Каков принцип действия термоэлектрического пиранометра

Ртутные барометры

Строение чашечного барометра. Стеклянная трубка, запаянная сверху и заполненная дистиллированной ртутью, опущена в пластмассовую или металлическую чашку с ртутью. Чашка связана с атмосферой через отверстие.

Принцип действия ртутного барометра основан на том, что давление столба ртути уравновешивается атмосферным давлением, которое действует на поверхность ртути в чашке барометра.

Масса столба ртути с определенной площадью сечения равна атмосферному давлению на ту же площадь.

Поправки ртутного барометра:

— инструментальная (в поверочном свидетельстве) определяется путем сравнения данного прибора с эталоном;

— поправка на температуру. При увеличении температуры ртуть расширяется, поэтому показания барометра приводят к температуре 0 ºС. При положительных температурах температурную поправку следует отнимать, а при отрицательных – прибавлять.

— поправка на ускорение силы тяжести (зависит от широты и высоты места над уровнем моря)

Ускорение силы тяжести (ускорение свободного падения) тел изменяется с широтой из-за изменений с широтой центробежной силы вращения Земли. Максимального значения центробежная сила достигает на экваторе, а на полюсах она становиться равной нулю. Вес тел с приближением к экватору уменьшается, а при приближении к полюсу – увеличивается.

Барометр-анероид

Приемная часть – металлическая анероидная коробка с волнистой поверхностью. Воздух из коробки выкачан, а внешнее атмосферное давление, направленное на сжимание коробки, уравновешивается пружиной, которая поддерживает стенки коробки в растянутом состоянии.

Передающая часть – система рычагов, соединяющих приемную часть со стрелкой.

Стрелка движется вдоль шкалы с делениями.

Для определения температуры служит дугоподобный термометр, вставленный под циферблат.

Поправки барометра-анероида

— температурная (в паспорте прибора). При изменении температуры изменяется упругость коробки и пружины. Чтобы исключить влияние температуры, показания анероида приводят к температуре 0 ºС.

— шкаловая (в паспорте прибора).

— добавочная. Возникает в результате изменений, которые происходят со временем в механизме барометра.

Барограф

Приемная часть – серия анероидных коробок. Для исключения влияния температуры на показания барографа используется биметаллический термокомпенсатор.

Передающая часть – система рычагов, соединенная со стрелкой, на конце которой находится перо, заполненное анилиновыми чернилами

Записная часть – барабан с часовым механизмом внутри. На барабан надевается бумажная лента.

В зависимости от скорости хода часового механизма барографы бывают суточные и недельные.

В срок наблюдений по записи барографа определяют барическую тенденцию, т.е. величину, знак и характер изменений давления за последние три часа.

Термоэлектрический пиранометр Янишевского

Этот прибор предназначен для измерения суммарной и рассеянной радиации, приходящей как от небесного свода, так и от предметов, расположенных на поверхности земли. Если приемник радиации этого прибора обратить в сторону подстилающей поверхности, то он будет фиксировать отраженную радиацию.

В пиранометрах применяется батарея последовательно соединенных термоэлементов, составленных из манганина и константана. Поверхность термобатареи покрыта черной краской (сажей) и белой (магнезией) таким образом, чтобы четные спаи были окрашены в один цвет, а нечетные – в другой. Применение этих покрытий связано с одинаковой поглощательной способностью сажи и магнезии в длинноволновой части спектра. В области же коротких волн сажа поглощает интенсивнее, чем магнезия, и за счет именно этой части спектра возникает разность температур между спаями.

Тренога 5 вместе с приемником и стеклянной полусферой может опрокидываться на 180 о , что позволяет направлять прибор в сторону земли и измерять отраженную коротковолновую радиацию (длинноволновую часть излучения стеклянная сфера не пропускает).

Существенно, что при обработке наблюдений по пиранометру необходимо учитывать зависимость переводного множителя прибора от угла падения радиации (зенитного расстояния Солнца). Наличие у пиранометра угловой зависимости чувствительности, а также весьма заметной избирательности чувствительности для радиации различных длин волн требует введения к показаниям прибора так называемых угловой и спектральной поправок при измерениях рассеянной радиации. Эти поправки учитывают различия углового и спектрального распределений интенсивности рассеянной и прямой солнечной радиации.

Пиранометры, специально приспособленные для измерений альбедо подстилающей поверхности, получили название альбедометров.

Солнечная радиация

У пиранометров, (рис. 2.4) используемых в настоящее время на сети метеорологических станций, приемником служит квадратная термобатарея 1, окрашенная в черно-белые поля в виде шахматной доски.

Термобатарея пиранометра 1 прикреплена через изолирующий слой к корпусу прибора.

б)

Рис.2.4. Пиранометр Янишевского: a – гловка: 1 – термобатарея, 2 – диск, 3 – винтовая нарезка; б – внешний вид

От крайних термоэлементов термобатареи отходят выводы к клеммам на нижней стороне корпуса (на рисунке они не видны). Вся термобатарея, раскрашенная в шахматном порядке, крепится в квадратном вырезе диска 2, имеющем по своей образующей винтовую нарезку 3, на которую навинчивается стеклянный колпачок. Стеклянная полусфера необходима не только в качестве защиты термобатареи от механических повреждений, но прежде всего для того, чтобы избежать влияния ветра.

Вся термобатарея с диском и стеклянной полусферой навинчивается на стойку 4 с треногой 5, с помощью которой приемник прибора можно горизонтировать (рис. 2.4). На этой же треноге крепится шаровой уровень (ватерпас) для отслеживания горизонтальности установки прибора (на рисунке не показан).

К стойке 4 присоединен короткий металлический стержень 6, на который с помощью винта 7 крепится легкая дюралевая трубка 8 с теневым экраном 9, позволяющим затенять приемную поверхность прибора от прямых солнечных лучей и измерять в это время только рассеянную радиацию. Длина стержня такова, что диск экрана из центра приемника виден под углом 10 о . Теневой экран закрывает часть неба вокруг Солнца радиусом 5º. При открытом приемнике измеряется суммарная радиация.

Пиранометр является относительным прибором. Определение переводного множителя (градуировка) пиранометра производится по методу солнце-тень: разность показаний незатененного и затененного от прямой солнечной радиации пиранометров, характеризующая величину потока прямой солнечной радиации, сравнивается с отсчетами по актинометру.

В некоторых случаях для измерения альбедо используют сдвоенные пиранометры, приемные поверхности которых обращены вверх и вниз.

Пиранометры можно использовать для измерения суммарной и отраженной радиации на различных высотах над земной поверхностью с самолетов, аэростатов или специальных мачт и вышек, а также для морских наблюдений с лодки или судна.

Пиранометры повышенной чувствительности применяются в качестве подводных, подснежных и подледных пиранометров для измерения коротковолновой радиации, проникающей в воду, снег и лед.

Походный альбедометр

Альбедометры бывают двух типов: стационарные и походные. В полевых и специальных исследованиях нередко требуется неоднократная перестановка пиранометра из одного места в другое (например, при маршрутных исследованиях). В этих случаях общее время, затрачиваемое на горизонтирование прибора, оказывается довольно значительным.

Походный альбедометр позволяет свести эти затраты к минимуму, так как имеет устройство, автоматически выводящее приемную поверхность прибора в строго горизонтальное положение.

Головка альбедометра идентична головке пиранометра, однако навинчена уже на карданный подвес (рис. 2.5) – устройство, позволяющее автоматически выводить приемную поверхность прибора в горизонтальное положение.

Карданный подвес состоит из двух металлических колец 1 и 2. Внутреннее кольцо 1 через полуоси 5 и 6 имеет свободу вращения внутри внешнего кольца 2. В свою очередь полая трубка 7, на которой закреплена головка пиранометра 8, имеет свободу вращения на полуоси 3 и 4,смещенных относительно полуосей 5 и 6 на 90 градусов.

Рис.2.5. Альбедометр походный: а — положение вверх; б — положение вниз

Таким образом, альбедометр имеет двойную степень свободы вращения, что приводит к его автоматическому горизонтированию под действием силы тяжести. Головка альбедометра 8 навинчивается на трубку 7, которая по пазам может скользить вверх-вниз внутри кольца 1.

Внутри самой трубки свободно перемещается цилиндрический грузик-противовес, который и обеспечивает надежную горизонтировку приемной поверхности. Наблюдения по походному альбедометру производятся так же, как и по пиранометру.

Для осуществления наблюдений ручка прикрепляется к стержню. С помощью стержня альбедометру придается соответствующее положение. При положении приемника прибора вверх определяется суммарная радиация, а при положении вниз – отраженная радиация. Когда эти величины измерены, рассчитывается альбедо.

Термоэлектрический балансомер Янишевского

Балансомер служит для определения разности излучения, приходящего на деятельную поверхность в виде суммарной радиации, и собственного излучения этой поверхности. В отличие от вышеупомянутых актинометрических приборов, у балансомера две приемных поверхности. Одна из них, обращенная к небосводу, воспринимает суммарную радиацию Q вместе с излучением атмосферы Е_а. Приемник, обращенный в сторону деятельной поверхности, воспринимает отраженную коротковолновую радиацию R_к, земное излучение Е_з и часть отраженной радиации R_д, пришедшей от атмосферы и окружающих предметов. Таким образом, радиационный баланс В вычисляют по формуле

Балансомер представляет собой круглую пластину 1 с квадратным вырезом в центральной части 48х48 мм, в который помещен приемник радиации, изготовленный следующим образом (рис. 2.6).

Приемной поверхностью прибора служат две одинаковые пластинки из тонкой медной фольги, покрывающие верхний и нижний приемники. Наружные поверхности этих пластин зачернены специальным черным лаком, поглощающая способность которого близка к поглощающей способности абсолютно черного тела. К внутренней стороне пластин приклеены 10 термоэлектрических батарей, каждая из которых представляет из себя медный брусочек 3, обвитый тонкой металлической полоской 4 из константана (рис.2.6, б). Половина каждого витка посеребрена, и место окончания серебряного слоя служит термоспаем, а каждый брусочек термобатареей, которые последовательно соединены между собой. На каждом брусочке намотано 50 витков, и таким образом в приборе находится 500 термоспаев.

Четные спаи батарей испытывают тепловое воздействие одной пластинки, нечетные – другой. Разность температур пластинок пропорциональна разности потоков приходящей и уходящей радиации. Для затенения прибора от прямой радиации служит экран 5, закрепленный шарниром 6 через легкую трубку 7. В нерабочем состоянии прибор закрывается защитным чехлом 8.

Рис.2.6. Балансомер термоэлектрический:

а-внешний вид;

б-отдельная термобатарея

Показания прибора довольно значительно зависят от скорости ветра, т. к. приемные поверхности его незащищены. Поэтому в непосредственной близости от стойки с гальванометром, на расстоянии 0,5-1,0 метра устанавливается шест высотой 2,3 метра, на конце которого крепится ветроизмерительный прибор (анемометр Фусса или ручной анемометр АРИ-49), по показаниям которого вводятся добавочные поправки.

Принцип действия балансомера основан на том, что разность температур верхней и нижней пластин балансомера (и, следовательно, силы тока в цепи термобатареи) пропорциональна измеряемой величине радиационного баланса. Прибор градуируется по методу солнце-тень: разность показаний затененного и незатененного балансомеров сравнивается с показаниями актинометра.

Поскольку приемные поверхности балансомера всегда обдуваются ветром, переводной множитель оказывается зависящим от скорости ветра. Поэтому необходимо для каждого экземпляра прибора определять зависимость переводного множителя от скорости ветра, что может быть осуществлено как в лабораторных, так и в естественных условиях. Иногда при обработке показаний балансомеров принимают во внимание такие факторы, как неодинаковость чувствительности верхней и нижней сторон балансомера, различие в чувствительности для коротковолновой и длинноволновой радиации и некоторые другие.

Актинометр Савинова-Янишевского АТ-50

Актинометр предназначен для измерения прямой солнечной радиации и может служить контрольным прибором.

В качестве приемника радиации служит тонкий диск 1 из серебряной фольги (рис. 2.2). Внешняя сторона диска (обращенная к солнцу) зачернена специальным лаковым покрытием, а к внутренней стороне через папиросную бумагу приклеены нечетные спаи термобатареи 2. Внешние четные спаи 3 прикреплены к сравнительно массивному медному кольцу 4. Термобатарея с медным кольцом помещена в медную трубку 7 (рис. 2.3), имеющую на наружном конце диафрагму, служащую приемным отверстием. Внутри трубки имеется еще ряд убывающих по диаметру диафрагм, наименьшая из которых находится рядом с термобатареей. Ряд этих диафрагм образует телесный угол, равный диску Солнца 5 0 околосолнечного пространства. Провода 12 от термобатареи через клеммы подсоединяются к гальванометру. Показания гальванометра пропорциональны силе термотока, а следовательно, и энергетической освещенности прямой солнечной радиации.

Корпус актинометра устанавливается на стойке 10 и основании 11, на котором нанесена стрелка, с помощью которой мы ориентируем прибор на север. Ось 8 устанавливается по оси мира с помощью шкалы широт 9 и винта 2. Для проведения наблюдений по актинометру, нужно его сориентировать таким образом, чтобы термобатарея была нацелена на Солнце, для чего с прибора снимают крышку 1 и направляют входное отверстие трубки на Солнце.

Рис.2.2. Термобатарея актинометра: 1-приемная

пластина; 2-термобатареи; 3-папиросная бумага;

4-медное кольцо.

В это время манипулируют винтами 3 и 6, добиваясь такого положения трубки, чтобы образовалась концентрическая тень на экране 5, а солнечный луч, пройдя через отверстие 13 на оправе диафрагмы в виде «солнечного зайчика», должен попасть на черную точку, нанесенную на экране. В этом случае чувствительный элемент прибора (термобатарея) направлен перпендикулярно солнечным лучам.

Измерение производится после прогрева приемного диска в продолжение 2 – 3 мин на солнце при открытой трубке, нацеленной на Солнце. Затем крышка надевается на 25 – 30 сек, после чего производится отсчет по гальванометру, принимаемый за место нуля. Затем крышка снимается и через 25 – 30 сек начинают наблюдения. Они состоят из серий отсчетов с интервалами 5 сек. Повторность отсчетов уменьшает погрешность из-за колебаний прозрачности атмосферы и случайные погрешности гальванометра.

Каждые 7 мин корректируется положение трубки относительно Солнца. Через 20 – 30 мин определение места нуля гальванометра желательно повторить. При этом измеряется его температура.

Рис.2.3. Актинометр Савинова-Янишевского: 1-крышка; 2, 3-винты; 4-ось склонений; 5-экран; 6-рукоятка; 7-трубка; 8-ось; 9-сектор широт; 10-стойка; 11-основание; 12-провода; 13-отверстие.

Поверка термоэлектрических актинометров производится с помощью параллельных одновременных наблюдений по пиргелиометру Онгстрема, либо по контрольному ранее хорошо поверенному актинометру, для которого известен переводной множитель при различных температурах.

Поверка актинометра по пиргелиометру производится только при высотах Солнца больше 22º, при голубом небе и при отсутствии облаков на расстоянии 20º вокруг Солнца.

Гелиостат

Для непрерывной регистрации прямой солнечной радиации служит гелиостат. Он представляет собой термоэлектрический актинометр, который прикреплен к барабану с часовым механизмом. Актинометр вращается часовым механизмом вокруг оси, которая размещается по оси мира. Трубка актинометра медленно движется вслед за Солнцем. Для непрерывной записи термотока актинометра к нему подключается самопишущий гальванометр (гальванограф). Вся совместная установка называется актинограф.

Стрелочный гальванометр ГСА-1

Стрелочный гальванометр ГСА-1 служит для измерения слабых токов, которые возникают в термобатареях актинометрических приборов. Принцип работы гальванометра основан на взаимодействии двух магнитных полей. Одно поле, которое создается в подковообразном магните 2, постоянно действующее. Второе поле возникает в рамке 1, когда через нее протекает термоэлектрический ток от приемника актинометрического прибора. Рамка закрепляется на упругих растяжках и соединена со стеклянной стрелкой 3, которая способна свободно двигаться вдоль шкалы 4. При прохождении тока через рамку возникает момент сил, которые стремятся повернуть рамку перпендикулярно направлению магнитных силовых линий. Упругие растяжки препятствуют повороту и стремятся вернуть рамку в исходное положение. В результате при прохождении тока рамка поворачивается только на некоторый угол, пропорционально току. Поворот рамки служит мерой силы тока. Выводы рамки припаяны к клеммам, которые находятся на крышке прибора и обозначаются «+» и «Р».

Для измерения термотока большой силы в гальванометре имеется дополнительное сопротивление, выведено на клемму «С». В этом случае приемник актинометрических приборов подключается к клеммам «+» и «С».

Для исключения параллакса (видимого изменения положения предмета вследствие перемещения глаза наблюдателя) при отсчетах под шкалой ГСА-1 находится зеркальная полоска. Гальванометр обеспечен корректором места нуля, вращением которого можно установить стрелку между делениями 0 и 20.

Для предохранения рамки от обрыва при транспортировке используют винт-арретир, который находится в нижней части корпуса и замыкает электрическую цепь гальванометра.

Цена деления гальванометров колеблется от 0,5 до 1,0. Отсчеты по гальванометру берутся в трехкратной повторности с точностью до 0,1 деления. Точные данные о сопротивлении и шкаловые поправки приводятся в поверочных свидетельствах гальванометра.

Порядок записи в актинометрическую книжку КМ-12.

Актинометрические наблюдения записывают в книжку КМ-12 специальной формы. Из трех отсчетов по гальванометру для каждого вида радиации находят среднее значение N_ср с точностью до десятого значения деления шкалы. К среднему значению вводится шкаловая поправка с соответствующим знаком ΔN и место нуля гальванометра N₀ со знаком минус; записывается исправленный отсчет N_испр.

Для поправки отсчета по балансомеру вводится поправочный множитель Ф_п на скорость ветра V_ср., который берется из поверочного свидетельства балансомера. Тем самым отсчет по балансомеру приводится к штилю V_ш.

К отсчету по актинометру кроме шкаловой поправки и места нуля вводится величина температурной поправки ΔN₍_t₎ с целью исключения влияния температуры на показания актинометра. Температурные поправки рассчитываются в Гидрометеорологических центрах и приводятся в поверочных свидетельствах актинометра и гальванометра. К показаниям пиранометров, альбедометров и балансомеров температурные поправки не вводятся. Прямая радиация S’, которая поступает на горизонтальную поверхность, получается путем умножения S на sin h. Альбедо рассчитывают с точностью до сотых долей.

Обработка данных наблюдений.

Актинометры, пиранометры и альбедометры составляют группу относительных приборов. Каждая пара приборов – приемник радиации + гальванометр – требует сравнения с абсолютным прибором и выведения переводного множителя.

Под воздействием солнечной радиации S стрелка гальванометра отклоняется на некоторое число делений N, тогда

где a – цена деления гальванометра, или переводной множитель для данной пары приборов.

Переводной множитель рассчитывается по формуле

где α – цена деления гальванометра в микроамперах (10 -6 ), R_пр – сопротивление термобатареи приемника радиации и гальванометра, в омах, k – чувствительность приемника радиации.

Величины α, k, R_пр и R_Г приводятся в поверочных свидетельствах приборов.

Гелиограф

Продолжительность солнечного сияния – это число часов, когда солнечный диск не закрыт облаками, но находится настолько выше горизонта, что интенсивность радиации превышает 0,1кВт/м 2 (0,2 кал/см 2 ·мин).

Основной частью гелиографа служит стеклянный шар, действующий в качестве собирательной линзы. В фокусе шара расположена сферическая чашка с тремя парами пазов, в которых укрепляется синяя картонная лента, разграфленная на десять часов. При видимом движении солнечного диска по небосводу его изображение прожигает след. Шар с чашкой и держателями может переставляться в одно из четырех положений в зависимости от длины дня.

А – утром и В – вечером при длине дня более 10 часов и менее 19 часов, Б – при длине дня меньше 10 часов, А, В, Г – при длине дня более 19 часов.

Около дней равноденствий ставят прямые ленты в среднюю пару пазов, около дней солнцестояний – кривые ленты в крайние пары пазов. Смена лент и перестановка чашки буквами диска против указателя производится при коротком дне (меньше 10 часов) после захода солнца (без перестановки чашки, Б), при среднем дне (10 – 19 часов), кроме того, еще в 10 – 13 часов по среднему солнечному времени (после захода солнца А, в полдень – В), а при длинном дне (более 19 часов) чашка переставляется при каждой смене лен: в сроки 4 часа (в положение А), 12 часов (в положение В) и 20 часов (в положение Г). На лентах, которые снимаются с гелиографа, кроме даты записывается период их установки (4 – 12, 12 – 20, 20 – 4 часа).

Установка гелиографа производится на открытом месте (на крыше или башне) на деревянной доске, укрепленной на прочном основании. На метеорологической площадке гелиограф устанавливается на высоте 2 м на столбе. Горизонтальность основания проверяется уровнем. Стойки и квадрант (шкала широт) ориентируются по меридиану. Ось ставится по оси мира с помощью указателя и закрепляется винтом. Проще всего в истинный полдень закрепить гелиограф на доске так, чтобы изображение солнца оказалось на полуденной черточке чашки и ленты.

Смена лент и поворот чашки производят при полностью затененном шаре корпусом наблюдателя, для чего с юга от гелиографа к столбу прикрепляется лесенка.

Обработка лент заключается в определении по делениям ленты продолжительности солнечного сияния по длине прожогов с точностью до десятых долей часа. Правильность установки ленты проверяется по положению прокола на два часа вправо от средней линии ленты. При снятии длин прожога принимают во внимание даже очень слабые потемнения ленты и записи в виде отдельных точек.

В зависимости от прозрачности шаров и качества картонных лент (цвета и сорта) прожоги ленты начинаются при интенсивности от 0,25 до 0,4 кал/см 2 ·мин. Кроме того, прожигание ленты утром начинается быстрее, чем в остальное время суток, из-за более высокой прозрачности атмосферы. Все это вносит некоторую неточность в определение действительной продолжительности солнечного сияния.

Пиранометр Советский патент 1980 года по МПК G01J5/12

Изобретеннс относится к термоэлсктрнчсскнм прИборам н может быть лрнменено в актинометрии, радиометрии, метеорологии и других областях научных исследований.

Известны термоэлектрические ииранометры, предназначенные для регистрации лучистых нотоков солнечной радиации в снсктральиюм диапазоне от 0,3 до 2,8 мкм, которые содержат термоэлемент, помещенный в металлический корпус, полусферические фильтры, уровень и экран 1. Однако эти приборы обладают рядом недостатков; лависнмостыо чувствительности от температуры окружающей среды; влиянием излучения полусферических фильтров на стабильность нулевого положения; нел1инейной зависимостью выходного сигнала от величи ы падающего потока.

Наиболее близким по технической сущ)К)сти является термоэлектрический пиранометр, содержандий кориус, полусферические (Ьильтры, зачерненную металлическую приемную илощадку, термобатарею, закрепленную с тыловой стороны приемной плоИ1,адки, и рассеиватель тепла для холодных спаев термобатареи.

Недостатком этого прибора является невысокая точность измерений, которая вызвана непостоянством чувствительности

при колебан.иях температуры окружающей е)еды и величины облучения.

Цель изобретения — повыщение точности за счет снижения температурной зависимости чувствительности термоэлоктрлчеекого пиранометра при сохранении его выс( чувствительности.

Поставленная цель достигается тем. что в воздугнный зазор между приемной пло101цадкой 1 рассеивателем вводятся две 1найбы, соед 1ненные торцами одна с другой, причем одна из них, контактирующая с приемной площадкой, выпо.тнена из фторопласта, а другая, контактирующая с рас15сеивателем. вынол1 ена из графита, и плоИ1адь соприкосновения с площадкой фторопластовой близка к площади горячих спаев термобатарей, расположенных на площадке.

Па фиг. 1 показан пиранометр в раз20резе; на фиг. 2 — его приемный узел.

Пиранометр содержит латунный корпус /, (()ильтры 2, приемную металлическук плон1адку 3 с черным поглощающнм покрытием, термобатарею 4, холодные cnaii

25 которой укреплены на рассеивателе 5 из меди, фторонластовую шайбу 6 и графитовую шайбу 7.

Принцип работы устройства состоит в

Поток солнечной радиацщ;, пройдя |)ильтры нрибора, поглощается черной при.-мной нлощадкой. В результате, контактирующие с ней спаи термобатареи получают избыточную температуру отпоснтелыю хо.годных спаси, которые укреплены ка раесснпателе. Интегральная чувстпительиость S пиранометра определяется отпо1генисм ыходного сигнала U к падающему потоку Р, т. е.

Be;Mi4Hiia выходного сигиала будет заliiiceTi, от разпости температур АГ между горячими TI п холодными TO спаями термобатареи, количества п спаев и гермоЭДС а одного спая:

Из иыражеппй (1) и (2) нолучим паАУ

Ир.и постоянной облученности иаг:5етая :;|)немная нлонидка частично теряет свое тепло па излучение по закону 07 теп/юнроводноеть проволок термопар ;i газоiiiyio среду (конвактивно-копдуктивиые ) нри этом ее избыточная температура уме;нлнаетея.

11а;11гчне температурной зависимости тенлопроводпоетп у материала термопар и поздуха, находшцегоея и промежутке г,лоП1,адка-рассеинатель, приводит к , что нри измепеши температуры Го окружаю:пеп ереды тепловые ноте)>1 тоже буд г нзмепятьея.

Значительгюе сниже1П1е температурной : авпсимости чувств.ительности тер:.1оэлекгрического пиранометра нроизводитея п тем введепия в нроетранство н.топиадкой п рассеивателем графнпюй пк-шбы. Графит обладает доетаточно иькчжой тен:1онроводпмоетыо (70 Вт/м К), по ме пипей, чем у медного рассеивателя (395 Вт:м К) и имеет отрИ(1ательную зависимость тенло роводноетп от изменения температурь. (—0,184% па 1°). Выеокая геплопроводпоеть графита по сравпению е 15оздухом, позволяет иеключить те потери, которые температурно евязаны с тенлопро1и);,ноеты( воздуха. Потери на излучение ио : ако. также значительно сппжамтся, гак к;и увеличенный теилоотвод прпводит к умепьпенлпо избыточной температуры плоп,адкп .:о 6° С вместо 18° С. При этом знач ггельпо умепьгиится и чувствительпоеть И1)иемнпка.

Для того, чтобы обеспечить достаточно высокую чувствительность термоэлектричеекого пиранометра между площадкой и графитовой щайбой вводнтея фторопластозая щайба. Выбором толщины этой щайбы можно регулировать тепловое сопротивление между нлощадкой и графитом п, таким

образом, устанавливать требуемый теплоот и)д с нлоп1,адки, влияющий на величину чувствптел ;ноети.

Кроме того, для улучшения зонной ч;/ етвите.тьпости по поверхности приемной пл()1падкн пп))метра плопадь сслфпкос1 овения фторопластовой шайбы с площад1.>н подбирается равной площади спаев термопар, укреплеппвгх па п.тощадке. т. е. 1.: здается с дмыковая зона теплоотг ода.

11алнчпе отрпдательпоп телтератхрпоп ;а1;пеимостн теплопроводности у графита позволяет компспеиро;5атв температурную занпс;1МОСТ1 д,1ЬН() термо-ЭДС ii тепло1 ро1«)дн()еть материала те)мопар.

Прп пзмепенИИ температуры окружаю пей сре;1Ы, например нагревании, с одной етороны, ()3рает; ег :-еплоотвод по ггрово:1()кам термопаг и. хменынается термо-ЭДС, а е д|1угой меньп1аетея теплопроводюеть графита, то приводит к стабилизагпп |1:зб1яточп()); температуры приемной илопадки п компепсапи;: епг:жеппя вслпчиII) гермо-ЭДС.

fi резу.тьтггге такою рсп1епия темпера: р;1ая зависимость .-твптел1 пости .()э.1ектрпческого ниоапометра пе превын;ает 0, пг; (.. По epaBiiennjo с нрототмпом. у оторого -уга ча1и1силгост) 0,35% :: г (. зпа.чительпо повышепа точпостъ репстргплп ,1учис ых потоков при колебании к-мпегиггуры ()1 ружа1оп,еп сгеды от 60° л о fiO С.

Те;моэ,-:ектрг;чеек:ий пирапометт, содер ainiifi корпуе, по.тусферическпе (|)|Ильтры, :;ачерпспп чо металлическую приемиую пл:;)пи1дк . тепм()бата;)ек). : а1чреплеппую с 1 ыло;и) ст(1О(П)ы присмпой плоа1,адки, и ; асеопвател, тепла для холодных спаев термобатареи. о т :i и ч а ю т п и с я тем, :т(), с спиженпя температур1-1ой завиe u)Cгп чувстиительностп пирапометра, в иоздуппплй з;13оп между приемпой плслиадкой I расеепв;;те;1ем введены две niaii6bi. еоед1П еппь;е торпамп одна с дру-ой, прпчем олиа из них коптаКтирует с прием:- ОЙ п,т(ппадкой п выпол 1епа из ф)торопласта, ;. др|у|-ая коптакт1 рует с рассеивателем п в1-лпо.т1;епа из графита, а нлои1,аль е(М рпкосп(пичп1я с пло1па;1кой пшйбы равна площади горячих епаев термобатаре, )аеиоложеппых па п.-юидадке.

Петочппкп пнформапин, принят1)1е во зпимание нри экснертпзе:

1.III. Перреп де Брищамбо. Солнечное и,злучепне . ралиапиоппый обмен в атмосфере. .М., «Мир, 196Г). с. 32- -36.

2.Козырев Б. П. Раечет ралиапиониого термоэлемента е пераепределенной приемпой илоихадью. Известия Вузов СССР, «Приборостроение, 970, 13, № 4, с. 101 — 104 (прототип).

Приборы для измерения и методы оценки лучистой энергии

Опытный исследователь с помощью данной таблицы может по субъективным ощущениям приблизительно дать оценку интенсивности тепловой радиации не только по ее определению, но и в кал/см 2 ´мин.

В системе СИ интенсивность тепловой энергии измеряется в вт/м 2 . Однако, большинство имеющихся приборов градуированы в традиционных единицах. Кроме того, многие литературные источники, в том числе учебные, также приводят данные в кал/см 2 ´мин. Поэтому в настоящем методическом руководстве данные приводятся в традиционных единицах измерения.

Совокупность измерения лучистой энергии получило название актинометрии (греч. aktis, aktinos – луч и metreö – измеряю). В основу методов измерения лучистой энергии положен принцип превращения одного вида энергии в другой. При поглощении лучистой энергии солнца зачерненной поверхностью какого-либо приемника происходит переход лучистой энергии в тепловую. Регистрируя выделяющееся при этом количество тепла или повышение температуры приемной поверхности прибора, можно измерить величину потока солнечной радиации или радиации от искусственного источника лучистой энергии, падающего на прямую поверхность. Подобного рода принципы измерения лучистой энергии положены в основу калориметрического метода. Явление фотоэффекта и фотохимические воздействия использованы в фотоэлектрических и фотографических методах измерения.

Величину лучистой энергии выражают в малых калориях, поглощаемых за 1 мин поверхностью в 1 см 2 , расположенной перпендикулярно к направлению лучей источника радиации (кал/см 2 ´мин).

При актинометрии применяются приборы, в которых поток лучистой энергии определяется разностью температур приемной поверхности и окружающей среды, которая измеряется величиной тока, возникающего в цепи последовательно соединенных термопар. Такого рода приборы являются относительными и нуждаются в градуировке путем сравнения их показаний с показаниями абсолютных приборов.

Все приборы, применяемые для измерения лучистой энергии, получили обобщенное названием актинометров, среди которых условно различают;

· пиргелиометры — приборы для измерения интенсивности прямой солнечной радиации;

· пиранометры – устройства для измерения рассеянной солнечной радиации;

· пиргеометры – устройства для измерения земного (ночного) излучения;

· альбедометры – устройства для измерения от земной поверхности солнечной радиации;

Устройства для измерения радиации искусственных источников (могут использоваться и для измерения солнечной радиации) называют актинометрами, то есть идентично обобщенному названию всей группы приборов для измерения лучистой энергии.

Приборы, применяемые при актинометрии разделяют на устройства для относительных и абсолютных измерений, которые конструктивно отличаются друг от друга. Абсолютные измерения позволяет осуществлять пиргелиометр (пиргелиометр Онгстрема) (рисунок 23).

Рис. 23. Пиргелиометр Онгстрема 1 – крышка трубы с щелевидными отверстиями; 2 – крючок щитка; 3 и 5 – целик и мушка; 4 – труба прибора; 6 – головка прибора; 7 – переключатель; 8, 9 и 10 – клеммы для подключения прибора к гальванометру и к цепи нагрева; 11 и 12 – винты для ориентировки прибора на Солнце

Рис. 24.Пиранометр Янишевского 1 – съемная плитка; 2 – стеклянная полусфера; 3 – колпак, используемый при определении места нуля; 4 – винт для направления пиранометра к солнцу; 5 – установочный винт; 6 – клемма для подключения стрелочного гальванометра; 7 – уровень; 8 – экран

Прибор состоит из двух трубок, одна из которых зачернена и открыта для прямой солнечной радиации, а другая закрыта. Обе трубки омываются водой. Для уравнивания температуры воды, вытекающей из двух камер, закрытая трубка обогревается током тем большей силы, чем сильнее нагрелась вода, проходящая через открытую для солнечной радиации трубку. Зная количество тепла, выделившегося в первой камере, и площадь приемного отверстия, рассчитывают интенсивность солнечной радиации в абсолютных величинах.

Пиранометр Янишевского. С помощью данного прибора можно измерить интенсивность суммарной и рассеянной солнечной радиации, а по их разности рассчитать интенсивность прямой солнечной радиации. Пиранометр Янишевского (рисунок 24) состоит из корпуса, представляющего цилиндр, на поверхности которого установлена термобатарея; треножной подставки, на которой укреплен корпус; из теневого экрана, служащего для защиты батареи от прямых солнечных лучей при определении рассеянной радиации, и полусферического стеклянного колпака, защищающего батарею от дождя, снега, ветра и т.д.

Действие прибора основано на измерении термоэлектрической электродвижущей силы, возникающей от разности нагрева термоэлементов, состоящих из двух зигзагообразно соединенных полосок манганина и константана. Периферийные спаи прикреплены к медному затененному от прямых солнечных лучей к кольцу, а центральные спаи прикреплены к центральному серебряному диску, зачерненному, подвергающемуся воздействию прямой солнечной радиации. Возникающий в результате разности нагрева термопары ток пропорционален разности температур центральных и периферических спаев, которая пропорциональна потоку радиации. Перед измерением солнечной радиации прибор должен принять температуру окружающего воздуха, для чего его помещают на место исследования за 10–15 минут до измерений. Затем при закрытом пиранометре устанавливают стрелку микрогальванометра с помощью корректирующего винта в нулевое положение.

Для измерения рассеянной радиации теневой экран с помощью шарнира укрепляют так, чтобы полностью закрыть тенью от экрана термобатарею. После экспозиции 15 с снимают показания по микрогальванометру. Определения повторяют еще два раза. Интенсивность рассеянной радиации рассчитывают по формуле:

I_расс – интенсивность рассеянной радиации, кал/см 2 ´мин;

К – переводной коэффициент (цена одного деления в кал/см 2 ´мин);

n ₁, n ₂, n ₃ – отсчеты, полученные на микрогальванометре (деления).

Затем экран убирают и определяют суммарную солнечную радиацию аналогичным образом. Величину суммарной радиации вычисляют по формуле:

I_сумм – интенсивность суммарной солнечной радиации, кал/см 2 ´мин;

К – переводной коэффициент (цена одного деления в кал/см 2 ´мин);

n ₄, n ₅, n ₆ – отсчеты, полученные на микрогальванометре при определении суммарной радиации (деления).

Величину прямой солнечной радиации вычисляют по формуле:

I_прям – интенсивность прямой солнечной радиации.

Альбедометр Янишевского-Былова (походный альбедометр) (рисунок 25). Данный прибор создан для исследований в полевых и экспедиционных условиях и функционирует по принципу, описанному для пиранометра Янишевского. Возможности прибора достаточно широки. С его помощью за счет возможности направления термобатареи в нужную сторону можно измерять указанные выше виды радиации.

Рис. 25.Альбедометр Янишевского-Былова (походный альбедометр) 1 – головка с термобатареей; 2 – кардановый подвес; 3 – рукоятка; 4 – трубка

Рис. 26.Актинометр Михельсона

Актинометр Михельсона (рисунок 26). Воспринимающей частью прибора является биметаллическая пластинка, изготовленная из железа и инвара. Поскольку зачерненная железная сторона биметаллической пластинки нагревается и удлиняется, а инвар практически не нагревается и, следовательно, не происходит его удлинения, вся биметаллическая пластинка изгибается, выпячиваясь зачерненной стороной, причем радиус изгиба пропорционален температуре. Перемещение кварцевой нити, размещенной на краю пластинки, служит мерой интенсивности прямой солнечной радиации или радиации от искусственных источников. В настоящее время используется редко, только в специальных исследованиях.

Актинометр ЛИОТ–Н (рисунок 27).Данный прибор используется для измерения лучистой энергии в перегреваемых помещениях от нагревающих поверхностей. Принцип работы прибора идентичен таковому у пиранометра Янишевского. В качестве воспринимающего тепловую энергию устройства используют попеременно зачерченные и блестящие полоски алюминиевой фольги (термобатарея), к которым прикреплены спаи из полосок меди и константана, соединенных последовательно. Вследствие различной лучепоглощающей способности черных и блестящих спаев образуется термоэлектрический ток, регистрируемый с помощью гальванометра.

Рис. 27. Актинометр ЛИОТ-Н Слева – общий вид, справа – воспринимающее устройство (термобатарея)

Прибор представляет собой плоский цилиндр (реже выпускается прибор прямоугольной формы), закрепленный на ручке. На одной стороне цилиндра укреплен приемник с крышкой из нержавеющей стали, на другой – гальванометр. Шкала гальванометра разбита на деления от 0 до 20 кал/см 2 ´мин, каждое деление соответствует 0,5 кал/см 2 ´мин. Перед измерением тепловой радиации стрелку гальванометра устанавливают с помощью корректора в нулевое положение. При этом крышка приемника должна быть закрыта. Для измерения интенсивности теплового излучения открывают крышку приемника и находящийся в вертикальном положении приемник направляют в сторону источника излучения. Показания прибора отсчитывают через 3 с.

Следует иметь в виду, что крышка термобатареи служит не только для ее защиты, когда прибор не находится в работе, но и при измерении защищает кисти рук исследователя. Расстояние установки приемника от источника теплового излучения зависит от конкретных условий и задач исследования. Как правило, это расстояние имитирует расположение работающих в процессе выполнения трудовых операций от источника радиации.

Черный шаровой термометр (шар Вернона) (рисунок 28). Данный прибор представляет собой медный шар диаметром 15 см, имеющий черную матовую поверхность (покрыт пенополиуретом, имитирующим по свойствам кожу человека). В него вставляют обычный термометр, у которого ртутный резервуар предварительно покрывают сажей. Прибор закрепляют на штативе. Поскольку при указанных условиях на показания термометра не будет действовать конвекционное тепло, скорость движения воздуха, а черная поверхность шара обусловливает поглощение лучистого тепла, то по показаниям данного прибора в сравнении с таковыми по обычному термометру, можно судить об интенсивности тепловой радиации и ее направленности, если температура шара выше конвекционной, то говорят о положительной тепловой радиации, если ниже – отрицательной. То есть, по показаниям черного шара (шаровой температуре) можно, в какой-то степени, судить о возможности теплоотдачи организмом человека путем радиации. В комплект прибора входит регулируемый по высоте штатив с удлинительными стержнями, что позволяет производить исследования на разной высоте.

Следует учитывать, что прибор имеет значительную инерцию (до 15 мин), следовательно, показания термометра снимаются не ранее этого срока.

Комплекс ТКА-ТВ + Черный шар (рисунок 29).На отдельном рисунке 30 представлен прибор ТКА- ТВ.Применяется для определения тепловой нагрузки среды (ТНС-индекса), температурного индекса WBGT и средней радиационной температуры. Шар надевается на зонд с датчиком температуры таким образом, чтобы датчик располагался приблизительно в центре сферы. Для зонда термогигрометра ТКА-ТВ шар снабжён встроенным ограничителем-втулкой. Производить измерения температуры внутри чёрного шара следует не ранее, чем через 15 минут после установки шара на измерительный зонд, т. е. по достижении теплового равновесия. Прибор предназначен также для измерения в помещениях параметров окружающей среды: освещенности в видимом диапазоне спектра, яркости ТВ-кинескопов, дисплейных экранов и самосветящихся протяженных объектов, температуры воздуха, относительной влажности воздуха.

Рис. 28.Шаровой термометр Вернона-Йокла (шар Вернона)

Рис. 29.Комплекс ТКА-ТВ + Черный шар

Рис. 30. Прибор ТКА-ТВ

Средняя радиационная температура (СРТ). Теплообмен между окружающими предметами, поверхностями и организмом человека осуществляется не только за счет радиации, но и за счет конвекционного тепла и подвижности воздуха. Поэтому для оценки тепловой нагрузки лучистым теплом с учетом данного фактора рассчитывают СРТ, по которой можно судить об общей интенсивности радиационного тепла.

Для определения СРТ можно использовать формулы, таблицы. Причем, для этой цели разными авторами предложены различные формулы, расчет по которым дает близкие показатели СРТ:

(формула В.В. Шиба) где (14)

СРТ – средняя радиационная температура, о С;

t – температура воздуха по сухому термометру, о С;

t – температура по шаровому термометру, о С;

V – скорость движения воздуха, м/с.

Вычисление средней радиационной температуры по таблицам В. В. Шиба. В приложении 3 представлены таблицы 1 и 2 для определения СРТ

Определение производят с помощью четырех последовательных действий:

— нахождение в таблице 1 приложения 3 вспомогательной величины А по скорости движения воздуха и разности между величинами температур по шаровому и сухому термометрам Dt = t_ш— t; в таблице 1 приложения 3 по горизонтали приведены величины Dt = t_ш— t, а по вертикали — величины V;

— нахождение в таблице 2 приложения 3 вспомогательной величины В по величине температуры черного шара t_ш; в таблице по вертикали нанесены целые величины t_ш, а по горизонтали десятые доли градуса;

— вычисление вспомогательной величины С, равной: С = А + В;

— в таблице 2 приложения 3 по вспомогательной величине С находят среднюю радиационную температуру, обратным действием на вертикальной шкале отыскивают величину СРТ, а на верхней горизонтальной — десятые доли градуса.

Пример. Dt = t_ш— t= 17,1 — 10,3 = 6,8°, а V = 0,5 м/с.

По таблице 1 приложения 3 подвижности воздуха, равной 0,5 м/сек, и Dt = 6° соответствует А= 11,02, a Dt = 7° — 12,85.

Интерполируем, чтобы получить А, соответствующее Dt = 6,8:

А = 11,02 + (12,85-11,02)×0,8= 12,48.

По таблице 2 приложения 3 температуре шара 17,1° соответствует величина В,равная 74,35.

Вычисление величины С дает следующий результат:

С = А + В = 12,46 + 74,35 = 86,83.

По данным таблице 2 приложения 3 этой величине в вертикальной колонке соответствует величина 28, а в горизонтальной 6. Следовательно, средняя радиационная температура в этих условиях составляет 28,6°.

Однако эти способы громоздки и не нашли распространения в практике гигиенических исследований. Широко применяется достаточно простой, удобный, экспрессный метод определения СРТ с помощью номограммы (рисунок 31). Номограмма состоит из четырех вертикальных шкал: на первой представлены величины разностей температур по шаровому и сухому термометру, вторая шкала является вспомогательной (вертикальная линия без каких-либо обозначений), третья – для получения величины СРТ и четвертая – величин шаровой температуры. Кроме того, между первой и второй вертикальными шкалами имеется одна горизонтальная шкала, на которой отложены значения скорости движения воздуха (ветра) в м/с.

Например, при определении СРТ в учебной аудитории кафедры гигиены были получены следующие исходные показатели микроклимата: температура по сухому термометру аспирационного психрометра составила 19°С, шаровая температура 23°С, скорость движения воздуха, определенная с помощью шарового кататермометра составила – 0,2 м/с.

Находим значение t_w – t, которое в данном случае равно +4° (23 – 19). Отмечаем найденную величину на первой вертикальной шкале. Далее, на горизонтальной шкале находим отметку, соответствующую скорости движения воздуха 0,2 м/с. Из точки, соответствующей на левой вертикальной шкале +4° проводим линию через точку на горизонтальной шкале, соответствующую скорости движения воздуха 0,2 м/с, до пересечения ее со вспомогательной вертикальной шкалой, на которой отмечаем точку пересечения с четвертой вертикальной шкалой, в точке, соответствующей шаровой температуре +23°. На третьей вертикальной шкале точке пересечения данной линии будет соответствовать СРТ в о СРТ или средняя интенсивность излучения в помещении. СРТ в данном примере равна 26° или средняя интенсивность излучения – 660 кал/см 2 ´ мин.

По полученным результатам можно сделать вывод, что имеет место значительная тепловая нагрузка на организм за счет лучистой энергии, так как СРТ на достаточно большую величину превышает конвекционную температуру воздуха в аудитории.

Рис. 31. Номограмма для определения средней радиационной температуры (СРТ)

(t _ш— t _в) – разница температур по шаровому и обычному термометру;

v – скорость движения воздуха, м/с;

t _ш – температура по шаровому термометру;

Т _р – средняя радиационная температура;

Е – средняя интенсивность излучения.

Расчет излучаемого тепла от тел (поверхностей). В соответствии с законом Стефана-Больцмана все тела излучают тепло, рассчитываемое по формуле:

Q = C × Е × T 4 , где (20)

Q – интенсивность тепловой радиации, кал/см 2 ×мин;

С – коэффициент лучеиспускания, равный 0,825×10 -10 ;

Е – величина, характеризующая степень черноты тела (находится по таблице Х);

Т – температура поверхности тела в градусах Кельвина (273+ t о С).

Избыточная радиация, направленная от одного предмета к другому определяется по формуле:

D Q – тепловая энергия, получаемая предметом с более низкой температурой, кал/см 2 ×мин;

С – коэффициент лучеиспускания, равный 0,825×10 -10 ;

Е – величина, характеризующая степень черноты тела (находится по таблице 15);

Т и Т ₁ – температура поверхностей предметов, обменивающихся тепловым излучением,

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: