Поиск

Полнотекстовый поиск:
Где искать:
везде
только в названии
только в тексте
Выводить:
описание
слова в тексте
только заголовок

Рекомендуем ознакомиться

'Документ'
James Hilton (1900— 1954) was born in England and educated at Cambridge where he wrote his first novel, "Catherine Herself". His first big ...полностью>>
'Конспект'
И на Востоке, и на Западе издавна были широко распространены различные архаические культы. Свидетельства об их бытовании разбросаны по разным историч...полностью>>
'Реферат'
Хвора людина страждає не тільки фізично. Ламаючи здоров’я людини, недуга “попутно” зміню і її соціальне становище, уявлення про себе; взаємовідносини...полностью>>
'Программа дисциплины'
Требования к студентам: студенты должны иметь базовую подготовку по курсам "Деньги, кредит, банки", "Банковское дело", " Меж...полностью>>

Министерство образования Российской Федерации российский государственный гидрометеорологический университет

Главная > Лабораторная работа
Сохрани ссылку в одной из сетей:

Министерство образования Российской Федерации

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра

экспериментальной физики

атмосферы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

по дисциплине

Методы и средства гидрометеорологических измерений”.

ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИНОМЕТРИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

Направление - Гидрометеорология

Специальность - Метеорология

Санкт - Петербург

2001

УДК 551.508

Лабораторная работа № 8. Исследование актинометрических приборов. По дисциплине “Методы и средства гидрометеорологических измерений”. – С.-Пб.: РГГМУ, 2001. – 35 с.

Описание лабораторной работы содержит теоретические сведения, необходимые для работы с актинометрическими приборами и перечень практических операций, выполняемых студентами. Значком (*) отмечены разделы, выполнение которых обязательной только для студентов, специализирующихся по гидрометеорологическим измерениям (группа “И”).

Составители: Н.О.Григоров, доцент

Ю.Г.Осипов, доцент.

При составлении работы принимали участие зав. лаб. Глушковский Б.И. и канд. физ.-мат. наук, ассистент Бриедис Т.Е.

Редактор: проф. Кузнецов А.Д.

© Российский государственный гидрометеорологический университет

(РГГМУ), 2001.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

В актинометрии практически значимой является радиация в спектральном диапазоне длин волн от 0,3 до 100 мкм. При этом в зависимости от спектрального состава различаются следующие виды радиации.

1. Коротковолновая радиация - спектральная область 0,3 – 4,5 мкм (к ней относятся прямая солнечная, суммарная, рассеянная, отраженная коротковолновая радиация).

2. Длинноволновая радиация - спектральная область 4,5 – 100 мкм (к ней относится излучение земной поверхности и атмосферы, отраженная длинноволновая радиация, длинноволновый радиационный баланс).

3. Интегральная радиация - спектральная область 0,3 – 100 мкм (к ней относится радиационный баланс).

Указанные границы спектра коротковолновой радиации соответствуют спектру коротковолнового излучения, достигающего земной поверхности, а длинноволновой радиации - спектру теплового излучения земной поверхности и атмосферы.

Для регистрации и измерения перечисленных видов излучения применяется установка УАР (установка актинометрическая регистрирующая). УАР включает в себя актинометрические преобразователи, комплект оборудования на метеоплощадке, регистратор сигналов актинометрических преобразователей, интегратор для получения суммы излучения за определенный отрезок времени, комплект кабелей и блок питания. Функциональная схема УАР представлена на рис. 1.

Все датчики УАР укрепляются на специальной актинометрической стойке М-13.

Приведенная схема является наиболее полной схемой актинометрической установки. Практически при станционных наблюдениях используют упрощенную схему – в нее включен лишь актинометр, пиранометр и балансомер, укрепленные на стойке М-13, а регистрирующими приборами служат два гальванометра. Такая установка не дает возможности проводить непрерывные наблюдения с записью показаний, она используется для регулярных наблюдений в установленные сроки.


ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ АКТИНОМЕТР М-3 (АТ-500)

Для измерения прямой солнечной радиации используется один из двух приборов – компенсационный пиргелиометр или термоэлектрический актинометр. Компенсационный пиргелиометр является абсолютным прибором, т.е. основанным на сравнении двух значений одной физической величины. Нагрев черной пластины, вызванный солнечной радиацией, сравнивается с нагревом точно такой же пластины, вызванным электрическим током. Регулируя значение электрического тока, наблюдатель добивается выравнивания температур обеих пластин, после чего значение радиации однозначно связано с протекающим по пластине током и легко может быть определено расчетным путем. Достоинство абсолютных приборов состоит в том, что они не требуют градуировки. В практических измерениях пиргелиометр употребляется редко – процесс измерений слишком длительный, поэтому его используют лишь для градуировки относительных приборов, одним из которых является термоэлектрический актинометр М-3.

В относительных приборах измеряемая величина преобразуется в другую физическую величину, измерение которой не представляет трудностей - например, в электрический ток. В отличие от абсолютных, относительные приборы требуют предварительной градуировки. Их достоинством является оперативность процесса измерения. Принцип действия термоэлектрического актинометра основан на поглощении прямой солнечной радиации зачерненным диском, соединенным с нечетными спаями термобатареи. Четные спаи термобатареи соединены с медным кольцом, находящимся в тени. Медное кольцо имеет температуру окружающего воздуха, а черный диск нагрет до несколько большей температуры, так как на него падает прямая солнечная радиация. Легко показать, что разность температур спаев термобатареи определяется значением прямой солнечной радиации. С другой стороны, термобатарея преобразует эту разность температур в электрический ток, измеряемый гальванометром. Таким образом, ток находится в прямой зависимости от прямой солнечной радиации.

Устройство термоэлектрического актинометра показано на рис. 2.

Приемником радиации служит диск из серебряной фольги (1), зачерненный со стороны, обращаемой к солнцу. С другой стороны диска через изолирующую прокладку приклеены нечетные спаи термобатареи (3), состоящей из 52 элементов, соединенных последовательно. Четные спаи термобатареи подклеены через изолирующую прокладку к медному кольцу (2). Элементы термобатареи состоят из манганиновых и константановых полосок, изолирующие прокладки сделаны из папиросной бумаги, пропитанной шеллаком. Выводы термобатареи соединены проводами с гальванометром. Вся эта конструкция помещена в металлический кожух (5) - цилиндр, внутри которого вставлены последовательно сужающиеся диафрагмы (4). Благодаря им световой поток падает только на зачерненный диск (1).



б)

Рис. 2. Термоэлектрический актинометр М-3 (АТ-50).

1 - зачерненный диск, 2 - медное кольцо, 3 - термобатарея, 4 - последовательно сужающиеся диафрагмы, 5 - металлический цилиндр (корпус), 6 - отверстие в диске для наведения актинометра на солнце.


Для нацеливания актинометра на солнце предусмотрено отверстие в ободке трубы (6) и точка на корпусе прибора. При точной наводке световой луч, пройдя через отверстие (4), должен попасть в точку.

Установка актинометра осуществляется поворотом винтов штатива, на котором закреплен сам актинометр. Иногда для автоматического поворота актинометра при движении солнца по небу применяется гелиостат (см.ниже).

Градуировка актинометра проводится вместе с гальванометром или без него. Во втором случае в паспорте прибора указывается величина его чувствительности, т.е. изменение ЭДС термобатареи при единичном изменении (на 1 кВт/м2) потока радиации. В первом случае обычно указывают переводной множитель актинометра – k , зная который можно по показаниям гальванометра определить величину прямой солнечной радиации по формуле:

(1)

где – показания гальванометра в делениях при измерении,  – показания гальванометра при закрытой крышке (место нуля), k – переводной множитель, имеющий размерность кВт/м2·дел.

Легко понять, что переводной множитель зависит от типа применяемого гальванометра – при замене гальванометра другим переводной множитель изменяется. Поэтому в актинометрических измерениях используют гальванометры стандартного типа ГСА-1м.

Переводной множитель актинометра зависит также от температуры прибора. Эта зависимость обусловлена двумя причинами – во-первых, от температуры зависит чувствительность гальванометра, во-вторых, изменяется теплоотдача дисков, к которым приклеены спаи термобатареи. Обычно первая причина является определяющей. Поэтому при градуировке актинометра без гальванометра чувствительность его сообщается без учета температурной зависимости. При измерении радиации – разумеется, с помощью гальванометра – вводится поправка на температуру, определяемая по специальной таблице.

ПИРАНОМЕТР УНИВЕРСАЛЬНЫЙ М-80м

Измерение рассеянной и суммарной радиации производится с помощью пиранометра. Рассеянная радиация имеет максимум в коротковолновой части спектра (этим и обусловлен голубой цвет неба) и эта особенность учтена конструкцией прибора. Приемником радиации является плоская поверхность, участки которой окрашены в черный и белый цвета (рис. 3). Черные участки закрашены сажей, которая поглощает всю радиацию, белые участки закрашены магнезией, поглощающей только длинноволновую радиацию.

Таким образом, между черными и

белыми участками появляется разность температур, обусловленная разным поглощением радиации. Значит, коротковолновая радиация, которую поглощает сажа, но не

поглощает магнезия, является причиной появления разности температур между участками. Разность температур измеряется с помощью термобатареи, нечетные спаи которой помещены под черными участками, а четные – под белыми. Следовательно, мерой рассеянной радиации является термоток термобатареи, измеряемый с помощью гальванометра.

Однако, поглощательные свойства сажи и магнезии не являются столь идеальными. Магнезия все же поглощает коротковолновую радиацию, хотя и гораздо хуже, чем сажа, а поглощательные свойства сажи и магнезии по отношению к длинноволновой радиации различны. Для выравнивания их поглощательных свойств по отношению к длинноволновой радиации белые поля пропитаны парафином. Для исключения ветровой погрешности, т.е. выравнивания температур черных и белых полей, приемник радиации закрыт прозрачным колпаком 1 (рис. 4), пропускающим коротковолновую радиацию. Правда, стеклянный колпак поглощает радиацию в областях 0,3 – 0,4 мкм и 2,5 – 4 мкм, но в этих областях интенсивность прямой и рассеянной радиации очень мала.


Для измерения рассеянной радиации следует исключить попадание на пиранометр прямой солнечной радиации. С этой целью предусмотрен теневой экран (5), который привинчивается к специальному стержню и закрепляется на нем винтом. Размеры экрана и стержня рассчитаны так, чтобы от центра приемника радиации пиранометра экран был виден под углом 100. Тогда экран закрывает участок неба вокруг солнечного диска с размером телесного угла 50. Необходимой частью пиранометра является осушитель (6), установленный во внутренней полости стойки. Осушитель заполнен силикагелем - веществом, поглощающим водяной пар. Таким образом, под колпаком находится сухой воздух, что способствует сохранности термобатареи. В промежутках между измерениями пиранометр закрывают металлической крышкой (7).

Суммарная радиация может быть измерена пиранометром точно так же, как и рассеянная, но в этом случае теневой экран не применяется. Практически, однако, суммарную радиацию определяют сложением прямой, измеренной по актинометру, и рассеянной, измеренной по пиранометру. Так делают потому, что при измерении суммарной радиации черные поля нагреваются слишком сильно, и происходит перенос тепла с черных на белые поля, что вызывает погрешность в измерениях.

Пиранометр позволяет измерить альбедо подстилающей поверхности (иногда его называют также альбедометром). Это делается с помощью двух последовательных измерений - сначала измеряется (или вычисляется) суммарная радиация, приходящая с верхней полусферы, затем пиранометр поворачивают на 1800 и измеряют радиацию, отраженную земной поверхностью. Альбедо вычисляют как отношение этих величин.

Градуировка пиранометра производится путем его сравнения с актинометром или пиргелиометром. Пиранометр помещают в специальную трубу, исключая попадание на него рассеянной радиации, тогда пиранометр превращается, по сути дела, в актинометр. Далее сравнивают его показания с образцовым актинометром. Результатом сравнения является так называемый нормальный переводной множитель. От действителен для того случая, когда радиация падает на приемник перпендикулярно его поверхности, т.е. с зенита. Точно так же, как и для актинометра, переводной множитель определяют при различных температурах прибора, для введения в дальнейшем температурной поправки в показания.

При наклонном падении лучей чувствительность, а следовательно и переводной множитель пиранометра меняются. Это происходит из-за того, что поглощательная способность покрытий приемника зависит от угла падения лучей, а также из-за того, что прозрачность применяющихся стеклянных колпаков на различных участках разная.

Для учета указанного обстоятельства пиранометры градуируются дополнительно и определяется зависимость переводного множителя от угла падения лучей.

Если переводной множитель пиранометра известен, то рассеянная радиация вычисляется по формуле, аналогичной формуле (1):

, (2)

где – показания гальванометра в делениях при измерении, – показания гальванометра при закрытой крышке (место нуля), k – переводной множитель, имеющий размерность кВт/м2·дел.

ИЗМЕРЕНИЕ РАДИАЦИОННОГО БАЛАНСА.

БАЛАНСОМЕР М-10м.

Радиационный баланс определяется как алгебраическая сумма всех видов излучения, приходящих на данный участок атмосферы, причем излучение с верхней полусферы считается положительным, а с нижней – отрицательным.

Для измерения радиационного баланса используется балансомер М-10м в комплекте с одним из приборов – гальванометром, интегратором или самописцем типа КСП-4. Часто проводят измерения с одним гальванометром, что не дает возможности определять интегральный радиационный баланс и проводить непрерывную запись результатов.

Балансомер М-10м состоит из термобатареи, укрепленной между двумя черными пластинами, помещенными одна под другой (рис. 5).

Пластины устанавливаются горизонтально. Верхняя пластина нагревается потоками радиации с верхней полусферы, а именно: прямой солнечной радиацией, рассеянной радиацией, излучением самой атмосферы. Нижняя пластина нагревается потоками радиации с нижней полусферы: отраженной земной поверхностью прямой солнечной радиацией, рассеянной радиацией (если балансомер помещен на некоторой высоте над землей), излучением нижележащего слоя атмосферы и излучением земной поверхности. Кроме того, менее нагретая пластина нагревается потоком тепла, приходящим с более нагретой пластины. Обе пластины обмениваются теплом с окружающим воздухом в результате излучения и конвективного теплообмена.



Поперечное сечение отдельной секции термобатареи представлено на рис. 6. Термобатарея состоит из ленты константана (1), намотанной на медный брусок (2). Половина витков гальваническим путем покрыта тонким слоем серебра (3). Вторая половина витков (4) зачернена. Места окончания серебряного слоя – термоспаи, которые располагаются поочередно на верхней и нижней поверхности бруска. Выводы секции также выполнены из константана и все секции соединены между собой последовательно так, что общая ЭДС термобатареи равна сумме 320 – 330 ЭДС термопар “константан – серебро”. Для выравнивания чувствительности приемников имеются компенсирующие термобатареи. Для соединения с гальванометром к крайним термоэлементам припаяны концы мягких проводов, которые выведены через рукоятку. Внутренняя полость балансомера герметизирована. Балансомер крепится к стойке с помощью шарнира.

Как уже говорилось, принцип действия термоэлектрического балансомера основан на том, что все виды приходящей к земной поверхности радиации: прямая солнечная радиация, приходящая на горизонтальную поверхность (), рассеянная солнечная радиация () и длинноволновые потоки радиации – главным образом, излучение атмосферы () поглощаются верхней приемной поверхностью, а уходящее от земной поверхности излучение в виде коротковолновой отраженной радиации (), длинноволновой отраженной радиации () и длинноволновой радиации Земли () поглощаются нижней приемной поверхностью.

Разностью собственных излучений верхней и нижней приемных пластин можно пренебречь. Таким образом, можно принять, что разность температур обеих пластин пропорциональна разности между потоками радиации сверху и снизу, т.е. радиационному балансу. Формула радиационного баланса имеет вид:

(3)

где - радиационный баланс земной поверхности (кВт/м2),

- прямая солнечная радиация, падающая на горизонтальную поверхность,

- рассеянная радиация,

, - длинноволновые потоки радиации, излученной атмосферой и земной поверхностью,

, - коротковолновые и длинноволновые отраженные потоки радиации.

Таким образом, ЭДС термобатареи пропорциональна разности температур между верхней и нижней пластинами, обусловленной радиационным балансом. Для измерения радиационного баланса регистрируют ток через гальванометр, соединенный с выводами термобатареи. Легко понять, что связь радиационного баланса с показаниями гальванометра может быть выражена через переводной множитель формулой, аналогичной формуле (1).

Упомянем о ветровой погрешности балансомера – выравнивание температур верхней и нижней пластин при обдуве воздушным потоком. Эта погрешность не может быть ликвидирована с помощью стеклянного колпака, как это делалось в пиранометре, так как при этом будет потеряна значительная часть излучения. Поэтому поступают по-другому – балансомер делают тонким, увеличивая теплообмен между пластинами за счет теплопроводности внутреннего слоя, содержащего термобатарею. Этот теплообмен, в отличие от ветрового теплообмена, может быть рассчитан и не зависит от каких-либо погодных условий. Разумеется, тонкий балансомер имеет меньшую чувствительность, но это та цена, которую приходится заплатить за уменьшение ветровой погрешности.

ГЕЛИОСТАТ

Гелиостат служит для обеспечения автоматического слежения актинометра за солнцем. При непрерывных наблюдениях с записью показаний с помощью интегратора или самописца актинометр устанавливается на гелиостат. Затем проводится предварительная установка гелиостата и наведение актинометра на солнце. После этого гелиостат поворачивает актинометр по эклиптике. Не будем здесь приводить конструкцию гелиостата во всех деталях, упомянем лишь главные его части.

В качестве движущего механизма у гелиостата используется электромагнит, приводящий в движение редуктор, который передает вращение на ось гелиостата. Редуктор рассчитан таким образом, что при пропускании через электромагнит импульсов электрического тока с частотой один импульс в минуту, выходная ось гелиостата совершает один оборот в сутки.

Электрический сигнал управления гелиостатом подается на электромагнит от контактных часов, которые вырабатывают импульсы с необходимой частотой.

Первоначальная установка актинометра на гелиостате производится в следующей последовательности.

1. Установить гелиостат на горизонтальную поверхность и ориентировать его на север, пользуясь компасом (буссолью) и стрелкой-указателем на металлическом основании гелиостата.

2. Отгоризонтировать гелиостат по встроенному уровню, пользуясь установочными винтами в основании гелиостата.

3. Поворачивая корпус гелиостата в вертикальной плоскости, установить на специальном лимбе географическую широту места наблюдения.

4. Выставить местное среднесолнечное время начала наблюдения, повернув лимб, установленный на верхней панели гелиостата.

5. Навести актинометр на Солнце, согласно методике, изложенной ранее. Включить гелиостат, подав минутные импульсы с контактных часов.



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Российский государственный гидрометеорологический университет кафедра экспериментальной физики

    Лабораторная работа
    Лабораторная работа № . Исследование анемометров. По дисциплине “Методы и средства гидрометеорологических измерении”. – С.-Петербург.: РГГМУ, 2004, 18 с.
  2. Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию (7)

    Документ
    Конференция проводится с целью стимулирования научно-технической деятельности молодых учёных, приобретения ими опыта публичных выступлений и подачи научных документов для публикации, а также с целью ознакомления научной общественности с результатами
  3. Попова Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебник

    Учебник
    Сегодня невозможно писать и читать об административном праве как науке, отрасли законодательства и учебной дисциплине, не отдав дань памяти ушедшему из жизни автору настоящего учебника, выдающемуся ученому-административисту Юрию Марковичу Козлову.
  4. Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию (1)

    Документ
    Конференция проводится с целью стимулирования научно-технической деятельности молодых учёных, приобретения ими опыта публичных выступлений и подачи научных документов для публикации, а также с целью ознакомления научной общественности с результатами
  5. Министерство культуры российской федерации свод реставрационных правил (1)

    Документ
    «Рекомендации по проведению научно-исследовательских, изыскательских, проектных и производственных работ, направленных на сохранение объектов культурного наследия (памятников истории и культуры) народов Российской Федерации.

Другие похожие документы..