一种多腔绝对辐射计交叉定标测量方法

摘要

本发明实施例公开一种多腔绝对辐射计交叉定标测量方法。该多腔绝对辐射计交叉定标测量方法通过交叉定标第一接收腔和第二接收腔：在一个接收腔接收光照的同时另一个接收腔采用电加热使得两个接收腔的热平衡值达到相等，然后互换两个接收腔的工作方式，即原来接收光照的接收腔进行电加热，原来进行电加热的接收腔接收光照，使得两个接收腔的热平衡值再次达到相等，联立两个阶段的光电等效方程，进而消去两个接收腔的温度传感器的热电系数，从而得到高精度的辐照度计算公式。该多腔绝对辐射计交叉定标测量方法可很好地抑制温漂且具有较高测量精度。

权利要求

1.一种多腔绝对辐射计交叉定标测量方法，其特征在于，所述定标测量方法包括交叉标定的第一阶段和第二阶段；

在所述第一阶段中：第一接收腔的快门打开且接收光照，第二接收腔的快门关闭且给所述第二接收腔中的第二加热丝通电加热，直至所述第一接收腔中的第一温度传感器所感知的信号值和所述第二接收腔中的第二温度传感器所感知的信号值相等；

在所述第二阶段中：第一接收腔的快门关闭且给第一接收腔中的第一加热丝通电加热，第二接收腔的快门打开且接收光照，直至所述第一接收腔中的第一温度传感器所感知的信号值和所述第二接收腔中的第二温度传感器所感知的信号值相等；

联立第一阶段的光电等效方程和第二阶段的光电等效方程，消去第一温度传感器和第二温度传感器的热电系数，获得辐照度计算表达式；

所述第一阶段的光电等效方程为： 第二阶段的光电等效方

程为： 联立第一阶段的光电等效方程和第二阶段的光电等效

方程得到太阳光辐照度公式为： 其中，E为太阳光辐照度，X1为第一温

度传感器的热电系数，X2为第二温度传感器的热电系数，A1为第一接收腔的主光阑面积，A2为第二接收腔的主光阑面积，ε1为第一接收腔的有效吸收率，ε2为第二接收腔的有效吸收率，R1为第一接收腔的加热丝的热电阻，R2为第二接收腔的加热丝的热电阻；V1为第一接收腔内的电加热丝的加热电压，V2为第二接收腔内的电加热丝的加热电压。

2.根据权利要求1所述的一种多腔绝对辐射计交叉定标测量方法，其特征在于，判断所述第一接收腔中的第一温度传感器所感知的信号值和所述第二接收腔中的第二温度传感器所感知的信号值相等的方法为：将所述第一温度传感器的输出和所述第二温度传感器的输出分别作为差分电路的第一输入端和第二输入端，当所述差分电路的输出电压为0时，判断所述第一接收腔中的第一温度传感器所感知的信号值和所述第二接收腔中的第二温度传感器所感知的信号值相等。

3.根据权利要求2所述的一种多腔绝对辐射计交叉定标测量方法，其特征在于，所述第一温度传感器和第二温度传感器为热电偶或者铂电阻。

4.根据权利要求2所述的一种多腔绝对辐射计交叉定标测量方法，其特征在于，所述差分电路为差分放大器。

5.根据权利要求1所述的一种多腔绝对辐射计交叉定标测量方法，其特征在于，所述第一接收腔的形状和所述第二接收腔的形状为锥形腔或者圆柱型腔。

6.根据权利要求1所述的一种多腔绝对辐射计交叉定标测量方法，其特征在于，所述定标测量方法还可包括大于2个的接收腔，相应地具有大于2个互相标定的阶段。

说明书

一种多腔绝对辐射计交叉定标测量方法

技术领域

[0001] 本发明涉及绝对辐射计定标的技术领域，具体涉及一种多腔绝对辐射计交叉定标测量方法。

背景技术

[0002] 地球上的能源除了核能、地热、火山爆发等之外都直接或间接地来自太阳辐射。对地球这个由陆地、海洋和大气组成的复杂体系来说，无论其内部存在什么样的大气圈化学、海洋、大气大循环和生物过程及其相互作用，太阳辐射是最重要的外部能源。太阳辐射的微小变化也将导致全球范围能量循环、水、碳和氮循环过程的变动，引起地球环境和气候、气象的巨大变化。太阳辐射是地球天气过程和气候演变的主要驱动力，气候变化和中长期天气预报等都需要地球辐射收支资料。

[0003] 传统的电定标绝对辐射计分为光观测和电定标两个阶段：光观测阶段辐射计快门打开，接收腔吸收光照使得接收腔和热沉达到热平衡，并利用温度传感器记录接收腔相对于热沉的温升；电定标阶段快门关闭，给接收腔上的加热丝通电加热，使得接收腔和热沉达到热平衡时温度传感器测量的接收腔相对于热沉的温升与光观测阶段相同，加在接收腔的电功率就等于太阳辐射功率。一般情况下，传统的电定标绝对辐射计还要进行光电不等效的修正，同时为了减少热沉温漂而产生的误差，通常绝对辐射计会对称的布置两个接收腔，一个用于测量，另一个为补偿腔。补偿腔可以与测量腔背对背布置，也可以肩并肩平行布置。

[0004] 传统的绝对辐射计测量方法包括光观测和电定标两阶段式，当光观测阶段和电定标阶段热沉温度发生漂移时会带来较大的测量误差。虽然通常的绝对辐射计结构会对称布置补偿腔抵消部分热沉的温漂，但是要求补偿腔的腔体和温度传感器与主测量腔有较好的一致性。

[0005] 因此，针对现有的光观测阶段和电定标阶段的温漂以及主测量腔和补偿腔由于无法做到完全一致而引入测量误差的问题，需要提供一种可很好地抑制温漂且具有较高测量精度的多腔绝对辐射计交叉定标测量方法。

发明内容

[0006] 针对现有的光观测阶段和电定标阶段的温漂以及由于主测量腔和补偿腔无法做到完全一致而引入测量误差的问题，本发明实施例提供一种可很好地抑制温漂且具有较高测量精度的多腔绝对辐射计交叉定标测量方法。该多腔绝对辐射计交叉定标测量方法通过交叉定标第一接收腔和第二接收腔，并联立两个定标阶段的光电等效方程从而消去第一温度传感器和第二温度传感器的热电系数，进而得到高精度的辐照度计算公式。

[0007] 该多腔绝对辐射计交叉定标测量方法的具体方案如下：一种多腔绝对辐射计交叉定标测量方法包括交叉标定的第一阶段和第二阶段；在所述第一阶段中：第一接收腔的快门打开且接收光照，第二接收腔的快门关闭且给所述第二接收腔中的第二加热丝通电加热，直至所述第一接收腔中的第一温度传感器所感知的信号值和所述第二接收腔中的第二温度传感器所感知的信号值相等；在所述第二阶段中：第一接收腔的快门关闭且给第一接收腔中的第一加热丝通电加热，第二接收腔的快门打开且接收光照，直至所述第一接收腔中的第一温度传感器所感知的信号值和所述第二接收腔中的第二温度传感器所感知的信号值相等；联立第一阶段的光电等效方程和第二阶段的光电等效方程，消去第一温度传感器和第二温度传感器的热电系数，获得辐照度计算表达式。

[0008] 优选地，判断所述第一接收腔中的第一温度传感器所感知的信号值和所述第二接收腔中的第二温度传感器所感知的信号值相等的方法为：将所述第一温度传感器的输出和所述第二温度传感器的输出分别作为差分电路的第一输入端和第二输入端，当所述差分电路的输出电压为0时，判断所述第一接收腔中的第一温度传感器所感知的信号值和所述第二接收腔中的第二温度传感器所感知的信号值相等。

[0009] 优选地，所述第一温度传感器和第二温度传感器为热电偶或者铂电阻。

[0010] 优选地，所述差分电路为差分放大器。

[0011] 优选地，所述第一阶段的光电等效方程为： 第二阶段的光电等效方程为： 联立第一阶段的光电等效方程和第二阶段的
光电等效方程得到太阳光辐照度公式为： 其中，E为太阳光辐照度，X1为
第一温度传感器的热电系数，X2为第二温度传感器的热电系数，A1为第一接收腔的主光阑面积，A2为第二接收腔的主光阑面积，ε1为第一接收腔的有效吸收率，ε2为第二接收腔的有效吸收率，R1为第一接收腔的加热丝的热电阻，R2为第二接收腔的加热丝的热电阻。

[0012] 优选地，所述第一接收腔的形状和所述第二接收腔的形状为锥形腔或者圆柱型腔。

[0013] 优选地，所述定标测量方法还可包括大于2个的接收腔，相应地具有大于2个互相标定的阶段。

[0014] 从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

[0015] 本发明实施例提供一种多腔绝对辐射计交叉定标测量方法通过交叉定标第一接收腔和第二接收腔：在一个接收腔接收光照的同时另一个接收腔采用电加热使得两个接收腔的热平衡值相等，然后互换两个接收腔的工作方式，即原来接收光照的接收腔进行电加热，原来进行电加热的接收腔接收光照，使得两个接收腔的热平衡值再次相等，联立两个阶段的光电等效方程，进而消去两个接收腔的温度传感器的热电系数，从而得到高精度的辐照度计算公式。本发明实施例提供的一种多腔绝对辐射计交叉定标测量方法在无需提高各个常量测量精度情况下，可以将辐射计的测量误差缩小到传统测量方法的 其中，n为用于交叉定标的接收腔的数量。本发明实施例提供的一种多腔绝对辐射计交叉定标测量方法中光观测和电定标同时进行，相比于传统的测量方法，避免了光观测与电定标先后进行时由于热沉温漂带来的误差，从而有效地提高了测量精度。本发明实施例提供的一种多腔绝对辐射计交叉定标测量方法所采用的接收腔，并不要求多个接收腔的温度传感器的热电系数一致，从而给温度传感器和接收腔的制作提供了方便。本发明实施例提供的一种多腔绝对辐射计交叉定标测量方法中的多个接收腔的温度传感器的传感信号同时反向地接入差分放大器，通过控制加热丝使得差分放大器的输出为零，从而有效地利用了温度测量放大电路的灵敏度。

附图说明

[0016] 图1为本发明实施例中提供的一种双锥接收腔绝对辐射计的结构示意图；

[0017] 图2为本发明实施例中提供的一种多腔绝对辐射计交叉定标测量方法的流程示意图。

[0018] 附图中的标记说明：

[0019] 100、双锥腔绝对辐射计 1、外壳               2、视场光阑

[0020] 3、消杂光光阑         4、主光阑             5、快门

[0021] 6、快门电机           71、第一温度传感器    72、第二温度传感器[0022] 81、第一接收腔        82、第二接收腔        9、热沉

具体实施方式

[0023] 为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

[0024] 本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

[0025] 为了更好地理解本发明所阐述的发明内容，先对常规的辐射计定标基本原理稍作介绍。太阳辐射计是测量太阳光辐照度的仪器，绝对辐射测量可以简单理解为测量太阳光单位照射面积的热量输入功率大小。绝地辐射计采用比对法测量(也可称为电替代测量)：太阳光照射到一种热-电传感器(以接收腔的形式作为热-电传感器)，温度传感器便会输出一个读数；同样地，用电流加热这种热-电传感器(以接收腔的形式作为热-电传感器)，温度传感器也会输出一个读数；当前后两次的读数相同时，即认为太阳的加热功率和电流的加热功率是一样的，即此时的电流输入功率大小等同于太阳的热量输入功率。如本领域技术人员所知，在上述原理中，“光”和“电”加热功率“相等”，不是绝对的相等，而是尽可能在现有测量精度条件下的“近似相等”。本发明实施例所提供的一种多腔绝对辐射计交叉定标测量方法就是在相同的“测量精度条件”下，通过不同的测量方法达到更高的“近似相等”程度。

[0026] 本发明实施例提供一种多腔绝对辐射计交叉定标测量方法，多腔包括大于或等于两个接收腔。多腔的各个接收腔体的形状具体可以为锥形腔或者圆柱型腔。

[0027] 当多腔的接收腔个数为两个时，多腔绝对辐射计交叉定标测量方法通过一次交叉定标第一接收腔和第二接收腔：在一个接收腔接收光照的同时另一个接收腔采用电加热使得两个接收腔的热平衡值达到相等，然后互换两个接收腔的工作方式，即原来接收光照的接收腔进行电加热，原来进行电加热的接收腔接收光照，使得两个接收腔的热平衡值再次达到相等，联立两个阶段的光电等效方程，进而消去两个接收腔的温度传感器的热电系数，从而得到高精度的辐照度计算公式。当多腔的接收腔个数为n个时(n为大于2的自然数)，多腔绝对辐射计交叉定标测量方法通过交叉定标第一接收腔、第二接收腔....第n接收腔，具体交叉定标的方式与两个接收腔的交叉定标方式一致，通过n-1次交叉选取不同的接收腔多次测量，每次测量建立光电等效方程，联立方程消去温度传感器热电系数，从而得到辐照度的测量表达式。

[0028] 为了更清晰地阐述本发明交叉定标的思想，下面以双锥接收腔辐射计为具体实施例介绍本发明实施例的交叉定标方法。如图1所示，本发明实施例中提供的一种双锥接收腔绝对辐射计的结构示意图。双锥接收腔绝对辐射计100包括壳体1、用于打开或关闭腔体的快门5，驱动快门5运动的快门电机6，第一接收腔81和第二接收腔82，位于第一接收腔81内且用于感测第一接收腔81的腔温的第一温度传感器71，位于第二接收腔82内且用于感测第二接收腔82的腔温的第二温度传感器72，每个接收腔内都具有相应的视场光阑2、多个消杂光光阑3和主光阑4，设置与壳体1和接收腔之间的热沉9。在图1所示实施例中，双锥接收腔辐射计100为肩并肩平行布置的双锥腔辐射计结构。

[0029] 基于双锥接收腔绝对辐射计结构的交叉定标测量方法的测量过程不再分为光观测和电定标阶段，而是交叉定标的两个阶段。第一阶段第一接收腔81打开快门接收光照，第二接收腔82关闭快门，同时给第二接收腔82的加热丝通电加热。两个接收腔的温度传感器信号接入差分电路，控制加热丝的加热功率大小，使得双锥接收腔辐射计100的第一接收腔81的热平衡值等于第二接收腔82的热平衡值。当第一接收腔81的热平衡值等于第二接收腔
82的热平衡值后，差分电路输出电压为零。第二阶段第一接收腔81改为加热丝加热，第二接收腔82打开快门接收光照，控制加热丝的加热功率大小，使得双锥接收腔辐射计100的第一接收腔81的热平衡值再次等于第二接收腔82的热平衡值。当第一接收腔81的热平衡值再次等于第二接收腔82的热平衡值后，差分电路输出电压再次为零。

[0030] 如图2所示，本发明实施例中提供的一种多腔绝对辐射计交叉定标测量方法的流程示意图。该多腔绝对辐射计交叉定标测量方法包括三个步骤，分别为第一阶段(步骤S1)、第二阶段(步骤S2)和联立方程阶段(步骤S3)。

[0031] 步骤S1：在第一阶段中，第一接收腔81的快门5打开且接收光照，第二接收腔82的快门5关闭且给第二接收腔82中的第二加热丝通电加热，直至第一接收腔81中的第一温度传感器71所感知的信号值和第二接收腔82中的第二温度传感器72所感知的信号值相等。

[0032] 步骤S2：在第二阶段中，第一接收腔81的快门5关闭且给第一接收腔81中的第一加热丝通电加热，第二接收腔82的快门5打开且接收光照，直至第一接收腔81中的第一温度传感器71所感知的信号值和第二接收腔82中的第二温度传感器72所感知的信号值相等。在该实施例中，快门5可以分阶段地关闭第一接收腔81和第二接收腔82。在其他实施例中，第一接收腔81和第二接收腔82的关闭可以分别通过两个快门来进行关闭。

[0033] 在该实施例中，判断第一接收腔81中的第一温度传感器71所感知的信号值和第二接收腔82中的第二温度传感器72所感知的信号值是否相等的方法可以采用电路结构来进行判断。将第一温度传感器71的输出和第二温度传感器72的输出分别作为差分电路的第一输入端和第二输入端。当第一接收腔81的热平衡值和第二接收腔82的热平衡值相等时，所述差分电路的输出电压为0。第一温度传感器71和第二温度传感器72具体可以选为热电偶或者铂电阻。优选地，所述差分电路为差分放大器。第一温度传感器71的输出和第二温度传感器72的输出可以反向地接入差分放大器的两个输入端。

[0034] 步骤S3：联立第一阶段的光电等效方程和第二阶段的光电等效方程，消去第一温度传感器71和第二腔温度传感器72的热电系数，获得辐照度计算表达式。

[0035] 具体的计算表达式的推导过程，如下所述。

[0036] 当绝对辐射计接收腔接收太阳辐射功率P后接收腔升温，其升温△T的变化函数根据绝对辐射计的热力学微分方程的求解获得，具体表达式如公式1和公式2所示：

[0037]

[0038]

[0039] 其中，C为接收腔的热容，K为接收腔同热沉及环境的热传导系数，τ为定义为辐射计的时间常数，且τ＝C/K。

[0040] 当第一接收腔打开快门时，第一接收腔接收到的辐射功率P1的表达式如公式3所示：

[0041] P1＝E·A1·ε1   (公式3)

[0042] 其中，E为太阳光辐照度，单位W/m2，A1为主光阑面积，ε1为左侧接收腔的有效吸收率。

[0043] 对于第二接收腔来说，关闭快门采用电加热，电加热功率P′1的表达式如公式4所示：

[0044]

[0045] 第一温度传感器的热电系数为X1，第二温度传感器的热电系数为X2，调整第二接收腔内的电加热丝的电压，在辐射计热平衡时使得第一接收腔和第二接收腔的温度传感器输出电压相等，从而获得第一阶段的光电等效方程如公式5所示：

[0046]

[0047] 第二阶段将第一接收腔快门关闭，第二接收腔快门打开，第二接收腔接收光功率，第一接收腔进行电加热。在辐射计热平衡时使得第一接收腔和第二接收腔的温度传感器输出电压相等，从而获得第二阶段的光电等效方程如公式6所示：

[0048]

[0049] 联立公式5和公式6，等式两端交叉相乘，消掉两个温度传感器的热电系数X1、X2，解得太阳光辐照度E，具体表达式如公式7所示：

[0050]

[0051] 其中，E为太阳光辐照度，X1为第一温度传感器的热电系数，X2为第二温度传感器的热电系数，A1为第一接收腔的主光阑面积，A2为第二接收腔的主光阑面积，ε1为第一接收腔的有效吸收率，ε2为第二接收腔的有效吸收率，R1为第一接收腔的加热丝的热电阻，R2为第二接收腔的加热丝的热电阻。

[0052] 传统的光观测加电定标两段式测量方法用一个接收腔作为主腔，两次测量用同一个温度传感器来测量，热电等效方程如公式8所示：

[0053]

[0054] 求解公式8，获得太阳光辐照度E的表达式如公式9所示：

[0055]

[0056] 对比公式7和公式9，两种测量方法需要事先给定的参量类型是一样的，区别在于光观测-电定标两段式方法只使用了主腔体的参数，补偿腔参数不在公式中体现；而本发明实施例提供的交叉定标方式将第一接收腔和第二接收腔的参数同时带入公式中。

[0057] 公式7和公式9中等号右侧各参量相互独立，在相同检测手段下，认为加热丝的加热电压V0、V1、V2具有相同的测量不确定度△V＝△V0＝△V1＝△V2，加热丝内阻R0、R1、R2具有相同的测量不确定度△R＝△R0＝△R1＝△R2，主光阑面积A0、A1、A2具有相同的测量不确定度△A＝△A0＝△A1＝△A2，接收腔的吸收率ε0、ε1、ε2具有相同的测量不确定度△ε＝△ε0＝△ε1＝△ε2。根据合成不确定度公式10：

[0058]

[0059] 对于光观测-电定标两段式测量方法，辐照度E的测量不确定度△E如公式11所示：

[0060]

[0061] 对于本发明实施例提出的交叉定标测量方法，辐照度E的测量不确定度△E如公式12所示：

[0062]

[0063] 因为第一接收腔和第二接收腔各项参数相近，因此有：

[0064] V1≈V2，R1≈R2，A1≈A2，ε1≈ε2。

[0065] 从而，公式12可以简化为公式13：

[0066]

[0067]

[0068] 比较公式13和公式11中各项参数的不确定度传播系数可知，在相同检测手段下，双腔的交叉定标检测方法的合成不确定度为光观测加电定标两段式测量方法的 同理，若为n个多腔，则最终的测量不确定度可以降低为传统测量方法的

[0069] 本发明实施例提供一种多腔绝对辐射计交叉定标测量方法通过交叉定标第一接收腔和第二接收腔：在一个接收腔接收光照的同时另一个接收腔采用电加热使得两个接收腔的热平衡值相等，然后互换两个接收腔的工作方式，即原来接收光照的接收腔进行电加热，原来进行电加热的接收腔接收光照，使得两个接收腔的热平衡值再次相等，联立两个阶段的光电等效方程，进而消去两个接收腔的温度传感器的热电系数，从而得到高精度的辐照度计算公式。

[0070] 本发明实施例提供的一种多腔绝对辐射计交叉定标测量方法在无需提高各个常量测量精度情况下，可以将辐射计的测量误差缩小到传统测量方法的 其中，n为用于交叉定标的接收腔的数量。

[0071] 本发明实施例提供的一种多腔绝对辐射计交叉定标测量方法中光观测和电定标同时进行，相比于传统的测量方法，避免了光观测与电定标先后进行时由于热沉温漂带来的误差，从而有效地提高了测量精度。

[0072] 本发明实施例提供的一种多腔绝对辐射计交叉定标测量方法所采用的接收腔，并不要求多个接收腔的温度传感器的热电系数一致，从而给温度传感器和接收腔的制作提供了方便。

[0073] 本发明实施例提供的一种多腔绝对辐射计交叉定标测量方法中的多个接收腔的温度传感器的传感信号同时反向地接入差分放大器，通过控制加热丝使得差分放大器的输出为零，从而有效地利用了温度测量放大电路的灵敏度。

[0074] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

[0075] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。