第55卷第3期2021年6月
Vol55 No3
Jun&2021
华中师范大学学报(自然科学版)
JOURNAL OF CENTRAL CHINA NORMAL UNIVERSITY (Nat Si )
DOI ：10. 19603/j. cnki. 1000-1190. 2021 03. 009 文章编号：1000-1190（2021）03-0382-07
邢丽平X陈 城1*
*，刘 旭2，鲁礼炳2，傅 荣2收稿日期:2020-09-23.
基金项目：湖北省气象局科 展基金重点项目（2020Z07）.* 通信联系人.E-mail ： mlbbcc @ 126. com.
（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）
摘要：我国大部分地区寒冷季节，地面自动气象站风传感器容易冻结，影响观测数据质量，尤其 偏远无人值守的区域站，维护保养困难很大，影响时间长.为解决这一问题，提出了一种风传感器
防冻结装置的技术思路，从智能防冻装置的结构、功能模块以及智能加热控制等方面开展设计试 验.结合外场一次冻雨天气过程的试验，采用CIMISS 数据应用检验.结果表明，风传感器防冻装置
是冬季保证风要素观测数据完整性连续性的重要措施，对气象站和风力发电场地面风观测站的风 传感器的防冻具有广泛应用价值.
关键词：智能防冻装置；自动气象站；风传感器；CIMISS ； MUSIC
中图分类号：P412.16 文献标志码：A 开放科学（资源服务）标志码（OSID ）：
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 料的 ，严重的 影响
机电在线
数据的连续性.通常岀现冻结现象
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
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 吹风等融冰方法，却
了攀登安全和不恰
：
冰等隐患.虽然 用手持设备
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
速传 器 冰问题 了
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 P 的时自动启动加热装置，风传 器就开 ，试点站
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,
大的
浪费.有研究表明风
传感器结冻是由多个气象要素综合（15）引起，主要
有：气温（一5 P 〜0 °C ）、平均风速（*5 m/s ）、相对
湿度（（80%），当伴随雪或雨夹雪、雨淞或雾Z 、大 雾或轻雾等天气现象时容易岀现结冻现象国家 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 传
器易岀现 雨雪冻住 & 年 国范 ，自动气象站风传感器
冻 现岀“范围
数多、持续 长”等特点.各省同 合当
开展了相关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
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 臂 器，通过保持一定温
度范围，使传感器
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、 理环境复杂，气候条件
大，因此，目前市场上还没 解决全国范 类问题的相
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 传 器冻 ， 数 量影响较大.据统计2016年11月至2018年3月2个
段内，全省82个国家级自动气象站共有54
个岀现了风传感器冻结现象，冻 数达到109为保证自动气象站风要素
数据准
第3期邢丽平等：地面风传感器智能防冻装置设计与应用检验383
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 、不 同环境条件、不同 设备下风传感器防冻，确保
温、高湿
杂气象条件下按照设定条件控制该装置（安装 传感器风杯轴承）自动循环
H
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
1
示.
通过绝缘层、绝热层物理隔离.温度传感器用以感
传感器 温度% 大气的环境数
据控制 ，通
传导材料云母片 传感器
壳
3）线缆：由两组电源线分别给风向和风速传
感器上 环 输入、温度数 连接温度
传感器将温度信号反馈控制单元.
控制单元
；|软件平台I
远程监控平台
防冻装置子站
图1系统控制结构图
Fig. 1 The structure diagram of the control system
■控制单元智能防冻装置
线缆
加热单元
温度数据线
电源线
加热环
温度传感器
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 、 模 块 和 缆 u 部 分 控 制模 块 具 备数 、电源控制功能；加热单元具备保温、防
、防晒、防 户外工作特性；线缆具备将传感器模拟信号
计算机电平信号通信功能•袁佰
⑼自动气象站风传感器防冻控制 设计；孙文
（0）自动气象站风传感器
领衬器的研制与实现,
都是防冻装
单片机，，
的自动站 I
要素
，预设 于（〉=）冰点时，控制通讯口发出
，装置开始工作（1）；
母
片温度传感器V 启动温度（下限阈值）—开 1热
—云母片温度传感器持续增温 止温度（上限阈
） — 止 — 母 片 温 度 传 器持续 温 启 动 温 度 （ 下 阈 ） 循环 防 止冻 .
1） 控制单元：用于 的 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 智能控制•单片机程序主要 数设定、示面板、 设 控制 、 控制 人机 功 .
2） 单元：与控制器连接，由2个
环
（温度传感器和加热缠绕 ）组成，分别附 :
和 速传 器的 轴 上 与 温 度传 器
图2智能防冻装置结构图
Fig.2 The s<ruc<ure diagram of
<hein<e l igen<an<i-freezingdevice
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 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
单片机发出控制 ，继电器闭合启动加热
工作•
的同
温湿度 数
大于预设上限阈
，单片机发出
，继电器
开，关闭 ，加热环开
温•装置具有动
调整设
功能，单片机一旦读到设 按
动，立 入设
， 示的数据调整启动的温湿度值，调节到合理
，按下确讪
调节
同观测站气象条件、装 耗
（频繁启停）、寿命（力
长）等综合因素 :
的.该
一旦 ，单片机按照新设置控制加热车载卫生间
（2）监控软件页面上通过人机 ，同样
:
任意时刻设置启动停止条件•
2.2 模 计
模块一部分采用商用传感器一部分采用自研 装 ！
），传感器和
接缠绕一体，
均
84华中师范大学学报（自然科学版）第55卷
通过层叠的绝缘层和绝热层贴合安装在加热环的内侧，加热环套装传感器与环合并构一体，采用“卡扣''方式固传感器，通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连接智能控制器的输入端•温度和湿度满足结冰条件时，母片，同控制模块发出，实时采集风传感器外壳的温度，当外壳温度低于/高于阈，启动/停止•通壳温度片是否增温温.
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「⑷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 示包括站号、时间、经纬度、温湿度等要素，以及按地区检索、某一段温湿度，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，左侧气象站名站号，右侧气象站气象温度和湿度数据及变化，监视防冻装置系统是否正常工作•当满足预设，点击界面“启动”按钮，远程防冻装置开始工作••加热环温度传感器和湿度传感器，检测到的速传感
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装1示屏上显示，同时通过通讯模块（SIM7600CE）数传输接口，上传到程监控平，程监控平
的控制传输到装置上•实现所有入网装置（16）的程监控.
图3监控软件主页
Fig.3Thehomepageof<hesurvei l ancesof<ware
监控主页：展示所有防冻装置自动站的运行状，气象站气象数，站点数，
.
站点控制：用于实现自动气象站防冻装置的工作程控制•防冻装置自动站按颜示（黄；异常，绿：启动），点击控制按钮后，实时显示防冻装站工作.
数设：设站点装工作温度、湿度的、环启阈%并阈预计站
速传感器转轴是否结冰•气象结冰条件：装置工作温度阈值$环境冰点临b装置湿度阈值V 环境湿度；轴冰：环温度阈$环温度b环湿度阈V环湿度%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•
：针程数据服务访问方式，通过气象数一服务接口（MUSIC）访问CIMISS数检索获取小时、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、度以及气温、湿度环境条件同%冰条件
围绕设计智调参数控制启动和停止，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农材料
传 、稳定性、抗热衰减性、抗干扰性等方面用材料，主要有4种（云母、、、）%通合分析%用
、耐高温、重量轻、体积小、功率大、成本母
片，可设计•非常适合用于！风传感器外壳「20）・
4・2双电源输入
由于空气环境温度偏低，若要使风传感器维持一定温度冻结，确保风传感器保护罩与壳的正常旋转，
大的功率，通常采用交
考虑区域气象站、无人维护环境差的条件，开展双输入供电尝•利用区域气象站自带12.8V直压太阳能板，区域气象观测站开展试验「21），发现
人工干预长72h，远超输出功率计算理论值35h.
4.3智能控制
输入装（、模式开）与控制器
连
第3期邢丽平等：地面风传感器智能防冻装置设计与应用检验85
接，用于向控制器输入控制指令，设计自动/手动模
式，显示示设置空气温度、湿度、外壳温度
的阈值，环境传感器大气温度和湿度数
据，通过数据传输接口连接控制器和设备，用
于与设备数据「22沁.
自动模式开启时，智能电源模块接收远程监控
平台的控制，上传温湿度数智能控制
器工作•通过接收远程控制命令、采集加
环工作、压等，完成监控平程
启动
实验室试验进程为：设置云母片加热工作温度32C〜45C的范围装置正常工作.当温度*32C 时，继电器吸合，外部开，开增温上升到（45C时，输出断开；开温下降到*32C ，继电器吸合，如此循环实现风传感器的s当
工作模式止温度时，设备自动处于待机，自然冷却，等待下一次启动，自动进入'模式•启停温度范围设计方法也场装用技方法•温度显示4所示.
图4温度显示屏线路图
加热片Fig4The circuit diagram of temperature display
5应用检验
5・1防冻装置安装
荆州国家基本气象站部署风传感器防冻装置，防冻装置安装场风塔上，圈安装传感器支架上，装置安装在气象场风塔，感应探头和圈固定于风塔右侧备
速传感器（图5右侧）之上，与另一套主用自动站风速传感器（图5左侧）进行）
5.2-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数据，荆州站本站未防冻数据通过MUSIC获取，有防冻数据在
站服务器•期间有防冻和未防冻气温、相对湿
图5风传感器防冻装置安装图
Fig5Theovera l perspectiveof
theinte l igentanti-freezingdevice
度变化以及自动气象站风向、风速变化趋势如图6
〜图9.表明防冻装防止了自动气象站风传
感器冻结，保证了数据连续性.CIMISS数据
为远程启停控制防冻装了数据支撑.
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，出：未防冻处理的风速传感器在7日22变为0，且长持续不变11日14为0的速%7日
22 11日14速传器冻%防冻
理的风速传感器在冻结期间及其12h保持连
续的变化
图62min风速对比分析图
Fig6The comparative analysis diagram of
two-minuteaveragewindspeed
图7给出的是同时间段两组风向传感器风向
变化，同样出相似结论•表明智1热
控制器在该冻雨天气过程中，起到了的防冻结
作用，保证了风传感器的正常工作及数据的
连续
图8〜图9给出7日22时开始风速0值时，两气温和相湿度数的变化%明防冻
时，CIMISS和备份系温高湿数据的吻合状启动和停止度吻合，为远程启动装！
供依据.
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华中师范大学学报（自然科学版）第55卷
2 min 风向（未防冻） 一2 min 风向（已防冻）
图7 2 min 风向对比分析图
Fig.7 The compara<ive analysis diagram of
<wo-minu<eaveragewinddirec<ion
图8 2 min 风速0值时气温对比分析图
•相对温度未防冻CIMISS ——相对温度已防冻
Fig.8 Thecomparaiveanalysisdiagram of<he <empera<urewhen<wo-minu<eaveragewindspeedis0
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
humidi y when<wo-minu<e 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.
6结语
从2017年开 材 用、能耗、材
料保温、材料
影响使用寿命以及装置稳
扰 方面开展了调研
，并获得2项国家
用型专利• 2019年在荆州国家气象 站自动
气象站安装,
常• 2019年低温雨雪期间
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
段内（2019年底开始批量部署），全省82个国
2月7日10时-2月12日2时风速变化图
图10 2 min 风速变化图
Fig.10 The varia ion diagram of<wo-minu<e
averagewindspeed
家级自动气象站风传感器冻结现象台站数量、冻结
数均大幅下降（3个台站、59次）.截止2020年
指示牌制作
7月该装
省22个国家级自动气象站安装运行•然 数 是一 用检验［24-25］，
大量的研究
数
证工作，需要进一步积
-
同覆冰的气象条件下，确定温控融冻的临 *
标, 启动停止控制、远程启动停止湿度的判，减少无用的
启动频次，降低系；行功耗•条件具备
推广到偏 人 的区
26）自动站
场所•
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