风传感器外壳2 个不同加热部位的不同加热方案；文献[4-5]认为风传感器冻结是温度、湿度、风速等气象条件综合因素的结果，并提出冻结的基本条件及特征：气温为-5～0 ℃，平均风速≤5 m/s，空气相对湿度＞80%的冻雨或重雾雪天气。

已有研究表明[6-8]，电加热是防止风传感器冻结的最有效方法之一。国内相关研究均未完全考虑自动气象观测站野外工作环境、免维护和全智能化工作条件。通过调研湖北省在用各种型号国家级自动气象观测站和区域自动气象观测站工作环境、电源供给、安装维护等方面，确定风向风速传感器能够正常工作的气象条件为温度＞0 ℃、 空气相对湿度＜80%，与文献[4-5]的研究结论相一致。在此，设计出针对不同型号、不同工作条件下自动气象站风传感器的智能防冻装置，可在无需人为干预情况下防止风传感器冻结。

2 风传感器智能防冻装置组成

自动气象站风传感器智能防冻装置的结构连接如图1 所示。该装置主要由智能控制单元、加热单元和监控平台组成，其主要功能是在不影响自动气象站风传感器正常工作的前提下，能在低温、高湿条件下自动按照设定的条件对风传感器核心工作部位进行快速安全加热，待加热完毕后系统设备自动处于待命状态，等待下一次自动启动，达到防止其结冰的效果，可实现智能远程控制，适用于不同地域、不同环境条件、不同型号风传感器设备。该装置安装后无需人为干预，结构设置便于安装维护。

图1 智能防冻装置结构连接Fig.1 Structure connection of intelligent anti-freezing device

智能控制单元与加热单元之间由1 根线缆（包括2 组电源线、2 根数据线）连接。智能控制单元由1 个电源适配器、1 个控制模块、1 个通讯模块和若干接口组成，有220 V 交流和12.8 V 直流2 种电源接入方式，电源适配器电路结构如图2 所示。

控制模块带液晶显示屏，可实时显示被加热风传感器外壳的温度值和湿度值。通过控制模块面板上的按钮可设置温度和湿度的控制阈值，实现对加热环的电源控制，从而控制加热环的“加热”和“等待”状态，其连接电路如图3 所示。

图2 电源适配器电路Fig.2 Power adapter circuit

图3 加热环受控电路Fig.3 Controlled circuit of heating ring

2.1 控制单元

智能控制单元主要由单片机（控制芯片型号为STM32L51CB）进行智能控制，其电路结构如图4 所示。单片机程序由参数设定、温湿度数据采集、人机接口显示、设置控制、加热控制等部分组成，其接口细节如图5 所示。单片机上电后，进行初始化设置各项寄存器，之后循环读取温度传感器（型号NTC10K3950）和湿度传感器（型号SHT71）的实时数据。同时，对比设置的温湿度阈值，一旦达到设定的阈值，单片机发出控制指令，自动启动加热电路工作，在加热的同时不间断的采集温湿度实时数据，待超过预设条件时，单片机发出指令，断开加热电路，关闭加热状态。在程序运行的同时，单片机不断地读取设置键信息，一旦读取到设置键被按动，立即进入设置状态，设置者可以根据显示的数据上调或下调启动断路器的温湿度值，调节到需设置的数值时，按下确认键即可。该数值将被写入单片机的内部存储器，单片机将按照新设置的数值控制加热电路。通过改人机接口界面实现人机交互，可以在任意时刻调整设置加热器启动条件。

图4 单片机控制电路Fig.4 Single chip microcomputer control circuit

图5 STM32L51CB 芯片细节Fig.5 STM32L51CB chip details

2.2 加热单元

加热单元由2 个结构相同的加热环组成，分别为风向传感器和风速传感器进行加热。文献[9]提出，温湿度传感器与被测材质间应做技术隔离，实际测量材质表面空气的温湿度数据。每个加热环由1 个温湿度传感器和1 个加热带组成，传感器和加热带融为一体，传感器与加热材料云母片之间技术分离，互不影响，如图6 所示。

图6 加热环结构示意图Fig.6 Heating ring structure sketch diagram

加热环采用“卡扣”方式固定在风向和风速传感器外围，方便户外安装维护。加热单元具有保温、防水、防晒、防静电等特性，适合长时间户外工作。

2.3 监控平台

中心站服务器监控平台，通过每个防冻装置中的通讯模块（型号SIM7600CE），实现对所有入网防冻装置的无线远程监控，并通过计算机物理地址进行操作者认证授权，确保操作安全性和监控数据保密性。目前已实现对湖北省22 个国家级自动气象站风传感器的远程监控。监控平台主界面如图7 所示。

3 系统研发及测试

已有研究表明，户外设备研发需要大量试验数据做技术支撑[10-14]。自2017年开始，研发人员先后在导热材质选取、装置稳定性、抗干扰性等方面做了大量试验，并获得2 项国家实用新型专利，分别在荆门、荆州两处国家气象观测站进行现场试验。

图7 监控平台主界面Fig.7 Main interface of monitoring platform

3.1 导热材质

在研发初期，对陶瓷、云母、铸铝、硅胶4 种常见导热材质从稳定性、热传导性、抗热衰减性、抗干扰性方面进行相关试验，对每种材质的各种性能表现进行评定，结果见表1。经过综合分析，选用云母作为该智能防冻装置的热传导材料。

表1 四种导热材质的性能评价Tab.1 Performance evaluation for four kinds of heat conducting materials

3.2 风洞试验

2018年12月17日，在湖北省气象计量检定站风洞实验室对“风传感器智能防冻装置”进行了室内测试。具体如下：

1）选取风速传感器（编号15040760304，型号EL15-1C）1 个，按照现行风速检定规程进行风洞检定试验，记录数据；

2）将智能防冻装置安装到该风速传感器上，设置参数使其持续加热至45 ℃，保持温度不变后，进行检定试验，记录数据；

3）将智能防冻装置自然冷却至32 ℃，保持温度不变后，不改变参数值，进行检定试验，记录数据。

具体的试验数据见表2。根据试验数据及现场实际情况，得出：该智能防冻装置正常工作时，对风速传感器数据没有影响；实际风速超过5 m/s 后，加热环温度下降明显，但最终能保持稳定。

3.3 功耗试验

在湖北省咸宁市马桥区域气象观测站进行智能防冻装置性能测试期间，正值当地长时间阴雨天气过程，气温0～5 ℃，相对湿度90%以上。科研人员对该智能防冻装置系统功耗、区域站蓄电池（12 V，100 A·h）持续供电等情况也进行了现场试验。

表2 智能防冻装置工作状态下风速传感器检定记录（m/s）Tab.2 Verification record of wind speed sensor under working state of intelligent anti-freezing device（m/s）

经过前期对加热环结构、电路配置等方面的不断优化，该防冻装置工作时平均电流不超过2 A。按蓄电池输出效率为0.7 计算[15-16]，理论使用时长应不低于35 h。在不影响自动站设备正常工作情况下，现场试验实际时长已超过72 h，可能与现场环境无需防冻装置频繁启动加热有关。后期将在气温低于0 ℃、 相对湿度高于90%条件下继续进行功耗试验，为进一步优化提供依据。

4 现场试验及应用

4.1 现场试验

该智能防冻装置先后安装于荆门、荆州国家气象观测站业务使用的华云DZZ5 型，以及无锡ZQZCII 型自动气象站风传感器，进行试验，并与同站相同工作环境下的另一套自动气象站风传感器进行长时间数据对比。该智能防冻装置在现场试验中均采用220 V 交流市电输入，长时间工作性能稳定。

在湖北省咸宁市温泉区域（区站号Q8018）、马桥区域气象观测站（区站号Q8019）进行了智能防冻装置性能测试。在太阳能电池板提供的12.8 V 直流电压条件下，系统工作正常，无需人工干预。设备安装方便快捷，后期免维护。

4.2 应用实例

该智能防冻装置已在荆门国家气象观测站正常运行1 a 多，对该站自动气象站运行没有影响。

经过优化的智能防冻装置在荆州国家气象观测站（该站安装有华云DZZ5 型在用自动气象站和无锡ZQZ-CII 型备份自动气象站） 自动气象站上工作正常。2019年低温雨雪过程期间（2019年2月7日21 时—2019年2月11日15 时） 有效防止了自动气象站风传感器冻结，保证了数据连续性，其间温度、相对湿度变化以及安装有防冻装置与未安装防冻装置的自动气象站风速、风向变化趋势如图8所示。

图8 应用实例中安装与未安装智能防冻装置的对比Fig.8 Comparison of installed and not installed intelligent anti freezing device in application example

5 结语

在分析了湖北省历年冬季自动气象站风传感器观测数据缺失情况的基础上，提出了适用于南方高湿、低温条件下自动气象站风传感器防冻的设计方案，解决了人工除冰安全性差、效率低等问题。该装置采用电加热原理，实现了“220 V 交流、12.8 V直流”双电源输入，选取了云母为导热材质，采用“卡扣”设计的加热环，适用于国家级自动气象观测站和区域自动气象观测站，结构简单，操作方便。在实际应用中，该装置能有效防止自动气象站风传感器冻结，便于安装维护，无需人为后期干预，运行稳定可靠。