CN105004418A

CN105004418A - 多用途高精度直接辐射表

Info

Publication number: CN105004418A
Application number: CN201510255998.4A
Authority: CN
Inventors: 杨科三; 闫加俊; 王永新; 朱静; 杭一纤
Original assignee: JIANGSU PROVINCIAL RADIO INST CO Ltd
Current assignee: Aerospace new weather Technology Co., Ltd
Priority date: 2015-05-19
Filing date: 2015-05-19
Publication date: 2015-10-28
Anticipated expiration: 2035-05-19
Also published as: CN105004418B

Abstract

本发明涉及一种气象测量仪表，尤其是一种多用途高精度直接辐射表，具体地说是用于测量太阳直接辐射的直接辐射表，属于直接辐射表的技术领域。按照本发明提供的技术方案，所述多用途高精度直接辐射表，包括外筒以及位于所述外筒内用于测量太阳直接辐射且与外筒呈同轴分布的光学测量装置，在外筒外的前端设置前对准孔，在外筒外的后端设置与前对准孔呈同轴分布的后对准孔，所述前对准孔的轴线、后对准孔的轴线与外筒的轴线相互平行；在外筒的后端设有后座，所述后座内设有用于将光学测量装置测量的太阳直接辐射输出的接插件。本发明结构紧凑，能满足在太阳多要素自动测量系统中测量直接辐射，提高太阳直接辐射的测量精度，安全可靠。

Description

多用途高精度直接辐射表

技术领域

本发明涉及一种气象测量仪表，尤其是一种多用途高精度直接辐射表，具体地说是用于测量太阳直接辐射的直接辐射表，属于直接辐射表的技术领域。

背景技术

太阳直接辐射的定义是从日面及其周围一小立体角(从太阳中心向外扩展的半开敞角约为2.5°)内发出并入射到与该立体角轴线相垂直平面上的辐射。根据ISO 9060：1990的定义可知，直接辐射表主要由三部分组成：1)、用于接收太阳辐射的热电感应器，其一般为涂有黑漆的平面或腔体；2)、用于形成规定视场角(2.5°)和倾斜角(1°)的光筒；3)、用于将直接辐射表与太阳跟踪系统固定在一起并对准太阳的调整工装(调整工装可以与直接辐射表设计为一体，或调整工装与直接辐射表为相互独立的部件)。使用时，通过调整工装将直接辐射表固定在太阳跟踪系统上并调整对光，使直接辐射表完全对准太阳，太阳辐射通过光筒内部的多级光阑后照射到热电感应器上产生与太阳直接辐射成正比的电信号；电信号经过转换后就可得出太阳直接辐射测量值。

目前，国内广泛采用带有跟踪装置的直接辐射表测量太阳直接辐射。这些直接辐射表相当于将ISO9060:1990中定义的光筒、热电感应器等部件与太阳跟踪系统组合为一个整体；跟踪装置使光筒对准太阳，光筒用于测量太阳直接辐射。上述直接辐射表最大的优点是可以随时随地测量太阳直接辐射，但它也有许多问题：

1)、带有跟踪装置的直接辐射表使用不灵活、兼容性差。

带有跟踪装置的直接辐射表仅能单独使用，不能应用于其他辐射测量系统中。高精度辐射测量中除进行直接辐射测量外，还需要进行散射辐射和长波辐射等项目的测量。散射辐射和长波辐射测量时有遮光要求，而带有跟踪装置的直接辐射表自带的跟踪装置无法满足上述遮光要求。目前高精度辐射测量普遍采用太阳多要素自动测量系统完成，该系统的核心部分是多功能太阳跟踪装置，它可以高精度跟踪太阳，不仅能满足直接辐射测量的跟踪要求，也能满足散射辐射测量和长波辐射测量的遮光要求。由于太阳多要素自动测量系统中已有太阳跟踪装置，带有跟踪装置的直接辐射表在太阳多要素自动测量系统中使用时二者的跟踪功能会有功能重合；而将带有跟踪装置的直接辐射表的光筒拆下单独使用会造成跟踪装置的巨大浪费。目前亟需将带有跟踪装置的直接辐射表的直接辐射测量功能和跟踪功能分离。

2)、带有跟踪装置的直接辐射表粗大，笨重，使用和运输不方便。

3)、带有跟踪装置的直接辐射表无窗口加热功能，容易窗口结霜或结露，对太阳直接辐射造成巨大影响。

4)、带有跟踪装置的直接辐射表测量精度不高，温度响应误差较大。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种应用广泛的多用途高精度直接辐射表，本发明能去除了跟踪装置，结构紧凑，安全可靠，在调整工装的协助下与太阳跟踪装置配合使用可实现太阳直接辐射的高精度测量。

按照本发明提供的技术方案，所述多用途高精度直接辐射表，包括外筒以及位于所述外筒内用于测量太阳直接辐射且与外筒呈同轴分布的光学测量装置，在外筒外的前端设置前对准孔，在外筒外的后端设置与前对准孔呈同轴分布的后对准孔，所述前对准孔的轴线、后对准孔的轴线与外筒的轴线相互平行；在外筒的后端设有后座，所述后座内设有用于将光学测量装置测量的太阳直接辐射输出的接插件。

所述外筒的前端设有前座，所述前座上设有遮光罩，在前座内设有石英玻璃窗，所述石英玻璃窗位于光学测量装置的正前方；在前座内还设有用于对石英玻璃窗加热的窗口加热装置，所述窗口加热装置通过窗口加热装置引线与接插件电连接。

所述光学测量装置包括内筒以及位于所述内筒后端部的热电感应器，在所述热电感应器的正前方设置用于将太阳散射辐射至少经过两次以上内部反射才能达到所述热电感应器的光阑机构；后座内设置用于对热电感应器测量的太阳直接辐射进行温度补偿的温度补偿电路，热电感应器通过温度补偿电路与接插件电连接。

所述内筒包括前内筒、中内筒以及后内筒，光阑机构包括前光阑、第一中光阑、第二中光阑以及后光阑；前光阑固定于前内筒的前端部，前内筒的后端通过第一中光阑与中内筒的前端连接，中内筒的后端通过第二中光阑与后内筒的前端固定连接，后光阑位于后内筒内的后端，且热电感应器的前端与后光阑固定。

所述热电感应器的后端使用导热硅胶固定第一热敏电阻以及第二热敏电阻，温度补偿电路固定在热电感应器的后端，温度补偿电路包括第一金属膜电阻以及第二金属膜电阻，热电感应器的一输出端与第二热敏电阻的一端以及接插件的一输出端电连接，热电感应器的另一端与第一热敏电阻的一端以及第一金属膜电阻的一端连接，第一热敏电阻的另一端与第一金属膜电阻的另一端、第二金属膜电阻的一端以及接插件的另一输出端电连接，第二金属膜电阻的另一端与第二热敏电阻的另一端连接。

所述后座内设有干燥剂仓，后座与外筒的后端间设有用于密封的第二O型圈。

所述遮光罩通过遮光罩固定螺钉与前座固定连接，前座与外筒的前端间设有用于密封的第一O型圈。

所述内筒的两端通过压圈与外筒紧固连接。

所述外筒的前端设有前对准板，在外筒的后端设置后对准板，前对准孔位于前对准板上，后对准孔位于后对准板上。

本发明的优点：

1、本发明外筒上设置与外筒轴线同轴分布的用于观察对准状态的前对准孔以及后对准孔，从而可以去除跟踪装置，降低了直接辐射表的重量和体积；再与太阳跟踪装置配合可以在各种场合和系统中便捷使用。

2、本发明在前座内设置窗口加热装置，通过窗口加热装置对石英玻璃窗进行加热，防止石英玻璃窗上出现结露和结霜，提高太阳直接辐射测量精度。

3、本发明热电感应器与温度补偿电路，通过温度补偿电路对热电感应器的输出进行温度补偿，减小了直接辐射表的温度响应误差，提高了太阳直接辐射测量精度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的剖视图。

图3为本发明光学测量装置的示意图。

图4为本发明热电感应器与温度补偿电路连接的电路原理图。

附图标记说明：1-遮光罩、2-前对准孔、3-外筒、4-后对准孔、5-干燥剂仓、6-接插件、7-石英玻璃窗、8-前座、9-窗口加热装置、10-压圈、11-第一O型圈、12-光学测量装置、13-温度补偿电路、14-窗口加热装置引线、15-前光阑、16-前内筒、17-第一中光阑、18-中内筒、19-后内筒、20-后光阑、21-第一热敏电阻、22-穿线孔、23-后座、24-热电感应器、25-第一金属膜电阻、26-第二金属膜电阻、27-前对准板、28-后对准孔、29-遮光罩固定螺钉、30-第二O型圈、31-第二中光阑以及32-第二热敏电阻。

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1所示：为了能满足在太阳多要素自动测量系统中测量直接辐射，本发明包括外筒3以及位于所述外筒3内用于测量太阳直接辐射且与外筒3呈同轴分布的光学测量装置12，在外筒3外的前端设置前对准孔2，在外筒3外的后端设置与前对准孔2呈同轴分布的后对准孔4，所述前对准孔2的轴线、后对准孔4的轴线与外筒3的轴线相互平行；在外筒3的后端设有后座23，所述后座23内设有用于将光学测量装置12测量的太阳直接辐射输出的接插件6。

具体地，外筒3呈中空的长筒状，外筒3的前端设有前对准板27，在外筒3的后端设置后对准板28，前对准孔2位于前对准板27上，后对准孔4位于后对准板28上。外筒3的前端部、后端部的外径大于外筒3中间部分的外径，前对准板27凸出于外筒3的前端部，后对准板28凸出于外筒3的后端部。前对准孔2与后对准孔4同轴分布，且与外筒3以及外筒3内的光学测量装置12的轴线相互平行，通过前对准孔2与后对准孔4的配合，能使得整个直接辐射表能精准地对准太阳，从而能得到可以与跟踪装置相互分离独立的直接辐射表，由于在太阳多要素自动测量系统中均包含一个跟踪装置，即本发明的直接辐射表可以直接应用在太阳多要素自动测量系统中，避免与直接辐射表呈一体的跟踪装置与太阳多要素自动测量系统中的跟踪装置的冲突，提高使用的便捷性，降低使用成本。

如图2所示，所述外筒3的前端设有前座8，所述前座8上设有遮光罩1，在前座8内设有石英玻璃窗7，所述石英玻璃窗7位于光学测量装置12的正前方；在前座8内还设有用于对石英玻璃窗7加热的窗口加热装置9，所述窗口加热装置9通过窗口加热装置引线14与接插件6电连接。

本发明实施例中，前座8位于外筒3的前端部，前座8与外筒3呈同轴分布。所述遮光罩1通过遮光罩固定螺钉29与前座8固定连接，前座8与外筒3的前端间设有用于密封的第一O型圈11，通过第一O型圈11能提高前座8与外筒3之间连接的密封性。遮光罩1能抑制大部分的太阳散射辐射进入外筒3内的光学测量装置12内，经过遮光罩1抑制的太阳辐射经过石英玻璃窗7进入光学测量装置12内，由光学测量装置12测量确定太阳直接辐射。窗口加热装置9固定在前座8内且靠近石英玻璃窗7，窗口加热装置9通过窗口加热装置引线14以及接插件6与外部供电电源连接，通过窗口加热装置9进行加热后，能保证石英玻璃窗7不出现结霜和结露现象。具体实施时，窗口加热装置9使用功率电阻即可，功率为1～1.5W，开启后石英玻璃窗7温度高于环境温度2～3℃，具体结构为本技术领域人员所熟知，此处不再详述。

所述光学测量装置12包括内筒以及位于所述内筒后端部的热电感应器24，在所述热电感应器24的正前方设置用于将太阳散射辐射至少经过两次以上内部反射才能达到所述热电感应器24的光阑机构；后座23内设置用于进行对热电感应器24测量的太阳直接辐射进行温度补偿的温度补偿电路13，热电感应器24通过温度补偿电路13与接插件6电连接。

具体实施时，热电感应器24采用多接点式热电堆，热电堆表面涂有黑色涂层，其热结点设于所述黑色涂层上，冷结点设于机体内，使其在线性范围内产生的温差电动势与太阳直接辐照度成正比，热电感应器24的具体结构可以参考现有技术中全自动跟踪太阳直接辐射表的相关说明，具体不再赘述。经过石英玻璃窗7进入的太阳辐射，进入光学测量机构12的光阑机构内，在光阑机构内经过使得太阳散射辐射至少经过两次以上内部反射到达热电感应器24后，能消除太阳散射辐射，从而提高热电感应器24测量太阳直接辐射的精度。热电感应器24测量的太阳直接辐射经过温度补偿电路13进行温度补偿，减少温度响应误差，提高直接辐射的测量精度，且经过温度补偿电路13补偿后，通过接插件6将测量的结果输出。

本发明实施例中，所述内筒的两端通过压圈10与外筒3紧固连接，保证内筒与外筒3的同轴度，量部件24的感应面与外筒3的轴线垂直；此外，外筒3的轴线与前对准孔2、后两对准孔4共同的轴线平行，即热电感应器24的感应面应与前对准孔2、后两对准孔4共同的轴线垂直。

如图3所示，所述内筒包括前内筒16、中内筒18以及后内筒19，光阑机构包括前光阑15、第一中光阑17、第二中光阑31以及后光阑20；前光阑15固定于前内筒16的前端部，前内筒16的后端通过第一中光阑17与中内筒18的前端连接，中内筒18的后端通过第二中光阑31与后内筒19的前端固定连接，后光阑20位于后内筒19内的后端，且热电感应器24的前端与后光阑20固定。

本发明实施例中，前光阑15的后端伸入前内筒16内，且前光阑15与前内筒16固定。前内筒16的后端与中内筒18的前端通过第一中光阑17连接成一体，其中，第一中光阑17的前端部伸入前内筒16内，第一中光阑17的后端位于中内筒18内。同理，中内筒18的后端与后内筒19的前端通过第二中光阑31连接成一体，其中，第二中光阑31的前端伸入中内筒18内，第二中光阑31的后端伸入后内筒19内，热电感应器24与后内筒19的后端部连接，且与后内筒19内的后光阑20固定。前内筒16、中内筒18以及后内筒19经过上述连接后能形成内筒，内筒的轴线与外筒3同轴。前光阑15上设有穿线孔22，加热窗口装置引线14通过前光阑15上的穿线孔22与窗口加热装置9电连接，且加热窗口装置引线14在穿过外筒3内后通过温度补偿电路13转接后与接插件6电连接，通过接插件6与窗口加热装置9的连接配合，能为窗口加热装置9提供所需的工作电压。

前光阑15、第一中光阑17、第二中光阑31、后光阑20以及热电感应器24配合，能保证形成的直接辐射表的全开敞角为5°，倾斜角为1°，内筒经过前光阑15、第一中光阑17、第二中光阑31以及后光阑20进行配合能保证太阳散射辐射至少经过两次以上的内部反射才能达到热电感应器24的感应面。本发明实施例中，全开敞角5°表示的是从热电感应器24的感应面中心到前光阑15上下两个边沿做直线，这两条直线的夹角是5°；倾斜角1°表示的是从后光阑20边缘到前光阑15同侧边缘引一条直线，这条直线与光学测量装置12的轴线的夹角是1°。

所述后座23内设有干燥剂仓5，后座23与外筒3的后端间设有用于密封的第二O型圈30。石英玻璃窗7、前座8、外筒3、后座23、干燥剂仓5和接插件6组装成一个整体使内部形成一个密闭的空腔，干燥剂仓5内的干燥剂保证内部空气干燥从而防止出现石英玻璃窗7结露同时使内部零件处于低湿环境。

如图4所示，所述热电感应器24的后端使用导热硅胶固定第一热敏电阻21以及第二热敏电阻32，温度补偿电路13固定在热电感应器24的后端，温度补偿电路13包括第一金属膜电阻25以及第二金属膜电阻26，热电感应器24的一输出端与第二热敏电阻32的一端以及接插件6的一输出端电连接，热电感应器24的另一端与第一热敏电阻21的一端以及第一金属膜电阻25的一端连接，第一热敏电阻21的另一端与第一金属膜电阻25的另一端、第二金属膜电阻26的一端以及接插件6的另一输出端电连接，第二金属膜电阻26的另一端与第二热敏电阻32的另一端连接。

本发明实施例中，第一金属膜电阻25、第二金属膜电阻26焊接在温度补偿电路13上，第一热敏电阻21以及第二热敏电阻32利用导热硅胶固定在热电感应器24的后端，热电感应器24通过第一热敏电阻21、第二热敏电阻32引入温度补偿电路13。热电感应器24在接收太阳直接辐射后能输出电动势信号E_M，热电感应器24输出的电动势信号E_M经过温度补偿电路13修正后通过后座23上的接插件6输出修正过的信号E_S，具体修正过程为：

E_{S} = \frac{R_{V} + R_{T}}{R_{V} + R_{T} + R_{M} + R_{T} \times \frac{R_{S}}{R_{T} + R_{S}}} \times E_{M}

其中，R_M为热电感应器24的内阻，R_V为第二金属膜电阻26的阻值，R_S为第一金属膜电阻25的阻值，第一热敏电阻21的阻值以及第二热敏电阻32的阻值相同，且均为R_T。

本发明光学测量装置12的两端通过压圈10与外筒3固定，可以保证热电感应器24的感应面与外筒3的轴线垂直，即热电感应器24的感应面与前对准孔2、后对准孔4之间的连线垂直，从而保证热电感应器24精确的对准太阳。将形成的直接辐射表安装在太阳跟踪器上，太阳光通过前对准孔2后在后对准孔4处形成太阳光斑，该光斑完全落在后对准孔4上时表示直接辐射表完全对准太阳。其中，使光斑完全落在后对准孔4上需要通过太阳跟踪器上的对准调节装置进行调节，具体调节过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

前座8上的遮光罩1抑制大部分太阳散射辐射进入直接辐射表内部，前座8上的石英玻璃窗7保证300～3000nm的太阳直接辐射入射进光学测量装置12内；光学测量装置12在消除太阳散射辐射的前提下保证太阳直接辐射入射到热电感应器24上，热电感应器24产生与太阳直接辐射成正比的电动势信号E_M，该信号经过温补补偿电路13修正后成为直接辐射表的输出信号E_S。每个直接辐射表都会给出一个特定的灵敏度系数，直接辐射表输出信号E_S除以灵敏度系数即可得出太阳直接辐射。前座8内窗口加热装置9保证直接辐射表石英玻璃窗7不会结霜或结雾，从而可精确测量太阳直接辐射。

本发明外筒3上设置同轴分布的前对准孔2以及后对准孔4，前对准孔2的轴线以及后对准孔4的轴线与外筒3的轴线相平行，从而在去除跟踪装置后能满足太阳多要素自动测量系统需求，同时降低了直接辐射表的重量和体积，使用起来更加便捷方便；

本发明在前座8内设置窗口加热装置9，通过窗口加热装置9对石英玻璃窗7进行加热，防止石英玻璃窗7上出现结露和结霜，提高太阳直接辐射测量精度；

本发明热电感应器24与温度补偿电路13，通过温度补偿电路13对热电感应器24的输出进行温度补偿，减小了直接辐射表的温度响应误差，提高了太阳直接辐射测量精度。

Claims

1.一种多用途高精度直接辐射表，其特征是：包括外筒（3）以及位于所述外筒（3）内用于测量太阳直接辐射且与外筒（3）呈同轴分布的光学测量装置（12），在外筒（3）外的前端设置前对准孔（2），在外筒（3）外的后端设置与前对准孔（2）呈同轴分布的后对准孔（4），所述前对准孔（2）的轴线、后对准孔（4）的轴线与外筒（3）的轴线相互平行；在外筒（3）的后端设有后座（23），所述后座（23）内设有用于将光学测量装置（12）测量的太阳直接辐射输出的接插件（6）。

2.根据权利要求1所述的多用途高精度直接辐射表，其特征是：所述外筒（3）的前端设有前座（8），所述前座（8）上设有遮光罩（1），在前座（8）内设有石英玻璃窗（7），所述石英玻璃窗（7）位于光学测量装置（12）的正前方；在前座（8）内还设有用于对石英玻璃窗（7）加热的窗口加热装置（9），所述窗口加热装置（9）通过窗口加热装置引线（14）与接插件（6）电连接。

3.根据权利要求1所述的多用途高精度直接辐射表，其特征是：所述光学测量装置（12）包括内筒以及位于所述内筒后端部的热电感应器（24），在所述热电感应器（24）的正前方设置用于将太阳散射辐射至少经过两次以上内部反射才能达到所述热电感应器（24）的光阑机构；后座（23）内设置用于对热电感应器（24）测量的太阳直接辐射进行温度补偿的温度补偿电路（13），热电感应器（24）通过温度补偿电路（13）与接插件（6）电连接。

4.根据权利要求3所述的多用途高精度直接辐射表，其特征是：所述内筒包括前内筒（16）、中内筒（18）以及后内筒（19），光阑机构包括前光阑（15）、第一中光阑（17）、第二中光阑（31）以及后光阑（20）；前光阑（15）固定于前内筒（16）的前端部，前内筒（16）的后端通过第一中光阑（17）与中内筒（18）的前端连接，中内筒（18）的后端通过第二中光阑（31）与后内筒（19）的前端固定连接，后光阑（20）位于后内筒（19）内的后端，且热电感应器（24）的前端与后光阑（20）固定。

5.根据权利要求4所述的多用途高精度直接辐射表，其特征是：所述热电感应器（24）的后端使用导热硅胶固定第一热敏电阻（21）以及第二热敏电阻（32），温度补偿电路（13）固定在热电感应器（24）的后端，温度补偿电路（13）包括第一金属膜电阻（25）以及第二金属膜电阻（26），热电感应器（24）的一输出端与第二热敏电阻（32）的一端以及接插件（6）的一输出端电连接，热电感应器（24）的另一端与第一热敏电阻（21）的一端以及第一金属膜电阻（25）的一端连接，第一热敏电阻（21）的另一端与第一金属膜电阻（25）的另一端、第二金属膜电阻（26）的一端以及接插件（6）的另一输出端电连接，第二金属膜电阻（26）的另一端与第二热敏电阻（32）的另一端连接。

6.根据权利要求1所述的多用途高精度直接辐射表，其特征是：所述后座（23）内设有干燥剂仓（5），后座（23）与外筒（3）的后端间设有用于密封的第二O型圈（30）。

7.根据权利要求2所述的多用途高精度直接辐射表，其特征是：所述遮光罩（1）通过遮光罩固定螺钉（29）与前座（8）固定连接，前座（8）与外筒（3）的前端间设有用于密封的第一O型圈（11）。

8.根据权利要求3所述的多用途高精度直接辐射表，其特征是：所述内筒的两端通过压圈（10）与外筒（3）紧固连接。

9.根据权利要求1所述的多用途高精度直接辐射表，其特征是：所述外筒（3）的前端设有前对准板（27），在外筒（3）的后端设置后对准板（28），前对准孔（2）位于前对准板（27）上，后对准孔（4）位于后对准板（28）上。