自动气象站风传感器防冻控制电路设计

　　引 言

　　随着我国大气监测自动化建设项目的全面实施，甘肃省目前已建成自动气象站85个，但其风传感器都未采取防雨凇、雾凇和冰冻冻害的措施，在低温、静风条件下，雨凇、雾凇和结冰冻害经常造成风传感器冻结，不能转动，使气象观测记录缺测。甘肃省的华家岭、乌鞘岭、西峰和全国其它自动气象站，已经出现因为雨凇、雾凇和结冰冻害造成的记录缺测，严重影响自动气象站正常运行。华家岭、西峰2003-2005年的14次自动气象站风传感器雨雾凇冻结情况中，最长冻结时间39h，雨雾凇混合物积冰最大直径70mm，最大重量352g/m，最小相对湿度93%，冻结开始时的最大风速4.6m/s,最长静风时间6h,从冻结开始到结束最大降温幅度6.8℃。所以，解决雨凇、雾凇和冰冻冻害对自动气象站的影响，已成为自动气象观测亟待解决的问题。

　　芬兰等国家的自动气象站风传感器，多采用功率≤4W的加热装置，仅考虑温度指标，在气温≤4℃的天气条件下，由自动气象站自动启动加热装置，对风传感器进行加热，融化雨凇和雾凇对风传感器的冻结，但在我国的试点站运行中，效果并不十分理想，因此，解决风传感器雨雾凇冻害问题，仅考虑气温是不全面的。尹宪志等人对自动气象站风传感器雨雾凇冻害进行了研究，认为风传感器覆冰冻结是温度、湿度、风速等气象条件综合因素的结果，雨雾凇混合积冰出现频率高，对风传感器的冻结时间最长，危害最大，提出严重覆冰的基本条件及特征是温度为-5～0℃，平均风速≤5m/s,空气相对湿度>80%的冻雨或重雾雪天气。根据以上覆冰的临界条件，以气温、平均风速、相对湿度3个实时气象要素指标，作为风传感器冻结、融化的判断依据设计出了针对风传感器的自动加热控制电路，可防止或消除风传感器的冻结，达到自动气象站风传感器防冻保护的目的。

　　1 自动控制系统总体结构

　　风传感器加热自动控制系统的结构如图1所示。主要由参数采样、指令控制、串行通讯接口、ATmega8型单片机、光电隔离驱动电路、加热电路等部分组成。

　　参数采样部分利用自动气象站测量的实时数据，通过自编软件提取自动气象站测量的实时气象要素指标，以温度为-5～0℃，平均风速≤5m/s, 空气相对湿度>80%为临界值，确定指令控制电路是否发送指令。当达到设定标准时，通过通讯接口电路给ATmega8型单片机发出指令，再经过光电隔离驱动电路、控制风传感器防冻加热装置启动或停止工作。

　　采用电阻加热丝为风传感器防冻害元件，安置在风传感器内壳轴承套上方。使用交流36V的安全电压作为加热电压，加热功率约为8.6W，以保证对人体和仪器的安全。当水汽条件不具备凝结时能够停止加热融冻，进而达到节约能源的目的。