DE69626617T2 - Verfahren und Temperaturfühlerstruktur zur Elimination von Strahlungsfehlern - Google Patents
Verfahren und Temperaturfühlerstruktur zur Elimination von StrahlungsfehlernInfo
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Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Beseitigung bzw. zur Unterdrückung von Strahlungsfehlern bei Messungen der atmosphärischen Temperatur.
- Die Erfindung betrifft außerdem eine Struktur eines Temperatursensors.
- Eine der Hauptfehlerquellen bei der Temperaturmessung der oberen Atmosphäre (z. B. mit Hilfe von Radiosonden, Raketensonden und Fallsonden) ist der sogenannte Strahlungsfehler des Temperatursensors. Dieser Fehlertyp wird durch das Absinken der Luftdichte bei größeren Höhen verursacht, wobei die Wärmeübertragung durch Konvektion zwischen dem Temperatursensor und der Luft abnimmt, während gleichzeitig der relative Anteil der Wärmeübertragung durch Strahlung ansteigt. Die hat zur Folge, dass die Sensortemperatur normalerweise von der der Umgebungsluft abweicht, so dass sie je nach den örtlichen Strahlungsverhältnissen in der Atmosphäre höher oder niedriger sein kann.
- Die Wärmeübertragung zwischen dem Sensor und der Atmosphäre wird durch die Gleichung beschrieben:
- -H(Ts - T) - σεATs&sup4; + εR + γS = 0 (1)
- wobei Ts = Sensortemperatur (K)
- Ts = Lufttemperatur (K)
- H = Konvektionswärme-Übertragungskoeffizient (W/K)
- σ = Stefan-Bolzmann-Konstante
- ε = Sensoroberflächen-Emissionsvermögen
- A = Sensoroberfläche (m²)
- R = Strahlungsfluss (W) langweiliger (thermischer) auf den Sensor einfallender Strahlung
- γ - Sensoroberflächen-Absorbtionskoeffizient für kurzwellige (solare) Strahlung
- S = auf den Sensor einfallender Sonnenstrahlungsfluss (W)
- Der erste Term -H(Ts - T) der Gleichung stellt die Wärmeübertragung durch Konvektion dar. Die letzten drei Terme stellen die Wärmeübertragung durch Strahlung dar. Der Term -σεATs&sup4; stellt den Anteil des thermischen Emissionsverlustes des Sensors dar, während der Term εR den Anteil der Wärmestrahlung (d. h. der langwelligen Strahlung, λ 3-40 um) darstellt, der von dem Sensor absorbiert wird. Der Term γS stellt den Anteil der Sonnenstrahlung (d. h. der kurzwelligen Strahlung, λ 0,2-3 um) dar, die von dem Sensor absorbiert wird. Der Anteil der Wärmeübertragung durch Konvektion wurde als vernachlässigbar angenommen.
- Ein Strahlungsfehler kann dadurch verringert werden, dass die Abmessungen des Sensors so klein wie möglich gemacht werden, wobei das Verhältnis der Wärmeübertragung durch Konvektion zur Wärmeübertragung durch Strahlung vergrößert wird. Ein weiterer Ansatz besteht darin, den Sensor mit einem Beschichtungssystem mit kleinstmöglichem Absorbtionskoeffizienten zu beschichten. Beide Verfahren werden bei herkömmlichen Sensor-Ausführungsformen angewandt. Der Strahlungsfehler kann jedoch mit Hilfe dieser Maßnahmen nicht vollständig eliminiert werden, da die Abmessungen und der Absorbtionskoeffizient des Sensors nicht beliebig klein gemacht werden kann.
- Ein Verfahren zur Eliminierung des Strahlungsfehlers, das sich von den oben beschriebenen unterscheidet, basiert auf der Verwendung von drei Sensoren identischer Struktur und Abmessung, die jedoch mit unterschiedlichen Beschichtungssystemen beschichtet sind. Jedes der Beschichtungssysteme weist ein unterschiedliches Emissionsvermögen und einen unterschiedlichen Absorbtionskoeffizienten bezüglich der Sonnenstrahlung auf. Demzufolge haben die parallelen Sensoren unterschiedliche Strahlungsfehler und zeigen unterschiedliche Temperaturen an, deren Werte von den Strahlungsverhältnissen der Atmosphäre abhängen. Anschließend kann für jeden Sensor eine getrennte Wärmeübertragungsgleichung (1) geschrieben werden, woraus sich ein Satz mit drei Gleichungen mit vier unbekannten Variablen T, R, S und H ergibt. Von diesen kann jedoch der Wärmeübertragungskoeffizient H für die Konvektion mit relativ hoher Genauigkeit gewonnen werden, wenn die Form und die Abmessungen des Sensor bekannt sind. Der Rest der unbekannten Variablen, einschließlich der aktuellen Temperatur T der Atmosphäre kann mit Hilfe des Gleichungssystems gewonnen werden.
- Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile der oben beschriebenen Techniken zu überwinden und einen gänzlich neuen Typ eines Verfahrens und einer Sensorstruktur zur Eliminierung des Strahlungsfehlers bereitzustellen.
- Das Ziel der Erfindung wird erreicht, indem lediglich zwei Sensoren verwendet werden, deren Beschichtungssystem auf Materialien mit einem extrem niedrigen Emissionsvermögen und unterschiedlichen Absorbtionskoeffizienten für Sonnenstrahlung verwendet werden.
- Das Verfahren der Erfindung ist insbesondere durch die Merkmale des Kennzeichnens des Anspruchs 1 gekennzeichnet.
- Darüber hinaus ist die Temperatursensorstruktur gemäß der Erfindung durch die Angaben des kennzeichnenden Teil des Anspruchs 9 gekennzeichnet.
- Die Erfindung bietet bedeutende Vorteile.
- Im Verhältnis zu der zuvor erwähnten Anordnung von drei Sensoren, bietet die vorliegende Erfindung eine Anzahl von Vorteilen:
- 1) Nur das Verhältnis der Sonnenstrahlen-Absorbtionskoeffizienten der verwendeten Beschichtungssysteme muss bekannt sein. Dieser Wert ist erheblich leichter zu messen als die Absolutwerte der Absorbtionskoeffizienten und Emissionsvermögen von drei verschiedenen Beschichtungssystemen. Darüber hinaus kann das Verhältnis der Absorbtionskoeffizienten von vorgefertigten, vorbeschichteten Sensoren gemessen werden, während die Absolutwerte der Absorbtionskoeffizienten und Emissionsvermögen nur von planaren Proben gemessen werden kann. Demzufolge liefert das vorliegende Verfahren ein viel genaueres Ergebnis.
- 2) Die Ausstattung zur Messung des Verhältnisses der Absorbtionskoeffizienten ist relativ einfach und schnell einsetzbar, wobei die Verhältnismessung für jedes hergestellte Sensorpaar als Schritt des Produktionsprozesses durchgeführt werden kann. Diese Möglichkeit trägt weiter zur Genauigkeit des Sensorpaares bei.
- 3) Der Wärmeübertragungskoeffizient H wird bei der Berechnung nicht benötigt, da er von dem Gleichungspaar eliminiert wird. Demzufolge wird das Endergebnis von einer möglichen Ungenauigkeit im Bezug auf den Wert dieser Variablen nicht beeinflusst.
- 4) Die Anzahl der in dem Sensor-System erforderlichen Sensoren ist um eins reduziert.
- Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer beispielhaften Ausführungsform ausführlich beschrieben, die in der beigefügten Zeichnung veranschaulicht ist, in der
- Fig. 1 eine Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Ansicht zeigt.
- Gemäß der Erfindung kann die Korrektur des Strahlungsfehlers durch die Verwendung von nur zwei Sensoren durchgeführt werden. Darin werden die Sensoren mit Materialien beschichtet, die ein äußerst niedriges Emissionsvermögen haben, wie dies z. B. bei vielen Metallen der Fall ist. Dadurch werden die langwelligen Strahlungskomponenten der Gleichung (d. h. der Term der Abkühlung auf Grund eines Wärmestrahlungsverlustes des Sensors, -σεATs&sup4;, und der Term, der durch die in dem Sensor absorbierte langwellige Strahlung verursachte Aufwärmung, εR) der Gleichung (1) wird sehr klein, so dass Gleichung (1) in eine approximative Form vereinfacht werden kann:
- -H(Ts - T) + gS = 0 (2)
- Werden die Sensor jetzt mit zwei verschiedenen Metallen beschichtet, von denen jedes ein geringes Emissionsvermögen, jedoch unterschiedliche Absorbtionskoeffizienten für Sonnenstrahlen haben, so erhält man das folgende Gleichungssystem:
- -H(T&sub1; - T) + γ&sub1;S = 0
- -H(T&sub2; - T) + γ&sub2;S = 0 (3)
- Das Gleichungssystem kann nach der tatsächlichen Lufttemperatur T aufgelöst werden:
- T = (kT&sub2; - T&sub1;)/(k - 1), (4)
- wobei k das Absorbtionskoeffizientenverhältnis γ&sub1;/γ&sub2; bedeutet.
- Das Verfahren funktioniert nur unter der gültigen Annahme einer vernachlässigbaren Wärmestrahlung. Dies bedeutet in der Praxis, dass das Verfahren unter Bedingungen von zu geringer Luftgeschwindigkeit oder Luftdruck seine Gültigkeit verliert. Einsatztests haben die Brauchbarkeit des Verfahrens zumindest für alle Arten von Radiosonden- Sondierungen (bei einer Windgeschwindigkeit von mehr als 3 m/s und einem Luftdruck von mehr als 3 hPa) bewiesen, wenn ein Miniatursensor verwendet wird (Durchmesser nicht größer als 1 mm).
- Die Beschichtungen der Sensoreinheiten sind vorzugsweise aus Metallisierungen hergestellt, wobei zwei Metalle mit unterschiedlichen Absorbtionskoeffizienten verwendet werden. Darüber hinaus müssen die verwendeten Metalle korrosionsbeständig sein, so dass ihre Oberfläche in Luft nicht oxidiert und ihre Absorbtionseigenschaften konstant bleiben. Geeignete Metalle sind z. B. Al (γ = 10%), Ag (γ = 10%), Au (γ = 35%) und Ti (γ = 70%) sowie geeignete Kombinationen daraus, wie Al-Au, Al-Ti, Ag-Au und Ag-Ti.
- Wenn eine Radiosonde, Raketensonde oder Fallsonde zur Messung der atmosphärischen Temperatur verwendet wird, kann eine Sondierung durchgeführt werden, indem entweder zwei getrennte Sonden verwendet werden, deren Temperatursensoren mit unterschiedlichen Beschichtungssystemen beschichtet sind, oder eine einzelne Sonde, die die zwei Temperatursensoren trägt, die mit unterschiedlichen Beschichtungssystemen beschichtet sind. Die erstere Methode wurde bei Forschungszwecken zur Bestimmung des Strahlungsfehlers von Temperatursensoren verwendet, während die letztere eher für Sonden geeignet ist, die in Massenfertigung hergestellt werden.
- In Fig. 1 ist eine Radiosonde gezeigt, die mit zwei darin angeordneten Temperatursensoren ausgestattet ist. Die Sonde 1 trägt zwei damit mechanisch verbundene Sensoren 2 und 3, wobei beide Sensoren 2 und 3 geringe Oberflächenemissionsvermögen, jedoch unterschiedliche Absorbtionskoeffizienten für Sonnenstrahlung aufweisen.
Claims (16)
1. Verfahren zur Kompensation eines Strahlungsfehlers bei
Messungen der atmosphärischen Temperatur, insbesondere
unter Verwendung einer Radiosonde, einer Raketensonde oder
einer Fallsonde (1), bei dem jede Messvorrichtung (1) mit
wenigstens einem Temperatursensor (2) ausgestattet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Temperaturmessung im Wesentlichen gleichzeitig mit
Hilfe von genau zwei Temperatursensoren (2, 3) ausgeführt
wird, wobei beide ein geringes
Oberflächen-Emissionsvermögen, jedoch unterschiedliche Absorbtionskoeffizienten für
Sonneneinstrahlung aufweisen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Temperatursensoren (2, 3) von einer einzigen Sonde
(1) getragen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
dass die Temperatursensoren (2, 3) von getrennten Sonden
getragen werden, die im Wesentlichen gleichzeitig
abgeschossen werden.
4. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (2, 3) mit einem
Metall beschichtet sind.
5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (2, 3) getrennt,
paarweise mit verschiedenen Metallen beschichtet sind,
wobei ein Sensor (2) mit Aluminium beschichtet ist, während
der andere Sensor (3) mit Silber beschichtet ist.
6. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (2, 3) getrennt,
paarweise mit unterschiedlichen Metallen beschichtet sind,
wobei ein Sensor (2) mit Aluminium beschichtet ist, während
der andere Sensor (3) mit Titan beschichtet ist.
7. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (2, 3) getrennt,
paarweise mit unterschiedlichen Metallen beschichtet sind,
wobei ein Sensor (2) mit Gold beschichtet ist, während der
andere Sensor (3) mit Silber beschichtet ist.
8. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (2, 3) getrennt,
paarweise mit unterschiedlichen Metallen beschichtet sind,
wobei ein Sensor (2) mit Silber beschichtet ist, während
der andere Sensor (3) mit Titan beschichtet ist.
9. Temperatursensorstruktur für eine Radiosonde (1),
wobei die Struktur
- die Sonde (1) aufweist, die wenigstens einen, mechanisch
mit ihr verbundenen Temperatursensor (2, 3) trägt,
dadurch gekennzeichnet, dass
- die Baugruppe der Temperatursensoren (2, 3) genau zwei
Sensoren umfasst, wobei beide ein geringes Oberflächen-
Emissionsvermögen, jedoch unterschiedliche
Absorbtionskoeffizienten für Sonneneinstrahlung aufweisen.
10. Temperatursensorstruktur nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, dass die Temperatursensoren (2, 3) von
einer einzigen Sonde (1) getragen werden.
11. Temperatursensorstruktur nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, dass die Temperatursensoren (2, 3) von
getrennten Sonden getragen werden, die im Wesentlichen
gleichzeitig abgeschossen werden.
12. Temperatursensorstruktur nach einem der vorgenannten
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (2, 3)
mit einem Metall beschichtet sind.
13. Temperatursensorstruktur nach einem der vorgenannten
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (2, 3)
getrennt, paarweise mit unterschiedlichen Metallen
beschichtet sind, wobei ein Sensor (2) mit Aluminium
beschichtet ist, während der andere Sensor (3) mit Silber
beschichtet ist.
14. Temperatursensorstruktur nach einem der vorgenannten
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (2, 3)
getrennt, paarweise mit unterschiedlichen Metallen
beschichtet sind, wobei ein Sensor (2) mit Aluminium
beschichtet ist, während der andere Sensor (3) mit Titan
beschichtet ist.
15. Temperatursensorstruktur nach einem der vorgenannten
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (2, 3)
getrennt, paarweise mit unterschiedlichen Metallen
beschichtet sind, wobei ein Sensor (2) mit Gold beschichtet
ist, während der andere Sensor (3) mit Silber beschichtet
ist.
16. Temperatursensorstruktur nach einem der vorgenannten
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoren (2, 3)
getrennt, paarweise mit unterschiedlichen Metallen
beschichtet sind, wobei ein Sensor (2) mit Silber beschichtet
ist, während der andere Sensor (3) mit Titan beschichtet
ist.
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