一種陣列式探空溫度傳感器設計*

周　悅，劉清惓*，楊　杰，戴　偉，余　寅

（1.江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044；2.江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，南京210044；3.南京信息工程大學，中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室，南京210044；4.南京信息工程大學大氣物理學院，南京210044）

一種陣列式探空溫度傳感器設計*

周悅1，2，劉清惓1，2*，楊杰3，4，戴偉3，4，余寅1，2

（1.江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術協(xié)同創(chuàng)新中心，南京210044；2.江蘇省氣象探測與信息處理重點實驗室，南京210044；3.南京信息工程大學，中國氣象局氣溶膠與云降水重點開放實驗室，南京210044；4.南京信息工程大學大氣物理學院，南京210044）

為降低傳統(tǒng)探空溫度傳感器的橫梁尾流熱污染誤差，設計了一種基于熱電偶陣列的探空溫度傳感器。該傳感器由鉑電阻，四個熱電偶組成的陣列，高精度測量電路等部分組成。采用計算流體動力學（CFD）軟件FLUENT對探空溫度傳感器進行數(shù)值分析仿真計算。搭建了一套高空環(huán)境模擬實驗裝置。實驗結果表明，使用陣列式熱電偶作為探空溫度傳感器，可將橫梁熱輻射誤差降低至橫梁升溫量的0.43%～8.72%，實驗測量結果與仿真結果相差-3.02%～5.44%，吻合度較高。陣列式低輻射誤差探空溫度傳感器和傳統(tǒng)探空溫度傳感器相比，降低了橫梁尾流在上升過程中對傳感器探頭的影響，具有較低的輻射誤差。

探空溫度傳感器；傳感器陣列；高空探測；太陽輻射；計算流體動力學

探空儀通常搭載具有良好瞬態(tài)特性的溫度傳感器、濕度傳感器、氣壓計、GPS/北斗定位模塊、無線發(fā)射模塊等組件，由上升速度約為5～6 m/s的氣球搭載，對高空溫濕度、氣壓、風速風向等參數(shù)進行探測［1-2］。

為提高溫度測量的響應速度，探空溫度傳感器的探頭一般安裝在探空儀的上部并充分暴露在空氣中。為防止在校準和施放的過程中損壞探頭，并降低在高空中被冰雹撞擊的概率，通常利用含有頂部橫梁的基板作為安裝探頭的框架?；逶谔娇諆x上升過程中會因太陽輻射導致升溫，因此橫梁會產生高于環(huán)境溫度的尾流，在一定的風切角條件下會進一步增大對探空溫度傳感器的太陽輻射誤差，這種現(xiàn)象被稱為探空溫度傳感器的“熱污染”效應。

瑞士Ruffieux為輻射誤差研究搭建了簡易的低氣壓輻射風洞平臺［3］，美國Schmidlin提出了探空熱敏電阻傳感器的解析模型［4］可較為容易地計算出太陽輻射誤差。在此基礎上，Luers進一步對當時應用較為廣泛的棒狀熱敏電阻器的太陽輻射誤差建立了簡化模型［5-6］。但這些研究中的模型過于簡化，雷諾數(shù)需依靠經驗估測，無法進行準確的定量分析。而且這些學者的簡化模型僅研究了太陽輻射直接對探空溫度傳感器造成的輻射誤差，沒有對基板橫梁尾流的熱輻射誤差進行量化研究［3-6］。

隨著器件加工技術水平的提高，微型熱電偶探頭的直徑可小于傳統(tǒng)探空溫度傳感器采用的珠狀熱敏電阻，因此其雷諾數(shù)低，對流傳熱系數(shù)高，有利于減小太陽輻射誤差。本文設計了一種基于陣列式熱電偶的探空溫度傳感器，不僅太陽輻射誤差低于傳統(tǒng)的基于珠狀熱敏電阻的傳感器，且能顯著降低橫梁尾流對探空溫度傳感器的熱污染效應。

1　陣列式傳感器設計

陣列式熱電偶傳感器探頭示意圖如圖1所示。為提高對太陽輻射的反射率，使用厚度0.6mm、高20mm、寬10mm的鋁片作為傳感器探頭的基板，基板的橫梁高5mm。由于湍流、探空儀懸掛姿態(tài)等因素的影響，基板在飛行過程中難以始終保持垂直狀態(tài)，其傾角通常在±45°范圍內。如僅有單個熱電偶作為測溫探頭，則無法保證在各種風切角下該探頭不受熱污染影響。因此將四個線徑為0.127mm的微型熱電偶的熱端分別固定在基板橫梁下方的兩側，相鄰熱電偶的間隔為2mm，如圖1（b）所示。四個熱電偶共用同一冷端［7］，因鉑電阻具有高穩(wěn)定性、高精度的優(yōu)點［8］，因此將鉑電阻作為熱電偶的冷端溫度補償器件［9］。由于高反射率銅球具有較低的太陽輻射吸收系數(shù)，因此將熱電偶的冷端和鉑電阻一起放在銅球中，如圖1（c）所示。利用這種設計，銅球內的鉑電阻亦具有較小的太陽輻射誤差，從而降低了熱電偶兩端的溫差，提高了熱電偶的測量精度。

圖1　傳感器探頭示意圖

陣列式傳感器電路系統(tǒng)原理如圖2所示。溫度測量電路使用24 bit Σ-Δ低噪聲模數(shù)轉換器（ADC）AD7794。為實現(xiàn)高精度溫度測量，使用低噪聲線性電源對ADC供電，同時采用ADR444基準電壓源，為A/D采樣提供基準電壓。四個熱電偶輸出的差分模擬量通過電容濾波電路后連接到AD7794的高輸入阻抗模擬輸入端口。為進一步提高測量精度，利用斬波方法，使微弱電壓信號的失調誤差降低至μV量級。鉑電阻傳感器的測量采用四線制恒流源測溫電路［10］，并使用Vishay公司研制的Z型金屬箔精密電阻作為參考，其溫度系數(shù)低達±0.05× 10-6/K，從而使實現(xiàn)PPM級測量精度成為可能。由Cortex-M3內核的處理器 STM32F103VCT6產生PWM波形來控制功率開關的通斷，以此來控制加熱電阻的功率。在處理器的引腳輸出端和功率開關之間通過光耦連接，防止電流的高頻分量對處理器和測量電路造成干擾［11］。

該熱電偶測量電路的100組測試實驗結果表明，其RMS噪聲為0.0986 mK。鉑電阻測量電路的測試標定實驗使用了測溫精度可達0.015 mK、模擬輸入端噪聲低至3 nV的Fluke 1595 A超級電阻測溫儀，并采用了水三相點作為溫度參考，從而使該系統(tǒng)可滿足高精度探空溫度測量的應用需求。

圖2　電路系統(tǒng)框圖

2FLUENT仿真分析

2.1模型建立及網格劃分

探空溫度傳感器經Pro/E軟件建立幾何模型如圖3（a）所示。通過ICEM CFD對幾何模型進行四面體非結構化網格劃分，圖3（b）為溫度傳感器流場的非結構化網格。生成的網格需經網格質量檢驗，確保網格中沒有負網格存在。經檢驗，網格最小雅克比矩陣與最大雅克比矩陣行列式的比值為0.25，網格質量良好。

圖3　基板幾何模型與網格劃分示意圖

2.2計算流體動力學求解

FLUENT是當前國際主流的CFD軟件，是求解流體流動和傳熱問題的工具。通過FLUENT仿真分析，研究復雜對流-太陽輻射耦合熱邊界條件下基板周圍的溫度場分布，可求解出橫梁升溫造成的溫度變化。通過仿真可獲得在風切角為0°、15°、 30°和45°，海拔分別為0 km、4 km、8 km、12 km、16 km、20 km時，共24種工作環(huán)境下的溫度場分布，模型中的太陽高度角為90度，溫度單位為K。

圖4是在20 km海拔高度下，風切角分別為0°、15°、30°和45°時的溫度場分布，隨著風切角的增大，橫梁的溫度不斷升高，橫梁尾流形成的溫度場對傳感器附近的不同位置產生了不同的影響。圖5是在30°風切角下，海拔高度分別為0 km、4 km、8 km、12 km、16 km、20 km時的溫度場分布，隨著海拔高度的不斷增大，橫梁的溫度不斷升高，其尾流形成的溫度場對傳感器附近的相同位置產生的影響不斷增大。

圖4　海拔20 km條件下的尾流溫度場

圖5　風切角30°條件下的尾流溫度場

2.3遺傳算法擬合

遺傳算法GA（Genetic Algorithm）是一種基于自然選擇和基因遺傳學原理的隨機并行搜索算法，該算法尋求全局最優(yōu)解而不需要任何初始化信息。根據CFD仿真結果，使用遺傳算法擬合得到四個熱電偶受尾流影響大小與海拔、風切角的關系分別如式（1～4），其中z為尾流熱污染引起的熱電偶測量誤差與橫梁升溫之比，單位為%，x為風切角，單位為°，y為海拔高度，單位為km。曲面圖如圖6所示。

其中

圖6　熱電偶受尾流影響程度與海拔、風切角的關系

3　高空環(huán)境模擬實驗裝置設計

設計了一套可模擬探空傳感器工作環(huán)境的實驗裝置。如圖7所示，該裝置由高低溫低氣壓實驗箱、電機控制的旋轉機械結構、數(shù)據采集與發(fā)送系統(tǒng)、箱外數(shù)據接收模塊等組成。

高低溫低氣壓實驗箱用于模擬高空大氣環(huán)境，其氣壓范圍為30 hPa～1 000 hPa。根據1976年出版的美國標準大氣［12］可獲得氣壓與海拔高度的數(shù)據指數(shù)函數(shù)關系，其對應海拔高度可達 0 km～20 km。支撐板安裝在直流電機的上方，傳感器電路板安裝在支撐板的上方，基板安裝在支撐板的側邊，基板風切角的角度通過量角器測量。該裝置通過電機旋轉模擬探空溫度傳感器所處的風場，此時四個熱電偶的升溫值即為橫梁尾流對探空溫度傳感器的誤差影響。將四個熱電偶和2個鉑電阻的測量結果通過電路板上的無線模塊發(fā)送到實驗箱外的接收與數(shù)據采集電路，再通過串口轉發(fā)到PC上進行數(shù)據存儲。

圖7　太陽輻射誤差模擬實驗裝置示意圖

4　實驗結果與分析

為獲得熱電偶自身的輻射誤差特性，使用LED光源模擬1000 W/m2太陽輻射，使用TES1333太陽輻射儀校準LED光源的輻射強度。在0 km～20 km情況下，分別采集用LED垂直照射時熱電偶的輸出和關閉LED后熱電偶的輸出，相減后得到曲線如圖8所示。實驗結果表明，太陽輻射誤差隨著海拔上升而增大，20 km時最大，為0.265℃。傳統(tǒng)珠狀熱敏電阻在20 km時的太陽輻射誤差達0.5～0.6℃［13］，與之相比本文提出的熱電偶溫度傳感器具有一定的優(yōu)勢。

圖8　輻射誤差與海拔的關系

在高低溫低氣壓實驗箱中，對橫梁進行恒功率加熱，測出在0°、15°、30°、45°風切角下，四個熱電偶隨海拔上升的熱污染升溫量。為了更加清楚地表示出尾流升溫效應，本文進行了歸一化處理，即用熱電偶的升溫量除以橫梁升溫量所得百分比作為Y軸參數(shù)。如圖9所示，曲線代表仿真擬合結果，符號代表測量值。表1為風切角為30°時，使用單個熱電偶與使用陣列式熱電偶的結果對比；表2為海拔高度20 km時使用單一熱電偶與使用陣列式熱電偶的結果對比。

圖9　CFD仿真和實驗測量結果對比

表1　風切角30°情況下單個熱電偶與使用陣列式熱電偶的結果對比

表2　海拔高度20 km情況下單個熱電偶與使用陣列式熱電偶的結果對比

仿真結果中，在探空中較常見的30°風切角環(huán)境下，在低空中橫梁升溫0.45℃。如僅有單個熱電偶，則橫梁熱污染引起的熱電偶升溫達0.07℃；若有四個熱電偶，則受橫梁熱污染最小的熱電偶升溫僅0.001℃。20 km高空環(huán)境中橫梁升溫2.65℃，如僅有單個熱電偶，則橫梁熱污染引起的熱電偶升溫達0.758℃；若有四個熱電偶，則受橫梁熱污染最小的熱電偶升溫僅0.001℃。

根據測量結果，在探空中較常見的30°風切角環(huán)境下，在低空中橫梁升溫0.46℃。如僅有單個熱電偶，則橫梁熱污染引起的熱電偶升溫達0.083℃；若有四個熱電偶，則受橫梁熱污染最小的熱電偶升溫僅 0.002℃。20 km高空環(huán)境中橫梁升溫2.18℃，如僅有單個熱電偶，則橫梁熱污染引起的熱電偶升溫達0.652℃；若有四個熱電偶，則受橫梁熱污染最小的熱電偶升溫僅0.077℃。

5　結論

為降低傳統(tǒng)探空溫度傳感器受橫梁尾影響引起的熱污染誤差，提出了一種由四個熱電偶和一個鉑電阻構成的陣列式溫度傳感器。利用CFD仿真與遺傳算法獲得了熱電偶受尾流影響大小與風切角、海拔高度的函數(shù)關系。仿真結果表明，如僅有單個熱電偶，則橫梁熱污染引起的熱電偶升溫量與橫梁升溫量的比值范圍為11.15%～40.06%；使用陣列式熱電偶，則受橫梁熱污染最小的熱電偶升溫量與橫梁升溫量的比值可降低到0.04%～8.24%范圍內。

為驗證CFD仿真結果，設計搭建了低氣壓模擬實驗裝置。實驗結果表明，如僅有單個熱電偶，則橫梁熱污染引起的熱電偶升溫量與橫梁升溫量的比值在8.13%～41.65%范圍內；使用陣列式傳感器，則受橫梁熱污染最小的熱電偶升溫量與橫梁升溫量的比值縮小至0.43%～8.72%范圍內。實驗測量結果與仿真結果相差在-3.02%～5.44%，吻合度較高。熱電偶傳感器在0～20 km海拔高度的太陽輻射誤差為0.004 1℃～0.265 0℃，低于相同海拔下傳統(tǒng)珠狀熱敏電阻的誤差值。

本文提出的這種傳感器不僅可顯著降低尾流熱污染引起的升溫誤差，其太陽輻射誤差亦低于傳統(tǒng)的熱敏電阻傳感器，不僅可用于業(yè)務探空儀，亦有望在參考級探空儀中獲得應用。

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劉清惓（1979-），男，博士。2002年獲東南大學碩士學位，2006年獲加州大學戴維斯分校博士學位。目前任南京信息工程大學教授、博士生導師。主要研究方向為MEMS傳感器技術、氣象探測，q.liu@ieee.org；

周悅（1990-），男，南京信息工程大學碩士研究生，主要研究方向為傳感器設計及其信號處理，510794445@qq.com。

Design of an Array-Based Sounding Temperature Sensor*

ZHOU Yue1，2，LIU Qingquan1，2*，YANG Jie3，4，DAI Wei Jie3，4，YU Yin1，2
（1.Jiangsu Collaborative Innovation Center on Atmospheric Environment and Equipment Technology，Nanjing 210044，China；2.Jiangsu Key Laboratory of Meteorological Observation and Information Processing，Nanjing 210044，China；3.Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration，Nanjing University of Information Science&Technology，Nanjing 210044，China；4.School of Atmospheric Physics，Nanjing University of Information Science&Technology，Nanjing 210044，China）

In order to minimize measurement error induced by heated air flow，commonly named as"heat contamination"，an array-based sounding temperature sensor，that consists of platinum resistance thermometer，an array of four thermocouples and a precision measurement circuit，is proposed.FLUENT，a computational fluid dynamics（CFD）software，is employed to perform numerical simulation of the sensor.A low-air-pressure experiment platform is constructed to simulate high altitude environment.Experimental results indicate that the solar radiation error resulted from the heat contamination considerably will decrease to 0.43%～8.72%by using array of four thermocouples as sounding temperature sensor.The difference between experimental results and simulation results are-3.02%～5.44%，which shows that the experimental results agrees with the simulation results.This array-based sensor is able to reduce the error resulted from the heat contamination considerably.The sensor also features relatively small radiation error，compared to traditional bead thermistor sounding temperature sensors.

sounding temperature sensor；sensor array；upper air observation；solar radiation；computational fluid dynamics

TP212.1

A

1004-1699（2016）08-1297-08

EEACC：723010.3969/j.issn.1004-1699.2016.08.029

項目來源：國家公益性行業(yè)（氣象）科研專項項目（GYHY200906037，GYHY201306079）；國家自然科學基金項目（41275042）；江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程（“傳感網與現(xiàn)代氣象裝備”項目）（KYLX15_0866）

2016-01-08修改日期：2016-04-18