[发明专利]便携式分光光度计以及太阳能集热管的表征方法

说明书

技术领域

本发明属于光学测量设备或测量仪器的技术领域。

更具体的讲，本发明涉及便携式设备，该便携式设备用于现场（in-field）光谱表征用于获得太阳能热量的集热器中所使用的管子的反射和透射系数。该设备包括用于进行测量的所有必要组件，这种测量包括对数据进行处理并通过无线发送到电脑中进行存储。

背景技术

无论是从在家用水平的热水的加热或者制冷生产的观点出发，还是从太阳能热发电厂的电力生产上来讲，在光热领域中的太阳能收集在技术和经济层面上都具有越来越高的重要性。

这些系统要求获得最大限度的太阳能吸收，并且尽可能的得到最小的热能损失。为此，在真空管或者类似结构中完成相关配置以减少热传导和对流带来的损耗，并拥有强大的太阳能的吸收涂层，而且具有发射率低的特征，能够减少在远红外光区热辐射中的能量损失。

因此，无论是在家用方面还是在电能生产中，选择合适的吸收涂层都起到了至关重要的作用，且其正常的运作在很大程度上取决于这一类型系统的性能。一个恰当的表征所述涂层的光学特征的方法在这个领域具有非常重要的意义。就电能生产设备来说，由于具有大量的要表征的吸收管，故能快速容易地进行测量也是很便捷的。

鉴于这种类型管子的光学特征（最大的能量吸收和最小的能量损失），通常在不利的环境条件下，由于从逻辑上讲环境光线总是高强度的，设备必须能够准确的测量反射和透射系数的极端值（接近0或1）。

由于这些反射和透射系数强烈依赖于所使用的光线的波长，对这些系数本身的光谱进行表征是必不可少的。完成这一类型测量的设备被称作是分光光度计。

在一个典型的分光光度计中使用的是宽谱光源和可变滤波器元件，就像是一个跟随狭缝移动的衍射网格，允许顺序地选择不同的波长。这一选择允许以几乎持续的方式改变波长，但是由于所获得的输入光的功率非常低，反而结果是在低动态测量范围内产生一个更为复杂和精微的系统。

专利US 4687329描述的是一个使用宽谱光源的设备，在这种情况下，紫外线以及多个在固定位置上的过滤器，能够完成在一定数量的离散点上的光谱测量。

分光光度计也有其历史背景，其中具有不同波长的光源的集合被用作光源。在专利US 2008/0144004中，几个发光二极管(LED)被同时使用来完成血液中不同分析物检测的透射测量。但是，并未进行真正的光谱测量，而是在一些不同的波长上的几个同时的测量。另外，该专利不存在应对环境光线的保护，也不存在进行反射或参考测量的可能性。

类似的情况发生在发明专利US 4286327中，在该专利中可以以不同波长（在远红外光区中）进行连续的测量，但是在这一情况中所使用的LED是相同的，光谱选择是通过具有不同中心波长的固定滤波器完成的。这里既不存在任何应对环境光线的信号恢复机制，也不存在进行反射或参考测量的可能性。

上述任何设备或其他类似设备无论是范围，灵敏度和/或机械结构都不满足太阳能集热器的吸收管的现场测量的需求。

发明内容

本发明考虑到上面列出的问题的具体特点，所作出的设计满足便携性、测量速度、足够的灵敏度以及动态范围的要求。

为了得到一个简单而强大的系统，将通过覆盖波长范围的发光二极管(LED)来实现玻璃照明，在此波长范围内想要获得其特征。这使得需要廉价且具有高耐用性和高稳定性的光源。存在很多波长范围在300到2500nm（从紫外线到近红外线）之间的商业性的LED，这使得针对每个问题的具体特点通过简单地选择所需LED的数量，能够使用所需的分辨率进行光谱测量。根据太阳热能生产设备的光谱表征的一般需求，拥有大约十二个测量波长就足够了。

为了实现足够快速测量的目的，除了完成允许对光源射出的光强度的瞬时值作出独立测量的参考测量之外，设备应同时进行每个玻璃管的透射和反射系数的测量。除了设备的机械结构之外，要求针对每个被表征的波长安装四个光检测器和两个LED发射器，该设备允许进行这四项测量，而不需要作任何类型的位置调整。

为了获得高灵敏度的测量，从而能够非常准确地获得反射和透射系数的数值，这一数值非常小或者非常接近1，这需要采集系统具备足够大的信噪比。由于背景光信号主要来自环境太阳光，也就是说，它是一种高强度的信号，为了实现达到高信噪比，对所述信号进行一些类型的处理是必不可少的。在这种情况下最为合适的是通过应用一些去除算法进行数字信号处理，例如同步或锁定检测。为了进行这样的处理，将要被测量的信号很容易地从噪声背景区分出来是必要的，通常是通过应用某类型的调制来实现。