地面氣象測量溫度傳感器設(shè)計淺議
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摘要：根據(jù)國家基準(zhǔn)氣候站和基本氣象站的記錄，近54年來我國年平均地表氣溫變化幅度為1．3℃。然而實際測量過程中，觀測站采用的百葉箱和防輻射罩的輻射誤差通常可達1℃以上。為了降低輻射誤差，提出了一種地面氣象測量溫度傳感器。該傳感器包括導(dǎo)流通風(fēng)防輻射罩、高反射率鉑電阻探頭、高精度嵌入式溫度采集系統(tǒng)及誤差修正算法。首先，通過計算流體動力學(xué)（CFD）方法計算不同環(huán)境因素下的輻射誤差；然后，利用反向傳播（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法進行擬合仿真得到輻射誤差修正公式模型；最后，在室外綜合觀測基地對此溫度傳感器測量精度進行驗證。結(jié)果表明：溫度傳感器的修正值與參考值的誤差ΔT平均值為0．052℃，均方根誤差為0．039℃，有望將輻射誤差降至0．1℃以內(nèi)。
關(guān)鍵詞：地面氣象測量；溫度傳感器；輻射誤差修正；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法；計算流體力學(xué)
0引言
在地面氣象測量領(lǐng)域，白天太陽直接輻射會造成自動氣象站溫度傳感器的升溫，使其測量值高于周圍環(huán)境的空氣溫度，產(chǎn)生輻射誤差［1］。通常氣象站用百葉箱或自然通風(fēng)防輻射罩可以遮擋一部分輻射對溫度傳感器的直接照射，降低輻射誤差［2］。然而百葉箱或防輻射罩難以完全阻擋太陽輻射，因此一定程度上，百葉箱或防輻射罩仍會產(chǎn)生顯著的輻射升溫，產(chǎn)生較大的輻射誤差。世界氣象組織（WorldMeteorologicalOrganization，WMO）以LAM630強制通風(fēng)溫度傳感器的測量值作為溫度基準(zhǔn)，對LSOC、SWIN、SYOU自然通風(fēng)地表氣溫溫度傳感器進行比對，結(jié)果表明輻射誤差分別為0．8，1．2，1．0℃。根據(jù)唐國利［3］的研究結(jié)果，1873年以來，中國氣候呈顯著增暖趨勢，其中年平均氣溫約上升了0．96℃，年平均最高、最低氣溫分別上升約1．20℃和0．70℃，20世紀初以來，平均氣溫升高約0．80℃。鑒于上述研究，氣溫測量需提供更加準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)，才能更為科學(xué)地研究我國氣溫變化。王曉蕾等人［4］研究了輻射強度較強環(huán)境下輻射誤差和氣流速度關(guān)系的數(shù)據(jù)，但該研究未考慮風(fēng)速、下墊面反射率、太陽高度角、散射輻射［5］等環(huán)境因素之間的關(guān)系。周鵬程等人［6］設(shè)計了基于鉑電阻多測點溫度測量系統(tǒng)，其測量精度可以達到0．6℃。但該研究僅在硬件方面減小了誤差，未考慮環(huán)境因素的影響和結(jié)合軟件算法進一步提高測量精度。為提高氣溫測量的精度，本文提出了一種地面氣象測量溫度傳感器，利用計算流體動力學(xué)（CFD）［7，8］的方法計算溫度傳感器在不同環(huán)境因素下的輻射誤差，然后采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法［9］模型對輻射誤差進行了修正。將溫度傳感器的硬件結(jié)構(gòu)和軟件算法相結(jié)合，可顯著降低輻射誤差。
1地面氣象測量溫度傳感器設(shè)計
1．1防輻射罩設(shè)計
地面氣象測量溫度傳感器的導(dǎo)流通風(fēng)防輻射罩整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。防輻射罩包括2個外表面鍍銀的圓板鋁殼、2個樹脂材料的圓臺形導(dǎo)流罩、3根內(nèi)塑料隔熱柱、3根外塑料支撐柱，溫度傳感器探頭置于2個導(dǎo)流罩的垂直中心處。圓板鋁殼的直徑和厚度分別為150，2mm，隔熱柱的高度和半徑分別為25，4mm，上方圓臺導(dǎo)流罩上下直徑分別為90，13mm，下方圓臺導(dǎo)流罩上下直徑分別為30，100mm。2個圓臺形導(dǎo)流罩可有效引導(dǎo)自然風(fēng)在防輻射罩內(nèi)的流通，能有效地加快溫度傳感器探頭周圍氣流的速度，使太陽直接輻射、下墊面反射等難以直接照射到溫度傳感器探頭。為減小由反射引起的二次輻射誤差，鋁殼和導(dǎo)流罩的內(nèi)表面涂黑，吸收率達到0．9，盡可能降低輻射罩內(nèi)二次輻射誤差。表1為溫度傳感器材料相關(guān)參數(shù)。
1．2高反射率溫度傳感器探頭設(shè)計
溫度傳感器的探頭是由半徑為4mm高反射率銅球和高精度Pt100鉑電阻構(gòu)成。銅球腔內(nèi)導(dǎo)線與鉑電阻通過焊點進行固定連接，腔體開口處用密封膠進行密封，提高其絕緣性，導(dǎo)熱膠填充在腔體內(nèi)提高其導(dǎo)熱性。圖2為溫度傳感器探頭示意圖。
1．3雙通道溫度采集電路系統(tǒng)設(shè)計
為了便于驗證對比地面氣象測量溫度傳感器的精度，設(shè)計了雙通道溫度采集電路系統(tǒng)。系統(tǒng)主要由32位Cor-tex＿M3處理器STM32103、雙通道24bit∑-△低噪聲模數(shù)轉(zhuǎn)換AD7794以及提供噪聲1．2μV，溫漂系數(shù)為3×10－6／℃的基準(zhǔn)源ADR441C的電源組成，處理器通過RS—485協(xié)議將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機顯示。圖3為此電路系統(tǒng)框圖。溫度采集系統(tǒng)的測量通道a采用的是A級Pt100鉑電阻，測量通道b作為參考電阻選用了精度為0．1％的高精度電阻器。同時為了消除由于電阻器引線導(dǎo)致的測量誤差，本文系統(tǒng)采用了Fluke1595A超級測溫電橋，抵消了電源中噪聲和溫漂的影響，系統(tǒng)具有較強的穩(wěn)定性和抗干擾能力。
2CFD仿真與修正算法建立
2．1CFD模型分析
為了模擬仿真不同環(huán)境因素下，溫度傳感器的輻射誤差，通過ICEMCFD［10］對計算流體模型進行網(wǎng)格劃分，如圖4所示。檢驗網(wǎng)格質(zhì)量后將劃分好的模型導(dǎo)入Fluent進行仿真。仿真時開啟能量方程，選擇k-epsilon標(biāo)準(zhǔn)湍流模型、SIMPLE算法、二階迎風(fēng)模式等進行求解。在太陽輻射強度、氣流速度、散射輻射和太陽高度角分別800W／m2，1m／s，200W／m2和45°，下墊面反射率0．2、導(dǎo)流通風(fēng)防輻射罩內(nèi)外表面反射率分別為0．9和0．2的條件下，得到此模型的輻射溫度場及流場的分布圖，如圖5所示。通過CFD-Post軟件計算，溫度傳感器探頭處的輻射誤差為0．089K，氣流速度為1．093m／s。表明該模型具有較好的通風(fēng)性和降低太陽輻射誤差的潛在可能。通過CFD方法分別從風(fēng)速、太陽輻射強度、下墊面反射率、散射輻射、太陽高度角等對此溫度傳感器進行誤差分析，仿真結(jié)果如圖6所示。
2．2反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)修正方法
本文采用反向傳播（backpropagation，BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對仿真采集的數(shù)據(jù)進行擬合分析，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能學(xué)習(xí)和訓(xùn)練大量的輸入—輸出模型映射關(guān)系，利用最速下降的訓(xùn)練學(xué)習(xí)原則，通過樣本的真實類標(biāo)，計算模型預(yù)測的結(jié)果與真實類標(biāo)的誤差。然后將該誤差反向傳播到各個隱含層，計算出各層的誤差，再根據(jù)各層的誤差，更新權(quán)重。得到輻射誤差Δδ與太陽輻射強度T、下墊面反射率f、太陽高度角A、散射輻射W和氣流速度V之間的關(guān)系，形成輻射誤差修正公式采用Java［11］語言設(shè)計了包含一個隱含層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，即一個3層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，如圖7所示。每層都含有一個1維的X特征矩陣即為輸入數(shù)據(jù)，一個1維W權(quán)值矩陣，一個1維的誤差矩陣Error，另外該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還包含了一個1維的目標(biāo)預(yù)測矩陣Target，記錄樣本的真實類標(biāo)。
3實驗研究
3．1誤差修正公式驗證
為了檢驗修正公式的可靠性，將太陽輻射強度、下墊面反射率、散射輻射、太陽高度角以及風(fēng)速代入修正公式得到輻射誤差結(jié)果。將CFD仿真數(shù)據(jù)作為驗證集，修正結(jié)果作為訓(xùn)練集進行訓(xùn)練比較分析。結(jié)果如圖8所示。修正公式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的準(zhǔn)確性可由均方根誤差RMSE和平均絕對誤差MAE表示式中Ec為預(yù)測值，Ee為目標(biāo)值，n為訓(xùn)練樣本數(shù)量。由圖8可得，訓(xùn)練集和驗證集的均方根誤差，即預(yù)測值與目標(biāo)值之差的平方分別為0．0049，0．0163。平均絕對誤差（MAE），即預(yù)測值與目標(biāo)值之差的絕對值分別0．0364，0．0367。因此，修正公式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的擬合程度較高，若使用該修正公式的模型進行修正，則有望降低輻射誤差。
3．2實驗測試與分析
根據(jù)氣象測量要求中的“代表性”規(guī)定，探測儀器的測量結(jié)果應(yīng)能代表周圍環(huán)境較大范圍內(nèi)的平均情況。根據(jù)此要求，選擇在中國氣象局氣象探測中心（南京）觀測基地（32．12°N，118．42°E，海拔為22m）搭建了外場實驗平臺。如圖9所示。其中A為實驗平臺全景圖，B為實驗溫度傳感器，C為基準(zhǔn)溫度傳感器，分別與溫度采集系統(tǒng)測量通道a，b進行連接。實驗中所選取的基準(zhǔn)溫度傳感器為076B風(fēng)扇吸入式強制通風(fēng)防輻射罩，其用戶手冊說明其測量誤差在0．03℃以內(nèi)。將此氣象測量溫度傳感器修正后的值與基準(zhǔn)溫度值進行對比。設(shè)修正值為T1，基準(zhǔn)值為T2，取ΔT為兩者的差值，得到連續(xù)3天3組實驗數(shù)據(jù)結(jié)果如圖10所示。由圖10可得此地面氣象測量溫度傳感器的修正值與基準(zhǔn)值的相對差值較小，對3組數(shù)據(jù)的誤差進行處理可得，其平均值為0．052℃，均方根誤差為0．039℃。修正的誤差精度較高，誤差可降至0．1℃以內(nèi)。
4結(jié)論
本文提出了一種用于地面氣象測量溫度傳感器來降低太陽輻射誤差，通過CFD的方法對溫度傳感器在不同環(huán)境條件下輻射誤差影響進行了仿真分析。利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對仿真結(jié)果進行訓(xùn)練擬合，得到太陽輻射誤差修正公式模型。為了驗證模型的修正精度，在室外綜合探測基地進行了實驗，得到以下結(jié)論：1）通過CFD仿真計算結(jié)果可得，此溫度傳感器所用防輻射罩的輻射誤差受太陽輻射強度的影響較大，隨太陽輻射強度的增加而增大，且在風(fēng)速大于2m／s等環(huán)境條件下其輻射誤差均低于0．1℃量級。2）經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的輻射誤差修正公式模型經(jīng)過驗證，其均方根誤差RMSE和平均相對誤差MAE分別低至0．005和0．04以下，證明了此神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的可靠性。3）此地面氣象測量溫度傳感器的輻射誤差修正值與基準(zhǔn)值ΔT平均值為0．052℃，均方根誤差為0．039℃，表明此溫度傳感器修正的輻射誤差與實際測量基準(zhǔn)值較為符合，可有望將輻射誤差降至0．1℃以內(nèi)。
作者:王帥 劉清惓 楊杰 葛祥建 單位:南京信息工程大學(xué) 江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心 江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室
