文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.170485
中文引用格式： 牛雅迪，劉清惓，曹鴻霞，等. 熱電堆型總輻射傳感器設(shè)計(jì)與溫漂誤差修正[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2017，43(9)：90-92，97.
英文引用格式： Niu Yadi，Liu Qingquan，Cao Hongxia，et al. Design and temperature drift error correction of a thermopile total solar radiation sensor[J].Application of Electronic Technique，2017，43(9)：90-92，97.
0 引言
太陽(yáng)總輻射傳感器是一種重要的地面氣象觀測(cè)儀器，也是太陽(yáng)能資源普查與光伏電站運(yùn)行監(jiān)控領(lǐng)域不可缺少的裝備。太陽(yáng)總輻射傳感器按原理分為光電型和熱電型兩大類(lèi)。響應(yīng)時(shí)間短是光電型傳感器的一大優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是難以在較寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)找出光譜響應(yīng)一致的光電器件[1]。熱電型傳感器通常利用高發(fā)射率涂層吸收太陽(yáng)輻射并轉(zhuǎn)化為溫差，對(duì)各種波長(zhǎng)的輻射能有較一致的吸收性能[2]。
環(huán)境溫度變化造成的溫漂誤差是影響總輻射傳感器測(cè)量精度的重要因素，荷蘭Kipp & Zonen公司研制的CMP 6是主流高精度總輻射傳感器，其溫度漂移誤差可達(dá)±4%，顯著高于±1%的非線(xiàn)性誤差和±1%的穩(wěn)定性誤差。為減小溫漂誤差，傳統(tǒng)方法通常采用模擬電路補(bǔ)償，但對(duì)于自身具有較大非線(xiàn)性或溫漂特性呈非線(xiàn)性的傳感器，采用模擬器件進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒y以在滿(mǎn)量程范圍和較大環(huán)境溫度變化范圍內(nèi)獲得較好的補(bǔ)償效果。為解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種利用高精度低噪聲測(cè)量電路和BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法實(shí)現(xiàn)溫漂修正的總輻射傳感器。
1 熱電堆型總輻射傳感器探頭設(shè)計(jì)與CFD仿真
本文設(shè)計(jì)了一種由感應(yīng)面、熱電堆和薄膜鉑電阻組成的傳感器探頭，如圖1所示。上層80 mm直徑的高熱導(dǎo)率銅片噴有高吸收率的啞光黑漆，可近似地認(rèn)為其接近朗伯體[2]，以此來(lái)吸收太陽(yáng)輻射。
為提高靈敏度，該傳感器探頭的熱電堆由8組鎳鉻-康銅熱電偶串聯(lián)而成。熱電堆的8個(gè)熱端在上層銅片下表面，相應(yīng)的8個(gè)冷端固定在下層銅片上表面。為減少熱電偶自身的導(dǎo)熱，定制了一種0.127 mm直徑的熱電偶絲。該傳感器探頭采用鉑電阻為熱電堆提供了冷端溫度補(bǔ)償，同時(shí)也為后期溫漂修正提供了環(huán)境溫度補(bǔ)償[3]。
為提高測(cè)量精度，需盡可能降低上感應(yīng)面升溫對(duì)下感應(yīng)面的傳熱。為定量分析探頭結(jié)構(gòu)的傳熱特性，利用ICEM CFD軟件對(duì)探頭的三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并采用CFD軟件FLUENT對(duì)模型進(jìn)行流-固耦合傳熱分析[4]。設(shè)定太陽(yáng)輻射強(qiáng)度、太陽(yáng)高度角分別為1 000 W/m2、90°。根據(jù)仿真結(jié)果，距離上感應(yīng)面60 mm處的空氣溫度與環(huán)境溫度差小于0.01 ℃，其溫度場(chǎng)分布圖如圖2所示。因此，本文設(shè)計(jì)的傳感器探頭中兩感應(yīng)面之間采取60 mm的間距，以抑制空氣對(duì)流和支撐結(jié)構(gòu)的熱污染效應(yīng)。
2 高精度測(cè)量電路設(shè)計(jì)
該總輻射傳感器電路框圖如圖3所示，主要由Cortex-M3 ARM處理器 STM32F103VCT6、低噪聲線(xiàn)性電源以及高精度24位低噪聲模/數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7794等部分組成。
采用噪聲1.2 μV、溫漂系數(shù)3 PPM/℃的外部基準(zhǔn)源ADR444為ADC提供基準(zhǔn)電壓；采用四線(xiàn)制接入鉑電阻方式，可降低由導(dǎo)線(xiàn)電阻引起的誤差[5]；采用精度為± 0.01%、5 PPM/℃溫漂的精密電阻作為參考電阻。
利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7794內(nèi)部的可編程增益放大器，對(duì)微弱熱電勢(shì)信號(hào)進(jìn)行放大。利用斬波方法，不但降低了熱電勢(shì)誤差和模擬輸入端的噪聲，亦提高了電壓測(cè)量的線(xiàn)性度。該ADC利用Sinc4濾波，可編程放大器增益為128倍時(shí)，其噪聲可低至80 nV。由實(shí)驗(yàn)測(cè)得的A/D轉(zhuǎn)換值就可以計(jì)算得到熱端和冷端(溫度分別為T(mén)和T0)在回路中產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢(shì)Ediff，其大小為：
3 誤差修正算法設(shè)計(jì)
3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建與數(shù)據(jù)分析
實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由熱電堆型總輻射測(cè)量系統(tǒng)、太陽(yáng)光模擬器以及作為參考儀器的高精度輻射表組成。模擬太陽(yáng)光照射到熱電堆型總輻射傳感器上時(shí)，傳感器的上層銅片會(huì)吸收熱能，從而與下層銅片產(chǎn)生溫差。將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)置于高低溫實(shí)驗(yàn)箱中，可在不同環(huán)境溫度下獲得總輻射傳感器的特性數(shù)據(jù)；通過(guò)調(diào)節(jié)太陽(yáng)光模擬器的功率，可模擬不同太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。在環(huán)境溫度T0分別為
-20 ℃、-10 ℃、0 ℃、10 ℃、20 ℃、30 ℃和40 ℃，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度分別為400 W/m2、500 W/m2、600 W/m2、700 W/m2、800 W/m2、900 W/m2、1000 W/m2和1100 W/m2時(shí)測(cè)得的溫度差值如圖4所示。
由測(cè)量結(jié)果可知，環(huán)境溫度一定時(shí)，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度越大，傳感器的兩感應(yīng)面之間的溫度差值越大；太陽(yáng)輻射強(qiáng)度一定時(shí)，環(huán)境溫度越高，傳感器的兩感應(yīng)面之間的溫度差值越大。對(duì)于1 000 W/m2的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度，當(dāng)環(huán)境溫度從-20 ℃變化至40 ℃時(shí)，熱電堆冷熱端的溫差可由50.1 ℃增加到57.6 ℃。如忽略傳感器的溫漂效應(yīng)，則產(chǎn)生的測(cè)量誤差可能達(dá)到15%以上。
3.2 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的溫漂修正方法
本文采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到環(huán)境溫度、溫差與太陽(yáng)總輻射的函數(shù)關(guān)系式R=f(T0，ΔT)。其中，R為太陽(yáng)總輻射值，T0為環(huán)境溫度，ΔT為溫差。BP網(wǎng)絡(luò)能學(xué)習(xí)和存儲(chǔ)大量的輸入-輸出模式映射關(guān)系，使用最速下降法的學(xué)習(xí)規(guī)則，通過(guò)反向傳播來(lái)不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)值和閾值，使網(wǎng)絡(luò)的誤差平方和最小。將擬合公式存入程序代碼中，就可通過(guò)測(cè)量環(huán)境溫度和溫差求出太陽(yáng)總輻射值。
設(shè)定BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入層神經(jīng)元為2個(gè)，輸出層神經(jīng)元為1個(gè)，隱含層神經(jīng)元為5個(gè)。根據(jù)測(cè)量結(jié)果使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法擬合得到三者之間關(guān)系：
輸入層節(jié)點(diǎn)數(shù)j=1、2，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)i=1、2、…、5，輸出層節(jié)點(diǎn)數(shù)k=1。
為驗(yàn)證該傳感器的性能，在中國(guó)氣象局綜合觀測(cè)(南京)基地進(jìn)行了外場(chǎng)測(cè)試。圖5所示為傳感器外場(chǎng)測(cè)試圖。
在實(shí)驗(yàn)中，取10組在不同的環(huán)境溫度下獲得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。將這10組數(shù)據(jù)與高精度太陽(yáng)輻射表所測(cè)值進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。該傳感器的均方根誤差為10.71 W/m2，相對(duì)誤差不大于2.79%，以0~1 000 W/m2作為量程時(shí)，滿(mǎn)量程誤差不大于1.66%。
4 結(jié)論
本文設(shè)計(jì)了一種基于鉑電阻和熱電堆的總輻射傳感器。利用CFD方法對(duì)該傳感器探頭進(jìn)行了流-固耦合傳熱分析，降低了上感應(yīng)面升溫對(duì)下感應(yīng)面的傳熱影響。為檢測(cè)熱電堆的微弱信號(hào)，設(shè)計(jì)了一種高精度溫度測(cè)量電路。為消除環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量的影響，搭建了測(cè)試平臺(tái)，對(duì)-20 ℃~40 ℃范圍的傳感器溫度特性進(jìn)行了模擬測(cè)試，并提出了一種利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法消除環(huán)境溫度引起的測(cè)量誤差的新方法。外場(chǎng)測(cè)試結(jié)果表明，利用修正算法進(jìn)行誤差修正后，讀數(shù)精度可達(dá)2.79%，滿(mǎn)量程精度達(dá)1.66%，與國(guó)外主流傳感器4%的溫漂誤差相比，具有一定優(yōu)勢(shì)。該傳感器在氣象探測(cè)、光伏電站等領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力。
參考文獻(xiàn)
[1] KARIMOV K S，QAZI I，KHAN T A.Low temperature properties of organicinorganic Ag/p-CuPc/n-Ga As/Ag photoelectric sensor[J].Science in China(Series E：Technological Sciences)，2008，51(2)：153-161.
[2] 梁中翥.太陽(yáng)輻射傳感器件[J].光機(jī)電信息，2011，28(9)：38-44.
[3] MUKHERJEE A，SARKAR D，SEN A.An analog signal conditioning circuit for thermocouple temperature sensor employing thermistor for cold junction compensation[C].2013 International Conference on Control，Automation，Robotics and Embedded Systems，2013：1-5.
[4] YANG J，LIU Q Q，DAI W.Temperature error correction method for a naturally ventilated radiation shield[J].Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics，2016(149)：40-45.
[5] 王小飛，袁濤，張鐵冰.鉑電阻測(cè)溫儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用， 2005，31(9)：26-28.
[6] 吳來(lái)杰，嚴(yán)雋薇，劉敏.基于數(shù)值計(jì)算的熱電偶測(cè)溫[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009(5)：94-95.
作者信息：
牛雅迪1，2，3，劉清惓1，2，3，曹鴻霞1，宿愷峰1
（1.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京210044；
2.江蘇省氣象探測(cè)與信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京210044；
3.江蘇省大氣環(huán)境與裝備技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京210044）