CN114296153B - 一种光电式数字日照计核查装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光电式数字日照计核查装置，包括：方位调节盘、驱动装置、太阳辐射参考标准器、寻北仪、控制器和数据处理计算机，方位调节盘水平设置于一平台上；驱动装置能够驱动方位调节盘绕一竖直轴转动；太阳辐射参考标准器和待测日照计均固定设置于方位调节盘上，寻北仪用于检测自身朝向与地理真北方向的偏角并将该偏角信息传输至控制器，太阳辐射参考标准器、待测日照计的太阳辐射和寻北仪朝向同一方向，控制器根据偏角信息控制驱动装置驱动方位调节盘转动至寻北仪朝地理真北方向；数据处理计算机用于收集太阳辐射参考标准器和待测日照计所接收的太阳辐射值，本发明提供的光电式数字日照计核查装置能够提升日照计核查结果的可靠性。

Description

一种光电式数字日照计核查装置

技术领域

本发明涉及检测、校准设备技术领域，特别是涉及一种光电式数字日照计核查装置。

背景技术

光电式数字日照计是用来检测一地的日照情况的，传统的室外校准使用的测试装置主要组成及性能要求如下：

(1)室外校准设备。

①标准直接辐射表：测量性能符合《标准直接辐射表》(GB/T 33706—2017)。

②全自动太阳跟踪器：跟踪性能符合《直接辐射测量用全自动太阳跟踪器》(GB/T33692—2017)。

③数据采集器：最大允许误差±10μV，可使用六位半数字多用表。

(2)室外校准方法

①将标准直接辐射表安装在太阳跟踪器上，被校准日照计安置在室外平台上，两者距离不超过5米。

②对数据采集器和日照计进行校时，两者时间差不超过1秒。

③将标准直接辐射表连接数据采集器进行直接辐照度连续测量，测量频率不低于每10秒一次。

④用计算机连续采集被校准日照计的直接辐照度数据。测量时间内至少包含三个晴天，且仅取日出或日落时间段的数据。测量期间禁止人员靠近测量场地，以免遮蔽或反射日光对测量结果造成影响。+

上述光电式数字日照计测试装置和方法具备以下缺陷：

①按照中国气象局《光电式数字日照计观测规范(试行)》要求+，被测设备需要较为准确的指北安装(误差范围±5°)。现有方法没有指示被测设备指北偏角的方法，不利于保证测试结果的一致性。

真子午线方向即真北方向，磁子午线方向即磁北方向。现有方法也没有明确是按照真子午线指北或磁子午线指北，有可能造成人为偏差。

②将直接辐射表安装在全自动太阳跟踪器的过程中，难以保证直接辐射表和全自动太阳跟踪器的轴线平行。且长时间使用后，机械传动部件引入误差的随机性较高，难以准确评估误差范围。

③按照观测规范，被测设备和直接辐射表均须水平安装。现有测试方法中所用的检测仪器中没有可调节水平面的固定平台，且被测设备和装有直接辐射表的全自动太阳跟踪器分别安装在不同的底座上，与水平面夹角的不一致将增大检测误差。

④现有检测方法需要使用6位半数字表测量直接辐射表输出的μV级直流电压信号。在不同实验环境实地操作时，易受信号电缆接线方式、模拟信号耦合匹配、电源噪声、接地电阻及人体静电等多种干扰，增大检测误差。

⑤云体中的水滴、冰晶是影响散射辐射的直接因子。目前，我国气象部门观测站对云的观测主要是定时目测，但且云的分布瞬息万变，很难准确地对其进行定量化。当云层不是连续分布时，由于“云隙效应”的影响，散射辐射观测值将偏小。尽管不同地区、不同环境条件以及不同时空尺度下可用不同的散射辐射分割模型估算散射辐射，但估算结果不能用于误差校准。为减少因天空散射不均匀时段对被测设备核查结果的影响，需剔除核查场地上空云层运动变化期间的观测数据样本。

因此，亟需一种新型的光电式数字日照计核查装置来解决上述一种或多种缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种光电式数字日照计核查装置，以解决上述现有技术存在的问题，提升日照计核查结果的可靠性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种光电式数字日照计核查装置，包括：

方位调节盘，所述方位调节盘水平设置于一平台上；

驱动装置，所述驱动装置能够驱动所述方位调节盘绕一竖直轴转动；

太阳辐射参考标准器，所述太阳辐射参考标准器和待测日照计均固定设置于所述方位调节盘上，所述太阳辐射参考标准器和所述待测日照计的轴线平行；

寻北仪和控制器，所述寻北仪用于检测自身朝向与地理真北方向的偏角并将该偏角信息传输至所述控制器，所述太阳辐射参考标准器、所述待测日照计的太阳辐射和所述寻北仪朝向同一方向，所述控制器根据所述偏角信息控制所述驱动装置驱动所述方位调节盘转动至所述寻北仪朝向地理真北方向；

数据采集处理计算机，所述数据采集处理计算机用于收集所述太阳辐射参考标准器和所述待测日照计所接收的太阳辐射值并处理数据。

优选的，所述寻北仪采用微机电陀螺寻北仪。

优选的，还包括电子水平仪，所述平台通过多个调节螺栓固定设置于一支架上，通过调节所述调节螺栓来调节所述平台与水平面的夹角，所述电子水平仪用于实时显示所述平台与水平面之间的夹角。

优选的，太阳辐射参考标准器包括两台多功能太阳辐射传感器，所述多功能太阳辐射传感器能够同时测量太阳总辐射、散射辐射和直接辐射。

优选的，还包括集成式环境传感器，所述集成式环境传感器设置于所述平台上，所述集成式环境传感器用于检测周围的环境参数。

优选的，所述环境参数包括气温、相对湿度和风速。

优选的，还包括全天空成像仪，所述全天空成像仪用于记录所述平台正上方对空视场角在5°±0.1°范围内云量为零的时间段。

优选的，包括双路精密直流电源，所述双路精密直流电源的一路为所述待测日照计、所述多功能太阳辐射传感器及所述寻北仪供电，另一路为所述驱动装置和所述控制器供电。

优选的，所述方位调节盘上设置有三条导轨，且三条所述导轨之间具备间隔，所述太阳辐射参考标准器、所述寻北仪和所述待测日照计分别按照各自的轴向固定设置于三条所述导轨上。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的光电式数字日照计核查装置通过控制器、寻北仪、驱动装置以及方位调节盘来实现设备的自动定北指向功能，保障待测日照计和太阳辐射参考标准器均朝向地理真北方向设置；且将待测日照计和太阳辐射参考标准器安装在同一水平基准面可进一步降低对比测量误差；且本装置未设置全自动太阳跟踪器，可避免由机械传动误差造成的不确定性误差，进而减小核查的误差，提升日照计核查结果的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的光电式数字日照计核查装置的俯视图；

图中：1-平台、3-方位调节盘、4-驱动装置、5-控制器、6-寻北仪、7-电子水平仪、8-多功能太阳辐射传感器A、9-多功能太阳辐射传感器B、10-待测日照计、11、12、13分别为三条导轨、14-调节螺栓、15-集成式环境传感器、16-双路精密直流电源、17-数据采集处理计算机、18-全天空成像仪。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种光电式数字日照计核查装置，以解决现有技术存在的问题，提升日照计核查结果的可靠性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种光电式数字日照计核查装置，如图1所示，包括：

方位调节盘3，方位调节盘3为一圆盘，方位调节盘3水平设置于一平台1上；

驱动装置4，驱动装置4为步进电动机，驱动装置4能够驱动方位调节盘3绕一竖直轴转动；

太阳辐射参考标准器，太阳辐射参考标准器和待测日照计10均固定设置于方位调节盘3上，太阳辐射参考标准器和待测日照计10的轴线平行；

寻北仪6和控制器5，寻北仪6用于检测自身朝向与地理真北方向的偏角并将该偏角信息传输至控制器5，太阳辐射参考标准器、待测日照计10的太阳辐射和寻北仪6朝向同一方向，控制器5根据偏角信息控制驱动装置4驱动方位调节盘3转动至寻北仪6朝向地理真北方向；

数据采集处理计算机，数据采集处理计算机用于收集太阳辐射参考标准器和待测日照计10所接收的太阳辐射值并处理数据。

本发明提供的光电式数字日照计核查装置通过控制器5、寻北仪6、驱动装置4以及方位调节盘3来实现设备的自动定北指向功能，保障待测日照计10和太阳辐射参考标准器均朝向地理真北方向设置；且将待测日照计10和太阳辐射参考标准器安装在同一水平基准面可进一步降低对比测量误差；且本装置未设置全自动太阳跟踪器，可避免由机械传动误差造成的不确定性误差，进而减小核查的误差，提升日照计核查结果的可靠性。

进一步的，寻北仪6采用微机电陀螺寻北仪，微机电陀螺寻北仪不受周围磁性物体或磁场的影响，可输出与地理真北方向的偏角。

进一步的，光电式数字日照计核查装置还包括电子水平仪7，依据计量检定规程《JJG 103-2005电子水平仪和合像水平仪》，平台1通过多个调节螺栓14固定设置于一支架上，支架由铝型材加工组合而成的桌式支架，不易晃动，高度为1.5m，上端面尺寸为1m×1m，作为整套装置的稳定支撑部件，通过调节调节螺栓14来调节平台1与水平面的夹角，电子水平仪7用于实时显示平台1与水平面之间的夹角，工作人员通过调节螺栓14可调节平台1的水平度，平台1的水平度控制在±0.5°范围内，减小平台1因倾角太大而引起测量误差。

进一步的，太阳辐射参考标准器包括两台多功能太阳辐射传感器，多功能太阳辐射传感器能够同时测量太阳总辐射、散射辐射和直接辐射，多功能太阳辐射传感器为宽光谱热电式多功能太阳辐射传感器，多功能太阳辐射传感器的总辐照度和散射辐照度的测量误差为：±5％(日积分)，日照时数测量误差：±10％(相对于阈值120W/m2)。多功能太阳辐射传感器可由国家气象计量站进行总辐射、散射辐射和直接辐射示值校准，从而建立日照时数-太阳辐射强度的溯源链，多功能太阳辐射传感器可测量太阳总辐射和散射辐射强度，间接计算出直接辐射强度和日照时数，作为日照时数核查参考标准值。两台多功能太阳辐射传感器可进行示值相互校验，当二者示值偏差大于5％时，对比观测数据不用于分析被测设备测量误差。

进一步的，光电式数字日照计核查装置还包括集成式环境传感器15，集成式环境传感器15设置于平台1上，集成式环境传感器15用于检测周围的环境参数。

进一步的，环境参数包括气温、相对湿度和风速。

进一步的，光电式数字日照计核查装置还包括全天空成像仪18，全天空成像仪18用于记录平台1正上方对空视场角在5°±0.1°范围内云量为零的时间段，用于选取观测数据样本，减少因天空散射不均匀时段对被测设备核查结果的影响，需剔除核查场地上空云层运动变化期间的观测数据样本。

进一步的，包括双路精密直流电源16，双路精密直流电源16的一路为待测日照计10、多功能太阳辐射传感器及寻北仪6供电，另一路为驱动装置4和控制器5供电，减少电源波动或电源干扰造成的误差。

进一步的，方位调节盘3上设置有三条导轨，且三条导轨之间具备间隔，太阳辐射参考标准器、寻北仪6和待测日照计10分别按照各自的轴向固定设置于三条导轨上。

进一步的，数据采集处理计算机17用于采集待测日照计日照时数和直接辐射示值、多功能太阳辐射传感器总辐射、散射辐射和直接辐射示值、记录真北偏角、水平倾角及环境参数，选取云量为零时段的观测数据样本，分析处理被测设备误差范围。

待测日照计与参考标准器室外同步对比观测，判断待测日照计阈值测量是否准确，同时同步采集待测日照计测量日照时数作为被校参数，同步比较两者之间的误差，判断待测日照计日照时数测量数据是否准确，分析日照计日照时数测量数据误差范围。此核查装置还可提升省级气象计量部门数字日照计故障初判能力，提高观测数据的准确性和可靠性。

操作方法如下：

1.根据电子水平仪7读数，手动调节平台1与水平面的夹角范围在±0.5°以内。

2.启动微机电陀螺寻北仪6、驱动装置4及控制器5，使得方向调节圆盘上的三条轴向平行导轨真北指向。

3.安装固定待测日照计10和多功能太阳辐射传感器，并调试至正常观测。启动集成式环境传感器15，测量气温、相对湿度、气压和风速数据。

4.数据采集处理计算机17读取待测日照计10和两台多功能太阳辐射传感器的示值，记录环境参数。由公式(1)分别计算两台多功能太阳辐射传感器总辐照度示值偏差及散射辐照度示值偏差。当示值偏差大于5％时，观测数据不用于分析被测设备测量误差。

式中：

W_s——多功能太阳辐射传感器A、B的示值偏差；

W_A——多功能太阳辐射传感器A辐照度示值，单位W/m²；

W_B——多功能太阳辐射传感器B辐照度示值，单位W/m²；

——多功能太阳辐射传感器A、B的辐照度示值均值，单位W/m²。

5.日照时数测量误差数据处理

日照时数核查时间至少包括3个白天。将多功能太阳辐射传感器大于或等于120W/m²的直接辐照度的时间累计，作为日照时数的参考标准值。根据如下公式(2)，计算待测日照计10的日照时数测量误差。

式中：

R_si——第i天待测日照计10日照时数测量误差；

R_i——第i天待测日照计10的日累计日照时数值，单位为小时(h)；

R_0i——第i天多功能太阳辐射传感器的日累计日照时数，即参考标准值，单位为小时(h)；

i——核查有效白天数。

将i个有效白天的日照时数测量误差求均值，作为待测日照计10的日照时数测量误差。当日照时数测量误差不超过±10％时，判为日照时数满足技术要求。

6.直接辐照度阈值误差数据处理

阈值误差核查一般在日出后或日落前的较短时间内进行。多功能太阳辐射传感器的直接辐照度为阈值参考标准值。每组参考标准值输出介于(120±24)W/m²范围的数据量不少于5个，有效测量组数不少于2组。根据如下公式(3)，计算待测日照计10的直接辐照度阈值误差。

式中：

E_si——第i组待测日照计10的直接辐照度阈值误差；

E_i——第i组待测日照计10的直接辐照度算术平均值，单位为W/m²；

E_0i——第i组多功能太阳辐射传感器的直接辐照度算术平均值，即参考标准值，单位为W/m²；

i——有效测量组数。

将i个有效测量组数的直接辐照度阈值误差求均值，作为待测日照计10的直接辐照度阈值误差。当直接辐照度阈值误差不超过±20％时，判为阈值误差满足技术要求。

实施效果

2021年野外实测对比观测数据表明，作为本发明参考标准的多功能太阳辐射传感器的总辐射、散射辐射及直接辐射同工作级总辐射表标准器、工作级直接辐射表的示值误差在5％以内，可用于日照计日照时数、阈值核查工作。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种光电式数字日照计核查装置，其特征在于：包括：

方位调节盘，所述方位调节盘水平设置于一平台上；

驱动装置，所述驱动装置能够驱动所述方位调节盘绕一竖直轴转动；

太阳辐射参考标准器，所述太阳辐射参考标准器和待测日照计均固定设置于所述方位调节盘上，所述太阳辐射参考标准器和所述待测日照计的轴线平行；

寻北仪和控制器，所述寻北仪用于检测自身朝向与地理真北方向的偏角并将该偏角信息传输至所述控制器，所述太阳辐射参考标准器、所述待测日照计的太阳辐射和所述寻北仪朝向同一方向，所述控制器根据所述偏角信息控制所述驱动装置驱动所述方位调节盘转动至所述寻北仪朝向地理真北方向；

数据采集处理计算机，所述数据采集处理计算机用于收集所述太阳辐射参考标准器和所述待测日照计所接收的太阳辐射值并处理数据；

太阳辐射参考标准器包括两台多功能太阳辐射传感器，所述多功能太阳辐射传感器能够同时测量太阳总辐射、散射辐射和直接辐射；

还包括集成式环境传感器，所述集成式环境传感器设置于所述平台上，所述集成式环境传感器用于检测周围的环境参数；

所述环境参数包括气温、相对湿度和风速；

还包括全天空成像仪，所述全天空成像仪用于记录所述平台正上方对空视场角在5°±0.1°范围内云量为零的时间段；

包括双路精密直流电源，所述双路精密直流电源的一路为所述待测日照计、所述多功能太阳辐射传感器及所述寻北仪供电，另一路为所述驱动装置和所述控制器供电；

所述方位调节盘上设置有三条导轨，且三条所述导轨之间具备间隔，所述太阳辐射参考标准器、所述寻北仪和所述待测日照计分别按照各自的轴向固定设置于三条所述导轨上；

数据采集处理计算机用于采集待测日照计日照时数和直接辐射示值、多功能太阳辐射传感器总辐射、散射辐射和直接辐射示值、记录真北偏角、水平倾角及环境参数，选取云量为零时段的观测数据样本，分析处理被测设备误差范围；

待测日照计与参考标准器室外同步对比观测，判断待测日照计阈值测量是否准确，同时同步采集待测日照计测量日照时数作为被校参数，同步比较两者之间的误差，判断待测日照计日照时数测量数据是否准确，分析日照计日照时数测量数据误差范围；

操作方法如下：

(1).根据电子水平仪读数，手动调节平台与水平面的夹角范围在±0.5°以内；

(2).启动寻北仪、驱动装置及控制器，使得方向调节圆盘上的三条轴向平行导轨真北指向；

(3).安装固定待测日照计和多功能太阳辐射传感器，并调试至正常观测；启动集成式环境传感器，测量气温、相对湿度、气压和风速数据；

(4).数据采集处理计算机读取待测日照计和两台多功能太阳辐射传感器的示值，记录环境参数；由公式(1)分别计算两台多功能太阳辐射传感器总辐照度示值偏差及散射辐照度示值偏差；当示值偏差大于5％时，观测数据不用于分析被测设备测量误差；

式中：

W_s——多功能太阳辐射传感器A、B的示值偏差；

W_A——多功能太阳辐射传感器A辐照度示值，单位W/m²；

W_B——多功能太阳辐射传感器B辐照度示值，单位W/m²；

——多功能太阳辐射传感器A、B的辐照度示值均值，单位W/m²；

(5).日照时数测量误差数据处理

日照时数核查时间至少包括3个白天；将多功能太阳辐射传感器大于或等于120W/m²的直接辐照度的时间累计，作为日照时数的参考标准值；根据如下公式(2)，计算待测日照计的日照时数测量误差；

式中：

R_si——第i天待测日照计日照时数测量误差；

R_i——第i天待测日照计的日累计日照时数值，单位为小时(h)；

R_0i——第i天多功能太阳辐射传感器的日累计日照时数，即参考标准值，单位为小时(h)；

i——核查有效白天数；

将i个有效白天的日照时数测量误差求均值，作为待测日照计的日照时数测量误差；当日照时数测量误差不超过±10％时，判为日照时数满足技术要求；

(6).直接辐照度阈值误差数据处理

阈值误差核查在日出后或日落前的较短时间内进行；多功能太阳辐射传感器的直接辐照度为阈值参考标准值；每组参考标准值输出介于(120±24)W/m²范围的数据量不少于5个，有效测量组数不少于2组；根据如下公式(3)，计算待测日照计的直接辐照度阈值误差；

式中：

E_si——第i组待测日照计的直接辐照度阈值误差；

E_i——第i组待测日照计的直接辐照度算术平均值，单位为W/m²；

E_0i——第i组多功能太阳辐射传感器的直接辐照度算术平均值，即参考标准值，单位为W/m²；

i——有效测量组数；

将i个有效测量组数的直接辐照度阈值误差求均值，作为待测日照计的直接辐照度阈值误差；当直接辐照度阈值误差不超过±20％时，判为阈值误差满足技术要求。

2.根据权利要求1所述的光电式数字日照计核查装置，其特征在于：所述寻北仪采用微机电陀螺寻北仪。

3.根据权利要求1所述的光电式数字日照计核查装置，其特征在于：还包括电子水平仪，所述平台通过多个调节螺栓固定设置于一支架上，通过调节所述调节螺栓来调节所述平台与水平面的夹角，所述电子水平仪用于实时显示所述平台与水平面之间的夹角。