Учебное пособие «Физика природной среды»



страница17/26
Дата10.05.2016
Размер1.48 Mb.
1   ...   13   14   15   16   17   18   19   20   ...   26

3.12. Основы методики актинометрических измерений

3.12.1. Общая классификация калориметрического метода

Для определения радиационного баланса океана и атмосферы необходимы измерения потоков коротковолнового и длинноволнового излучения. Такие измерения называются актинометрическими.

Принципиальные основы измерения потоков излучения заключаются в использовании различных приемников, реагирующих на воздействие излучения и превращающих его в другие формы: тепловую, электрическую и т. д. При измерении интегральных для всего спектра потоков важнейшими требованиями, предъявляемыми к приемнику излучения, являются высокая чувствительность, отсутствие избирательности, линейность и воспроизводимость результатов. Трем последним требованиям лучше всего удовлетворяют калориметрические приемники в виде черного тела, преобразующего энергию излучения в тепло. Поэтому такие приемники получили широкое распространение, несмотря на относительно низкую чувствительность.

Существуют актинометрические приборы различных типов. В относительных методах наибольшее распространение получили приборы термоэлектрического типа, в которых измеряется разность температур облучаемой поверхности приемника и корпуса прибора (актинометры), либо разность температур между «черным» и «белым» приемником излучения (пиранометры), либо между двумя черными приемниками, находящимися под воздействием различных потоков излучения (пиргеометры и балансомеры). Разность температур и пропорциональная ей ЭДС с достаточным приближением являются линейными функциями от падающих на приемник потоков излучения. Для перевода показаний измеряемой в цепи термобатареи величины тока или напряжения в абсолютные значения потоков излучения термоэлектрические приборы требуют градуировки по эталонным или абсолютным типа компенсационных.


3.12.2. Компенсационный пиргелиометр Ангстрема

В качестве приемника излучения используются две одинаковые манганиновые зачерненные сверху полоски, расположенные в трубке с двумя щелевидными отверстиями, через которые на эти полоски падает поток прямой солнечной радиации. Электрическая схема пиргелиометра состоит из двух цепей: измерительной — для определения равенства температур приемных полосок, и компенсационной — для подогрева той или иной полоски электрическим током.

В измерительную схему входят: термопара, спаи которой через изолирующую прокладку прикреплены к нижней, не подверженной облучению поверхности полосок, и чувствительный гальванометр. Компенсационную цепь составляют: источник питания, переменный резистор и гальванометр, а также переключатель, позволяющий поочередно включать в эту цепь одну или другую приемные полоски пиргелиометра.

При открытых отверстиях в трубке нацеленного на Солнце прибора обе его приемные полоски одинаково нагреваются вследствие поглощения лучистой энергии, о чем можно судить по отсутствию тока в цепи термопары. При этом количество тепла, выделяющегося в каждой из полосок, в стационарном состоянии равно:



где a и b — длина и ширина полосок, δ — коэффициент поглощения зачерненной поверхности, IП — падающий на приемные поверхности поток прямой солнечной радиации, t — время облучения.

Если одну из приемных полосок затенить, закрывая расположенное над ней отверстие в трубке пиргелиометра специальной шторкой, а вторую оставить под действием облучения, то между ними возникнет разность температур, и в цепи термопары пойдет ток. Включая затененную полоску в компенсационную цепь и регулируя силу тока в ней, можно получить стационарное состояние, при котором сила тока в измерительной цепи термоэлемента вновь обращается в нуль. Количество тепла, необходимое для компенсации температуры затененной полоски, легко определяется по величине тока i в компенсационной цепи и сопротивлению r полоски, так что:

Сравнивая (3.12.2.1) и (3.12.2.2), получаем, что искомая величина потока прямой солнечной радиации определяется соотношением:

Коэффициент k = r/δ·a·b называется переводным множителем прибора. Он является постоянной величиной для каждого пиргелиометра и зависит от физических параметров приемных полосок и конструктивных особенностей.

Теория пиргелиометра в общем случае весьма сложна. Поэтому переводные множители пиргелиометров массового изготовления и их поверка с течением времени осуществляются не путем расчета, а сравнением показаний с эталонным образцом.



3.12.3. Пиранометры

Для измерения потоков суммарной, рассеянной и отраженной лучистой энергии используются пиранометры. В нашей стране наиболее распространены термоэлектрические пиранометры системы Янишевского, приемная поверхность которых представляет систему шахматно или радиально расположенных и последовательно соединенных манганин-константановых термопар, «горячие» спаи которых зачернены сажей, а «холодные» окрашены в белый цвет магнезией. Приемная поверхность закрыта от непосредственного воздействия ветра полусферическим стеклянным колпаком.



При облучении приемной поверхности пиранометра солнечной радиацией вследствие различия в поглощательной способности сажи и магнезии между «горячими» и «холодными» спаями возникает разность температур и пропорциональная ей ЭДС. Если шкала соединенного с термобатареей регистрирующего прибора линейна, то показания его также пропорциональны падающему на приемную поверхность потоку лучистой энергии.

Стеклянный колпак над приемной поверхностью ограничивает область измерения суммарного потока длинами волн от 0,34 мкм до 2,6 мкм. В пределах этой области спектра в зависимости от сорта стекла, толщины и качества его изготовления коэффициент пропускания испытывает некоторые колебания, и это обуславливает зависимость чувствительности термоэлектрических пиранометров от длины волны. Пиранометр позволяет измерять величины потоков суммарной и рассеянной радиации. В последнем случае его приемная поверхность специальным экраном затеняется от действия прямого солнечного излучения.

Чувствительность пиранометра изменяется на 0,1% при изменении температуры окружающего воздуха на 1°С.

Термоэлектрические пиранометры являются основными приборами и для измерения потоков отраженной радиации, необходимых для расчета величин альбедо различных поверхностей. Для этого пиранометр снабжается специальным подвесом, позволяющим устанавливать его приемной поверхностью либо вверх к небосводу, либо вниз к отражающей поверхности. Такой прибор называют альбедометром.



3.12.4. Пиргеометры и балансомеры

Это приборы для измерения потоков длинноволнового излучения океана и атмосферы и полного радиационного баланса. Наиболее распространены у нас термоэлектрические пиргеометры и балансомеры.

Приемная поверхность приборов состоит из двух тонких медных пластин, закрепленных в квадратном вырезе никелированного латунного диска. Наружные поверхности зачернены, а к внутренним через изолирующие прокладки прикреплены спаи термобатарей. При горизонтальном расположении приемных пластин на верхнюю поступают потоки суммарной солнечной радиации и противоизлучения атмосферы, а на нижнюю — потоки отраженной солнечной радиации и собственного излучения подстилающей поверхности. Возникающая разность температур между приемными пластинами в первом приближении пропорциональна радиационному балансу на уровне измерений. Пиргеометр конструктивно отличается от балансомера лишь наличием зачерненного экрана, закрывающего одну из зачерненных пластин. Пиргеометры и балансомеры требуют градуировки по абсолютно черному телу.

Показания балансомеров и пиргеометров зависят от температуры окружающего воздуха, скорости ветра и величины измеряемого радиационного баланса. Отсюда погрешности измерений: 1) суммарного и отраженного 4–5%; 2) длинноволнового 10–15%.

Следует также иметь в виду, что измерения потоков длинноволновой радиации проводят только ночью.

1   ...   13   14   15   16   17   18   19   20   ...   26


База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница