王勝杰，褚進華，解淑艷

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

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能見度儀檢測實驗室建設(shè)的探討

王勝杰1，褚進華2，解淑艷3*

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

對能見度儀檢測實驗室建設(shè)進行了探討。簡述了能見度儀檢測實驗室的技術(shù)特性；從能見度儀標(biāo)準(zhǔn)器建設(shè)、環(huán)境模擬和檢測方法3方面進行了討論；提出了在能見度環(huán)境模擬試驗方艙內(nèi)實現(xiàn)氣象光學(xué)視程3 km以下能見度儀檢測的方案。

能見度儀；環(huán)境模擬；實驗室

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

進入21世紀(jì)以來，我國霧霾天氣發(fā)生的頻率和嚴(yán)重程度有增加的趨勢，對人民生活、生產(chǎn)的影響越來越大，能見度作為霧霾天氣判斷的主要氣象要素，在環(huán)境、交通、氣象等專業(yè)服務(wù)中都非常重要[4-9]。

目前，測量大氣能見度的自動化測量儀器主要是透射式能見度儀和前向散射式能見度儀等，國內(nèi)科研人員在能見度儀校準(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，在自然條件下對前向散射式能見度儀標(biāo)定方法進行了研究；林明峰等[11]對云霧室人造云霧過程中的噴霧、催化劑釋放、溫度、濕度、氣流、照明等方面的控制進行了研究；周向軍等[12]在煙霧室內(nèi)人工模擬不同量級的煙、霧能見度環(huán)境，對能見度儀的標(biāo)校工作做了一定研究。

現(xiàn)對能見度儀檢測實驗室的建設(shè)進行探討，通過設(shè)計能見度環(huán)境模擬試驗方艙系統(tǒng)，在艙內(nèi)模擬20 m～3 km范圍能見度環(huán)境下，對能見度儀的一致性檢驗進行初步研究。

1 透射式能見度儀標(biāo)準(zhǔn)器

透射式能見度儀直接對兩點之間的大氣透射率進行測量，并由兩點之間的距離和透過率對由大氣散射和吸收組成的大氣消光系數(shù)進行估算，其測量精度與使能見度降低的大氣條件，如霧、雨、雪、塵埃等無關(guān)。透射式能見度儀的氣象光學(xué)視程計算公式為：

Vm=bln 0.05/lnTb

(1)

(2)

式(1)和(2)中：Vm——氣象光學(xué)視程，m；b——基線長度，m；Tb——大氣在距離b時的透過率；I0——發(fā)射光光強，cd；I——接收光光強，cd[13-14]。

用透射式能見度儀測量能見度時，影響測量精度的因素有透射式能見度儀的內(nèi)在誤差、檢測誤差和大氣不均勻引起的誤差。對于設(shè)計良好、維護得當(dāng)?shù)耐干涫侥芤姸葍x，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度檢測時可以采取一定的試驗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%所通過的路徑長度[3，17]。使用白光光源測量氣象光學(xué)視程將更加接近人眼視覺感受。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度儀測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)影響因素進行統(tǒng)籌分析。

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

設(shè)T為透射式能見度儀所測透過率，L為透射式能見度儀基線長度(m)，V代表氣象光學(xué)視程(m)，透射式能見度儀的測量可表達為[20]：

(3)

對(3)式求V對于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) 式即為透射式能見度儀測量相對誤差的基本表達式。

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

(7)

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

透射式能見度儀測量相對誤差見表1。由表1可見，(dV)/V=5%，當(dāng)氣象光學(xué)視程達到1 500 m時，透射式能見度儀的透射率相對測量誤差要求為0.2%。

表1 透射式能見度儀測量相對誤差①

① MOR單位：m；(dT)/T單位：%。

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

透射式能見度儀，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個分系統(tǒng)的相對誤差要求各自<±0.1%。LED白光屬于半導(dǎo)體電流驅(qū)動器件，發(fā)光強度控制相對要容易，精確控制的技術(shù)手段也相對比較成熟，利于達到指標(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對能見度的定義出發(fā)，在透射式能見度儀光源選擇問題上，選用LED白光作為測量光源。

1.2 技術(shù)要求

在能見度環(huán)境模擬試驗方艙中，以高穩(wěn)定性的LED白光(2 700 K)發(fā)射裝置發(fā)出平行光，光功率檢測裝置檢測光源發(fā)出光的功率和接收端接收到的功率，通過測量其衰減，計算消光系數(shù)，進而推算氣象光學(xué)視程。

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

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

透射式能見度儀標(biāo)準(zhǔn)器的主要技術(shù)性能包括2個方面，即系統(tǒng)總非線性誤差和光學(xué)透過率測量誤差，這2項性能指標(biāo)均可由1組經(jīng)過標(biāo)定的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(光學(xué)透過率)進行傳遞。根據(jù)所設(shè)定的氣象光學(xué)視程最大允許誤差±5%，透射式能見度儀在系統(tǒng)測量光程為20 m時，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；基線長度：20 m；能見度測量范圍和誤差：≤1.5 km時為±5%；1.5～3.0 km時為±10%;安裝要求：通過基于四象限傳感器的定位系統(tǒng)，保證透射式能見度儀在基線方向上的對齊。

2 能見度環(huán)境模擬試驗方艙

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

2.1 霧模擬環(huán)境與能見度變化的關(guān)聯(lián)性

從濕度要素來看，空氣中存在一定的氣溶膠粒子且水汽條件較好時，通過核化，以粒子為核心的溶液滴在凝結(jié)和碰并作用下進一步長大，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)速要素來看，一般空氣中風(fēng)速較大時，有助于氣溶膠粒子的擴散，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之間變化的能見度，用于消光系數(shù)測量及能見度儀器標(biāo)定。

2.2 霧模擬裝置

使用超聲波起霧方式模擬能見度變化的艙內(nèi)試驗環(huán)境，調(diào)整噴霧時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之間的大氣變化過程。為使霧顆粒物均勻分布，科學(xué)設(shè)計循環(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)域使用多臺粒子譜儀和前向散射式能見度儀，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。霧控制時間設(shè)定高濃度水霧充填時間約20 min，穩(wěn)定時間約30 min，合計準(zhǔn)備時間約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，為能見度儀的檢測提供穩(wěn)定的測試環(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。艙外配套具有高機械穩(wěn)定性的光學(xué)平臺，確保探測光路長期不變，降低非大氣背景變化造成的測量誤差。艙內(nèi)合理布局空調(diào)、超聲波人造霧機組、噴淋單元、風(fēng)機等設(shè)備的安裝機位，實現(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，模擬高能見度大氣背景。實驗室為試驗艙提供供電和給排水設(shè)施。

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

圖1 能見度環(huán)境模擬試驗方艙結(jié)構(gòu)示意

2.4 恒溫控制系統(tǒng)

環(huán)境模擬試驗方艙只模擬常溫下20 m～3 km之間的能見度變化。為使能見度儀計量檢測實驗室的電子檢測設(shè)備達到最穩(wěn)定工作狀態(tài)，即降低溫度變化對檢測設(shè)備的性能影響，對能見度儀檢測實驗室(方艙外區(qū)域)進行恒溫控制，溫度控制在20 ℃左右。溫度測量范圍：-5～40 ℃，允許誤差±2 ℃；溫度控制范圍：恒溫20 ℃，允許誤差±2 ℃。

3 能見度儀檢測方法

在20 m～3 km模擬環(huán)境條件下對透射式能見度儀進行一致性檢驗。

3.1 一致性檢驗

通過建立高標(biāo)準(zhǔn)的透射式能見度儀參考標(biāo)準(zhǔn)，采用先進、科學(xué)的檢測手段，在可靠的大氣模擬環(huán)境條件下，實現(xiàn)在實驗室能見度模擬環(huán)境3 km以下對透射式能見度儀的檢測。

(1) 將被檢設(shè)備安裝到能見度環(huán)境模擬試驗方艙中，與透射式能見度儀標(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，連接并開啟標(biāo)準(zhǔn)器和被檢設(shè)備，打開能見度調(diào)試軟件，配置正確的通訊參數(shù)；

(2) 保持能見度環(huán)境模擬試驗方艙密閉，啟動水霧模擬發(fā)生裝置，觀察透射式能見度儀參考標(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，繼續(xù)向試驗方艙內(nèi)充霧10～15 min，確保試驗方艙內(nèi)水霧充分混合達到均勻，期間應(yīng)觀察被檢測設(shè)備是否達到其量程下限，然后關(guān)閉水霧發(fā)生裝置；

(3) 保持試驗室密閉，等待試驗方艙內(nèi)水霧自然沉降消除；

(4) 觀察透射式能見度儀的示值，對關(guān)閉水霧發(fā)生裝置到水霧自然消散結(jié)束這段時間內(nèi)被檢測設(shè)備和透射式能見度儀標(biāo)準(zhǔn)器能見度數(shù)據(jù)進行誤差分析，給出低能見度段被檢測設(shè)備的檢測結(jié)果。

3.2 測量不確定度評定

對在能見度儀檢測中的數(shù)據(jù)，以試驗中M臺校準(zhǔn)器的平均值S為準(zhǔn)，計算被檢測設(shè)備的相對誤差標(biāo)準(zhǔn)差dx，公式如下：

(8)

式中：N——均勻時間內(nèi)的數(shù)據(jù)樣本數(shù)量，個；x——被檢測設(shè)備測量的能見度值，m。

若dx滿足被檢測設(shè)備的測量精度要求，則說明其在目標(biāo)能見度的測量準(zhǔn)確；如果不滿足，則需對被檢測設(shè)備進行參數(shù)校準(zhǔn)。

4 結(jié)語

能見度儀檢測實驗室建設(shè)是一項復(fù)雜的工程，在設(shè)計過程中既要考慮各項技術(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)計建設(shè)的20 m能見度環(huán)境模擬試驗方艙，能夠?qū)崿F(xiàn)人工模擬能見度環(huán)境；建立透射式能見度儀，滿足人工模擬能見度3 km范圍內(nèi)能見度儀檢測的參考標(biāo)準(zhǔn)，測量精度為5%。當(dāng)然，能見度儀檢測實驗室建設(shè)的相關(guān)技術(shù)性能指標(biāo)，還有待利用運行期的大量實驗數(shù)據(jù)進行驗證，并通過后期建設(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

國家自然科學(xué)基金青年基金資助項目(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

入中國學(xué)術(shù)期刊

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