WN-10000能見(jiàn)度傳感器
1.1 儀器概述
能見(jiàn)度儀提供與氣象能見(jiàn)度相關(guān)的測(cè)量，傳感器是基于氣溶膠前散射原理而設(shè)計(jì)的，是繼透射式能見(jiàn)度儀發(fā)展起來(lái)的新一代氣象能見(jiàn)度監(jiān)測(cè)設(shè)備。傳感器可廣泛用于氣象臺(tái)站、遠(yuǎn)程自動(dòng)氣象站以及機(jī)場(chǎng)、高速公路、航道、大型艦船等*門(mén)。
能見(jiàn)度儀由光發(fā)射器、光接收器及微處理控制器等主要部件組成。發(fā)射器發(fā)射紅外脈沖光，接收器同時(shí)檢測(cè)大氣中氣溶膠粒子前向散射的脈沖光強(qiáng)度，所有測(cè)量信息由微處理控制器搜集并通過(guò)專(zhuān)門(mén)的數(shù)學(xué)模型算法轉(zhuǎn)化為氣象光學(xué)視程Meteorological Optical Range（MOR）。
能見(jiàn)度儀需要一個(gè)12DC的電源和一個(gè)三線RS－232/RS-485通訊線纜。儀器將氣象能見(jiàn)度數(shù)值和狀態(tài)信息通過(guò)通訊接口發(fā)送到監(jiān)控中心的上位機(jī)。
能見(jiàn)度儀提供多組內(nèi)置命令用于配置系統(tǒng)參數(shù)和控制系統(tǒng)多種功能。在組裝和維護(hù)過(guò)程中，需要一個(gè)顯示終端來(lái)檢查系統(tǒng)參數(shù)，并可能用來(lái)更改參數(shù)值。
1.2 結(jié)構(gòu)組成
1.2.1 能見(jiàn)度儀由以下各部分組成
a）發(fā)射器
b）接收器
c）微處理控制器/接線盒
1.3 典型技術(shù)指標(biāo)
1.3.1 機(jī)械指標(biāo)
尺寸（長(zhǎng)x寬x高）：610mm x 230mm x 300mm
重量： 小于10kg
安裝： 安裝在已架設(shè)好的圓形立柱上
材料： 陽(yáng)極化處理硬質(zhì)鋁，外表面加噴漆保護(hù)
1.3.2 電力指標(biāo)
電源： 交流110VAC/220VAC ±20%或直流12VDC
功率： 小于5W，典型值4W
1.3.3 光學(xué)指標(biāo)
散射角覆蓋：39o—51 o 前散射
峰值波長(zhǎng)： 870nm
帶 寬： 100nm
光譜響應(yīng)度： 大響應(yīng)在870nm，0.65 A/W
1.3.4 測(cè)量指標(biāo)
測(cè)量范圍： 5m—10km（可擴(kuò)展到50Km）
測(cè)量精度： ≤2km ，誤差±2%
2Km—10km，誤差±5%
10Km—50km，誤差±15%
儀器一致性：≤±4%
更新間隔： 15秒
線性動(dòng)態(tài)量程： 3000：1
1.3.5 可靠性與維護(hù)周期
平均*工作時(shí)間（MTBF）：大于18000小時(shí)
清潔光學(xué)鏡頭：3個(gè)月，或視使用環(huán)境而定
1.4 環(huán)境適應(yīng)性
工作環(huán)境溫度： －40—+60℃
工作相對(duì)濕度： 0—*
地域適應(yīng)性：可在沿海地區(qū)連續(xù)使用
1.5 儀器功能特點(diǎn)
1.5.1 主要功能
1.5.1.1 可對(duì)大氣能見(jiàn)度進(jìn)行連續(xù)測(cè)量輸出。
1.5.1.2 儀器具有自檢能力，可對(duì)自身的12V供電電壓，接收器、發(fā)射器溫度，接收器信號(hào)及零點(diǎn)信號(hào)等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并給出狀態(tài)報(bào)警指示。
1.5.1.3 儀器數(shù)字輸出接口標(biāo)配為RS-232或RS-485，接口的選擇可通過(guò)控制處理器中的采集器通訊選擇開(kāi)關(guān)進(jìn)行設(shè)置，可根據(jù)用戶需求在出廠時(shí)設(shè)置好。
1.5.1.4 儀器可設(shè)置ID號(hào)以標(biāo)識(shí)身份，ID=00為通用標(biāo)識(shí)，ID號(hào)出廠時(shí)均為通用標(biāo)識(shí)，用戶可通過(guò)命令進(jìn)行設(shè)置新的ID號(hào)，ID號(hào)一旦設(shè)定不受設(shè)備斷電影響，此功能在多機(jī)聯(lián)網(wǎng)共用主站時(shí)用以區(qū)分布點(diǎn)儀器。
1.5.1.5 儀器具有多種命令進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控維護(hù)。
1.5.2 儀器特點(diǎn)
1.5.2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：能見(jiàn)度儀采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，緊湊小巧，傳感器尺寸和重量非常小，包裝、儲(chǔ)運(yùn)、安裝方便，也可以做為便攜式儀器使用；*的雙散射接收器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)太陽(yáng)和其它雜光干擾降到了低。
1.5.2.2 發(fā)射器和接收器窗口透鏡經(jīng)過(guò)了特殊的防灰塵、防霉菌鍍膜處理，使鏡頭在自然環(huán)境中積累灰塵的厚度與速度大大降低，同時(shí)也降低了鹽霧與油污的污染幾率。
1.5.2.3 儀器結(jié)構(gòu)材料為高質(zhì)量硬質(zhì)鋁材和316不銹鋼，表面進(jìn)行了陽(yáng)極鈍化處理，并進(jìn)行多道噴漆保護(hù)；所有螺釘均選擇耐腐蝕不銹鋼螺釘；殼體內(nèi)部是密封的，達(dá)到了IP65防護(hù)等級(jí)，具有沿海氣候適應(yīng)性。
1.5.2.4 儀器功耗極低，在冬天發(fā)射器頻繁加熱狀態(tài)，也只小于5W，因此可適應(yīng)蓄電池或太陽(yáng)能板供電的電源工作方式。直流12VDC供電，方便系統(tǒng)集成。
1.5.2.5 儀器采集器設(shè)計(jì)上強(qiáng)調(diào)*運(yùn)行的穩(wěn)定性，內(nèi)置看門(mén)狗電路，經(jīng)過(guò)*運(yùn)行考驗(yàn)，儀器工作穩(wěn)定、可靠。
1.5.2.6 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示：傳感器可以輸出一系列的數(shù)字信息，操作人員可以自由選擇15秒或60秒間隔時(shí)間，信息可以通過(guò)自動(dòng)應(yīng)答或被動(dòng)招測(cè)方式輸出。
1.5.2.7 儀器的直流供電電路具有防反接和自恢復(fù)保險(xiǎn)雙重設(shè)計(jì)，即使用戶誤操作，也不會(huì)引起儀器線路板燒毀，無(wú)需更換保險(xiǎn)絲，重新正確操作后即可恢復(fù)正常。
1.5.2.8 儀器的通訊接口芯片具有15KV的防靜電保護(hù)，在用戶接線操作時(shí)可大限度保護(hù)電路免受人體靜電的危害。
1.5.2.9 儀器具有防雷措施，其通信接口和電源接口均具有防雷設(shè)計(jì)，可將雷擊損害降到低。
2 能見(jiàn)度測(cè)量原理
2.1 前向散射原理
WN-10000系列能見(jiàn)度儀具有前散射儀器的所有性能特點(diǎn)，它通過(guò)對(duì)采樣區(qū)懸浮顆粒發(fā)出小于90 度的前向散射光的測(cè)量而實(shí)現(xiàn)；能見(jiàn)度儀的采樣區(qū)由發(fā)送器發(fā)射光路與接收器的接收光路交叉部分決定。顯然，它不同于透視儀測(cè)量的總消光系數(shù)，前向散射儀只測(cè)量一定角度的散射系數(shù)，也即在*前散射角附近的較窄的散射角。普遍認(rèn)可計(jì)算白天和夜間的能見(jiàn)度需要測(cè)量總消光系數(shù)，而不是一定角度的散射系數(shù)，因此有必要表明一定角度的散射系數(shù)在特定的條件下與總大氣消光系數(shù)有確定比例關(guān)系，總大氣消光系數(shù)包括全范圍內(nèi)散射和吸收光線之和。在能見(jiàn)度測(cè)量小于100km 以內(nèi)時(shí)，霧，煙、灰霾、揚(yáng)塵或揚(yáng)沙等懸浮物及各種類(lèi)型的降水量決定了可見(jiàn)和近可見(jiàn)光線在大氣中的消光作用，超過(guò)100km距離，分子物質(zhì)的散射才發(fā)揮作用；而懸浮顆粒和降水的吸收作用與其散射作用相比可以忽略不計(jì)。鑒于以上理由，在能見(jiàn)度小于100km時(shí)，總散射系數(shù)可以等于總消光系數(shù)。這一結(jié)論，在各種試驗(yàn)中得到認(rèn)證。
下面應(yīng)確認(rèn)利用有角度的散射系數(shù)的測(cè)量與總散射系數(shù)測(cè)量的結(jié)果是一致的。有角度的散射系數(shù)可分為2 個(gè)部分：相位角函數(shù)和總散射系數(shù)。用有角度的散射系數(shù)代替總散射系數(shù)，只有當(dāng)相位角函數(shù)為常數(shù)時(shí)才可實(shí)現(xiàn)，并且測(cè)量應(yīng)保證在所有天氣條件下都有效。研究表明：在散射角35 到55 度區(qū)域，對(duì)任何級(jí)別的薄霧和霧，相位角的變化非常小，因此，使用有角度的散射系數(shù)代替總的散射系數(shù)是可行的，這也是前向散射能見(jiàn)度儀實(shí)現(xiàn)的依據(jù)。WN-10000系列能見(jiàn)度儀全部采用42—
45度散射角，因?yàn)樵摻嵌炔粌H保證了在霧、煙幕、灰霾、揚(yáng)塵測(cè)量的準(zhǔn)確性，也保證了在降雪測(cè)量中有效性。
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