曾正茂蔣文欣汪波翁焰輝姜忠波陳龍福

福建省能見度儀日常維護(hù)及校準(zhǔn)流程

曾正茂蔣文欣 汪 波 翁焰輝 姜忠波 陳龍福

福建省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心

基于福建地區(qū)現(xiàn)用兩種型號(hào)（DNQ3和DNQ1/V35）的能見度儀設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理，對(duì)能見度儀的日常維護(hù)進(jìn)行說(shuō)明，并選取平潭、華安、晉江和上杭等4個(gè)大監(jiān)站能見度儀數(shù)據(jù)，根據(jù)校準(zhǔn)流程的方法，結(jié)合實(shí)際觀測(cè)條件，對(duì)比校準(zhǔn)前后能見度儀數(shù)值，得出校準(zhǔn)后能見度儀數(shù)值與真實(shí)值相近，校準(zhǔn)前能見度儀數(shù)值與真實(shí)值相差較遠(yuǎn)?？梢?，進(jìn)行定期的校準(zhǔn)和日常維護(hù)是提高能見度儀數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的有力保障。

能見度儀 日常維護(hù) 校準(zhǔn)流程

能見度作為重要的氣象觀測(cè)要素。近幾年，大范圍的霧、霾等特殊天氣越來(lái)越頻繁，持續(xù)時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，給交通運(yùn)輸和電力供應(yīng)乃至市民出行產(chǎn)生許多不利的影響，造成嚴(yán)重的災(zāi)害和經(jīng)濟(jì)損失[1]。目前，福建地區(qū)投入業(yè)務(wù)使用的能見度儀設(shè)備272部左右，實(shí)現(xiàn)能見度儀自動(dòng)化觀測(cè)，將減輕觀測(cè)員的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低人工因素引起的誤差[2]。因此，周期性校準(zhǔn)和維護(hù)能見度儀設(shè)備十分必要。保證能見度儀觀測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性以及測(cè)量精度的準(zhǔn)確性，可在監(jiān)測(cè)預(yù)警中提供較為準(zhǔn)確的資料。本研究對(duì)能見度儀設(shè)備的日常維護(hù)進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明，并總結(jié)兩種型號(hào)（DNQ3和DNQ1/V35）能見度儀的校準(zhǔn)流程，為業(yè)務(wù)工作者提供參考。

1 能見度儀說(shuō)明

目前氣象能見度的測(cè)量方法包括透射法和散射法。透射法主要是檢測(cè)衰減后光的強(qiáng)度，然后通過(guò)計(jì)算公式求出能見度數(shù)據(jù)。散射法包括前向型散射法和后向型散射法兩種，后向散射法的接收器和發(fā)射光源位于同端，而前向型散射法的接收器和發(fā)射光源位于反端。現(xiàn)階段，福建省業(yè)務(wù)運(yùn)用的能見度儀是前向散射式，因采用散射法維護(hù)較方便，容易安裝、標(biāo)定和校準(zhǔn)。本文重點(diǎn)介紹前向散射式能見度儀的組成及工作原理。

1.1 能見度儀工作原理

前向散射式能見度儀是一種光學(xué)傳感器，用于測(cè)量能見度（氣象光學(xué)距離/MOR）[3]。該儀器使用前向散射測(cè)量原理測(cè)量能見度，直徑處于光波長(zhǎng)數(shù)量級(jí)的顆粒會(huì)散射光，散射量與光束的稀薄程度成正比。較大顆粒的行為與反射器和折射器相同，但其對(duì)MOR的影響必須單獨(dú)處理。通常這些顆粒是降水水滴。能見度儀可以根據(jù)光學(xué)信號(hào)檢測(cè)和測(cè)量降水水滴，并使用此信息進(jìn)行處理，得出散射測(cè)量的結(jié)果，通過(guò)轉(zhuǎn)換函數(shù)可將散射結(jié)果轉(zhuǎn)換成能見度。

1.2 能見度儀組成

能見度觀測(cè)儀器由傳感器、采集單元、外圍設(shè)備三部分組成。其中傳感器包括發(fā)射器和接收器兩部分，是能見度儀的核心部分，通過(guò)內(nèi)置程序可以自動(dòng)完成數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)傳輸。采集單元主要是采集器，通過(guò)采集器與微機(jī)上運(yùn)行的相關(guān)軟件，可以將采集器內(nèi)部存儲(chǔ)的定時(shí)數(shù)據(jù)卸載并進(jìn)行處理，從而得到能見度數(shù)據(jù)。外圍設(shè)備主要是供電單元，供電系統(tǒng)為能見度儀運(yùn)行提供所需的能源，也可以使用遠(yuǎn)程GPRS或直聯(lián)方式，通過(guò)相關(guān)軟件獲取數(shù)據(jù)[4]。如圖1所示。

圖1 能見度儀結(jié)構(gòu)

2 能見度儀日常維護(hù)及故障處理

2.1 日常維護(hù)

能見度儀屬于戶外設(shè)備，受環(huán)境因素影響比較大，如不及時(shí)檢查和維護(hù)，將促使測(cè)量值和實(shí)際值產(chǎn)生偏差[5]。因此，日常維護(hù)使設(shè)備處于良好狀態(tài)工作十分重要。對(duì)能見度儀進(jìn)行定期維護(hù)包括以下幾個(gè)部分：

（1）檢查鏡頭區(qū)域是否有蜘蛛網(wǎng)、樹葉、鳥糞等雜物，如果存在類似雜物，必須首先對(duì)其進(jìn)行清除。

（2）使用設(shè)備配備的皮吹對(duì)發(fā)射鏡頭和接收鏡頭進(jìn)行清潔，清除表面灰塵；然后使用專用鏡頭擦拭紙進(jìn)行擦拭，擦拭時(shí)避免擦傷鏡頭。

（3）使用配備的皮吹對(duì)散射板、衰減器進(jìn)行清潔，消除表面灰塵；如果散射板和衰減器有污漬，則使用配備的專用鏡頭擦拭紙進(jìn)行擦拭，擦拭時(shí)避免擦傷玻璃表面。

（4）定期檢查維護(hù)供電和防雷措施，確保設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 常見故障處理

能見度儀校準(zhǔn)期間，常遇見幾種問(wèn)題及處理：（1）當(dāng)輸入命令“OPEN”時(shí)，“能見度串口調(diào)試助手”界面沒數(shù)據(jù)顯示。此時(shí)，應(yīng)首先檢查界面的波特率及數(shù)據(jù)位等是否設(shè)置正確，其次檢查采集箱“能見度”的接線是否共地，最后檢查電纜接頭是否松動(dòng)，接收裝置以及發(fā)射裝置等。（2）能見度數(shù)值持續(xù)過(guò)低。這可能是采樣體內(nèi)存在干擾所致，檢查護(hù)罩是否被遮擋，或者電路有故障。若沒有，可用校準(zhǔn)程序?qū)υO(shè)備校準(zhǔn)。（3）能見度數(shù)值持續(xù)過(guò)高?？赡苁前l(fā)射端或接收端遭到干擾，或者透鏡過(guò)臟所致。若沒有，可用校準(zhǔn)程序?qū)υO(shè)備校準(zhǔn)。

3 能見度儀校準(zhǔn)流程

3.1 DNQ3型能見度儀的校準(zhǔn)流程

DNQ3型校準(zhǔn)裝置套件由一個(gè)白色玻璃材質(zhì)的散射板、一個(gè)黑色玻璃材質(zhì)的衰減板和一個(gè)泡沫材質(zhì)的堵塞組成，另有皮吹、鏡頭擦拭紙等清潔設(shè)備，用于檢查和校準(zhǔn)。其中散射板是用于模擬強(qiáng)散射信號(hào)，對(duì)低能見度信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。衰減板主要是對(duì)強(qiáng)散射信號(hào)進(jìn)行衰減，模擬較低散射信號(hào)，對(duì)較高能見度信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)。堵頭可堵塞接收器鏡筒端頭，完成遮蔽發(fā)射光束對(duì)大氣的照射，以模擬零散射信號(hào)，用于設(shè)備零點(diǎn)測(cè)試。

對(duì)DNQ3型能見度儀進(jìn)行校準(zhǔn)，包括數(shù)據(jù)線連接、檢查程序和校準(zhǔn)程序三個(gè)部分，其中數(shù)據(jù)線連接部分，主要是將串口線連接至電腦USB端口，將采集到的能見度數(shù)據(jù)在筆記本電腦中顯示。檢查程序主要是對(duì)上限值（50000m），低值（90～110m）和中值（900～1100m）進(jìn)行檢測(cè)。校準(zhǔn)程序是對(duì)檢查程序中能見度數(shù)值（低值和中值）不在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)，采用校準(zhǔn)程序進(jìn)行校準(zhǔn)。能見度儀校準(zhǔn)時(shí)，需避免強(qiáng)烈太陽(yáng)光直射，同時(shí)按第2.1小節(jié)內(nèi)容對(duì)設(shè)備進(jìn)行清潔，校準(zhǔn)流程如下：

3.1.1數(shù)據(jù)線連接

將CAWS3000采集箱內(nèi)“能見度”一欄輕輕拔下，后通過(guò)串口線連接至電腦USB端口，打開“設(shè)備管理器”，查看“端口（COM和LPT）”一欄，確定數(shù)據(jù)線連接的COM端口。同時(shí)檢查采集器箱的能見度模塊是否接地線，若未接地線，將無(wú)法進(jìn)行接下來(lái)的步驟。

3.1.2檢查程序

（1）打開“能見度串口調(diào)試助手”。1）將串口號(hào)設(shè)定為與設(shè)備管理器“端口”一欄顯示一致；2）波特率設(shè)定為9600；3）數(shù)據(jù)位設(shè)定為7；4）停止位設(shè)定為1；5）檢驗(yàn)位設(shè)定為ODD。

（2）點(diǎn)擊“打開串口”，待窗口出現(xiàn)數(shù)據(jù)后執(zhí)行下一步操作。

（3）在軟件最下方命令欄（“流控”右側(cè)）輸入命令“PAR”（注意：所有命令字母均為大寫，下同），若顯示設(shè)備生產(chǎn)序號(hào)、日期等，繼續(xù)下一步。

（4）上限檢測(cè)：將堵頭安裝至接收器的透鏡，等待至少5min，若顯示能見度的上限值為50000m，則繼續(xù)下一步。否則更換設(shè)備。

（5）輸入命令“CALI_OPEN”，待軟件應(yīng)答“OK”后，執(zhí)行下一步操作。

（6）低值檢測(cè)：將散射板安裝于能見度儀發(fā)射鏡頭端后輸入命令“CALI_OUT”，待軟件顯示兩組數(shù)據(jù)，分別為CALI 1和CALI 2（CALI 1表示低值數(shù)據(jù)，CALI 2表示中值數(shù)據(jù)）的值，這時(shí)只看CALI 1值。若出現(xiàn)CALI 1的值不在90～110之間，則跳到校準(zhǔn)程序1；否則待信號(hào)值穩(wěn)定，讀取5組數(shù)據(jù)后繼續(xù)下一步操作。

（7）中值檢測(cè)：將衰減板安裝于能見度儀接收鏡頭端（不需要取散射板）后輸入命令“CALI_OUT”，待軟件顯示兩組數(shù)據(jù)，這時(shí)只看CALI 2的值，若CALI 2的值不在900～1100之間，則跳到校準(zhǔn)程序2；否則待信號(hào)值穩(wěn)定，讀取5組數(shù)據(jù)后繼續(xù)下一步操作。

（8）檢查結(jié)束，輸入命令“CALI_CLOSE”。

3.1.3校準(zhǔn)程序

若出現(xiàn)CALI 1值不在90～110之間，則輸入命令：“CALI1_DO”，待CALI 1值穩(wěn)定在90～110之間后，重新輸入CALI_OUT，若CALI 1值在90～110之間，則繼續(xù)檢定程序中的步驟(6)～(7)。

若出現(xiàn)CALI 2值不在900～1100之間，則輸入命令“CALI 2_DO”，待CALI 2值穩(wěn)定在900～1100之間后，重新輸入CALI_OUT，若CALI 2值在900～1100之間，則繼續(xù)檢定程序中的步驟7。

3.2 DNQ1/V35型能見度儀

DNQ1/V35型校準(zhǔn)裝置套件包括一個(gè)阻塞片和兩個(gè)具有散射特性已知的不透明玻璃片組成，另有皮吹、鏡頭擦拭紙等清潔設(shè)備，用于檢查和校準(zhǔn)。此程序中使用ZERO、CHEC和CAL命令。使用阻塞片獲得零信號(hào)，使用不透明玻璃片獲得高信號(hào)。

對(duì)DNQ1/V35型能見度儀進(jìn)行校準(zhǔn)，包括數(shù)據(jù)線連接、檢查程序和校準(zhǔn)程序三個(gè)部分，其中數(shù)據(jù)線連接部分主要是將串口線連接至電腦USB端口，將采集到的能見度數(shù)據(jù)在筆記本電腦中顯示。檢查程序主要是對(duì)信號(hào)值（采集箱讀取到的能見度值）進(jìn)行檢測(cè)，若信號(hào)值的變動(dòng)小于標(biāo)定值（數(shù)值為玻璃片上印制的值567）±5%，則不需要重新校準(zhǔn)，否則需重新校準(zhǔn)。校準(zhǔn)程序是對(duì)檢查程序中信號(hào)值不在標(biāo)定值范圍內(nèi)，采用校準(zhǔn)程序進(jìn)行校準(zhǔn)。能見度儀校準(zhǔn)時(shí)，需避免強(qiáng)烈太陽(yáng)光直射，同時(shí)按第2.1小節(jié)對(duì)設(shè)備進(jìn)行清潔，校準(zhǔn)流程如下：

3.2.1數(shù)據(jù)線連接

將CAWS3000采集箱內(nèi)“能見度”一欄輕輕拔下，后通過(guò)串口線連接至電腦USB端口，打開“設(shè)備管理器”，查看“端口（COM和LPT）”一欄，確定數(shù)據(jù)線連接的COM端口。同時(shí)檢查采集器箱的能見度模塊是否接地線，若未接地線，將無(wú)法進(jìn)行接下來(lái)的步驟。

3.2.2檢查程序

（1）打開“能見度串口調(diào)試助手”。1）將串口號(hào)設(shè)定為與設(shè)備管理器“端口”一欄顯示一致。2）波特率設(shè)定為9600。3）數(shù)據(jù)位設(shè)定為7。4）停止位設(shè)定為1。5）檢驗(yàn)位設(shè)定為Even。

（2）點(diǎn)擊“打開串口”，待窗口出現(xiàn)數(shù)據(jù)后執(zhí)行下一步操作。

（3）阻擋光路。將阻塞片安裝在接收機(jī)的內(nèi)罩中，等候30s，若出現(xiàn)能見度值為35000m，則繼續(xù)下一步，否則更換設(shè)備。

（4）在軟件最下方命令欄（“流控”右側(cè)）輸入命令“OPEN”（注意：所有命令字母均為大寫，下同），待軟件出現(xiàn)數(shù)據(jù)反饋后執(zhí)行下一步操作。

（5）輸入命令“ZERO”，待軟件應(yīng)答“ZERO SIGNAL: ok>”后執(zhí)行下一步操作。

（6）取出阻塞片，將兩片不透明玻璃片同時(shí)安裝在鏡頭護(hù)罩上，輸入命令“CHEC”。

（7）待軟件應(yīng)答顯示信號(hào)值穩(wěn)定后讀取10組數(shù)據(jù)，信號(hào)值與標(biāo)定值（567）值誤差小于±5%，則標(biāo)定正確；如果大于±5%，則須進(jìn)行標(biāo)定程序。

（8）檢查結(jié)束，輸入命令“CLOSE”。

3.2.3校準(zhǔn)程序

（1）如果檢查過(guò)程等候時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，出現(xiàn)標(biāo)定通道關(guān)閉（跳出“Line Closed”應(yīng)答）的情況，則需要按照檢查程序中（2）～（6）步驟重新操作，直至CHEC命令執(zhí)行成功出現(xiàn)檢查值應(yīng)答反饋。

（2）如果檢查過(guò)程出現(xiàn)（2）～（7）步驟內(nèi)信號(hào)值與標(biāo)定值誤差大于±5%、小于±20%的情況，則須按照下列流程操作：

①在應(yīng)答框內(nèi)按ESC鍵終止CHEC命令，后執(zhí)行下一步操作。

②輸入命令“CAL 567”（數(shù)值為標(biāo)定片上印制的值）。

③再次輸入命令“CHEC”，重新檢查信號(hào)值，以確定新的比例系數(shù)被使用。

（3）如果檢查過(guò)程出現(xiàn)(2)～(7)步驟內(nèi)信號(hào)值與標(biāo)定值誤差大于±20%的情況，則須按照下列流程操作：

①在應(yīng)答框內(nèi)按ESC鍵終止“CHEC”命令，后執(zhí)行下一步操作。

②輸入命令“FCAL 567”。

③再次輸入命令“CHEC”，重新檢查信號(hào)值，以確定新的比例系數(shù)被使用。

4 校準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

當(dāng)前，福建省投入業(yè)務(wù)使用的能見度儀約272部，其中每個(gè)大監(jiān)站擁有兩套能見度儀設(shè)備,這對(duì)于獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和資料的完整性至關(guān)重要。進(jìn)行周期性的檢測(cè)，并及時(shí)對(duì)能見度儀進(jìn)行校準(zhǔn)，是能見度儀數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的有力保障?，F(xiàn)選取平潭、華安、晉江和上杭等4個(gè)地區(qū)大監(jiān)站能見度儀的數(shù)據(jù)，因大監(jiān)站有兩套能見度儀，所以將其中一套未校準(zhǔn)的能見度儀數(shù)值當(dāng)作真實(shí)值，而進(jìn)行校準(zhǔn)的能見度儀作為對(duì)比值，根據(jù)前文的校準(zhǔn)流程方法，得到校準(zhǔn)前后能見度儀的數(shù)值。從表1知，平潭、華安、晉江和上杭等4個(gè)大監(jiān)站校準(zhǔn)前的相對(duì)誤差分別為30%、19%、37%和48%，而校準(zhǔn)后的相對(duì)誤差為1.2%、16%、19%和2%，因此，相比于校準(zhǔn)前，校準(zhǔn)后能見度儀的相對(duì)誤差明顯降低。從現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)發(fā)現(xiàn)，能見度儀容易受周圍環(huán)境影響，校準(zhǔn)期間，人員在觀測(cè)場(chǎng)上少走動(dòng)，使能見度儀在校準(zhǔn)時(shí)波動(dòng)較低，其次應(yīng)定期清洗鏡頭，校準(zhǔn)時(shí)發(fā)現(xiàn)鏡頭灰塵較多，遮擋能見度儀的探測(cè)，從而影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。因此，進(jìn)行定期的檢定、及時(shí)校準(zhǔn)，有利于提高能見度儀探測(cè)的準(zhǔn)確度。

表1 能見度儀校準(zhǔn)前后數(shù)值與真實(shí)值對(duì)比

5 結(jié)論

大量能見度設(shè)備的投入使用是福建省地面氣象觀測(cè)自動(dòng)化程度提高的表現(xiàn)，進(jìn)行周期性檢定，并及時(shí)校準(zhǔn)，有利于保障能見度儀數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。本文選取平潭、華安、晉江和上杭等4個(gè)地區(qū)大監(jiān)站的能見度數(shù)據(jù)，根據(jù)既定的校準(zhǔn)流程和方法，并結(jié)合當(dāng)時(shí)觀測(cè)條件的實(shí)際情況，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：（1）校準(zhǔn)后，能見度數(shù)值與真實(shí)值相近，校準(zhǔn)前能見度數(shù)值與真實(shí)值相差較遠(yuǎn)；（2）由現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)可知，環(huán)境變化影響及鏡頭灰塵遮擋，將給能見度儀探測(cè)精度的準(zhǔn)確性帶來(lái)變化。因此，進(jìn)行定期的日常維護(hù)以及周期性檢測(cè)，及時(shí)對(duì)能見度儀進(jìn)行校準(zhǔn)，是保證能見度儀觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的重要措施。

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