0 引言
能见度是气象观测项目之一,低能见度对轮渡、民航、高速公路等交通运输和电力供应以至于市民的日常生活都会产生许多不利的影响。在经济高度发展的今天,其影响更为明显。近几年来,因能见度过低而造成的重大交通事故屡有发生。因此对雾、霾、轻雾等视程障碍现象的实时监控和气象灾害预警信号的及时发布,显得尤为重要。
世界上许多国家由于公路、航空、军事和生活等方面的需求,都在对大气能见度观测仪进行实验研究,并已取得相当大的进展,如日本早在70年代对森林烟雾进行监测,欧美一些国家也都相继在机场跑道、公路、港口设置了对雾的检测仪器。为适应日益发展的高速公路上能见度的观测,国外已生产一种公路能见度观测仪,如芬兰的FD12P和美国的Model 8364 Visibility Sensor,它实际上是一种公路雾探测器。能见度仪在美国、日本、欧洲等国高速公路的管理上成为不可缺少的设备。近年来我国大量引进了多种型号的能见度仪。芬兰VAISALA公司生产的PWD20能见度仪是前散射能见度仪中的一种,因具有一体化设计、安装方便、维护简单、占地面积小等优点被广泛应用于交通道路、航空机场、气象和环境监测等领域[1,2]。在此,以山东省齐河县气象局引进的芬兰VAISALA PWD20能见度仪为例,对其安装、使用进行全面系统地介绍。
1 能见度的定义
人工观测能见度,一般指有效水平能见度,是指台站四周视野中二分之一以上的范围能看到的目标物的最大水平距离。白天能见度是指视力正常的人,在当时天气条件下,能够从天空背景中看到和辨认的目标物(黑色、大小适度)的最大水平距离;夜间能见度则是指:假定总体照明增加到正常白天水平,适当大小的黑色目标物能被看到和辨认出的最大水平距离;中等强度的发光体能被看到和识别的最大水平距离[3]。此外,世界气象组织将“气象光学视程”(MOR)定义为“色温为2700 K的白炽灯的平行光束,光通量变为其初始值的5%时所通过的大气路径长度”。
在航空领域根据飞行员的位置观察使用“跑道视程”(RVR)的概念。按照国际民航组织给出的定义是:在飞机接地的地点,从飞行员的眼睛的平均高度(一般为5 m)上,观测起飞方向或着陆方向时,能看清跑道的专用灯光或标志的最远距离。
2 PWD20型前向散射能见度仪
芬兰VAISALA公司生产的PWD20型前向散射能见度仪(以下简称“能见度仪”),是连续测量能见度的全自动仪器。它由发射机、控制接收机、处理器构成光学仪器,原理见图1。该观测仪的传感器是利用前向散射测量原理,测量低能见度天气条件下的客观能见距离[4]。能见度仪是一种综合了光学前散射测量、电容降水感应和温度测量的微处理器控制的智能传感器。通过测量一小空气体积(约0.1 L的小采样值)对45°角红外光的前向散射强度,来评估气象光学范围能见度。因大气中光的衰减是由散射和吸收引起的,一般情况下忽略吸收因子。据此,能见度仪采用红外管持续发出一束中心波长为875 nm的红外光射入大气中,接收器将特定体积大气的前向散射光汇聚到光电传感器的接受面上,将PIN光电二极管检测到的光强度转换为与大气能见度成反比关系的电信号,然后发送到计算机采样进而利用数学模型演算出大气能见度值[5]。它是在3个假设的基础上通过散射光强来有效地计算消光系数,即:
(1)假定大气是均质的;
(2)假定分子的吸收、散射或分子内部交互光学效应为零;
(3)假定散射仪测量的散射光强正比于散射系数。
测量范围为10~20 000 m。10~10 000 m内,误差为±10%;10~20 km内,误差为±15%。瞬间(15 s)能见度值进一步平均至1 min和10 min平均输出值。时间常数60 s,更新间隔15 s。仪器可以输出模拟电流、模拟电压信号,电压和电流信号和用户指定的范围成比例。此外,可以输出连续RS-232/485数字信号,波特率可选择110,150,300,600,1 200,2 400,4 800,9 600,19 200中的1种,8位数据位,1位停止位,无奇偶校验。根据能见度设备与计算机连接的实际串口号,设置串口通讯参数。波特率:设为“9 600”;数据位:设为“8”;校验位:设为“No”;停止位:设为“1”;控制位:设为“NoAction”;缓冲区长度:设为“8192”。其他默认不用修改。PWD20型前向散射能见度仪主要技术指标如下[6]:
测量范围:10 m~20 km
精确度:15%
工作温度:-40~55℃
电源:12 V,6 W
带遮光罩加热器:65 W,24 V
模拟电流输出:0~20 mA
数字信号输出:标准232信号
3 安装使用及注意事项
能见度仪安装在气象观测站旁边的一块空地上。选择合适的方位对于PWD20的测量非常重要,同时还要注意考虑以下几个方面:
3.1 安装位置的选择
(1) PWD20所在位置的测量值应能代表周围的天气状况。至少在PWD20所在位置的100 m内没有大的建筑物和其它产生热和(或)阻碍降水的物体。树的阴影也应避免,因为树木可能会造成微观气候的改变。
(2)这个地点应该没有影响光学测量的障碍物和反射表面,也没有明显的污染源。建议在发射机和接收机的视线内没有障碍物,如图2所示。如果发射机光束从障碍物上反射到接收机上,传感器将会指示很低的MOR值,因为它无法分辨反射信号和真正的散射信号。通过旋转传感器横杆可以检测有害反射。任何反射都会根据横杆的方位而变化,能见度读数也将相应改变。
接收机和发射机的光学部件不能指向强光源,不能在强日光下,不能指向象雪或砂这样的反射表面。建议在北半球将接收机指向北,在南半球将接收机指向南。在强光下接收机线路可能会饱和,内置诊断程序将会显示警告。强光会导致从发射机单元产生错误的污染警告。强日光还会提高接收机内的噪音水平。
发射机和接收机应背对任何明显的污染源,如途径车辆的尾气。脏的透镜会造成传感器报告太高的能见度值,传感器能自动检测过度污染。
接收机应该避免面向行驶车辆。首选方向为沿着道路方向。接收机指向最近的车道的去向。
(3)必须有可利用的电源和通讯线路。当为PWD20选址时,必须考虑是否有可利用的电源和通讯线路,因为这将影响所需的工作量和附件,从而影响安装成本。
虽然PWD20的设计可以承受恶劣的天气条件,但是有些地点的环境还是对安装提出了更多的要求。严冬环境下可能造成大量雪和冰的聚集,需要选配加热器。
3.2 接地和防雷电保护
设备接地保护了PWD20的电力单元免受闪电损害,并防止无线电频率的干扰。通过接地电缆进行PWD10/20的设备接地。接地原则为:将接地杆安装得离风杆尽可能近,使接地电缆的长度最短化。接地电缆也可以铸入水泥基座内。接地杆长度取决于当地地下水水位。接地杆的下端应持续接触潮湿土壤。接地质量可以用摇表(测地电阻用)来检测。电阻必须小于10Ω。
PWD20电子元件箱利用供电/数据电缆保护套接地。传感器的其它部分都是互相通电接触。
将远程设备如PC数据记录器、显示器等接地,保护它们免受闪电的损害也是必须的。如果远程设备没有正确接地,通过通讯线路的闪电袭击可能在远程站产生危及生命的冲击电压。
3.3 初始设置
在自动气象观测系统中PWD20能见度仪通常与主机或数据记录仪相连。在进行完物理连接后,可以在软件中配置通信细节。合适的通信设置取决于整个系统的执行情况。
按缺省设置,传感器处于查询模式,也就是说,只有在主机用特殊命令查询时,数据信息才发送。传感器也可以在自动信息模式下应用。自动信息模式自动通过串口传送一条新的ASCII数据信息。用户可以改变数据间隔和类型(AMES命令)。另外,串口的波特速率可以更改为其它的的值,数据框架可以从7 data bits, even parity,one stop bit和8 data bits, no parity, one stopbit之间选择。缺省通信设置如表1所示。
在几个传感器共享同一通信线路的多点通信中,PWD20应在被查询状态下使用,每个传感器必须有不同的识别号(ID)。更改缺省设置的命令如表2所示。
3.4 开机验证
在连接PWD20至一个气象站或者其它主机
之前,建议进行一个快速启动程序。
(1)通过RS-232串口将一个终端连接到传感器上。
(2)设置终端波特速率为9 600 bps,数据框架包括7 data bits, 1 stop bit, even parity.
(3)打开电源开关。
(4)启动后PWD10/20输出:VAISALA PWdxx V x.xx YYYY-MM-DD SN:XXXXXX(如果ID被配置,则包括:VAISALA PWDxx Vx. xx YYYY - MM - DD SN: XXXXXX IDSTRING:1)。如果没有上述输出,检查服务终端(程序)的连线和波特率。如果显示错误的字符,尝试其它波特率,如:300,1 200,2 400和4 800。
(5)等候20 s,用OPEN命令进入命令模式用STA命令检查,没有硬件故障或警告被检测到。
(6)键入CLOSE离开命令模式,检查自动信息(如果没有被关闭的话)出现在显示中。
3.5 操作说明
维萨拉PWD20能见度传感器是一种用于连续能见度测量的全自动仪器。通常,PWD20或者被设置为自动发送数据信息,或者被设置为被主机查询。另外,一组用户命令可以被用于系统性能的配置和监控。这些命令可以在命令模式中被设定。PWD20的正常操作一般无需用户干涉。操作员命令一般只被用于初始设置和常规维护。还有一些命令可用于故障排除。安装传感器时,用户可能需要改变某些缺省设置。在初始设置部分中,详细描述了初始设置。用于常规维护操作的命令如表3所示。
标准输出信息包括一个状态字符,它把内部诊断的结果提交给主计算机和用户。如果传感器在标准输出信息中显示警告或者报警,主计算机或者用户可以用一个特殊的STA命令获得详细的状态报告。代替标准数据信息,此状态报告也可以被查询(信息3)。通常,此详细的状态信息足以确定故障。
4 故障及原因
(1)能见度值持续偏大,大于实际值,同时软件界面状态2显示硬件报警。
原因:发射机和接收机的镜头脏;加热功能失败,镜头表面有凝结的水珠、冰、雪;机罩中被雪、树叶等东西填充;发射机或接收机有电气故障。
(2)能见度值持续偏小,小于实际值。
原因为护罩扭曲,光路错位或发射机和接收机的单元故障。
(3)信息指示警告或报警。
原因:前反射出现警告,核对内、外部监控界限制;后反射出现警告,镜头脏或光路受到干扰。
(4)信息缺失。
原因为参数设置不正确或供电系统不正常。
5 维护
镜头污染造成观测信号降低,影响数据精确度。规定清洁机罩和镜头6个月进行1次,或根据实际情况如大风、沙尘暴、扬沙过后进行清洁。清洁时用异丙醇酒精和潮湿不起毛的软布擦拭镜头和机罩内外表面,小心不要划伤镜头表面。定期检查机罩和镜头是否积存冷凝水、冰和雪。
6 标定
PWD20在工厂已经校准。一般来说,只要没有更换电路板或没有警告和报警,PWD20不需要重新标定。电路板不需要硬件校准。建议1次/a进行周期性检测。用户使用PWA11校准套件检查校准。如果检查显示变动小于±5%,则不要重新校准,因为变动在校准程序的重复性范围内。如果任何机械即:接收机或发射机或支撑它们的横杆,损害改变或减弱了光学测量途径,必须更换PWD20。如果接收单元(PWC20)或发射单元(PWT11)被更换了,则能见度和污染测量都需要重新标定。
6.1 能见度标定
标定用PWA11标定套装检查和调整。套件包括一个阻塞片和两个散射特性已知的不透明玻璃片。在此程序中使用ZERO,CHEC和CAL命令。标定程序检查2个点:零散射信号和一个非常高的散射信号。使用阻塞片获得零信号,使用不透明玻璃片获得高信号。当标定能见度测量时,能见度应该大于500 m。不建议在大雨或者阳光极亮的情况下进行标定。标定片上极亮的阳光会增大散射测量的噪声,使CHEC命令输出比较不稳定。而小雨没有问题。
6.2 标定检查程序
(1)为了阻挡光路,将阻塞片放置在接收机护罩内,等候30 s。
(2)给出ZERO命令,PWD10/20应该应答如下:ZERO SIGNAL:OK>。
(3)取出阻塞片。
(4)将标定片放置在镜头护罩内。
(5)把不透明玻璃片固定在护罩上,注意玻璃片上印着的信号值,因为在下面的步骤中需要它。
(6)从光学通道移开,等候30 s。
(7)给出CHEC命令。
(8) 1 min后读取显示的信号。
(9)信号值必须与玻璃片上印着的值接近,如果误差小于5%,标定正确;否则,继续标定程序。
(10)按ESC键终止CHEC命令。
6.3 标定程序
如果根据标定检查需要标定,按照下面的说明进行:
(1)给出如下命令:
CAL calibrator signal value
例如:CAL 485
标定片信号值印在玻璃片的标签上。典型信号接近500 Hz。PWD20计算出一个新的比例系数,并把它存储在不可擦除存储器(EEPROM)中。
(2)键入CHEC以确定新的比例系数被使用。显示的信号值应该等于标定片信号值。如果新比例系数和工厂标定比例系数之间的差超过20%,CAL命令将被忽略。检查PWD20和标定片是否有硬件或机械故障。如果光学单元PWC20或者PWT11已经被更换,新比例系数与初始比例系数之间的变化可能超过20%,则,数值和CAL命令被忽略。在这种情况下,在标定程序中使用FCAL命令(工厂标定)代替CAL命令。
7 结束语
能见度是地面气象观测中很重要的一个要素,但是长期依赖人眼,不能够实现连续和准确的观测,使用能见度仪可以实时准确的完成自动观测功能,并且能够提供及时的报警信息和相关的解决方案,可以为机场跑道能见度观测,城市能见度,公路能见度提供服务,其所提供的能见度服务也能够在预防危险,避免事故方面起到很重要的作用。PWD20能见度仪精确度要高于人工目测,它自动、连续监测大气能见度,特别是补充夜间(20:00~08:00)人工能见度资料的空白。自动观测代替人工观测是能见度探测技术的发展趋势。相信以后的气象业务观测中会越来越多的使用能见度仪代替人工观测,与其他气象要素组成多要素的气象监测系统。
参考文献:
[ 1 ]濮江平,胡宗刚,魏阳春,等.能见度自动观测系统性能对比及分析[J].气象科学,2002,22(1):60-71.
[ 2 ]曾书儿,王改利.能见度的观测及其仪器[J].应用气象学报,1999,10(2):207-212.
[ 3 ]中国气象局.地面气象观测规范[M].北京:气象出版社,2003.
[ 4 ]曾雅靖,杨召琼,余海军,等.MILOS520自动站数据采集和处理系统介绍[J].广东气象,2004,26(4):45-46.
[ 5 ]黄裕文.FD12P气象传感器的维护与校准[J].四川气象,2002,79(1):52-54.
[ 6 ]中国华云技术开发公司.能见度监测子站监控操作手册V1.0[M].北京:中国华云技术开发公司,
本文作者：朱保美,周 清
