温度传感器太阳辐射误差修正方法研究

论文总字数：17810字

目 录

摘要 1

Abstract 2

绪论 5

1.1选题的目的及意义 5

1.2国内外研究现状 5

1.3课题研究内容 6

第二章 基础理论 7

2.1温度传感器 7

2.2珠状热敏电阻器 7

2.3三种传热方式 8

1、热传导 8

2、热对流 8

3、热辐射： 9

2.4计算流体力学分析 9

1、网格划分 9

2、基本方程 10

3、CFD的数值计算方法 11

4、CFD求解过程 11

第三章 模型建立及求解参数的设定 12

3.1流体的描述 12

1、理想流体与粘性流体 12

2、牛顿流体与非牛顿流体 12

3、可压缩流体与不可压缩流体 13

4、定常流动与非定常流动 13

5、层流与湍流 13

3.2实体模型的建立 13

1.参数化设计 14

2.基于特征建模 14

3.单一数据库 14

4.直观装配管理 14

5.易于使用 14

3.3 计算流体动力学软件FLUENT 14

3.4 完整的软件结构包括 14

3.5本文利用软件求解问题的步骤如图所示 14

第四章太阳辐射误差值分析 15

4.1珠状热敏电阻实体模型的建立 16

4.2实体模型的网格划分 16

4.3计算的收敛性分析 16

4.4仿真结果分析 16

第五章 总结和展望 17

5.1总结 17

5.2研究展望 17

致谢 19

参考文献 20

第一章 绪论

1.1选题的目的及意义

太阳光传送到地球表面是以电磁波辐射的方式。地球表面接受到的太阳辐射能量与所在的地理纬度、海拔高度以及时间变化（如年、季节、月、日）有关。太阳辐射强度是表示太阳辐射强弱的物理量，所谓太阳辐射强度，就是垂直于阳光单位黑体表面，在单位时间内吸收的辐射量。在地球大气的上方，直接受到太阳辐射时，它称为太阳常数。通常太阳常数的平均值一般来说用So表示。世界上各个国家因为使用的测量仪器与方法不一致，所以，不同国家测量出来的太阳常数一般不同。

温度传感器是指能够将温度转换成信号的一个传感器。在本次的设计中，我使用了珠状热敏电阻来作为这次设计的温度传感器。珠状热敏电阻有以下的优点：体积小、灵敏度高、散热能力强等。如今，我们在无线电探空仪上使用的温度传感器，大多都是珠状热敏电阻。在测量零到三十二千米的大气温度的时候，一般会选用这个电阻，因为它测量的结果比较精确。与此同时，珠状热敏电阻会受到太阳直射的影响，在有光照的时候，传感器会因为直射辐射升温，于是测量结果会出现误差，这个误差就称为太阳直射辐射加热误差。现如今，科技在不断发展，人们在测量方面的精度要求也越来越高了，从多年前的几K，到先在的0.1K，只有精度越来越小，我们所测量出来的数值才会更精确。因此，有必要对珠状热敏电阻器的探测结果进行太阳辐射加热误差修正。

1.2国内外研究现状

随着我国经济的飞速发展，大气污染问题也随之变得更为严重。温度，云层，大气，都是能影响太阳辐射的因素。在研究太阳辐射的时候，我们也需要测量出有关太阳辐射的相关数值。在这个时候，我们一般会采用珠状热敏电阻来作为传感器，来测量相关数值。

与之同时，我们在测量太阳辐射的同时，也会出现一个不可必然的现象，就是误差。如何避免出现误差，就成为了人们一直都在研究的一个方向。其中，有两种研究该问题的方法，第一个就是风洞试验法。所谓风洞试验法，就是在风洞中放一个飞行装置或者其他的物体模型，使它与流体相互作用的一种实验方法。使用这种实验方法，能够有效的控制外界环境对测量温度时产生的影响。而且这种实验一般都是在实验室进行，可以排除很多不利因素产生的影响，通过这样的实验方法，得到的结果精确度高，而且成本低廉，效率值也比较高。能够减少很多不必要的误差。而第二种方法，就是经验估测法。顾名思义，这种方法，需要操作者有足够的理论基础和极其丰富的经验，才能得出一定的实验结果。这种实验方法，不适用于一般的操作者，有很大的局限性。因为得出的是估计值，所以结果产生的误差会很大。

但是如今的环境问题越来越严重，如果继续使用以上的两种方法，将会出现一些不足之处，这两种方法也就出现了局限性。产生的误差也会越来越大，如何减小，消除这种误差就是我们需要完成的一项重要任务。

本文依照了现有的文献和理论体系来进行模拟太阳辐射误差修正。在此之中，我进行了建模仿真，模拟出环境的影响因素，记录出具体数值，最后修正误差，提高传感器的精确度。这项实验，早在很多年以前，就有很多气象学家做过。但是，前人提出的方法，有的很难模拟出环境情况，也有的很难计算出准确的数值。在前人的基础上， Luers J K 进一步研究了太阳辐射误差，他研究的热传感器是棒状热敏电影，棒状热敏电阻是当时较为广泛应用的一个电阻体，为了能模拟更准确，得出较为真实的数值，他还制作了棒状热敏电阻的实体模型，随着实验的深入，他也得出了相应的结论。但是，这个实验最终还是存在一些缺点的，就是在得出数值，进行计算时式中雷诺系数的估算都是靠经验，没有准确的计算，这种方法就非常需要科研人员有着极其丰富的经验，同时也存在着不可避免的误差。

1.3课题研究内容

在探索太阳辐射的问题上，温度传感器所测量出数值的误差是我们需要解决的一个重点。随着环境的不断变化，温度传感器也会发生一些变化，从而影响最终的数值。如何才能避免环境对它的影响，是我们日后研究的难点。

在研究的过程中，如果我们能够提前预测到太阳辐射的变化情况，这将很大程度的帮助我们减少由于太阳辐射变化产生的误差。因此，本文采用了数值分析的方法，使用这种方法，将很大程度的帮助我们研究太阳辐射产生的误差分析。

本文的研究内容如下所示：

1. 在现有的知识理论的基础上，查阅相关资料，文献，使用模拟仿真软件建立珠状热敏电阻的实体模型。
2. 对建立好的实体模型进行网格划分；
3. 太阳辐射耦合热边界条件：在建立好的珠状热敏电阻的实体模型上，施加外部复杂对流；
4. 在建立模型，计算实体的基础上，对珠状热敏电阻进行太阳辐射误差分析。可以采用运用计算流体动力学软件FLUENT对它进行分析。
5. 通过对模拟仿真软件得到的数值分析，根据得到的仿真结果进行计算，提出我们得到的结果，总结出一种太阳辐射误差修正数值分析的方法

第二章 基础理论

2.1温度传感器

温度传感器是利用它的敏感元件的特征参数可以温度变化的特点，对温度及与温度相关的参量进行测量的装置。温度传感器可以分为接触式和非接触式或热电阻和热电偶两类，前者是按测量方式分类而后者是按传感器材料和电子元件特性分类。

2.2珠状热敏电阻器

珠状热敏电阻体通常是球体或者椭球，是由陶瓷烧结形成的。它的直径最小约为0.6毫米，最大到2毫米甚至更大，外部由保护层与铝膜或白漆包裹，尾部的连接是由两根引线完成的。近年来，技术的进步使得国际先进的珠状热敏电阻的直径越来越小，有的甚至已经可以降至小于1mm，而珠状热敏电阻的优点是较小的体积能够有效的增大太阳辐射反射功率，空气的对流换热效果也得到了提高，因此这种技术在当前受到广泛的应用

本文使用珠状热敏电阻作为其敏感元件，珠状热敏电阻器是由新材料新工艺生产出的NTC热敏电阻器，它的体积小由环氧树脂包封。珠状热敏电阻器测量更精确、反应速度更快。热敏电阻器可以分为PTC和NTC,PTC是指正温度系数热敏电阻器，NTC是指负温度系数热敏电阻器，他们是按照温度系数分类的。热敏电阻器地温度很敏感，电阻值也会随温度而变化这是它最出色的特点。

2.3三种传热方式

传热也称为热传递，是温度差而发生的温度传递。根据热力学第二定律我们知道，只要温度不一样，热就一定会从温度高的地方传递到温度低的地方,因此传热是自然界和工程技术领域中特别常见的一种传递现象。无论在工业部门（能源、宇航、化工、动力、冶金、机械、建筑等）还是在农业、环境保护等其他部门中许多问题都涉及到了传热问题。 ^[1] 

从本质上讲，无论何种物质，只要存在温度差，就一定会发生传热现象，传热过程也有各种各样的类型，因此我们认为传热是一种很不简单的现象。物体的传热过程可以分为三种，这三种基本传热模式分别为热传导、热对流还有热辐射 ^[2]。

1、热传导：指在物质在相对静止的时候，物理内部有温度差的存在从而发生的热能传递现象，或者两个直接接触的物体之间有温度差然后发生的热能传递现象。

原子以晶格振动的形式在固体中发生运动，从而这个固体中就产生了热传导。而导体与非导体之间的能量传输是有区别的，非导体是靠其体中的晶格波传输，而导体除了靠晶格波传输还依靠自由电子的平移运动传输。

众所周知，物质的构成成分为分子或者原子。分子会因为物体上温度的存在而不停的运动，从而产生能量，而因此产生的能量会因为温度的升高而增强。

2、热对流：热对流产生的原因是流体宏观运动引起它们各部分之间发生相对位移，使得在这个过程中冷流体和热流体会相互混合，这个过程即称为热对流。

对流传热由两部分组成的，这两部分为强迫对流和自然对流。强迫对流，顾名思义就是在外力作用下流体进行循环流动。自然对流则是在温度作用下，密度梯度发生改变。

3、热辐射：从名字可以知道，物体往外散发热能的方式是以辐射的形式，而这种辐射是电磁辐射。热辐射的发生十分容易，甚至在没有任何外力的时候都会发生，使得这个传热方式十分有效，因此在真空情况下一般都是这种方式。

2.4计算流体力学分析

计算流体力学起源于计算机，从上世纪五十年代，计算机的发展迅速，从而产生了一个新的学科，这个学科融合了数学、流体力学还有计算机，这个新学科就是计算流体力学。计算流体力学的主要内容是模拟分析流体力学问题，而模拟和分析的关键就是求解流体力学的控制方程，这个方程求解需要通过计算机和数值方法。CFD软件的组成结构一般是前处理、求解器、后处理三部分。前处理、求解器和后处理三部分, 每个都有很大的作用, 分别表示如下:

1、网格划分

ICEMCFD做为一款CAE前处理软件是非常专业的，它的具体操作如下图所示：

当世界应用较为广泛的CAE软件需要效率高并且可靠性也可以保证的分析模型时，他们会选择专业的前处理软件ICEMCFD。而他们选择ICEM是有原因的，ICEM修复CAD模型的能力很强大，可以自动中面抽取，拥有独一无二的网格“雕塑”技术，网格编辑技术以及广泛的求解器支持能力。

软件功能：· 可以导入各种建模软件建立的模型

· 微小的几何缺陷会被自动忽略，还有一些无关紧要的细小特征也能被自动跨越

· ICEM拥有一套完善的工具，这些工具可以用来修复不怎么完好的模型，所以它不会对对CAD模型的完整性做太高的要求。

· 在几何模型的尺寸发生改变之后，ICEM会自动对改变后的模型进行网格划分，如此用户就不需要再做重复性工作了

· ICWM的网格有一个网络雕塑技术，这个技术十分便捷，可以对划分不管有多复杂的几何体

· 能够自动生成网格，这个网格是以六面体为主的，而且这个过程的速度很快

· 求解器的接口特别多，如FLUENT\ANSYS等都能够使用，支持的接口超过100种

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