基于CFD的地表温度传感器的设计与实验研究

地面温度变化速度为每10年升高0.1℃,然而受太阳辐射的影响,在实际测量时传统防辐射罩会产生约1 K量级的太阳辐射误差.为提升地表温度测量精度,降低工作能耗,本文设计了一种基于压电振片振动加速传感器探头辐射热量扩散的温度传感器.首先利用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)方法计算温度传感器在多物理因素下的辐射误差,然后使用神经网络算法对数据进行拟合分析,最后搭建外场实验平台,将传感器放置在真实环境中来验证方案的可行性.实验结果表明,本文提出的地表温度传感器具有较高的温度测量精度,其修正值与基准值的绝对误差和均方根误差分别为0.041℃和0.055℃,也验证了神经网络算法修正效果的优越性.

防雨帽对探空仪湿度测量影响的CFD研究

采用流体动力学方法研究了GL—5000P探空仪湿度传感器的防雨帽对湿度测量的影响。运用Pro/E对湿度测量系统结构进行建模,使用前处理软件ICEM对其进行网格划分,导入Fluent软件进行稳态和瞬态计算分析。模拟结果表明:GL—5000P防雨帽很好地防止了高空云雨滴对湿度传感器的影响,其兼具一定的防太阳辐射功能,但高空25 km以上防辐射能力减弱,甚至起相反作用;防雨帽厚度对太阳辐射误差影响较小,而其反射率影响则较显著;瞬态分析揭示了传感器表面的湿度场分布产生了时间滞后,且时间滞后常数随海拔高度的升高而增加,到27 km达到0.42 s。该研究为湿度垂直廓线的时间滞后修正提供了理论依据。

探空湿度测量太阳辐射误差时空分布特征研究

针对太阳辐射加热引起探空湿度测量产生偏干误差,采用流体动力学（CFD）软件对探空湿度测量模型施加对流-太阳辐射耦合热边界条件,模拟湿度传感器上的温度场分布,结合电容湿度传感器的工作原理和相对湿度的定义,提出了太阳辐射偏于误差修正的数值分析模型.数值分析结果表明：随着海拔高度的升高,湿度测量的太阳辐射误差随之增大;在不同的地区实施探空湿度测量,太阳辐射误差随季节变化曲线与纬度密切相关;在白天当地时间6 ～18点之间施放气球,太阳辐射误差随时间先增加再减小,当地时间正午12点时达到最大.为探空湿度测量太阳辐射误差修正的时空分布特征的研究提供了一种新的方法.

探空湿度传感器太阳辐射误差流体动力学分析与实验研究

针对太阳辐射导致的探空湿度测量偏干问题,本文采用模拟仿真和实验进行相关研究。首先采用流体动力学(CFD)方法模拟仿真了湿度传感器在探空过程中由于太阳辐射导致的温升情况,为了验证仿真的准确性,设计湿度测量电路并搭建实验平台,研究了各种不同条件下的湿度传感器的温升误差,对比结果表明仿真值与实验值吻合度较好,最大相对误差为7.5%。其次,研究了海拔高度、太阳辐射强度、气流流速和防护罩对湿度传感器温升误差的影响,结果表明影响较大的是海拔高度,温度误差随海拔高度明显增加,防护罩的影响较小,此外温度误差与太阳辐射强度呈正相关,与气流流速呈负相关。最后以韩国RSG-20A的湿度测量系统为模型,同时以阳江比对中的一次探空数据记录作为仿真条件,模拟仿真了太阳辐射下的温度误差,再结合饱和水汽压公式计算相对误差,结果表明,32 km的高空由于辐射导致的温度差值达13℃,湿度的相对误差达到70%以上。该研究为探空湿度垂直廓线的辐射误差修正提供一定依据。

探空温度传感器受太阳辐射影响的仿真分析

随着高空温度探测精度要求的日益提高,如何减小温度传感器测量误差已成为亟需解决的问题,而太阳辐射作为影响温度传感器探测性能的重要因素已成为该领域研究的热点.利用计算机仿真技术,引入太阳高度角、引线夹角2个影响因子,根据流体动力学模型模拟分析探空温度传感器从海平面上升到32km高空时所受太阳辐射的影响,最终得到辐射误差与海拔高度的关系曲线族,仿真结果将为开展高空温度传感器误差分析提供基础依据,从而提高传感器测量准确度.

基于RBF算法的探空湿度太阳辐射误差预测

针对传统BP神经网络算法预测的探空湿度太阳辐射温度误差偏大的问题,基于南京大桥的GTS1-2湿度传感器及其防雨帽模型,采用计算流体动力学(CFD)软件,通过PRO/E建模、ICEM划分网格及FLUENT仿真,以高空实际探测中典型气压、太阳高度角和太阳辐射量为变量仿真出2530组温度误差的数据样本。数据样本通过BP,PSO-BP,GA-BP,RBF神经网络算法进行优化对比,最终采用RBF神经网络算法构建预测模型,可预测出不同环境下探空的湿度太阳辐射温度误差,且预测出的温度误差最小。

基于BP神经网络的温度传感器辐射误差分析

为了降低太阳辐射对地面温度测量造成的影响,修正太阳辐射误差,文中采用计算流体动力学方法(CFD)仿真得到不同气流速度和太阳高度角下的温度传感器的辐射误差。通过BP神经网络算法对仿真数据进行拟合,获得辐射误差修正方程,实现对测量的地表温度的修正。BP神经网络的拟合结果和仿真结果的均方根误差值为0.05℃。为便于应用该算法求解任意环境参数条件下的温度传感器辐射误差,文中亦设计了一种误差修正软件。

地面气象测量温度传感器的设计与实验研究

根据国家基准气候站和基本气象站的记录,近54年来我国年平均地表气温变化幅度为1.3℃。然而实际测量过程中,观测站采用的百叶箱和防辐射罩的辐射误差通常可达1℃以上。为了降低辐射误差,提出了一种地面气象测量温度传感器。该传感器包括导流通风防辐射罩、高反射率铂电阻探头、高精度嵌入式温度采集系统及误差修正算法。首先,通过计算流体动力学(CFD)方法计算不同环境因素下的辐射误差;然后,利用反向传播(BP)神经网络算法进行拟合仿真得到辐射误差修正公式模型;最后,在室外综合观测基地对此温度传感器测量精度进行验证。结果表明:温度传感器的修正值与参考值的误差ΔT平均值为0.052℃,均方根误差为0.039℃,有望将辐射误差降至0.1℃以内。

探空温度传感器设计与辐射误差修正方法研究

针对太阳辐射影响探空温度传感器测量精度的问题,设计一种基于24位Σ-Δ模/数转换器的高精度温度测量电路。搭建太阳辐射模拟实验平台并在高低温低气压实验箱中进行实验,提出一种利用Levenberg-Marquardt(L-M)算法拟合出太阳辐射误差修正方程的方法。实验结果表明,该探空温度传感器及其算法将均方根误差从0.88℃降低至0.28℃,提高了探空温度传感器的测量精度,在高空气象探测领域具有一定的应用潜力。

探空湿度测量太阳辐射误差修正流体动力学研究

针对太阳辐射加热导致的误差显著限制了相对湿度测量的准确度,提出一种新颖的相对湿度误差修正方法—–基于流体动力学的数值分析法.在流体-固体耦合传热数值模拟分析中考虑探空湿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,建立了地面到32 km高空不同气压和温度条件下探空湿度传感器的温度误差分析模型.结合Goff-Gratch饱和水汽压逼近公式,进而提出了相应的相对湿度误差流体动力学数值分析模型,并且着重研究了太阳辐射方向、传感器尺寸、反射率和衬底材料热导率等物理参数对相对湿度误差的影响.分析数值仿真结果表明:随着海拨的升高,其与太阳辐射加热引起的相对湿度误差之间存在非线性的单调递增关系;太阳辐射方向对于湿度测量精度的影响显著,当太阳辐射方向垂直于传感器正面时误差最大、传感器顶部时次之、侧面时误差最小;虽然通过减小探空湿度传感器的尺寸、降低衬底材料的热导率以及提高反射率均可以一定程度地降低太阳辐射加热引起的相对湿度误差,但是在低气压高空条件下,太阳辐射加热误差对于湿度准确性的影响仍然十分明显,需加以修正.与实验结果对比表明,基于流体动力学模拟仿真的相对湿度误差数值分析法为辐射误差修正提供了一种新的途径.