CJY-1G前向散射能見(jiàn)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(jiàn)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(cè)的能見(jiàn)度氣象要素改為自動(dòng)化儀器觀測(cè),洛陽(yáng)凱邁(環(huán)測(cè))公司生產(chǎn)的CJY-1G型前向散射能見(jiàn)度儀作為一種智能化的新一代大氣能見(jiàn)度監(jiān)測(cè)設(shè)備,2013年在氣象臺(tái)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(jiàn)度儀 原理 組成 維護(hù)

能見(jiàn)度(Visibility),是反映大氣透明度的一個(gè)指標(biāo),在氣象學(xué)中,能見(jiàn)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(guò)的路徑長(zhǎng)度。能見(jiàn)度和當(dāng)時(shí)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(guò)程時(shí),大氣透明度較低,因此能見(jiàn)度較差。測(cè)量大氣能見(jiàn)度一般可用目測(cè)的方法,但是,能見(jiàn)度的估計(jì)受許多主觀的和物理的因素的影響,近年來(lái),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(guó)大部分氣象臺(tái)站都安裝了能見(jiàn)度儀,基本實(shí)現(xiàn)了能見(jiàn)度的自動(dòng)化觀測(cè)。

1 CJY-1G能見(jiàn)度儀工作原理

散射能見(jiàn)度儀通過(guò)測(cè)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(jiàn)度的主要因素。故測(cè)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(shí),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(guò)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(chǎng)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(chǎng)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(hào),此信號(hào)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(jiàn)度值。

2 CJY-1G能見(jiàn)度儀組成

CJY-1G型能見(jiàn)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(dòng)單元、污染檢測(cè)光電管、能量檢測(cè)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(shí)具有發(fā)光能量和鏡頭污染檢測(cè)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(cè)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(hào)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(hào),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(shū)、預(yù)提交工作量、工作量驗(yàn)收、結(jié)算、審計(jì)連成一個(gè)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(jià)文件。有了此系統(tǒng)，能實(shí)時(shí)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(jué)特性的光電二極管轉(zhuǎn)換為電流信號(hào),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(chǔ)單元和顯示單元

單片機(jī)根據(jù)當(dāng)時(shí)的能見(jiàn)度控制發(fā)光管電流,在發(fā)光管工作時(shí)采集散射、能量、污染信號(hào),在發(fā)光管不工作時(shí)采集全部信號(hào)(含基準(zhǔn)電壓和0V電壓),在每個(gè)工作周期進(jìn)行一次校零及A/D轉(zhuǎn)換器標(biāo)定,通過(guò)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(gè)平均值(又稱(chēng)瞬時(shí)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(guò)外接無(wú)線傳輸模塊,可以擴(kuò)展通信距離。無(wú)線傳輸模塊的類(lèi)型有GPRS、CDMA等。無(wú)線傳輸時(shí),可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)傳輸,至少可同時(shí)將數(shù)據(jù)發(fā)到2個(gè)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(xiě)在采集器中。遵守能見(jiàn)度規(guī)范及其它氣象技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。能對(duì)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(hào)轉(zhuǎn)換成微控制器可讀信號(hào),得到氣象變量測(cè)量值序列;對(duì)氣象變量測(cè)量值進(jìn)行轉(zhuǎn)換,使傳感器輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成氣象單位量,得到采樣瞬時(shí)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(shí)數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)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(shí)間間隔取決于儀器的使用環(huán)境,通常每2個(gè)月清潔1次。根據(jù)設(shè)備附近環(huán)境的情況,延長(zhǎng)或縮短擦拭鏡頭的時(shí)間間隔(遇沙塵、降雪等影響能見(jiàn)度天氣現(xiàn)象時(shí),應(yīng)及時(shí)清潔)。①用酒精浸濕脫脂棉,擦拭透鏡,注意不要?jiǎng)潅哥R表面;②檢查遮光罩和透鏡表面,確保沒(méi)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(gè)正點(diǎn)前10分鐘應(yīng)查看能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或異常應(yīng)及時(shí)處理,啟動(dòng)維護(hù)或維修程序。

(3)每日日出后和日落前巡視能見(jiàn)度儀,發(fā)現(xiàn)能見(jiàn)度儀(尤其是采樣區(qū))有蜘蛛網(wǎng)、鳥(niǎo)窩、灰塵、樹(shù)枝、樹(shù)葉等影響數(shù)據(jù)采集的雜物,應(yīng)及時(shí)清理。

(4)每月檢查供電設(shè)施,保證供電安全。每三個(gè)月要對(duì)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(duì)能見(jiàn)度自動(dòng)觀測(cè)數(shù)據(jù)有影響的還要摘入備注欄。檢查時(shí)應(yīng)盡量避免用手電筒等光源照射能見(jiàn)度觀測(cè)設(shè)備。

[1]前向散射能見(jiàn)度儀觀測(cè)規(guī)范(試行).中國(guó)氣象局,2009.

[2]CJY-1G型能見(jiàn)度儀使用說(shuō)明書(shū).洛陽(yáng)凱邁(環(huán)測(cè))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(cè)和業(yè)務(wù)管理工作。