一种用于高空气象的E型温度传感器外文翻译资料

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毕业设计(设计)

英文文献翻译

Title:An E-type Temperature Sensor for Upper Air Meteorology

一种用于高空气象的E型温度传感器

Shangbang Han¹, Qingquan Liu^1,2,3,Xu Han¹, Wei Dai⁴, Jie Yang¹

1. School of Electronic and Information Engineering, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China;

2. Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Signal Processing, Nanjing 210044, China;

3. Jiangsu Collaborative Innovation Center on Atmospheric Environment and Equipment Technology, Nanjing 210044, China;

4. Key Laboratory of MEMS of Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China

摘要：本文提出了一种用于高空气象的E型高精度温度传感器。采用计算流体动力学（CFD）方法，分析了不同海拔和太阳辐射强度下太阳辐射引起的温升。利用Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno（BFGS）方法对CFD结果进行拟合，得到了温升修正方程。为了验证温度传感器的性能，搭建了实验平台。通过模拟和实验，得出了海拔高度、太阳辐射强度和辐射温升之间的关系。由修正方程导出的温升与实验得出的温升之间的均方根误差（RMSE）为0.013 K，太阳辐射误差修正方程的样品测定系数r2为0.9975。

关键词：高精度温度传感器，计算流体动力学，辐射温度

大气温度是气候变化预测、气候诊断和大气观测等科学研究中的一个基本参数。太阳辐射使安装在探空仪上的温度传感器的测量结果高于实际大气温度。由太阳辐射引起的这种类型的温度测量误差通常被称为气象观测领域中的太阳辐射误差。随着微电子技术的发展，高精度低噪声温度传感器的测量误差可以达到mk级，电子线路引起的误差比太阳辐射误差低1～2个数量级[1]。因此，太阳辐射引起的温升已成为影响高空气温测量精度的主要误差源。

为了降低辐射误差对温度观测精度的影响，研究人员对探空温度传感器的太阳辐射误差进行了多种研究[2-5]。Laroche和Sarrazin[6]对探空气球进行了研究，发现无线电探空仪所在的复杂气流环境可导致无线电探空仪的显著随机摆动，从而对温度传感器测量产生不可预测的影响。Schmidlin等人[7]提出了一种探测热敏电阻传感器的分析模型，其中热敏电阻的对流传热系数是通过经验公式估算的。由于温度传感器的复杂几何形状，传感器的分析方法被简化为无铅球体或椭圆体，产生显着的误差。Ruffieux和Joss[8]建立了探空仪温度传感器的辐射误差修正方程，验证了该方法的可行性。然而，由于传热方程是基于Schmidlin的固定传热效率[7]，因此很难获得准确的数值结果。Tschudin和Schroeder[9]提出了一种在理想实验室环境下工作的探测温度传感器的估算常数。然而，该模型可能不适用于使用无线电探空仪的复杂对流环境。棒状和珠状热敏电阻作为温度传感器元件广泛应用于无线电探空仪中。棒式热敏电阻[10]由于体积庞大已被淘汰。珠状热敏电阻由于其体积小、响应快等优点，近年来得到了广泛的应用。无线电探空仪中使用的珠状热敏电阻的尺寸通常约为1毫米。在高海拔地区，太阳辐射引起的温升可达1K[11]。

本文提出了一种采用直径为0.02mm、高反射率印刷电路板(PCB)的铂电阻丝E型高精度温度传感器。采用计算流体动力学(CFD)方法[12-14]分析多物理领域。采用Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno(BFGS)方法对仿真结果进行拟合，得到辐射温度修正方程，提高了探空温度传感器的精度。

1传感器及测量系统设计

• 1. E型温度传感器的设计

如图1所示，E型高精度温度传感器头尺寸为92mmtimes;8mm，厚度为0.6mm。它由一根直径为0.02毫米、长度为50毫米的99.99%高纯度铂丝、一块具有锡箔反射层的印刷电路板和引线组成。

图1 E型高精度温度传感器头

用于安装铂丝的PCB框架结构开口尺寸为50mmtimes;4mm。321/5000PCB结构起到保护和支撑导线框架的作用。空心结构保证铂丝完全暴露在周围环境中，不受冰雹、沙尘暴等恶劣环境的破坏。PCB表面的箔有助于反射太阳辐射。

1.2高精度测量采集系统设计

测量系统示意图如图2所示AD7794是一款24位Sigma;-Delta;模数转换器，内置低噪声放大器，用于高精度温度测量。ADR444具有1.2mu;V的噪声和3PPM /℃的温度系数，作为模拟器件的参考电压和电源应用于电路中。 四线测量方法可确保在铂电阻测量期间消除走线电阻[15]。参考电阻采用精度为plusmn;0.01%，温度系数为5ppm /℃的电阻。PCB的照片如图3所示。

图2 电路设计示意图

图3 PCB图

1.3传感器校准

传感器的校准使用ISOTECH水三相点、镓固定点、汞固定点和Fluke 1595A超级温度计进行。校准后，系统测量精度达到plusmn;0.02 K。校准后，系统测量精度达到plusmn;0.02K。采用全温范围精度plusmn;0.015%的Vaisala PTB330精密压力传感器对机载BMP280气压传感器进行校准，确保气压测量精度。

2流体动力学分析

2.1 CFD模型

本文采用ICEM CFD软件进行网格生成。采用自适应非结构化四面体网格划分技术生成四面体网格。为了提高求解精度和收敛性，对气域尺寸进行了优化。通过对不同气域尺寸的建模结果，得到传感器气域尺寸为500mmtimes;80mmtimes;20mm。网格图如图4所示。

图4 传感器与气域网格

当网格数设置为400万左右时，解的变化很小。因此，可以得出结论，400万个网格将实现建模结果与网格数量之间的不相关性。本文选择了压力求解器和定常流量计算方法。采用能量方程进行传热计算。湍流模型采用k-epsilon标准模型和压力与速度解耦的简单算法[13]。采用二阶迎风模型求解动量、能量和湍流参数。

2.2温度场建模

由于对流层高度不超过18 km，且大部分重要的天气现象都发生在对流层，因此本文重点研究0到20km高度范围内的传感器特性。

为了得到传感器的温度分布，当传感器位于海拔20km时，太阳仰角为30°，环境风速为6m/s，模型采用表1中的参数。采用外部复杂对流-太阳辐射耦合热边界条件。根据流固耦合传热建模结果，传感器温度分布如图5所示。

表1温度传感器材料性能

图5 温度分布仿真结果

从图5可以看出，E型高精度温度传感器在太阳辐射环境下的温度高于环境空气温度。仿真结果表明，铂丝的加热主要是由PCB板的传热引起，而不是由太阳能对铂丝本身的加热引起。

2.3太阳辐射强度和高度

模型中太阳辐射强度为200-1200W/m2，高度范围为0-20km，气流速度为6m/s，传感器倾角为30°。由太阳辐射引起的传感器的太阳辐射强度、海拔高度与温升的关系如图6所示。

图6 海拔高度、太阳辐射强度与辐射温升的关系

从图6可以看出，太阳辐射引起的温升随高度呈指数增长，这是因为海拔越高，传感器的散热越差。太阳辐射强度的增加也会导致太阳辐射误差的增加。当高度和太阳辐射强度分别为20km和1200W/m2时，辐射温升为0.57K。在同一海拔高度，当太阳辐射强度降低到200w /m2时，温升为0.09K。

2.4辐射温度校正

由于CFD模拟只能分析有限数量的离散参数模型，因此在任何高度和任何太阳辐射强度下的测量结果都需要进行校正。BFGS方法在求解无约束非线性优化问题方面具有良好的性能。因此,挠挠CFD建模结果和拟合的方法用于获取太阳能辐射Delta;T的温升之间的关系,海拔高度h和太阳辐射强度R如下:

其中p1 = 0.0013，p2 = - 0.0001，p3 = 2.8462，p4 = - 0.1259，p5 = 0.0063，p6 = - 0.0001，p7 = 1.3805，p8 = - 6.2254。拟合精度通常与样本确定系数r2有关，r2在0 到1之间。当r2接近1时，拟合误差很小。式(1)中的r2为0.9975。因此，当给定高度和太阳辐射强度时，式(1)可以准确地提供太阳辐射误差的修正。

3实验与讨论

3.1实验平台

为了验证修正式(1)的准确性，构建如图7所示的实验平台。该平台包括一个温度和低压测试室，一个高精度的温度和压力测量系统，以及一个无线数据传输系统。测试室内壁涂有一层黑色薄膜，可以有效降低反射辐射对温度传感器的干扰。平台示意图如图8所示。

图7 测量平台示意图

图8 测量平台照片

如图7所示，温度传感器PCB位于旋转电机上方。在支撑臂上安装E型高精度温度传感器元件和LED光源。为了模拟传感器在高空上升的对流换热环境，利用该平台旋转支撑臂并由电机驱动。平台控制系统根据簧片的测量结果调整支撑臂的转速。支撑臂转速稳定在6 m/s。

3.2太阳辐射强度对辐射加热的影响

辐射强度测量模块由辐射传感器和信号处理电路组成。通过改变辐射传感器到LED光源的距离Rs，测量辐射强度。采用BFGS方法拟合距离与辐射强度x的关系如下:

其中p1 = 84.444，p2 = minus;19.0105，p3 = 2.1077，p4 = minus;0.1278p5 = 0.00429，p6 = minus;7.4743times;10^minus;5，p7 = 5.2733times;10^minus;7。

式(2)中样本确定系数r2为0.9998，说明式(2)可以可靠地根据辐射强度提供辐射距离。利用式(2)可得到辐射强度为200w /m2、400w /m2、600w /m2、800w /m2、1000w /m2、1200w /m2的辐射距离。传感器在测试室内0-20km高度下的辐射温升如图9所示。

在低空区域，不同辐射强度引起的辐射误差之差仅为0.02K左右。在图9所示的各辐射强度下，辐射误差随海拔高度的增加而增大。当高度为20km时，200W/m2与1200W/m2之间的辐射误差差可达0.48K。

图9 高度与辐射误差的关系

3.3实验结果

将实验中获得的各种高度和太阳辐射强度数据集带入式(1)，得到模拟得到的太阳辐射误差。仿真和测量结果如表2所示。

表2温度误差修正与测量结果对比

注:h为海拔高度，Tc为修正值，Tm为实测值。

由表2可知，由式(1)得到的结果与E型高精度温度传感器的测量结果均方根误差(RMSE)为0.013 K，两者吻合良好。也可以推断，将高度和太阳辐射强度代入修正方程，可以得到高空温度测量的太阳辐射修正。

4结论

本文介绍了一种E型高精度温度传感器。采用CFD方法对E型温度传感器在不同高度和太阳辐射强度下进行了建模。采用BFGS方法对模拟结果进行拟合，得到了太阳辐射温升的修正方程。为了验证辐射温度修正方程的准确性和温度传感器的性能，搭建了实验平台对传感器进行了表征。根据仿真和实验结果，可以得出以下结论。

当高度增加时，E型温度传感器的辐射误差显著增大。太阳辐射的增加导致辐射误差的增加。太阳辐射强度的增大引起的太阳辐射误差随海拔高度的增大而增大。

辐射误差修正方程的结果与E型温度传感器的实验结果之间的误差误差约为0.013 K。太阳辐射误差修正方程的样本确定系数r2为0.9975。该传感器在高空观测和全球变暖监测中具有潜在的应用前景。

参考文献

[1] Brocard E, Jeannet P, Ruffieux D, et al. Solar and thermal radiation errors on upper-air radiosonde temperature measurements. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 2013, 30: 2382-2393.

[2] Yang Jie, Liu Qingquan, Dai Wei, et al. Fluid dynami

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