光熱型電測日照計測量仿真研究*

代中華,趙世軍*,高太長,翟東力

(1.解放軍理工大學氣象海洋學院,南京 211101;2.南京英恩特環境技術有限公司,南京 211153)

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光熱型電測日照計測量仿真研究*

代中華1,趙世軍1*,高太長1,翟東力2

(1.解放軍理工大學氣象海洋學院,南京 211101;2.南京英恩特環境技術有限公司,南京 211153)

日照時數對天氣監測、農業生產、能源開發等有重要作用,是地面氣象觀測的基本內容之一?；跓犭娕紲y溫原理,設計了一種光熱型電測日照計。利用金屬絲的輻射升溫和熱傳導的基本理論,建立熱電偶冷熱端的溫差和直接太陽輻照度的響應關系,并研究了熱電偶金屬絲粗細、長短比例、比熱、導熱系數對測量響應的影響,仿真了直接太陽輻照度恒定不變時的響應關系和太陽間斷性直射的響應關系,并進行了對比試驗。結果顯示:金屬絲粗細、長短比例、比熱、導熱系數均是該日照計的關鍵影響參數;直接太陽輻照度與熱電偶冷熱端溫差呈良好的線性關系;光熱型電測日照計的測量響應時間小于15 s,滿足WMO要求。

日照計;光熱型;熱電偶;仿真

日照時數是在給定時間內太陽直接輻照度達到或超過120 W/m2(±20%)的各段時間總和[1]。日照時數的長短直接決定了地表接受太陽輻射能的多少,是太陽輻射計算的重要參數[2-3];同時,日照時數對生態系統發展、天氣氣候監測和能源開發利用等有著重要意義[4-7],是實施氣象服務的一項重要的基礎性工作[8],也是目前的氣象業務中須觀測的基本項目之一[9]。

日照時數觀測的主要儀器有暗筒式日照計、聚焦式日照計、太陽直射輻射表和雙金屬片日照傳感器等[10-13]。暗筒式日照計和聚焦式日照計均采用燒痕法,自動化程度低,受日照紙感光程度影響很大,具有一定的不確定性,其測量結果主觀性強、準確度差、資料可比性和一致性難以保證[14]。而光電型日照計由于受到光電敏感元件可響應的光譜范圍的限制,在晨昏或能見度變化影響太陽的光譜分布時誤差較大[11,15]。隨著地面氣象觀測業務的自動化進程,日照計的自動化已成為迫切需要解決的問題。目前,國外已出現多種自動日照計及相關傳感器,主要是利用能自動跟蹤太陽位置的輻射測量裝置對日照時數進行測量,而國產儀器較少,且與國外先進水平有一定差距[16]。

本文提出了一種光熱型電測日照計方案,不直接測量太陽輻射,而是采用熱電偶原理將輻射強度的測量轉化為電壓信號的測量,從理論推導兩者的對應關系。通過統計某一時段內輸出電壓大于閾值電壓的時間總長度得到日照時數,實現日照觀測的自動化。為證明光熱型電測日照計的可行性,本文進行了仿真與初步試驗,針對熱電偶應用于日照計測量的關鍵技術,研究了熱電偶的關鍵影響參數,仿真分析了不同日照情況下日照計的響應關系。

1 測量原理及結構設計

本文討論的日照計是基于兩串聯導體組成的熱電偶兩接合點處的溫度不同(T0≠T),會在兩導體間產生熱電動勢的熱電效應原理設計的[17-20]。當熱電偶兩個焊點的溫度不同時,回路中就會產生電流,此時兩端就存在電動勢,溫度差異越大,電動勢就越高,如圖1所示。

圖1 熱電效應示意圖

對于導體A、B組成的熱電偶回路,當溫度T>T0時,回路總的熱電動勢可表示為:

(1)

式中:NAT、NAT0為導體A在結點溫度為T和T0時的電子密度;NBT、NBT0為導體B在結點溫度為T和T0時的電子密度;σA、σB為導體A和B的湯姆遜系數。在通常的溫度變化范圍內,熱電偶電動勢一般只有幾毫伏到幾十毫伏,而經過計算,接觸電動勢的大小只有幾微伏到幾十微伏,相對于溫差電動勢可以忽略不計。因此,由兩種導體組成的熱電偶回路的熱電動勢可表示為:

εt=(-σA+σB)(T-T0)=α(T-T0)

(2)

根據上述推導,設計了光熱型電測日照計的結構,如圖2所示。

圖2 光熱型電測日照計結構圖

設金屬絲的總長度為L,透光區的長度為L1,其中一半為A,一半為B,金屬絲A的總長度為L2。金屬絲為細長的正圓形,橫截面半徑為r,橫截面積為πr2。

試驗中將熱端金屬絲暴露在太陽光下,并用特殊材料涂黑以保證輻射能的全光譜吸收,同時把該段金屬絲固定在垂直黃道面的方向上,使用跟蹤系統保證太陽光垂直照射金屬絲。將冷端用錫箔材料遮擋,反射太陽輻射。另外,將金屬絲放置在雙層石英真空玻璃管內,減小空氣熱傳導,提高測量靈敏度。保持該金屬絲的兩個端點初始溫度相同,一段時間后測量兩個端點的熱電動勢大小,由于未遮光的熱電偶所接收的輻射能為太陽直接輻射和天空散射輻射,實驗證實散射輻射很小,而被遮擋住的熱電偶僅僅接收到少量的地物和大氣的長波輻射,且兩個熱電動勢在回路中又是極性相反的,因此整個回路的熱電動勢只與太陽的直接輻射有關,即可推算出該時刻是否有日照。

2 物理模型及仿真方法

仿真主要研究金屬絲受太陽輻射后冷熱端溫度變化的物理過程,該過程主要分為3個部分:金屬絲受太陽輻射升溫過程,金屬絲自身紅外輻射降溫過程,金屬絲冷熱端熱傳導過程。下面對日照計受太陽輻射時的各物理過程進行建模。

2.1 金屬絲受太陽輻射升溫過程

當太陽直射到金屬絲上時,金屬絲吸收太陽的輻射而升溫。令暴露在太陽下的金屬絲接收到的太陽輻射能為Q,單位時間內得到的熱量:

dQ=E·2r·L1dt

(3)

式中:截面直徑為2r,金屬絲長度為L1。

暴露在太陽下的金屬絲由于溫度升高而得到的能量:

dQ=cmdT

(4)

式中:c為金屬絲的比熱,m為金屬絲的質量。先不考慮金屬對太陽輻射的吸收率和發射率,金屬絲接收太陽輻射能量和因溫度升高而增加的能量相等,因此結合式(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為金屬絲的密度,金屬絲升溫為

(7)

由此式可以得出金屬絲在太陽照射時其溫度升高快慢和時間的對應關系。

2.2 金屬絲自身紅外輻射降溫過程

金屬絲具有一定的溫度,根據斯蒂芬-玻爾茲曼定律,其輻出度與其溫度的4次方成正比,因為使用的金屬絲不是絕對黑體,所以需乘以比輻射率γ,γ介于0和1之間,則金屬絲單位時間內向外輻射的能量表示為

dQ=ε·γT4·Ddt

(8)

D為金屬表面積。而金屬絲因為向外輻射能量而產生降溫,減少的能量

(9)

即可得到日照計在被遮擋時金屬絲輻射降溫與時間的關系。

(10)

從式(10)可以看出,當熱電偶參數確定后,輻射降溫的快慢只與熱端溫度關。

2.3 金屬絲冷熱端熱傳導過程

當太陽照射日照計時,由于暴露在太陽下的金屬絲接收到太陽的直接輻射和天空的散射輻射,而被錫箔材料遮擋部分的金屬絲僅接收天空散射輻射,因此它們的溫度會不同,從而導致熱量從溫度高處向溫度低處傳遞,即暴露在太陽下的金屬絲向被錫箔材料遮住的金屬絲傳遞熱量,形成一個熱傳導過程。

在熱量傳遞過程中令熱端溫度為Ta,冷端溫度為T,則熱端向冷端傳遞的熱量為

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

(11)

式中:S為遮蔽內外金屬交換熱量的表面積,S=πr2,h為金屬的導熱系數。冷端吸收熱傳遞的能量為

dQ=cmdT

(12)

冷端由于吸收了熱傳遞的能量而導致溫度升高,根據式(11)和(12)得到

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

(13)

m為遮擋住金屬的質量:

(14)

則可得到

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

(15)

從式(15)可以看出在熱傳遞過程中,影響冷端溫度變化的因子主要是兩種金屬絲的比熱、密度等金屬絲的屬性以及熱傳導系數。

3 仿真與試驗對比

根據上述推導的物理模型進行了如下的仿真與試驗,考慮了熱電偶的輻射升溫、熱電偶金屬絲自身的熱輻射和冷熱端的熱傳導3個過程,因為冷熱端金屬絲都經過特殊處理,且金屬絲放置在真空管內,所以天空的散射輻射、金屬絲與外界空氣的熱傳導對結果影響很小,可以忽略。最后進行了初步的對比試驗,對實驗結果進行了分析。

3.1 熱電偶參數對測量響應的影響分析

熱電偶是光熱型電測日照傳感器的關鍵部件,組成熱電偶金屬的材質、粗細、長短比例、比熱和導熱系數等對測量的靈敏度系數和響應時間都有影響,選擇合適參數的熱電偶會提高測量靈敏度,減小響應時間,提高測量精度。

圖3 熱電偶參數對冷熱端溫度的影響

利用控制變量法的基本思想分別控制金屬絲粗細、長短比例、比熱和導熱系數4個參數變化對冷熱端溫度變化的影響,如圖3所示。根據標準輻射表實際觀測數據知,晴朗無云時的太陽輻照度在120W/m2～300W/m2之間,有云時,太陽輻照度會降到80W/m2左右。因此,模擬時控制起始直接太陽輻照度為150W/m2,150s后降低為80W/m2,測算冷熱端溫度上升速率、溫差大小和響應時間。從圖3(a)中可以發現,金屬絲半徑越粗,冷熱端溫度上升越慢、穩定時產生的熱電動勢越小,響應時間相差不大;從圖3(b)中可以發現,當金屬絲總長和L2不變時,L1越長,冷熱端溫度上升越快,穩定時產生的熱電動勢越大,響應時間也相對增大;從圖3(c)中可以發現,金屬絲比熱越大,冷熱端升溫越慢,熱電動勢基本不變,響應時間相對增大;從圖3(d)中可以發現金屬絲的導熱系數越大,冷熱端升溫相對變慢,但升溫速率基本不變,熱電動勢越小,響應時間越短。

通過上述分析,熱電偶冷熱端溫差越大,熱電動勢越大,測量靈敏度系數越高;溫度上升和下降的速率越快,響應時間越短。為使測量精度和響應時間均滿足WMO對日照時數觀測的要求,考慮實際成本后確定用銅鎢熱電偶,其相關參數如表1所示。

表1 熱電偶參數

3.2 直接太陽輻照度連續且恒定條件下的響應關系

通過上述物理過程的分析得到,當熱電偶接收太陽直接照射時,熱端的溫度會升高,假設初始冷熱端的溫度相同,冷熱端就會存在溫差,產生熱電動勢;同時,熱端會向冷端傳遞熱量,使冷端的溫度也有一定的升高。隨著直接太陽輻照度的增大,熱電動勢也會增大,當直接太陽輻照度E≥120 W/m2時,產生的熱電動勢也會大于某個閾值。

圖4是直接太陽輻照度恒定為300 W/m2時,熱電偶參數依據上述參數,考慮3個主要熱量傳遞過程時冷熱端的溫度變化情況,從圖中可以看出,熱端溫度在開始時上升很快,之后上升速度逐漸平穩,原因是初始冷熱端溫差小,熱端傳給冷端的熱量少,自身升溫較快;當一段時間后,冷熱端的溫差逐漸趨于穩定,熱端傳給冷端的熱量也趨于穩定,因為直接太陽輻照度恒定,且自身的熱輻射非常小可忽略時,熱端自身吸收的凈熱量也趨于穩定,所以溫度近似線性上升;冷端由于吸收能量穩定,溫度也近似線性上升。

因為熱電動勢和冷熱端的溫差成線性關系,當直接太陽輻照度恒定時,冷熱端的溫差趨于穩定,所以熱電動勢也穩定不變,這也反映了熱電動勢和直接太陽輻照度之間的線性關系,證明了光熱型電測日照計的可行性。

圖4 直接太陽輻照度恒定

3.3 間斷性日照條件下的響應關系

由于實際測量中直接太陽輻照度不會恒定不變,會受云的影響,當太陽被云遮蔽時,直接太陽輻照度會短時間內顯著下降到120 W/m2以下,當天空經歷有云到無云或無云到有云的狀態時,溫度的變化以及造成的熱電動勢的變化不會立即突變,而是有一個上升和下降的過程,這個過程經歷的時間稱作儀器的“響應時間”?！绊憫獣r間”會影響到日照時數測量的精度,因此做了間斷性日照下的仿真。

圖5是模擬的是有云情況熱電偶冷熱端溫度的變化。圖中的凹陷是有云遮擋的情況,設無云時的直接太陽輻照度為300 W/m2,將有云時的直接太陽輻照度均設為90 W/m2,其他參數不變。從圖中可以發現,當有云存在時,熱端由于接受不到太陽輻射,并且由于自身的紅外輻射,熱端溫度會迅速降低,冷端溫度仍會繼續上升,但上升速度會越來越慢,這主要是由于兩端溫差越來越小造成的。另外,當直接太陽輻照度發生突變時,熱電偶從開始降溫到溫差穩定需要的時間約15 s,理論上滿足WMO日照時數傳感器時間常數為20 s的規定。

圖5 間斷性日照條件下的響應關系

圖6 樣機、仿真結果與標準輻射表的對比試驗

3.4 試驗對比

利用一臺光熱型電測日照計樣機與標準輻射表作了初步的對比試驗,并將標準輻射表的數據代入到上述仿真系統中得到仿真結果,將仿真結果、實際測量結果和標準輻射表三者對比,如圖6所示。

圖6是南京2014年10月某日11時左右的一段測量數據。通過對比發現,標準輻射表的數值、儀器實測數值和仿真結果三者具有一致的變化趨勢,其中仿真結果和標準輻射表值吻合較好,實測值由于測量電路等因素的影響,有一些噪聲,測量值不太穩定,個別點的測量值有偏差。仿真結果和實測值較標準輻射表都有一定延時,是因為光熱型電測日照計有一定的響應時間,響應時間與仿真結果較符合,15 s左右,滿足WMO的要求。

4 結論

本文利用熱電偶的特性,研制了光熱性電測日照計,并對日照計進行了理論仿真和初步對比試驗,得到以下結論:

(1)熱電偶參數對測量響應影響表現在:①金屬絲半徑越粗,冷熱端溫度上升越慢、穩定時產生的熱電動勢越小;②當金屬絲總長和金屬A的長度不變時,受直射輻射金屬絲越長,冷熱端溫度上升越快,穩定時產生的熱電動勢越大,響應時間也相對增大;③金屬絲比熱越大,冷熱端升溫越慢,熱電動勢基本不變,響應時間相對增大;④金屬絲的導熱系數變大,冷熱端升溫相對變慢,升溫速率基本不變,熱電動勢變小,響應時間變短。因此,在選擇熱電偶時應選擇半徑較細、比熱系數小、導熱系數合適的金屬,同時應保證金屬絲材質均勻。

(2)當直接太陽輻照度恒定時,冷熱端溫度在一定時間內近線性上升,上升速率相同,冷熱端溫差不變,產生的熱電動勢不變,進而得到熱電動勢與直接太陽輻照度呈線性關系。

(3)當在間斷性日照條件下時,光熱型電測日照計熱端溫度會迅速下降,冷端溫度先緩慢上升,冷熱端溫差下降然后達到穩定,實驗估算其響應時間小于15 s,滿足WMO對日照時數測量的要求。

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代中華(1991-),男,湖北隨州人,解放軍理工大學氣象海洋學院碩士研究生,研究方向為大氣探測,15250958223@163.com;

趙世軍(1976-),男,四川眉山人,解放軍理工大學氣象海洋學院探測工程教研室副主任、副教授,研究方向為大氣探測,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

項目來源:公益性行業(氣象)科研專項項目(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