CN102879107B - 热红外下行辐射测定装置及其测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明为环境热红外辐射照度测定装置及其测定方法，该测定装置包括亚光镀金盖板、热电偶放置槽、热电偶传感器、容水器、热电偶测温仪主机及热红外辐射计；热电偶放置槽在亚光镀金盖板下表面铣出，其开口向下，热电偶传感器设置在热电偶放置槽中；亚光镀金盖板设置在容水器顶部，热电偶放置槽的顶端高度低于水容器上沿；热电偶传感器与热电偶测温仪电连接；该测定方法是运用热电偶采集并计算亚光镀金盖板上表面黑体辐射，运用红外辐射计测定亚光镀金盖板的出射辐射度，并通过转换公式得到天空热红外下行辐射或环境热红外辐射照度；本发明是直接测量天空半球积分下行辐射的唯一装置，本发明极大提升了裸亚光镀金盖板外表面温度测量的精确度。

Description

热红外下行辐射测定装置及其测定方法

技术领域

本发明属于定量红外遥感检测领域，具体涉及一种热红外下行辐射测定装置及其测定方法。

背景技术

热红外下行辐射分为以下两种，

1）天空热红外下行辐射；

测定装置设置在在无遮蔽环境中，测定装置周围没有高大的楼房和树木等遮蔽物，这种环境下测得的热辐射称为天空热红外下行辐射。

2）环境辐射照度；

测定装置设置在郁闭环境中，即测定装置与天空之间存在遮蔽物，此时测得的热辐射称为环境辐射照度，它包括天空的热红外下行辐射，还有周围郁闭物体的下行辐射。

目前，热红外下行辐射的测定方法包括如下几种：

1）以裸亚光镀金盖板进行测定，然后用热电偶温度计在裸亚光镀金盖板表面测定表面温度，再扣除镀金版的自身发射值。

该方法的缺点是表面温度测量精度较低。

2）用红外测温仪对天空不同角度测定值得积分或对37度天顶角进行测定。

该方法的缺点是当天空有云或有高大建筑或树木遮蔽天空时，将引起很大的测量误差。

3）运用地面气象台站的空气温度和空气湿度的经验公式进行推算。

该方法是一种反演方法，不是直接测量，是在缺乏观测数据时所采用的方法，测量精度较低。

发明内容

本发明为了解决现有技术中采用裸亚光镀金盖板直接进行温度测量的方法精度较低的问题，提供了一种热红外下行辐射测定装置及其测定方法。

测定装置的设计思路如下：

热红外下行辐射测定装置,其包括容水器5，亚光镀金盖板1、热电偶放置槽2、热电偶传感器4、热电偶测温仪主机11以及热红外辐射计；所述热电偶传感器4通过导线与所述热电偶测温仪主机11相连接，

所述容水器5为一个顶部敞开的盒状结构，所述亚光镀金盖板1设置在所述容水器5上表面，作为所述容水器5的盖板；

所述热电偶放置槽2设置在所述亚光镀金盖板1下表面，所述热电偶传感器4固定设置在所述热电偶放置槽2内；

为了达到更好的测量效果，热电偶传感器4设置在热电偶放置槽2的槽面顶端。

所述热电偶传感器4输出的电信号通过导线传输至所述热电偶测温仪主机11；

所述热红外辐射计对准所述亚光镀金盖板1上表面，且所述热红外辐射计与所述亚光镀金盖板1的夹角为30～45度。

在测量过程中，

与热电偶传感器4紧密接触的镀金压板3完全浸泡在具有大热容量的水里，使得镀金压板3的温度不随大气湍流影响而波动，提高了测量亚光镀金钣1出射辐射的精度。

所述亚光镀金盖板1的形状为四边形；

所述热电偶放置槽2的数量为2个，2个所述热电偶放置槽2在所述亚光镀金盖板1下表面的分布方式为平行分布，或十字交叉分布；

所述热电偶传感器4的数量可以设计为3～6个。

在具体实施中，所述亚光镀金盖板1的形状为正方形；

所述热电偶传感器4的数量为4个，每个所述热电偶放置槽2上均设置有2个所述热电偶传感器4；

4个所述热电偶传感器4分别设置在与所述亚光镀金盖板1的中心等距离位置处，且相邻2个所述热电偶传感器4之间的距离为所述亚光镀金盖板1边长的1/3。

各所述热电偶放置槽2的形状均相同，且所述热电偶放置槽2的深度小于或等于所述亚光镀金盖板1厚度的1/2；

所述热电偶传感器4设置在所述热电偶放置槽2内，且贴紧所述亚光镀金盖板1的下表面。

所述测定装置包括压片3；所述压片3的形状与所述热电偶放置槽2的槽型相匹配，所述压片3设置在所述热电偶放置槽2的槽面上，并与所述热电偶放置槽2紧密配合连接；

为了确保热电偶传感器4测得的温度与亚光镀金盖板盖1的上表面温度一致，压片3紧顶住热电偶传感器4，并将所述热电偶传感器4固定在所述热电偶放置槽2底面上。即是使热电偶传感器4的灵敏点紧压在热电偶放置槽2的槽面上，由于亚光镀金盖板1下表面浸泡在容水器5里，且热电偶放置槽2的槽面与亚光镀金盖板1的上表面的间距很小，加上大热容量水的浸泡，能够保持亚光镀金盖板1上表面与热电偶放置槽2的槽面温度相等。

在具体实施中，使热电偶传感器4紧密接触热电偶放置槽2底面，可以迅速测出热电偶放置槽2的底面温度，由于大热容量的水，也就迅速测出亚光镀金盖板1的下表面温度。

所述测定装置包括溢水存放槽10以及水平仪8；

所述溢水存放槽10包围设置在所述容水器5外侧。

所述水平仪8与所述亚光镀金盖板1处于同一水平面上，以保持镀金亚光钣1的上表面水平，提高测量大气下行辐射的精度。

所述测定装置包括空心转动轴6以及导线集合转向管7；

所述空心转动轴6与所述亚光镀金盖板1相连接，所述亚光镀金盖板1以所述空心转动轴6为轴心转动；

所述热电偶传感器4上分别引出正极导线和负极导线，所述正极导线、负极导线通过所述空心转动轴6以及导线集合转向管7与热电偶测温仪主机11相连接。

所述测定装置包括防溢水漏斗9；

所述防溢水漏斗9与所述溢水存放槽10顶端相连通，所述防溢水漏斗9底部设有排水孔。

所述热电偶测温仪主机11包括显示屏12、量程转换按钮13、正负极接线孔14以及电源开关；

所述显示屏12、量程转换按钮13分别与所述电源开关相连接，所述热电偶传感器4的正极导线、负极导线分别与所述正负极接线孔14相连接；

在具体实施中，为了便于设备的携带，本测定装置还包括机座15，亚光镀金盖板1、容水器5、防溢水漏斗9、溢水存放槽10以及所述热电偶测温仪主机11分别嵌入设置在所述机座15中，整个测定装置为一体结构；所述机座15下表面设有4个调平螺丝脚。

利用热红外下行辐射测定装置实现的测定方法，利用所述热电偶测温仪主机11采集所述热电偶传感器4的热信号，将热信号通过热电信号转换和处理后，得到所述亚光镀金盖板1上表面的黑体辐射B；

采用热红外辐射计测得所述亚光镀金盖板1的辐射温度M，根据公式计算出天空下行辐射E或环境辐射照度E；

所述测定方法的步骤为，

步骤1，测定环境设定步骤，

将所述测定装置安装在无遮蔽环境或郁闭环境中；

若安装在无遮蔽环境中，测得的是天空热红外下行辐射；

若安装在郁闭环境中，测得的是天空以及郁闭环境的下行辐射，即环境辐射照度；

步骤2，设置装置步骤，

将所述热电偶传感器4正、负极导线插入所述热电偶测温仪主机11的正负极接线孔14；调节所述调平螺丝脚，使所述水平仪8指向水平位置；

将所述热红外辐射计安装在三脚架上，并对准所述亚光镀金盖板1；

步骤3，注水步骤，

转动所述空心转动轴6以打开所述容水器5顶部的亚光镀金盖板1，并向容水器5中注水，直至所述容水器5中的水满溢并充满所述溢水存放槽10为止；将所述亚光镀金盖板1盖封住所述容水器5，使所述热电偶传感器4的压片3完全浸泡在水中；

注入水的温度与所述步骤1中测得的现场环境温度相等或相近；

浸泡所述热电偶传感器10～20分钟，使所述热电偶传感器4的温度与所述亚光镀金盖板1的上表面温度均与水温相等；

步骤4，测量步骤，

测量所述亚光镀金盖板1上表面的温度值；

测量过程为，启动所述热电偶测温仪主机11，所述热电偶传感器4采集到所述亚光镀金盖板1下表面温度后，在所述显示屏12上输出所述亚光镀金盖板1下表面的黑体温度值，从而得到与所述亚光镀金盖板1下表面温度相等的上表面温度，即得到所述亚光镀金盖板1上表面的黑体辐射B；

步骤5，分析计算步骤，

计算天空下行辐射E或环境辐射照度E；

计算过程为，开启所述热红外辐射计，测得所述亚光镀金盖板1的出射辐射度M，并通过公式1计算出天空下行辐射E或环境辐射照度E；

$E=\frac{M-\mathrm{\ϵB}}{1-\mathrm{\ϵ}}---\left(1\right);$

其中，ε为测得的所述亚光镀金盖板1的发射率；M为测得的所述亚光镀金盖板1的出射辐射度；B为测得的所述亚光镀金盖板1上表面的黑体辐射。

本发明是直接测量天空半球积分下行辐射的唯一装置，也是目前天空半球积分下行辐射的计算模型和地对空多角度测量方法的验证装置，本装置极大提升了裸亚光镀金盖板外表面温度测量的精确度。

附图说明

图1为本发明的环境热红外辐射照度测定装置的俯视图；

图2为亚光镀金盖板与容水器的组合结构示意图；

图3为实施例1的亚光镀金盖板下表面结构示意图；

图4为实施例2的亚光镀金盖板下表面结构示意图；

图5为实施例3的亚光镀金盖板下表面结构示意图；

附图编号说明：

1-亚光镀金盖板；2-热电偶放置槽；3-压片；4-热电偶传感器；

5-容水器；6-空心转动轴；7-导线集合转向管；8-水平仪；

9-防溢水漏斗；10-溢水存放槽；11-热电偶测温仪主机；

12-显示屏；13-量程转换按钮；14-正负极接线孔；15-机座。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明，本发明的保护范围不局限于下述的具体实施方式。

具体实施方式

如图1、图2所示，热红外下行辐射测定装置，包括亚光镀金盖板1、热电偶放置槽2、压片3、热电偶传感器4、容水器5、空心转动轴6、导线集合转向管7、水平仪8、防溢水漏斗9、溢水存放槽10、热电偶测温仪主机11、热红外辐射计以及机座15。

其中，亚光镀金盖板1、容水器5、水平仪8、防溢水漏斗9、溢水存放槽10以及热电偶测温仪主机11分别嵌入设置在机座15中，形成一体结构。

机座15的下表面设有4个调平螺丝脚。

亚光镀金盖板1的形状为正方形，其材料为紫铜，厚度为4mm，尺寸为150×150mm。

亚光镀金盖板1一端与空心转动轴6相连接，并以空心转动轴6为轴心向上转动。

容水器5为一个顶部敞开的盒状结构，其长、宽、高尺寸分别为150mm×150mm×30mm。亚光镀金盖板1设置在容水器5顶部，并作为容水器5的盖板。

热电偶放置槽2的数量为2个，其在亚光镀金盖板1下表面铣出。

2个热电偶放置槽2在亚光镀金盖板1下表面的分布方式为平行分布或十字交叉分布。

2个热电偶放置槽2的长、宽、高尺寸均为100mm×5mm×2mm。

热电偶传感器4的数量为4个，每个热电偶放置槽2上均设置有2个热电偶传感器4。

4个所述热电偶传感器4分别设置在与所述亚光镀金盖板1的中心等距离位置处，且相邻2个所述热电偶传感器4之间的距离为所述亚光镀金盖板1边长的1/3，4个热电偶传感器4围成一个正方形。

4个热电偶传感器4共引出4根正极导线和4根负极导线，4根正极导线为鏮铜线，4根负极导线为锰铜线。

其中4根鏮铜线通过空心转动轴6和导线集合转向管7连接至热电偶测温仪主机11的正极接孔，4根锰铜线通过空心转动轴6和导线集合转向管7连接至热电偶测温仪主机11的负极接孔。

压片3的轮廓与热电偶放置槽2相匹配，压片3设置在热电偶放置槽2的槽面上，压片3通过一组螺丝固定在热电偶放置槽2中，且压片3紧顶住热电偶传感器4，并将热电偶传感器4固定在热电偶放置槽2底面上。

压片3为镀金材质。

水平仪8与亚光镀金盖板1处于同一水平面上。

溢水存放槽10包围设置在容水器5外侧；防溢水漏斗9与溢水存放槽10顶端相连通，防溢水漏斗9底部与排水孔相连接。

热红外辐射计对准亚光镀金盖板1，且热红外辐射计与亚光镀金盖板1的夹角为45度。

实施例1

如图3所示，2个热电偶放置槽2水平间隔分布，且2个热电偶放置槽2的一端分别设置在亚光镀金盖板1的同一条边的两个三等分点处，热电偶放置槽2的长度为亚光镀金盖板1边长的2/3；

每个热电偶放置槽2上设置有2个热电偶传感器4，2个热电偶传感器4分别设置在热电偶放置槽2的中间和端点处。

实施例2

如图4所示，2个热电偶放置槽2水平错位间隔分布，且2个热电偶放置槽2的一端分别设置在亚光镀金盖板1上任意一对平行边的三等分点处，热电偶放置槽2的长度为亚光镀金盖板1边长的2/3。

每个热电偶放置槽2上设置有2个热电偶传感器4，2个热电偶传感器4分别设置在热电偶放置槽2的中间和端点处。

实施例3

如图5所示，2个热电偶放置槽2呈十字交叉分布，且2个热电偶放置槽2的端点分别设置在亚光镀金盖板1的三等分线的交点处。

每个热电偶放置槽2上设置有2个热电偶传感器4，2个热电偶传感器4分别设置在热电偶放置槽2的两个端点处。

利用热红外下行辐射测定装置实现的测定方法，其操作步骤为，

步骤1，

将测定装置安装在无遮蔽环境中。

将4个热电偶传感器4的4根正极导线并联成一个正极端、4个负极导线并联成一个负极端，再分别插入热电偶测温仪主机11的正极接线孔和负极接线孔中；调节调平螺丝脚，使水平仪8指向水平位置。

将热红外辐射计安装在三脚架上，并以45度倾角对准亚光镀金盖板1。

步骤2，

转动空心转动轴6打开容水器5顶部的亚光镀金盖板1，并向容水器5中注水，直至容水器5中的水满溢并充满溢水存放槽10为止；关闭亚光镀金盖板1，使4个热电偶传感器4完全浸泡在水中；

注入水的温度与步骤1中测得的现场环境温度相等或相近。

步骤3，

浸泡热电偶传感器15分钟，使热电偶传感器4的温度与亚光镀金盖板1的上表面温度相等。

步骤4，

启动热电偶测温仪主机11，热电偶传感器4采集到亚光镀金盖板1下表面温度后，在显示屏12上输出亚光镀金盖板1下表面的温度值，从而得到与亚光镀金盖板1下表面温度相等的上表面温度值，即可算出亚光镀金盖板1的上表面黑体辐射B。

步骤5，

开启热红外辐射计，测得亚光镀金盖板1的出射辐射度M，并通过公式（1）计算出天空下行辐射E；

$E=\frac{M-\mathrm{\ϵB}}{1-\mathrm{\ϵ}}---\left(1\right);$

其中，ε为测得的亚光镀金盖板1的发射率，也称比辐射率；M为测得的亚光镀金盖板1的出射辐射度；B为计算得到的亚光镀金盖板1上表面的黑体辐射。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的结构，因此前面描述的方式只是优选地，而并不具有限制性的意义。

Claims (10)

1.热红外下行辐射测定装置，其特征在于：

所述装置包括容水器(5)，亚光镀金盖板(1)、热电偶放置槽(2)、热电偶传感器(4)、热电偶测温仪主机(11)以及热红外辐射计；所述热电偶传感器(4)通过导线与所述热电偶测温仪主机(11)相连接；

所述容水器(5)为一个顶部敞开的盒状结构，所述亚光镀金盖板(1)设置在所述容水器(5)上表面，作为所述容水器(5)的盖板；

所述热电偶放置槽(2)设置在所述亚光镀金盖板(1)下表面，所述热电偶传感器(4)固定设置在所述热电偶放置槽(2)内；

所述热电偶传感器(4)输出的电信号通过导线传输至所述热电偶测温仪主机(11)；

所述热红外辐射计对准所述亚光镀金盖板(1)上表面，且所述热红外辐射计与所述亚光镀金盖板(1)的夹角为30～45度。

2.根据权利要求1所述的热红外下行辐射测定装置，其特征在于：

所述亚光镀金盖板(1)的形状为四边形；

所述热电偶放置槽(2)的数量为2个，2个所述热电偶放置槽(2)在所述亚光镀金盖板(1)下表面的分布方式为平行分布，或十字交叉分布；

所述热电偶传感器(4)的数量为3～6个。

3.根据权利要求2所述的热红外下行辐射测定装置，其特征在于：

所述亚光镀金盖板(1)的形状为正方形；

所述热电偶传感器(4)的数量为4个，每个所述热电偶放置槽(2)上均设置有2个所述热电偶传感器(4)；

4个所述热电偶传感器(4)分别设置在与所述亚光镀金盖板(1)的中心等距离位置处，且相邻2个所述热电偶传感器(4)之间的距离为所述亚光镀金盖板(1)边长的1/3。

4.根据权利要求1、2、3之一所述的热红外下行辐射测定装置，其特征在于：

各所述热电偶放置槽(2)的形状均相同，且所述热电偶放置槽(2)的深度小于或等于所述亚光镀金盖板(1)厚度的1/2；

所述热电偶传感器(4)设置在所述热电偶放置槽(2)内，且贴紧所述亚光镀金盖板(1)的下表面。

5.根据权利要求4所述的热红外下行辐射测定装置，其特征在于：

所述测定装置包括压片(3)；所述压片(3)的形状与所述热电偶放置槽(2)的槽型相匹配，所述压片(3)设置在所述热电偶放置槽(2)的槽面上，并与所述热电偶放置槽(2)紧密配合连接；

所述压片(3)紧顶住所述热电偶传感器(4)，并将所述热电偶传感器(4)固定在所述热电偶放置槽(2)底面上。

6.根据权利要求1所述的热红外下行辐射测定装置，其特征在于：

所述测定装置包括溢水存放槽(10)以及水平仪(8)；

所述溢水存放槽(10)包围设置在所述容水器(5)外侧；

所述水平仪(8)与所述亚光镀金盖板(1)处于同一水平面上。

7.根据权利要求6所述的热红外下行辐射测定装置，其特征在于：

所述测定装置包括空心转动轴(6)以及导线集合转向管(7)；

所述空心转动轴(6)与所述亚光镀金盖板(1)相连接，所述亚光镀金盖板(1)以所述空心转动轴(6)为轴心转动；

所述热电偶传感器(4)上分别引出正极导线和负极导线，所述正极导线、负极导线通过所述空心转动轴(6)以及导线集合转向管(7)与热电偶测温仪主机(11)相连接。

8.根据权利要求6所述的热红外下行辐射测定装置，其特征在于：

所述测定装置包括防溢水漏斗(9)；

所述防溢水漏斗(9)与所述溢水存放槽(10)顶端相连通，所述防溢水漏斗(9)底部设有排水孔。

9.根据权利要求8所述的热红外下行辐射测定装置，其特征在于：

所述热电偶测温仪主机(11)包括显示屏(12)、量程转换按钮(13)、正负极接线孔(14)以及电源开关；

所述显示屏(12)、量程转换按钮(13)分别与所述电源开关相连接，所述热电偶传感器(4)的正极导线、负极导线分别与所述正负极接线孔(14)相连接；

本测定装置还包括机座(15)，亚光镀金盖板(1)、容水器(5)、防溢水漏斗(9)、溢水存放槽(10)以及所述热电偶测温仪主机(11)分别嵌入设置在所述机座(15)中，整个测定装置为一体结构；所述机座(15)下表面设有4个调平螺丝脚。

10.利用权利要求1～9之一所述的热红外下行辐射测定装置实现的测定方法，利用所述热电偶测温仪主机(11)采集所述热电偶传感器(4)的热信号，将热信号通过热电信号转换和处理后，得到所述亚光镀金盖板(1)上表面的黑体辐射B；

采用热红外辐射计测得所述亚光镀金盖板(1)的出射辐射度M，根据公式计算出天空下行辐射E或环境辐射照度E；

所述测定方法的步骤为，

步骤1，测定环境设定步骤，

将所述测定装置安装在无遮蔽环境或郁闭环境中；

若安装在无遮蔽环境中，测得的是天空热红外下行辐射；

若安装在郁闭环境中，测得的是天空以及郁闭环境的下行辐射，即环境辐射照度；

步骤2，设置装置步骤，

将所述热电偶传感器(4)正、负极导线插入所述热电偶测温仪主机(11)的正负极接线孔(14)；调节所述测定装置中的机座(15)下表面的调平螺丝脚，使所述测定装置中的水平仪(8)指向水平位置；

将所述热红外辐射计安装在三脚架上，并对准所述亚光镀金盖板(1)；

步骤3，注水步骤，

转动所述测定装置中的空心转动轴(6)以打开所述容水器(5)顶部的亚光镀金盖板(1)，并向容水器(5)中注水，直至所述容水器(5)中的水满溢并充满所述测定装置中的溢水存放槽(10)为止；将所述亚光镀金盖板(1)盖封住所述容水器(5)，使所述热电偶传感器(4)的压片(3)完全浸泡在水中；

注入水的温度与所述步骤1中测得的现场环境温度相等或相近；

浸泡所述热电偶传感器(4)10～20分钟，使所述热电偶传感器(4)的温度与所述亚光镀金盖板(1)的上表面温度均与水温相等；

步骤4，测量步骤，

测量所述亚光镀金盖板(1)上表面的温度值；

测量过程为，启动所述热电偶测温仪主机(11)，所述热电偶传感器(4)采集到所述亚光镀金盖板(1)下表面温度后，在所述热电偶测温仪主机(11)中的显示屏(12)上输出所述亚光镀金盖板(1)下表面温度值，从而得到与所述亚光镀金盖板(1)下表面温度相等的上表面温度，即得到所述亚光镀金盖板(1)上表面的黑体辐射B；

步骤5，分析计算步骤，

计算天空下行辐射E或环境辐射照度E；

计算过程为，开启所述热红外辐射计，测得所述亚光镀金盖板(1)的出射辐射度M，并通过公式(1)计算出天空下行辐射E或环境辐射照度E；

$E=\frac{M-\mathrm{\ϵB}}{1-\mathrm{\ϵ}}---\left(1\right);$

其中，ε为测得的所述亚光镀金盖板(1)的发射率；M为测得的所述亚光镀金盖板(1)的出射辐射度；B为测得的所述亚光镀金盖板(1)上表面的黑体辐射。