劉興麗，潘 雪，高新明，黃 瀟

（1.黑龍江省氣象局，黑龍江 哈爾濱 150000；2.黑龍江科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150027；3.中國氣象局氣象干部培訓(xùn)學(xué)院，北京 100081）

0 引 言

目前，人們對(duì)物體積冰的認(rèn)知還處在一個(gè)初期階段，而2008年西南電力的冰災(zāi)使積冰研究快速地成為氣象工作者們的研究熱點(diǎn)［1～3］。積冰對(duì)人們現(xiàn)代生活的影響無處不在，從航空到高速鐵路、高速公路、智慧農(nóng)業(yè)，特別是電力系統(tǒng)都需要對(duì)積冰進(jìn)行觀測(cè)研究。而國內(nèi)目前對(duì)積冰的觀測(cè)還停留在手工操作階段，其觀測(cè)的數(shù)據(jù)也僅限于滿足積冰結(jié)果的記錄，對(duì)積冰的形成、生長、發(fā)展及結(jié)束的規(guī)律無法掌握［4，5］。為此，對(duì)電線積冰的連續(xù)、高效率、自動(dòng)觀測(cè)就顯得極為重要和迫切。

基于直接檢測(cè)輸電線路上積冰的不切實(shí)際的事實(shí)，大多數(shù)國家都采用在沿線建立積冰觀測(cè)站（點(diǎn)）的辦法進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)積冰觀測(cè)。積冰的測(cè)量裝置基本上依靠人工操作，如加拿大的被動(dòng)覆冰監(jiān)測(cè)儀、捷克的水平金屬桿等［6～8］。但人工觀測(cè)法比較費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。在20世紀(jì)80年代，人們開始研究能自動(dòng)快速測(cè)量積冰的裝置和方法，例如基于磁致伸縮特性的傳感器，基于稱重原理的傳感器，基于紅外光學(xué)原理的傳感器等［9～11］。而國內(nèi)對(duì)電線積冰自動(dòng)測(cè)量裝置雖然也開展了廣泛的研究，但從其測(cè)量原理和觀測(cè)方法的實(shí)用性來看，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到國外的先進(jìn)水平，尤其是對(duì)傳感器積冰與電線積冰關(guān)系的研究還是空白。未來的電線積冰觀測(cè)應(yīng)該是一個(gè)包含積冰自動(dòng)化觀測(cè)和氣象要素自動(dòng)化觀測(cè)的綜合性觀測(cè)。

針對(duì)傳統(tǒng)人工積冰觀測(cè)的成本高、效率及準(zhǔn)確率低、觀測(cè)數(shù)據(jù)不連續(xù)、安全性低等缺點(diǎn)，本文提出了一種效率高、連續(xù)性好、無人值守的石英晶體諧振式積冰觀測(cè)儀，可以有效地在電力系統(tǒng)結(jié)冰預(yù)警和電力輸配線冬季監(jiān)測(cè)發(fā)揮重要作用。

1 石英諧振式積冰觀測(cè)儀的結(jié)構(gòu)原理

石英晶體諧振式觀測(cè)儀是利用石英晶體諧振器的共振頻率隨被測(cè)物理量變化而變化的特點(diǎn)。其共振頻率變化Δf如下

式中D為石英晶體振子厚度，Kf為石英晶體拉氏系數(shù)，N為諧波次數(shù)，f為諧振器基頻，Δf為沿晶體X軸受力變化。由公式可見，石英晶體諧振式頻率變化與其受力的變化呈線性關(guān)系。具體來說，如圖1 所示。石英諧振式積冰觀測(cè)儀是一種以彎曲振動(dòng)模式的雙閉端石英音叉應(yīng)變計(jì)為核心部件的管狀荷重積冰桿。當(dāng)積冰桿表面出現(xiàn)結(jié)冰聚集時(shí)（受到載荷作用），積冰重量通過積冰桿傳遞給石英音叉應(yīng)變計(jì)，應(yīng)變計(jì)的變形量導(dǎo)致石英音叉的固有頻率發(fā)生變化，通過諧振電路檢測(cè)輸出到后臺(tái)的石英振子頻率的改變量，從而達(dá)到檢測(cè)積冰桿積冰重量的目的。

圖1 電線積冰自動(dòng)觀測(cè)儀石英芯體受力示意

圖2 為積冰觀測(cè)儀的核心部分，即石英雙音叉應(yīng)變計(jì)以及利用無應(yīng)力封接工藝使其與石英應(yīng)變梁結(jié)合成一體的石英梁式力敏元件，并且在真空環(huán)境下，使所述石英梁式力敏元件與石英托架氣密封裝在一起，從而構(gòu)成了一種高精度高穩(wěn)定的頻率輸出型諧振式荷重梁。其優(yōu)點(diǎn)是諧振品質(zhì)因數(shù)Q高，穩(wěn)定性優(yōu)異，重現(xiàn)性佳。

圖2 石英雙音叉應(yīng)變計(jì)

雙端固支石英應(yīng)變計(jì)的振梁工作原理：諧振器由2 個(gè)平行的石英振梁構(gòu)成，2 個(gè)石英振梁在同一平面內(nèi)反相振動(dòng)，作用于2個(gè)石英振梁根部的力和力矩相互抵消，從而減小石英音叉的固定連接端與外界的能量耦合，降低了諧振時(shí)的能量損耗，從而提高了諧振器的品質(zhì)因數(shù)［12，13］

式中f0為不受軸向力作用時(shí)梁的一階固有頻率；P為軸向力，l為振梁長度，E為石英楊氏模量，I為振梁極慣性矩，設(shè)梁的厚和寬分別為h和w，則慣性矩I＝hw3／12。振梁的一階固有頻率表達(dá)式為

將振梁的尺參數(shù)（l，h，w）以及式（3）代入式（2），可以得到細(xì)長梁受到軸向應(yīng)力時(shí)固有頻率與結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)之間的關(guān)系。

石英是一種理想的彈性材料，在彈性范圍內(nèi)工作完全滿足胡克定律，甚至到石英彈性梁斷裂前的一瞬間仍然符合胡克定律，所以上述的石英應(yīng)變梁采用與石英雙音叉相同的晶體切型。因此不僅彈性特性優(yōu)良，而且石英應(yīng)變梁與石英雙音叉的熱膨脹系數(shù)相同，即使環(huán)境溫度改變時(shí)，也不產(chǎn)生熱應(yīng)力，且不會(huì)降低測(cè)量精度。顯然，所述的石英應(yīng)變梁與石英雙音叉應(yīng)變計(jì)是一種最佳組合，它能夠確保傳感器具有高精度、高穩(wěn)定和快響應(yīng)特性。

2 積冰觀測(cè)儀中石英應(yīng)變梁的信號(hào)處理流程

對(duì)數(shù)據(jù)采集單元采集的電信號(hào)進(jìn)行算法處理，使石英應(yīng)變梁輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成氣象標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行編碼傳輸，同時(shí)完成設(shè)備管理工作，其傳輸方式可以是RS-232、RS-485，也可以是WiFi 或無線通信；包括微控制單元（MCU）、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、高精度時(shí)鐘和驅(qū)動(dòng)電路［14，15］。軟件主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ苣K。數(shù)據(jù)采集模塊須按規(guī)定的采樣頻率進(jìn)行采集；數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)完成采樣算法、數(shù)據(jù)計(jì)算處理和數(shù)據(jù)質(zhì)量控制；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊主要完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與管理；數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)與終端計(jì)算機(jī)的通信，并具有數(shù)據(jù)補(bǔ)償功能，整個(gè)信號(hào)流程如圖3所示。

圖3 石英諧振式荷重應(yīng)變梁測(cè)量信號(hào)處理流程

3 測(cè)試結(jié)果與分析

由于目前采用人工的方式進(jìn)行積冰檢測(cè)，依照《GB／T35235-2017 地面氣象觀測(cè)規(guī)范電線積冰》中5.2.2.1 規(guī)定［16］：當(dāng)單純的霧凇直徑較導(dǎo)線直徑增加了11 mm 及以上，雨凇、濕雪凍結(jié)物或包括霧凇在內(nèi)的混合積冰直徑較導(dǎo)線直徑增加了4 mm及以上時(shí)，應(yīng)測(cè)定積冰重量。積冰重量單位為“g／m”，取整數(shù)。取霧凇ρ＝0.25 ×103kg／m3，按標(biāo)準(zhǔn)線徑26.8 mm、長1 m電線換算，直徑增加11 mm 相當(dāng)于結(jié)冰厚度為5.5 mm，質(zhì)量按下式計(jì)算

式中W為冰層質(zhì)量，D為結(jié)冰后的導(dǎo)線直徑，d為導(dǎo)線直徑，L為電線長度。將以上數(shù)據(jù)代入公式

得到人工最小測(cè)冰質(zhì)量為140 g。根據(jù)以上計(jì)算，與人工測(cè)冰比較，諧振式積冰自動(dòng)觀測(cè)儀的偏差值取±80 g／m，能夠滿足積冰測(cè)量的要求［16］。為此，選用標(biāo)準(zhǔn)砝碼對(duì)5 支積冰觀測(cè)儀（分別命名為S1、S2、S3、S4、S5）的偏差度進(jìn)行標(biāo)定結(jié)果如圖4所示。從柱狀圖4（a）中可觀察到S1、S2、S3、S4、S5的每次不同模擬積冰質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)砝碼相對(duì)應(yīng)的積冰質(zhì)量都具有近似相同的高度，且圖4（b）中也能觀察到S1、S2、S3、S4、S5的多次模擬積冰質(zhì)量曲線與標(biāo)準(zhǔn)砝碼的積冰曲線也幾乎重合，說明擬合曲線具有較高的擬合精度。此外，依據(jù)GB／T35235-2017 中的規(guī)定，可從圖4（c）中觀察到最大的偏差值為35.2（S3樣機(jī)），仍處于偏差值的合理閾值范圍內(nèi)?？蛇M(jìn)一步說明諧振式積冰觀測(cè)儀具有較小的偏差值。

圖4 測(cè)試結(jié)果

此外，2019年秋季至2020 年冬季，在湖南省衡陽氣象臺(tái)衡山氣象站開展了諧振式積冰觀測(cè)儀和人工測(cè)量積冰的外場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)。具體觀測(cè)數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)周期積冰次數(shù)統(tǒng)計(jì)

從圖5中可以看出，在整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)，人工測(cè)量采集到的積冰次數(shù)共7 次，自動(dòng)觀測(cè)儀采集的完整積冰周期次數(shù)共4次。第一次積冰過程從2019 年11 月24 日～2019 年12月3 日，在這個(gè)過程積冰狀態(tài)有消融時(shí)段，但未完全消融，并重新積冰，直至12 月3 日積冰完全消融，而在這一過程中人工采集3次數(shù)據(jù)，但不是完整的積冰從開始到完全消融的狀態(tài)；第二次積冰過程從2019 年12 月18 日～2019年12月21日，自動(dòng)觀測(cè)儀記錄了完整的積冰從開始到消融的全過程，在這過程中人工記錄2 次；第三次積冰過程從2020年1月9日～2020年1月13日，人工記錄1次；第四次積冰過程從2020 年1 月13 日～2020 年1 月18 日，人工記錄1次。經(jīng)過對(duì)比可知，相比于隨機(jī)型的人工觀測(cè)，諧振式積冰觀測(cè)儀具有數(shù)據(jù)完整、觀測(cè)效率高、積冰過程可評(píng)估等優(yōu)點(diǎn)。

圖6（a）為第一次未修正前的人工積冰數(shù)據(jù)及自動(dòng)觀測(cè)儀的積冰數(shù)據(jù)，可觀察到人工數(shù)據(jù)相對(duì)于諧振式積冰觀測(cè)儀的數(shù)據(jù)有較大的偏差。為此，需要對(duì)人工數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。由于人工測(cè)量的導(dǎo)線線徑和自動(dòng)觀測(cè)儀的線徑不同，設(shè)積冰觀測(cè)儀線徑與人工測(cè)量線徑的比值30／26.8 ＝1.12為線徑系數(shù)，用人工觀測(cè)值乘以線徑系數(shù)進(jìn)行修正，可觀察到人工數(shù)據(jù)能與自動(dòng)觀測(cè)儀數(shù)據(jù)基本達(dá)到一致，如圖6（b）中圓圈標(biāo)注處。然而，由于人工數(shù)據(jù)采集的隨機(jī)性，使得某些修正后的人工數(shù)據(jù)點(diǎn)（1＃，3＃）仍無法與自動(dòng)觀測(cè)儀的數(shù)據(jù)完全重合，存在明顯的偏差。這就說明人工觀測(cè)誤差大且數(shù)據(jù)不連續(xù)，不能滿足氣象觀測(cè)的性能穩(wěn)定、檢測(cè)精度高、無人值守等要求。

圖6 積冰觀測(cè)儀觀測(cè)數(shù)據(jù)與未修正和修正后的人工數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié) 論

諧振式積冰觀測(cè)儀的標(biāo)定擬合曲線具有較高的擬合精度，可以根據(jù)積冰性質(zhì)推算出電線積冰架上的積冰直徑和厚度；起止時(shí)間和測(cè)冰時(shí)間；可觀測(cè)記錄積冰的增長階段、保持階段、消融崩潰階段，包括積冰增長、消融的速率，能完整記錄電線積冰的全過程。其次，外場(chǎng)試驗(yàn)表明用國際標(biāo)準(zhǔn)推薦的30 mm直徑積冰桿能夠滿足氣象觀測(cè)的需要。最后，利用諧振式積冰觀測(cè)儀的積冰數(shù)據(jù)來推算輸電線路的積冰信息是一個(gè)可靠實(shí)用的方法。