CN109406009A - 基于高空气球飞行平台的多路大气温度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大气温度测量装置，尤其是一种基于高空气球飞行平台的多路大气温度测量装置，属于高空气象要素观测的技术领域。按照本发明提供的技术方案，所述基于高空气球飞行平台的多路大气温度测量装置，包括用于收纳数据采集存储单元的载荷舱，在所述载荷舱的上表面设置用于测量温度的上端表面温度测量单元，在载荷舱的下表面设置用于测量温度的下端表面温度测量单元以及悬挂温度测量单元，所述上端表面温度测量单元、下端表面温度测量单元以及悬挂温度测量单元均与数据采集存储单元电连接；本发明结构紧凑，测量精度高，抗干扰能力强，能为高空天气分析预报和气候变化监测评估提供基础观测数据，增强获取平流层大气温度的原位探测能力。

Description

基于高空气球飞行平台的多路大气温度测量装置

技术领域

本发明涉及一种大气温度测量装置，尤其是一种基于高空气球飞行平台的多路大气温度测量装置，属于高空气象要素观测的技术领域。

背景技术

平流层高空气球平台可携带温度传感器开展高空大气温度观测，飞行过程中获取大时空范围的温度分布特征。太阳辐射、背景辐射、云层辐射等辐射误差是引起高空温度测量误差的最大影响因子。高空气球平台搭载温度传感器随气团整体飘动，相对于大气运动弱。此外，平流层区域的大气密度小，导致温度传感器与周围大气热交换不充分。长时间飞行观测过程中，温度传感器表面辐射热量不断堆积，造成温度传感器测量结果偏高的误差。因此，需要研发基于高空气球平台的多路大气温度探测设备，以便对比分析不同设计安装大气温度测量装置受辐射影响的探测差异。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种基于高空气球飞行平台的多路大气温度测量装置，其结构紧凑，测量精度高，抗干扰能力强，能为高空天气分析预报和气候变化监测评估提供基础观测数据，增强获取平流层大气温度的原位探测能力。

按照本发明提供的技术方案，所述基于高空气球飞行平台的多路大气温度测量装置，包括用于收纳数据采集存储单元的载荷舱，在所述载荷舱的上表面设置用于测量温度的上端表面温度测量单元，在载荷舱的下表面设置用于测量温度的下端表面温度测量单元以及悬挂温度测量单元，所述上端表面温度测量单元、下端表面温度测量单元以及悬挂温度测量单元均与数据采集存储单元电连接；

所述上端表面温度测量单元包括上端第一温度传感器、上端第二温度传感器以及与所述上端第二温度传感器配合的上轴流风机，通过上轴流风机能抽动空气流动吹过上端第二温度传感器的表面；下端表面温度测量单元包括下端第一温度传感器、下端第二温度传感器以及与所述下端第二温度传感器配合的下轴流风机，通过下轴流风机能抽动空气流动吹过下端第二温度传感器的表面；所述悬挂温度测量单元包括连接导线以及位于所述连接导线端部的悬挂温度传感器，悬挂温度传感器通过连接导线与数据采集存储单元电连接；

数据采集存储单元能采集并存储上端第一温度传感器、上端第二温度传感器、下端第一温度传感器、下端第二温度传感器以及悬挂温度传感器相对应的测量温度。

所述上端第一温度传感器、上端第二温度传感器、下端第一温度传感器、下端第二温度传感器以及悬挂温度传感器均采用珠状温度传感器。

所述载荷舱呈长方体状，在载荷舱的侧面设置贯通载荷舱侧面的侧面窗口。

在所述载荷舱内还设置用于供电的电池，所述电池以及数据采集存储单元均通过硬质泡沫置于载荷舱内，数据采集存储单元包括数据采集器以及与所述数据采集器电连接的数据存储器，所述数据采集器与数据存储器之间通过RS232串口连接。

所述连接导线的表面具有导线表面抗辐射涂层。

所述载荷舱的表面设置载荷舱抗辐射涂层。

所述上轴流风机通过上轴流风机架安装于载荷舱的上表面，上轴流风机采用抽气工作模式，上端第二温度传感器通过上端第二温度传感器支架安装于载荷舱的上表面，上端第二温度传感器与上轴流风机的抽风口对应。

所述下轴流风机通过下轴流风机架安装于载荷舱的下表面，下轴流风机采用抽气工作模式，下端第二温度传感器通过下端第二温度传感器支架安装于载荷舱的下表面，下端第二温度传感器与下轴流风机的抽风口对应。

所述连接导线的长度为2米~3米。

所述上端第一温度传感器、上端第二温度传感器、下端第一温度传感器、下端第二温度传感器以及悬挂温度传感器上均涂覆有测温抗辐射涂层。

本发明的优点：在载荷舱内设置数据采集存储单元，在载荷舱的上表面设置上端表面温度测量单元，在载荷舱的下表面设置下端表面温度测量单元以及悬挂温度测量单元；由高空气球观测平台携带升空，到达高空平流层指定高度后随气团飘动开展大气温度观测，用来对比分析不同设计安装温度传感器对探测结果的影响；可显著提升平流层高空大气探测技术，并可为平流层大气关键特征及其机理的观测研究提供关键的原位探测设备。基于此设备的高时空分辨率探测资料可为提高天气系统分析预报和气候变化监测评估提供基础观测数据，增强获取平流层大气温度的原位探测能力，对国家防灾减灾和应对气候变化至关重要。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的立体图。

附图标记说明：1-载荷舱、2-侧面窗口、3-上轴流风机、4-上端第一温度传感器支架、5-上端第一温度传感器、6-下轴流风机、7-下端第一温度传感器、8-连接导线、9-悬挂温度传感器、10-上轴流风机架、11-上端第二温度传感器、12-上端第二温度传感器支架、13-下轴流风机架、14-下端第二温度传感器支架、15-下端第二温度传感器以及16-下端第一温度传感器支架。

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和图2所示：为了能为高空天气分析预报和气候变化监测评估提供基础观测数据，增强获取平流层大气温度的原位探测能力，本发明包括用于收纳数据采集存储单元的载荷舱1，在所述载荷舱1的上表面设置用于测量温度的上端表面温度测量单元，在载荷舱1的下表面设置用于测量温度的下端表面温度测量单元以及悬挂温度测量单元，所述上端表面温度测量单元、下端表面温度测量单元以及悬挂温度测量单元均与数据采集存储单元电连接；

所述上端表面温度测量单元包括上端第一温度传感器5、上端第二温度传感器11以及与所述上端第二温度传感器11配合的上轴流风机3，通过上轴流风机3能抽动空气流动吹过上端第二温度传感器11的表面；下端表面温度测量单元包括下端第一温度传感器7、下端第二温度传感器15以及与所述下端第二温度传感器15配合的下轴流风机6，通过下轴流风机6能抽动空气流动吹过下端第二温度传感器15的表面；所述悬挂温度测量单元包括连接导线8以及位于所述连接导线8端部的悬挂温度传感器9，悬挂温度传感器9通过连接导线8与数据采集存储单元电连接；

数据采集存储单元能采集并存储上端第一温度传感器5、上端第二温度传感器11、下端第一温度传感器7、下端第二温度传感器15以及悬挂温度传感器9相对应的测量温度。

具体地，所述载荷舱1呈长方体状，在载荷舱1的侧面设置贯通载荷舱1侧面的侧面窗口2，载荷舱1可以采用镁铝合金制成，以减少载荷舱1的重量。在载荷舱1的侧面设置侧面窗口2后，在不影响对大气温度测量的情况下，进一步减轻载荷舱1的重量。所述载荷舱1的表面设置载荷舱抗辐射涂层，在载荷舱1的外表面涂覆载荷舱抗辐射涂层后，能有效减少太阳辐射的吸收，载荷舱抗辐射涂层可以采用现有常用的抗太阳辐射的材料制成。

本发明实施例中，在所述载荷舱1内还设置用于供电的电池，所述电池以及数据采集存储单元均通过硬质泡沫置于载荷舱1内，数据采集存储单元包括数据采集器以及与所述数据采集器电连接的数据存储器，所述数据采集器与数据存储器之间通过RS232串口连接。

具体实施时，高空平流层为低温大气环境，为了保温，将电池以及数据采集存储单元通过硬质泡沫置于载荷舱1内，通过数据采集器能采集数据，通过数据存储器能存储数据采集器采集后的数据，数据采集器、数据存储器均可以采用现有常用的形式，具体为本技术领域人员所熟知。具体地，数据采集器与上端第一温度传感器5、上端第二温度传感器11、下端第一温度传感器7、下端第二温度传感器15、悬挂温度传感器9、上轴流风机3以及下轴流风机6电连接，从而数据采集器能采集上端第一温度传感器5、上端第二温度传感器11、下端第一温度传感器7、下端第二温度传感器15以及悬挂温度传感器9相应检测的温度值，并能采集上轴流风机3、下轴流风机6相对应的风机转速、工作电压以及工作温度，并将上述采集的温度值、相应风机转速、工作电压以及工作温度存储在数据存储器内。

具体实施时，为快速排查供电故障和稳定系统工作模式，本发明采用12V直流胶体电池两级供电模式，所述电池安装于载荷舱1的泡沫内部，与数据采集存储单元相邻，并自系统启动后始终进行供电。第一级由总电池给数据采集器和数据存储器供电，所有传感器经数据采集器供电并进行数据采集。同时，上轴流风机3、下轴流风机6也均由数据采集器供电并进行相关数据的采集。

进一步地，所述上端第一温度传感器5、上端第二温度传感器11、下端第一温度传感器7、下端第二温度传感器15以及悬挂温度传感器9均采用珠状温度传感器。

理论上温度传感器体积越小，则吸收辐射能量越少，散热也越快，受辐射影响越小。日间主要考虑太阳短波辐射影响，夜间可以忽略太阳短波影响，仅需要考虑大气长波影响。因此，本发明实施例中，所述上端第一温度传感器5、上端第二温度传感器11、下端第一温度传感器7、下端第二温度传感器15以及悬挂温度传感器9均采用珠状温度传感器。为了减小长波与短波辐射影响，温度传感器表面采用涂层处理，即所述上端第一温度传感器5、上端第二温度传感器11、下端第一温度传感器7、下端第二温度传感器15以及悬挂温度传感器9上均涂覆有测温抗辐射涂层。测温抗辐射涂层可以采用现有常用的涂层材料，如镀铝涂层等，具体涂层材料的类型等均为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。本发明实施例中，所提到的抗辐射涂层均可以采用镀铝涂层。

进一步地，所述连接导线8的长度为2米~3米。本发明实施例中，所述连接导线8的表面具有导线表面抗辐射涂层，利用导线表面抗辐射涂层能减少太阳辐射的吸收影响，提高温度测量的精度。

进一步地，所述上轴流风机3通过上轴流风机架10安装于载荷舱1的上表面，上轴流风机3采用抽气工作模式，上端第二温度传感器11通过上端第二温度传感器支架12安装于载荷舱1的上表面，上端第二温度传感器11与上轴流风机3的抽风口对应。

所述下轴流风机6通过下轴流风机架13安装于载荷舱1的下表面，下轴流风机6采用抽气工作模式，下端第二温度传感器15通过下端第二温度传感器支架14安装于载荷舱1的下表面，下端第二温度传感器15与下轴流风机6的抽风口对应。

本发明实施例中，上轴流风机3、下轴流风机6均采用现有常用的形式，均可以通过外购等方式获得，且上轴流风机3、下轴流风机6均采用抽气工作模式。上端第一温度传感器5、上端第二温度传感器11距离载荷舱1上端表面的高度为10cm附近，下端第一温度传感器7以及下端第二温度传感器15距离载荷舱1下端表面的高度也为10cm左右。上端第一温度传感器5通过上端第一温度传感器支架4安装于载荷舱1的上表面，下端第一温度传感器7通过下端第一温度传感器支架16安装于载荷舱1的下表面。在上端第一温度传感器支架4内埋设有连接上端第一温度传感器5与数据采集器的导线，同理，在上端第二温度传感器支架12内埋设用于连接上端第二温度传感器11与数据采集器的导线。在下端第一温度传感器支架16内埋设用于电连接下端第一温度传感器7与数据采集器的导线，在下端第二温度传感器支架14内埋设用于连接下端第二温度传感器15与数据采集器的导线。本发明实施例中，上端第一温度传感器支架4、上端第二温度传感器支架12、下端第一温度传感器支架16以及下端第二温度传感器支架14上也均需涂覆抗反射涂层。

具体实施时，整套探测设备由高空气球平台携带升空，到达指定高度后随气团飘动并开展观测，长时间提供高空平流层区域内多路大气温度的原位探测。对于载荷舱1上表面的上端第一温度传感器5以及上端第二温度传感器11，上端第二温度传感器11与上轴流风机3对应，利用上轴流风机3强制抽动空气流动吹过上端第二温度传感器11表面，加强上端第二温度传感器11与周围空气的热交换，带走上端第二温度传感器11表面由于辐射引起的热量，所述上端第二温度传感器11测量的温度值为Tu1。上端第一温度传感器5的测量温度值为Tu2。与上表面相似，载荷舱1下表面的下端第二温度传感器15与下轴流风机6对应，下端第二温度传感器15测量的温度值为Td1，下端第一温度传感器7测量的温度为Td2。

载荷舱1上表面温度传感器受太阳照射，会有太阳短波辐射引起的温度测量误差。由于载荷舱1遮挡，放置于载荷舱1下表面的下端第一温度传感器7、下端第二温度传感器15会在一定时段内处于载荷舱1阴影中。该遮挡时段，可通过太阳天顶角、载荷舱1的尺寸和下端第一温度传感器7、下端第二温度传感器15的安装位置关系计算得出，具体计算过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。载荷舱1下表面处于遮挡时段，下端第一温度传感器7、下端第二温度传感器15接收太阳短波辐射弱，理论上其温度测量结果应该更为准确。

此外，在载荷舱1具有悬挂温度传感器9，所述悬挂温度传感器9测量温度值为To。由于悬挂温度传感器9远离载荷舱1，受载荷舱1反射的太阳辐射应该小于上端第一温度传感器5、上端第二温度传感器11、下端第一温度传感器7以及下端第二温度传感器15所受到相应的太阳辐射。

数据采集器采集上端第一温度传感器5、上端第二温度传感器11、下端第一温度传感器7、下端第二温度传感器15以及悬挂温度传感器9相应的温度测量值后，通过联合分析不同的温度测量值，可对比分析不同设计受太阳辐射影响引起的探测差异。其中，

1）、Tu2-Tu1为上表面的上端第一温度传感器5与上端第二温度传感器11间（即太阳短波辐射照射情况下）辐射热量堆积（Tu2）和热量强制交换（Tu1）之间的差异；

2）、Td2-Td1为载荷舱1下表面的下端第一温度传感器7与下端第二温度传感器15（即存在太阳短波辐射遮挡情况下）辐射热量堆积（Td2）和热量强制交换（Td1）之间的差异；

3）、Tu1-Td1为辐射热量强制交换情况下，载荷舱1上表面的上端第二温度传感器11（即太阳短波辐射照射情况下温度测量值Tu1）与载荷舱1下表面温的下端第二度传感器15（即存在太阳短波辐射遮挡情况下温度测量值Td1）的温度测量差异；

4）、Tu1-To为放置于载荷舱1上表面的上端第二温度传感器11（即太阳短波辐射照射、且辐射热量强制交换情况下温度测量值Tu1）与远离载荷舱1的悬挂温度温度传感器（受载荷舱辐射影响较小情况下温度测量值To）测量结果的差异；

5）、Td1-To为放置于载荷舱1下表面的下端第二温度传感器15（即存在太阳短波辐射遮挡、且辐射热量强制交换条件下温度测量值Td1）与远离载荷舱1的悬挂温度传感器9（受载荷舱辐射影响较小情况下温度测量值To）温度测量结果的差异。

本发明由高空气球观测平台携带升空，到达高空平流层指定高度后随气团飘动开展大气温度观测，用来对比分析不同设计安装温度传感器对探测结果的影响；可显著提升平流层高空大气探测技术，并可为平流层大气关键特征及其机理的观测研究提供关键的原位探测设备。基于此设备的高时空分辨率探测资料可为提高天气系统分析预报和气候变化监测评估提供基础观测数据，增强获取平流层大气温度的原位探测能力，对国家防灾减灾和应对气候变化至关重要。

Claims (10)

1.一种基于高空气球飞行平台的多路大气温度测量装置，其特征是：包括用于收纳数据采集存储单元的载荷舱（1），在所述载荷舱（1）的上表面设置用于测量温度的上端表面温度测量单元，在载荷舱（1）的下表面设置用于测量温度的下端表面温度测量单元以及悬挂温度测量单元，所述上端表面温度测量单元、下端表面温度测量单元以及悬挂温度测量单元均与数据采集存储单元电连接；

所述上端表面温度测量单元包括上端第一温度传感器（5）、上端第二温度传感器（11）以及与所述上端第二温度传感器（11）配合的上轴流风机（3），通过上轴流风机（3）能抽动空气流动吹过上端第二温度传感器（11）的表面；下端表面温度测量单元包括下端第一温度传感器（7）、下端第二温度传感器（15）以及与所述下端第二温度传感器（15）配合的下轴流风机（6），通过下轴流风机（6）能抽动空气流动吹过下端第二温度传感器（15）的表面；所述悬挂温度测量单元包括连接导线（8）以及位于所述连接导线（8）端部的悬挂温度传感器（9），悬挂温度传感器（9）通过连接导线（8）与数据采集存储单元电连接；

数据采集存储单元能采集并存储上端第一温度传感器（5）、上端第二温度传感器（11）、下端第一温度传感器（7）、下端第二温度传感器（15）以及悬挂温度传感器（9）相对应的测量温度。

2.根据权利要求1所述的基于高空气球飞行平台的多路大气温度测量装置，其特征是：所述上端第一温度传感器（5）、上端第二温度传感器（11）、下端第一温度传感器（7）、下端第二温度传感器（15）以及悬挂温度传感器（9）均采用珠状温度传感器。

3.根据权利要求1所述的基于高空气球飞行平台的多路大气温度测量装置，其特征是：所述载荷舱（1）呈长方体状，在载荷舱（1）的侧面设置贯通载荷舱（1）侧面的侧面窗口（2）。

4.根据权利要求1所述的基于高空气球飞行平台的多路大气温度测量装置，其特征是：在所述载荷舱（1）内还设置用于供电的电池，所述电池以及数据采集存储单元均通过硬质泡沫置于载荷舱（1）内，数据采集存储单元包括数据采集器以及与所述数据采集器电连接的数据存储器，所述数据采集器与数据存储器之间通过RS232串口连接。

5.根据权利要求1所述的基于高空气球飞行平台的多路大气温度测量装置，其特征是：所述连接导线（8）的表面具有导线表面抗辐射涂层。

6.根据权利要求1所述的基于高空气球飞行平台的多路大气温度测量装置，其特征是：所述载荷舱（1）的表面设置载荷舱抗辐射涂层。

7.根据权利要求1所述的基于高空气球飞行平台的多路大气温度测量装置，其特征是：所述上轴流风机（3）通过上轴流风机架（10）安装于载荷舱（1）的上表面，上轴流风机（3）采用抽气工作模式，上端第二温度传感器（11）通过上端第二温度传感器支架（12）安装于载荷舱（1）的上表面，上端第二温度传感器（11）与上轴流风机（3）的抽风口对应。

8.根据权利要求1所述的基于高空气球飞行平台的多路大气温度测量装置，其特征是：所述下轴流风机（6）通过下轴流风机架（13）安装于载荷舱（1）的下表面，下轴流风机（6）采用抽气工作模式，下端第二温度传感器（15）通过下端第二温度传感器支架（14）安装于载荷舱（1）的下表面，下端第二温度传感器（15）与下轴流风机（6）的抽风口对应。

9.根据权利要求1所述的基于高空气球飞行平台的多路大气温度测量装置，其特征是：所述连接导线（8）的长度为2米~3米。

10.根据权利要求1所述的基于高空气球飞行平台的多路大气温度测量装置，其特征是：所述上端第一温度传感器（5）、上端第二温度传感器（11）、下端第一温度传感器（7）、下端第二温度传感器（15）以及悬挂温度传感器（9）上均涂覆有测温抗辐射涂层。