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目 录

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2温度观测的特点 2

1.3国内外研究现状 3

1.4本文主要内容 3

第二章 理论基础 5

2.1 计算流体动力学仿真基础 5

2.1.1简介 5

2.1.2控制方程 6

2.1.3.热量传递的三种基本渠道 6

2.1.4求解步骤 8

2.2 软件介绍 9

2.2.1 Pro/Engineer 9

2.2.2 ICEMCFD 10

2.2.3 FLUENT 10

2.2.4 Origin-1stopt 11

第三章 温度传感器的数值模拟 13

3.1 实验设计和理论分析 13

3.2 Pro/Engineer建模 13

3.3 ICEMCFD操作软件分网 15

3.4 Fluent数值求解 17

3.5CFD-Post查看结果 21

第四章 实验测试数据与结论分析 23

4.1数据分析 23

4.2结论分析 27

参考文献 28

附 录 29

致谢 37

自动气象站温度传感器的设计仿真

石谦

，China

Abstract：Direct solar radiation, long wave radiation and reflected radiation are three factors which influence the temperature sensor temperature measurement is not accurate meteorological detection, and affect the accuracy of temperature measurement on the inside of the three factors is the most direct radiation of the sun. Simulation of the relationship between the radiation intensity of solar radiation, wind speed, sensor reflectivity and sensor in the sun under the condition of temperature difference calculation, through the simulation of the physical model of the computational fluid dynamics analysis method, to determine the different conditions on the distribution of the temperature sensor should the temperature records of different reflectance caused by copper ball in the solar radiation exposure temperature difference calculation of two different reflectivity temperature sensor temperature rise ratio, through many experiments, a plurality of temperature rising income ratio curve, see the ratio of temperature rise is a fixed value. So as to provide a reference for the measurement of real atmospheric temperature.

Key words：Solar radiation; temperature sensor; material reflectivity; computational fluid dynamics

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

观测大气现象一直以来都为人类所重视。古时候，人类就已经开始注意到大气中出现的一些现象。通过国内国外的史料，我们都能够找到相关记录。早期人类是通过眼睛直接看的方法来实现对大气现象的观测。17世纪，人类才开始逐渐对大气现象进行定量的观测（人类对雨量的观测是个例外）。人类通过仪器来实现对大气现象的观测，在历史的进程中有着三段不容忽视的发展时期。

在第一段发展时期内（1500-2000年期间），对地面气象的观测系统逐渐成型。伽利略（在物理学和天文学两方面做出杰出贡献的伟大科学家）在1593年将空气温度表呈现在世人面前， Torricelli于1643年将气压表呈现在世人面前。空气温度表以及气压表等观测仪器逐渐被伟大的科学家们创造出来。仪器的发明与发展让原本只是被定性描述的大气现象逐渐发展成能够被定量的观察和测量。

这段时期是地面气象观测仪器（surface meteorological observing instruments，简写smoi）出现以及发展的一段时期，风向风速计、雨量器、湿度表、气压表、温度表、日射表、蒸发皿等都是在这段时期出现的。地面气象观测仪器的发展不仅推动了地面气象观测站网络的形成，而且地面气象观测仪器的发展作为一大物质基础，让近地面层气象要素每天的观测变得更加系统。地面气象观测仪器的发展让大气现象以一种天气图或者气候图的方式展现在人们面前。近代的天气分析由此发展起来，天气预报也因为仪器获取的定量的数据走进大众的视野。

在第二段发展时期内（1920-1960年期间），无线电技术（radio technology）的出现让人们不再局限于地面观测，这是高空观测逐渐发展起来的时期。在这段时期里，无线电探空仪被创造出来。不同高度的大气对应的气象要素对人们来说不再遥不可及，多年来人类对大气现象的观察和测量只能在近地面开展的局限被打破。高空中的大气温度，大气湿度等气象要素也能被人类直接获得。

1945年左右，气象火箭的出现再次推进了高空探测发展的脚步。高度的波及范围能够覆盖大约100km。在此期间雷达也逐渐成为探测大气的新一类的工具，气象雷达主要是用于探测雷暴的分布以及雷暴的结构，并实时发回雷暴的相关情况。气象雷达的覆盖范围非常广，达到了几百千米的距离。不可否认，高空探测的发展让人类对高空的大气现象有了更加立体的认知。

在第三段发展时期内（1960年以来），人类对气象观测已然深入到了大气遥感探测。1960年第四个月份的第一天一颗名为泰罗斯的气象卫星在USA升空，这意味着大气遥感探测的时代来临。大气遥感是人类在对大气现象进行观测的道路上迈出的重要一步，不管是空间范围上，还是连续性或者内容上，大气遥感在原本的基础上都更进了一大步^[1]。对于一颗地球同步气象卫星来说，它能做到的事非常多，覆盖非常广，通过它不仅能够获得大约1/5地球范围内的气象资料，而且实时性能够达到10min。

本文所讨论的温度传感器是适用于地面气象观测的。气象预报的基础是对地面气象信息的观测，向社会公布气象数据的精确与否受到地面气象观测的主要影响。随着人类工业活动的展开以及社会的发展，很多气象问题也越来越凸现出来。精确观测各个气象要素逐渐变得重要起来，而这其中一大重要因素就是大气的温度。

大气的温度不仅仅关系到天气的各种变化，而且气象的各种演变也都和大气温度息息相关^[2]。而不可否认的是，在我们的实际生活中，我们的各种活动也都和大气温度息息相关，有时候不可避免的是温度的变化会让人类在工业或者农业活动中遭受巨大损失。所以说，如何精确观测大气的温度已经受到人们的重视。

当然这里我需要简单讲一讲在观测气温的过程中涉及到的几个途径。热传导是我们使用的主要途径，这个途径能够让温度传感器和空气两者之间的交互热量达到热平衡。因为空气在吸收短波辐射能这一方面，它的能力是很弱的。然而实际生活中，不可否认传感器测温的精度会受到太阳的直接辐射和地面的反射辐射的干扰。而比较这两者，主要是太阳的直接辐射在干扰测量结果的准确度。

当阳光直接照射在感温元件上，当感温元件表面被辐射了一段时间，感温元件获得的额外的温度提升就会加在了感温元件所反映的气温之上。因为这样而产生的误差常常被看作是太阳辐射误差。辐射误差是一个不可忽略的数值。所以说，怎么降低这类误差，已然是观测气温中的讨论的热门话题。而本文所讨论的风速、太阳辐射强度、材料反射率与温度差之间的关系以及测量大气温度的方式有助于推动降低辐射误差这一块的研究。

1.2温度观测的特点

感温元件是采用接触导热这样的方式和空气进行热量的交互。和元器件接触的空气需要具有代表性，就是说接触元器件的空气需要和元器件所在区域相同高度上的自然气温相同。为此，该处空气最好是不受阻碍并能自由流通。

但是在很多情况下这是很难办到的。防辐射设备以及仪器本身对于气流是会有一定阻碍的。事实上，完全用自然通风也很不现实。如果感应元件的热容量较大，那么它想要达到热平衡状态就需要和大量的空气交换热量。但是自然状态下风速有的时候会变得很小，元器件的响应速度就降低了，滞后误差就增加了。

此外，空气与感温元件这两者之间的热交换如果越迅速，那么辐射误差也就变得越小。所以对元件需要进行正确的选择，有时还需要通过人工通风的渠道来将辐射误差降低。

空气吸收辐射能的能力与支架、防辐射设备吸收辐射能的能力有非常大的不同。所以支架和防辐射设备的表面温度是区别于气温的，这种差别容易形成气层里人造的热源或者冷源。空气的流动会导致元件周围的气温受到这样的冷、热源的影响，这样就会区别于自然气温。

除此以外，金属温度表或电测温度表在被使用的时候还必须把金属部件或金属导线的导热因素考虑在内^[3]。

1.3国内外研究现状

海内海外的相关研究人员进行了很多有关的研究，讨论如何减少感温元件测量精度受到太阳辐射的干扰。经过总结，主要是四类方法：

首先我们来说第一个途径，给温度传感器提供一个隔绝地面的反射辐射和太阳的直接辐射的保护罩，这种方法我们不妨称为屏蔽法；

接下来我来讲第二种方法，把到达到温度传感器表面的一大部分太阳辐射反射出去，这种方法的原理是降低元件表面涂层的吸收率；

而第三种方法呢，是将热量交换这个过程加快，这个过程是存在于空气与元件这两者之间的，通过人工通风的方式降低误差；

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