临近空间探空仪温度传感器设计

针对开展临近空间科学探测的需求增加,设计了一种基于微型珠状热敏电阻的临近空间探空仪温度传感器。首先用计算流体动力学(CFD)方法对探头进行仿真并计算出太阳辐射误差;然后使用逆向传播(BP)神经网络和遗传算法优化的逆向传播(GA-BP)神经网络训练数据比较预测模型;并搭建模拟临近空间条件的低气压风洞实验平台测试不同参数下的太阳辐射误差,比较测试结果与预测模型输出数据,证实传感器的测量精度。实验表明,本文提出的传感器探头的平均测量误差为0.0073 K,误差均方根为0.0098 K。

探空温度测量太阳辐射误差的流体动力学分析

针对太阳辐射加热导致的误差限制了温度的准确度,提出了一种新的太阳辐射加热误差修正方法——数值分析法。通过计算流体动力学CFD软件对探空温度传感器进行了地面到32km高空不同气压条件下的热数值模拟分析。在分析中考虑探空温度传感器的外部热环境情况,施加对流-太阳辐射耦合热边界条件,建立了探空温度传感器的热分析模型,并引入了表面涂层反射率和电阻体尺寸两个影响参数。分析数值仿真结果表明,海拔与太阳辐射加热误差之间并非简单的线性关系,而是随着海拔的增加斜率不断增大的曲线关系。现在业务使用的温度传感器表面涂层反射率的提高和电阻体尺寸的减小在高气压条件下降低辐射加热有明显效果,但在低气压条件下,太阳辐射对温度准确性的影响仍十分明显。

探空温度传感器的太阳辐射误差研究

伴随着数值天气预报和气候变化研究精细化程度的不断提高,希望探空温度传感器的观测精度达到0.1 K数量级。为了实现此目标,运用计算流体动力学(CFD)方法对珠状热敏电阻器从海平面上升至32 km高空的整个过程进行太阳辐射误差数值分析。在此基础上,针对影响测温精度的引线、引线夹角大小以及太阳照射角度进行分析与探讨,获得其与太阳辐射误差的内在联系。数值求解结果表明:引线、引线夹角大小以及太阳照射角度是太阳辐射误差的重要影响因子。海拔高度与太阳辐射误差之间呈现出随海拔高度的增加斜率不断增大的类指数函数关系。

基于流体动力学的探空温度传感器太阳辐射误差研究

针对太阳辐射加热导致的误差显著限制了温度测量的准确度的问题,提出了基于流体动力学的太阳辐射误差的修正方法——数值分析法。建立从地面到32 km高空不同气压条件下珠状热敏电阻器探空温度传感器的误差热分析模型,通过计算流体动力学对其进行太阳辐射误差数值模拟分析。着重研究了太阳辐射方向、传感器表面涂层反射率、传感器尺寸等物理参数对太阳辐射误差的影响。研究结果表明:太阳辐射引起的温度测量误差随海拔高度的上升呈现非线性单调递增的变化趋势。当太阳辐射方向垂直于传感器正面时误差最大,增大传感器表面涂层反射率、减小传感器尺寸都能有效降低太阳辐射误差。

探空温度传感器的计算流体动力学分析与实验研究

伴随着数值天气预报和气候变化研究精细化程度的不断提高,希望探空温度传感器的观测精度达到0.1 K数量级.为了实现此目标,运用计算流体动力学方法对珠状热敏电阻从海平面上升至20 km高空的整个过程进行数值仿真分析.并在此基础上,针对影响测温精度的太阳辐射强度和传感器倾斜角度两个因素进行分析.仿真结果表明,太阳辐射强度和海拔高度是辐射误差的重要影响因子.当传感器倾斜角度为90?时,珠状热敏电阻的辐射误差最小.通过麦夸特法和通用全局优化法对仿真数据进行拟合,获得不同海拔高度和太阳辐射强度下的辐射误差修正方程;为验证方程的准确性,设计和搭建太阳辐射误差模拟系统.实验结果表明,辐射误差实验测量值与修正方程修正值之间的平均偏移量为0.017 K,均方根值RMS误差为0.023 K,验证了计算流体动力学方法、麦夸特法和通用全局优化法获得辐射误差数据的准确性.

探空温度传感器辐射误差修正的数值方法

伴随着数值天气预报和气候变化研究精细化程度的不断提高,希望探空温度传感器的观测精度达到0.1 K数量级。为了实现此目标,基于对流换热和辐射换热理论的热平衡微分方程,建立适用于珠状热敏电阻导热对流辐射耦合计算的模型。在综合分析珠状热敏电阻热边界条件的基础上,运用伽辽金有限元法对不同太阳辐射强度和海拔高度下的珠状热敏电阻进行传热仿真分析。仿真结果表明,太阳辐射强度和海拔高度是辐射误差的重要影响因子。太阳辐射强度的增强将导致辐射误差的增大,其增大幅度随着海拔高度的增加越发显著;辐射误差随着海拔高度的增加而迅速增大,两者之间呈近似指数函数关系且单调递增。

A Simulation of the Response of a Sounding Temperature Sensor Based on the Combination of a Genetic Algorithm and Computational Fluid Dynamics

The present study aims at improving the accuracy of weather forecast by providing useful information on the behavior and response of a sounding temperature sensor.A hybrid approach relying on Computational Fluid Dynamics and a genetic algorithm(GA)is used to simulate the system represented by the bead thermistor and the surrounding air.In particular,the influence of different lead angles,sensor lead length,and lead number is considered.The results have shown that when the length of the lead wire of the bead thermistor is increased,the radiation temperature rise is reduced;when the number of lead wire is four and the angle between the lead wires is 180°,the solar radiation angle has a scarce influence on the radiation temperature rise of the sounding temperature sensor.

探空温度传感器的太阳辐射误差修正方法研究

由于太阳辐射的影响,探空温度传感器高空测量时的辐射误差可达3 K量级。为提高传感器测量精度,提出一种太阳辐射误差修正方法。首先通过计算流体动力学(CFD)方法计算珠状热敏电阻的太阳辐射误差,然后采用准牛顿法(BFGS)拟合仿真数据并得到太阳辐射误差修正方程,最后通过低气压风洞和太阳模拟器实验平台对修正方程的准确性进行验证。实验结果表明,在太阳高度角和海拔高度范围分别为0°～60°和10～32 km时,珠状热敏电阻辐射误差修正值与实验测量值之间差值的平均值为0.124 K,均方根误差为0.083 K,验证了辐射误差修正方法的可行性。

面向高精度探空温度传感器的结构设计与数值模拟

为降低探空仪摆动对探空温度传感器观测精度的影响,针对珠状热敏电阻提出一种在三维空间对称的四引线十字型结构设计,并运用计算流体动力学方法建立珠状热敏电阻和外围空气域的流固耦合模型,对珠状热敏电阻在不同太阳照射方向和不同引线数量条件下的温度分布进行数值模拟研究。结果表明:珠状热敏电阻的四引线十字型结构能够显著降低摆动对观测精度的影响,可将太阳辐射误差的修正精度提高到0.05 K量级;同时两引线和六引线结构降低摆动影响的能力均弱于四引线结构,验证了四引线结构是目前最优的结构设计方案。

基于NTC微珠状热敏电阻的瞬态热测量技术

实时原位监测相变材料热物性可以为优化新能源汽车电池热管理提供可靠数据支撑。提出了一种瞬态热测量技术,并建立对应的物理模型和方法,用于同步测量相变材料的导热系数和热扩散系数。采用该方法对相变材料石蜡进行测量分析,并通过仿真和试错法进行误差修正,测量得到石蜡的导热系数为0.245 W/(m·K),热扩散系数为1.07×10^(-7) m^(2)/s。测量值与参考值吻合良好。该方法具有热源小、测量快、原位测量等优点,在新能源汽车相变冷却热管理中有实际应用前景。