李長虹，閆杰

（1.工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣州 511370；2.廣東省電子信息產(chǎn)品可靠性技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 511370）

引言

近年來，在南海三沙市開展業(yè)務(wù)工作的各有關(guān)單位，為滿足各自相關(guān)的科研與業(yè)務(wù)工作需求（如自然暴露試驗(yàn)或氣象預(yù)報(bào)等），陸續(xù)安裝了一系列不同型號(hào)的自動(dòng)氣象檢測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、氣壓、降水量和太陽輻射等氣候因素的無人自動(dòng)采集,為該地區(qū)的科學(xué)研究、天氣預(yù)測、海上運(yùn)輸以及其它各種軍事與經(jīng)濟(jì)活動(dòng)，提供了可靠、及時(shí)、準(zhǔn)確的氣象數(shù)據(jù)服務(wù)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(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)輻射、高溫、高濕、高鹽霧環(huán)境下，其上自動(dòng)氣象檢測設(shè)備的各種故障發(fā)生率往往比陸上環(huán)境高出數(shù)倍，嚴(yán)重時(shí)不僅會(huì)影響觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，甚至?xí)κ褂萌藛T人身安全產(chǎn)生一定威脅。再加上南海海域面積廣闊，其中的島礁遠(yuǎn)離大陸，交通極其不便，很難部署常駐工作人員，因此對相關(guān)設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)需求非常強(qiáng)烈。

1 基本組件設(shè)計(jì)要求

總體上來說，安裝在南海島礁上的自動(dòng)氣象檢測設(shè)備，應(yīng)專門針對熱帶島礁上開展科研與日常業(yè)務(wù)的需求進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)，以保證南海島礁當(dāng)期氣象數(shù)據(jù)采集、記錄、監(jiān)測及統(tǒng)計(jì)等工作的正常開展，其檢測的氣象因素種類應(yīng)至少包括大氣溫度、濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量、氣壓、太陽輻射、日照時(shí)數(shù)等[1]。由此可見，一套完整的島礁氣象自動(dòng)檢測設(shè)備，配置的基本軟硬件組件應(yīng)包括數(shù)據(jù)采集器、存儲(chǔ)模塊、通道擴(kuò)展板、太陽輻射表（總輻射、紫外、紅外）、日照時(shí)數(shù)傳感器、風(fēng)速風(fēng)向傳感器、大氣溫濕度傳感器、氣壓計(jì)、雨量筒、外部機(jī)箱與支架、供電系統(tǒng)、防雷擊模塊、遠(yuǎn)程傳輸模塊、控制計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件系統(tǒng)[2]。

因此在上述前提下，開展南海島礁自動(dòng)氣象檢測設(shè)備研制（或招標(biāo)）時(shí)，應(yīng)首先明確（或規(guī)定）上述所有基本組件，應(yīng)采用全新的、沒有質(zhì)量缺陷的材料與元器件，進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和制造。特別是為了應(yīng)對南海島礁惡劣的自然環(huán)境與保障維護(hù)條件，上述設(shè)備組件應(yīng)選取耐腐蝕、長壽命、高可靠、低損耗、易獲取與更換的材料進(jìn)行制作。在此基礎(chǔ)上，為保證設(shè)備滿足島礁環(huán)境正常工作需求，對設(shè)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(shè)備所采集氣象因素的連續(xù)性與可靠性，同時(shí)兼顧經(jīng)濟(jì)性與可維修性，對設(shè)備的主控制器與傳感器精度應(yīng)規(guī)定一個(gè)合適的范圍。過高的精度要求，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備成本過高以及設(shè)備可靠性降低；過低的精度要求，會(huì)導(dǎo)致部分環(huán)境因素（特別是溫度與濕度）變化量級(jí)區(qū)分困難，影響后續(xù)環(huán)境剖面分析結(jié)果的精確性。在經(jīng)過綜合各方面考慮后，南海島礁自動(dòng)氣象檢測設(shè)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(dòng)氣象檢測設(shè)備主要技術(shù)指標(biāo)建議范圍

2）軟件性能要求

實(shí)時(shí)顯示：各項(xiàng)傳感器可不短于1 min 采集1 次數(shù)據(jù)，并可實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)相應(yīng)的分鐘采集數(shù)據(jù)和小時(shí)數(shù)據(jù)。設(shè)備采集的所有氣象參數(shù)需在軟件上能夠?qū)崟r(shí)顯示，顯示方式有數(shù)值顯示和曲線顯示。

查詢：可查詢?nèi)我鈺r(shí)間段內(nèi)采集的所有氣象參數(shù)，同時(shí)有數(shù)值、曲線顯示。

統(tǒng)計(jì)：可統(tǒng)計(jì)所有氣象參數(shù)日報(bào)表、月報(bào)表和年報(bào)表；可統(tǒng)計(jì)任意時(shí)間段內(nèi)氣象參數(shù)的最高值、最低值、平均值、累計(jì)值及最高值、最低值出現(xiàn)的時(shí)間。還可以統(tǒng)計(jì)大于等于和小于等于某值的累計(jì)時(shí)間。

存儲(chǔ)：軟件獲得的所有氣象環(huán)境參數(shù)需在控制計(jì)算機(jī)上進(jìn)行同步存儲(chǔ)。

3）保障維修要求

所屬軟、硬件應(yīng)具備現(xiàn)場安裝和調(diào)試功能；設(shè)備所屬傳感器，應(yīng)具備定期（每年）的現(xiàn)場無損傷拆卸與更換功能；設(shè)備選用監(jiān)控電腦，應(yīng)安裝獨(dú)立的輔助電源，保障長期、頻繁停電期間，相關(guān)信息的采集和監(jiān)控。

2 耐腐蝕設(shè)計(jì)要求

一般來說，南海島礁地區(qū)周邊富含高濃度鹽霧粒子的熱帶海洋大氣，對設(shè)備保持正常運(yùn)行的負(fù)面影響極其顯著。其主要原因在于，凝結(jié)在設(shè)備的材料表面，形成導(dǎo)電性很好的電解液膜，對該區(qū)域上的電化學(xué)反應(yīng)具有極強(qiáng)的催化作用，會(huì)極大的加速相關(guān)表面處材料的腐蝕速度，因此極易導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)各種故障[3]。如下圖所示，從多年的使用經(jīng)驗(yàn)來看，影響島礁自動(dòng)氣象檢測設(shè)備性能的腐蝕故障，主要集中在金屬結(jié)構(gòu)部件連接部位（如螺接處等）。

因此，在實(shí)際開展南海島礁地區(qū)自動(dòng)氣象檢測設(shè)備耐腐蝕設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)根據(jù)其零部件各自的特點(diǎn)，分別選擇不同的耐腐蝕材料，并對成型后的組部件進(jìn)一步針對性地表面處理工藝，提高設(shè)備整體的耐環(huán)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(qū)特殊的氣候環(huán)境與困難的保障條件，應(yīng)優(yōu)先考慮采用自重輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕性較好的鋁鈦合金或玻璃纖維復(fù)合材料制造支柱與支架。在自重?zé)o特殊要求時(shí)，也可選用316L 不銹鋼材料。與一般結(jié)構(gòu)鋼材料相比，上述材料具有耐腐蝕、比強(qiáng)度高、便于運(yùn)輸與安裝等優(yōu)點(diǎn)，符合熱帶海洋環(huán)境條件下的實(shí)際使用需求。支柱與支架高度建議采用（1.5～3.0）m 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)（自然暴露試驗(yàn)業(yè)務(wù)），以避免高度過高引起的風(fēng)載荷過大。必須采用10 m 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)（氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)），盡量選用316L 不銹鋼制作各種固定安裝附件（如拉索、索扣、預(yù)埋件等），可顯著增強(qiáng)該組件的抗腐蝕性能。另外，為進(jìn)一步滿足耐腐蝕要求，可定期在上述關(guān)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(jī)箱機(jī)柜

由于過高的箱內(nèi)溫度，不僅會(huì)直接影響內(nèi)部主控采集器的壽命和性能，也會(huì)加快其上的腐蝕反應(yīng)速度，對設(shè)備耐腐蝕性設(shè)計(jì)要求非常不利。因此，南海島礁自動(dòng)氣象檢測設(shè)備的機(jī)箱機(jī)柜不宜選用易聚熱材料（如高分子材料）制造，其上防護(hù)涂層也應(yīng)以淺色調(diào)為主。根據(jù)多年使用經(jīng)驗(yàn)，建議選用316L 不銹鋼板或5XXX 系防銹鋁合金進(jìn)行制造。其中，選用316L 不銹鋼材料制造機(jī)箱時(shí)，宜采用氫弧焊焊接工藝拼裝焊接，并推薦采用環(huán)氧底漆+丙烯酸聚氨酯面漆（或氟碳面漆）噴涂處理；機(jī)箱電纜穿孔處，應(yīng)使用壓緊螺母擰緊設(shè)計(jì)進(jìn)行密封，多余的進(jìn)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(jìn)入；傳感器與主機(jī)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(yīng)采用中性密封膠給予密閉處理；信號(hào)線與供電線路應(yīng)分開并穿管，管口處可用充填物堵嚴(yán)，避免水氣及昆蟲進(jìn)入造成電纜外皮損傷，從而導(dǎo)致的腐蝕損傷。另外，為了防止縫隙腐蝕的發(fā)生，同時(shí)兼顧防水、防塵的要求，機(jī)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(jìn)行制作（最好直接在門板上進(jìn)行發(fā)泡工藝制作）。

圖1 南海島礁自動(dòng)氣象檢測設(shè)備易腐蝕位置圖

3）安裝附件及標(biāo)準(zhǔn)緊固件

風(fēng)桿、立柱、橫臂、支架等部件上的安裝附件和緊固件，應(yīng)盡量選用與緊固對象相同材料進(jìn)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(shè)計(jì)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(hù)措施，也可有效的避免出現(xiàn)嚴(yán)重的接觸腐蝕現(xiàn)象。如果采用焊接設(shè)計(jì)，應(yīng)盡量選用氫弧焊工藝進(jìn)行焊接。同時(shí)，為提高焊接處的防護(hù)能力，對其表面進(jìn)行環(huán)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(dá)到海洋環(huán)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(yīng)定期用防銹劑進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)處理，以減少結(jié)構(gòu)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(jìn)行防護(hù)，以減少電纜膠皮材料老化速度；在進(jìn)行電纜安裝時(shí)，應(yīng)外套ABS、PVC 或強(qiáng)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(fēng)傳感器：針對傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)子式風(fēng)傳感器，應(yīng)經(jīng)常注意轉(zhuǎn)動(dòng)葉片軸承潤滑情況，并定期進(jìn)行維護(hù)，檢查是否存在海沙、海鹽或者白蟻筑巢等堵塞，影響軸承轉(zhuǎn)動(dòng)的故障現(xiàn)象發(fā)生。對于無轉(zhuǎn)子的超聲風(fēng)傳感器，也應(yīng)定期清理入風(fēng)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(nèi)部長時(shí)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(huì)加速筒內(nèi)表面腐蝕速度，另一方面沉積物及其腐蝕產(chǎn)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(jìn)行定期清理以外，應(yīng)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(xiàn)象，延長其使用壽命。

太陽輻射傳感器：由于南海島礁當(dāng)?shù)卮髿庵衅}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(xué)玻璃表面。因此，應(yīng)定期進(jìn)行清理，防止傳感器光學(xué)玻璃表面發(fā)生堿性腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致其光學(xué)性能下降。

5）印制電路板及組件

設(shè)備內(nèi)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(fā)生腐蝕，導(dǎo)致導(dǎo)線之間出現(xiàn)電暈、擊穿等現(xiàn)象。

3 抗風(fēng)設(shè)計(jì)要求

南海海域位于東亞季風(fēng)氣候區(qū)內(nèi)，導(dǎo)致其夏季盛行西南季風(fēng)，冬季則被更強(qiáng)的東北季風(fēng)控制。其中，夏季季風(fēng)一般在5 月中下旬從南向北擴(kuò)展，平均最大風(fēng)速大致在6 m/s 左右；冬季季風(fēng)則在9 月開始由北向南擴(kuò)展，平均最大風(fēng)速可達(dá)10 m/s 左右。另外，每年夏季西太平洋海域產(chǎn)生的臺(tái)風(fēng)，對當(dāng)?shù)氐挠绊懸草^大。從臺(tái)風(fēng)期間的最大風(fēng)速來看，由于緯度較低（一般不處于臺(tái)風(fēng)通過路徑），南海南部海域的島礁（如南沙群島）受臺(tái)風(fēng)影響較小，出現(xiàn)最大風(fēng)速超過12 級(jí)的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)（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(xiàn)最大風(fēng)力等級(jí)12級(jí)以上的強(qiáng)臺(tái)風(fēng)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(qū)工作的自動(dòng)氣象檢測設(shè)備，每年會(huì)受到季節(jié)交替性、方向性（東北、東南與西南）以及長時(shí)間的高風(fēng)速影響，且在夏季期間可能會(huì)遭受短時(shí)間的、爆發(fā)性的極高風(fēng)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(dòng)氣象檢測設(shè)備縫隙、孔隙、管道或轉(zhuǎn)動(dòng)部分，誘導(dǎo)設(shè)備薄弱處快速發(fā)生磨蝕與縫隙腐蝕現(xiàn)象，或因堵塞與阻滯作用直接影響檢測結(jié)果（風(fēng)速與雨量傳感器）；后者會(huì)在短時(shí)間內(nèi)對設(shè)備戶外構(gòu)件，特別是支架支柱部分施加極高的應(yīng)力，超過材料受力或構(gòu)件設(shè)計(jì)受力極限時(shí)會(huì)直接造成物理破壞。

因此，在對南海島礁地區(qū)工作的自動(dòng)氣象檢測設(shè)備進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)時(shí)，除去采取對設(shè)備縫隙與孔隙部位進(jìn)行密封處理，并定期清理必須暴露在外的管道與轉(zhuǎn)動(dòng)部分等耐腐蝕措施以外，最主要考慮應(yīng)為自動(dòng)氣象檢測設(shè)備的戶外構(gòu)件，必須具備在不大于12 級(jí)臺(tái)風(fēng)風(fēng)速上限，即約37 m/s 的風(fēng)速環(huán)境下不被破壞的能力。根據(jù)多年的工作經(jīng)驗(yàn)，考慮到自動(dòng)氣象檢測設(shè)備抗風(fēng)性能的關(guān)鍵因素，主要集中在設(shè)備材料本體的抗拉、壓、彎曲等力學(xué)強(qiáng)度，以及外部支架支柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度。再綜合南海島礁地區(qū)可能出現(xiàn)的最大風(fēng)速量值，兼顧南海島礁地區(qū)后勤保障條件，推薦圖2 兩種外部設(shè)備安裝支架與支柱設(shè)計(jì)。

圖2 外部設(shè)備安裝支架與支柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖3 外部設(shè)備安裝支架與支柱結(jié)構(gòu)應(yīng)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(qiáng)度約為480 MPa、屈服強(qiáng)度為177 MPa）上述兩種支架支柱結(jié)構(gòu)，主要組件尺寸應(yīng)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(shè)定每股鋼繩施加預(yù)緊力100 N，當(dāng)風(fēng)力等級(jí)為12 級(jí)時(shí)：在人字形支架正面受風(fēng)情況下，最大拉應(yīng)力點(diǎn)（三腳架支撐點(diǎn)）處極大值為58.5 Mpa；當(dāng)人字形支架側(cè)面受風(fēng)情況下，最大拉應(yīng)力點(diǎn)處極大值為54.5 Mpa。相對的，門字形支架在正面受風(fēng)情況下，在其結(jié)構(gòu)的最大拉應(yīng)力點(diǎn)（中間桿根部），最大應(yīng)力極值約為110 Mpa。由此可見，上述支柱支架本體的基本結(jié)構(gòu)強(qiáng)度（抗拉強(qiáng)度約為480 Mpa、屈服強(qiáng)度為177 MPa）高于結(jié)構(gòu)理論上會(huì)受到的最大應(yīng)力極限（人字梁58.5 Mpa、門字梁110 Mpa），因此相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿足該風(fēng)速（約37 m/s）下的抗風(fēng)性設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

為保障南海島礁氣象檢測工作的順利進(jìn)行，確保在南海熱帶海洋環(huán)境下安裝與使用的自動(dòng)氣象檢測設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定以及延長其使用壽命，通過匯總各相關(guān)單位多年的設(shè)備使用與防護(hù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，綜合當(dāng)前多種成熟、關(guān)鍵的電子設(shè)備防腐蝕與防風(fēng)設(shè)計(jì)技術(shù)，提出的包括總體密封性改進(jìn)、機(jī)箱防護(hù)、材料篩選、涂敷工藝和加工工藝改進(jìn)、電纜保護(hù)等防護(hù)措施在內(nèi)的南海島礁用自動(dòng)氣象檢測設(shè)備環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)方法，對提升相關(guān)地區(qū)相關(guān)設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)水平，保障當(dāng)?shù)貫?zāi)害預(yù)警、工程建設(shè)以及國防建設(shè)需求等方面具有極為重要的意義。