谐振式积冰自动观测仪研究

刘兴丽，潘 雪，高新明，黄 潇

（1.黑龙江省气象局，黑龙江 哈尔滨 150000；2.黑龙江科技大学材料科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨 150027；3.中国气象局气象干部培训学院，北京 100081）

0 引 言

目前，人们对物体积冰的认知还处在一个初期阶段，而2008年西南电力的冰灾使积冰研究快速地成为气象工作者们的研究热点［1～3］。积冰对人们现代生活的影响无处不在，从航空到高速铁路、高速公路、智慧农业，特别是电力系统都需要对积冰进行观测研究。而国内目前对积冰的观测还停留在手工操作阶段，其观测的数据也仅限于满足积冰结果的记录，对积冰的形成、生长、发展及结束的规律无法掌握［4，5］。为此，对电线积冰的连续、高效率、自动观测就显得极为重要和迫切。

基于直接检测输电线路上积冰的不切实际的事实，大多数国家都采用在沿线建立积冰观测站（点）的办法进行现场积冰观测。积冰的测量装置基本上依靠人工操作，如加拿大的被动覆冰监测仪、捷克的水平金属杆等［6～8］。但人工观测法比较费时、费力。在20世纪80年代，人们开始研究能自动快速测量积冰的装置和方法，例如基于磁致伸缩特性的传感器，基于称重原理的传感器，基于红外光学原理的传感器等［9～11］。而国内对电线积冰自动测量装置虽然也开展了广泛的研究，但从其测量原理和观测方法的实用性来看，还远远达不到国外的先进水平，尤其是对传感器积冰与电线积冰关系的研究还是空白。未来的电线积冰观测应该是一个包含积冰自动化观测和气象要素自动化观测的综合性观测。

针对传统人工积冰观测的成本高、效率及准确率低、观测数据不连续、安全性低等缺点，本文提出了一种效率高、连续性好、无人值守的石英晶体谐振式积冰观测仪，可以有效地在电力系统结冰预警和电力输配线冬季监测发挥重要作用。

1 石英谐振式积冰观测仪的结构原理

石英晶体谐振式观测仪是利用石英晶体谐振器的共振频率随被测物理量变化而变化的特点。其共振频率变化Δf如下

式中D为石英晶体振子厚度，Kf为石英晶体拉氏系数，N为谐波次数，f为谐振器基频，Δf为沿晶体X轴受力变化。由公式可见，石英晶体谐振式频率变化与其受力的变化呈线性关系。具体来说，如图1 所示。石英谐振式积冰观测仪是一种以弯曲振动模式的双闭端石英音叉应变计为核心部件的管状荷重积冰杆。当积冰杆表面出现结冰聚集时（受到载荷作用），积冰重量通过积冰杆传递给石英音叉应变计，应变计的变形量导致石英音叉的固有频率发生变化，通过谐振电路检测输出到后台的石英振子频率的改变量，从而达到检测积冰杆积冰重量的目的。

图1 电线积冰自动观测仪石英芯体受力示意

图2 为积冰观测仪的核心部分，即石英双音叉应变计以及利用无应力封接工艺使其与石英应变梁结合成一体的石英梁式力敏元件，并且在真空环境下，使所述石英梁式力敏元件与石英托架气密封装在一起，从而构成了一种高精度高稳定的频率输出型谐振式荷重梁。其优点是谐振品质因数Q高，稳定性优异，重现性佳。

图2 石英双音叉应变计

双端固支石英应变计的振梁工作原理：谐振器由2 个平行的石英振梁构成，2 个石英振梁在同一平面内反相振动，作用于2个石英振梁根部的力和力矩相互抵消，从而减小石英音叉的固定连接端与外界的能量耦合，降低了谐振时的能量损耗，从而提高了谐振器的品质因数［12，13］

式中f0为不受轴向力作用时梁的一阶固有频率；P为轴向力，l为振梁长度，E为石英杨氏模量，I为振梁极惯性矩，设梁的厚和宽分别为h和w，则惯性矩I＝hw3／12。振梁的一阶固有频率表达式为

将振梁的尺参数（l，h，w）以及式（3）代入式（2），可以得到细长梁受到轴向应力时固有频率与结构尺寸参数之间的关系。

石英是一种理想的弹性材料，在弹性范围内工作完全满足胡克定律，甚至到石英弹性梁断裂前的一瞬间仍然符合胡克定律，所以上述的石英应变梁采用与石英双音叉相同的晶体切型。因此不仅弹性特性优良，而且石英应变梁与石英双音叉的热膨胀系数相同，即使环境温度改变时，也不产生热应力，且不会降低测量精度。显然，所述的石英应变梁与石英双音叉应变计是一种最佳组合，它能够确保传感器具有高精度、高稳定和快响应特性。

2 积冰观测仪中石英应变梁的信号处理流程

对数据采集单元采集的电信号进行算法处理，使石英应变梁输出的电信号转换成气象标准信号进行编码传输，同时完成设备管理工作，其传输方式可以是RS-232、RS-485，也可以是WiFi 或无线通信；包括微控制单元（MCU）、数据存储器、程序存储器、高精度时钟和驱动电路［14，15］。软件主要包括数据采集、数据处理、数据存储和数据传输等功能模块。数据采集模块须按规定的采样频率进行采集；数据处理模块负责完成采样算法、数据计算处理和数据质量控制；数据存储模块主要完成数据的存储与管理；数据传输模块实现与终端计算机的通信，并具有数据补偿功能，整个信号流程如图3所示。

图3 石英谐振式荷重应变梁测量信号处理流程

3 测试结果与分析

由于目前采用人工的方式进行积冰检测，依照《GB／T35235-2017 地面气象观测规范电线积冰》中5.2.2.1 规定［16］：当单纯的雾凇直径较导线直径增加了11 mm 及以上，雨凇、湿雪冻结物或包括雾凇在内的混合积冰直径较导线直径增加了4 mm及以上时，应测定积冰重量。积冰重量单位为“g／m”，取整数。取雾凇ρ＝0.25 ×103kg／m3，按标准线径26.8 mm、长1 m电线换算，直径增加11 mm 相当于结冰厚度为5.5 mm，质量按下式计算

式中W为冰层质量，D为结冰后的导线直径，d为导线直径，L为电线长度。将以上数据代入公式

得到人工最小测冰质量为140 g。根据以上计算，与人工测冰比较，谐振式积冰自动观测仪的偏差值取±80 g／m，能够满足积冰测量的要求［16］。为此，选用标准砝码对5 支积冰观测仪（分别命名为S1、S2、S3、S4、S5）的偏差度进行标定结果如图4所示。从柱状图4（a）中可观察到S1、S2、S3、S4、S5的每次不同模拟积冰质量与标准砝码相对应的积冰质量都具有近似相同的高度，且图4（b）中也能观察到S1、S2、S3、S4、S5的多次模拟积冰质量曲线与标准砝码的积冰曲线也几乎重合，说明拟合曲线具有较高的拟合精度。此外，依据GB／T35235-2017 中的规定，可从图4（c）中观察到最大的偏差值为35.2（S3样机），仍处于偏差值的合理阈值范围内。可进一步说明谐振式积冰观测仪具有较小的偏差值。

图4 测试结果

此外，2019年秋季至2020 年冬季，在湖南省衡阳气象台衡山气象站开展了谐振式积冰观测仪和人工测量积冰的外场对比试验。具体观测数据如图5所示。

图5 试验周期积冰次数统计

从图5中可以看出，在整个试验周期内，人工测量采集到的积冰次数共7 次，自动观测仪采集的完整积冰周期次数共4次。第一次积冰过程从2019 年11 月24 日～2019 年12月3 日，在这个过程积冰状态有消融时段，但未完全消融，并重新积冰，直至12 月3 日积冰完全消融，而在这一过程中人工采集3次数据，但不是完整的积冰从开始到完全消融的状态；第二次积冰过程从2019 年12 月18 日～2019年12月21日，自动观测仪记录了完整的积冰从开始到消融的全过程，在这过程中人工记录2 次；第三次积冰过程从2020年1月9日～2020年1月13日，人工记录1次；第四次积冰过程从2020 年1 月13 日～2020 年1 月18 日，人工记录1次。经过对比可知，相比于随机型的人工观测，谐振式积冰观测仪具有数据完整、观测效率高、积冰过程可评估等优点。

图6（a）为第一次未修正前的人工积冰数据及自动观测仪的积冰数据，可观察到人工数据相对于谐振式积冰观测仪的数据有较大的偏差。为此，需要对人工数据进行修正。由于人工测量的导线线径和自动观测仪的线径不同，设积冰观测仪线径与人工测量线径的比值30／26.8 ＝1.12为线径系数，用人工观测值乘以线径系数进行修正，可观察到人工数据能与自动观测仪数据基本达到一致，如图6（b）中圆圈标注处。然而，由于人工数据采集的随机性，使得某些修正后的人工数据点（1＃，3＃）仍无法与自动观测仪的数据完全重合，存在明显的偏差。这就说明人工观测误差大且数据不连续，不能满足气象观测的性能稳定、检测精度高、无人值守等要求。

图6 积冰观测仪观测数据与未修正和修正后的人工数据对比

4 结 论

谐振式积冰观测仪的标定拟合曲线具有较高的拟合精度，可以根据积冰性质推算出电线积冰架上的积冰直径和厚度；起止时间和测冰时间；可观测记录积冰的增长阶段、保持阶段、消融崩溃阶段，包括积冰增长、消融的速率，能完整记录电线积冰的全过程。其次，外场试验表明用国际标准推荐的30 mm直径积冰杆能够满足气象观测的需要。最后，利用谐振式积冰观测仪的积冰数据来推算输电线路的积冰信息是一个可靠实用的方法。