一种简易恒温加热防冻结装置在三穗国家基准气候站的实践应用

杨再禹，杨 平，谢佳豪

(贵州省三穗县气象局，贵州 三穗 556500)

0 引言

三穗国家基准气候站地处贵州省东部，属低海拔地区，承担着温度、气压、相对湿度、风向、风速、能见度、日照、天气现象、雨量、云、蒸发、结冰、覆冰监测任务；自建站以来，每年1月、2月、12月(以下简称冬季)或多或少都会出现凝冻天气，气温较低、有雨雪天气时，风向、风速传感器、雨量筒等气象设备易被冻结，待到自然解冻时，已经丢失了大量数据，严重影响三穗国家基准气候站的设备稳定运行率、数据传输及时率和数据可用性，造成历史数据不连续，无法修复弥补。长期以来，三穗气象工作者周而复始前往10 m高的风塔顶人工除冰，如遇到凝冻强劲的天气，即使白天攀爬上冰滑的风塔完成除冰，可夜间又被冻住了，且该方法对人身安全带来隐患，又容易对风传感器机械部位造成物理损坏。

近年来，气象工作者对风向风速传感器冬季防冻做了大量研究。张雅昕等[1]运用25 W/24 V电加热器通过厂家嵌入风向、风速传感器自动保温进行了研究；柯莉萍等[2]利用加热丝进行加热的方法对风向风速传感器防冻设计在西南地区高海拔地区的应用进行实验研究；无锡新气象科技有限公司采用陶瓷PTC发热片进行外置加热防冻[3]；2019年以来，三穗县气象局从业人员利用加热条、加热线、加热片反复进行加热试验，其中采用加热片的方法简单、经济实惠、耐用。本文利用三穗县国家基气候站2008—2020年冬季逐日、逐时、逐分钟地面气象监测资料，详细分析冬季冰冻期间风向风速相关气象信息，判定风向风速冻住的气象要素阈值，采用USB碳纤维发热片，运用智能化科学控热方式，保障了风向、风速监测资料连续可靠，确保冬季气象资料准确及时、精密可靠，对冬季低海拔地区风向、风速数据正常采集具有重要的应用价值。

1 资料与方法

1.1 资料

三穗国家基气候站2008—2020年1月、2月、12月月报表、分钟报表等逐日、逐时、逐分钟地面气象观测资料。

1.2 方法

1.2.1 统计分析 统计2008—2020年1月、2月、12月月报表(见表1)，发现14 a中有2 a(2009年和2017年)风向、风速传感器没有被冻结外，其余12 a都有被冻结的月份，被冻结率达85%以上。14 a来，一年中风向、风速传感器3个月都被冻结的为0，2个月的有3 a，占比为21%，1个月的有9 a,占比达64%。风向、风速传感器冻结时间最长为128 h，出现在2018年1月，其次为2011年1月，冻结时间111 h，第3是2015年的1月底，持续100 h。统计还发现风向、风速传感器在1月冻结时间最长，2月时次最多，1月和12月冻结时次都是4次，但12月风向、风速传感器冻结时间均在30 h以内。

表1 2008—2020年风向风速传感器冻结情况统计表Tab.1 Wind direction and wind speed freezing statistics in 2008—2020

续表1

1月份月极端最低气温为-0.3～-5.9 ℃，2月份月极端最低气温为0.7～-5.3 ℃，12月份月极端最低气温为-0.8～-5.3 ℃。由此，2月份极端最低气温有可能在0 ℃以上，从风向、风速传感器被冻结状态来看，不仅仅与气温有关，同时与天气状况有密切关系。即使气温达到-5.0 ℃以下，若没有冻雨产生，将不会冻结风要素传感器，如有降水，气温达-1.8 ℃时也会产生冻结。因此，采用加热装置时，整个冬季都不能拆除，需保持应急状态。

1.2.2 阈值分析 统计2008—2020年1月、2月、12月分钟数据报表(见表2)。

表2 2008—2020年风向风速传感器冻结与解冻时部分气象要素变化情况表Tab.2 The change of some meteorological elements when wind direction and wind speed are frozen and thawedin 2008—2020

续表2

从表2可知，风向风速冻结时前1 min气温在0.3～-2.4 ℃之间、风速在0.1～2.5 m·s-1、相对湿度86%～97%，风向风速自然解冻时气温在0.5～-1.3 ℃之间、风速在0.1～2.6 m·s-1、相对湿度63%～95%。查询月报表发现，所有被冻结的时段都是前期有持续冻雨或雨雪天气发生。因此，采用加热法防止风向风速冻结，至少设置0.3 ℃时启动加热装置，上限根据本地历史凝冻程度灵活设置。

2 加热法试验情况

2.1 风向风速传感器冻结监测分析

2019年以来，通过对三穗国家基准气候站主站以及备用站的ZQZ-TF风向、风速传感器冻结状况观察，发现其冻结方向均在偏北方位，于正北方120°范围内形成覆冰。随着冰雪、冻雨时间延长，致使风速、风向机械传感器转动部位及上下边缘覆冰层层叠加，累积成较大范围的冰块，阻碍风速传感器随风旋转速度和风向摆动，当风速达到2.5 m·s-1(见表2)以下时，就能将风速、风向传感器牢牢冻住，此时风速为“0”，风向长时间停滞在一个方向不能随风摆动，造成风速、风向数据失真，不能正确反映一段时间的实况。监测发现，当温度保持在0.5 ℃以上时，借助风向、风速传感器的转速，是不容易被冻结的，只有在温度一降再降或一直维持数分钟0.3 ℃以下(见表2)，才会发生冻结。

2.2 试验情况分析

2019年1月以来，采用220V加热带进行试验，又用USB鼠标暖手垫中的加热线试验，后改用12V碳纤维发热片进行加热试验，在2019年2月后的4次冻结过程中能保证风速、风向传感器正常运行，数据监测传输正常。

2019年2月17日风速缺测，2月17日19时26分启动加热装置，19时27分风速传感器开始转动，此时风速达到0.2 m·s-1，因冻结时间不长，冰层不厚，加热用时不长。

2020年12月14日08时40分开启加热装置加热主站风速传感器，08时46分有数据传输，据监测，一共加热了4 min 42 s后风速转动正常；因备份站一直加热，无数据缺测，而主站因冻结共造成缺测2 h 38 min，加热装备启动后没有发生冻结现象。

2021年1月7日和17日为雨雪天气，1月6日和16日分别设置好智能加热温控仪，启动加热装置，2021年1月、2月没有出现风向风速传感器冻结现象，由此可见，采用此方法是有效的。

在测试过程中，采用OPPO电源适配器，型号CF1001，输入电压100-240～50/60 Hz 0.2 A，输出为5V=1000 mA；三星充电器，型号EP—TA10CBC,输入电压100-240～50/60 Hz 0.35 A，输出为5.3 V=2.0 A；NOKIA充电器，型号AC—8C,输入电压100-240～50/60 Hz 150 mA，输出为5.3 V=600 mA；3种充电器加热时(碳纤维发热片电线长1.2 m)，2 min后均加热到35 ℃及以上，最后在55 ℃左右就没有再升温。如将碳纤维发热片卷曲放入30 mL注射器中进行加热，10 min后可以将其软化，再继续加热，可将30 mL注射器融变形。由此可以判断，碳纤维发热片在敞开的环境中加热，温度是有上限的。测试用其卷曲包裹在风向、风速传感器的转动轴下方，连续加热1周无异常(室内)。可见，将其覆盖包裹在室外的ZQZ-TF风向、风速传感器上加热，因直接接触空气，冬天温度低，容易散热，开启一周的时间是不会发生异常的。

2.3 加热装置分析

碳纤维发热片为DIY暖脚宝、鼠标垫、暖手套、电热膜等方面运用，功率10 W，发热均匀，发热量低。

本文防冻装置采用碳纤维发热片4片(1.2 m长透明塑料膜8 cm×10 cm)，集线器1根(4口USB2.0)，温控仪1台(XH—W1412牌LCD微电脑数字显示),手机充电器1台(5V单USB口)，电源线1根(15 m)，风向、风速传感器加装加热片系统如图1a，发热片安装效果如图1b，其成本价在人民币200元以内。

图1 加装加热器系统框架图(a)，外置碳纤维发热片安装效果图(b)Fig.1 Add heater system(a)，external heating plate installation(b)

利用可调控温XH—W1412微电脑LCD数字温控仪(以下简称温控仪)，对风向风速传感器周围的环境温度进行实时监测，当温度传感器(NTC10k热敏电阻)感应到周围环境温度低于设定的临界温度时，控温仪继电输出，启动加热片进行加热。当温度上升到高于设定的临界温度时，加热自动断开，从而达到风向风速传感器防冻的目的。根据阈值分析结果，本试验控制加热到2.0 ℃停止，低于0.5 ℃时再加热，即设定启动值为0.5 ℃停止为2.0 ℃。

3 结论

①三穗国家基准气候站冬季风向、风速传感器冻结率达85%以上，冻结时间最长为128 h；风向、风速传感器冻结前1 min气温在0.3～-2.4 ℃之间、风速0.1～2.5 m·s-1、相对湿度86%～97%；风向、风速传感器自然解冻时气温在0.5～-1.3 ℃之间、风速0.1～2.6 m·s-1、相对湿度63%～95%。

②三穗国家基准气候站温控仪阈值设定启动值为0.5 ℃、停止为2.0 ℃适宜；当气温保持在0.5 ℃以上时，借助风向、风速传感器的机械转速，不容易被冻结。

③该防冻装置在三穗国家基准气候站运行设备上外场试验，操作过程简捷，实验效果明显，对保障冬季风向、风速数据正常监测与传输具有实用价值。

④该防冻装置加热功率低，装置具有很高的安全性、可靠性、稳定性，用碳纤维发热片加热方法简单、经济实惠、耐用、具有可移植性；研究团队将尝试将其运用于双翻斗雨量等气象监测设备的冬季观测。