CJY-1G前向散射能見度儀的原理分析

代華龍

(駐馬店市氣象局,河南駐馬店 463000)

CJY-1G前向散射能見度儀的原理分析

代華龍

(駐馬店市氣象局,河南駐馬店 463000)

隨著氣象業(yè)務(wù)體制改革的不斷深入,以前人工估測的能見度氣象要素改為自動化儀器觀測,洛陽凱邁(環(huán)測)公司生產(chǎn)的CJY-1G型前向散射能見度儀作為一種智能化的新一代大氣能見度監(jiān)測設(shè)備,2013年在氣象臺站裝備較多, 本文分析了該型儀器的工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu),以期給用戶工作中參考。

CJY-1G能見度儀 原理 組成 維護(hù)

能見度(Visibility),是反映大氣透明度的一個指標(biāo),在氣象學(xué)中,能見度用氣象光學(xué)視程表示。氣象光學(xué)視程是指白熾燈發(fā)出色溫為2700K的平行光束的光通量,在大氣中削弱至初始值的5%所通過的路徑長度。能見度和當(dāng)時的天氣情況密切相關(guān)。當(dāng)出現(xiàn)降雨

(雪)、霧、霾、沙塵暴等天氣過程時,大氣透明度較低,因此能見度較差。測量大氣能見度一般可用目測的方法,但是,能見度的估計(jì)受許多主觀的和物理的因素的影響,近年來,隨著氣象業(yè)務(wù)體制改革的不斷深入和服務(wù)的需要,我國大部分氣象臺站都安裝了能見度儀,基本實(shí)現(xiàn)了能見度的自動化觀測。

1 CJY-1G能見度儀工作原理

散射能見度儀通過測量散射系數(shù)從而估算出氣象光學(xué)視程。

大氣中光的衰減是由散射和吸收引起的,在一般情況下,吸收因子可以忽略,而經(jīng)由水滴反射,折射或衍射產(chǎn)生的散射現(xiàn)象是影響能見度的主要因素。故測量散射系數(shù)的儀器可用于估計(jì)氣象光學(xué)視程(MOR)。當(dāng)前向散射角在20°～50°范圍時,不論是濃度改變還是粒徑分布不同,同一散射角的散射強(qiáng)度和消光系數(shù)總成正比。

發(fā)射器通過紅外發(fā)光二極管發(fā)出一束紅外光射入大氣中,發(fā)射光束和接收視場的光軸相交,其夾角為35°,發(fā)射光束擴(kuò)散角為6°,最大接收視場角約為10°,接收器將采樣區(qū)內(nèi)散射光匯聚到光電傳感器的接收面上,并將其轉(zhuǎn)換為電信號,此信號經(jīng)處理后送至電控箱的數(shù)采板,經(jīng)CPU采樣和計(jì)算后得到能見度值。

2 CJY-1G能見度儀組成

CJY-1G型能見度儀,由硬件和軟件組成。

2.1 硬件部分

主要有傳感器、采集器和外圍設(shè)備三部分。

2.1.1 傳感器包括發(fā)射器、接收器、背景亮度傳感器

發(fā)射器由發(fā)光管、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)、發(fā)射驅(qū)動單元、污染檢測光電管、能量檢測光電管以及加熱單元等組成,主要用于發(fā)射擴(kuò)散角為6°的調(diào)制紅外光,同時具有發(fā)光能量和鏡頭污染檢測功能,裝于圓形的外殼內(nèi)。

接收器由光電傳感器、接收光學(xué)系統(tǒng)、接收單元和加熱單元等組成,用于接收被測樣本粒子散射的紅外光束強(qiáng)度。光電二極管將接收到的信號經(jīng)放大、濾波、移相送至同步解調(diào)器解調(diào)出和發(fā)射光同頻同相的前向散射信號,再經(jīng)低失調(diào)電壓溫漂的低通濾波器、放大器后送至數(shù)采單元。

（4）計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)配套研發(fā)。該廠新技術(shù)研發(fā)人員利用計(jì)算機(jī)建立一套企業(yè)定額管理操作系統(tǒng)，將檢修項(xiàng)目的計(jì)劃委托書、預(yù)提交工作量、工作量驗(yàn)收、結(jié)算、審計(jì)連成一個系統(tǒng)，運(yùn)用此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了檢修定額的套用、計(jì)費(fèi)、計(jì)稅金、匯總形成最終工程造價文件。有了此系統(tǒng)，能實(shí)時掌控檢修成本的發(fā)生。

背景亮度傳感器主要由背景亮度光學(xué)系統(tǒng)及背景亮度電路組成,裝于圓形的外殼內(nèi)。

背景亮度傳感器接收20°～40°仰角的天空背景亮度,由符合人眼視覺特性的光電二極管轉(zhuǎn)換為電流信號,經(jīng)放大器轉(zhuǎn)換放大后送到數(shù)采板,經(jīng)CPU處理為背景亮度數(shù)據(jù)送至上位機(jī)。

2.1.2 數(shù)據(jù)采集部分指數(shù)據(jù)采集箱,內(nèi)含接口單元、中央處理單元、存儲單元和顯示單元

單片機(jī)根據(jù)當(dāng)時的能見度控制發(fā)光管電流,在發(fā)光管工作時采集散射、能量、污染信號,在發(fā)光管不工作時采集全部信號(含基準(zhǔn)電壓和0V電壓),在每個工作周期進(jìn)行一次校零及A/D轉(zhuǎn)換器標(biāo)定,通過比較運(yùn)算剔除零點(diǎn)漂移和漂移的影響。每分鐘進(jìn)行四次采樣,輸出一個平均值(又稱瞬時值)。

2.1.3 外圍設(shè)備包括通信接口

通信接口使用RS-232或RS-485。通過外接無線傳輸模塊,可以擴(kuò)展通信距離。無線傳輸模塊的類型有GPRS、CDMA等。無線傳輸時,可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)傳輸,至少可同時將數(shù)據(jù)發(fā)到2個數(shù)據(jù)中心站。

2.2 軟件部分

分為采集軟件和業(yè)務(wù)軟件兩部分。

2.2.1 采集軟件

由廠家提供,寫在采集器中。遵守能見度規(guī)范及其它氣象技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。能對傳感器按預(yù)定的采樣頻率進(jìn)行掃描和將獲得的電信號轉(zhuǎn)換成微控制器可讀信號,得到氣象變量測量值序列;對氣象變量測量值進(jìn)行轉(zhuǎn)換,使傳感器輸出的電信號轉(zhuǎn)換成氣象單位量,得到采樣瞬時值。

2.2.2 業(yè)務(wù)軟件

地面氣象業(yè)軟件目前為ISOS或OSSMO5．0。其功能包括：參數(shù)設(shè)置、實(shí)時數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲、報文生成、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

3 日常維護(hù)

(1)透鏡、遮光罩、背景亮度傳感器的清潔。定期清潔的時間間隔取決于儀器的使用環(huán)境,通常每2個月清潔1次。根據(jù)設(shè)備附近環(huán)境的情況,延長或縮短擦拭鏡頭的時間間隔(遇沙塵、降雪等影響能見度天氣現(xiàn)象時,應(yīng)及時清潔)。①用酒精浸濕脫脂棉,擦拭透鏡,注意不要劃傷透鏡表面;②檢查遮光罩和透鏡表面,確保沒有水滴凝結(jié)或冰雪覆蓋;③擦除遮光罩內(nèi)外表面上的灰塵;④用稀釋清潔液浸濕的脫脂棉,輕輕擦拭清潔背景亮度傳感器鏡頭;⑤擦除背景亮度傳感器遮光罩內(nèi)外的灰塵及其它污物。

(2)守班期間,每個正點(diǎn)前10分鐘應(yīng)查看能見度自動觀測數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯誤或異常應(yīng)及時處理,啟動維護(hù)或維修程序。

(3)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)及時清理。

(4)每月檢查供電設(shè)施,保證供電安全。每三個月要對蓄電池進(jìn)行充放電一次。

(5)定期檢查、維護(hù)的情況應(yīng)記入值班日志中。對能見度自動觀測數(shù)據(jù)有影響的還要摘入備注欄。檢查時應(yīng)盡量避免用手電筒等光源照射能見度觀測設(shè)備。

[1]前向散射能見度儀觀測規(guī)范(試行).中國氣象局,2009.

[2]CJY-1G型能見度儀使用說明書.洛陽凱邁(環(huán)測)有限公司.

代華龍(1973-),男,漢族,河南平輿人,工程師,主要從事大氣探測和業(yè)務(wù)管理工作。