地面气象测温传感器设计及实验研究.pdf
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1、第 19 卷 第 1 期2024 年 1 月Vol.19 No.1Jan.2024中 国 科 技 论 文CHINA SCIENCEPAPER地面气象测温传感器设计及实验研究许广佳1,2,3,刘清惓1,2,3,杨杰2,3,薛良玉1,2,3,赵自强1,2,3,张旭1,2,3(1.南京信息工程大学江苏省大气环境与装备技术协同创新中心,南京 210044;2.江苏省气象探测与信息处理重点实验室(南京信息工程大学),南京 210044;3.南京信息工程大学电子与信息工程学院,南京 210044)摘 要:地面气象测温传感器受太阳辐射的影响,测量时其辐射误差可达1 K量级。针对此问题,设计了一种新型地面测温
2、传感器结构。使用计算流体动力学(computational fluid dynamics,CFD)方法将多个气象参数下的仪器辐射误差进行量化,采用粒子群优化支持向量机算法对其结果进行拟合,得到辐射误差修正方程。以076B强制通风仪器的测量值作为温度基准开展场外实验。结果表明,设计的地面气象测温传感器经修正方程修正后的测量结果与温度基准的均方根误差(root mean square error,RMSE)和平均绝对误差(mean absolute error,MAE)分别为0.029 K和0.027 K,可将辐射误差保持在0.05 K以内。关键词:地面气象测温传感器;温度传感器;辐射误差;计算流
3、体动力学;粒子群优化支持向量机中图分类号:P412.11 文献标志码:A文章编号:2095-2783(2024)01-0108-07开放科学(资源服务)标识码(OSID):Design and experimental study of surface meteorological temperature sensorXU Guangjia1,2,3,LIU Qingquan1,2,3,YANG Jie2,3,XUE Liangyu1,2,3,ZHAO Ziqiang1,2,3,ZHANG Xu1,2,3(1.Collaborative Innovation Center on Atmosph
4、eric Environment and Equipment Technology,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China;2.Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing(Nanjing University of Information Science and Technology),Nanjing 210044,China;3.School of Electro
5、nic Science and Engineering,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China)Abstract:To address the problem related to the radiation error that can be up to 1 K caused by the effects of solar radiation on surface weather temperature sensors,a novel temperature measuring
6、 device was proposed herein.Specifically,a computational fluid dynamics(CFD)method and a particle swarm optimization support vector machine algorithm were employed to quantify the radiation error of the device under multiple meteorological parameters,and to fit the results obtaining a radiation erro
7、r correction equation,respectively.By using the measurement values of a 076B forced ventilation thermometer as reference,a filed experiment was conducted.The results show that,with the temperature reference after correction by the radiation error correction method,the root mean square error(RMSE)and
8、 mean absolute error(MAE)of the ground temperature measuring device designed in this paper are 0.029 K and 0.027 K,respectively.The design can keep the radiation error of the ground temperature measuring device within 0.05 K.Keywords:surface weather temperature sensor;temperature sensor;radiation er
9、ror;computational fluid dynamics;particle swarm optimization support vector machine近年来,以气温为主的气象要素的变化以及极端天气事件发生频率的改变给全球人类的生产和生活带来了深刻影响1。政府间气候变化专门委员会第六次评估报告(IPCC AR6)指出,20112020年的全球地表温度比18501900年高1.09 K2;Xie等3通过调查指出,自1982年至2017年,三北地区气温呈0.04 K/a的上升趋势;尹红等4指出,中国区域多个极端天气下的温度指数达到 0.1 K 量级;李双林等5提出,当前数值天气预测在
10、观测精度方面仍面临很大挑战。由此可知,为更好地进行气温变化趋势、极端天气分析以及天气预测等领域的研究,温度数据的准确性可能需要达到0.1 K甚至是0.05 K量级,因此地面测温传感器精度的提高显得尤为重要。现有的地面测温传感器种类繁多但难以满足当前气温收稿日期:2023-07-13基金项目:国家自然科学基金资助项目(42275143,41875035)第一作者:许广佳(1998),男,硕士研究生,主要研究方向为地面测温仪器、测温传感器通信作者:刘清惓,教授,主要研究方向为MEMS传感器技术、气象探测,许广佳,等:地面气象测温传感器设计及实验研究第 1 期测量精度的要求,Erell等6提出几种防
11、辐射罩模型并对其性能进行评估,发现观测到的辐射误差可达0.8 K;Hubbart等7在无云条件下评估了一种新型防辐射罩,发现其平均辐射误差为2.84 K。Tadayoshi等8对 41003、AV-040、DTR503A 和 JMA-W1 自然通风传感器的特性进行研究,发现其辐射误差分别为0.30.7 K、0.91.4 K、00.3 K和0.20.5 K。因此,目前需要一种适用于不同种类地面测温传感器的辐射误差修正方法,该方法不仅能对测温传感器进行辐射误差修正,其最终目的也是对历史测量温度进行误差修正。因此,本文提出一种地面测温传感器修正方法。首先,对测温传感器的结构组成进行优化设计,在阻挡太
12、阳辐射到达传感器内部的同时,将气流引向传感器探头并消散内部被加热的空气。其次,利用CFD方法量化地面测温传感器在不同气象环境参数下的辐射误差,结合基于粒子群优化支持向量机算法对其结果进行训练,拟合出辐射误差修正方程。最后,开展场外观测对比实验,对辐射误差修正方法的准确性进行测试验证。1地面测温传感器的多物理场辐射误差求解1.1地面测温传感器模型设计鉴于外界辐射是造成辐射误差的主要因素,此外,加快地面测温传感器内外的空气交换、消散内部被加热的空气也可以减小辐射误差。因此,为降低辐射误差,一个好的地面测温传感器的设计应该尽量遮挡到达温度传感器探头的外界辐射,也要尽可能地增加传感器内外的空气交换频率
13、,同时还要散去内部热气流。本文将 3 个设计需求相融合设计地面测温传感器。该传感器结构外层是 2 块圆盘形的遮光板,内部有 2个形状相同的导流盘。遮光板材质为铝,面向太阳和面向地面的外表面是反射率为0.95的镀银面,可减少到达传感器探头的太阳直接辐射、反射辐射和下垫面长波辐射。2块遮光板的内表面涂有吸收率为 0.9 的黑色涂料,用于吸收到达测温传感器内部的外界辐射。导流盘材质为环氧树脂,表面涂有反射率为0.87、白色、不吸湿的涂料,其形状为双层棱台,棱台中空。当传感器内部温度受辐射影响而升高时,热空气上升通过导流盘内部并被上部的气流带出测温传感器,导流盘在将气流引向传感器探头的同时,也可以加速
14、传感器内部热气流的扩散,测温传感器模型如图1所示。相比于其他的导电材料,铂电阻具有较小的温度系数和线性度。此外,铂电阻也有较好的稳定性和重复性,能够长期稳定地工作,不易受到环境的影响9。因此,本文选择铂电阻作为温度传感器元件。铂电阻和高反射率铜球壳组成温度传感器探头并安装在测温仪器的中心位置,铜球壳外径为5 mm,厚度为 0.5 mm。铜球壳开口处采用防水胶进行密封,隔绝水汽;内部填充导热胶,增加其导热性,传感器探头结构模型如图2所示。为量化地面测温仪器内传感器的辐射误差,构建了相应的 CFD模型10。模型的四面体网格通过ICEM 软件,采用自适应非结构化网格划分技术获得。模型的四面体网格单元
15、数为1 009 841,网格的质量值大于0.35。采用FLUENT软件使用标准k-模型进行流固耦合多物理场模拟,在CFD模型中采用 了 压 力 关 联 方 程 的 半 隐 式 方 法(semi-implicit method for pressure linked equations,SIMPLE)。模型中仪器材料的相关特性系数见表1。本文主要研究在不同的太阳直接辐射、下垫面反射率、下垫面长波辐射、散射辐射、太阳高度角、海图 1地面测温传感器结构示意图Fig.1Structure diagram of ground temperature sensor图 2传感器探头结构示意图Fig.2Str
16、ucture diagram of sensor probe表1测温传感器材料特性参数Table 1Material characteristic parameters of temperature sensor材料铝铜导热胶防水胶环氧树脂焊点比热容/(J kg1 K1)8713811 7002 1001 591220导热率/(W m1 K1)202.4387.62.90.90.267.0109第 19 卷 中 国 科 技 论 文拔高度及气流速度等环境下,地面测温传感器在测温时的辐射误差。在CFD模型中将空气域温度和传感器表面的初始温度设为300 K。该仪器在典型环境参数(上述参数分别为1 0
17、00 W/m2、0.2、300 W/m2、200 W/m2、45、0.022 km、1 m/s)下的温度场和流速场如图 3 所示。可以看出,经 CFD 计算后,该环境下,测温仪器的测温探头测量值为 300.084 K,辐射误差为0.084 K,空气流速为1.147 39 m/s,相较于传统的百叶箱和防辐射罩,本文设计的地面测温传感器具有良好的防辐射性能。1.2多物理场仿真分析在边界条件设置中,将太阳直接辐射强度(P1)、下垫面长波辐射强度(P2)、下垫面反射率(f)、散射辐射强度(P3)、气象站海拔高度(H)、太阳高度角()、环境风速(V)等参数的变化范围分别设置为 1001 200 W/m2
18、、50500 W/m2、0.10.9、50300 W/m2、05 km、1090和 0.58 m/s,模拟出在不同环境参数下地面测温传感器的辐射误差值。图4为地面测温传感器在不同环境下的辐射误差值。由于上部分遮光板的存在,其可以避免大部分的太阳直接辐射到达测温探头,所以太阳直接辐射对测温传感器的辐射误差影响不大,当 P1值为501 200 W/m2时,辐射误差值为0.0920.103 K。同理,由于下遮光板的存在,可以很好地遮挡下垫面长波辐射对测温探头的影响,当 P2值为 50500 W/m2时,辐射误差值为 0.0980.104 K。由于测温传感器内部涂有吸收率为0.95的黑色涂料,可以在很
19、大程度上吸收反射辐射,降低其对测温探头的影响,当f值为0.10.9时,辐射误差值为0.1000.106 K。散射辐射是由大气中的气体分子、云和气溶胶等微小颗粒散射太阳辐射而产生的,来源于各个方向,因此测温传感器很难全部阻挡,这导致散射辐射对辐射误差影响较大,当P3值为50300 W/m2时,辐射误差值为0.0380.143 K。随着海拔高度的增加,空气密度降低,空气的热传导能力降低,仪器内部和外部空气进行交换时带走的热量越少,从而导致辐射误差变大,当H值为0.0225.000 km时,辐射误差值为 0.1010.165 K。由于仪器内部有吸热涂料的存在,即使有部分太阳直接辐射在低太阳高度角的情
20、况下进入仪器内部,这些太阳直接辐射也会被内部涂料吸收,从而降低其对测温探头的影响,当()值为1090时,辐射误差值为0.0970.103 K。2辐射误差修正方程由于CFD得到的是离散的辐射误差数值,为了量化任意环境参数下的辐射误差,本文采用经粒子群优化支持向量机算法对辐射误差仿真数据进行数据拟合处理,得到辐射误差(K)与 P1、P2、f、P3、H、V之间的修正方程:K=1/2 2+CL f(xi)。(1)式中:为超平面权值向量;C为支持向量机算法的惩罚因子,决定回归模型对错分样本的容忍度,影响算法回归预测的准确性;L为对率损失函数;xi=(P1i,P2i,fi,P3i,Hi,i,Vi)T。2.
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