福建省能見度儀日常維護及校準流程

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及校準流程

曾正茂蔣文欣 汪 波 翁焰輝 姜忠波 陳龍福

福建省大氣探測技術保障中心

基于福建地區現用兩種型號（DNQ3和DNQ1/V35）的能見度儀設備結構及工作原理，對能見度儀的日常維護進行說明，并選取平潭、華安、晉江和上杭等4個大監站能見度儀數據，根據校準流程的方法，結合實際觀測條件，對比校準前后能見度儀數值，得出校準后能見度儀數值與真實值相近，校準前能見度儀數值與真實值相差較遠。可見，進行定期的校準和日常維護是提高能見度儀數據準確性的有力保障。

能見度儀 日常維護 校準流程

能見度作為重要的氣象觀測要素。近幾年，大范圍的霧、霾等特殊天氣越來越頻繁，持續時間越來越長，給交通運輸和電力供應乃至市民出行產生許多不利的影響，造成嚴重的災害和經濟損失[1]。目前，福建地區投入業務使用的能見度儀設備272部左右，實現能見度儀自動化觀測，將減輕觀測員的勞動強度，降低人工因素引起的誤差[2]。因此，周期性校準和維護能見度儀設備十分必要。保證能見度儀觀測數據的穩定性以及測量精度的準確性，可在監測預警中提供較為準確的資料。本研究對能見度儀設備的日常維護進行簡要說明，并總結兩種型號（DNQ3和DNQ1/V35）能見度儀的校準流程，為業務工作者提供參考。

1 能見度儀說明

目前氣象能見度的測量方法包括透射法和散射法。透射法主要是檢測衰減后光的強度，然后通過計算公式求出能見度數據。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射光源位于同端，而前向型散射法的接收器和發射光源位于反端。現階段，福建省業務運用的能見度儀是前向散射式，因采用散射法維護較方便，容易安裝、標定和校準。本文重點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傳感器，用于測量能見度（氣象光學距離/MOR）[3]。該儀器使用前向散射測量原理測量能見度，直徑處于光波長數量級的顆粒會散射光，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MOR的影響必須單獨處理。通常這些顆粒是降水水滴。能見度儀可以根據光學信號檢測和測量降水水滴，并使用此信息進行處理，得出散射測量的結果，通過轉換函數可將散射結果轉換成能見度。

1.2 能見度儀組成

能見度觀測儀器由傳感器、采集單元、外圍設備三部分組成。其中傳感器包括發射器和接收器兩部分，是能見度儀的核心部分，通過內置程序可以自動完成數據采集及數據傳輸。采集單元主要是采集器，通過采集器與微機上運行的相關軟件，可以將采集器內部存儲的定時數據卸載并進行處理，從而得到能見度數據。外圍設備主要是供電單元，供電系統為能見度儀運行提供所需的能源，也可以使用遠程GPRS或直聯方式，通過相關軟件獲取數據[4]。如圖1所示。

圖1 能見度儀結構

2 能見度儀日常維護及故障處理

2.1 日常維護

能見度儀屬于戶外設備，受環境因素影響比較大，如不及時檢查和維護，將促使測量值和實際值產生偏差[5]。因此，日常維護使設備處于良好狀態工作十分重要。對能見度儀進行定期維護包括以下幾個部分：

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

（2）使用設備配備的皮吹對發射鏡頭和接收鏡頭進行清潔，清除表面灰塵；然后使用專用鏡頭擦拭紙進行擦拭，擦拭時避免擦傷鏡頭。

（3）使用配備的皮吹對散射板、衰減器進行清潔，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行擦拭，擦拭時避免擦傷玻璃表面。

（4）定期檢查維護供電和防雷措施，確保設備安全穩定運行。

2.2 常見故障處理

能見度儀校準期間，常遇見幾種問題及處理：（1）當輸入命令“OPEN”時，“能見度串口調試助手”界面沒數據顯示。此時，應首先檢查界面的波特率及數據位等是否設置正確，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，接收裝置以及發射裝置等。（2）能見度數值持續過低。這可能是采樣體內存在干擾所致，檢查護罩是否被遮擋，或者電路有故障。若沒有，可用校準程序對設備校準。（3）能見度數值持續過高。可能是發射端或接收端遭到干擾，或者透鏡過臟所致。若沒有，可用校準程序對設備校準。

3 能見度儀校準流程

3.1 DNQ3型能見度儀的校準流程

DNQ3型校準裝置套件由一個白色玻璃材質的散射板、一個黑色玻璃材質的衰減板和一個泡沫材質的堵塞組成，另有皮吹、鏡頭擦拭紙等清潔設備，用于檢查和校準。其中散射板是用于模擬強散射信號，對低能見度信號進行檢測。衰減板主要是對強散射信號進行衰減，模擬較低散射信號，對較高能見度信號進行檢測。堵頭可堵塞接收器鏡筒端頭，完成遮蔽發射光束對大氣的照射，以模擬零散射信號，用于設備零點測試。

對DNQ3型能見度儀進行校準，包括數據線連接、檢查程序和校準程序三個部分，其中數據線連接部分，主要是將串口線連接至電腦USB端口，將采集到的能見度數據在筆記本電腦中顯示。檢查程序主要是對上限值（50000m），低值（90～110m）和中值（900～1100m）進行檢測。校準程序是對檢查程序中能見度數值（低值和中值）不在標準值范圍內，采用校準程序進行校準。能見度儀校準時，需避免強烈太陽光直射，同時按第2.1小節內容對設備進行清潔，校準流程如下：

3.1.1數據線連接

將CAWS3000采集箱內“能見度”一欄輕輕拔下，后通過串口線連接至電腦USB端口，打開“設備管理器”，查看“端口（COM和LPT）”一欄，確定數據線連接的COM端口。同時檢查采集器箱的能見度模塊是否接地線，若未接地線，將無法進行接下來的步驟。

3.1.2檢查程序

（1）打開“能見度串口調試助手”。1）將串口號設定為與設備管理器“端口”一欄顯示一致；2）波特率設定為9600；3）數據位設定為7；4）停止位設定為1；5）檢驗位設定為ODD。

（2）點擊“打開串口”，待窗口出現數據后執行下一步操作。

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

（4）上限檢測：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，則繼續下一步。否則更換設備。

（5）輸入命令“CALI_OPEN”，待軟件應答“OK”后，執行下一步操作。

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

（7）中值檢測：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”，待軟件顯示兩組數據，這時只看CALI 2的值，若CALI 2的值不在900～1100之間，則跳到校準程序2；否則待信號值穩定，讀取5組數據后繼續下一步操作。

（8）檢查結束，輸入命令“CALI_CLOSE”。

3.1.3校準程序

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

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

3.2 DNQ1/V35型能見度儀

DNQ1/V35型校準裝置套件包括一個阻塞片和兩個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備，用于檢查和校準。此程序中使用ZERO、CHEC和CAL命令。使用阻塞片獲得零信號，使用不透明玻璃片獲得高信號。

對DNQ1/V35型能見度儀進行校準，包括數據線連接、檢查程序和校準程序三個部分，其中數據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據在筆記本電腦中顯示。檢查程序主要是對信號值（采集箱讀取到的能見度值）進行檢測，若信號值的變動小于標定值（數值為玻璃片上印制的值567）±5%，則不需要重新校準，否則需重新校準。校準程序是對檢查程序中信號值不在標定值范圍內，采用校準程序進行校準。能見度儀校準時，需避免強烈太陽光直射，同時按第2.1小節對設備進行清潔，校準流程如下：

3.2.1數據線連接

將CAWS3000采集箱內“能見度”一欄輕輕拔下，后通過串口線連接至電腦USB端口，打開“設備管理器”，查看“端口（COM和LPT）”一欄，確定數據線連接的COM端口。同時檢查采集器箱的能見度模塊是否接地線，若未接地線，將無法進行接下來的步驟。

3.2.2檢查程序

（1）打開“能見度串口調試助手”。1）將串口號設定為與設備管理器“端口”一欄顯示一致。2）波特率設定為9600。3）數據位設定為7。4）停止位設定為1。5）檢驗位設定為Even。

（2）點擊“打開串口”，待窗口出現數據后執行下一步操作。

（3）阻擋光路。將阻塞片安裝在接收機的內罩中，等候30s，若出現能見度值為35000m，則繼續下一步，否則更換設備。

（4）在軟件最下方命令欄（“流控”右側）輸入命令“OPEN”（注意：所有命令字母均為大寫，下同），待軟件出現數據反饋后執行下一步操作。

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

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

（7）待軟件應答顯示信號值穩定后讀取10組數據，信號值與標定值（567）值誤差小于±5%，則標定正確；如果大于±5%，則須進行標定程序。

（8）檢查結束，輸入命令“CLOSE”。

3.2.3校準程序

（1）如果檢查過程等候時間過長，出現標定通道關閉（跳出“Line Closed”應答）的情況，則需要按照檢查程序中（2）～（6）步驟重新操作，直至CHEC命令執行成功出現檢查值應答反饋。

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

①在應答框內按ESC鍵終止CHEC命令，后執行下一步操作。

②輸入命令“CAL 567”（數值為標定片上印制的值）。

③再次輸入命令“CHEC”，重新檢查信號值，以確定新的比例系數被使用。

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

①在應答框內按ESC鍵終止“CHEC”命令，后執行下一步操作。

②輸入命令“FCAL 567”。

③再次輸入命令“CHEC”，重新檢查信號值，以確定新的比例系數被使用。

4 校準數據對比分析

當前，福建省投入業務使用的能見度儀約272部，其中每個大監站擁有兩套能見度儀設備,這對于獲取數據的準確性和資料的完整性至關重要。進行周期性的檢測，并及時對能見度儀進行校準，是能見度儀數據準確性的有力保障。現選取平潭、華安、晉江和上杭等4個地區大監站能見度儀的數據，因大監站有兩套能見度儀，所以將其中一套未校準的能見度儀數值當作真實值，而進行校準的能見度儀作為對比值，根據前文的校準流程方法，得到校準前后能見度儀的數值。從表1知，平潭、華安、晉江和上杭等4個大監站校準前的相對誤差分別為30%、19%、37%和48%，而校準后的相對誤差為1.2%、16%、19%和2%，因此，相比于校準前，校準后能見度儀的相對誤差明顯降低。從現場校準發現，能見度儀容易受周圍環境影響，校準期間，人員在觀測場上少走動，使能見度儀在校準時波動較低，其次應定期清洗鏡頭，校準時發現鏡頭灰塵較多，遮擋能見度儀的探測，從而影響數據的準確性。因此，進行定期的檢定、及時校準，有利于提高能見度儀探測的準確度。

表1 能見度儀校準前后數值與真實值對比

5 結論

大量能見度設備的投入使用是福建省地面氣象觀測自動化程度提高的表現，進行周期性檢定，并及時校準，有利于保障能見度儀數據的準確性。本文選取平潭、華安、晉江和上杭等4個地區大監站的能見度數據，根據既定的校準流程和方法，并結合當時觀測條件的實際情況，得到以下幾點結論：（1）校準后，能見度數值與真實值相近，校準前能見度數值與真實值相差較遠；（2）由現場校準可知，環境變化影響及鏡頭灰塵遮擋，將給能見度儀探測精度的準確性帶來變化。因此，進行定期的日常維護以及周期性檢測，及時對能見度儀進行校準，是保證能見度儀觀測數據準確性的重要措施。

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