CN102869979B - 便携式分光光度计以及太阳能集热管的表征方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种便携式分光光度计以及用于同步现场表征反射和透射系数的太阳能集热管的表征方法。该设备包括用于进行前述测量的所有必要组件，例如用于测量内管（1’）的反射系数（R）的模块、用于测量外管（1”）的透射系数（T）的模块、电子的数据采集和处理系统（12）、用于控制设备和输出测量数据（17）的外部计算机（13）以及允许设备和计算机（13）之间进行通讯的系统（15）。
Description
技术领域
本发明属于光学测量设备或测量仪器的技术领域。
更具体的讲，本发明涉及便携式设备，该便携式设备用于现场（in-field）光谱表征用于获得太阳能热量的集热器中所使用的管子的反射和透射系数。该设备包括用于进行测量的所有必要组件，这种测量包括对数据进行处理并通过无线发送到电脑中进行存储。
背景技术
无论是从在家用水平的热水的加热或者制冷生产的观点出发，还是从太阳能热发电厂的电力生产上来讲，在光热领域中的太阳能收集在技术和经济层面上都具有越来越高的重要性。
这些系统要求获得最大限度的太阳能吸收，并且尽可能的得到最小的热能损失。为此，在真空管或者类似结构中完成相关配置以减少热传导和对流带来的损耗，并拥有强大的太阳能的吸收涂层，而且具有发射率低的特征，能够减少在远红外光区热辐射中的能量损失。
因此，无论是在家用方面还是在电能生产中，选择合适的吸收涂层都起到了至关重要的作用，且其正常的运作在很大程度上取决于这一类型系统的性能。一个恰当的表征所述涂层的光学特征的方法在这个领域具有非常重要的意义。就电能生产设备来说，由于具有大量的要表征的吸收管，故能快速容易地进行测量也是很便捷的。
鉴于这种类型管子的光学特征（最大的能量吸收和最小的能量损失），通常在不利的环境条件下，由于从逻辑上讲环境光线总是高强度的，设备必须能够准确的测量反射和透射系数的极端值（接近0或1）。
由于这些反射和透射系数强烈依赖于所使用的光线的波长，对这些系数本身的光谱进行表征是必不可少的。完成这一类型测量的设备被称作是分光光度计。
在一个典型的分光光度计中使用的是宽谱光源和可变滤波器元件，就像是一个跟随狭缝移动的衍射网格，允许顺序地选择不同的波长。这一选择允许以几乎持续的方式改变波长，但是由于所获得的输入光的功率非常低，反而结果是在低动态测量范围内产生一个更为复杂和精微的系统。
专利US 4687329描述的是一个使用宽谱光源的设备，在这种情况下，紫外线以及多个在固定位置上的过滤器，能够完成在一定数量的离散点上的光谱测量。
分光光度计也有其历史背景，其中具有不同波长的光源的集合被用作光源。在专利US 2008/0144004中，几个发光二极管(LED)被同时使用来完成血液中不同分析物检测的透射测量。但是，并未进行真正的光谱测量，而是在一些不同的波长上的几个同时的测量。另外，该专利不存在应对环境光线的保护，也不存在进行反射或参考测量的可能性。
类似的情况发生在发明专利US 4286327中，在该专利中可以以不同波长（在远红外光区中）进行连续的测量，但是在这一情况中所使用的LED是相同的，光谱选择是通过具有不同中心波长的固定滤波器完成的。这里既不存在任何应对环境光线的信号恢复机制，也不存在进行反射或参考测量的可能性。
上述任何设备或其他类似设备无论是范围，灵敏度和/或机械结构都不满足太阳能集热器的吸收管的现场测量的需求。
发明内容
本发明考虑到上面列出的问题的具体特点，所作出的设计满足便携性、测量速度、足够的灵敏度以及动态范围的要求。
为了得到一个简单而强大的系统，将通过覆盖波长范围的发光二极管(LED)来实现玻璃照明，在此波长范围内想要获得其特征。这使得需要廉价且具有高耐用性和高稳定性的光源。存在很多波长范围在300到2500nm（从紫外线到近红外线）之间的商业性的LED，这使得针对每个问题的具体特点通过简单地选择所需LED的数量，能够使用所需的分辨率进行光谱测量。根据太阳热能生产设备的光谱表征的一般需求，拥有大约十二个测量波长就足够了。
为了实现足够快速测量的目的，除了完成允许对光源射出的光强度的瞬时值作出独立测量的参考测量之外，设备应同时进行每个玻璃管的透射和反射系数的测量。除了设备的机械结构之外，要求针对每个被表征的波长安装四个光检测器和两个LED发射器，该设备允许进行这四项测量，而不需要作任何类型的位置调整。
为了获得高灵敏度的测量，从而能够非常准确地获得反射和透射系数的数值，这一数值非常小或者非常接近1，这需要采集系统具备足够大的信噪比。由于背景光信号主要来自环境太阳光，也就是说，它是一种高强度的信号，为了实现达到高信噪比，对所述信号进行一些类型的处理是必不可少的。在这种情况下最为合适的是通过应用一些去除算法进行数字信号处理，例如同步或锁定检测。为了进行这样的处理，将要被测量的信号很容易地从噪声背景区分出来是必要的，通常是通过应用某类型的调制来实现。
这种设备的另一个必不可少的特点是以容易且灵活的方式将数据发送至个人电脑的可能性，其中以被认为是最为合适的方式处理和存储数据。在使用本发明的情况下，可以通过使用常规网络协议的无线通信解决这个问题，这就为系统提供了额外的灵活性。
测量设备的总体结构框架如下：
-数个可以覆盖波长范围的发光二极管或者LED，在此波长范围内吸收管想要被表征，在一个优选实施例中，将对每一个波长使用一对LED。
-对每对LED使用四个光检测器，可以获取每个波长的反射、透射和参考信号。
-数字电路，实现对感兴趣信号的采集功能以及模拟和数字之间的转换功能。
-数字处理卡，用于从可能存在光学和电学噪声的环境背景中提取信号。如果有必要，此卡也负责将所选择的调制应用于LED光源中。
-与任何具有适当测量软件的个人电脑相连的无线通讯系统。
-中央处理单元，通过选择与时时使用的信道相对应的电子组件以及控制内部与外部通信来控制系统的整体运行。
-为系统的电子和光学组件提供适当绝缘的外壳，使得易于运输，能够以简单和可重复的方式连接到被测量的管子上。
-安装到与设备一起使用的电脑上的软件，需要完成与设备之间的通讯连接以及对所获取信息的进一步处理。
本发明提出的一大优点和进步就在于系统能够在具有环境光线和现场条件下进行测量，而不需要黑暗或者有保护等特定条件。
相对于已知的现有技术，另一项重要的进步在于，本发明的系统能够同时进行透射和反射测量，而不需要在其中做任何的调整。
附图说明
为了有助于更好的理解本发明的特点，提供了附在说明书之后的一系列图表，这些图表仅为示例，并不作限制，说明如下：
图1示出了与测量波长相对应的光学系统的示意图，其中包括用于反射和透射的发射器、四个相关的检测器以及关于被测量管的空间排布。
图2示出了机械外壳，其中包括系统的光电组件以及它们相对表征管的调整。
图3示出了推荐实施例的完整示意图，包括光学系统和电子组件，以及数字信号处理（DSP）卡，该卡能够实现调制、控制和同步检测的功能。
图4示出了抛物柱面集热器的吸收管的测量的具体实例。
所使用的附图标记如下：
(1)表征管 (1’)内管 (1”)外管
(2)包含用于反射测量的发射器和检测器的部件
(3)包含用于透射测量的检测器的部件
(4)用于透射测量的LED光束发射器
(5)用于反射测量的LED光束发射器
(6)透射检测器
(7)反射检测器
(8)透射参考检测器
(9)反射参考检测器
(10)部分反射薄片
(11)部分反射薄片
(12)数据的采集和处理系统
(13)电脑
(14)数字信号处理（DSP）卡
(15)无线路由器
(16)指令
(17)数据
(18)LED调制信号
(19)由数字输出的控制信号
(20)被测量的模拟电信号
(21)放大器
具体实施方式
光学系统是所提出的设备的关键部分，这是因为应尽可能的使在透射和反射中的管的测量同步进行，并满足精确度和舒适性的要求。为了达到这一目标，提出了根据图1所示的排布的一个优选实施例，其中，通过一分光镜获得来自每个发射器的参考信号。
抛物柱面集热器的管子（1）一般是由两个同轴的管（1’,1”）组成，也如图1所示。内管（1’）必须具有在太阳光谱中（高吸收率）非常低的反射系数，以及在热红外光谱区（低发射率）的高的反射系数，从而使热吸收可以尽可能高。另一方面，外管（1”）必须尽可能的让更多的光通过，这就相当于透射系数接近于1。
在来自LED光束透射发射器（4）的光束两次穿过外管（1”）之后，可以获得对透射的测量。从透射得来的与之相对应的测量是通过透射检测器（6）完成的。
在反射的情况下，在由LED反射发射器（5）产生的光束两次穿过外管（1”）并在内管（1’）上反射之后，从反射检测器（7）中完成的测量中获得反射系数。为了获得该内管（1’）的反射，需要扣除之前获得的外管（1”）的透射测量。
系统通过利用检测器（8，9）从测量由部分反射薄片（10，11）获得的由所述二极管LED发射的光线的一部分，得到参考信号，该参考信号用于LED发射功率的透射（RT）或者反射（RR）。
从图2可以看出，本实施例的外面包括用于保护组件的外壳，还允许将光学系统重复固定在要被表征的管上（1）。其中也可区分反射测量的发射器和检测器的容纳部件（2）和透射测量的检测器的容纳部件（3）。在设备的另一侧是透射测量的发射器和透射参考测量的检测器。支撑部件被设计以便能容易且快速地放置该设备，并且通过简单地将下半部从上半部分离就能将设备从管子中移出。设备的重量使得通过重力就能简单地完成准直，并始终使用相同的接触点，使得测量能够在受控条件下进行。
图3示出了完整的示意图，包括数据采集和处理系统（12），该数据采集和处理系统不仅用于透射模块（T），还用于反射模块（R）。为了确保测量在不受环境光线的影响下进行，数据采集和处理系统包括来自发射器（4,5）的信号，通过LED（它们中的每一个都在不同的频率上）的供电电流的正弦变化对该信号进行调制。这种调制允许提取来自检测器（6,7）的感兴趣的信号，还允许过滤掉除了那些在每种情况下都希望被使用的对应于LED的频率分量以外的所有频率分量。这种过滤是通过在数字信号处理（DSP）卡（14）上进行同步放大算法（锁定）的编程来完成。那个相同的卡产生便于实行过滤的LED调制信号（18）。数据采集和处理系统也负责采集和数字转换来自光检测器（6,7）的被测量的模拟电信号（20）以及输送给发射器板块（4,5）和检测器（6,7）的经数字输出的控制信号（19）。
在优选实施例中，选择了12个LED，它们的波长分别为405,470,525,588,650,780,870,1050,1300,1550,1700和2300nm，这些波长覆盖了光谱的感兴趣范围。
此外，紧接着光检测器（6,7）的是两个放大级（21），其增益取决于其中的电阻值。这些电阻的其中一个可以是数字电位计值，其数值可通过软件进行控制，这就允许通过利用DSP卡（14）的输出在任何时候都能调整每个通道的增益。
该系统通过无线网络与外部的常规计算机（13）通信。该网络是利用无线路由器（15）或任何与该设备相连接的等效系统创建。安装在外部计算机（13）上的程序允许使用编程在卡（14）上的命令（16），用于实行测量过程中需要的所有功能，其中包括读取所获得的数据（17），用于其后续的处理和存储。图4示出了抛物柱面集热器的吸收管的具体例子。
设备的操作方法包含用于获得管子的反射和透射系数的如下步骤：
1.放置设备，使其稳固地支撑在管子上。
2.依次打开和关闭设备的不同的发射器（4,5），同时测量由对应的检测器（6,7）接收的信号。
3.将从发射检测器（7）和透射检测器（6）中获得的数据用它们各自的参考测量进行标准化，从而消除由发射器引起的强度变化的影响。
4.随后，通过将已获得的标准化的透射值与测量已知模式获得的值相关联，获得外管（1”）的透射系数。
5.为了获得内管（1’）的反射系数，需要通过除以之前计算的透射系数的平方，消除两次穿过外管（1”）的影响（需做必要的角度修正）。系数的最终值同样是通过参考已知模式获得。
6.在事先校准之后，将与模式相对应的数值存储到设备中，这就需要使用已知晓其反射系数（透射是以空气单位值（air unity value）进行校准）的管子。此校准是在此相同过程的前三个步骤之后进行的。
本发明主要是应用于太阳能热发电厂中抛物柱面集热器的吸收管的光学特征的就地控制设备，但不排除扩展到其他需要具有相似特征的测量设备的工业领域。
Claims (10)
1.用于表征太阳能集热管(1)的便携式分光光度计，该太阳能集热管由内管(1’)和外管(1”)组成，其特征在于，包括：
-用于测量内管(1’)的反射系数的模块(R)；
-用于测量外管(1”)的透射系数的模块(T)；
-电子的数据采集和处理系统(12)；
-用于控制设备和发送测量数据(17)的外部计算机(13)；
-位于设备和计算机(13)之间的通讯系统，其中，每一个模块都包括作为光源的发光二极管(4，5)和一组对适当的波长很敏感的光检测器(6，7)，其它检测器(8，9)被放置在发射器之后，通过这种方式对于透射(RT)或反射(RR)获得发射功率的参考信号。
2.根据权利要求1所述的便携式分光光度计，其特征在于，安装的发光二极管的数量以及进行扫描的波长凭借表征每个吸收管所需的分辨率和范围来选择。
3.根据权利要求2所述的便携式分光光度计，其特征在于，发光二极管的数量是6-24个，对应的太阳光谱的光谱范围是300-2500nm之间。
4.根据权利要求1所述的便携式分光光度计，其特征在于，针对每一个被测量的波长都是使用两个发射器，并且同时分别获得内管和外管的反射系数和透射系数。
5.根据权利要求1所述的便携式分光光度计，其特征在于，数据采集系统包括针对每个光检测器的两个放大级。
6.根据权利要求5所述的便携式分光光度计，其特征在于，两个放大级中至少一个通过软件命令改变其增益。
7.根据权利要求1所述的便携式分光光度计，其特征在于，包括带有锁定型信号处理系统的DSP类型卡。
8.根据权利要求7所述的便携式分光光度计，其特征在于，信号的锁定处理以及为了调制作为光源的LED所进行的信号处理，都利用该相同的DSP类型卡来实现。
9.根据权利要求1所述的便携式分光光度计，其特征在于，具有保护光电组件和使系统便捷的外壳，允许其快速且轻易地连接到想要测量的柱形管上。
10.利用前述任一项权利要求所述的便携式分光光度计的太阳能集热管的表征方法，其特征在于，管子的反射和透射系数的测量包括如下步骤：
(1)放置设备，使设备稳固地支撑在管子上；
(2)依次打开和关闭设备的不同的发射器，同时测量由对应的检测器接收的信号；
(3)将从反射检测器和透射检测器中获得的数据用它们各自的参考测量进行标准化，从而消除由发射器引起的强度变化的影响；
(4)随后，通过将已获得的标准化的透射值与测量已知模式获得的值相关联，获得外管的透射系数；
(5)为了获得内管的反射系数，需要通过除以之前计算的透射系数的平方，消除两次穿过外管(1”)的影响，需做必要的角度修正；系数的最终值同样是通过参考已知模式获得；
(6)在事先校准之后，将与模式相对应的数值存储到设备中，这就需要使用已知晓其反射系数的管子，透射是以空气单位值进行校准；此校准是在此相同过程的前三个步骤之后进行的。
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