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能见度仪检测实验室建设的探讨

2015-04-12王胜杰褚进华解淑艳

环境监控与预警 2015年6期
关键词:方舱能见度光学

王胜杰,褚进华,解淑艳

(1.中国气象局工程咨询中心,北京 100081;2.中国气象局上海物资管理处,上海 200050;3.中国环境监测总站,北京 100012;)



能见度仪检测实验室建设的探讨

王胜杰1,褚进华2,解淑艳3*

(1.中国气象局工程咨询中心,北京 100081;2.中国气象局上海物资管理处,上海 200050;3.中国环境监测总站,北京 100012;)

对能见度仪检测实验室建设进行了探讨。简述了能见度仪检测实验室的技术特性;从能见度仪标准器建设、环境模拟和检测方法3方面进行了讨论;提出了在能见度环境模拟试验方舱内实现气象光学视程3 km以下能见度仪检测的方案。

能见度仪;环境模拟;实验室

能见度是反映大气透明度的一个指标,气象上为具有正常视力的人在当时的天气条件下,能够从天空背景中看到和辨认出目标物的最大水平距离,可以客观地测量并用气象光学视程(Meteorological optical range,简称MOR)表示[1-3]。

进入21世纪以来,我国雾霾天气发生的频率和严重程度有增加的趋势,对人民生活、生产的影响越来越大,能见度作为雾霾天气判断的主要气象要素,在环境、交通、气象等专业服务中都非常重要[4-9]。

目前,测量大气能见度的自动化测量仪器主要是透射式能见度仪和前向散射式能见度仪等,国内科研人员在能见度仪校准及相关工作上做了一定的研究,如王青梅等[10]利用标准模板,在自然条件下对前向散射式能见度仪标定方法进行了研究;林明峰等[11]对云雾室人造云雾过程中的喷雾、催化剂释放、温度、湿度、气流、照明等方面的控制进行了研究;周向军等[12]在烟雾室内人工模拟不同量级的烟、雾能见度环境,对能见度仪的标校工作做了一定研究。

现对能见度仪检测实验室的建设进行探讨,通过设计能见度环境模拟试验方舱系统,在舱内模拟20 m~3 km范围能见度环境下,对能见度仪的一致性检验进行初步研究。

1 透射式能见度仪标准器

透射式能见度仪直接对两点之间的大气透射率进行测量,并由两点之间的距离和透过率对由大气散射和吸收组成的大气消光系数进行估算,其测量精度与使能见度降低的大气条件,如雾、雨、雪、尘埃等无关。透射式能见度仪的气象光学视程计算公式为:

Vm=bln 0.05/lnTb

(1)

(2)

式(1)和(2)中:Vm——气象光学视程,m;b——基线长度,m;Tb——大气在距离b时的透过率;I0——发射光光强,cd;I——接收光光强,cd[13-14]。

用透射式能见度仪测量能见度时,影响测量精度的因素有透射式能见度仪的内在误差、检测误差和大气不均匀引起的误差。对于设计良好、维护得当的透射式能见度仪,其内在误差可以控制在较小的范围内,大气不均匀引起的误差在能见度检测时可以采取一定的试验方法以尽可能地减小[15-16]。

1.1 光源选择

气象光学视程是指由白炽灯发出的色温为2 700 K 的平行光束的光通量在大气中削弱至初始值的5%所通过的路径长度[3,17]。使用白光光源测量气象光学视程将更加接近人眼视觉感受。白光光源的发射光谱区间包括紫外和红外,其能量或功率光谱分布并不均一。在近代照明技术中,国际标准中有5种标准白光源[18-19]。

光源功率稳定度是影响透射式能见度仪测量精度最为重要的因素,因此光源的选取须结合所有相关影响因素进行统筹分析。

由于测量基线与测量设备本身存在误差的限制,透射式能见度仪只能在一个有限的范围内提供准确的气象光学视程测量值。以作为气象光学视程测量标准这一基点出发,合理限定测量所应遵照的要求如下:测量基线20 m;气象光学视程测量相对误差≤±5%;连续测量周期≥24 h。其中,限定气象光学视程测量误差≤±5%是因为考虑到世界气象组织(WMO)对气象光学视程测量的要求而提出的。

设T为透射式能见度仪所测透过率,L为透射式能见度仪基线长度(m),V代表气象光学视程(m),透射式能见度仪的测量可表达为[20]:

(3)

对(3)式求V对于T的微分,有:

(4)

(4) 式两边除以V并将(1)式代入,可得:

(5)

(6)

(6) 式即为透射式能见度仪测量相对误差的基本表达式。

令L=20 m,(dV)/V分别为5%和10%时,(6)式的具体表达分别为:

(7)

(7) 式表明:气象光学视程越高,对透射式能见度仪的透射率测量误差要求越高。

透射式能见度仪测量相对误差见表1。由表1可见,(dV)/V=5%,当气象光学视程达到1 500 m时,透射式能见度仪的透射率相对测量误差要求为0.2%。

表1 透射式能见度仪测量相对误差①

① MOR单位:m;(dT)/T单位:%。

通过上述误差分析,作为能见度仪检测的参考标准,要求气象光学视程测量的相对误差≤±5%,受测量基线、测量系统可实现的技术水平限制,透射式能见度仪标准器对于气象光学视程的测量上限不应>3 km。在透射式能见度仪的透射率相对测量误差为0.2%时,若想提高透射式能见度仪气象光学视程的测量上限值,最直接的途径是提高气象光学视程测量的相对误差,由表1可见,气象光学视程测量相对误差在5%和10%时,透射式能见度仪的测量上限值。

透射式能见度仪,为发射与接收构成的闭环系统,要求误差分配各取一半原则,即发射与接收2个分系统的相对误差要求各自<±0.1%。LED白光属于半导体电流驱动器件,发光强度控制相对要容易,精确控制的技术手段也相对比较成熟,利于达到指标要求。

环境温度是影响半导体器件稳定度的重要因素之一,要满足指标要求和长期工作稳定性,采取适当的温控措施是非常必要的。现从WMO对能见度的定义出发,在透射式能见度仪光源选择问题上,选用LED白光作为测量光源。

1.2 技术要求

在能见度环境模拟试验方舱中,以高稳定性的LED白光(2 700 K)发射装置发出平行光,光功率检测装置检测光源发出光的功率和接收端接收到的功率,通过测量其衰减,计算消光系数,进而推算气象光学视程。

根据《前向散射能见度仪观测规范》(试行)要求,前向散射式能见度仪的测量范围为10 m~30 km,且当气象光学视程≤1.5 km时,最大允许误差为±10%;当气象光学视程>1.5 km时,最大允许误差为±20%。因此,可考虑将透射式标准测量设备的最大允许误差分别设定为±5%和±10%。

透射式能见度仪对大气透过率的测量精度与光程长度、系统传递函数稳定性、测量设备精度密切相关。在光程固定为20 m时,假设系统传递函数稳定不变,测量误差主要由测量设备匹配后的综合性能决定。当光程为20 m时,按能见度测量误差控制在5%以内计算,透射式能见度仪的光学透过率测量误差控制在0.2%以内时,可满足设计要求。

透射式能见度仪标准器的主要技术性能包括2个方面,即系统总非线性误差和光学透过率测量误差,这2项性能指标均可由1组经过标定的标准物质(光学透过率)进行传递。根据所设定的气象光学视程最大允许误差±5%,透射式能见度仪在系统测量光程为20 m时,主要技术要求为:

光源:色温为2 700 K的LED白光,输出功率1~5 mW,功率稳定度≤0.1%/24 h;重复频率1 kHz;基线长度:20 m;能见度测量范围和误差:≤1.5 km时为±5%;1.5~3.0 km时为±10%;安装要求:通过基于四象限传感器的定位系统,保证透射式能见度仪在基线方向上的对齐。

2 能见度环境模拟试验方舱

建立能见度环境模拟试验方舱,产生气象光学视程在20 m~3 km之间稳定大气能见度变化过程。

2.1 雾模拟环境与能见度变化的关联性

从湿度要素来看,空气中存在一定的气溶胶粒子且水汽条件较好时,通过核化,以粒子为核心的溶液滴在凝结和碰并作用下进一步长大,造成了单位体积内散射面积和散射体积的增加,使得消光系数增加。从风速要素来看,一般空气中风速较大时,有助于气溶胶粒子的扩散,使得消光系数减小。雾是由悬浮在近地面空气中缓慢沉降的微小水滴或冰晶等组成的一种胶体系统,是近地面层空气中水汽凝结(或凝华)的产物。

根据能见度(V)的不同可将雾分为重雾(V<50 m)、浓雾(50 m1 km)[21-23]。在密闭的试验舱内环境里,调节空气中液态水含量和雾颗粒浓度可以模拟出在20 m~3 km之间变化的能见度,用于消光系数测量及能见度仪器标定。

2.2 雾模拟装置

使用超声波起雾方式模拟能见度变化的舱内试验环境,调整喷雾时间和流量之间的匹配关系,影响雾颗粒浓度,在循环风速、相对湿度、温度准确可控的条件下,产生气象光学视程在20 m~3 km之间的大气变化过程。为使雾颗粒物均匀分布,科学设计循环风回路,舱内风速约为1~3 m/s。在舱体的不同区域使用多台粒子谱仪和前向散射式能见度仪,监控雾颗粒物的分布情况。

拟采用的雾模拟装置产生雾的类型为水雾;雾滴参数为:滴谱范围0.1~50 μm,且应主要集中在0.1~30 μm范围内,平均半径5~6 μm,含水量0.05~2 g/m3。雾控制时间设定高浓度水雾充填时间约20 min,稳定时间约30 min,合计准备时间约50 min。

2.3 密闭舱体

环境模拟方舱能在常温条件下模拟特定粒谱和浓度的雾,并消除仪器反射或折射产生的杂散光的影响,为能见度仪的检测提供稳定的测试环境。使用具有保温夹层的彩钢板制作舱体,提高控温控湿系统的工作可靠性。舱外配套具有高机械稳定性的光学平台,确保探测光路长期不变,降低非大气背景变化造成的测量误差。舱内合理布局空调、超声波人造雾机组、喷淋单元、风机等设备的安装机位,实现雾颗粒物的均匀分布;安装压缩空气净化设备,降低舱内气溶胶含量,模拟高能见度大气背景。实验室为试验舱提供供电和给排水设施。

方舱建设的长度决定了透射式能见度仪的基线长短,从理论上讲只要光程不为零,透射式测量方法都可以用于能见度测量。但在实际测量中,光程的大小决定了接收端光强变化量的幅度。透射式测量系统所需要的光程长度由光电检测单元的精确度和设计指标所决定,所以光程大小与系统测量精确度直接相关。方舱内净空间:20.0 m(长)×3.5 m(宽)×3.0 m(高),方舱相对密闭,见图1。

图1 能见度环境模拟试验方舱结构示意

2.4 恒温控制系统

环境模拟试验方舱只模拟常温下20 m~3 km之间的能见度变化。为使能见度仪计量检测实验室的电子检测设备达到最稳定工作状态,即降低温度变化对检测设备的性能影响,对能见度仪检测实验室(方舱外区域)进行恒温控制,温度控制在20 ℃左右。温度测量范围:-5~40 ℃,允许误差±2 ℃;温度控制范围:恒温20 ℃,允许误差±2 ℃。

3 能见度仪检测方法

在20 m~3 km模拟环境条件下对透射式能见度仪进行一致性检验。

3.1 一致性检验

通过建立高标准的透射式能见度仪参考标准,采用先进、科学的检测手段,在可靠的大气模拟环境条件下,实现在实验室能见度模拟环境3 km以下对透射式能见度仪的检测。

(1) 将被检设备安装到能见度环境模拟试验方舱中,与透射式能见度仪标准器同一高度,水平相距一定距离,并保证设备间的光路互不干扰,连接并开启标准器和被检设备,打开能见度调试软件,配置正确的通讯参数;

(2) 保持能见度环境模拟试验方舱密闭,启动水雾模拟发生装置,观察透射式能见度仪参考标准示值,待所有校准器示值均出现其量程下限值时,继续向试验方舱内充雾10~15 min,确保试验方舱内水雾充分混合达到均匀,期间应观察被检测设备是否达到其量程下限,然后关闭水雾发生装置;

(3) 保持试验室密闭,等待试验方舱内水雾自然沉降消除;

(4) 观察透射式能见度仪的示值,对关闭水雾发生装置到水雾自然消散结束这段时间内被检测设备和透射式能见度仪标准器能见度数据进行误差分析,给出低能见度段被检测设备的检测结果。

3.2 测量不确定度评定

对在能见度仪检测中的数据,以试验中M台校准器的平均值S为准,计算被检测设备的相对误差标准差dx,公式如下:

(8)

式中:N——均匀时间内的数据样本数量,个;x——被检测设备测量的能见度值,m。

若dx满足被检测设备的测量精度要求,则说明其在目标能见度的测量准确;如果不满足,则需对被检测设备进行参数校准。

4 结语

能见度仪检测实验室建设是一项复杂的工程,在设计过程中既要考虑各项技术性能指标要求,又要满足科研、业务需求,以及资金支持能力。设计建设的20 m能见度环境模拟试验方舱,能够实现人工模拟能见度环境;建立透射式能见度仪,满足人工模拟能见度3 km范围内能见度仪检测的参考标准,测量精度为5%。当然,能见度仪检测实验室建设的相关技术性能指标,还有待利用运行期的大量实验数据进行验证,并通过后期建设逐步完善[24-25]。

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栏目编辑 周立平

声 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

国家自然科学基金青年基金资助项目(41205016)

王胜杰(1980—),男,工程师,硕士,从事气象工程咨询工作。

*通讯作者:解淑艳 E-mail:xiesy@cnemc.cn

P414

A

1674-6732(2015)06-0063-05

入中国学术期刊

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