能見(jiàn)度儀檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的探討

王勝杰，褚進(jìn)華，解淑艷

(1.中國(guó)氣象局工程咨詢中心，北京 100081；2.中國(guó)氣象局上海物資管理處，上海 200050；3.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京 100012；)

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能見(jiàn)度儀檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的探討

王勝杰1，褚進(jìn)華2，解淑艷3*

(1.中國(guó)氣象局工程咨詢中心，北京 100081；2.中國(guó)氣象局上海物資管理處，上海 200050；3.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京 100012；)

對(duì)能見(jiàn)度儀檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)進(jìn)行了探討。簡(jiǎn)述了能見(jiàn)度儀檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的技術(shù)特性；從能見(jiàn)度儀標(biāo)準(zhǔn)器建設(shè)、環(huán)境模擬和檢測(cè)方法3方面進(jìn)行了討論；提出了在能見(jiàn)度環(huán)境模擬試驗(yàn)方艙內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣象光學(xué)視程3 km以下能見(jiàn)度儀檢測(cè)的方案。

能見(jiàn)度儀；環(huán)境模擬；實(shí)驗(yàn)室

能見(jiàn)度是反映大氣透明度的一個(gè)指標(biāo)，氣象上為具有正常視力的人在當(dāng)時(shí)的天氣條件下，能夠從天空背景中看到和辨認(rèn)出目標(biāo)物的最大水平距離，可以客觀地測(cè)量并用氣象光學(xué)視程(Meteorological optical range，簡(jiǎn)稱MOR)表示[1-3]。

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)霧霾天氣發(fā)生的頻率和嚴(yán)重程度有增加的趨勢(shì)，對(duì)人民生活、生產(chǎn)的影響越來(lái)越大，能見(jiàn)度作為霧霾天氣判斷的主要?dú)庀笠兀诃h(huán)境、交通、氣象等專業(yè)服務(wù)中都非常重要[4-9]。

目前，測(cè)量大氣能見(jiàn)度的自動(dòng)化測(cè)量?jī)x器主要是透射式能見(jiàn)度儀和前向散射式能見(jiàn)度儀等，國(guó)內(nèi)科研人員在能見(jiàn)度儀校準(zhǔn)及相關(guān)工作上做了一定的研究，如王青梅等[10]利用標(biāo)準(zhǔn)模板，在自然條件下對(duì)前向散射式能見(jiàn)度儀標(biāo)定方法進(jìn)行了研究；林明峰等[11]對(duì)云霧室人造云霧過(guò)程中的噴霧、催化劑釋放、溫度、濕度、氣流、照明等方面的控制進(jìn)行了研究；周向軍等[12]在煙霧室內(nèi)人工模擬不同量級(jí)的煙、霧能見(jiàn)度環(huán)境，對(duì)能見(jiàn)度儀的標(biāo)校工作做了一定研究。

現(xiàn)對(duì)能見(jiàn)度儀檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)進(jìn)行探討，通過(guò)設(shè)計(jì)能見(jiàn)度環(huán)境模擬試驗(yàn)方艙系統(tǒng)，在艙內(nèi)模擬20 m～3 km范圍能見(jiàn)度環(huán)境下，對(duì)能見(jiàn)度儀的一致性檢驗(yàn)進(jìn)行初步研究。

1 透射式能見(jiàn)度儀標(biāo)準(zhǔn)器

透射式能見(jiàn)度儀直接對(duì)兩點(diǎn)之間的大氣透射率進(jìn)行測(cè)量，并由兩點(diǎn)之間的距離和透過(guò)率對(duì)由大氣散射和吸收組成的大氣消光系數(shù)進(jìn)行估算，其測(cè)量精度與使能見(jiàn)度降低的大氣條件，如霧、雨、雪、塵埃等無(wú)關(guān)。透射式能見(jiàn)度儀的氣象光學(xué)視程計(jì)算公式為：

Vm=bln 0.05/lnTb

(1)

(2)

式(1)和(2)中：Vm——?dú)庀蠊鈱W(xué)視程，m；b——基線長(zhǎng)度，m；Tb——大氣在距離b時(shí)的透過(guò)率；I0——發(fā)射光光強(qiáng)，cd；I——接收光光強(qiáng)，cd[13-14]。

用透射式能見(jiàn)度儀測(cè)量能見(jiàn)度時(shí)，影響測(cè)量精度的因素有透射式能見(jiàn)度儀的內(nèi)在誤差、檢測(cè)誤差和大氣不均勻引起的誤差。對(duì)于設(shè)計(jì)良好、維護(hù)得當(dāng)?shù)耐干涫侥芤?jiàn)度儀，其內(nèi)在誤差可以控制在較小的范圍內(nèi)，大氣不均勻引起的誤差在能見(jiàn)度檢測(cè)時(shí)可以采取一定的試驗(yàn)方法以盡可能地減小[15-16]。

1.1 光源選擇

氣象光學(xué)視程是指由白熾燈發(fā)出的色溫為2 700 K 的平行光束的光通量在大氣中削弱至初始值的5%所通過(guò)的路徑長(zhǎng)度[3，17]。使用白光光源測(cè)量氣象光學(xué)視程將更加接近人眼視覺(jué)感受。白光光源的發(fā)射光譜區(qū)間包括紫外和紅外，其能量或功率光譜分布并不均一。在近代照明技術(shù)中，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中有5種標(biāo)準(zhǔn)白光源[18-19]。

光源功率穩(wěn)定度是影響透射式能見(jiàn)度儀測(cè)量精度最為重要的因素，因此光源的選取須結(jié)合所有相關(guān)影響因素進(jìn)行統(tǒng)籌分析。

由于測(cè)量基線與測(cè)量設(shè)備本身存在誤差的限制，透射式能見(jiàn)度儀只能在一個(gè)有限的范圍內(nèi)提供準(zhǔn)確的氣象光學(xué)視程測(cè)量值。以作為氣象光學(xué)視程測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)這一基點(diǎn)出發(fā)，合理限定測(cè)量所應(yīng)遵照的要求如下：測(cè)量基線20 m；氣象光學(xué)視程測(cè)量相對(duì)誤差≤±5%；連續(xù)測(cè)量周期≥24 h。其中，限定氣象光學(xué)視程測(cè)量誤差≤±5%是因?yàn)榭紤]到世界氣象組織(WMO)對(duì)氣象光學(xué)視程測(cè)量的要求而提出的。

設(shè)T為透射式能見(jiàn)度儀所測(cè)透過(guò)率，L為透射式能見(jiàn)度儀基線長(zhǎng)度(m)，V代表氣象光學(xué)視程(m)，透射式能見(jiàn)度儀的測(cè)量可表達(dá)為[20]：

(3)

對(duì)(3)式求V對(duì)于T的微分，有：

(4)

(4) 式兩邊除以V并將(1)式代入，可得：

(5)

或

(6)

(6) 式即為透射式能見(jiàn)度儀測(cè)量相對(duì)誤差的基本表達(dá)式。

令L=20 m，(dV)/V分別為5%和10%時(shí)，(6)式的具體表達(dá)分別為：

(7)

(7) 式表明：氣象光學(xué)視程越高，對(duì)透射式能見(jiàn)度儀的透射率測(cè)量誤差要求越高。

透射式能見(jiàn)度儀測(cè)量相對(duì)誤差見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)，(dV)/V=5%，當(dāng)氣象光學(xué)視程達(dá)到1 500 m時(shí)，透射式能見(jiàn)度儀的透射率相對(duì)測(cè)量誤差要求為0.2%。

表1 透射式能見(jiàn)度儀測(cè)量相對(duì)誤差①

① MOR單位：m；(dT)/T單位：%。

通過(guò)上述誤差分析，作為能見(jiàn)度儀檢測(cè)的參考標(biāo)準(zhǔn)，要求氣象光學(xué)視程測(cè)量的相對(duì)誤差≤±5%，受測(cè)量基線、測(cè)量系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的技術(shù)水平限制，透射式能見(jiàn)度儀標(biāo)準(zhǔn)器對(duì)于氣象光學(xué)視程的測(cè)量上限不應(yīng)>3 km。在透射式能見(jiàn)度儀的透射率相對(duì)測(cè)量誤差為0.2%時(shí)，若想提高透射式能見(jiàn)度儀氣象光學(xué)視程的測(cè)量上限值，最直接的途徑是提高氣象光學(xué)視程測(cè)量的相對(duì)誤差，由表1可見(jiàn)，氣象光學(xué)視程測(cè)量相對(duì)誤差在5%和10%時(shí)，透射式能見(jiàn)度儀的測(cè)量上限值。

透射式能見(jiàn)度儀，為發(fā)射與接收構(gòu)成的閉環(huán)系統(tǒng)，要求誤差分配各取一半原則，即發(fā)射與接收2個(gè)分系統(tǒng)的相對(duì)誤差要求各自<±0.1%。LED白光屬于半導(dǎo)體電流驅(qū)動(dòng)器件，發(fā)光強(qiáng)度控制相對(duì)要容易，精確控制的技術(shù)手段也相對(duì)比較成熟，利于達(dá)到指標(biāo)要求。

環(huán)境溫度是影響半導(dǎo)體器件穩(wěn)定度的重要因素之一，要滿足指標(biāo)要求和長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性，采取適當(dāng)?shù)臏乜卮胧┦欠浅１匾摹，F(xiàn)從WMO對(duì)能見(jiàn)度的定義出發(fā)，在透射式能見(jiàn)度儀光源選擇問(wèn)題上，選用LED白光作為測(cè)量光源。

1.2 技術(shù)要求

在能見(jiàn)度環(huán)境模擬試驗(yàn)方艙中，以高穩(wěn)定性的LED白光(2 700 K)發(fā)射裝置發(fā)出平行光，光功率檢測(cè)裝置檢測(cè)光源發(fā)出光的功率和接收端接收到的功率，通過(guò)測(cè)量其衰減，計(jì)算消光系數(shù)，進(jìn)而推算氣象光學(xué)視程。

根據(jù)《前向散射能見(jiàn)度儀觀測(cè)規(guī)范》(試行)要求，前向散射式能見(jiàn)度儀的測(cè)量范圍為10 m～30 km，且當(dāng)氣象光學(xué)視程≤1.5 km時(shí)，最大允許誤差為±10%；當(dāng)氣象光學(xué)視程>1.5 km時(shí)，最大允許誤差為±20%。因此，可考慮將透射式標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量設(shè)備的最大允許誤差分別設(shè)定為±5%和±10%。

透射式能見(jiàn)度儀對(duì)大氣透過(guò)率的測(cè)量精度與光程長(zhǎng)度、系統(tǒng)傳遞函數(shù)穩(wěn)定性、測(cè)量設(shè)備精度密切相關(guān)。在光程固定為20 m時(shí)，假設(shè)系統(tǒng)傳遞函數(shù)穩(wěn)定不變，測(cè)量誤差主要由測(cè)量設(shè)備匹配后的綜合性能決定。當(dāng)光程為20 m時(shí)，按能見(jiàn)度測(cè)量誤差控制在5%以內(nèi)計(jì)算，透射式能見(jiàn)度儀的光學(xué)透過(guò)率測(cè)量誤差控制在0.2%以內(nèi)時(shí)，可滿足設(shè)計(jì)要求。

透射式能見(jiàn)度儀標(biāo)準(zhǔn)器的主要技術(shù)性能包括2個(gè)方面，即系統(tǒng)總非線性誤差和光學(xué)透過(guò)率測(cè)量誤差，這2項(xiàng)性能指標(biāo)均可由1組經(jīng)過(guò)標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(光學(xué)透過(guò)率)進(jìn)行傳遞。根據(jù)所設(shè)定的氣象光學(xué)視程最大允許誤差±5%，透射式能見(jiàn)度儀在系統(tǒng)測(cè)量光程為20 m時(shí)，主要技術(shù)要求為：

光源：色溫為2 700 K的LED白光，輸出功率1～5 mW，功率穩(wěn)定度≤0.1%/24 h；重復(fù)頻率1 kHz；基線長(zhǎng)度：20 m；能見(jiàn)度測(cè)量范圍和誤差：≤1.5 km時(shí)為±5%；1.5～3.0 km時(shí)為±10%;安裝要求：通過(guò)基于四象限傳感器的定位系統(tǒng)，保證透射式能見(jiàn)度儀在基線方向上的對(duì)齊。

2 能見(jiàn)度環(huán)境模擬試驗(yàn)方艙

建立能見(jiàn)度環(huán)境模擬試驗(yàn)方艙，產(chǎn)生氣象光學(xué)視程在20 m～3 km之間穩(wěn)定大氣能見(jiàn)度變化過(guò)程。

2.1 霧模擬環(huán)境與能見(jiàn)度變化的關(guān)聯(lián)性

從濕度要素來(lái)看，空氣中存在一定的氣溶膠粒子且水汽條件較好時(shí)，通過(guò)核化，以粒子為核心的溶液滴在凝結(jié)和碰并作用下進(jìn)一步長(zhǎng)大，造成了單位體積內(nèi)散射面積和散射體積的增加，使得消光系數(shù)增加。從風(fēng)速要素來(lái)看，一般空氣中風(fēng)速較大時(shí)，有助于氣溶膠粒子的擴(kuò)散，使得消光系數(shù)減小。霧是由懸浮在近地面空氣中緩慢沉降的微小水滴或冰晶等組成的一種膠體系統(tǒng)，是近地面層空氣中水汽凝結(jié)(或凝華)的產(chǎn)物。

根據(jù)能見(jiàn)度(V)的不同可將霧分為重霧(V<50 m)、濃霧(50 m1 km)[21-23]。在密閉的試驗(yàn)艙內(nèi)環(huán)境里，調(diào)節(jié)空氣中液態(tài)水含量和霧顆粒濃度可以模擬出在20 m～3 km之間變化的能見(jiàn)度，用于消光系數(shù)測(cè)量及能見(jiàn)度儀器標(biāo)定。

2.2 霧模擬裝置

使用超聲波起霧方式模擬能見(jiàn)度變化的艙內(nèi)試驗(yàn)環(huán)境，調(diào)整噴霧時(shí)間和流量之間的匹配關(guān)系，影響霧顆粒濃度，在循環(huán)風(fēng)速、相對(duì)濕度、溫度準(zhǔn)確可控的條件下，產(chǎn)生氣象光學(xué)視程在20 m～3 km之間的大氣變化過(guò)程。為使霧顆粒物均勻分布，科學(xué)設(shè)計(jì)循環(huán)風(fēng)回路，艙內(nèi)風(fēng)速約為1～3 m/s。在艙體的不同區(qū)域使用多臺(tái)粒子譜儀和前向散射式能見(jiàn)度儀，監(jiān)控霧顆粒物的分布情況。

擬采用的霧模擬裝置產(chǎn)生霧的類型為水霧；霧滴參數(shù)為：滴譜范圍0.1～50 μm，且應(yīng)主要集中在0.1～30 μm范圍內(nèi)，平均半徑5～6 μm，含水量0.05～2 g/m3。霧控制時(shí)間設(shè)定高濃度水霧充填時(shí)間約20 min，穩(wěn)定時(shí)間約30 min，合計(jì)準(zhǔn)備時(shí)間約50 min。

2.3 密閉艙體

環(huán)境模擬方艙能在常溫條件下模擬特定粒譜和濃度的霧，并消除儀器反射或折射產(chǎn)生的雜散光的影響，為能見(jiàn)度儀的檢測(cè)提供穩(wěn)定的測(cè)試環(huán)境。使用具有保溫夾層的彩鋼板制作艙體，提高控溫控濕系統(tǒng)的工作可靠性。艙外配套具有高機(jī)械穩(wěn)定性的光學(xué)平臺(tái)，確保探測(cè)光路長(zhǎng)期不變，降低非大氣背景變化造成的測(cè)量誤差。艙內(nèi)合理布局空調(diào)、超聲波人造霧機(jī)組、噴淋單元、風(fēng)機(jī)等設(shè)備的安裝機(jī)位，實(shí)現(xiàn)霧顆粒物的均勻分布；安裝壓縮空氣凈化設(shè)備，降低艙內(nèi)氣溶膠含量，模擬高能見(jiàn)度大氣背景。實(shí)驗(yàn)室為試驗(yàn)艙提供供電和給排水設(shè)施。

方艙建設(shè)的長(zhǎng)度決定了透射式能見(jiàn)度儀的基線長(zhǎng)短，從理論上講只要光程不為零，透射式測(cè)量方法都可以用于能見(jiàn)度測(cè)量。但在實(shí)際測(cè)量中，光程的大小決定了接收端光強(qiáng)變化量的幅度。透射式測(cè)量系統(tǒng)所需要的光程長(zhǎng)度由光電檢測(cè)單元的精確度和設(shè)計(jì)指標(biāo)所決定，所以光程大小與系統(tǒng)測(cè)量精確度直接相關(guān)。方艙內(nèi)凈空間：20.0 m(長(zhǎng))×3.5 m(寬)×3.0 m(高)，方艙相對(duì)密閉，見(jiàn)圖1。

圖1 能見(jiàn)度環(huán)境模擬試驗(yàn)方艙結(jié)構(gòu)示意

2.4 恒溫控制系統(tǒng)

環(huán)境模擬試驗(yàn)方艙只模擬常溫下20 m～3 km之間的能見(jiàn)度變化。為使能見(jiàn)度儀計(jì)量檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室的電子檢測(cè)設(shè)備達(dá)到最穩(wěn)定工作狀態(tài)，即降低溫度變化對(duì)檢測(cè)設(shè)備的性能影響，對(duì)能見(jiàn)度儀檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室(方艙外區(qū)域)進(jìn)行恒溫控制，溫度控制在20 ℃左右。溫度測(cè)量范圍：-5～40 ℃，允許誤差±2 ℃；溫度控制范圍：恒溫20 ℃，允許誤差±2 ℃。

3 能見(jiàn)度儀檢測(cè)方法

在20 m～3 km模擬環(huán)境條件下對(duì)透射式能見(jiàn)度儀進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

3.1 一致性檢驗(yàn)

通過(guò)建立高標(biāo)準(zhǔn)的透射式能見(jiàn)度儀參考標(biāo)準(zhǔn)，采用先進(jìn)、科學(xué)的檢測(cè)手段，在可靠的大氣模擬環(huán)境條件下，實(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)室能見(jiàn)度模擬環(huán)境3 km以下對(duì)透射式能見(jiàn)度儀的檢測(cè)。

(1) 將被檢設(shè)備安裝到能見(jiàn)度環(huán)境模擬試驗(yàn)方艙中，與透射式能見(jiàn)度儀標(biāo)準(zhǔn)器同一高度，水平相距一定距離，并保證設(shè)備間的光路互不干擾，連接并開(kāi)啟標(biāo)準(zhǔn)器和被檢設(shè)備，打開(kāi)能見(jiàn)度調(diào)試軟件，配置正確的通訊參數(shù)；

(2) 保持能見(jiàn)度環(huán)境模擬試驗(yàn)方艙密閉，啟動(dòng)水霧模擬發(fā)生裝置，觀察透射式能見(jiàn)度儀參考標(biāo)準(zhǔn)示值，待所有校準(zhǔn)器示值均出現(xiàn)其量程下限值時(shí)，繼續(xù)向試驗(yàn)方艙內(nèi)充霧10～15 min，確保試驗(yàn)方艙內(nèi)水霧充分混合達(dá)到均勻，期間應(yīng)觀察被檢測(cè)設(shè)備是否達(dá)到其量程下限，然后關(guān)閉水霧發(fā)生裝置；

(3) 保持試驗(yàn)室密閉，等待試驗(yàn)方艙內(nèi)水霧自然沉降消除；

(4) 觀察透射式能見(jiàn)度儀的示值，對(duì)關(guān)閉水霧發(fā)生裝置到水霧自然消散結(jié)束這段時(shí)間內(nèi)被檢測(cè)設(shè)備和透射式能見(jiàn)度儀標(biāo)準(zhǔn)器能見(jiàn)度數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析，給出低能見(jiàn)度段被檢測(cè)設(shè)備的檢測(cè)結(jié)果。

3.2 測(cè)量不確定度評(píng)定

對(duì)在能見(jiàn)度儀檢測(cè)中的數(shù)據(jù)，以試驗(yàn)中M臺(tái)校準(zhǔn)器的平均值S為準(zhǔn)，計(jì)算被檢測(cè)設(shè)備的相對(duì)誤差標(biāo)準(zhǔn)差dx，公式如下：

(8)

式中：N——均勻時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)樣本數(shù)量，個(gè)；x——被檢測(cè)設(shè)備測(cè)量的能見(jiàn)度值，m。

若dx滿足被檢測(cè)設(shè)備的測(cè)量精度要求，則說(shuō)明其在目標(biāo)能見(jiàn)度的測(cè)量準(zhǔn)確；如果不滿足，則需對(duì)被檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

能見(jiàn)度儀檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)是一項(xiàng)復(fù)雜的工程，在設(shè)計(jì)過(guò)程中既要考慮各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)要求，又要滿足科研、業(yè)務(wù)需求，以及資金支持能力。設(shè)計(jì)建設(shè)的20 m能見(jiàn)度環(huán)境模擬試驗(yàn)方艙，能夠?qū)崿F(xiàn)人工模擬能見(jiàn)度環(huán)境；建立透射式能見(jiàn)度儀，滿足人工模擬能見(jiàn)度3 km范圍內(nèi)能見(jiàn)度儀檢測(cè)的參考標(biāo)準(zhǔn)，測(cè)量精度為5%。當(dāng)然，能見(jiàn)度儀檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的相關(guān)技術(shù)性能指標(biāo)，還有待利用運(yùn)行期的大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，并通過(guò)后期建設(shè)逐步完善[24-25]。

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欄目編輯 周立平

聲 明

Discussion on Examining the Laboratory Construction Using a Visibility Meter

WANG Sheng-jie1，CHU Jin-hua2，XIE Shu-yan3*

(1.CMAEngineeringConsultingCenter，Beijing100081，China；2.CMAShanghaiMaterialManagementOffice，Shanghai200050，China; 3.ChinaNationalEnvironmentalMonitoringCenter，Beijing100012，China)

This paper discussed the examination of laboratory construction using the visibility meter. The technical characteristics of the visibility meter for examining the laboratory were introduced，and three aspects related to the examination，including the construction of the standard visibility meter，the environment simulation，and the method of detection were discussed. A scheme for accomplishing the visibility test was proposed in the simulated shelter environment within the meteorological optical range of 3 km.

Visibility meter; Environment simulation; Laboratory

2015-08-12；

2015-09-08

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目(41205016)

王勝杰(1980—)，男，工程師，碩士，從事氣象工程咨詢工作。

*通訊作者：解淑艷 E-mail：xiesy@cnemc.cn

P414

A

1674-6732(2015)06-0063-05

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