一種簡易恒溫加熱防凍結裝置在三穗國家基準氣候站的實踐應用

楊再禹，楊 平，謝佳豪

(貴州省三穗縣氣象局，貴州 三穗 556500)

0 引言

三穗國家基準氣候站地處貴州省東部，屬低海拔地區，承擔著溫度、氣壓、相對濕度、風向、風速、能見度、日照、天氣現象、雨量、云、蒸發、結冰、覆冰監測任務；自建站以來，每年1月、2月、12月(以下簡稱冬季)或多或少都會出現凝凍天氣，氣溫較低、有雨雪天氣時，風向、風速傳感器、雨量筒等氣象設備易被凍結，待到自然解凍時，已經丟失了大量數據，嚴重影響三穗國家基準氣候站的設備穩定運行率、數據傳輸及時率和數據可用性，造成歷史數據不連續，無法修復彌補。長期以來，三穗氣象工作者周而復始前往10 m高的風塔頂人工除冰，如遇到凝凍強勁的天氣，即使白天攀爬上冰滑的風塔完成除冰，可夜間又被凍住了，且該方法對人身安全帶來隱患，又容易對風傳感器機械部位造成物理損壞。

近年來，氣象工作者對風向風速傳感器冬季防凍做了大量研究。張雅昕等[1]運用25 W/24 V電加熱器通過廠家嵌入風向、風速傳感器自動保溫進行了研究；柯莉萍等[2]利用加熱絲進行加熱的方法對風向風速傳感器防凍設計在西南地區高海拔地區的應用進行實驗研究；無錫新氣象科技有限公司采用陶瓷PTC發熱片進行外置加熱防凍[3]；2019年以來，三穗縣氣象局從業人員利用加熱條、加熱線、加熱片反復進行加熱試驗，其中采用加熱片的方法簡單、經濟實惠、耐用。本文利用三穗縣國家基氣候站2008—2020年冬季逐日、逐時、逐分鐘地面氣象監測資料，詳細分析冬季冰凍期間風向風速相關氣象信息，判定風向風速凍住的氣象要素閾值，采用USB碳纖維發熱片，運用智能化科學控熱方式，保障了風向、風速監測資料連續可靠，確保冬季氣象資料準確及時、精密可靠，對冬季低海拔地區風向、風速數據正常采集具有重要的應用價值。

1 資料與方法

1.1 資料

三穗國家基氣候站2008—2020年1月、2月、12月月報表、分鐘報表等逐日、逐時、逐分鐘地面氣象觀測資料。

1.2 方法

1.2.1 統計分析 統計2008—2020年1月、2月、12月月報表(見表1)，發現14 a中有2 a(2009年和2017年)風向、風速傳感器沒有被凍結外，其余12 a都有被凍結的月份，被凍結率達85%以上。14 a來，一年中風向、風速傳感器3個月都被凍結的為0，2個月的有3 a，占比為21%，1個月的有9 a,占比達64%。風向、風速傳感器凍結時間最長為128 h，出現在2018年1月，其次為2011年1月，凍結時間111 h，第3是2015年的1月底，持續100 h。統計還發現風向、風速傳感器在1月凍結時間最長，2月時次最多，1月和12月凍結時次都是4次，但12月風向、風速傳感器凍結時間均在30 h以內。

表1 2008—2020年風向風速傳感器凍結情況統計表Tab.1 Wind direction and wind speed freezing statistics in 2008—2020

續表1

1月份月極端最低氣溫為-0.3～-5.9 ℃，2月份月極端最低氣溫為0.7～-5.3 ℃，12月份月極端最低氣溫為-0.8～-5.3 ℃。由此，2月份極端最低氣溫有可能在0 ℃以上，從風向、風速傳感器被凍結狀態來看，不僅僅與氣溫有關，同時與天氣狀況有密切關系。即使氣溫達到-5.0 ℃以下，若沒有凍雨產生，將不會凍結風要素傳感器，如有降水，氣溫達-1.8 ℃時也會產生凍結。因此，采用加熱裝置時，整個冬季都不能拆除，需保持應急狀態。

1.2.2 閾值分析 統計2008—2020年1月、2月、12月分鐘數據報表(見表2)。

表2 2008—2020年風向風速傳感器凍結與解凍時部分氣象要素變化情況表Tab.2 The change of some meteorological elements when wind direction and wind speed are frozen and thawedin 2008—2020

續表2

從表2可知，風向風速凍結時前1 min氣溫在0.3～-2.4 ℃之間、風速在0.1～2.5 m·s-1、相對濕度86%～97%，風向風速自然解凍時氣溫在0.5～-1.3 ℃之間、風速在0.1～2.6 m·s-1、相對濕度63%～95%。查詢月報表發現，所有被凍結的時段都是前期有持續凍雨或雨雪天氣發生。因此，采用加熱法防止風向風速凍結，至少設置0.3 ℃時啟動加熱裝置，上限根據本地歷史凝凍程度靈活設置。

2 加熱法試驗情況

2.1 風向風速傳感器凍結監測分析

2019年以來，通過對三穗國家基準氣候站主站以及備用站的ZQZ-TF風向、風速傳感器凍結狀況觀察，發現其凍結方向均在偏北方位，于正北方120°范圍內形成覆冰。隨著冰雪、凍雨時間延長，致使風速、風向機械傳感器轉動部位及上下邊緣覆冰層層疊加，累積成較大范圍的冰塊，阻礙風速傳感器隨風旋轉速度和風向擺動，當風速達到2.5 m·s-1(見表2)以下時，就能將風速、風向傳感器牢牢凍住，此時風速為“0”，風向長時間停滯在一個方向不能隨風擺動，造成風速、風向數據失真，不能正確反映一段時間的實況。監測發現，當溫度保持在0.5 ℃以上時，借助風向、風速傳感器的轉速，是不容易被凍結的，只有在溫度一降再降或一直維持數分鐘0.3 ℃以下(見表2)，才會發生凍結。

2.2 試驗情況分析

2019年1月以來，采用220V加熱帶進行試驗，又用USB鼠標暖手墊中的加熱線試驗，后改用12V碳纖維發熱片進行加熱試驗，在2019年2月后的4次凍結過程中能保證風速、風向傳感器正常運行，數據監測傳輸正常。

2019年2月17日風速缺測，2月17日19時26分啟動加熱裝置，19時27分風速傳感器開始轉動，此時風速達到0.2 m·s-1，因凍結時間不長，冰層不厚，加熱用時不長。

2020年12月14日08時40分開啟加熱裝置加熱主站風速傳感器，08時46分有數據傳輸，據監測，一共加熱了4 min 42 s后風速轉動正常；因備份站一直加熱，無數據缺測，而主站因凍結共造成缺測2 h 38 min，加熱裝備啟動后沒有發生凍結現象。

2021年1月7日和17日為雨雪天氣，1月6日和16日分別設置好智能加熱溫控儀，啟動加熱裝置，2021年1月、2月沒有出現風向風速傳感器凍結現象，由此可見，采用此方法是有效的。

在測試過程中，采用OPPO電源適配器，型號CF1001，輸入電壓100-240～50/60 Hz 0.2 A，輸出為5V=1000 mA；三星充電器，型號EP—TA10CBC,輸入電壓100-240～50/60 Hz 0.35 A，輸出為5.3 V=2.0 A；NOKIA充電器，型號AC—8C,輸入電壓100-240～50/60 Hz 150 mA，輸出為5.3 V=600 mA；3種充電器加熱時(碳纖維發熱片電線長1.2 m)，2 min后均加熱到35 ℃及以上，最后在55 ℃左右就沒有再升溫。如將碳纖維發熱片卷曲放入30 mL注射器中進行加熱，10 min后可以將其軟化，再繼續加熱，可將30 mL注射器融變形。由此可以判斷，碳纖維發熱片在敞開的環境中加熱，溫度是有上限的。測試用其卷曲包裹在風向、風速傳感器的轉動軸下方，連續加熱1周無異常(室內)。可見，將其覆蓋包裹在室外的ZQZ-TF風向、風速傳感器上加熱，因直接接觸空氣，冬天溫度低，容易散熱，開啟一周的時間是不會發生異常的。

2.3 加熱裝置分析

碳纖維發熱片為DIY暖腳寶、鼠標墊、暖手套、電熱膜等方面運用，功率10 W，發熱均勻，發熱量低。

本文防凍裝置采用碳纖維發熱片4片(1.2 m長透明塑料膜8 cm×10 cm)，集線器1根(4口USB2.0)，溫控儀1臺(XH—W1412牌LCD微電腦數字顯示),手機充電器1臺(5V單USB口)，電源線1根(15 m)，風向、風速傳感器加裝加熱片系統如圖1a，發熱片安裝效果如圖1b，其成本價在人民幣200元以內。

圖1 加裝加熱器系統框架圖(a)，外置碳纖維發熱片安裝效果圖(b)Fig.1 Add heater system(a)，external heating plate installation(b)

利用可調控溫XH—W1412微電腦LCD數字溫控儀(以下簡稱溫控儀)，對風向風速傳感器周圍的環境溫度進行實時監測，當溫度傳感器(NTC10k熱敏電阻)感應到周圍環境溫度低于設定的臨界溫度時，控溫儀繼電輸出，啟動加熱片進行加熱。當溫度上升到高于設定的臨界溫度時，加熱自動斷開，從而達到風向風速傳感器防凍的目的。根據閾值分析結果，本試驗控制加熱到2.0 ℃停止，低于0.5 ℃時再加熱，即設定啟動值為0.5 ℃停止為2.0 ℃。

3 結論

①三穗國家基準氣候站冬季風向、風速傳感器凍結率達85%以上，凍結時間最長為128 h；風向、風速傳感器凍結前1 min氣溫在0.3～-2.4 ℃之間、風速0.1～2.5 m·s-1、相對濕度86%～97%；風向、風速傳感器自然解凍時氣溫在0.5～-1.3 ℃之間、風速0.1～2.6 m·s-1、相對濕度63%～95%。

②三穗國家基準氣候站溫控儀閾值設定啟動值為0.5 ℃、停止為2.0 ℃適宜；當氣溫保持在0.5 ℃以上時，借助風向、風速傳感器的機械轉速，不容易被凍結。

③該防凍裝置在三穗國家基準氣候站運行設備上外場試驗，操作過程簡捷，實驗效果明顯，對保障冬季風向、風速數據正常監測與傳輸具有實用價值。

④該防凍裝置加熱功率低，裝置具有很高的安全性、可靠性、穩定性，用碳纖維發熱片加熱方法簡單、經濟實惠、耐用、具有可移植性；研究團隊將嘗試將其運用于雙翻斗雨量等氣象監測設備的冬季觀測。