TWI784625B - 大氣亂流偵測方法及大氣亂流偵測裝置 - Google Patents

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Abstract

一種大氣亂流偵測方法，包含提供溫差量測裝置，其具有熱電偶元件及兩感應探針，熱電偶元件具有相對兩端部，兩感應探針分別設置於兩端部，兩端部之間具有一環境距離介於1公尺至2公尺之間；將溫差量測裝置置於大氣環境中，熱電偶元件藉由兩端部的溫度差產生電動勢；將電動勢轉換為兩端部所處環境的環境溫差，且根據環境溫差及環境距離計算大氣折射率結構參數，大氣折射率結構參數的數值對應於大氣亂流之環境擾動，此大氣亂流偵測方法具有偵測敏感度高的優點。一種大氣亂流偵測裝置亦被提供，其具有輕便簡潔且易於維護的特性。

Description

大氣亂流偵測方法及大氣亂流偵測裝置
本發明是有關一種大氣亂流的偵測技術，尤其是一種利用高精度溫差元件的快速響應對大氣亂流進行偵測的大氣亂流偵測方法及大氣亂流偵測裝置。
大氣的亂流運動，會引起大氣折射率的隨機起伏變化，並對無線光通信、雷射在大氣中的傳輸等有嚴重影響，大氣折射率結構參數(
Figure 110126535-A0305-02-0003-23
)是光學亂流強度的定量描述，對大氣折射率結構參數(
Figure 110126535-A0305-02-0003-10
)的偵測分析有利於準確表徵不同環境下的亂流變化，瞭解大氣折射率結構參數(
Figure 110126535-A0305-02-0003-11
)的變化規律並對其進行準確偵測，對於研究聲、光和電磁波的傳輸問題、評估光電系統性能、驗證亂流模型等方面具有非常重要的意義。
目前一種量測大氣折射率結構參數(
Figure 110126535-A0305-02-0003-8
)的方法為利用三維超音波風速計，配合泰勒假說(Taylor's hypothesis)進行計算；另一種為使用水平距離約莫1.5公尺的白金溫度計量測兩點溫度計算出溫度差。其中三維超音波風速計因能量損耗及訊號收發，設備製造難度高，因此造價高昂；水平使用雙白金溫度計的方法雖然溫度觀測精度高，但兩白金溫度計有著儀器不確定性，兩白金溫度計的器差將直接影響觀測結果，並因小尺度擾度計算需求，兩白金溫度計的溫差精度需達攝氏0.001度，製造難度高且難以實現。
本發明提供一種大氣亂流偵測方法及大氣亂流偵測裝置，其中大氣亂流偵測方法具有偵測敏感度高的優點，大氣亂流偵測裝置具有輕便簡潔且易於維護的特性，而能有效降低在進行大氣偵測時密集佈點的成本。
本發明所提供的大氣亂流偵測方法，包含：提供一溫差量測裝置，溫差量測裝置包含熱電偶元件及兩感應探針，熱電偶元件具有相對兩端部，兩感應探針分別設置於兩端部，其中兩端部之間具有一環境距離，環境距離介於1公尺至2公尺之間；將溫差量測裝置置於大氣環境中，熱電偶元件藉由兩端部的溫度差，產生電動勢；分析電動勢，其中將電動勢轉換為兩端部所處環境的環境溫差，且根據環境溫差及環境距離計算大氣折射率結構參數，大氣折射率結構參數的數值對應於大氣亂流之環境擾動。
在本發明的一實施例中，上述之電動勢的取樣頻率介於20赫茲至140赫茲之間。
在本發明的一實施例中，分析電動勢時，先將電動勢轉換為數位電壓值，再將數位電壓值轉換為環境溫差。
在本發明的一實施例中，上述之大氣折射率結構參數的計算包含：先根據環境距離及環境溫差計算溫度結構參數，並將溫度結構參數轉換為大氣折射率結構參數。
本發明所提供的大氣亂流偵測裝置，包含支撐架、溫差量測裝置及分析裝置。溫差量測裝置包含熱電偶元件及兩感應探針，熱電偶元件架設於支撐架上，熱電偶元件具有相對兩端部，兩感應探針分別設置於兩端部，其中兩端部之間具有一環境距離，環境距離介於1公尺至2公尺之間，溫差量測裝置置於大氣環境中，熱電偶元件藉由兩端部的溫度差，產生電 動勢；分析裝置架設於支撐架上，且與熱電偶元件電性連接，分析裝置分析電動勢，將電動勢轉換為兩端部所處環境的環境溫差，且根據環境溫差及環境距離計算大氣折射率結構參數，大氣折射率結構參數的數值對應於大氣亂流之環境擾動。
在本發明的一實施例中，上述之大氣亂流偵測裝置更包含兩輻射遮罩分別罩設於兩感應探針。
在本發明的一實施例中，上述之每一感應探針包含銅質基材及鍍膜層覆蓋銅質基材。
在本發明的一實施例中，上述之鍍膜層的材質為金。
在本發明的一實施例中，上述之支撐架及熱電偶元件呈長條狀，支撐架的長度對應於環境距離，熱電偶元件固設於支撐架上，且熱電偶元件的兩端部分置於支撐架的相對兩端。
在本發明的一實施例中，上述之熱電偶元件呈V形結構，包含第一部分及第二部分，第一部分及第二部分的連接處架設於支撐架上，兩端部分別位於第一部分及第二部分遠離連接處的一端。
在本發明的一實施例中，上述之大氣亂流偵測裝置更包含兩夾具元件，分別設置於兩端部，以固定兩感應探針。
在本發明的一實施例中，上述之分析裝置包含類比數位轉換電路(ADC)儀表放大器及計算模組。
本發明藉由熱電偶元件的使用，利用其溫度與電動勢之間的熱電效應獲得兩端部的溫度差，並整合ADC儀表放大器解析電動勢，使其可用於診斷環境中小尺度的細微高精度溫度變化。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
10、10A:大氣亂流偵測裝置
12、12A:支撐架
14、14A:溫差量測裝置
16:分析裝置
18、18A:熱電偶元件
181、181’:端部
182:第一部分
183:第二部分
20:感應探針
D:環境距離
22:輻射遮罩
24:類比數位轉換電路(ADC)儀表放大器
26:夾具元件
28:三腳架
30:中柱
32:超音波風速計
34:三杯風速計
36:腳體
38:數據紀錄器
S100、S102、S104、S106、S108:步驟
圖1是本發明一實施例大氣亂流偵測裝置的結構示意圖。
圖2是本發明又一實施例大氣亂流偵測裝置的結構示意圖。
圖3是本發明一實施例大氣亂流偵測裝置的應用示意圖。
圖4是本發明一實施例大氣亂流偵測方法的流程示意圖。
圖1是本發明一實施例大氣亂流偵測裝置的結構示意圖，如圖1所示，大氣亂流偵測裝置10包含支撐架12、溫差量測裝置14及分析裝置16。支撐架12略呈長條狀，支撐架12例如為一鋼管。溫差量測裝置14包含熱電偶元件18及兩感應探針20(圖1中僅繪示其中一個感應探針20)，於一實施例中，熱電偶元件18呈長條狀，具有相對兩端部181、181’，兩端部181、181’之間具有一環境距離D，環境距離D介於1公尺至2公尺之間，較佳者為1.5公尺，此環境距離D落在大氣亂流尺度內，支撐架12的長度大致對應或略大於環境距離D，熱電偶元件18例如橫置於支撐架12上，且熱電偶元件18的兩端部181、181’分別設置於支撐12架的相對兩端；兩感應探針20分別設置於兩端部181、181’，用以感應溫度；當將溫差量測裝置14置於大氣環境中，熱電偶元件18藉由兩端部181、181’之感應探針20所感測的溫度差，產生一電動勢。
於一實施例中，感應探針20可包含銅質基材(未標示)及鍍膜層(未標示)覆蓋銅質基材，鍍膜層的材質例如為金，亦即在銅質基材的表面鍍金，以確保感應探針20在環境中的抗氧化能力，並可不失銅質基材對於空 氣溫度本身的敏感度。於一實施例中，大氣亂流偵測裝置10更包含兩輻射遮罩22，分別罩設於兩感應探針20，且固定在支撐架12的兩端，藉以保護感應探針20。
接續上述說明，分析裝置16架設於支撐架12上，用以分析電動勢，於一實施例中，分析裝置16例如架設於支撐架12的中間位置，且與熱電偶元件18電性連接，分析裝置16包含類比數位轉換電路(ADC)儀表放大器24及計算模組(圖中未示)，分析裝置16將電動勢轉換為兩端部181、181’所處環境的環境溫差，且根據環境溫差及環境距離計算大氣折射率結構參數(
Figure 110126535-A0305-02-0007-19
)，大氣折射率結構參數(
Figure 110126535-A0305-02-0007-20
)的數值對應於大氣亂流之環境擾動的大小。
圖2是本發明又一實施例大氣亂流偵測裝置的結構示意圖，如圖2所示，大氣亂流偵測裝置10A包含支撐架12A、溫差量測裝置14A及分析裝置16，溫差量測裝置14A包含熱電偶元件18A及兩感應探針20，其中，支撐架12A及熱電偶元件18A的結構及配置與圖1所示之支撐架12及熱電偶元件18有所差異。在圖2所述的實施例中，熱電偶元件18A呈V形結構，包含第一部分182及第二部分183，第一部分182及第二部分183的連接處架設於支撐架12A上，熱電偶元件18A的兩端部181、181’分別位於第一部分182及第二部分183遠離連接處的一端。又於一實施例中，在熱電偶元件18A的兩端部181、181’可分別設置有夾具元件26，用以固定感應探針20。
圖3是本發明一實施例大氣亂流偵測裝置的應用示意圖，其中，以圖1所示的大氣亂流偵測裝置10為例，如圖所示，大氣亂流偵測裝置10裝設於三腳架28的中柱30上，可選擇地，中柱30上更可裝設有超音波風速計32及三杯風速計34，且在三腳架28的腳體36上裝設有數據紀錄器(data logger)38。
圖4是本發明一實施例大氣亂流偵測方法的流程示意圖，如圖4所示，提供溫差量測裝置14/14A，此為步驟S100，請同時參閱圖1或圖2所示，溫差量測裝置14/14A包含熱電偶元件18/18A及兩感應探針20，熱電偶元件18/18A具有相對兩端部181、181’，兩感應探針20分別設置於兩端部181、181’，其中兩端部181、181’之間具有環境距離D，環境距離D介於1公尺至2公尺之間；接著，將溫差量測裝置14/14A置於大氣環境中，熱電偶元件18/18A藉由兩端部181、181’的溫度差，產生電動勢，此為步驟S102；之後，取樣動電動勢以對電動勢進行分析。
接續上述說明，於一實施例中，電動勢的取樣頻率介於20赫茲(Hz)至140赫茲之間，亦即每秒取樣20至140筆的電動勢，分析電動勢時，先將電動勢轉換為數位電壓值，再將數位電壓值轉換為環境溫差，此為步驟S104；接著，根據環境溫差及環境距離D計算溫度結構參數(
Figure 110126535-A0305-02-0008-12
)，此為步驟S106，於一實施例中，溫度結構參數(
Figure 110126535-A0305-02-0008-13
)以已知的溫度結構函數( D T ( r ))進行計算，公式為
Figure 110126535-A0305-02-0008-6
，其中r(m)為環境距離。最後，根據溫度結構參數(
Figure 110126535-A0305-02-0008-14
)計算大氣折射率結構參數(
Figure 110126535-A0305-02-0008-15
)，此為步驟S108，於一實施例中，大氣折射率結構參數(
Figure 110126535-A0305-02-0008-16
)的計算公式為
Figure 110126535-A0305-02-0008-7
，其中，P(hPa)為壓力，T(K)為溫度。由於溫度與大氣折射率結構參數(
Figure 110126535-A0305-02-0008-17
)的數值變動始於環境擾流變化，因此大氣折射率結構參數(
Figure 110126535-A0305-02-0008-18
)的數值即對應環境擾動的大小，如此可偵測到大氣亂流。
根據上述，在本發明實施例大氣亂流偵測方法中，藉由熱電偶元件的使用，利用其溫度與電動勢之間的熱電效應獲得兩端部的溫度差，並整合ADC儀表放大器解析電動勢，使其可用於診斷環境中小尺度的細微高精度溫度變化；本發明實施例大氣亂流偵測方法為利用高精度溫差元件(熱電偶元件)的快速響應(每秒取樣20至140筆)對大氣亂流進行偵測，具備有偵 測敏感度高的優點。又大氣亂流偵測裝置具有輕便簡潔且易於維護的特性，能有效降低在進行大氣偵測時密集佈點的成本，而有利於在大氣環境中架設，進而有效應用於雷射光路徑偏移評估、大氣學研究、農場及牧場環境監測、森林通量量測及易受亂流影響敏感的高科技作業環境等技術領域，而具有實用性高的優點。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
S100、S102、S104、S106、S108:步驟

Claims (11)

  1. 一種大氣亂流偵測方法，包含：提供一溫差量測裝置，該溫差量測裝置包含一熱電偶元件及兩感應探針，該熱電偶元件具有相對兩端部，該兩感應探針分別設置於該兩端部，其中該兩端部之間具有一環境距離，該環境距離介於1公尺至2公尺之間；將該溫差量測裝置置於一大氣環境中，該熱電偶元件藉由該兩端部的溫度差，產生一電動勢；分析該電動勢，其中將該電動勢轉換為該兩端部所處環境的環境溫差，且根據該環境溫差及該環境距離計算一大氣折射率結構參數，該大氣折射率結構參數的數值對應於大氣亂流之環境擾動，其中該大氣折射率結構參數的計算包含：先根據該環境距離及該環境溫差利用一溫度結構函數計算一溫度結構參數，再將該溫度結構參數轉換為該大氣折射率結構參數。
  2. 如請求項1所述的大氣亂流偵測方法，其中，該電動勢的取樣頻率介於20赫茲至140赫茲之間。
  3. 如請求項1所述的大氣亂流偵測方法，其中，分析該電動勢時，先將該電動勢轉換為一數位電壓值，再將該數位電壓值轉換為該環境溫差。
  4. 一種大氣亂流偵測裝置，包含：一支撐架；一溫差量測裝置，包含一熱電偶元件及兩感應探針，熱電偶元件架設於該支撐架上，該熱電偶元件具有相對兩端部，該兩感應探針分別設置於該兩端部，其中該兩端部之間具有一環境距離，該環境距離介於1公尺至2公尺之間，該溫 差量測裝置置於一大氣環境中，該熱電偶元件藉由該兩端部的溫度差，產生一電動勢；以及一分析裝置，架設於該支撐架上，且與該熱電偶元件電性連接，該分析裝置分析該電動勢，將該電動勢轉換為該兩端部所處環境的環境溫差，且根據該環境溫差及該環境距離計算一大氣折射率結構參數，該大氣折射率結構參數的數值對應於大氣亂流之環境擾動，其中該大氣折射率結構參數的計算包含：先根據該環境距離及該環境溫差利用一溫度結構函數計算一溫度結構參數，再將該溫度結構參數轉換為該大氣折射率結構參數。
  5. 如請求項4所述的大氣亂流偵測裝置，更包含兩輻射遮罩，分別罩設於該兩感應探針。
  6. 如請求項4所述的大氣亂流偵測裝置，其中，每一該感應探針包含一銅質基材及一鍍膜層覆蓋該銅質基材。
  7. 如請求項6所述的大氣亂流偵測裝置，其中，該鍍膜層的材質為金。
  8. 如請求項4所述的大氣亂流偵測裝置，其中，該支撐架及該熱電偶元件呈長條狀，該支撐架的長度對應或略大於該環境距離，該熱電偶元件固設於該支撐架上，且該熱電偶元件的該兩端部分置於該支撐架的相對兩端。
  9. 如請求項4所述的大氣亂流偵測裝置，其中，該熱電偶元件呈V形結構，包含一第一部分及一第二部分，該第一部分及該第二部分的連接處架設於該支撐架上，該兩端部分別位於該第一部分及該第二部分遠離該連接處的一端。
  10. 如請求項9所述的大氣亂流偵測裝置，更包含兩夾具元件，分別設置於該兩端部，以固定該兩感應探針。
  11. 如請求項4所述的大氣亂流偵測裝置，其中，該分析裝置包含類比數位轉換電路(ADC)儀表放大器及計算模組。
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