邢丽平，陈 城*，刘 旭，鲁礼炳，傅 荣

(1.湖北省气象信息与技术保障中心，武汉 430074；2.湖北省荆州市气象局，湖北 荆州 434000)

目前气象部门使用的三杯式风向风速传感器主要由三个碳纤维风杯和一个风标组成，由于安装在室外，受环境变化的影响较大，在冬季低温雨雪天气条件下风的观测都不同程度地面临结冰问题，轻者影响风的观测资料的准确性，严重的甚至影响观测数据的连续性.通常出现冻结现象观测人员需到现场解决，如果使用的是风杆，只能用长竹竿敲打使其转动，或者将风杆放倒后进行融冰处理，但仍有可能很快又被冻住.如果传感器是安装在距地面10～12 m高的风塔上，则需人工攀登风塔使用电吹风等融冰方法，却带来了攀登安全和不恰当除冰等隐患.虽然可以用手持设备记录上报，却无法得到连续的风向风速记录，且效率低下.因此如何解决风向风速传感器结冰问题成了有关技术人员迫切关心的问题.

目前国内曾投入使用过的具有加热功能风传感器较少，仅有Vasisala公司的风速(WAA151型)和风向传感器(WAV151型)，加热元件安装在传感器旋转轴内，加热元件多采用环境条件满足功率≤4 W，温度<4 ℃的时自动启动加热装置，风传感器就开始加热，试点站运行中，效果并不理想，因为只考虑温度为结冻触发条件不够全面，各地温湿度差异很大，会造成很大的能源浪费.有研究表明风传感器结冻是由多个气象要素综合[1-5]引起，主要有：气温(-5 ℃～0 ℃)、平均风速(≤5 m/s)、相对湿度(≥80%)，当伴随雪或雨夹雪、雨凇或雾凇、大雾或轻雾等天气现象时容易出现结冻现象[6].国家自动气象站装配的风传感器主要有DZZ5、ZQZ-CII及EL15-2等多种型号，均属于金属壳体转动型风传感器，缺乏防冻设计，在低温雨雪期间风传感器易出现被雨雪冻住情况.近年来在全国范围内，自动气象站风传感器冬季冻结已呈现出“范围广、次数多、持续时间长”等特点.各省同行结合当地情况开展了相关[7-8]的分析及预防研究试验.综合归纳有5种防冰解冻方法：在风杯和风向传感器的轴承处，及风向风速传感器与风杆连接处均缠绕保温棉，避免结冻；传统涂抹防冻油或防冻液，防止传感器冻结；新增风横臂加热器，通过保持一定温度范围，使传感器不致被冻结；红外灯照射、电热丝加热以及利用云母加热片.但由于我国地域辽阔、地理环境复杂，气候条件差异大，因此，目前市场上还没有能解决全国范围内此类问题的相关产品.

1 系统结构组成

针对我省现状，近年来每逢冬季湖北省内各类国家气象站风传感器冻结严重，对观测数据质量影响较大.据统计2016年11月至2018年3月2个冬季时段内，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.为保证自动气象站风要素实时观测数据准确可靠，亟待研制发一种风向风速传感器防冻装置供日常业务使用.

考虑到观测场实际环境，通过预设工作温度、加热材料启动/停止温度阈值，适用于不同地域、不同环境条件、不同观测设备下风传感器防冻，确保在低温、高湿等复杂气象条件下按照设定条件控制该装置(安装在风传感器风杯轴承)自动循环加热，持续保持一个预定的温度范围，防止风传感器转轴冻结.系统智能设计除满足手动面板操作设置，还具备远程设置和监控分析，系统控制结构图1所示.

图1 系统控制结构图Fig.1 The structure diagram of the control system

2 防冻装置子站设计

智能防冻装置结构组成图2所示，包括智能控制模块、加热模块和线缆三部分组成，控制模块具备数据采集、电源控制功能；加热单元具备保温、防水、防晒、防静电等户外工作特性；线缆具备将传感器模拟信号转换成计算机电平信号通信功能.袁佰顺[9]自动气象站风传感器防冻控制电路设计；孙文良[10]自动气象站风传感器加热器的研制与实现，都是防冻装置内嵌单片机，根据提取的自动站观测实时要素指标，预设近似等于(>≠)冰点时，控制电路通讯口发出指令，装置开始工作[11]；此时云母片温度传感器<启动温度(下限阈值)-开始加热-云母片温度传感器持续增温≧停止温度(上限阈值)-停止加热-云母片温度传感器持续降温≦启动温度(下限阈值)，如此循环加热防止冻结.

图2 智能防冻装置结构图Fig.2 The structure diagram of the intelligent anti-freezing device

1) 控制单元：用于在采集的观测场环境温度，判断是否满足气象冰点条件，装置开始工作.主要由单片机进行智能控制.单片机程序主要有参数设定、显示面板、设置控制、加热控制等人机交互功能.

2) 加热单元：与控制器连接，由2个加热环(温度传感器和加热缠绕带组成)组成，分别附着在风向和风速传感器的转轴上，加热带与温度传感器通过绝缘层、绝热层物理隔离.温度传感器用以感应风传感器实际温度，比较实时采集大气的环境数据控制加热带，通过热传导材料云母片对风传感器外壳进行加热.

3) 线缆：由两组电源线分别给风向和风速传感器上加热环提供交流输入、温度数据线连接温度传感器将温度信号反馈控制单元.

2.1 控制模块设计

模块主要由单片机进行智能控制，单片机上电后，开始循环读取温度传感器和湿度传感器的实时数据，并对比设置的温度阈值，一旦达到设定的下限值，单片机发出控制指令，继电器闭合启动加热电路工作.在加热的同时定时采集温湿度实时数据，大于预设上限阈值时，单片机发出指令，继电器断开，关闭加热状态，加热环开始降温.装置具有动态调整设置键功能，单片机一旦读到设置键被按动，立即进入设置状态，根据显示的数据调整启动的温湿度值，调节到合理经验值，按下确认键即可.经验值调节根据不同观测站气象条件、装置能耗(频繁启停)、寿命(加热时间过长)等综合因素确定的.该键值一旦刷新，单片机按照新设置控制加热电路[12].监控软件页面上通过人机交互，同样可以在任意时刻设置启动停止条件.

2.2 加热模块设计

模块一部分采用商用传感器一部分采用自研装置组成(加热带)，传感器和加热带缠绕一体，均通过层叠的绝缘层和绝热层贴合安装在加热环的内侧，加热环套装在风传感器外围与加热环合并构成一体，采用“卡扣”方式固定在风传感器外围，通过电源线连接在智能控制器的输出端上；温度传感器和湿度传感器还分别通过数据线连接智能控制器的输入端.当判断温度和湿度满足结冰条件时，云母加热片，同时根据控制模块发出指令，实时采集风传感器外壳的温度，当外壳温度低于/高于阈值时，启动/停止加热.通过外壳温度判断加热片是否增温或降温.

3 远程监控平台设计

系统智能设计除满足手动设置，还具备远程设置和监控分析，通过CIMISS获取要素数据[13-14]实现远程启停控制循环加热.基于B/S框架设计采用C#、Java编程，平台主要功能：环境监控、数据分析、参数设置、远程控制等功能[15].应用数据访问接口读取显示包括站号、时间、经纬度、温湿度等要素，以及按地区检索、某一时间段温湿度曲线，图3监控平台主界面，可显示所有入网防冻装置自动气象站温湿风状态，左侧气象站名站号，右侧气象站实时气象温度和湿度数据及变化曲线，监视防冻装置系统是否正常工作.当满足预设值时，点击界面“启动”按钮，远程防冻装置开始工作.根据加热环温度传感器和湿度传感器，检测到的风向风速传感器表面的温度和湿度，控制加热环加热或停止加热，实时气温、湿度和传感器外壳温度可在装置显示屏上显示，同时通过通讯模块(SIM7600CE)数据传输接口，上传到远程监控平台，远程监控平台的控制指令传输到装置上.实现所有入网装置[16]的远程监控.

2014年春节之后，60岁的二哥为了减少自己的压力，为了避免家族企业利益与情感的冲突期，感到应该是自己退出职场的时候了，他没有考虑退休后的生活保障，没有要任何钱，无条件退出倾注自己心血与汗水的工作平台。

图3 监控软件主页Fig.3 The home page of the surveillance software

监控主页：展示所有防冻装置自动站的运行状态，所在气象站实时气象数据，各站点数据状态，可定时刷新.

站点控制：用于实现自动气象站防冻装置的工作状态远程控制.防冻装置自动站状态按颜色显示(黄色；异常，绿色：启动)，点击控制按钮后，实时显示防冻装置子站工作状态.

参数设定：可以设置站点装置工作温度、湿度的、加热环启停阈值，并根据阈值预计观测站风向风速传感器转轴是否结冰.气象结冰条件：装置工作温度阈值>环境冰点临界值&装置湿度阈值<环境湿度；转轴结冰：加热环温度阈值>加热环实际温度&加热环湿度阈值<加热环实际湿度，此时可远程开启或者关闭风传感器防冻装置，达到风传感器解冻的目的.

历史查询：针对远程数据服务访问方式，通过气象数据统一服务接口(MUSIC)访问CIMISS数据库检索获取小时、分钟数据[17].

4 智能控制设计

针对防止风传感器冻结最为有效的即电加热方法[18-19].考虑自动气象站安装位置、海拔高度以及气温、湿度等环境条件不同，结冰条件存在差异，围绕设计智能可调参数控制加热启动和停止，维持一定温度范围，选取科学合理阈值开展了大量的试验研究.

4.1 导热材料

在热传导性、稳定性、抗热衰减性、抗干扰性等方面对选用导热材料进行比较，主要有4种(云母、陶瓷、铸铝、硅胶)，通过综合评定分析，采用绝缘性能好、耐高温、重量轻、体积小、功率大、成本低云母加热片，可设计成各种形状.非常适合用于加热风传感器外壳[20].

4.2 双电源输入

由于冬季空气环境温度偏低，若要使风传感器维持一定温度不致冻结，确保风传感器保护罩与壳体的正常旋转，则需较大的加热功率，通常采用交流供电加热，考虑区域气象站交流供电困难、无人维护等野外环境差的条件，开展双电源输入供电尝试.利用区域气象站自带12.8 V直流电压太阳能电池板，在马桥区域气象观测站开展试验[21]，发现无需人工干预实际时长72 h，远超蓄电池输出功率计算理论值35 h.

4.3 智能控制

输入装置(键盘、模式选择开关)与控制器连接，用于向控制器输入控制指令，设计自动/手动模式，显示屏显示键盘设置空气温度、湿度、外壳温度的阈值，环境传感器实时采集大气温度和湿度数据，通过数据传输接口连接控制器和外界设备，用于与外界设备交换数据[22-23].

自动模式开启时，智能电源模块接收远程监控平台的控制指令，上传采集温湿度数据或智能控制加热器工作状态.通过接收远程控制命令、采集加热环工作状态、蓄电池电压等，完成监控平台远程启动.

实验室试验进程为：设置云母片加热工作温度32 ℃～45 ℃的范围装置正常工作.当温度≤32 ℃时，继电器吸合，外部负载开始加热，开始增温上升到≥45 ℃时，输出断开；开始降温下降到≤32 ℃时，继电器吸合，如此循环实现风传感器的加热.当加热工作模式加热至停止温度时，设备自动处于待机状态，自然冷却，等待下一次启动，自动进入加热模式.启停温度范围设计方法也即外场装置应用技术方法.温度显示屏线路如图4所示.

图4 温度显示屏线路图Fig.4 The circuit diagram of temperature display

5 应用检验

5.1 防冻装置安装

在荆州国家基本气象站部署风传感器防冻装置，防冻装置安装在观测场风塔上，加热线圈安装在风传感器支架上，装置安装在气象观测场风塔处，感应探头和加热圈固定于风塔右侧备份风向风速传感器(图5右侧)之上，与另一套主用自动站风向风速传感器(图5左侧)进行对比.

图5 风传感器防冻装置安装图Fig.5 The overall perspective of the intelligent anti-freezing device

5.2 一次应用检验

结合荆州地区2019年2月7日至11日一次冻雨天气过程，考虑备份系统(无锡)观测站服务器数据和本站(华云)CIMISS实时数据，荆州站本站未防冻数据通过MUSIC获取，有防冻数据在观测站服务器读取.期间有防冻和未防冻气温、相对湿度变化以及自动气象站风向、风速变化趋势如图6～图9.表明防冻装置有效防止了自动气象站风传感器冻结，保证了数据连续性.CIMISS实时数据为远程启停控制防冻装置加热提供了数据支撑.

图6给出的是7日10时至12日2时的两组风速传感器变化曲线，可以看出：未防冻处理的风速传感器在7日22时跃变为0，且长时间持续不变，11日14时后有不为0的风速值，可判断7日22时至11日14时风速传感器已冻结，经防冻处理的风速传感器在冻结期间及其前后12 h保持连续的变化曲线.

图6 2 min风速对比分析图Fig.6 The comparative analysis diagram of two-minute average wind speed

图7给出的是同时间段两组风向传感器风向变化曲线，同样可以得出相似结论.表明智能加热控制器在该冻雨天气过程中，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7 2 min风向对比分析图Fig.7 The comparative analysis diagram of two-minute average wind direction

图8～图9给出7日22时开始风速0值时，两组气温和相对湿度数据的变化曲线，表明有防冻时，CIMISS和备份系统低温高湿数据的吻合状态，在启动和停止时高度吻合，为远程启动装置提供依据.

图8 2 min风速0值时气温对比分析图Fig.8 The comparative analysis diagram of the temperature when two-minute average wind speed is 0

图9 2 min风速0值时相对湿度对比分析图Fig.9 The comparative analysis diagram of the humidity when two-minute average wind speed is 0

图10给出了7日10时至12日2时的2 min平均风速CIMISS标准数据，验证了2月7日至11日一次冻雨天气过程，有风传感器防冻装置荆州本站，其风速数据的连续性.

图10 2 min风速变化图Fig.10 The variation diagram of two-minute average wind speed

6 结语

从2017年开始从导热材质野外适用、能耗、材料保温、材料发热影响使用寿命以及装置稳定性、抗干扰性等方面开展了调研试验，并获得2项国家实用型专利.2019年在荆州国家气象观测站自动气象站安装，至今运行正常.2019年低温雨雪期间有效防止了自动气象站风传感器的冻结，保证了数据的连续性.2018年11月至2020年3月2个冬季时段内(2019年底开始批量部署)，全省82个国家级自动气象站风传感器冻结现象台站数量、冻结次数均大幅下降(13个台站、59次).截止2020年7月该装置已在全省22个国家级自动气象站安装运行.然而试验数据只是一次应用检验[24-25]，仍有大量的研究试验数据验证工作，需要进一步积累各种不同覆冰的气象条件下，确定温控融冻的临界指标，如加热启动停止控制、远程启动停止湿度的判定指标，减少无用的加热启动频次，降低系统运行功耗.条件具备时可推广到偏远无人值守的区域[26]自动站观测场所.