光電式日照計累積測量誤差減小方法研究

楊海行，王凌云，王醒華

（長春理工大學 光電工程學院，吉林長春 130022）

光電式日照計累積測量誤差減小方法研究

楊海行，王凌云，王醒華

（長春理工大學 光電工程學院，吉林長春 130022）

針對光電日照計累積測量誤差大、標定周期長的問題，通過建立日照計總輻射、散射輻射與太陽輻照度位置關系及相應光電轉(zhuǎn)換數(shù)學模型，推導出總輻射和散射輻射理論遮蔽系數(shù)，選取了相應的光電傳感器并設計了光電轉(zhuǎn)換電路，解決了日照計測量結(jié)果不穩(wěn)定，標定過程調(diào)節(jié)困難且周期長、主觀因素影響大等技術難題。進行了實驗與測試，通過對大量測量結(jié)果分析，提出了一種基于時間和經(jīng)緯度及實測結(jié)果進行修正的誤差補償新方法。實現(xiàn)了將現(xiàn)有光電式日照計月累計測量誤差由原來11.06%提高到了2.21%，標定周期由20天以上縮短為5天以內(nèi)，并消除了調(diào)試人員主觀誤差的影響，使大規(guī)模生產(chǎn)得以實現(xiàn)，具有廣泛的實用性。

光電日照計；累積誤差；標定周期；修正方法

氣象上通常采用日照計觀測日照時數(shù)，日照時數(shù)為太陽直接輻照度達到或超過120瓦/平方米的各段時間總和［1］，是所有地面觀測臺必須監(jiān)測的項目，觀測日照對于了解太陽直射輻射變化、監(jiān)測氣候狀況、分析和預報未來天氣、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、太陽能開發(fā)、建筑規(guī)劃與設計、環(huán)境監(jiān)測等都有重要意義。

我國氣象部門現(xiàn)多采用暗桶式日照計、直接輻照計測量日照時數(shù)，暗桶式日照計需要人工安裝試紙，費時費力且精度不高，不能滿足日照計的現(xiàn)階段需求。直接輻照計具有高精度、智能化等特點，但由于價格昂貴，難于維護，無法大規(guī)模使用，多作為鑒定日照計的標準表。國外氣象部門多采用荷蘭Kippamp;Zonen公司的CSD3型光電日照計，精度較高，在歐洲等地多年的使用效果良好，由于國內(nèi)的氣候條件更加多變導致引進的CSD3型光電日照計測量效果不好，不能滿足國家氣象局提出的最大月測量誤差±10%的要求，所以減小累積測量誤差是光電式日照計能否大規(guī)模使用的關鍵。

1 光電式日照計的原理及現(xiàn)存問題

光電式日照計依據(jù)總輻射測量法原理，分別測量太陽總輻照度和太陽散射輻照度，通過計算總輻照度和散射輻照度的差值間接獲得直接輻照度值，并對日照時數(shù)進行累加。二分天空式總輻射光電日照計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

光電感應器件1在360度范圍內(nèi)接收輻射，光電感應器件2和光電感應器件3則以90度的角度間隔分別接收不同方向上的散射輻射。通過與標準太陽直接輻射表實時比較，調(diào)節(jié)散射輻射和總輻射的遮蔽系數(shù)［2］，光電感應器件1的輸出即為總輻照度，光電感應器件2和3的輸出較小值即為散射輻照度。

遮蔽系數(shù)的調(diào)節(jié)需要以符合國家標準的太陽直接輻射表為參考基準，在無遮擋的戶外測試點進行人工標定，其大小與當?shù)靥鞖鉅顩r密切關聯(lián)［3］。遮蔽系數(shù)的調(diào)試周期長，容易造成較大的主觀誤差，進而導致不同批次的產(chǎn)品不能保證一致性。

現(xiàn)階段國內(nèi)外光電日照計的月累計誤差受天氣狀況影響，多云、陰雨天的測量誤差很大［4］，由于我國幅員遼闊，氣候多樣，現(xiàn)有光電式日照計在國內(nèi)的月累計誤差不能滿足國家氣象局提出的±10%的要求。

2 遮蔽系數(shù)的推導及誤差分析補償

2.1 光電轉(zhuǎn)換模型的構(gòu)建

光電傳感器將輻照度轉(zhuǎn)換成電信號，大多采用輸出線性度較好的硅光電池作為傳感器。本文選用的歐光電子科技公司研發(fā)的BPW34硅光電池，能夠把輻照度轉(zhuǎn)換為電流輸出，光電轉(zhuǎn)換特性如圖2所示。

圖2 BPW34光電轉(zhuǎn)換特性圖

由圖2（a）可知在950nm處轉(zhuǎn)換關系為：

式中，Ira為輸出電流，Ee為輻照度。

由圖2（b）可知BPW34對不同波長的光響應特性不同，響應函數(shù)為S(λ)，在950nm處轉(zhuǎn)換率達到峰值，結(jié)合式（1）并對相對光譜靈敏度曲線積分，可得BPW34對太陽光的光電轉(zhuǎn)換特性如式（2）所示。

BPW34的處理電路將輸出的光電流轉(zhuǎn)換為與輻照度（W/m2）相對應的電壓值（mν）輸出。處理電路如圖3所示。

圖3 光電處理電路圖

其中，J1為總輻射輸傳感器出電流，J3、J5分別為兩個散射傳感器的輸出電流。R31、R32、R33即遮蔽系數(shù)，結(jié)合式（2）光電轉(zhuǎn)換電路的理想輸出如式（3）所示。

總輻射傳感器放在全開窗口中，接收太陽的總輻射，散射傳感器放置于交錯排列的窗口中，保證任意時刻太陽直接輻射只能照射到其中的一個，輸出較小的即為散射輻射［5］，工作示意圖如圖4所示。

圖4 日照計工作示意圖

其中，h為太陽的入射光線與地平面的夾角即太陽高度角，β為太陽高度角的余角。由于光電傳感器件的方向特性不滿足余弦關系，通過添加余弦校正器來修正傳感器的方向特性［6］，本文中余弦校正器采用聚四氟乙烯材料加工而成。

散射接收器件接收來自空氣和大地對太陽光的散射，近似為0-90°方向都有入射光線，采用積分法對入射光方向進行等效平均，散射接收器件的方向特性系數(shù)η如式（4）所示。

總輻射接收器件接收太陽散射輻射和直接輻射，接收散射輻射的方向特性系數(shù)如式（4）所示為0.63。太陽直接輻射的入射角度與太陽高度角近似互為余角，太陽高度角與太陽時角和赤緯有關，赤緯角以年為周期，在+23°26′與-23°26′的范圍內(nèi)移動，成為季節(jié)的標志。季節(jié)更替影響測試地點正午太陽高度角的大小，以測試地點天津東經(jīng)117°，北緯40°為例，在赤緯角為-23°26′時太陽高度角最小為27°，在赤緯角為+23°26′時太陽高度角最大為72°。即總輻射接收器件接收的太陽直接輻射入射角是變化值，受時間、季節(jié)影響。采用最大和最小值求平均值的方法來近似等效接收直接輻射的方向特性系數(shù)α，如式（5）所示。

參考中國太陽直射比的年分布數(shù)據(jù)可知太陽直射比為0.522［7］，對直接輻射和散射輻射加權后的總輻射接收器件的方向特性系數(shù)γ，如式（6）所示。

考慮接受傳感器的方向特性，光電轉(zhuǎn)換電路輸出如式（7）所示。

選取R31為50Ω，R32、R33為40Ω能使式（7）永遠成立，實際測試中只需進行微調(diào)即可得出滿意的遮蔽系數(shù)值，將調(diào)節(jié)時間由20天縮短為5天，顯著的加快了調(diào)試周期。

2.2 光電式日照計測量誤差分析及補償方法研究

由于日照計的擺放位置，吸光漆的均勻程度，余弦校正器的粗糙度，都會影響日照計的測量精度，且沒有規(guī)律可尋［8］，很難固定參數(shù)的進行修正。光電傳感器的靈敏度變化導致的測量誤差可通過在夜里的測量值進行固定參數(shù)修正。

分析大量實測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在不同天氣情況下日照計的輸出在中午附近會有明顯的衰減，由于晴天正午直接輻照度很高，衰減不會影響日照時數(shù)的累積，但是在多云、陰天情況下，輻照度的衰減會造成較大誤差，光電式日照計的吸光漆材料問題導致誤差普遍存在。接收窗內(nèi)附有吸光漆涂層，減少接收窗內(nèi)反射造成的誤差，可是由于吸光漆的吸光率不能達到100%，在戶外測試過程中由于暴曬導致的吸光漆的老化吸光率還會逐漸的降低，通常會有25%的反射率。在當?shù)貢r間正午前后，太陽直射在窗內(nèi)壁會形成反射，導致接收到的散射輻照度增大，輸出的直接輻照度就會減小，且衰減伴有明顯的時間分布規(guī)律。在正午時刻下降最多，上下午對稱衰減，成直線趨勢?；跁r間、經(jīng)緯度、實測結(jié)果的修正方法能夠有效解決問題。

對測量結(jié)果及日照計的結(jié)構(gòu)分析可知衰減開始在當?shù)貢r間九點前后，連續(xù)20分鐘衰減幅度達到20W/m2，認為開始進入衰減，此時太陽高度角的正弦為sinhST，時間為TST，太陽直接輻照度為EST，衰減過程近似為一條直線，太陽高度角最大時衰減達到最大，如式（8）所示，太陽高度角最大時間為TMAX。

基于時間和經(jīng)緯度的上午誤差修正模型如式（9）所示。

上下午滿足對稱關系，下午修正模型如（10）所示。

通過嵌入式芯片的浮點運算單元，加載修正函數(shù)對測量結(jié)果進行修正，修正前后4種天氣對比結(jié)果如圖5所示。

圖5 測試及修正結(jié)果圖

四種天氣下光電日照計測得輻照度都在正午前后出現(xiàn)對稱衰減，但是衰減程度與實際天氣情況相關，在加載基于時間、經(jīng)緯度、測量結(jié)果的修正函數(shù)后，有效解決了這一問題。

3 測試驗證

直接輻射表能夠自動跟蹤太陽位置，通過導熱感應面和溫差電堆測定太陽輻照度進而計算日照時數(shù)，中國氣象局研制的TBS-2-B型工作級標準直接輻射表，不確定度為1%，達到世界氣象組織（WMO）儀器和觀測方法委員會（CIMO）有關工作標準直接輻射表的要求［9］，可作為檢定光電式日照計的標準表。在天津中環(huán)天儀有限公司氣象儀器測試平臺為期一個月的初步測試中，以修正前后每日測得的日照時數(shù)與標準直接輻射表測得的日照時數(shù)的比值來觀察光電式日照計測量結(jié)果穩(wěn)定度，2016年10月綜合修正前后對比如圖6所示。

圖6 綜合修正前后測量結(jié)果對比圖

表1 10月日照時數(shù)測量數(shù)據(jù)（a）上半月測量數(shù)據(jù)

（b）下半月測量數(shù)據(jù)

由圖6可知修正后測得日照時數(shù)與標準表日照時數(shù)比值更加貼近于1，且波動減小，即測量結(jié)果更加穩(wěn)定。10月日照時數(shù)測量數(shù)據(jù)如表1所示，表a為上半月測量數(shù)據(jù)，表b為下半月測量數(shù)據(jù)。標準表的月累計日照時數(shù)為9143分鐘，修正前測得的月累計日照時數(shù)為8131分鐘，修正后日照時數(shù)累計值為8941分鐘，修正后將月累計誤差由-11.06%提高到-2.21%，大幅度提高了日照計的測量精度。

4 結(jié)論

本文通過建立輻照度與電壓信號的數(shù)學模型進而推導出遮蔽系數(shù)的值，將調(diào)節(jié)時間由20天以上縮短為5天以內(nèi)，并且消除了調(diào)試人員的主觀誤差，解決了不同批次產(chǎn)品不能保證一致性的問題，使大規(guī)模生產(chǎn)得以實現(xiàn)，具有廣泛的實用性。提出的基于當?shù)貢r間、經(jīng)緯度、實測結(jié)果的修正方法解決了日照計正午前后測量值衰減問題，將月累計誤差由-11.06%提高到-2.21%，大幅度提高測量精度，滿足了氣象局的精度要求。

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［3］呂文華，邊澤強，曾濤.光電型總輻射表校準方法研究［J］.電子測量技術，2012，35（5）：1-2.

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Research on Improving the Measurement Accuracy of Photoelectric Sunshine Meter

YANG Haihang，WANG Lingyun，WANG Xinghua
（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Aiming at the problem of large measurement error and long calibration period for photoelectric sunshine，the shielding coefficient of total radiation and scattering radiation is deduced by establishing the relationship between total radiation，scattered radiation and solar irradiance position and corresponding photoelectric conversion mathematical model.The corresponding photoelectric sensor and the design of its photoelectric conversion circuit to solve the sunshine measurement results are unstable，calibration process adjustment difficult and long cycle，subjective factors such as large technical problems.A new method of error compensation based on time and latitude and longitude and measured results is proposed by analyzing and testing a large number of measurement results.The cumulative measurement error of the existing photoelectric sunshine month is increased from 11.06%to 2.21%，the calibration period is reduced from 20 days to 5 days，and the influence of the subjective error of the debugging personnel is eliminated，and the large-scale production can be realized，with a wide range of practicality.

photoelectric sunshine；cumulative error；calibration cycle；correction method

TN98

A

1672-9870（2017）05-0025-04

2017-09-15

楊海行（1992-），男，碩士研究生，E-mail：1184512389@qq.com

王凌云（1977-），女，博士，教授，E-mail：wlywly8888@126.com