CN103257374B - 高精度日照传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度日照传感器及其测量方法，其包括同轴安装的第一光电管、第二光电管及第三光电管；遮光筒上设有上部入射窗及下部入射窗；所述上部入射窗均匀对称地分布于遮光筒的上部，下部入射窗均匀对称地分布于遮光筒的下部，上部入射窗包含的窗口数量与下部入射窗包含的窗口数量一致，上部入射窗内的窗口与下部入射窗内的窗口在遮光筒上交错分布，以使得第二光电管通过上部入射窗接收到的散射辐射与第三光电管通过下部入射窗接收到的散射辐射均匀一致。本发明能够有效地改善对太阳直接辐射的测量准确性，从而提高日照时数的测量精度，尤其是能较大程度的改善多云和半阴天气象条件下的日照时数测量精度，适应范围广，安全可靠。

Description

高精度日照传感器及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种传感器及测量方法，尤其是一种高精度日照传感器及其测量方法，属于日照测量的技术领域。

背景技术

按照世界气象组织对日照时数的定义，以太阳直接辐射值大于120W/m²作为计算日照时间的阈值，也就是说日照时数为直接辐射大于120W/m²的时间累计值。显然，日照时数最准确、最直接的测量方法就是用直接辐射表检测太阳直接辐射，并将直接辐射值大于阈值的时间累加起来。但是由于直接辐射表价格昂贵，并要配备高精度太阳跟踪设备才能正常工作，因此大多数日照时数的观测场合需要相对简易的日照传感器。

传统的日照时数观测装置，通过测量聚焦后的阳光对纸质记录媒介的烧焦痕迹或感光记录媒介的感光痕迹，推算日照时数。这些传统的方法存在测量精度低，对记录媒介的质量依赖程度高，需要每天更换记录介质和人工判读检测数据等缺陷，难以适应高精度自动观测的需要。

随着光电探测器的发展和普及，出现了一些适用于日照时数自动观测的日照传感器。日照传感器用于测量日照时数，其本质是需要获得太阳的直接辐射值，并对直接辐射大于规定阈值的时间进行累计。不采用直接辐射表进行太阳直接辐射的测量，其基本方式之一就是分别测量太阳总辐射和散射辐射，由于总辐射等于直接辐射和散射辐射之和，通过总辐射和散射辐射的差值即可间接获得直接辐射值。此种形式的日照传感器，基本上都是利用各种不同的遮光方案，在同一时刻分别对总辐射和散射辐射进行测量，以获得直接辐射值和日照时数。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种高精度日照传感器及其测量方法，其能够有效地改善对太阳直接辐射的测量准确性，从而提高日照时数的测量精度，尤其是能较大程度的改善多云和半阴天气象条件下的日照时数测量精度，适应范围广，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述高精度日照传感器，包括同轴安装的第一光电管、第二光电管及第三光电管；第一光电管安装于遮光筒的顶端，第二光电管及第三光电管均位于遮光筒内，第三光电管位于第二光电管的下方；所述遮光筒上设有用于对第二光电管接收并约束入射辐射的上部入射窗，且遮光筒上设有用于对第三光电管接收并约束入射辐射的下部入射窗；所述上部入射窗均匀对称地分布于遮光筒的上部，下部入射窗均匀对称地分布于遮光筒的下部，上部入射窗包含的窗口数量与下部入射窗包含的窗口数量一致，上部入射窗内的窗口与下部入射窗内的窗口在遮光筒上交错分布，以使得第二光电管通过上部入射窗接收到的散射辐射与第三光电管通过下部入射窗接收到的散射辐射均匀一致。

所述上部入射窗的窗口数量为四个、六个或八个。

所述第一光电管、第二光电管及第三光电管上均设置漫反射器。

所述遮光筒位于玻璃管内，所述玻璃管的顶端设有顶盖，玻璃管的下部与玻璃管座连接，所述玻璃管座安装于纬度调整架上，所述纬度调整架安装于安装座上。

所述安装座上设有水平泡及调节螺钉。

所述玻璃管座内设有用于对第一光电管、第二光电管及第三光电管输出信号采样的信号采集处理电路，所述信号采集处理电路与第一光电管、第二光电管及第三光电管电连接；信号采集处理电路通过信号线插头输出日照时数。

所述玻璃管座内还设有干燥剂仓。

一种高精度日照传感器的测量方法，所述日照传感器的测量方法包括如下步骤：

S1、将第一光电管安装于遮光筒的顶端，通过第一光电管接收360度环带内的太阳辐射；

S2、在遮光筒内安装第二光电管及第三光电管，遮光筒的上部设置用于接收并约束第二光电管入射辐射的上部入射窗以及用于接收并约束第三光电管入射辐射的下部入射窗；第二光电管通过上部入射窗接收到的散射辐射与第三光电管通过下部入射窗接收到的散射辐射均匀一致；

S3、信号采集处理电路对第一光电管、第二光电管及第三光电管输出的信号进行采样、对比和计算，以输出相应的日照时数。

所述上部入射窗均匀对称地分布于遮光筒的上部，下部入射窗均匀对称地分布于遮光筒的下部，上部入射窗包含的窗口数量与下部入射窗包含的窗口数量一致，上部入射窗内的窗口与下部入射窗内的窗口在遮光筒上交错分布。

所述上部入射窗的窗口数量为四个、六个或八个。

本发明的优点：通过设置上部入射窗与下部入射窗内包含窗口的数量，上部入射窗内窗口与下部入射窗内窗口交错排布后，使得第二光电管通过上部入射窗接收到的散射辐射与第三光电管通过下部入射窗接收到的散射辐射均匀一致，能够有效地改善对太阳直接辐射的测量准确性，从而提高日照时数的测量精度，尤其是能较大程度的改善多云和半阴天气象条件下的日照时数测量精度，适应范围广，安全可靠。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为现有日照传感器的结构示意图。

图3为现有日照传感器中第一光电管、第二光电管及第三光电管响应输出的示意图。

图4为现有日照传感器检测全晴天空的示意图。

图5为现有日照传感器检测中间天空的示意图。

图6为本发明上部入射窗内包含四个窗口的检测示意图。

图7为本发明上部入射窗内包含六个窗口的检测示意图。

图8为本发明上部入射窗内包含八个窗口的检测示意图。

图9为本发明在遮光筒的上部入射窗包含四个窗口的立体图。

图10为在图9的分布状态下第一光电管、第二光电管及第三光电管响应输出的示意图。

图11为现有日照传感器与直接辐射表在测量晴天时的对比示意图。

图12为现有日照传感器与直接辐射表在测量半阴天时的对比示意图。

图13为CIE天空亮度分布标准的示意图。

图14为本发明与直接辐射表在测量晴天时的对比示意图。

图15为本发明与直接辐射表在测量半阴天时的对比示意图。

附图标记说明：1-安装座、2-水平泡、3-调节螺钉、4-维度调整架、5-干燥剂仓、6-信号线插头、7-信号采集处理电路、8-玻璃管座、9-玻璃管、10-遮光筒、11-顶盖、12-第一光电管、13-漫反射器、14-光电管安装座、15-第二光电管入射窗、16-第三光电管入射窗、17-第二光电管、18-第三光电管、19-上部入射窗及20-下部入射窗。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图2和图3所示：为现有日照传感器的示意图，其中，三个带有圆柱形漫反射器13的第一光电管12、第二光电管17、第三光电管18分别安置在同一轴线上，并通过遮光筒10及对应的上部入射窗19、下部入射窗20对入射到第二光电管17、第三光电管18上的辐射进行约束。

第一光电管12在360度的环形范围内接收辐射，第二光电管17和第三光电管18则以90度的角度间隔，分别接收不同方向上的辐射。遮光筒10的上部入射窗19及下部入射窗20的窗口设置，保证在任意时刻，太阳直接辐射只能照射到第二光电管17、第三光电管18中的一只。从而以第一光电管12的输出值表征总辐射，以第二光电管17、第三光电管18中较小的输出值表征散射辐射。通过比对标定，和确定散射辐射的比例系数，即可通过三个光电管的输出值，获得总辐射和散射辐射值。再通过总辐射减去散射辐射的方法求得直接辐射值，并以120 W/m²为阈值通过累计获得日照时数。

上午，太阳直接辐射通过入射窗照射到第一光电管12和第二光电管17上，第三光电管18被遮蔽，只能接收到西部半边天空的散射辐射。正午时分，太阳直接辐射照射到第一光电管12上，第二光电管17和第三光电管18同时被遮蔽。下午，太阳直接辐射通过入射窗照射到第一光电管12和第三光电管18上，第二光电管17被遮蔽，只能接收到东部半边天空的散射辐射。

假定在一均匀照明环境中，一恒定辐射源器做180度回转，第一光电管12、第二光电管17及第三光电管18的输出如图3下方图表所示。由于第二光电管17和第三光电管18中在任何时刻总有一只仅接收到散射辐射，从而选择第二光电管17、第三光电管18中间输出的最小值就能表征散射辐射。而将第一光电管12所表征的总辐射与第二光电管17、第三光电管18间最小值所表征的散射辐射相减，即可获得测量日照时数所需的太阳直接辐射值。

现有的测量结构及测量方法具有结构简单，安装、维护和使用方便，可以长时间自动检测日照时数等优点，但是在多云和半阴天的气象条件下测量误差较大，有很高的误报率。如图11、图12所示：在某些气象条件下甚至会出现百分之几百的相对测量误差。

现有的测量方式的关键之处在于，两路遮光状态下的第二光电管17、第三光电管18，分别对应于东、西半部天空，交替的接收到太阳直接辐射，从而可以简单的通过判断两路信号的大小来自动的正确选取散射辐射信号。

所述现有的测量方式假设遮光状态下的两个光电管，第二光电管17、第三光电管18中，响应值较高的包含了直接辐射和散射辐射，响应值较低的仅包含散射辐射，两者之和乘以确定的遮蔽系数就等于表征总辐射的未遮光第一光电管12的响应值。因此以第一光电管12的响应值，减去第二光电管17、第三光电管18中较低的响应值与遮蔽系数的乘积，就可得到直接辐射响应值。其中隐含的假设是第二光电管17和第三光电管18检测到的散射辐射是相等的，或者是等比例的，因此两者中的最小值可以在任何天气条件下表征散射辐射的大小。

然而，实际天穹的散射辐射空间分布状况绝不是均匀的，并且随着时间的变化和天气的不同这种空间分布状态是随时变化着的。根据CIE（国际照明委员会）天空亮度分布标准我们可以看到基本全晴天空、基本中间天空和基本全阴天空的天空亮度分布状况是极其不同的，如图13所示。

现有日照传感器中，遮光筒10的上部入射窗19与下部入射窗20为一对正交的入射窗，在不同的太阳方位角情况下，所接收到的散射辐射是不同的，且随着太阳方位角的变化而变化。在不同的天气条件下，这种变化的比率也是变化的，且随着天气条件的不同而不同。如图4和图5所示，其中，图4和图5中有阴影部分的区域为第二光电管17的受光区域，无阴影部分的区域为第三光电管18的受光区域，其面积代表了相应光电管所接收到的散射辐射能量值。

由此产生的测量误差可以在图11的太阳直接辐射测值曲线中得到体现：当太阳初升时，东、西两半天穹散射辐射相差较小，因散射辐射测值偏低导致的直接辐射测值虚高引起的误差也较小。随着太阳的升高，当太阳正对入射窗时，太阳周边强烈的散射辐射导致东西两半天穹测得的散射辐射相对差值最大，表现在直接辐射测值误差上出现一个最大值。正午时分，东西两半天穹散射辐射分布对称，直接辐射测值的相对误差出现最小值。下午的情况与上午类似，从而出现一个呈M型的误差分布状况。

基于上述误差分析，天穹均一性背离是现有日照传感器测量误差的重要来源，要提高测量的精度就要尽可能减小第二光电管17、第三光电管18之间由于散射辐射分布不均匀而带来的测量误差。

如图1所示：为了能提高日照传感器的测量精度，本发明包括同轴安装的第一光电管12、第二光电管17及第三光电管18；第一光电管12安装于与遮光筒10的顶端，第二光电管17及第三光电管18均位于遮光筒10内，第三光电管18位于第二光电管17的下方；所述遮光筒10上设有用于对第二光电管17接收并约束入射辐射的上部入射窗19，且遮光筒10上设有用于对第三光电管18接收并约束入射辐射的下部入射窗20；所述上部入射窗19均匀对称地分布于遮光筒10的上部，下部入射窗20均匀对称地分布于遮光筒10的下部，上部入射窗19包含的窗口数量与下部入射窗20包含的窗口数量一致，上部入射窗19内的窗口与下部入射窗20内的窗口在遮光筒10上交错分布，以使得第二光电管17通过上部入射窗19接收到的散射辐射与第三光电管18通过下部入射窗20接收到的散射辐射均匀一致。

具体地，所述上部入射窗19的窗口数量为四个、六个或八个，在遮光筒10上设置四个、六个或八个窗口的上部入射窗19形成第二光电管入射窗15；当上部入射窗19内窗口的数量为四个、六个或八个时，下部入射窗20的窗口数量也为四个、六个或八个，在遮光筒10的下部设置四个、六个或八个窗口时形成第三光电管入射窗16。所述第一光电管12、第二光电管17及第三光电管18上均设置漫反射器13。第一光电管12通过光电管安装座14安装于遮光筒10的顶端，在遮光筒10内设有对应的安装板，以使得第二光电管17及第三光电管18通过安装板、光电管安装座14安装于遮光筒10内。

所述遮光筒10位于玻璃管9内，所述玻璃管9的顶端设有顶盖11，玻璃管9的下部与玻璃管座8连接，所述玻璃管座8安装于纬度调整架4上，所述纬度调整架4安装于安装座1上。所述安装座1上设有水平泡2及调节螺钉3。所述安装座1上设置纬度调整架4，通过纬度调整架4将所形成的日照传感器在特定的纬度安装在相应正确的角度上。安装座1上有水平泡2及调节螺钉3，通过调节螺钉3可以调节安装座1的水平，并予以紧固，以确保传感器的正确安装状态。

所述玻璃管座8内设有用于对第一光电管12、第二光电管17及第三光电管18输出信号采样的信号采集处理电路7，所述信号采集处理电路7与第一光电管12、第二光电管17及第三光电管18电连接；信号采集处理电路7通过信号线插头6输出日照时数。所述信号采集电路7的结构功能与现有日照传感器内的采集电路相一致，此处不再赘述。

所述玻璃管座8内还设有干燥剂仓5。当上部入射窗19内包含四个均匀分布的窗口时，遮光筒10的上部入射窗19与下部入射窗20呈交错45度角的型式排列，从而形成对日照传感器探测天穹的四分切割探测。当上部入射窗19内包含六个均匀分布的窗口时，遮光筒10的上部入射窗19与下部入射窗20呈30度交错排列；当上部入射窗19内包含八个均匀分布的窗口时，遮光筒10的上部入射窗19与下部入射窗20呈22.5度的交错排列；通过上部入射窗19的不同数量设置，从而对探测天穹进行更好的细分和平均，以获得更高的测量精度。即通过适当增加测量散射辐射的光电管的上部入射窗19内窗口的数量，且使第二光电管17、第三光电管18的入射窗交错排列，从而使每个光电管的输出信号对应于交错分割的部分天穹，以产生平均效应。

本发明实施例中，通过上部入射窗19及下部入射窗20的配合设置进一步交错分割探测天穹，将天穹细分为四个区域、六个区域、八个区域，采取交错的提取天穹辐射信息的方式，实行对信息的平均化，从而提高散射辐射的测量精度。如图6、图7和图8所示，其中，图6~图8中，有阴影部分的区域表示第二光电管17的受光区域，无阴影部分的区域表示第三光电管18的受光区域，其面积代表了相应光电管所接收到的散射辐射能量值。

如图9和图10所示：以遮光筒10上的上部入射窗19包含四个窗口为例，即将探测的天穹分成四份。窗口a与窗口c为上部入射窗19上邻近的两个窗口，窗口b与窗口d为下部入射窗20上邻近的两个窗口，且窗口a、窗口b、窗口c及窗口d相互邻近且交错分布。图10中，阴影部分的区域为第二光电管17或第三光电管18同时受光的区域。

早晨，太阳初升时，太阳直接辐射通过窗口a照射到第二光电管17上。此时太阳直接辐射与窗口a、窗口c对应天穹的散射辐射共同形成第二光电管17输出信号，第三光电管18的输出信号则由窗口b、窗口d对应天穹的散射辐射形成。随着太阳高度角的增大，第三光电管18逐渐接收到太阳直接辐射，其输出信号包含了太阳直接辐射和窗口b、窗口d对应天穹的散射辐射的信息。第二光电管17的输出信号则表征了窗口a、窗口c对应天穹的散射辐射的大小。在太阳高度角处于两个窗口转换的时刻，比如正午时刻，第二光电管17、第三光电管18均接收不到太阳直接辐射，其各自的输出信号分别来自交错分割的部分天穹的散射辐射。随着太阳东升西落，这种状态交替循环，产生一整天的输出信号。

以未遮光的第一光电管12的输出值表征总辐射，以第二光电管17、第三光电管18中较小的输出值表征散射辐射。通过比对标定和确定散射辐射的遮蔽比例系数，即可通过三个光电管的输出值获得总辐射和散射辐射值。再通过总辐射减去散射辐射的方法求得直接辐射值，并以120 W/m²为阈值通过累计获得日照时数。

当上部入射窗19包含六个窗口及八个窗口时，六分天穹方案和八分天穹方案的情形与此类似，只是遮光筒10需要开出更多的交错窗口，从而对天穹进行更好的细分和平均，以便获得精度更高的测量结果。当然，随着细分数的提高，日照传感器的结构尺寸会随之增大，光电管接受的信号强度会随之减小。因此，天穹细分数可根据测量的精度要求不同和对成本等因素的控制，在四分、六分、八分之间进行合理选择。

综上，所述日照传感器的测量方法包括如下步骤：

S1、将第一光电管12安装于遮光筒10的顶端，通过第一光电管12接收360度环带内的太阳辐射；

S2、在遮光筒10内安装第二光电管17及第三光电管18，遮光筒10的上部设置用于接收并约束第二光电管17入射辐射的上部入射窗19以及用于接收并约束第三光电管18入射辐射的下部入射窗20；第二光电管17通过上部入射窗19接收到的散射辐射与第三光电管18通过下部入射窗20接收到的散射辐射均匀一致；

其中，要使得第二光电管17通过上部入射窗19接收到的散射辐射与第三光电管18通过下部入射窗20接收到的散射辐射均匀一致，需要在上部入射窗19设置四个、六个或八个的均匀对称分布的窗口，下部入射窗20的窗口数量与上部入射窗19一致，且交错分布，以将探测的天穹划分为四份、六份或八份。

S3、信号采集处理电路7对第一光电管12、第二光电管17及第三光电管18输出的信号进行采样，以输出相应的日照时数。

信号采集处理电路7已存储有遮光系数，根据第一光电管12、第二光电管17及第三光电管18的探测结构进行相应的处理后能够得到日照时数。

本发明通过交错的分割观测天穹辐射，减小天穹辐射分布不均匀给日照时数观测带来的影响，提高日照时数观测的精度。

在晴天的情况下，现有日照传感器探测一天内的日照时数测值与直接辐射表的测值相比误差不大，相对误差为2.9%。改进后的四分天穹样机同一天的日照时数测值与直接辐射表相比，相对误差提高到-0.87%。

从图12和图15的对比中可以看出，在半阴天的情况下，现有日照传感器探测一天内的日照时数测值与直接辐射表的测值相比误差很大，相对误差为319%。采用包含四个窗口的上部入射窗19的结构探测同一天的日照时数测值与直接辐射表相比，相对误差有了大幅度的提高，提高到3.77%。

实际对比测试表明，在多云到阴的天气条件范围内，改进后的日照时数测量方案效果明显，可以大幅度的提高日照时数的测量精度。

对持续一个月的日照时数对比检测试验数据分析表明：一个月内现有日照传感器的探测结果和采用包含四个窗口的上部入射窗19的传感器结构相比，日照时数日累计数检测误差最大值分别为：绝对误差169分钟和58分钟；相对误差318.86%和15.30%。日照时数月累计数检测误差分别为：绝对误差1520分钟和157分钟；相对误差15.28%和1.58%。

对比检测的结果表明，采用四分天穹方案，对提高日照时数检测精度的效果是显著的，采用六分天穹和八分天穹方案，测量精度还将会有进一步的提高。

Claims (10)

1.一种高精度日照传感器，包括同轴安装的第一光电管（12）、第二光电管（17）及第三光电管（18）；第一光电管（12）安装于遮光筒（10）的顶端，第二光电管（17）及第三光电管（18）均位于遮光筒（10）内，第三光电管（18）位于第二光电管（17）的下方；所述遮光筒（10）上设有用于对第二光电管（17）接收并约束入射辐射的上部入射窗（19），且遮光筒（10）上设有用于对第三光电管（18）接收并约束入射辐射的下部入射窗（20）；其特征是：所述上部入射窗（19）均匀对称地分布于遮光筒（10）的上部，下部入射窗（20）均匀对称地分布于遮光筒（10）的下部，上部入射窗（19）包含的窗口数量与下部入射窗（20）包含的窗口数量一致，上部入射窗（19）内的窗口与下部入射窗（20）内的窗口在遮光筒（10）上交错分布，以使得第二光电管（17）通过上部入射窗（19）接收到的散射辐射与第三光电管（18）通过下部入射窗（20）接收到的散射辐射均匀一致。

2.根据权利要求1所述的高精度日照传感器，其特征是：所述上部入射窗（19）的窗口数量为四个、六个或八个。

3.根据权利要求1所述的高精度日照传感器，其特征是：所述第一光电管（12）、第二光电管（17）及第三光电管（18）上均设置漫反射器（13）。

4.根据权利要求1所述的高精度日照传感器，其特征是：所述遮光筒（10）位于玻璃管（9）内，所述玻璃管（9）的顶端设有顶盖（11），玻璃管（9）的下部与玻璃管座（8）连接，所述玻璃管座（8）安装于纬度调整架（4）上，所述纬度调整架（4）安装于安装座（1）上。

5.根据权利要求4所述的高精度日照传感器，其特征是：所述安装座（1）上设有水平泡（2）及调节螺钉（3）。

6.根据权利要求4所述的高精度日照传感器，其特征是：所述玻璃管座（8）内设有用于对第一光电管（12）、第二光电管（17）及第三光电管（18）输出信号采样的信号采集处理电路（7），所述信号采集处理电路（7）与第一光电管（12）、第二光电管（17）及第三光电管（18）电连接；信号采集处理电路（7）通过信号线插头（6）输出日照时数。

7.根据权利要求4所述的高精度日照传感器，其特征是：所述玻璃管座（8）内还设有干燥剂仓（5）。

8.一种高精度日照传感器的测量方法，其特征是，所述日照传感器的测量方法包括如下步骤：

（S1）、将第一光电管（12）安装于遮光筒（10）的顶端，通过第一光电管（12）接收360度环带内的太阳辐射；

（S2）、在遮光筒（10）内安装第二光电管（17）及第三光电管（18），遮光筒（10）的上部设置用于接收并约束第二光电管（17）入射辐射的上部入射窗（19）以及用于接收并约束第三光电管（18）入射辐射的下部入射窗（20）；第二光电管（17）通过上部入射窗（19）接收到的散射辐射与第三光电管（18）通过下部入射窗（20）接收到的散射辐射均匀一致；

（S3）、信号采集处理电路（7）对第一光电管（12）、第二光电管（17）及第三光电管（18）输出的信号进行采样、对比和计算，以输出相应的日照时数。

9.根据权利要求8所述高精度日照传感器的测量方法，其特征是：所述上部入射窗（19）均匀对称地分布于遮光筒（10）的上部，下部入射窗（20）均匀对称地分布于遮光筒（10）的下部，上部入射窗（19）包含的窗口数量与下部入射窗（20）包含的窗口数量一致，上部入射窗（19）内的窗口与下部入射窗（20）内的窗口在遮光筒（10）上交错分布。

10.根据权利要求9所述高精度日照传感器的测量方法，其特征是：所述上部入射窗（19）的窗口数量为四个、六个或八个。