CN107735656A - 具有强制气流的日射强度计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及日射强度计(1)，所述日射强度计具有外壳(2)、位于所述外壳内的传感器(5)、内部窗户(6)和圆顶状的外部窗户(7)、进气导管(21)和排气导管(17)，两个窗户均覆盖所述传感器(5)，所述进气导管(21)和排气导管(17)在所述外壳中延伸，并终止于所述外部窗户(7)限制的空间内，用于使空气经过所述空间，从所述进气导管流向所述排气导管，本发明的特征在于，所述外壳是基本上封闭的，以便不允许外部气流进入所述外壳(2)，且包括通风装置(10)，所述进气导管(21)与所述通风装置(10)的高气压侧流体连通，所述排气导管(17)与所述通风装置(10)的低气压侧流体连通，吹入所述外部窗户(7)下方空间的空气由所述通风装置的能量加热和可选地由额外的电加热器加热。

Description

具有强制气流的日射强度计

技术领域

本发明涉及日射强度计(pyranometer)，所述日射强度计具有外壳、位于所述外壳内的热电传感器、内部窗户和外部的圆顶状窗户、进气导管和排气导管，两个窗户均覆盖所述传感器；进气导管和排气导管在所述外壳中延伸，并终止于所述外部窗户限制的空间内，用于使空气经过所述空间，从所述进气导管流向所述排气导管。

背景技术

这样一种日射强度计形式的辐射探测装置通过美国专利US 3,876,880而被知晓。这个公布文本中描述了日射强度计，其中，外部泵和热交换器为所述探测器外壳提供了冷却气流，以冷却内部和外部的圆顶。此外，外部的风机引导气流穿越所述圆顶用于提升辐射测量精度。

在通常已知的日射强度计中(譬如，型号SR11，由荷兰代尔夫特市的霍克瑟弗洛克丝热传感器公司/Hukseflux Thermal Sensors B.V.，Delft，Netherlands销售)利用内部和外部的玻璃圆顶来覆盖所述传感器。两个玻璃圆顶降低了与风相关的信号噪音和热偏移相关的误差效应，使得测量精度得以提升。

零点偏移和仪器圆顶上的水沉积是决定日射强度计之测量可靠性的重要因素。

符合ISO 9060标准的日射强度计必须在0.3微米至3微米的光谱范围内具有平坦的光谱响应。他们采用热电传感器。使用热电传感器(与光电传感器相反)，零点偏移(即与待测量数量无关的信号)是测量不确定性的重要来源。减少零点偏移是大有裨益的，因为这提高了测量精度。

最重要的偏移是对远红外线辐射交换的敏感度，“零点偏移”，由对日射强度计进行分类的ISO 9060标准定义。导致零点偏移A的原因是与天空进行辐射交换引发的外部圆顶冷却，而天空是远红外线辐射的相对冷源。从外部圆顶到天空的远红外线辐射交换的差额是负数。世界气象组织(WMO)手册和ISO 9060定义了-200W/m²的参考条件，这代表了最坏的情况。外部圆顶变冷，并且通过相同的辐射交换机制转而将内部圆顶冷却下来。最后，该传感器通过与内部圆顶的辐射交换而产生了负偏移。

还有其他重要的偏移量，例如“零点偏移B”，其被定义为通过以5K/hr的固定温度变化率加热或冷却该仪器所导致的偏移。该温度变化会引发仪器的内部温度差异。这些温度差异不仅造成远红外线辐射交换，而且还会产生通往传感器或源自传感器的能量流动。这两个机制都产生零点偏移，该零点偏移合计为零点偏移B。

加热日射强度计，例如通过使用电阻器或通过外部施加的热流动空气来加热，可以通过引起零点偏移B的相同机制来独立地产生零点偏移。在ISO 9060标准中没有具体提及或明确定义由加热引发的偏移。在实践中，它们是测量中不可分割的组成部分，因此成为测量的零点偏移A和零点偏移B的组成部分。对于一个仪器型号，可能会存在具有加热和没有加热的偏移量A和B的规格。

在日射强度计圆顶上的沉积水会导致不可预知的、可能非常大却难以量化的误差；它降低了“数据可用性”。雨雪的沉积是很常见的，但这通常与测量误差较小的多云状况一起出现。大多数日射强度计位于气候温和的地区。清晨圆顶上的露水或霜冻沉积常常会造成很大的误差。水珠冷凝在圆顶之上，是因为日射强度计在晚间与天空的远红外线辐射交换导致这些水珠冷却至低于露点的温度。

水珠沉积在日射强度计的圆顶之上，导致该日射强度计超出了额定的条件。防止水珠沉积或快速去除沉积的水是有裨益的，因为干燥的圆顶是开展可靠测量的额定条件。干燥的圆顶也不容易吸引灰尘的粘附。

可以通过改善热传感器、该仪器金属本体和所述内部窗户之间的热量耦合来获得降低的热电传感器零点偏移。更好的热量耦合会导致这些部件之间的温差变小，并由此减少远红外线辐射交换。

例如，型号CMP22的日射强度计通过使用比其他等效型号CMP11的圆顶具有更高导热性和更大厚度的两个石英圆顶，获得比型号CMP11更低的零点偏移。零点偏移量被降低了2倍(a factor 2)。

第二个例子是，所述内部圆顶用作外部圆顶和传感器之间的辐射防护屏，阻挡辐射远红外线的辐射交换。通过给仅使用单个外部圆顶的日射强度计增添内部圆顶，从所述圆顶到所述传感器的远红外线辐射交换以及由此产生的零点偏移A被降低了大约1.5倍。这通过比较日射强度计型号CMP11和CMP3的零点偏移A规格来阐明。

作为第三个例子，高风速或人工通风换气可以通过促进日射强度计主体和外部圆顶之间的热耦合来减小零点偏移A。对于零点偏移B，由流向所述传感器或源自所述传感器的能量流动导致的零点偏移部分可以通过将传感器对称地耦合到所述仪器主体，或通过使用具有低热容量的传感器来降低。有些传感器采用了所谓的补偿元件。

加热日射强度计的圆顶可能有助于防止露水凝结和霜冻。经过加热的圆顶应具有高于露点的温度，使得环境空气中的水分不会冷凝在圆顶上。如果水沉积在圆顶，加热加速露水和雨水的蒸发，并促进积雪和凝霜的升华或融化过程。为了促进升华和融化，较高的温度是有益的。融化要求圆顶的温度高于0℃。

最简单的选择是直接加热日射强度计，即在内部加热或使用连接至所述仪器主体的加热器，而不是通过空气流通来进行外部加热。使用已经处于低功率水平的传统日射强度计，其中加热尚未有效地防止湿气在所述仪器圆顶上凝结，由直接加热引起的零点偏移增长超出了ISO 9060标准的技术参数极限。因此，涵盖日射强度计使用的标准，诸如ISO TR9901并未提及将直接加热作为一种可能的事情。在某些情况下，仍然使用直接加热，例如在型号SR20的日射强度计中，它通常只有在夜间当偏移无关紧要时才开启，因为夜间没有太阳照射。由1.5W直接加热引起的零点偏移为-8W/m²，这超出了ISO 9060标准中精度等级的技术参数限值。运用较高的功率进行直接加热，例如有可能促进蒸发和升华或融化积雪或结冰，但仍会产生较大的误差，因此没有在任何标准中提及。

本发明旨在通过进一步降低零点偏移来提升已知的检测器结构，同时在使用小功率的情况下提升潮湿和/或冰冷条件下的仪器性能。

低能耗对于日射强度计的使用是必不可少的，因为这些仪器通常部署在偏远的地方，这些地方无法获得主电源。

本发明的具体目标是改善所述传感器、所述仪器金属主体和所述圆顶之间的热耦合。

此外，本发明旨在提供维护保养工作量少，功率要求低以及海量可用数据的检测器。

发明内容

根据本发明的日射强度计，其特征在于，所述外壳是基本上封闭的，使得不允许外部气流进入所述外壳；所述外壳包括通风装置(ventilator)、与通风装置的高气压侧流体连通的进气导管、与所述通风装置的低气压侧流体连通的排气导管，其中吹入所述外部窗户下方空间的空气由所述通风装置的能量加热。

术语基本上“封闭的”是指不允许大量外部气流进入所述外壳。

对于在此所使用的术语“热电传感器”，传感器想要具有吸收性的传感器表面(其可以是黑色的)。投射到吸收性的传感器表面上的辐射导致热通量穿过所述传感器，该热通量引发了温度差，该温度差被转变成电信号，例如，使用与传感器表面热耦合的温差电堆(thermopile)。

使用基本上封闭的外壳和集成式通风装置允许其以闭合回路在外部圆顶下方的空间内吹出相对温暖的气流，从而保持一个结构紧凑且相对简单的检测器。由圆顶下方的空气流引起的所述圆顶和检测器体之间的经过改善的热耦合降低了零点偏移A。空气被通风装置的能量加热。此外，外部圆顶的强制加热有助于将其温度保持在露点以上，和/或有助于将圆顶上的积雪或结冰清理干净，从而增加该检测器的数据可用性。

此外，该检测器内的气体流动的闭合回路，使得通风装置所消耗的能量以及该检测器产生的额外能量得到100％的利用，从而加热所述检测器以及在内外圆顶之间流动的空气，以便在低能耗的情况下可以将包括外部圆顶在内的检测器保持在露点温度以上。

最后，与众所周知的外部通风相比，根据本发明进行的完全内部通风消除了过滤外部空气的需要，从而减少了维护保养的需求。

在根据本发明的日射强度计的一个实施例中，内部窗户是圆顶状的，其中进气导管和排气导管与圆顶状的内部窗户和外部窗户之间的空间流体连通。内部圆顶和外部圆顶之间的空间形成了通道，通过该通道可以在最佳传热条件下将加热空气有效地从进气口开口供应至排气口开口。

在根据本发明的日射强度计的一个替代实施例中，该日射强度计具有内部窗户，所述内部窗户包括基本扁平的扩散器。通过使用扁平的扩散器，可以实现零点偏移的进一步降低。根据本发明的日射强度计的一个实施例，其特征在于，所述传感器放置在圆柱形的传感器主体中，所述外壳包括围绕所述传感器主体的圆柱形壁，所述壁包括位于所述传感器主体的下方的环形的通风装置空间，所述进气导管从上部通风装置空间部分延伸，轴向地经过圆柱形壁至所述圆柱形壁的环形顶面，所述排气导管从下部通风装置空间部分延伸，经过圆柱形壁至所述圆柱形壁的环形顶面。采用这种方式，得到结构紧凑的辐射探测器，该辐射探测器在所述圆柱形壁(优选由金属制成)和所述圆顶之间具有良好的热耦合。空气流动通道容纳在圆柱形壁中，并且优选由机械加工成形或铸造形成，使得来自内部通风装置的热空气与所述壁进行良好地传导接触。

在所述圆顶之间的仪器主体材料的反射率在所述仪器的定向响应中发挥作用的情况下，必须使得所述空气导管的出口不引入这种定向响应的不期望的变动。对此，要避免所述空气导管的出口的反射性能与所述圆顶之间的材料的反射性能显著不同。

在根据本发明的日射强度计的另一个实施例中，在所述传感器主体内部或所述传感器主体上具有电加热器。

至关重要的是，通过通风装置或电加热器进行的强制对流过程和加热是这样设计的，即通过流动的空气和额外加热对所述传感器、内部窗户和外部圆顶进行的加热是均衡的，且内部热量传递的过程不产生显著的偏移。

使用膜加热器有利地将所有组件的温度强制达到所述主体的温度，所述膜加热器附着在所述主体上，与具有通过相同主体的相对较大的热交换表面的流动通道结合。

为有效防止夜间的露水凝聚或霜冻沉积，通风设备和额外加热的功率等级必须至少能够弥补所述日射强度计通过与天空的远红外线辐射交换的能量损失。例如，面向天空的仪器表面积为0.008m²，估计的远红外线辐射交换为-100W/m²，则所述日射强度计的能量以0.8W的速度损失。

通过使用微型通风装置，可以在日射强度计中实现内部通风。适用于上述目标的微型通风装置的典型功率为0.5W。

在没有太阳能量输入的夜晚，使用1W的额外电加热功率和0.5W的通风装置功率，即总共1.5W能量消耗，补偿用于远红外线辐射交换的-0.8W，日射强度计通常会稳定在比环境空气温度高大约1℃的温度，因此比露点温度至少高1℃。这与仪器总表面积为0.05m²，传热系数为大约20W/(K·m²)，典型的空气流速为1m/s的情况相符。

说明使用内部通风来减少零点偏移性能的例子如下：

型号SR11的日射强度计(由荷兰代尔夫特市的霍克瑟弗洛克丝热传感器公司/Hukseflux Thermal Sensors B.V.Hukseflux Thermal Sensors B.V.，Delft，Netherlands销售)，在其两个圆顶之间进行内部通风的情况下，则零点偏移A被降低了5倍。这优于外部通风单元型号VU01和日射强度计型号SR20的组合所达到的效果，后者将零点偏移A降低了两倍。

说明在低功率下有效运作应对露水和霜冻的性能的例子如下：

在荷兰进行现场测试时，总计1.5W(加热加通风)的功率证明能有效阻止露水沉积。

具有内部通风功能的型号SR20日射强度计具有1.5W的能量消耗和大约1.5W/m²的偏移量，这优于典型的加热通风装置。为取得类似的功效，日射强度计型号SR20和通风单元VU01需要11W的功率来产生2W/m²的偏移量。

典型情况是，所述加热将被限制在允许加热的最大规定水平(以W为单位)中，在此情况下，所述仪器仍在某些目标零点偏移极限值之内运作(以W/m²为单位)，例如，用户指定或分类系统规定的最大极限值。

本发明可以与日射强度计的传统特征(譬如，间接加热和外部通风)结合。它可以添加更多的窗户或圆顶，也能使用不同的气体。它可以与基于模型的零点偏移校正相结合，例如，来自所述仪器中的温度测量的分析，或估计在使用日射强度计的情况下该仪器和天空之间的远红外线辐射交换。它可以与其他措施相结合，以防止分类系统中未涵盖的零点偏移，例如降低由热冲击引起的零点偏移的措施，如增加仪器主体的重量，或使仪器主体绝缘以免与环境空气相接触。

附图说明

根据本发明的日射强度计的实施方式将参考附图通过非限制性示例进行描述，其中：

图1是根据本发明的具有内部圆顶和外部圆顶，并且包括内部通风装置的日射强度计的局部剖切立体图；以及

图2是具有覆盖所述传感器的扁平扩散器以及外部圆顶的图1类型日射强度计的局部剖切立体图。

具体实施方式

图1示出了日射强度计1，所述日射强度计具有基本上封闭的外壳2，所述外壳2包围检测器主体3、圆柱形金属壁4和热传感器5。所述传感器5被内部圆顶6和外部圆顶7所覆盖，该内部圆顶6与主体3的顶面热接触，所述外部圆顶7与检测器壁4的顶面热传导接触。

所述圆柱形壁4包围的通风装置空间15容纳微型通风装置10，其可以具有例如3.5cm的直径和0.5W的功率。通风装置空间15的下侧16与排气导管17的出口14相接触，排气导管17的入口18位于两个圆顶6,7之间的空间内。通风装置空间15的上侧19与供气导管21的入口20相接触，供气导管21的出口22位于两个圆顶6,7之间的空间内。所述入口18和出口22位于探测器壁4顶面上直径相对的位置处。

内部的通风装置10提供用于强制的空气循环的闭合回路，空气循环的回路是从通风装置空间15穿过供气导管21，通过圆顶6,7之间的空间，并返回通过排气导管17。循环的空气和所述导热壁4结合均衡了探测器装置内部的温度差异，促使测量精度得以提高。

膜加热器9放置在检测器主体3上。

通风装置10和加热器9通过信号及电源线11供电，同时信号沿相同的信号及电源线进行传送。内部圆顶和外部圆顶6,7可以由相似的材料或不同的材料制成，例如玻璃或石英。在优选的实施例中，譬如，所述内部圆顶6由玻璃制成，所述外部圆顶7由蓝宝石(sapphire)制成。

图2示出了图1类型的日射强度计，其中类似的部件由相同的附图标记来表示。在日射强度计1中，扩散器8覆盖传感器5(所述传感器在本图中不可见，并使用虚线来表示)。供气导管21的出口22将经过加热的空气供应至位于外部圆顶7下方和扩散器8上方的空间中。经由排气导管17的入口开口18，空气被再循环返回至所述通风装置10。

Claims (8)

1.日射强度计(1)，所述日射强度计(1)具有外壳(2)、位于所述外壳内的热电传感器(5)、内部窗户(6)和圆顶状的外部窗户(7)、进气导管(21)和排气导管(17)，两个窗户(6,7)均覆盖所述传感器(5)，所述进气导管(21)和所述排气导管(17)在所述外壳中延伸，并终止于所述外部窗户(7)限制的空间内，用于使空气经过所述空间，从所述进气导管流向所述排气导管，其特征在于，所述外壳是基本上封闭的，以便不允许外部气流进入所述外壳(2)，所述外壳包括通风装置(10)，所述进气导管(21)与所述通风装置(10)的高气压侧流体连通，所述排气导管(17)与所述通风装置(10)的低气压侧流体连通，其中吹入所述外部窗户(7)下方空间的空气由所述通风装置的能量加热。

2.根据权利要求1所述的日射强度计(1)，其中所述内部窗户(6)是圆顶状的，其中所述进气导管(21)和排气导管(17)与圆顶状的所述内部窗户和所述外部窗户(6,7)之间的空间流体连通。

3.根据权利要求1所述的日射强度计(1)，其中所述内部窗户(6)包括基本上扁平的扩散器。3.根据权利要求1、2或3所述的日射强度计(1)，其中所述热电传感器(5)放置在圆柱形的传感器主体(3)上，所述外壳包括圆柱形壁(4)，所述圆柱形壁包围所述传感器主体，所述壁(4)包括位于所述传感器主体(3)的下方的环形的通风装置空间(15)，所述进气导管(21)从上部通风装置空间部分(19)延伸，轴向地经过所述圆柱形壁(4)至所述圆柱形壁的环形顶面，所述排气导管(17)从下部通风装置空间部分(16)延伸，经过所述圆柱形壁(4)至所述圆柱形壁的环形顶面。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的日射强度计(1)，其中在所述环形顶面具有所述空气导管的开口(22,18)的装置的定向响应与没有所述空气导管的类似装置的定向响应相同。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的日射强度计(1)，其中在所述传感器主体(3)上或所述传感器主体(3)内部设置有电加热器(9)。

6.根据前述权利要求中任意一项所述的日射强度计(1)，其中所述通风装置(10)产生热量，所述热量通过所述通风装置产生的空气位移被传送至所述内部窗户和外部窗户(6,7)之间的空间。

7.根据权利要求5或6所述的日射强度计，其中所述通风装置(10)和/或电加热器(9)产生的热量与面向天空的装置部件，如内部窗户和外部窗户(6,7)，通过远红外线辐射损失的热量大致相当。

8.根据前述权利要求中任意一项所述的日射强度计，其中所述加热器和通风装置合计产生的能量在0.5W至5W之间。