光热型电测日照计测量仿真研究*

代中华,赵世军*,高太长,翟东力

(1.解放军理工大学气象海洋学院,南京 211101;2.南京英恩特环境技术有限公司,南京 211153)



光热型电测日照计测量仿真研究*

代中华1,赵世军1*,高太长1,翟东力2

(1.解放军理工大学气象海洋学院,南京 211101;2.南京英恩特环境技术有限公司,南京 211153)

日照时数对天气监测、农业生产、能源开发等有重要作用,是地面气象观测的基本内容之一。基于热电偶测温原理,设计了一种光热型电测日照计。利用金属丝的辐射升温和热传导的基本理论,建立热电偶冷热端的温差和直接太阳辐照度的响应关系,并研究了热电偶金属丝粗细、长短比例、比热、导热系数对测量响应的影响,仿真了直接太阳辐照度恒定不变时的响应关系和太阳间断性直射的响应关系,并进行了对比试验。结果显示:金属丝粗细、长短比例、比热、导热系数均是该日照计的关键影响参数;直接太阳辐照度与热电偶冷热端温差呈良好的线性关系;光热型电测日照计的测量响应时间小于15 s,满足WMO要求。

日照计;光热型;热电偶;仿真

日照时数是在给定时间内太阳直接辐照度达到或超过120 W/m2(±20%)的各段时间总和[1]。日照时数的长短直接决定了地表接受太阳辐射能的多少,是太阳辐射计算的重要参数[2-3];同时,日照时数对生态系统发展、天气气候监测和能源开发利用等有着重要意义[4-7],是实施气象服务的一项重要的基础性工作[8],也是目前的气象业务中须观测的基本项目之一[9]。

日照时数观测的主要仪器有暗筒式日照计、聚焦式日照计、太阳直射辐射表和双金属片日照传感器等[10-13]。暗筒式日照计和聚焦式日照计均采用烧痕法,自动化程度低,受日照纸感光程度影响很大,具有一定的不确定性,其测量结果主观性强、准确度差、资料可比性和一致性难以保证[14]。而光电型日照计由于受到光电敏感元件可响应的光谱范围的限制,在晨昏或能见度变化影响太阳的光谱分布时误差较大[11,15]。随着地面气象观测业务的自动化进程,日照计的自动化已成为迫切需要解决的问题。目前,国外已出现多种自动日照计及相关传感器,主要是利用能自动跟踪太阳位置的辐射测量装置对日照时数进行测量,而国产仪器较少,且与国外先进水平有一定差距[16]。

本文提出了一种光热型电测日照计方案,不直接测量太阳辐射,而是采用热电偶原理将辐射强度的测量转化为电压信号的测量,从理论推导两者的对应关系。通过统计某一时段内输出电压大于阈值电压的时间总长度得到日照时数,实现日照观测的自动化。为证明光热型电测日照计的可行性,本文进行了仿真与初步试验,针对热电偶应用于日照计测量的关键技术,研究了热电偶的关键影响参数,仿真分析了不同日照情况下日照计的响应关系。

1 测量原理及结构设计

本文讨论的日照计是基于两串联导体组成的热电偶两接合点处的温度不同(T0≠T),会在两导体间产生热电动势的热电效应原理设计的[17-20]。当热电偶两个焊点的温度不同时,回路中就会产生电流,此时两端就存在电动势,温度差异越大,电动势就越高,如图1所示。

图1 热电效应示意图

对于导体A、B组成的热电偶回路,当温度T>T0时,回路总的热电动势可表示为:

(1)

式中:NAT、NAT0为导体A在结点温度为T和T0时的电子密度;NBT、NBT0为导体B在结点温度为T和T0时的电子密度;σA、σB为导体A和B的汤姆逊系数。在通常的温度变化范围内,热电偶电动势一般只有几毫伏到几十毫伏,而经过计算,接触电动势的大小只有几微伏到几十微伏,相对于温差电动势可以忽略不计。因此,由两种导体组成的热电偶回路的热电动势可表示为:

εt=(-σA+σB)(T-T0)=α(T-T0)

(2)

根据上述推导,设计了光热型电测日照计的结构,如图2所示。

图2 光热型电测日照计结构图

设金属丝的总长度为L,透光区的长度为L1,其中一半为A,一半为B,金属丝A的总长度为L2。金属丝为细长的正圆形,横截面半径为r,横截面积为πr2。

试验中将热端金属丝暴露在太阳光下,并用特殊材料涂黑以保证辐射能的全光谱吸收,同时把该段金属丝固定在垂直黄道面的方向上,使用跟踪系统保证太阳光垂直照射金属丝。将冷端用锡箔材料遮挡,反射太阳辐射。另外,将金属丝放置在双层石英真空玻璃管内,减小空气热传导,提高测量灵敏度。保持该金属丝的两个端点初始温度相同,一段时间后测量两个端点的热电动势大小,由于未遮光的热电偶所接收的辐射能为太阳直接辐射和天空散射辐射,实验证实散射辐射很小,而被遮挡住的热电偶仅仅接收到少量的地物和大气的长波辐射,且两个热电动势在回路中又是极性相反的,因此整个回路的热电动势只与太阳的直接辐射有关,即可推算出该时刻是否有日照。

2 物理模型及仿真方法

仿真主要研究金属丝受太阳辐射后冷热端温度变化的物理过程,该过程主要分为3个部分:金属丝受太阳辐射升温过程,金属丝自身红外辐射降温过程,金属丝冷热端热传导过程。下面对日照计受太阳辐射时的各物理过程进行建模。

2.1 金属丝受太阳辐射升温过程

当太阳直射到金属丝上时,金属丝吸收太阳的辐射而升温。令暴露在太阳下的金属丝接收到的太阳辐射能为Q,单位时间内得到的热量:

dQ=E·2r·L1dt

(3)

式中:截面直径为2r,金属丝长度为L1。

暴露在太阳下的金属丝由于温度升高而得到的能量:

dQ=cmdT

(4)

式中:c为金属丝的比热,m为金属丝的质量。先不考虑金属对太阳辐射的吸收率和发射率,金属丝接收太阳辐射能量和因温度升高而增加的能量相等,因此结合式(3)和式(4)可以得到

E·2r·L1dt=dQ=c·m·dT

(5)

由于

m=ρ1·V1+ρ2·V2=

(6)

式中:ρ为金属丝的密度,金属丝升温为

(7)

由此式可以得出金属丝在太阳照射时其温度升高快慢和时间的对应关系。

2.2 金属丝自身红外辐射降温过程

金属丝具有一定的温度,根据斯蒂芬-玻尔兹曼定律,其辐出度与其温度的4次方成正比,因为使用的金属丝不是绝对黑体,所以需乘以比辐射率γ,γ介于0和1之间,则金属丝单位时间内向外辐射的能量表示为

dQ=ε·γT4·Ddt

(8)

D为金属表面积。而金属丝因为向外辐射能量而产生降温,减少的能量

(9)

即可得到日照计在被遮挡时金属丝辐射降温与时间的关系。

(10)

从式(10)可以看出,当热电偶参数确定后,辐射降温的快慢只与热端温度关。

2.3 金属丝冷热端热传导过程

当太阳照射日照计时,由于暴露在太阳下的金属丝接收到太阳的直接辐射和天空的散射辐射,而被锡箔材料遮挡部分的金属丝仅接收天空散射辐射,因此它们的温度会不同,从而导致热量从温度高处向温度低处传递,即暴露在太阳下的金属丝向被锡箔材料遮住的金属丝传递热量,形成一个热传导过程。

在热量传递过程中令热端温度为Ta,冷端温度为T,则热端向冷端传递的热量为

dQ=-h1S1(Ta-T)dt-h2S2(Ta-T)dt

(11)

式中:S为遮蔽内外金属交换热量的表面积,S=πr2,h为金属的导热系数。冷端吸收热传递的能量为

dQ=cmdT

(12)

冷端由于吸收了热传递的能量而导致温度升高,根据式(11)和(12)得到

h1S1(Ta-T)dt+h2S2(Ta-T)dt=cmdT

(13)

m为遮挡住金属的质量:

(14)

则可得到

[h1(Ta-T)+h2(Ta-T)]dt=

(15)

从式(15)可以看出在热传递过程中,影响冷端温度变化的因子主要是两种金属丝的比热、密度等金属丝的属性以及热传导系数。

3 仿真与试验对比

根据上述推导的物理模型进行了如下的仿真与试验,考虑了热电偶的辐射升温、热电偶金属丝自身的热辐射和冷热端的热传导3个过程,因为冷热端金属丝都经过特殊处理,且金属丝放置在真空管内,所以天空的散射辐射、金属丝与外界空气的热传导对结果影响很小,可以忽略。最后进行了初步的对比试验,对实验结果进行了分析。

3.1 热电偶参数对测量响应的影响分析

热电偶是光热型电测日照传感器的关键部件,组成热电偶金属的材质、粗细、长短比例、比热和导热系数等对测量的灵敏度系数和响应时间都有影响,选择合适参数的热电偶会提高测量灵敏度,减小响应时间,提高测量精度。

图3 热电偶参数对冷热端温度的影响

利用控制变量法的基本思想分别控制金属丝粗细、长短比例、比热和导热系数4个参数变化对冷热端温度变化的影响,如图3所示。根据标准辐射表实际观测数据知,晴朗无云时的太阳辐照度在120W/m2～300W/m2之间,有云时,太阳辐照度会降到80W/m2左右。因此,模拟时控制起始直接太阳辐照度为150W/m2,150s后降低为80W/m2,测算冷热端温度上升速率、温差大小和响应时间。从图3(a)中可以发现,金属丝半径越粗,冷热端温度上升越慢、稳定时产生的热电动势越小,响应时间相差不大;从图3(b)中可以发现,当金属丝总长和L2不变时,L1越长,冷热端温度上升越快,稳定时产生的热电动势越大,响应时间也相对增大;从图3(c)中可以发现,金属丝比热越大,冷热端升温越慢,热电动势基本不变,响应时间相对增大;从图3(d)中可以发现金属丝的导热系数越大,冷热端升温相对变慢,但升温速率基本不变,热电动势越小,响应时间越短。

通过上述分析,热电偶冷热端温差越大,热电动势越大,测量灵敏度系数越高;温度上升和下降的速率越快,响应时间越短。为使测量精度和响应时间均满足WMO对日照时数观测的要求,考虑实际成本后确定用铜钨热电偶,其相关参数如表1所示。

表1 热电偶参数

3.2 直接太阳辐照度连续且恒定条件下的响应关系

通过上述物理过程的分析得到,当热电偶接收太阳直接照射时,热端的温度会升高,假设初始冷热端的温度相同,冷热端就会存在温差,产生热电动势;同时,热端会向冷端传递热量,使冷端的温度也有一定的升高。随着直接太阳辐照度的增大,热电动势也会增大,当直接太阳辐照度E≥120 W/m2时,产生的热电动势也会大于某个阈值。

图4是直接太阳辐照度恒定为300 W/m2时,热电偶参数依据上述参数,考虑3个主要热量传递过程时冷热端的温度变化情况,从图中可以看出,热端温度在开始时上升很快,之后上升速度逐渐平稳,原因是初始冷热端温差小,热端传给冷端的热量少,自身升温较快;当一段时间后,冷热端的温差逐渐趋于稳定,热端传给冷端的热量也趋于稳定,因为直接太阳辐照度恒定,且自身的热辐射非常小可忽略时,热端自身吸收的净热量也趋于稳定,所以温度近似线性上升;冷端由于吸收能量稳定,温度也近似线性上升。

因为热电动势和冷热端的温差成线性关系,当直接太阳辐照度恒定时,冷热端的温差趋于稳定,所以热电动势也稳定不变,这也反映了热电动势和直接太阳辐照度之间的线性关系,证明了光热型电测日照计的可行性。

图4 直接太阳辐照度恒定

3.3 间断性日照条件下的响应关系

由于实际测量中直接太阳辐照度不会恒定不变,会受云的影响,当太阳被云遮蔽时,直接太阳辐照度会短时间内显著下降到120 W/m2以下,当天空经历有云到无云或无云到有云的状态时,温度的变化以及造成的热电动势的变化不会立即突变,而是有一个上升和下降的过程,这个过程经历的时间称作仪器的“响应时间”。“响应时间”会影响到日照时数测量的精度,因此做了间断性日照下的仿真。

图5是模拟的是有云情况热电偶冷热端温度的变化。图中的凹陷是有云遮挡的情况,设无云时的直接太阳辐照度为300 W/m2,将有云时的直接太阳辐照度均设为90 W/m2,其他参数不变。从图中可以发现,当有云存在时,热端由于接受不到太阳辐射,并且由于自身的红外辐射,热端温度会迅速降低,冷端温度仍会继续上升,但上升速度会越来越慢,这主要是由于两端温差越来越小造成的。另外,当直接太阳辐照度发生突变时,热电偶从开始降温到温差稳定需要的时间约15 s,理论上满足WMO日照时数传感器时间常数为20 s的规定。

图5 间断性日照条件下的响应关系

图6 样机、仿真结果与标准辐射表的对比试验

3.4 试验对比

利用一台光热型电测日照计样机与标准辐射表作了初步的对比试验,并将标准辐射表的数据代入到上述仿真系统中得到仿真结果,将仿真结果、实际测量结果和标准辐射表三者对比,如图6所示。

图6是南京2014年10月某日11时左右的一段测量数据。通过对比发现,标准辐射表的数值、仪器实测数值和仿真结果三者具有一致的变化趋势,其中仿真结果和标准辐射表值吻合较好,实测值由于测量电路等因素的影响,有一些噪声,测量值不太稳定,个别点的测量值有偏差。仿真结果和实测值较标准辐射表都有一定延时,是因为光热型电测日照计有一定的响应时间,响应时间与仿真结果较符合,15 s左右,满足WMO的要求。

4 结论

本文利用热电偶的特性,研制了光热性电测日照计,并对日照计进行了理论仿真和初步对比试验,得到以下结论:

(1)热电偶参数对测量响应影响表现在:①金属丝半径越粗,冷热端温度上升越慢、稳定时产生的热电动势越小;②当金属丝总长和金属A的长度不变时,受直射辐射金属丝越长,冷热端温度上升越快,稳定时产生的热电动势越大,响应时间也相对增大;③金属丝比热越大,冷热端升温越慢,热电动势基本不变,响应时间相对增大;④金属丝的导热系数变大,冷热端升温相对变慢,升温速率基本不变,热电动势变小,响应时间变短。因此,在选择热电偶时应选择半径较细、比热系数小、导热系数合适的金属,同时应保证金属丝材质均匀。

(2)当直接太阳辐照度恒定时,冷热端温度在一定时间内近线性上升,上升速率相同,冷热端温差不变,产生的热电动势不变,进而得到热电动势与直接太阳辐照度呈线性关系。

(3)当在间断性日照条件下时,光热型电测日照计热端温度会迅速下降,冷端温度先缓慢上升,冷热端温差下降然后达到稳定,实验估算其响应时间小于15 s,满足WMO对日照时数测量的要求。

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代中华(1991-),男,湖北随州人,解放军理工大学气象海洋学院硕士研究生,研究方向为大气探测,15250958223@163.com;

赵世军(1976-),男,四川眉山人,解放军理工大学气象海洋学院探测工程教研室副主任、副教授,研究方向为大气探测,general_zh@sina.com。

Measurement Simulation of Photo-Thermal Sunshine Recorder*

DAIZhonghua1,ZHAOShijun1*,GAOTaichang1,ZHAIDongli2

(1.Institute of Meteorology and Oceanography,PLA University of Science and Technology,Nanjing 211101,China;2.Yingente Environmental Technologies Co.Ltd,Nanjing 211101,China)

Sunshine duration plays an important role in weather monitoring,agricultural production and energy development. It’s one of basic items of the surface meteorological observation. A new photo-thermal sunshine recorder is constructed based on thermocouple temperature measuring principle. Starting from the thermal radiation theory and heat conduction theory,a relationship between the temperature difference of thermocouple and the direct solar irradiance is established. This paper also studies the influence of thermocouple wire thickness,ratio,specific heat and thermal conductivity on measurement;the response of constant direct solar irradiance and intermittent solar irradiance is simulated;at last the filed comparative experiments are conducted. The results show that,wire thickness,ratio,specific heat and thermal conductivity are crucial parameters of the thermocouple;the direct solar irradiance and the temperature difference of thermocouple show good linear correlation,the response time is less than 15 s,which meets the requirements of WMO.

sunshine recorder;photo-thermal;thermocouple;simulation

项目来源:公益性行业(气象)科研专项项目(GYHY201106040)

2014-12-03 修改日期:2015-03-09

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.06.005

P412.14

A

1004-1699(2015)06-0803-06