丁 楓，劉清惓，楊 杰 ，陳高穎， 袁 宇，付川琪

(1.南京信息工程大學(xué)江蘇省氣象探測(cè)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210044；2.南京信息工程大學(xué)大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇南京 210044；3.江蘇省氣象傳感網(wǎng)技術(shù)工程中心，江蘇南京 210044)

0 引言

當(dāng)太陽光線照射到溫度傳感器表面時(shí)，通過輻射吸收及熱傳導(dǎo)的方式造成的溫升將疊加在傳感器所測(cè)的環(huán)境溫度上，由此造成的測(cè)量誤差被稱為太陽輻射誤差[1]。目前常用的傳感器存在輻射誤差，E. Erell等[2]通過理論分析和實(shí)驗(yàn)證明了太陽輻射誤差與太陽輻射強(qiáng)度成正相關(guān)，而與氣流速度負(fù)相關(guān)。因此，要利用防輻射溫度傳感器來減弱太陽輻射帶來的影響。根據(jù)不同的熱交換方式，防輻射溫度傳感器分為自然通風(fēng)與強(qiáng)制通風(fēng)。R. Nakamura等[3]通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，不同型號(hào)的防輻射溫度傳感器在不同環(huán)境參數(shù)下的輻射誤差呈現(xiàn)差異，例如，USCRN(U. S. climate reference network)與MMTS(maximum and minimum temperature system)相比，夜間差異在0.2～0.4 K，白天的差異則多達(dá)1.0 K[4]。日本學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)百葉箱的誤差和風(fēng)速、太陽方向角等環(huán)境因素相關(guān)，引起的誤差約為1 K，還有學(xué)者發(fā)現(xiàn)誤差更大的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。因此，目前常用溫度傳感器難以滿足氣象觀測(cè)日益提高的精度要求。

為提高地表氣溫觀測(cè)精度，本文提出一種低輻射誤差的陣列式球形溫度傳感器，且無需安裝于百葉箱或防輻射罩內(nèi)，利用計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)(CFD)方法計(jì)算出傳感器相互之間的輻射誤差比值，并采用極限學(xué)習(xí)機(jī)(ELM)算法獲得該比值與各環(huán)境因素的關(guān)系，為了驗(yàn)證陣列式球形溫度傳感器的觀測(cè)精度，開展基于標(biāo)準(zhǔn)氣溫測(cè)量實(shí)驗(yàn)的太陽模擬平臺(tái)數(shù)據(jù)測(cè)量實(shí)驗(yàn)。

1 陣列式球形溫度傳感器設(shè)計(jì)

1.1 傳感器工作原理

陣列式球型傳感器包含3個(gè)具有不同反射率涂層的溫度傳感器探頭。在同一環(huán)境下，3個(gè)探頭的輻射誤差不同，均與太陽輻射強(qiáng)度、環(huán)境風(fēng)速、下墊面反射率等環(huán)境因素有關(guān)。因此只需量化不同探頭之間的輻射誤差比值與各環(huán)境因素的關(guān)系，即可推導(dǎo)出真實(shí)環(huán)境溫度，傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 原理示意圖

實(shí)驗(yàn)中，傳感器探頭A表面涂覆一層反射率約0.2的黑色涂層。探頭B表面無涂層，銅球反射率約0.5。探頭C表面涂覆一層反射率約0.2的白色涂層。無輻射環(huán)境下，3個(gè)探頭的溫度測(cè)量值均為Tx。當(dāng)施加一定強(qiáng)度太陽輻射后，溫度傳感器A的溫度為Ta，輻射誤差為ΔTa；溫度傳感器B的溫度為Tb，輻射誤差為ΔTb；溫度傳感器C的溫度為Tc，輻射誤差為ΔTc。此時(shí)傳感器探頭之間的輻射誤差比值：

(1)

(2)

η(P,ν)，λ(P,ν)為關(guān)于P，ν的特定函數(shù)，P為太陽輻射強(qiáng)度，ν為風(fēng)速。由此可推算出等式：

(3)

(4)

由上述計(jì)算等式變化可推算出大氣溫度真實(shí)值Tx：

(5)

(6)

(7)

將求得Tx1與Tx2的平均值作為真實(shí)環(huán)境溫度最終值Tx，其中式(5)與式(6)為輻射誤差比值換算公式。

1.2 傳感器及測(cè)量電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種通過輻射誤差比值反推環(huán)境溫度真實(shí)值的陣列式球形溫度傳感器。利用空心銅球作為外殼，采用Pt100鉑電阻作為測(cè)溫探頭，并通過硅酮導(dǎo)熱膠使銅球與鉑電阻貼合。根據(jù)黑色、白色與原色3種涂層使球形溫度傳感器具有不同的太陽輻射吸收率，并通過支撐片每2.5 cm固定一種球型溫度傳感器探頭。陣列式球形溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 陣列式球形溫度傳感器結(jié)構(gòu)圖

高精度測(cè)溫電路由STM32F103C8T6處理器、陣列式傳感器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和串口傳輸系統(tǒng)組成，將陣列式球形溫度傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過串口發(fā)送到上位機(jī)顯示與分析，具體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

圖3 溫度測(cè)量電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

本設(shè)計(jì)溫度采集系統(tǒng)中的傳感器探頭采用4線制接法[5]，運(yùn)用比率法消除引線誤差，提高測(cè)量精度[6]。利用Isotech的鎵熔點(diǎn)室和水三相點(diǎn)室進(jìn)行鉑電阻標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，并利用Fluke1595A測(cè)量電橋?qū)φ鎸?shí)溫度進(jìn)行記錄，該測(cè)溫電橋儀器具有較好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，電壓噪聲達(dá)到3 nV級(jí)別。

2 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真分析

2.1 傳感器物理模型建立

本文使用三維實(shí)體建模軟件Pro/E建立陣列式球型溫度傳感器的物理模型?？招你~球的直徑、內(nèi)壁直徑、開孔直徑分別為6 mm、5.5 mm、3 mm，將3個(gè)不同吸收率的傳感器小球，間隔6 mm放置，確保區(qū)域環(huán)境的一致性，傳感器基本材料參數(shù)見表1。

園林花卉養(yǎng)護(hù)與管理，直接影響園林工程整體質(zhì)量與綜合效益，故此管理人員一定要給予其一定重視，并編制相關(guān)的質(zhì)量管理標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合園林花卉工程具體養(yǎng)護(hù)管理項(xiàng)目，依照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)，將基礎(chǔ)性養(yǎng)護(hù)設(shè)為始發(fā)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)園林花卉養(yǎng)護(hù)管理工作質(zhì)量的有效管控。

表1 傳感器基本材料參數(shù)

然后，使用軟件ICEM對(duì)傳感器幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用長(zhǎng)方體空氣域包裹3個(gè)溫度傳感器的方式，建立整個(gè)仿真模型。為滿足仿真的收斂性和準(zhǔn)確性的要求，將長(zhǎng)方形空氣域設(shè)置為120 mm×120 mm×360 mm，并分別將正方形面設(shè)置為速度入口與壓力出口，傳感器及空氣域網(wǎng)格。經(jīng)系統(tǒng)分析，該模型的網(wǎng)格質(zhì)量大于0.35，網(wǎng)格質(zhì)量基本滿足FLUENT仿真要求[7]。

2.2 流固耦合數(shù)值計(jì)算

本文采用CFD方法對(duì)傳感器進(jìn)行仿真分析，首先利用熱流密度表示太陽輻射強(qiáng)度，其次采用能量方程計(jì)算輻射傳熱、對(duì)流換熱，并選用k-e模型和壓力與速度進(jìn)行SIMPLE算法。針對(duì)動(dòng)量、能量的求解，可以先選定一階迎風(fēng)格式，再采用二階迎風(fēng)方式。對(duì)于設(shè)置模型邊界條件，選擇空氣域的進(jìn)風(fēng)口為速度入口，出口為壓力出口，空氣域四周設(shè)置為滑移壁面，并將3個(gè)球型傳感器設(shè)置不同的表面吸收率，白色涂層設(shè)置為20%，原色涂層為50%，黑色涂層為80%。為模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境的需求，本文設(shè)置不同的太陽輻射強(qiáng)度和風(fēng)速進(jìn)行仿真研究。

當(dāng)太陽輻射強(qiáng)度為1 000 W/m2，風(fēng)速為3 m/s時(shí)，陣列式球形傳感器的溫度場(chǎng)分布如圖4所示。上、中、下層分別為黑色涂層、原色涂層和白色涂層，在輻射與熱對(duì)流的影響下，誤差升溫分別為：1.67 K、1.37 K、1.04 K。

圖4 傳感器溫度場(chǎng)分布圖

2.3 仿真結(jié)果分析與研究

本文通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)仿真的方法，對(duì)不同風(fēng)速和太陽輻射強(qiáng)度下的陣列式球形溫度傳感器進(jìn)行輻射誤差比值分析。太陽輻射強(qiáng)度為100～1 050 W/m2，步長(zhǎng)為50 W/m2；風(fēng)速變化范圍為1～5 m/s，步長(zhǎng)為1 m/s，黑色涂層傳感器探頭與原色涂層傳感器探頭溫差比值記為ΔTa/ΔTb；原色涂層傳感器探頭與白色涂層傳感器探頭溫差比值記為ΔTb/ΔTc，仿真數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5所示。

(a)黑色與原色涂層仿真數(shù)據(jù)結(jié)果

(b)原色與白色涂層仿真數(shù)據(jù)結(jié)果圖5 仿真數(shù)據(jù)結(jié)果表

由上述可知，黑色涂層傳感器探頭與原色涂層傳感器探頭溫差比值ΔTa/ΔTb在2.8上下區(qū)間浮動(dòng)時(shí)，數(shù)值較為穩(wěn)定，但部分區(qū)間有較為明顯的波動(dòng)，在風(fēng)速為2 m/s，太陽輻射強(qiáng)度為500 W/m2時(shí)，數(shù)值波動(dòng)達(dá)到最大，波動(dòng)值為0.059 5；原色涂層傳感器探頭與白色涂層傳感器探頭溫差比值ΔTb/ΔTc在1.6上下區(qū)間浮動(dòng)，整體趨勢(shì)與ΔTa/ΔTb相同。在風(fēng)速為5 m/s，太陽輻射強(qiáng)度為100 W/m2時(shí)，數(shù)值波動(dòng)較大，波動(dòng)值達(dá)到0.023 5。因此對(duì)于陣列式球形溫度傳感器中的輻射溫差比值，并不能單一的認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)，而是與環(huán)境因素相關(guān)的多元非線性函數(shù)。

2.4 輻射誤差比值計(jì)算

為解決溫度傳感器溫差比值波動(dòng)問題以及CFD仿真僅能計(jì)算分析離散模型的問題，本文采用極限學(xué)習(xí)機(jī)(ELM)方法[8]，使用前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，獲得不同太陽輻射強(qiáng)度與風(fēng)速下的溫差比值誤差訂正方程。利用CFD仿真得到的數(shù)據(jù)作為極限學(xué)習(xí)機(jī)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練組，將激活函數(shù)設(shè)定為sigmoid函數(shù)，通過計(jì)算輸出矩陣的廣義逆矩陣，通過最小二乘法取得連接權(quán)值，最終得出數(shù)學(xué)模型。本文將風(fēng)速與太陽輻射強(qiáng)度作為輸入變量，陣列式球形溫度傳感器各測(cè)溫探頭之間的溫差比ΔTa/ΔTb、ΔTb/ΔTc作為2個(gè)輸出變量，分析得出輻射誤差修正方程的數(shù)學(xué)模型。采用ELM算法擬合生成的CFD仿真值與修正模型計(jì)算值的對(duì)比圖和誤差圖如圖6和圖7所示。

(a)ΔTa/ΔTb仿真值與計(jì)算值對(duì)比圖

(b)ΔTa/ΔTb仿真值與計(jì)算值誤差圖圖6 黑色與原色涂層修正模型結(jié)果

根據(jù)誤差對(duì)比圖可知，修正比值與仿真比值之間的均方根誤差為0.024 5 K，故該算法的回歸擬合精度良好。輸入環(huán)境因素中的太陽輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)與風(fēng)速數(shù)值，可計(jì)算出球形溫度傳感器的溫差比值，并通過換算公式得到環(huán)境真實(shí)溫度值，進(jìn)一步提高了陣列式球形溫度傳感器測(cè)量的準(zhǔn)確性。

(a)ΔTb/ΔTc仿真值與計(jì)算值對(duì)比圖

(b)ΔTb/ΔTc仿真值與計(jì)算值誤差圖圖7 原色與白色涂層修正模型結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

實(shí)驗(yàn)過程中，利用低氣壓風(fēng)洞與太陽模擬器搭建本實(shí)驗(yàn)觀測(cè)平臺(tái)，將陣列式球形傳感器放置在低氣壓風(fēng)洞中心處，保證區(qū)域環(huán)境的一致性與穩(wěn)定性。該低氣壓風(fēng)洞包括2臺(tái)雙極旋片式氣泵、1根石英玻璃管和2個(gè)氣壓檢測(cè)儀，利用Fluke1595A測(cè)溫電橋測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)作為對(duì)照組，該測(cè)溫電橋的測(cè)量準(zhǔn)確度在典型的測(cè)溫學(xué)比例(0.25～4.0)范圍內(nèi)，太陽模擬器采用全光譜射線模擬系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部的球形短弧氙燈具有匹配度極佳的光譜，且輸出功率大、亮度高[9]，最大可模擬1 000 W/m2的輻射強(qiáng)度。使用CMP-10的測(cè)量結(jié)果作為輻射強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)，確保實(shí)驗(yàn)的真實(shí)性與可靠性，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)圖片如圖8所示。

圖8 太陽模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及數(shù)據(jù)分析

由表2可知，陣列式球型溫度傳感器中黑色涂層與原色涂層的輻射誤差比值ΔTa/ΔTb修正值與實(shí)驗(yàn)差值的平均值為0.042；原涂層與白色涂層的輻射誤差比值ΔTb/ΔTc修正值與實(shí)驗(yàn)差值的平均值為0.053。通過輻射誤差比值換算公式計(jì)算出當(dāng)前環(huán)境真實(shí)溫度，與測(cè)溫電橋測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)照表如表3所示，該傳感器溫度誤差的平均值為0.145 ℃，均方根誤差為0.16 ℃。

表2 輻射誤差比值修正值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)照表

表3 計(jì)算溫度與測(cè)量溫度對(duì)照表

4 結(jié)論

為降低太陽輻射對(duì)溫度傳感器的輻射升溫影響，本文設(shè)計(jì)了一種陣列式球形溫度傳感器，通過輻射誤差比值，計(jì)算得出環(huán)境真實(shí)溫度。采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法對(duì)該傳感器在不同太陽輻射強(qiáng)度與風(fēng)速條件下進(jìn)行仿真計(jì)算，得出輻射誤差比值，然后采用極限學(xué)習(xí)機(jī)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理，最后搭建太陽模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)仿真比值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證分析，得出以下結(jié)論：

(1)陣列式球形溫度傳感器的輻射誤差比值是一條波動(dòng)幅度較小的曲線，風(fēng)速與太陽輻射強(qiáng)度對(duì)輻射誤差比值影響較小，但無法忽視環(huán)境因素對(duì)輻射誤差比值的影響。

(2)陣列式球形溫度傳感器的輻射誤差修正比值與仿真值比值之間的均方根誤差為0.024 5 K，說明該算法擬合效果良好，提高了陣列式球型溫度傳感器的測(cè)量精度。

(3)陣列式球形溫度傳感器的溫度測(cè)量誤差均值為0.145 K，均方根誤差為0.16 K，具有良好的測(cè)量精度，并符合大氣科學(xué)研究對(duì)地表低溫觀測(cè)的精度要求。

本文設(shè)計(jì)的陣列式球形溫度傳感器具有較好的測(cè)量精度，但未考慮海拔高度和散射輻射等因素的影響，在后續(xù)研究中會(huì)進(jìn)一步完善傳感器設(shè)計(jì)和CFD模型，使其精度量級(jí)達(dá)到更高。