司方坤++徐健鵬++張希宏

摘要 介紹了在氣象業(yè)務(wù)中常用的HY-V35型前向散射式能見度儀的工作原理、結(jié)構(gòu)組成、安裝流程、日常維護(hù)和校準(zhǔn)方法，以為廣大的觀測員提供參考。

關(guān)鍵詞 HY-V35；前向散射；能見度儀

中圖分類號 S163 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1007-5739（2015）18-0255-01

能見度是氣象觀測項(xiàng)目之一，是反映大氣的渾濁程度的一個(gè)光學(xué)指標(biāo)，是表征近地表大氣透明程度的一個(gè)重要物理量，并可以在特定條件下分析空氣污染的程度。近年來，唐山市氣象部門建設(shè)了5套HY-V35型自動能見度觀測儀，能見度由自動觀測代替人工觀測，使得穩(wěn)定性和測量精度大大提高，也給天氣預(yù)報(bào)提供了更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)資料和科學(xué)依據(jù)。該文重點(diǎn)介紹HY-V35型能見度儀的工作原理、安裝流程、維護(hù)和校準(zhǔn)方法，為廣大觀測員提供參考。

1 工作原理

HY-V35型能見度儀是基于大氣中的顆粒物（氣溶膠和細(xì)小水顆粒等）的前向散射原理而設(shè)計(jì)的，是繼透射式能見度儀后發(fā)展起來的新一代氣象能見度監(jiān)測設(shè)備。通過測量小體積空氣對光的散射系數(shù)，得到采樣氣體的消光系數(shù)，再得出氣象光學(xué)能見度。HY-V35型前向散射式能見度儀由發(fā)射器、接收器、電源/控制器和機(jī)架等組成[1]。

發(fā)射器由紅外線LED、控制和觸發(fā)電路、紅外線強(qiáng)度傳感器和反向散射信號強(qiáng)度傳感器組成。變送器裝置以2 kHz的頻率使紅外線LED產(chǎn)生脈沖波。紅外線強(qiáng)度傳感器監(jiān)控發(fā)射光強(qiáng)度，測量的變送器強(qiáng)度用于自動使紅外線LED的強(qiáng)度保持為預(yù)設(shè)值。反向散射信號強(qiáng)度傳感器測量從鏡頭、其他對象或污染物向后散射的光，此信號也由CPU監(jiān)控。

接收器由PIN光二極管、前置放大器、電壓到頻率轉(zhuǎn)換器、反向散射測量光源LED以及一些控制和定時(shí)電子器件組成。接收PIN光二極管檢測從采樣空氣柱內(nèi)懸浮顆粒散射且被鏡頭聚焦（特定方向的散射光）的光脈沖。信號電壓由與變送器同步的相敏鎖定放大器進(jìn)行過濾和檢測。大于30 kcd/m2的環(huán)境光照強(qiáng)度不會影響光二極管的檢測，也不會使前置放大器飽和[2]。發(fā)射器通過紅外發(fā)光管，產(chǎn)生紅外光通過鏡頭在大氣中形成接近平行的光柱。接收器將采樣區(qū)內(nèi)大氣的特定方向的前向散射光匯集到光電傳感器的接收面上，并將其轉(zhuǎn)換為與大氣能見度成反比關(guān)系的電信號。此信號經(jīng)處理后送至控制器的數(shù)據(jù)采集板，經(jīng)CPU取樣和計(jì)算得到采樣區(qū)內(nèi)大氣的特定方向的前向散射光的強(qiáng)度值，由此估算出總的散射量（與儀器的結(jié)構(gòu)決定的采樣角度有關(guān)），從而得到透過量，由此計(jì)算得到大氣能見度的值。

2 安裝流程

2.1 安裝環(huán)境

合適的環(huán)境對HY-V35的測量非常重要，主要要求如下：一是安裝位置的能見度測量值應(yīng)能代表周圍的天氣狀況。二是安裝位置不能有影響光學(xué)測量的障礙物和反射表面，也不能有明顯的污染源。三是安裝位置必須有可利用的電源和通訊線路。

2.2 基礎(chǔ)及預(yù)埋件

設(shè)備安裝前應(yīng)做好水泥基礎(chǔ)，并將廠家預(yù)先發(fā)的預(yù)埋件置于其中，水泥基礎(chǔ)尺寸以600 mm×600 mm×500 mm為宜，基礎(chǔ)表面要盡量做到水平。

2.3 設(shè)備安裝

具體操作步驟如下：①將立桿架在預(yù)埋件上，固定螺栓。②將接地桿安裝在離立桿盡可能近的地方，接地電阻必須小于10 Ω[3]。③將能見度安裝架安裝在立桿的頂端，調(diào)好方位，固定螺栓。④將能見度傳感器安裝在卡具或橫臂上，要求距地高2.8 m，接收器指向北方，發(fā)射器指向南方[4]。⑤把HY-V35的線纜（信號和電源電纜）從立桿內(nèi)部穿過后與機(jī)箱下面的固定連接器連接。線纜連接器必須與傳感器機(jī)殼上的插座完全緊密連接，不應(yīng)松動。⑥HY-V35機(jī)殼利用供電/數(shù)據(jù)電纜屏蔽線接地。將供電線和數(shù)據(jù)線從機(jī)箱引出，分別接往供電系統(tǒng)和遠(yuǎn)程終端。將遠(yuǎn)程設(shè)備，如PC數(shù)據(jù)記錄終端、顯示器等接地，以免遭受雷擊。⑦給系統(tǒng)供電，開始測試設(shè)備。

3 日常維護(hù)

前向散射能見度儀投入氣象業(yè)務(wù)運(yùn)行后，應(yīng)做好日常巡視、維護(hù)等工作。一是現(xiàn)場維護(hù)操作中，觀測員切忌長時(shí)間直視發(fā)射端鏡頭，避免損傷眼睛。二是每日日出后和日落前巡視能見度儀，發(fā)現(xiàn)能見度儀（尤其是采樣區(qū)）有蜘蛛網(wǎng)、鳥窩、灰塵、樹枝、樹葉等影響數(shù)據(jù)采集的雜物，應(yīng)及時(shí)清理（可在基座、支架管內(nèi)放置硫磺，預(yù)防蜘蛛）。及時(shí)清除太陽能板上的灰塵、積雪等。三是無線傳輸?shù)哪芤姸葍x器，每月定期檢查無線通訊卡上的費(fèi)用，提前充值。四是每月檢查供電設(shè)施，保證供電安全。每3個(gè)月要對蓄電池進(jìn)行充放電1次。五是每年春季對防雷設(shè)施進(jìn)行全面檢查，復(fù)測接地電阻，接地電阻必須小于10 Ω。六是檢查時(shí)應(yīng)盡量避免用手電筒等光源照射能見度觀測設(shè)備[5]。七是HY-V35 發(fā)射器和接收器單元的鏡頭的清潔應(yīng)該每6個(gè)月進(jìn)行1次或幾次。清潔過程如下：①用異丙醇潤濕無絨軟布，然后擦拭鏡頭。注意不要刮傷鏡頭表面。鏡頭應(yīng)保持干燥，以指示鏡頭加熱功能正常。②確保護(hù)罩和鏡頭沒有冷凝水、積雪或積冰。③擦去護(hù)罩內(nèi)表面和外表面的灰塵。④正確清潔光學(xué)表面后，發(fā)出CLEAN命令（需要現(xiàn)場維護(hù)，或通過中心站發(fā)送此命令）。

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4 儀器校準(zhǔn)

HY-V35已在出廠時(shí)進(jìn)行了校準(zhǔn)。通常，只要電路板沒有更換或警告和警報(bào)中沒有相關(guān)要求，就不需要重新執(zhí)行校準(zhǔn)。建議每年檢查1次。如果檢查結(jié)果顯示變化小于 ±5%，建議不要重新校準(zhǔn)，因?yàn)樽兓谛?zhǔn)過程的可重復(fù)性范圍內(nèi)。執(zhí)行校準(zhǔn)檢查過程之前，請先清潔鏡頭。

校準(zhǔn)步驟如下：①要阻止光路，請將擋板放在接收器護(hù)罩中，然后等待30 s。②發(fā)出ZERO命令。HY-V35應(yīng)做出如下響應(yīng)：ZERO SIGNAL：OK>。③移動擋板。④將校準(zhǔn)儀板裝到鏡頭護(hù)罩中。⑤將不透明玻璃板固定到護(hù)罩上。請注意印在玻璃板上的信號值，因?yàn)橐韵虏襟E中需要使用該值。⑥移出光路并等待30 s。⑦發(fā)出CHEC命令。⑧1 min之后讀取顯示的信號。⑨該信號值必須接近印在玻璃板上的值。如果差值小于5%，則校準(zhǔn)正確。否則，請繼續(xù)執(zhí)行校準(zhǔn)過程。⑩按ESC鍵終止CHEC命令。

如果需要根據(jù)校準(zhǔn)檢查執(zhí)行校準(zhǔn)，請按照以下說明操作：一是發(fā)出命令：CAL calibrator signal value，例如：CAL 485。HY-V35會計(jì)算新的比例因數(shù)并將其保存在非易失性存儲器（EEPROM）中。二是鍵入CHEC以驗(yàn)證是否正在使用新的比例因數(shù)。如果新的比例因數(shù)與出廠校準(zhǔn)的比例因數(shù)的差值超過20%，則會忽略CAL命令。請檢查HY-V35和校準(zhǔn)儀是否存在硬件或機(jī)械錯(cuò)誤。如果已更換光學(xué)裝置PWC10/20/50或PWT11，則與初始比例因數(shù)相比，新的比例因數(shù)可能會更改20%以上，在這種情況下，請?jiān)谛?zhǔn)過程中使用出廠校準(zhǔn)命令FCAL命令代替CAL。

5 結(jié)語

能見度的監(jiān)測數(shù)據(jù)是為航空、航海、高速公路提供精準(zhǔn)氣象服務(wù)的重要基礎(chǔ)，能見度由自動觀測代替人工觀測，使得觀測穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)測量精度大大提高。氣象部門廣大觀測人員應(yīng)扎實(shí)學(xué)習(xí)能見度觀測儀的工作原理、安裝維護(hù)要點(diǎn)和儀器校準(zhǔn)方法，并在工作中盡職盡責(zé)、積累經(jīng)驗(yàn)，以提高設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定率和監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性，為做出精準(zhǔn)的氣象服務(wù)做出貢獻(xiàn)。

6 參考文獻(xiàn)

[1] 華云升達(dá)（北京）氣象科技有限責(zé)任公司.HY-V35前向散射能見度儀使用說明書[Z].2005.

[2] 宋樹禮，湯玲.PWD20型能見度儀的構(gòu)造、原理和日常維護(hù)[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2010（2）：305.

[3] 馬祖勝，羅征，林月蘭.能見度觀測儀的日常管理與維護(hù)[J].廣東氣象，2013（2）：79-80.

[4] 中國氣象局.地面氣象觀測規(guī)范[M].北京：氣象出版社，2003.

[5] 張毅，劉小容，鐘運(yùn)，等.前向散射能見度儀的工作原理及維護(hù)維修[J].氣象水文海洋儀器.2015（1）：118-120.endprint