地面风传感器加热装置设计及试验研究

沈玉亮, 邰俊杰, 陈箐箐, 周先锋

(1.安徽省大气探测技术保障中心, 合肥 230031; 2.金寨县气象局, 六安 237300; 3.安徽省气象信息中心, 合肥 230031)

风向风速观测是地面气象观测的主要项目之一,安徽省国家级地面气象观测站业务在用的风传感器多采用EL15型,具有稳定性好、成本低、便于维护等优点[1],但未采取预防雨雪、雨凇、雾凇、冻雨等冰冻灾害的措施。在冬季雨雪、冻雨、雨凇和雾凇等天气现象发生时,风传感器转动部件容易发生冻结,造成风向风速观测数据缺测。目前的处理方法主要是人工进行干预,需要多人协同倒伏风杆或攀爬风塔进行结冰清除维护,但此方法清除结冰持续时间较短,特别是在高山和艰苦台站,维修维护非常困难。此外,高山和艰苦台站所在区域冬季雨雪天气过程中往往交通短时中断,加大了修复操作难度。因此,开展自动气象站风传感器加热装置的宽温设计,减少或解决雨凇、雾凇和冰冻对风传感器运行的影响,使风传感器稳定工作,是地面气象观测业务质量对风传感器稳定运行的最基本要求。

风传感器冬季容易冻结的问题一直以来备受关注。近年来,中外关于地面风传感器防冻技术研究文献较少,相关研究文献年代较为久远,多采用电加热技术,Liu等[2]设计了一种风矢量的测量方法,在加热单元设计方面,利用镍铬合金丝作为加热元件,建立了加热单元恒定功率控制策略,分析了传感器加热单元在不同风速下的温度场分布;邢丽平等[3]提出了一种风传感器防冻结装置的思路,采用云母片加热技术预防风传感器冻结,设计了智能可调参数控制加热片加热启动和停止,维持一定温度范围,通过一次冻雨过程试验,分析了风传感器冻结时发生的天气情况和预防冻结效果,但防冻结效果缺乏大量的研究试验数据进行验证;邬昀[4]研制出风传感器智能防冻装置,根据风传感器外壳结构特点,采用了“卡扣”设计的加热环,通过静态试验分析了防冻装置防冻效果和数据采集准确性,然而外场试验仅分析了防冻装置的防冻效果,对于风观测要素数据准确性未做进一步的评估分析;毕于健等[5]设计了一种基于聚酰亚胺(polyimide,PI)模的新风速传感器自动加热系统,利用PI膜加热片通电即发热原理,根据外界环境温度直接控制加热器启动或关闭,但系统没有给出加热片工作过程中具体的技术参数,对加热片未设置合理的温度上下限阈值,容易引起加热过程中温度过高烧毁传感器组件或温度过低无法达到防冻效果;李宗昊等[6]研制了一种风传感器防冻害保护装置,采用镍铬电热丝特点发热的原理使传感器的本体始终保持恒温,可减少风传感器冻结时间,没有描述该装置在静态和动态试验过程中防冻结效果;也有学者对风传感器冻结发生的天气条件和特征进行了研究[7-13],研究表明:气温(0～5 ℃)、平均风速(≤5 m/s)、相对湿度(≥80%),并伴随雪或雨夹雪、雨凇或雾凇、大雾或轻雾等天气现象时容易发生结冻故障。以上研究的加热技术均采用了单一电加热模式,在条件恶劣的环境下无法有效解决风传感器冻结的问题,加热时间随着工作环境温度的降低不断增加,而无法满足在极端低温环境中正常工作的要求。针对不同天气过程影响风传感器稳定运行的情况,现设计一种基于分级加热技术的风传感器加热装置,具有宽温区、自动保护等功能,采用多级电热膜组合控制形式,根据外界温度环境启动加热装置,通过继电器来开启或关闭相应层级的加热片,可根据天气条件动态自动调整加热功率的模型,确保风传感器的稳定运行,适应中国不同气候区域的应用。

1 加热装置设计

加热装置主要由控制单元、加热单元和供电单元等构成,如图1所示。其中加热元件、外罩、保温贴层组成加热单元,具有保温、防水、防晒、防静电等户外工作特性;控制单元主要由温度比较器、开关电源、继电器等组成,具有数据采集、电源控制功能。供电单元与加热单元之间通过电源线连接,当外界环境温度达到控制单元所设阈值时,将电源接通,通过继电器来开启或关闭不同层级的加热片,如此循环加热防止冻结。

图1 加热装置组成模块Fig.1 Heating device composition module

(1)控制单元:控制单元是整个加热装置的核心,用于采集外界环境温度,判断是否满足控制单元所设阈值条件,主要由嵌入式处理器微控制器(microcontroller unit,MCU)进行控制。通过控制单元面板上的按钮可设置温度的控制阈值,实现对加热片的电源控制,从而控制加热片的加热和等待状态。

(2)加热单元:与控制单元连接,由两组加热单元组成,分别缠绕在风向风速传感器的杯体表面,保温贴层贴合在加热元件外表面,外罩固定在风向风速传感器外围,与加热元件组合成一体。

(3)供电单元:采用交流220 V转化为直流12 V的供电方式,分别给风向风速传感器上加热元件提供供电电压。

1.1 加热单元

加热装置采用硅胶加热片作为加热元件[14-17],由两个结构相同的加热片组成,风向风速传感器加热片每路功率选择10 W。加热片分别缠绕在风向风速传感器壳体表面,通过层叠的绝缘层安装在加热元件的内侧,保温贴层贴合在加热元件外侧,外罩装在风传感器外围与加热元件、保温贴层合并成一体,固定在风向风速传感器外围,其结构如图2所示。加热单元通过电源线连接在机箱内部控制单元的输出端上,温度传感器通过数据线连接控制单元的输入端;根据控制单元发出指令,实时采集风传感器加热元件的温度,当外壳温度低于或高于阈值时,启动或停止加热;同时通过外壳温度判断加热片是否增温或降温。

图2 加热单元结构图Fig.2 Structural drawing of heating unit

1.2 控制单元

控制单元主要由嵌入式处理器MCU(控制芯片型号为STM32L51CB)进行控制,其控制原理如图3所示。系统上电后,开始循环读取温度传感器实时数据,并与系统预设温度阈值进行比较,输出相应电信号至嵌入式处理单元,按照预先所设逻辑进行工作,控制继电器组合工作状态,自动启动或者停止相应加热片的供电,控制流程如图4所示。

图3 加热装置控制原理图Fig.3 Heating device control schematic diagram

图4 加热装置控制流程图Fig.4 Flow chart of heating device control

当采集的温度数据Te达到所设阈值下限时,MCU发出控制指令,继电器闭合,启动加热单元工作;当采集的温度数据大于所设阈值上限时,MCU发出指令,继电器断开,关闭加热单元,加热单元开始降温。控制单元具有动态调整设置温度阈值功能,该阈值重新设置后,MCU按照新设置控制加热电路[18]。

2 试验过程

研究表明[12,19-21],任何设备或装置的研发都需要进行大量的试验做支撑。为了检验风传感器加热装置的性能,以及在气象观测业务中应用的可行性,需要通过实验室静态测试和外场动态试验来对加热装置性能进行分析,为带有加热装置风传感器应用于气象观测业务提供决策支撑。

实验室测试在安徽省气象计量检定站进行;外场动态试验选取风传感器出现冻结次数较多的黄山国家基准气候站作为试验台站,用于检验风传感器加热装置防冻效果和数据连续性。由于黄山国家基准气候站两套风传感器型号、软件算法有差异,故选取设备型号、软件算法相同的长丰国家气象观测站作为另一个试验台站,用于检验加热装置对风传感器采集数据准确性的影响。

黄山、长丰站均为一主一备两套观测系统,主站装有风传感器加热装置,备份站风传感器未安装加热装置,两个站点的风传感器均工作在相同的环境下,并分别布设在同一高度。

3 静态测试

3.1 风洞试验

在检定室内采用HDF-500-I型环形低速风洞对风速性能进行了静态测试[22-24]。《自动气象站风向风速传感器》依据[JJG(气象)004—2011]规定的方法,分别将风速传感器和带有加热装置的风速传感器安装在相应的试验段内(风速传感器相同),分析带有加热装置的风速传感器的准确性。

试验是测试风速传感器在不同标准风速下的性能检定,开启风洞风机,使风洞内风速分别达到稳定的2、5、10、15、20、25、30 m/s检定点,分别记录风速传感器的实测风速。风速传感器与带有加热装置的风速传感器风速示值如表1所示。

表1 风速传感器测量结果

由表1可知,标准风速从2 m/s变化到30 m/s的过程中,未带有加热装置的风速传感器风速值与带有加热装置风速传感器的风速值变化基本一致,两者差值均符合风杯风速传感器计量性能要求[22-23],即最大允许误差为±(0.5+0.03v) m/s,其中v为风速示值。因此,加热装置未影响风传感器采集数据的准确性。

3.2 加热单元的测试

为了评估加热装置加热性能,需要测试加热装置温度变化情况。在加热装置加热性能分析试验中,将低温检定试验箱设置为-19 ℃,启动温度设置为5 ℃,加热装置停止工作温度设置为30 ℃。将风传感器加热放置试验箱内,待温度恒定后,将系统上电,加热装置开始工作,其温度随时间的变化关系如表2所示。

表2 加热装置温度随时间变化关系

从表2可知,当采集的温度数据达到所设阈值-15 ℃时,继电器闭合,加热单元第一次启动,加热装置从-19 ℃到5 ℃的升温时间为74.81 s;当采集的温度数据大于所设阈值上限时,继电器断开,关闭加热单元,从30 ℃到5 ℃的第一次降温时间为73.75 s。在加热装置进入正常循环后从5 ℃到30 ℃的升温时间为155.33 s,从30 ℃到5 ℃的降温时间为81.8 s,如此循环加热装置自动处于待命状态,等待下一次自动启动,从而达到防冻和解冻的效果,也很好地降低了功耗。

4 外场试验及应用

4.1 资料说明

研究使用的资料包括:①为检验风传感器加热装置防冻效果和数据连续性,选取2022年2月11日20:00—12日12:00黄山基准气候站一次冻结过程的逐分钟气象要素观测数据,包括2 min风向风速、10 min风向风速、气温、相对湿度等观测数据;②为判断加热装置对风传感器测量数据准确性的影响,选取2021年12月1日00:00—24:00长丰国家气象观测站主站、备份站逐分钟气象要素观测数据,包括2 min风向风速、10 min风向风速。

以上数据由黄山、长丰站提供,并经过质控订正得到;2021年10月主站、备份站风传感器均经过省级计量部门检定合格,并取得计量检定合格证书。

4.2 处理方法

4.2.1 数据完整性

评估主站、备份站风向风速观测数据完整性,检验设备运行稳定性。评估过程中排除因正常维护过程、故障维修期间等因素造成的数据缺测时间。以分钟观测数据为基本单位,计算2 min风向风速的数据完整性,计算公式为

(1)

式(1)中:A为分钟数据实际观测次数;B为分钟数据应观测次数。

4.2.2 风速相关性

将主站和备份站风速数据进行相关性评估,并进行线性拟合,得到两组数据的相关系数R1、R2,达到0.85则可以认为带有加热装置的风传感器和未带有加热装置的风传感器之间具有可比较性。相关系数计算公式为

(2)

4.2.3 风向一致性

气象学上规定,风向角度范围0°～360°,共16个方位,其中0°为正北,90°为正东,180°为正南,270°为正西。每个方向角度宽度为22.5°,判断2个风向是否在同一角度内,通过计算2个风向的差值是否小于22.5°。具体方法为:如果差值小于180°,不做处理;当差值大于180°,则用差值减去360°,再取绝对值。

风向采用一致性进行评估,即比较主站风向与备份站风向相应数据相差不超过22.5°的占比公式为

(3)

式(3)中:C为一致次数,即在有效总次数中两套仪器风向相差不大于22.5°的次数;D为有效总次数,即对比的两套仪器的相应风速均大于0.5 m/s时的次数。

4.3 结果与分析

4.3.1 冻结时气象条件

2022年2月11日20:45—12日10:53黄山基准气候站备份站发生冻结的一次天气过程(主站未冻结),该段时间内出现了雾、雨、雨夹雪、雪、雨凇、积雪等天气现象。此次冻结过程气温和相对湿度的变化情况,如图5所示。

图5 冻结时气象要素变化曲线Fig.5 Change curve of meteorological elements during freezing

由图5可知,主站和备份站气温和相对湿度数据变化趋势基本一致,此次冻结过程的天气条件为低温、高湿状态,为加热装置的启动提供技术依据。

4.3.2 数据完整性分析与结果

由表3可知,主站2 min风向风速数据完整性均为100%;备份站2 min风向风速数据完整性为11.7%。结果表明,在雾、雨、雨夹雪、雪、雨凇、积雪等天气现象发生时,带有加热装置的风传感器比未带有加热装置的风传感器运行更加稳定。

表3 风向风速观测数据完整性统计

4.3.3 防冻效果分析与结果

由图6可知,备份站2 min风速在11日20:45跃变为0.0 m/s,2 min风向固定不变,且长时间持续不变,直至12日10:53后出现变化的风向风速值,可判断11日20:45—12日10:53备份站风传感器已冻结,主站风传感器未冻结。结果表明,带有加热装置的风传感器起到了很好的防冻结作用,保证了风传感器的正常工作及风观测数据的连续性。

图6 冻结时风向风速变化曲线Fig.6 Change curve of wind direction and speed during freezing

4.3.4 风速相关性分析与结果

图7给出了2 min和10 min风速数据曲线图。

图7 风速数据变化曲线Fig.7 Wind speed variation curve

图8给出了两种风速传感器偏差值统计直方图,用主站风速测量值减去备份站风速测量值作为两种风速传感器的偏差值。

图8 风速差值统计直方图Fig.8 Statistical histogram of wind speed difference

图9给出了两种风速传感器观测结果的散点图,并用最小二乘法拟合出了观测值的相关性曲线,更直观的反映出两种风速传感器的相关性。

图9 风速相关性曲线Fig.9 Wind speed correlation curve

主站、备份站2 min和10 min风速变化趋势基本一致,可以看出两者具有很强的相关性。从数据样本分析:两者2 min和10 min风速的相关性系数分别为0.97、0.99,相关性较强,两者差值的离散程度很小。

2 min和10 min风速的差值统计直方图近似正态分布,可直观地判断两者风速偏差值主要集中分布在差值0.3 m/s范围内,两者风速差值分布的散差满足误差允许范围。

风速散点图直观地反映了所有风速数据点的分布接近拟合直线两侧,2 min和10 min风速具有较强的相关性。

4.3.5 风向一致性分析与结果由图10可知,2 min和10 min风向一致性均在80%以上,10 min风向一致性优于2 min风向一致性。从数据样本分析:2 min风向和10 min风向一致性分别为96.77%、99.47%,一致性显著。

图10 风向一致性统计Fig.10 Wind direction consistency statistics

5 结论

利用黄山站资料分析了主站、备份站风向风速数据完整性,以及长丰主站、备份站风向风速数据可比较性,得出如下结论。

(1)在冬季雨雪、雨凇和雾凇等天气现象发生时,带有加热装置的风传感器运行更加稳定,防冻效果显著,可有效降低或消除风传感器转动部件冻结发生的次数,保证风向风速观测数据的连续性。

(2)通过静态测试和对试验台站风速数据相关性、风向数据一致性的分析可知,加热装置未对风向风速采集数据的准确性产生影响。

(3)加热装置减轻了业务人员维护工作量,缩短了设备故障时间,提高了运维效率,降低了运维成本。特别是在高山和艰苦台站作用尤为突出。

风传感器冻结是温度、湿度和风速等天气条件综合因素的结果,在实际外场测试过程中,仅考虑外界环境温度参数,实际的业务运行环境需要考虑受多种因素(对流、辐射、接触面积和天气因素等)的影响,需要进一步积累各种不同覆冰的气象条件,期望建立一种可根据天气条件动态自动调整加热功率的模型,并输出状态参数,适应中国不同气候区域的应用。另外,现有外部结构件对实际业务工作带来许多问题,无法做到连续使用,需要优化加热装置的结构件,设计一种可拆卸的、操作简便的构件。