前向散射能见度仪工作原理及维修维护

柳红

摘要 介绍了前向散射能见度仪的构成、工作原理和日常维护，对常见故障进行了描述，并说明了故障处理方法，帮助基层业务人员及时处理各类故障，为前向散射能见度仪正常运行提供技术保障。

关键词 前向散射能见度仪；结构；工作原理；日常维护；故障处理

中图分类号 P415.33 文献标识码 B 文章编号 1007-5739（2016）09-0213-02

随着自动气象现代化建设的推进，许多观测项目由人工观测改为自动观测，2015年淄川区气象局安装了前向散射能见度仪，主要用于自动观测能见度和视程障碍类天气现象。通过近1年的使用，确实减轻了基层业务人员的工作量，业务改革成效显著。由于使用时间较短，在实际工作中部分业务人员对前向散射能见度仪的工作原理和维修维护技术的了解还不够全面，现着重从该仪器的工作原理和日常维修维护方面进行总结说明。

1 仪器结构及工作原理

1.1 仪器结构

前向散射能见度仪，由硬件和软件组成。其既可作为独立设备与微机终端连接组成能见度自动观测系统，也可以作为能见度分采集系统挂接在其他采集系统上。

作为独立设备的前向散射能见度仪至少应包含以下3个部分：采集器、传感器和支架。为保证设备良好运行还应包括供电电源、电源防雷器和蓄电池等；且可选配无线通信模块（图1）。

1.2 硬件

1.2.1 传感器与数据采集器。传感器部分包括发射器、接收器和控制处理器等。数据采集部分指数据采集箱。数据采集箱可以安装在室内，也可以安装在室外。

1.2.2 系统电源。系统所用电源为直流12 V。配有蓄电池，并对蓄电池浮充充电，以备市电停电时可由蓄电池进行供电。

1.2.3 通信接口与通讯模块。联接采集器与计算机、计算机与中心站、采集器与中心站等的通信联接设备。通信接口使用RS-232或RS-485。通过外接无线传输模块，可以扩展通信距离。无线传输模块的类型有 GPRS、CDMA等。无线传输时，可以实现多点传输，至少可同时将数据发到2个数据中心站。

1.2.4 计算机。前向散射能见度仪独立运行时应配备计算机，作为数据接收终端，并实现对能见度仪的监控、能见度数据处理和存储，计算机应能满足业务软件运行的基本配置要求。

1.3 软件

1.3.1 采集软件。采集软件由厂家提供，写在采集器中，必须遵守本规范及其他气象技术标准。至少具备如下主要功能：可以对参数和系统时钟进行调整；采集的传感器输出信号，经过处理形成能见度观测值；存储和传输能见度观测值；运行状态监控。

1.3.2 业务软件。软件根据实际情况需要进行编制。其主要功能包括参数的设置、数据存储、报文生成、实时数据显示、数据质量控制。

1.3.3 采样和算法。采样：每分钟至少采样4次。算法：1 min能见度值（也称为瞬时值），每分钟输出1个数据。

（1）1 min内采样数据的算术平均值。

式（1）中：Y—1 min观测时段内气象变量的平均值；yi—1 min观测时段内第i个气象变量的采样瞬时值（样本），其中，“错误”等非“正确”的样本应丢弃而不用于计算，即令yi=0；N—1 min观测时段内的样本总数，由“采样频率”和“平均值时间区间”决定；m—1 min观测时段内“正确”的样本数（m≤N）。

（2）10 min平均值。1 min输出1次10 min平均值，是在1 min能见度值（瞬时值）基础上的10 min滑动平均。

1.4 工作原理

前向散射能见度仪的发射器与接收器在一定距离的两处，同时成一定的角度。由于接收器只能接收大气的前向散射光，所以通过测量散射光强度，得出散射系数，进而估算出消光系数（图2）。根据柯西米德定律计算气象光学视程（MOR），其公式如下：

2 日常维护与故障处理方法

2.1 日常維护

为了保证仪器的正常运行，应做好对仪器的日常巡视、维护等工作。一是观察期间，每个整点前10 min应查看观测数据。如果发现数据错误或异常应及时处理。二是每日日出后和日落前巡视能见度仪，如果发现有影响数据采集的杂物，要及时进行清除。为避免损伤眼睛，禁止长时间直视发射端镜头。三是每月应检查供电设施，确保供电安全。四是一般每2个月定期清洁传感器透镜，切忌长时间直视发射端镜头。五是定期检查、维护的情况应记入值班日志中。六是对能见度自动观测数据有影响的还要摘入备注栏。七是检查时应尽量避免用手电筒等光源照射能见度观测设备。此外，前向散射能见度仪在运行中，切忌长时间连续直视发射端镜头[1-2]。

2.2 常见故障处理

2.2.1 缺少信息。第一步检查终端设置是否正确。先更改波特率，例如，更改为9 600 bps。检查是否有7个数据位、偶数奇偶性和1个停止位。 第二步发出OPEN命令，再发出其他命令以查看DNQ1/V35是否已处于命令模式。第三步前往设备位置。随身携带维护PC（终端）、工具和校准仪装置。第四步检查DNQ1/V35是否加电。打开PWC10/20/50电子器件外壳盖子，查看运行和信号/偏移LED是否闪烁。第五步，如果LED未打开要检查电源电压、所有接头是否都正确插入。第六步，如果红色LED闪烁（闪烁1次/s表示运行正常），则将维护终端连接到RS端口，然后检查第一步和第二步[3-4]。

2.2.2 信息存在，但能见度值不存在。第一步，DNQ1/V35控制电子器件可能正在运行，使用STA命令检查状态信息，如果有任何活动警报，则能见度值不存在，要特别检查P12、M12、BACKSCATTER和LEDI。第二步，前往DNQ1/V35位置，检查电缆接头、接收单元和发射单元装置（卸除这些装置时，要遵循操作要求）。

2.2.3 能见度持续过低。可能是3种情况：一是检查护罩的情况；二是尝试为接收单元/发射单元光学器件找到一个更好的方向；三是电气故障，可参照“信息存在，但能见度值不存在”处理。前向散射能见度仪设有防连接到供电线的反极性功能，如果供电线连接到非电源的引线，那么可能會发生损害，具体取决于电源的馈电电压和限流功能。

2.2.4 仪器没有响应。这种情况下，可执行以下操作：检查连接。可以通过RS-232维护线对DNQ1/V35进行诊断；检查波特率，出厂默认值为9 600，7，E，1；打开接收单元的盖子；连接电源并观察内部LED。初始化顺序（3 s）：LED4红灯亮（信号变亮/偏移关闭），LED3黄灯亮（运行，1 Hz），LED2红灯关闭（传输数据），LED1黄灯关闭（接收数据）。启动顺序（1 s）：LED4红灯亮（信号变亮/偏移关闭），LED3黄灯关闭（运行，1 Hz），LED2红灯关闭（传输数据），LED1黄灯关闭（接收数据）。运行顺序从头开始：LED4红灯亮10 s/关闭5 s，连续顺序LED3黄灯闪烁，1 Hz发送初始化字符串时，LED2红灯短暂亮一下（传输数据），LED1黄灯关闭（接收数据）；如果顺序正确并且发送指示灯有响应，可检查以下项：初始化字符串“PWDxxVn.nnyyyy-mm-dd SN：___”应响应维护终端，如果响应无法理解要检查终端的通信设置，可尝试使用其他期望的波特率；如果LED未亮，检查内部接头连接，可进行以下测量：测量输入电压：X1-5=电源GND，X1-4=电源+V；如果LED是亮的但顺序反复启动，进行以下操作：检查电缆终端，了解是否与邻接的引线构成短路。使用供电能力更强的电源（电源可在短时间内进入限流状态）。使用更大电源电压（最大为55 VDC），这有助于启动需要的电流。

3 结语

前向散射能见度仪的投入使用是地面气象观测自动化程度提高的具体体现，在使用过程中会出现不同种类的故障，但是只要业务人员了解工作原理，同时认真做好日常的维护工作，必将大大降低故障的出现几率，如果出现故障，也不要慌张，可以参照本文中列举的故障现象进行一一排除。当然，在实际工作中，可能还会出现其他的故障，但是只要业务人员在工作中多观察、多分析、多动脑、多积累，仪器保障能力一定会不断提高。在出现故障时，力争在最短时间内排除故障，确保能见度仪处于良好的运行状态，保证数据的连续性和准确性。

4 参考文献

[1] 前向散射能见度仪观测规范[M].北京：气象出版社，2011：2-5.

[2] 朱乐坤，李林.前向散射能见度仪校准技术[J].气象科技，2013，41（6）：1003-1007.

[3] 张毅，刘小容，钟运新，等.前向散射能见度仪的工作原理及维护维修[J].气象水文海洋仪器，2015，32（1）：118-120.

[4] 刘哲辉，丛旭日，李治君.XDN01前向散射能见度仪的几个故障分析[J].山东气象，2012（4）：54-55.