南海島礁自動氣象檢測設備環境適應性設計初探

李長虹，閆杰

（1.工業和信息化部電子第五研究所，廣州 511370；2.廣東省電子信息產品可靠性技術重點實驗室，廣州 511370）

引言

近年來，在南海三沙市開展業務工作的各有關單位，為滿足各自相關的科研與業務工作需求（如自然暴露試驗或氣象預報等），陸續安裝了一系列不同型號的自動氣象檢測設備，實現了溫度、濕度、風向、風速、氣壓、降水量和太陽輻射等氣候因素的無人自動采集,為該地區的科學研究、天氣預測、海上運輸以及其它各種軍事與經濟活動，提供了可靠、及時、準確的氣象數據服務能力。不過，鑒于三沙市下屬各島礁屬于典型的熱帶海洋性氣候，常年處于強風、強輻射、高溫、高濕、高鹽霧環境下，其上自動氣象檢測設備的各種故障發生率往往比陸上環境高出數倍，嚴重時不僅會影響觀測數據的準確性，甚至會對使用人員人身安全產生一定威脅。再加上南海海域面積廣闊，其中的島礁遠離大陸，交通極其不便，很難部署常駐工作人員，因此對相關設備的環境適應性設計需求非常強烈。

1 基本組件設計要求

總體上來說，安裝在南海島礁上的自動氣象檢測設備，應專門針對熱帶島礁上開展科研與日常業務的需求進行針對性設計，以保證南海島礁當期氣象數據采集、記錄、監測及統計等工作的正常開展，其檢測的氣象因素種類應至少包括大氣溫度、濕度、風速、風向、雨量、氣壓、太陽輻射、日照時數等[1]。由此可見，一套完整的島礁氣象自動檢測設備，配置的基本軟硬件組件應包括數據采集器、存儲模塊、通道擴展板、太陽輻射表（總輻射、紫外、紅外）、日照時數傳感器、風速風向傳感器、大氣溫濕度傳感器、氣壓計、雨量筒、外部機箱與支架、供電系統、防雷擊模塊、遠程傳輸模塊、控制計算機及相關軟件系統[2]。

因此在上述前提下，開展南海島礁自動氣象檢測設備研制（或招標）時，應首先明確（或規定）上述所有基本組件，應采用全新的、沒有質量缺陷的材料與元器件，進行合理的設計和制造。特別是為了應對南海島礁惡劣的自然環境與保障維護條件，上述設備組件應選取耐腐蝕、長壽命、高可靠、低損耗、易獲取與更換的材料進行制作。在此基礎上，為保證設備滿足島礁環境正常工作需求，對設備硬件精度、軟件性能以及保障維修等方面的功能性能要求如下：

1）主控制器與傳感器精度要求

一般情況下，為保障設備所采集氣象因素的連續性與可靠性，同時兼顧經濟性與可維修性，對設備的主控制器與傳感器精度應規定一個合適的范圍。過高的精度要求，會導致設備成本過高以及設備可靠性降低；過低的精度要求，會導致部分環境因素（特別是溫度與濕度）變化量級區分困難，影響后續環境剖面分析結果的精確性。在經過綜合各方面考慮后，南海島礁自動氣象檢測設備的主控制器與傳感器精度建議如表1所示。

表1 南海島礁自動氣象檢測設備主要技術指標建議范圍

2）軟件性能要求

實時顯示：各項傳感器可不短于1 min 采集1 次數據，并可實現存儲相應的分鐘采集數據和小時數據。設備采集的所有氣象參數需在軟件上能夠實時顯示，顯示方式有數值顯示和曲線顯示。

查詢：可查詢任意時間段內采集的所有氣象參數，同時有數值、曲線顯示。

統計：可統計所有氣象參數日報表、月報表和年報表；可統計任意時間段內氣象參數的最高值、最低值、平均值、累計值及最高值、最低值出現的時間。還可以統計大于等于和小于等于某值的累計時間。

存儲：軟件獲得的所有氣象環境參數需在控制計算機上進行同步存儲。

3）保障維修要求

所屬軟、硬件應具備現場安裝和調試功能；設備所屬傳感器，應具備定期（每年）的現場無損傷拆卸與更換功能；設備選用監控電腦，應安裝獨立的輔助電源，保障長期、頻繁停電期間，相關信息的采集和監控。

2 耐腐蝕設計要求

一般來說，南海島礁地區周邊富含高濃度鹽霧粒子的熱帶海洋大氣，對設備保持正常運行的負面影響極其顯著。其主要原因在于，凝結在設備的材料表面，形成導電性很好的電解液膜，對該區域上的電化學反應具有極強的催化作用，會極大的加速相關表面處材料的腐蝕速度，因此極易導致設備出現各種故障[3]。如下圖所示，從多年的使用經驗來看，影響島礁自動氣象檢測設備性能的腐蝕故障，主要集中在金屬結構部件連接部位（如螺接處等）。

因此，在實際開展南海島礁地區自動氣象檢測設備耐腐蝕設計時，應根據其零部件各自的特點，分別選擇不同的耐腐蝕材料，并對成型后的組部件進一步針對性地表面處理工藝，提高設備整體的耐環境腐蝕能力[4]。具體措施如下：

1）支柱與支架

鑒于南海島礁地區特殊的氣候環境與困難的保障條件，應優先考慮采用自重輕、強度高、耐腐蝕性較好的鋁鈦合金或玻璃纖維復合材料制造支柱與支架。在自重無特殊要求時，也可選用316L 不銹鋼材料。與一般結構鋼材料相比，上述材料具有耐腐蝕、比強度高、便于運輸與安裝等優點，符合熱帶海洋環境條件下的實際使用需求。支柱與支架高度建議采用（1.5～3.0）m 標準進行設計（自然暴露試驗業務），以避免高度過高引起的風載荷過大。必須采用10 m 標準進行設計時（氣象預報業務），盡量選用316L 不銹鋼制作各種固定安裝附件（如拉索、索扣、預埋件等），可顯著增強該組件的抗腐蝕性能。另外，為進一步滿足耐腐蝕要求，可定期在上述關鍵部位涂抹防銹劑，能更有效的延長該組件的使用壽命。

2）機箱機柜

由于過高的箱內溫度，不僅會直接影響內部主控采集器的壽命和性能，也會加快其上的腐蝕反應速度，對設備耐腐蝕性設計要求非常不利。因此，南海島礁自動氣象檢測設備的機箱機柜不宜選用易聚熱材料（如高分子材料）制造，其上防護涂層也應以淺色調為主。根據多年使用經驗，建議選用316L 不銹鋼板或5XXX 系防銹鋁合金進行制造。其中，選用316L 不銹鋼材料制造機箱時，宜采用氫弧焊焊接工藝拼裝焊接，并推薦采用環氧底漆+丙烯酸聚氨酯面漆（或氟碳面漆）噴涂處理；機箱電纜穿孔處，應使用壓緊螺母擰緊設計進行密封，多余的進線口可用中性硅酮密封膠或中性玻璃膠填充密閉，以免潮濕的空氣進入；傳感器與主機之間的線路中不宜有中間接頭，線路中使用的接線盒接頭不宜裸露在空氣中，應采用中性密封膠給予密閉處理；信號線與供電線路應分開并穿管，管口處可用充填物堵嚴，避免水氣及昆蟲進入造成電纜外皮損傷，從而導致的腐蝕損傷。另外，為了防止縫隙腐蝕的發生，同時兼顧防水、防塵的要求，機箱與門之間的密封條推薦采用耐腐蝕性較好改性聚氨酯材料（或氟碳材料）進行制作（最好直接在門板上進行發泡工藝制作）。

圖1 南海島礁自動氣象檢測設備易腐蝕位置圖

3）安裝附件及標準緊固件

風桿、立柱、橫臂、支架等部件上的安裝附件和緊固件，應盡量選用與緊固對象相同材料進行制作，盡量將接觸腐蝕的傾向降到最低水平。在異金屬接觸設計不可避免的情況下，可選用316L 不銹鋼材料等高耐蝕性材料作為緊固件，并用非金屬材料墊圈隔離雙金屬接觸部位，且配合定期涂抹黃油等維護措施，也可有效的避免出現嚴重的接觸腐蝕現象。如果采用焊接設計，應盡量選用氫弧焊工藝進行焊接。同時，為提高焊接處的防護能力，對其表面進行環氧底漆+丙烯酸聚氨酯面漆（或氟碳面漆）噴涂處理噴涂處理，可以更好的達到海洋環境條件下的耐腐蝕性要求。

4）傳感器

各傳感器的緊固螺絲處，應定期用防銹劑進行維護保養處理，以減少結構件腐蝕；在接口電纜暴露處，可采用電工膠布、硅橡膠或熱縮管進行防護，以減少電纜膠皮材料老化速度；在進行電纜安裝時，應外套ABS、PVC 或強脂軟管等線管，電纜盡量不外漏，防止線纜直接受太陽暴曬和外界磨損。另外：

風傳感器：針對傳統的轉子式風傳感器，應經常注意轉動葉片軸承潤滑情況，并定期進行維護，檢查是否存在海沙、海鹽或者白蟻筑巢等堵塞，影響軸承轉動的故障現象發生。對于無轉子的超聲風傳感器，也應定期清理入風口，防止類似的雜物堵塞影響測量精度。

雨量傳感器：雨量傳感器的筒內部長時間使用后，容易沉積含鹽量較高的沉積物。這種沉積物一方面會加速筒內表面腐蝕速度，另一方面沉積物及其腐蝕產物如果清除不干凈，容易堵塞排水通道，造成測量誤差。因此在使用過程中，除了進行定期清理以外，應可盡量選用316L 不銹鋼材料制作雨量筒容器，能一定程度上減少容器外殼表面的腐蝕現象，延長其使用壽命。

太陽輻射傳感器：由于南海島礁當地大氣中偏鹽堿性的鹽粒、沙塵含量較高，容易沉積在傳感器入光口的光學玻璃表面。因此，應定期進行清理，防止傳感器光學玻璃表面發生堿性腐蝕現象，導致其光學性能下降。

5）印制電路板及組件

設備內部的印制電路板及組件表面可涂覆專用的三防漆，避免高濕條件下，電路板發生腐蝕，導致導線之間出現電暈、擊穿等現象。

3 抗風設計要求

南海海域位于東亞季風氣候區內，導致其夏季盛行西南季風，冬季則被更強的東北季風控制。其中，夏季季風一般在5 月中下旬從南向北擴展，平均最大風速大致在6 m/s 左右；冬季季風則在9 月開始由北向南擴展，平均最大風速可達10 m/s 左右。另外，每年夏季西太平洋海域產生的臺風，對當地的影響也較大。從臺風期間的最大風速來看，由于緯度較低（一般不處于臺風通過路徑），南海南部海域的島礁（如南沙群島）受臺風影響較小，出現最大風速超過12 級的強臺風（32.6～36.9）m/s 概率較低；相對的，對于南海中西部海域（如西沙群島），由于緯度相對較高，出現最大風力等級12級以上的強臺風天氣概率較高[5]。

由上述情況可見，在南海島礁（尤其是中西部）地區工作的自動氣象檢測設備，每年會受到季節交替性、方向性（東北、東南與西南）以及長時間的高風速影響，且在夏季期間可能會遭受短時間的、爆發性的極高風速侵襲。前者極易將周邊地面或大氣中的沙塵、鹽粒甚至枯枝樹葉等雜物，帶入并沉積到自動氣象檢測設備縫隙、孔隙、管道或轉動部分，誘導設備薄弱處快速發生磨蝕與縫隙腐蝕現象，或因堵塞與阻滯作用直接影響檢測結果（風速與雨量傳感器）；后者會在短時間內對設備戶外構件，特別是支架支柱部分施加極高的應力，超過材料受力或構件設計受力極限時會直接造成物理破壞。

因此，在對南海島礁地區工作的自動氣象檢測設備進行抗風設計時，除去采取對設備縫隙與孔隙部位進行密封處理，并定期清理必須暴露在外的管道與轉動部分等耐腐蝕措施以外，最主要考慮應為自動氣象檢測設備的戶外構件，必須具備在不大于12 級臺風風速上限，即約37 m/s 的風速環境下不被破壞的能力。根據多年的工作經驗，考慮到自動氣象檢測設備抗風性能的關鍵因素，主要集中在設備材料本體的抗拉、壓、彎曲等力學強度，以及外部支架支柱結構設計強度。再綜合南海島礁地區可能出現的最大風速量值，兼顧南海島礁地區后勤保障條件，推薦圖2 兩種外部設備安裝支架與支柱設計。

圖2 外部設備安裝支架與支柱結構設計圖

圖3 外部設備安裝支架與支柱結構應力仿真分布簡圖

如考慮降低制造成本，可采用316L 不銹鋼材料制造（抗拉強度約為480 MPa、屈服強度為177 MPa）上述兩種支架支柱結構，主要組件尺寸應不低于：鋼管（外徑50 mm 與25 mm）、鋼絲繩（直徑6 mm）和避雷針（直徑10 mm）。如下仿真分析圖所示，若設定每股鋼繩施加預緊力100 N，當風力等級為12 級時：在人字形支架正面受風情況下，最大拉應力點（三腳架支撐點）處極大值為58.5 Mpa；當人字形支架側面受風情況下，最大拉應力點處極大值為54.5 Mpa。相對的，門字形支架在正面受風情況下，在其結構的最大拉應力點（中間桿根部），最大應力極值約為110 Mpa。由此可見，上述支柱支架本體的基本結構強度（抗拉強度約為480 Mpa、屈服強度為177 MPa）高于結構理論上會受到的最大應力極限（人字梁58.5 Mpa、門字梁110 Mpa），因此相關結構設計能夠滿足該風速（約37 m/s）下的抗風性設計要求。

4 結論

為保障南海島礁氣象檢測工作的順利進行，確保在南海熱帶海洋環境下安裝與使用的自動氣象檢測設備運行穩定以及延長其使用壽命，通過匯總各相關單位多年的設備使用與防護設計經驗，綜合當前多種成熟、關鍵的電子設備防腐蝕與防風設計技術，提出的包括總體密封性改進、機箱防護、材料篩選、涂敷工藝和加工工藝改進、電纜保護等防護措施在內的南海島礁用自動氣象檢測設備環境適應性設計方法，對提升相關地區相關設備的環境適應性設計水平，保障當地災害預警、工程建設以及國防建設需求等方面具有極為重要的意義。