авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
-- [ Страница 1 ] --

А. А. Кмито

Ю. А. Скляров

Пиргелиометрия

Ленинград Гидрометеоиздат 1981

УДК 551.508.2

Рецензенты: канд. физ.-мат. наук П. Н.

Костяной

(Центральная аэрологическая обсерватория)

канд. физ.-мат. наук Г. А. Никольский

(Ленинградский государственный университет)

Ответственный редактор Г. А. Никольский

Излагаются методы пиргелиометрических измерений, в том числе методы измерений солнечной постоянной. Обобщаются и систематизируются теоретические и эксперимен тальные исследования в области пиргелиометрии. Особое внимание уделяется анализу метрологических характеристик современных пиргелиометров к а к приборов, предназна ченных д л я воспроизведения пиргелиометрической шкалы. Описываются конструкции пиргелиометров, используемых в качестве эталонов, образцовых приборов и измерителей солнечной постоянной. Рассматриваются методы определения терморадиационных свойств поглощающих покрытий • и методы расчета коэффициента поглощения полостных при емников.

Книга рассчитана на специалистов в области метеорологии, климатологии, геофи зики, астрофизики, гелиотехники, космической техники, а т а к ж е на студентов, аспиран тов и преподавателей соответствующих специальностей вузов.

The book by A. A. Kmito, Yu. A. Sklyarov " P y r h e l i o m e t r y " presents the methods of the pyrheliometric m e a s u r e m e n t s, including m e a s u r e m e n t s of solar constant. Theoretical and experimental investigations in this field are s u m m a r i z e d and m a d e into a system.

Special attention is paid to the a n a l y s i s of metrological characteristics of modern pyrhe liometers as i n s t r u m e n t s intended for pyrheliometric scale reproduction. The construction of pyrheliometers used as s t a n d a r d s, reference i n s t r u m e n t s and for solar constant mea s u r e m e n t s are considered. Methods of determination of absorbing coating therm'oradiation properties and methods of evaluation of cavity receivers a b s o r b i n g coefficient are dis cussed.

The book is meant for specialists in meteorology, climatology, geophysics, astrophy sics, heliotechnology, as well as for students, p o s t - g r a d u a t e s and college teachers of respective specialities.

20807-193 © Гидрометеоиздат, 1981 r.

К 14-81. 069(02)- Предисловие Общеизвестно значение лучистой энергии Солнца как для жизни и деятельности человека,, так и для протекания целого ряда атмосферно-физических явлений и процессов. Известна также все возрастающая роль исследований трансформации лучистых потоков в атмосфере, базирующихся на радиацион ных измерениях. С этим связан большой интерес, проявляемый читателями к работам по радиационной проблематике. Однако монографическая литература в этой области не отличается большим разнообразием и количеством.

Более 40 лет тому назад (в 1938 г.) вышла в свет широко известная и не утратившая своего значения до сих пор моно графия Н. Н. Калитина «Актинометрия». • Спустя примерно четверть столетия (в 1965 г.) была издана книга К. Я. Конд ратьева под таким же названием. В этих работах подводились итоги и рассматривались перспективы раз-вития актинометрии, занимающейся исследованием как коротковолновых, так и длинноволновых лучистых потоков в, атмосфере. Вышедшая в 1957 г. монография Ю. Д. Янишевского «Актинометрические приборы и методы наблюдений» была посвящена систематиза ции методов актинометрических измерений и описанию исполь зуемых приборов.

Из зарубежных изданий, в которых рассматриваются методы актинометрических измерений, следует отметить моно графии Ш. Перрена де Бришамбо «Солнечное излучение и ра диационный обмен в атмосфере» (1966 г.), К- Коулсона «Сол нечная и земная радиация» (1975 г.), а также недавно переве денный на русский язык коллективный труд под редакцией О. Уайта «Поток энергии Солнца и его изменения» (1980 г.).

Измерения прямой солнечной радиации, производимые с по мощью абсолютных приборов — пиргелиометров, играют осо бую роль в актинометрии. Это объясняется не только тем, что они производятся с наивысшей точностью, но и тем, что на их.

основе устанавливается' пиргелиометрическая шкала, в единицах которой выражаются результаты всех измерений коротковолно вых потоков солнечного происхождения и солнечной постоян ной. Поэтому пиргелиометры разрабатываются и исследуются :

1* ' особенно тщательно, и в этой области радиационных измерений накопился большой материал, важный для развития не только актинометрии, но и ряда смежных областей измерительной тех ники.

Учитывая это, авторы предприняли попытку изложить в на стоящей монографии -основные результаты и проблемы разви тия пиргелиометрии, обобщив теоретические и эксперименталь ные исследования, выполненные как в -нашей стране, так и за рубежом. Большое внимание уделено вопросам метрологиче ского обеспечения радиационных измерений.

При работе над книгой авторы стремились отобрать и единообразно изложить такие материалы, в которых содер жатся исследования наиболее общих характеристик и свойств пиргелиометров, а также особенностей устройств ц конструи рования современных приборов.

Материалы, отобранные в соответствии с указанными прин ципами, излагаются в шести главах книги. Первая глава носит характер введения. В ней систематизируются основные сведе ния из истории пиргелиометрии почти за 150-летний период ее развития. Во второй главе рассматриваются общие характери стики пиргелиометров как приборов для неселективных абсо лютных измерений прямой. солнечной радиации. В третьей главе излагаются методы оценки погрешностей пиргелиометри чёских измерений и принципы метрологической аттестации приборов. Четвертая глава посвящена описанию основных ти пов современных пиргелиометров. В пятой главе приводятся сведения об измерениях солнечной постоянной, в шестой — ме тоды теоретических и экспериментальных исследований свойств черных покрытий, лежащие в основе аттестации пиргелио метров.

Введение, глава 3, п. 2.6, 4.1—4.5, 4.8 написаны авторами совместно, предисловие, главы 1 и 5, п. 2.1, 2.2, 2.9, 4.7 и 6.6— А. А. Кмито, п. 2.3—2.5, 2.7, 2.8, 4.6 — Ю. А. Скляровым, п. 6.2—6.4 — В. А. Парфинским и М. М. Середенко, п. 6.1 — A. А. Кмито, В. А1. Парфинским и М. М. Середенко, п. 6.5 — B. И. Саприцким и Ю. А. Скляровым.

Авторы считают своим приятным долгом поблагодарить рецензента Г. Н. Костяного и научного редактора Г. А. Николь ского за большую работу по улучшению рукописи, а также выражают признательность Ю. И. Бричкову, В. А. Клеванцо вой, А. В. Предтеченскому, Е. И. Чистяковой, А. А. Либерману и Д. Г. Соболеву за помощь и участие в обсуждении отдель ных разделов книги.

Введение Основной задачей пиргелиометрии является измерение пря мой солнечной радиации в абсолютных единицах с наивысшей точностью. Трудно переоценить значение прецизионных изме рений прямой солнечной радиации. Солнце — ближайшая к нам звезда. Огромный поток его излучения является практически единственным источником энергии в Солнечной системе. При ходная часть теплового баланса Земли и других планет, темпе ратурное равновесие искусственных космических объектов опре деляется главным образом поглощаемой ими солнечной энер гией. Решение многих земных проблем связано с точным знанием величины потоков прямой солнечной радиации. Однако не менее важной является астрофизическая сторона дела.

Знание заатмосферных потоков прямой солнечной радиации позволяет определить эффективную температуру нашего днев ного светила. А прецизионные измерения вариаций солнечного излучения (приведенных к единому расстоянию) позволяют вы яснить вопрос, является ли Солнце обычной или же переменной звездой.

Важнейшей задачей при этом является обеспечение измере ний солнечного излучения непосредственно в единицах системы СИ. В соответствии с существующей терминологией [53} изме ряемой величиной является интегральная (по спектру) энерге тическая освещенность, ранее называвшаяся поверхностной плотностью потока либо интенсивностью прямой солнечной радиации [185]. До принятия международной системы единиц СИ энергетическая освещенность прямой солнечной радиации измерялась в к а л - с м - 2 мин - 1 (ныне в В т - м - 2 ).

Воспроизведение и хранение единицы измерений осущест вляется с помощью, эталонов. Д л я создания эталона энергети ческой освещенности могут быть использованы два пути: 1) раз работка эталонного источника излучения;

2) разработка эта лонного приемника.

В качестве эталонных излучателей применяются модели абсолютно черного тела (АЧТ), или полостные излучатели.

Излучение такого источника определяется законами излучения АЧТ. Энергетическая освещенность на известном расстоянии от отверстия полости излучателя может быть определена, если точно известны его температура, площадь отверстия полости и ее Излу'чательная способность. Очевидно, можно осуществить калибровку какого-либо относительного детектора по такому источнику путем непосредственного облучения. Недостатки такого пути реализации абсолютной шкалы энергетической освещенности известны (см., например, [138, 148]). Основные трудности заключаются в определении абсолютной температуры излучателя и ее распределения по полости, величины апертуры излучателя и его излучательной способности, в оценке неопре деленностей переноса излучения от излучателя до детектора.

В некоторых работах (например, в [138]) указывается, что нет должного согласия между теоретически предсказанным и мно гократно экспериментально определенным значением величины а — постоянной закона Стефана—Больцмана. Кроме того, если говорить конкретно об измерениях- прямой солнечной радиации, то нужно учесть, что энергетическая освещенность, даваемая современными моделями АЧТ, существенно меньше (практи чески на порядок и более) энергетической освещенности прямой солнечной радиации, а их спектры различны.

Реализация абсолютной шкалы методом эталонных прием ников излучения позволяет обойти некоторые из названных трудностей. В применении к измерениям потоков' прямой сол нечной радиации пиргелиометры как раз и.являются приборами, обеспечивающими непосредственное измерение потока солнеч ного излучения в абсолютных единицах. Они являются наиболее точными актинометрическими приборами. Тщательно исследо ванные и надежные пиргелиометры используются в качестве первичных эталонов, определяющих шкалу энергетической освещенности прямой солнечной радиации.

Разумеется, у такого пути реализации абсолютных измере ний есть свои трудности, связанные с метрологической аттеста цией эталонного измерительного прибора. По-видимому, правы многие исследователи, считающие, что следует совершенство вать оба пути,, если стремиться к достижению наивысшей точ ности абсолютных измерений потоков излучения..

К настоящему времени имеется обширная научная литера тура, посвященная созданию и исследованиям пиргелиометров различного типа, методам измерений и передачи единиц, раз личным проблемам аттестации пиргелиометров. Известные' в прошлом и современные шкалы единиц энергетической осве щенности прямой солнечной радиации воспроизводились и про должают воспроизводиться с помощью;

пиргелиометров. Боль шой объем теоретических и экспериментальных исследований в области абсолютных измерений прямой солнечной радиации позволяет выделить пиргелиометрию в самостоятельный' раздел актинометрии.

Основные задачи "пиргелиометрии можно сформулировать следующим образом: разработка, создание теоретические и экспериментальные исследования приборов для абсолютных. измерений интегральной энергетической освещенности прямой солнечной радиации (пиргелиометров);

разработка методов по строения и хранения первичного эталона для воспроизведения единицы энергетической освещенности прямой солнечной радиа ции;

разработка методов передачи единицы нижестоящим средствам измерений и оценка соответствующих погрешностей;

абсолютные измерения с целью определения интегральной сол нечной постоянной и ее возможных вариаций.

Если учесть, что калибровка других актинометрических при боров (актинометров, пиранометров, а также и балансомеров) производится путем привязки к пиргелиометрам, можно видеть, что пиргелиометрия в свою очередь решает важнейшую задачу метрологического обеспечения измерений разных видов солнеч ного излучения.

Под прямой солнечной радиацией (ПСР) в метеорологии понимается интегральное излучение не только самого солнеч ного диска, но и части околосолнечного атмосферного ореола, величина которого определяется апертурой актинометрического прибора. • Энергетическая освещенность прямой солнечной радиации у поверхности Земли Е зависит от значения солнечной постоян ной Е0 (интегральной энергетической освещенности, отнесенной к среднему расстоянию от Земли до Солнца), расстояния между Землей и Солнцем, высоты Солнца над горизонтом, а также от прозрачности атмосферы. Вследствие этого в изме ряемых значениях Е наблюдаются как периодические (суточ ный и годовой ходы), так и непериодические (обусловленные изменениями прозрачности)- изменения.

В метеорологии широко используется деление потоков лучи стой энергии на коротковолновую (КВР;

0,2—5,0 мкм) и длин новолновую (ДВР;

5,0—100 мкм) радиацию. К первой отно сятся потоки солнечного происхождения (прямая, отраженная и рассеянная радиации), а ко второй — собственные (тепловые) излучения подстилающей поверхности, облачности и атмосферы.

Из сказанного следует, что пиргелиометрия обеспечивает абсо лютную основу измерений КВР солнечного происхождения.

Глава Основные сведения из истории развития пиргелиометрии 1.1. Пиргелиометрия до введения международной пиргелиометрической шкалы МПШ- Первые измерения прямой солнечной радиации относятся к 1837 г.—• к моменту появления пиргелиометра, построенного К. Пулье (Франция) [59]. Прибор представлял собой плоский металлический сосуд, заполненный водой, с вставленным в него термометром. Дно сосуда было зачернено и при измерениях ориентировалось перпендикулярно солнечным лучам. Количество поглощенной энергии солнечного излучения определялось по изменению температуры воды в сосуде.

Пиргелиометр Пулье в дальнейшем совершенствовался ря дом известных ученых (Крова, Фоуль и др.). у Значительную роль в развитии пиргелиометрии сыграли открытия прямого (Зеебек, 1826 г.) и обратного (Пельтье, 1834 г.) термоэлектрических эффектов, а также создание на основе использования первого из них радиационного термо элемента (Нобили, 1830 г.) и радиационной термобатареи (Меллонп, 1833 г.) [163].

Наряду с термоэлектрическими преобразователями большую роль сыграли неселективные резистивные термопреобразова тели, получившие название болометров. Первый болометр, созданный С. П. Ланглёем в 1881 г., был применен им для измерений лучистой энергии Солнца. На основе этих измерений впервые удалось оценить возможные значения солнечной по стоянной (от 1840" до 2450 Вт-м~ 2 ).

В 1890 г. под руководством Ланглея начала действовать Смитсоновская астрофизическая обсерватория, в которой в те чение весьма длительного времени (с 1902 по 1962 г.) прово дилась широкая программа наблюдений за солнечной радиа цией. Основной целью этой программы являлось определение солнечной постоянной и ее изменений. Измерения производи лись на 14 высокогорных станциях, которые располагались в Северной и Южной Америке, а также в Африке.

Несмотря на успехи, достигнутые, пиргелиометрией до на чала нашего столетия, измерения солнечной радиации в началь ный Период ее развития выполнялись весьма приближенно, без должной оценки точности получаемых результатов.

Начало нового этапа в истории развития актинометрии, в том числе и пиргелиометрии, было положено работами таких 8 ' известных ученых, как О. Д. Хвольсон, а затем и В. А. Михель сон в. России, К- Ангстрем в Швеции и Ч. Аббот в США, кото рые разработали основы методов оценки точности актинометри ческих измерений, а также принципы и методы создания доста точно точных пиргелиометров.' Работы О. Д. Хвольсона, выполненные в Павловской магнит ной и метеорологической обсерватории в период с по 1893 г., содержат теоретические и экспериментальные ис следования точности радиационных приборов, в том числе термоэлектрических пиргелиометров по типу Ангстрема [173].

Эти работы заложили основы теории радиационных изме рений.

Отметим также, что в числе пионеров отечественной актино метрии и пиргелиометрии были О. Фрелих, создавший в 1876 г.

пиргелиометр с термобатареей [174], и инженер-путеец Р. Н. Савельев, выполнивший много актинометрических изме рений с помощью как оригинальных, так и улучшенных им актинометров Араго—Деви и Крова (1887—1889 гг.). В 1884 г.

профессор Московской сельскохозяйственной академии В. А. Ми хельсон создал ледяной абсолютный пиргелиометр, попытки использования которого в практике измерений продолжались еще много лет спустя. В 1900 г. им была выдвинута идея созда ния водоструйного пиргелиометра.

Термоэлектрический • компенсационный пиргелиометр чрез вычайно надежной конструкции и высокой точности, обеспечив ший использование подобных приборов до наших дней, был создан К- Ангстремом в 1893 г. В окончательном варианте прибор начал применяться с 1896 г., а в 1905 г. решением Международной метеорологической конференции он был реко мендован к повсеместному применению в качестве эталона [59].

Учитывая чрезвычайно важную роль, сыгранную пиргелиомет рами Ангстрема в истории развития пиргелиометрии и установ лении сначала европейской, а затем и международной пирге лиометрической шкал, историю этих приборов изложим под робнее.

Сначала приборы изготавливались в Упса-ле (Швеция). Один из них, А № 70 (А 70), построенный мастером В. Розе в 1896 г., был принят в качестве эталона европейской (ангстремовской) пиргелиометрической шкалы. Его константы с большой тща тельностью были определены К. Ангстремом. К- сожалению, конструкция пиргелиометров, в частности их апертура, со вре менем' существенно изменялась. Так, например, длина апертур ной трубы у пиргелиометра Ангстрема различных конструкций за все годы изменялась от 40 до 108 мм.

Важно отметить, что при выпуске новых приборов в Упсале производился контроль и привязка их показаний к эталону А 70.

Это в свою очередь позволяло следить за состоянием самого эталона А 70, который периодически ремонтировался (чернение полосок для восстановления коэффициента, поглощения и др.).

В качестве вторичного эталона использовался пиргелиометр А 158, изготовленный в Упсале в 1912 г. С 1940 г. (после 5-лет него перерыва) производство пиргелиометров Ангстрема во зобновилось в Стокгольме. При введении Международной пиргелиометрической шкалы в 1956 г. пиргелиометр А оказался в лучшем состоянии, чем А 70, и., был принят за Меж дународный эталон, однако, как увидим дальше, эту задачу на должном уровне он выполнить не смог.

Водоструйный пиргелиометр был создан Ч..Абботом в Смит соновоком институте в 1905 г. и использовался как первичный эталон смитсоновской (американской) шкалы для, уже упоми навшейся сети американских актинометрических станций [189].

В качестве рабочего прибора использовался мобильный относи тельный пиргелиометр с серебряным диском (сильвердиск), построенный Ч. Абботом в,1908 г. Важно отметить, что водо струйный прибор Аббота являлся первой реализацией полост ной модели пиргелиометра. Переделки первичного пиргелио метра Аббота за время эксплуатации были более значительными по сравнению с прибором Ангстрема. В 1913 г. Ч. Фоулем и Л. Олдричем был. создан водоструйный пиргелиометр с мешал кой — по сути дела, другой прибор, в котором, использовались термометры сопротивления. Оба пиргелиометра (водоструйный и ~ водоструйный с мешалкой) представляли смитсоновскую шкалу (пересмотренную шкалу 1913 г.).

В 1927 г. Абботом был построен сдвоенный водоструйный пиргелиометр, реализующий другой, компенсационный метод измерений. С помощью этого прибора в 1934 г. было опреде лено, что смитсоновская шкала 1913 г. завышена примерно на 2 % [227].

Неоднократные сравнения представителей ангстремовской и смитсоновской шкал показывали, что расхождения между ними составляют от 3 до 7 %. Это делало необходимым введение единой Международной пиргелиометрической шкалы.

Отметим, что созданный в 1906 г. простой и.надежный биметаллический актинометр В. А. Михельсона сыграл боль шую роль в постановке наблюдений за прямой солнечной ра диацией на организовавшейся в то время сети актинометри ческих станций ряда, стран, особенно России.

Отметим также, что теоретическое соотношение для учета влияния термического сопротивления поглощающего покрытия неселективного приемника радиации, подобное использую-- щимся сейчас соотношениям, было получено в 1904 г. Д. А. Смир новым [162].

Важные теоретические и экспериментальные исследования пиргелиометров К. Ангстрема были выполнены А. Ангстремом, Б. Роде, В. Мартеном, Р. Пастьельсом, П. Курвуазье, Ф. Линд хольмом и др. [227].

Ю В нашей стране развитие актинометрических исследований, проводившихся главным образом в Павловской магнитной и метеорологической обсерватории, а затем и в Главной геофи зической обсерватории им. А. И. Воейкова, связано с именами Н. Н. Калитина, С. И. Савинова и Ю. Д. Янишевского [58].

Их работы были направлены в первую очередь на организацию сети станций, оснащение ее отечественными приборами и мет рологическое обеспечение. В результате сеть актинометрических станций СССР, на большинстве которых велись наблюдения за прямой солнечной радиацией, к 1940 г. включала 25 актино метрических станций, причем в их числе имелось 5 арктических.

После Великой Отечественной войны эта сеть была модерни зирована и существенно расширена (к 1962 г. число актиномет рических станций в СССР достигло 216 1) [4]. Метрологическое обеспечение работы этой рети до оих пор основывается на использовании оригинальных и модернизированных- Ю. Д. Яни шевским пиргелиометров типа Ангстрема как с четырехуголь ными, так и с круглыми отверстиями.

Переходя к работам, выполненным в период между и 1956 гг., прежде всего отметим, что в 1925 г. по инициативе В. А. Михельсона известным физиком В. М. Шульгиным [183] был создан водоструйный пиргелиометр по типу Аббота, в ко тором для измерения разности температур воды до и после нагрева служила термобатарея. При исследовании этого при бора и была высказана идея создания сдвоенного водоструй ного пиргелиометра, которая, как уже указывалось, реализо вана Ч. Абботом в 1927 г.

В 1930 г. Ф. Е. Волошиным [178] был существенно усовер шенствован ледяной пиргелиометр Михельсона, созданный в 1894 г. Для измерения объема растаявшего в герметическом сосуде льда Волошиным была применена стеклянная трубочка, в которую- под действием разрежения втягивалась ртуть.

Совершенствование пиргелиометра Ангстрема в СССР было начато в 1923 г. Ф. Е. Волошиным, который заменил одиночный термоэлемент термобатареей из 10 пар равномерно распреде ленных в термическом поле полосок. Дальнейшие, более об стоятельные, усовершенствования этого прибора были выполнены в Главной геофизической обсерватории Ю. Д. Янишевским в 1952—1954 и 1965 гг. В 1952—1954 гг. были построены пирге лиометры типа Ангстрема с круглыми диафрагмами и тремя приемными полосками, освещаемыми одновременно. Эти. при боры были выпущены в 1959 г. под индексом М-59. Позднее, в 1965 г., Янишевским были созданы модернизированные пир гелиометры Ангстрема № 541 и 542 с трубами, имеющими Мировая актинометрическая сеть состоит сейчас примерно из 1100 стан ций [9].

различную апертуру, и существенно усовершенствованным при емным узлом [186].

В США работы по совершенствованию пиргелиометра Анг стрема были завершены созданием смитсоновской модели при бора (1934 г.). Этот прибор частично заменил сильвердиск в качестве вторичного эталона* так как оказался более надеж ным и удобный в эксплуатации.

Позднее (около 1960 г.) в лаборатории Эппли (Ньюпорт) начали производиться пиргелиометры Эппли—Ангстрема, кон струкция которых разрабатывалась совместно с А. Ангстремом [222]. В этих приборах удлинена труба, устранено влияние подсветки-полосок снизу и применено чернение лаком Парсонса.

Погрешность измерений прибором оценивается ± 0, 5 %.

При установлении международной пиргелиометрической шкалы важную роль сыграл абсолютный радиометр, -созданный Гилдом в Национальной физической лаборатории [232]. Прием ник радиации этого радио-метра состоял из двух медных дисков толщиной 6 мм,: диаметром 45 мм, установленных параллельно на расстоянии 10 мм (разделены эбонитовым кольцом). Между дисками помещалась термобатарея из семи термопар, спаи которых размещены по возможности равномерно. Верхний диск имел спираль для подогрева (спираль замещения), перед ним устанавливалась прецизионная диафрагма. Прибор обладал очень большой постоянной времени, однако примененная мето дика позволяла делать измерение за" 6—8 мин. Гилд проводил лабораторные сравнения с представителями обеих шкал:

ангстремовской (пиргелиометр А 100) и смитсоновской (сильвер диск S. 1.28). При этом оказалось, что А 100 занижает на 0,5 %, a S. 1.28 завышает на 2,2 % результаты по отношению к радио метру Гилда. При сравнениях на солнце различия показаний этих приборов составляли 3,5%- Различия лабораторных и полевых сравнений Гилд объяснил влиянием солнечного ореола на показания пиргелиометров с разными апертурами. Впослед ствии прибор был усовершенствован Гилхамом: применены два.

идентичных приемника, один из которых является компенса ционным, у нагревателя сделано по три вывода, нагреватель выполнен в виде змейки, напыленной золотом на слюде [230].

Кроме того, Гилхамом позднее были созданы и исследованы две важные модификации абсолютных радиометров НФЛ. Одна из них — малоинерционный дисковый радиометр. В нем приме нен плоский приемник диаметром 6 мм, покрытый зеркально отражающей чернью с малым термическим сопротивлением.

Такая чернь получалась путем последовательного напыления тончайших (около 0,02 мкм) слоев платины и окиси олова.

Коэффициент поглощения ее равен 0,920, поверхность диско вого радиометра 0,3 см2, чувствительность 2,2-Ю - 6 В-м 2 Вт- 1, постоянная времени 12 с.

Вторая модификация, явившаяся одним из первых полост ных абсолютных радиометров, получила название «черного»

радиометра. Приемник последнего имеет в качестве основания диск со спиралью замещения, на борта которого надет алюми ниевый цилиндр. Вся полость приклеивается к слюдяному диску, который служит для. крепления подводящих проводов и установки полости в корпус прибора. Вокруг приемного ци линдра размещается цилиндрическая термическая защита. Термобатарея расположена на диске и кольце между обоими цилиндрами. Погрешность измерений оценена в ± 0, 2 %.

Теоретические и экспериментальные исследования, позво лившие оценить вклад околосолнечного ореола в показания пиргелиометров с различными апертурами и при различной мутности атмосферы, выполненные Калитиным [59], Линке [253], Вейкманом [282], Л. Босси и Р. Пастьельсом [208] и другими, заложили основы методики сравнений и рациональ ного конструирования труб пиргелиометров. А. Ангстрем раз вил идею о том, что разность показаний сравниваемых при боров можно представить в виде зависимости от коэффициента мутности атмосферы [190]. Трудности сравнения приборов с различными апертурными углами, а тем более с диафрагмами различной формы, привели к решению Международной комис сии по радиации, принятому еще в 1952 г., о разработке новых пиргелиометров только с круглыми приемными отверстиями.

Следует отметить также ряд отечественных разработок в области пиргелиометрии. В 1950 г. Н. В. Кучеровым был пред ложен новый абсолютный метод радиационных, в том числе ииргелиометрических измерений. Суть - его состоит в том, что энергетическая освещенность приемника определяется по ско рости изменения его температуры в момент выравнивания по следней с температурой среды [100].

В 1960 г. П. А. Крыловым [98] был создан абсолютный биметаллический пиргелиометр, точностные характеристики ко торого, однако, не исследовались. В это же время А. Н. Бойко во Всесоюзном научно-исследовательском институте метроло гии им. Д. И. Менделеева (ВНИИМ) создал полостной абсо лютный радиометр [55]. Замещение радиационного нагрева электрическим осуществлялось с помощью обмотки, помещен ной внутри приемного цилиндра, а измерения температуры приемника — с помощью термобатареи, спаи которой подклеи вались к его наружной поверхности.

1.2. Введение и использование МПШ- При подготовке к Международному геофизическому году, в первой половине 50-х годов, начали проводиться работы по стандартизации и обеспечению единства различных видов метеорологических измерений, в рамках Всемирной метеороло гической организации (ВМО);

С. этой целью на Международ ной радиационной конференции в сентябре 1956 г. было при нято решение о введении международной пиргелиометрической шкалы (МПШ-56). Она вводилась с 1957 г. как компромиссная, исходя из осредненных поправок к европейской (оригинальная шкала Ангстрема) и американской (пересмотренная шкала 1913 г.) шкалам ( + 1,5 и —2,0% соответственно), т. е. и з.

расхождения между шкалами 3,5%, хотя имелись данные о значительно больших расхождениях (до 6 — 9 % ) [66, 227].

Д л я единообразного приведения показаний всех националь ных эталонных пиргелиометров к МПШ-56 было решено с пе риодичностью в 5 лет проводить Международные сравнения пиргелиометров (МСП). На первых сравнениях (МСП I, Давос, 1959 г.) в качестве единого мирового эталона МПШ- был принят уже.упоминавшийся вторичный стокгольмский эталон А 158, привязанный ранее (при выпуске) к первичному эталону А 70, который к тому времени уже не отвечал предъ являемым требованиям.

Переводной коэффициент А 158 для перехода к МПШ-56 был увеличен на 1,5%, а переводные коэффициенты региональных и национальных эталонных пир гелиометров приведены к показаниям этого прибора. Такая же процедура была применена во время МСП II (Давос, 1964 г.) к тем приборам, показания которых отличались более чем на + 0, 5 % от эталона А 158. Однако при проведении региональ ных сравнений (Карпентра, 1969 г.) было установлено, что прибор А 158 увеличил показания на 1,2% относительно пирге лиометров, участвовавших в МСП I и II. Вследствие этого при проведении МПС III (Давос, 1970 г.) было принято решение о создании группового эталона из семи оригинальных пиргелио метров Ангстрема, отличавшихся устойчивостью' показаний. В чи сло таких приборов вошел национальный эталон СССР А 212.

Кроме того, в МСП III были представлены полостные пйргелиометры (абсолютные радиометры) повышенной точ ности,, разработанные к тому времени в США. Они показали более высокие (примерно на 2 %) результаты измерений, чем представители' МПШ-56. Это обстоятельство, а также неудов летворительное хранение МПШ-56, особенно на первом этапе ее истории, приведшее к утере первоначальной единицы, спо собствовали постановке на МСП IV (Давос, 1975 F.) вопроса о переходе к новой, более обоснованной шкале [66, 158, 227].

1.3. Введение новой международной радиационной шкалы — Мирового радиационного эталона (МРЭ) Введение новой пиргелиометрической шкалы базируется на разработках полостных пиргелиометров повышенной точности.

С их появлением начался новый этап современной пиргелио 'метрии. Приборы такого типа, названные в США абсолютными радиометрами, разрабатывались Д. Кендаллом, Д. Пламондо ном и Р. Вилсоном в Лаборатории реактивного движения ( Л Р Д ) Калифорнийского технологического института примерно с 1962 г. Они предназначались для измерения плотности по тока излучения имитаторов Солнца при испытаниях космиче ских объектов, а также для обеспечения измерений солнечной постоянной с летательных, в том числе космических, аппаратов.

Одним из первых в этой серии приборов был АКР 1, «ли АКР АД (абсолютный полостной радиометр). В результате совершенст вования АКР 1, сводившегося к замене конусного приемника полостью более сложной конфигурации и размещению вокруг него термической защиты со стабильной температуре®, Д. Кен даллом был создан АКР 2, или САКРАД (стандартный абсо лютный полостной радиометр). С помощью этого прибора в 1968 г. Кендалл произвел измерения постоянной Стефана— Больцмана [247]. Применение второй подобной полости (для устранения дрейфа нуля) привело к созданию Кендаллом в 1968—1969 гг. новой модификации приборов типа — ПАКРАД (первичный абсолютный полостной радиометр).

Немного раньше (в 1967 г.) Р. Вилсоном на базе тех же начальных разработок был создан АКР 3 (активный полостной радиометр), приемная полость, которого представляла собой зачерненный изнутри геометрически правильный конус. Этот прибор предназначался главным образом для измерения сол нечной постоянной с летательных аппаратов [284]. С 1975 г.

Вилсоном была начата разработка модификации этого при б о р а — АКР 4. Для устранения дрейфа нуля в нем применены две конические полости. Приборы АКР 4 предназначаются для работы на космических аппаратах [287].

Приборы, подобные ПАКРАД, с измененной конфигурацией полостей (ПМО 2 и ПМО 3) были изготовлены Р. Бруса и, К. Фрелихом в Давосской физико-метеорологической обсерва тории — Мировом центре по радиации [209].

Приборы типа ПАКРАД несколько измененной конструкции с 1970 г. выпускаются фирмой «Лаборатория Эппли» под ин дексом ЕПАК.

В. 1971 —1973 гг. в Бельгийском королевском метеорологи ческом институте Д. Кроммелинком были разработаны две модификации (плоскостная и полостная) пиргелиометра типа КРОМ [217].

Примерно в то же время (1968—1971 гг.) в Национальном бюро стандартов (НБС) США Д. Гейстом были выполнены интересные исследования точности пиргелиометров и разрабо тан пиргелиометр с цилиндрическими - полостями типа Е К Р [229].

В 1946 г. в Саратовском университете П. В. Вьюшковым [25] был предложен болометрический пиргелиометр, который затем совершенствовался в конструктивном отношении и авто матизировался под руководством Ю. А. Склярова [26]. Моди фикация пиргелиометра Вьюшкова—Склярова (ПВС), разра ботанная в 1978 г., имеет полостной приемник в виде цилинд рической полости [11].

Таким образом, период 1965—1975 гг. характеризовался бурным развитием конструирования полостных пиргелиометров, отличающихся повышенной точностью и стабильностью пока заний.. j Очередные Международные сравнения пиргелиометров (МСП IV) были проведены в г. Давосе (Швейцария) в 1975 г.

Одновременно здесь же осуществлялись сравнения абсолютных приборов. Было представлено 14 пиргелиометров 10 различных конструкций, в том числе ПАКРАД 3, АКР, ПМО, ПВС и др.

Международной Рабочей группой по системам радиационных измерений, действовавшей при Комиссии по приборам и мето дам наблюдений (КПМН ВМО), было рекомендовано исправить МПШ-56 на + 2, 2 %. По предложению указанной Рабочей группы,, утвержденному ВМО, переход к использованию новой пиргелиометрической шкалы, базирующейся на вновь создан ном Мировом радиационном эталоне (МРЭ), должен был про изводиться с 1 января 1981 г. В состав группового МРЭ перво начально были отобраны приборы ПАКРАД 3, АКР 310, КРОМ -и ПМО 2..Погрешность воспроизведения единицы новой шкалы была оценена не более ± 0, 3 % [56].

1.4. Применение в пиргелиометрии достижений смежных областей науки и техники На развитие пиргелиометрии особенно большое влияние оказывают достижения в области измерительной техники и метрологических исследований, в частности исследований теп ловых и калориметрических приемников лучистой энергии.

Весьма важное значение имеет также использование достиже ний современной технологии производства.

Остановимся прежде всего на истории применения в пирге лиометрии полупроводниковой техники.: Полупроводниковые холодильники позволяют осуществить регулирование темпера туры приемника и. удержание его в процессе измерений прак тически при температуре окружающей среды. Разработки первых приборов с охлаждаемым тепловым приемником были проведены в электротехнической лаборатории (ЭТЛ) Японии К. Сакураи, И. Митсубаши и Т. Хонда в 1967 г. [269]. Подобные работы проводились В. М. Кузмичевым и О. Е. Закуренко в Харьковском государственном университете [49]. В 1974 г.

компенсационный метод измерения, основанный на охлаждении плоского приемника до температуры окружающей среды с по-.

мощью эффекта Пельтье, был применен А. И. Перевертуном и Г. В. Вильчинской при создании нового типа пиргелиометра [129]. Впоследствии, в 1976 г. в Главной геофизической обсерва тории А. А. Кмито независимо от этих работ также были предложены идеи создания пиргелиометров плоскостного и по лостного типов с охлаждаемым приемником [85, 86]. Работы по созданию и исследованию таких приборов основывались на достижениях группы исследователей Черновицкого государст венного университета, возглавляемой JI. И. Анатычуком [2, 139].

Под его руководством были созданы полупроводниковые микро холодильники различных типов, предназначенные для исполь зования в измерительной технике, в. том числе и для охлажде ния приемников пиргелиометра [131].

Следует отметить стремление использовать в пиргелиомет рии высокочувствительные кварцевые и пьезоэлектрические резонаторы. Так, Г. А. Никольским [259] был описан компен сационный пиргелиометр, в котором излучение, поглощенное приемником «солнечного» канала, преобразуется термочувстви тельным пьезорезонатором в частотно-модулированный сигнал.

^ Последний сравнивается с сигналом канала замещения с по \ мощью схемы, построенной на элементах дискретной техники, is. Погрешность измерений энергетической освещенности оцени Ц вается автором ± 0, 2 %..

гХ Исследования и разработки, важные для развития отечест J венной метрологии, в частности для создания средств метро логического обеспечения измерений излучения оптических кван товых генераторов (ОКХ), были выполнены Р. А. Валитовым, А. В. Кубаревым, А. Ф. Котюком, Л. Н. Самойловым, В. И-. Сап рицким, А. А. Либерманом и др. [41., 54, 104, 123, 141, и др.]. Разработанные ими методы и устройства для аттестации образцовых ОКГ, а тем более создание отечественного эталона энергетической освещенности непрерывного оптического излу чения оказали существенное влияние и на развитие пиргелио метрии.

В заключение краткого обзора рассмотрим близкие к пир гелиометрии разработки и исследования абсолютных радиомет ров, предназначенных для технических измерений лучистой энергии (особенно в И К области), выполненные в метрологи ческих учреждениях ряда стран.

Одним из первых абсолютных болометрических радиомет ров, изготовленных путем напыления металла в вакууме на слюдяную подложку, был прибор Г. Рутгерса [268]. Немного позже, в 1957 г., был описан абсолютный болометрический радиометр Эппли—Кароли [222]. В качестве болометра здесь применена тонкая платиновая проволочная спираль, наклеи ваемая на серебряный тепловыравнивающий диск. Постоянная времени прибора достаточно мала (около 7 с), а воспроизво димость результатов не хуже - - 0, 2 a J & — Ленинградсхкй j 3 Заказ № 202 Гцдрометеорологаческий ин-т f" ! ЛГ" П 5 Л /~\ -5- г- I Р А Абсолютный радиометр подобной конструкции используется в Национальной лаборатории стандартов (НЛС) в Австралии.

Погрешность измерений этого прибора, по оценке авторов [229], ± 0, 4 %. Примерно такой же прибор используется и в Электро технической лаборатории Японии. Толщина серебряного диска в нем увеличена вдвое [261].

В 1968 г. К. Бишоффом в Физико-техническом институте Нидерландов был разработан высокоточный приемник для измерения энергетической освещенности, в диапазоне 40— 200 Вт-м - 2. Он представляет собой диск из слюды с напылен ным на нем нагревательным элементом. К последнему подклеен тепловыравнивающий серебряный диск толщиной 0,15 мм.

В качестве индикатора нагрева используется термостолбик.

Перед приемником установлена прецизионная диафрагма, а корпус прибора., включая трубу с диафрагмами, Сохраняет постоянную температуру благодаря, водяному охлаждению.

Точность измерений оценена ± 0, 3 %, а воспроизводимость результатов составляет ± 0, 1 %. Постоянная времени 20 с [203].

Важная особенность состоит в том, что у прибора предусмат ривалась возможность работы в таком режиме, когда тепло, поглощаемое приемником, компенсируется с помощью холо дильника, действующего на основе эффекта Пельтье. Таким образом, Бишофф один из первых в Европе использовал идею создания радиометра с охлаждаемым приемником.

В.о ВНИИМ «Л. Ф. Литвиновой [108, 109] была создана и исследована группа абсолютных радиометров термоэлектри ческого, и болометрического типов, в том числе полостных ра диометров. Назначение этих приемников — воспроизведение и передача единицы энергетической освещенности, а также иссле дования относительной спектральной чувствительности тепло вых приемников с плоской поверхностью. Ею. же выполнены исследования оптических свойств некоторых поглощающих по крытий [107].

Многие из рассмотренных абсолютных радиометров исполь зовались и в качестве пиргелиометров. Для этого их приемники устанавливались в стандартную трубу. Пиргелиометры с плос кими тонкопленочными приемниками, в том числе с приемни ками, помещенными в зеркальную полусферу для повышения коэффициента поглощения и его стабильности, тщательно исследовались в последние годы сотрудниками ГГО [62, 143].

Завершая исторический обзор развития пиргелиометрии, нужно отметить, что в последние годы все большее распростра нение получают полостные пиргелиометры. Появились пирге лиометры с охлаждаемым приемником. Значительное внимание уделяется работам • по их метрологической аттестации.

Создаются приборы для автоматических дистанционных изме рений солнечного излучения. Вопросы определения интеграль ной солнечной постоянной теперь решаются путем непосред ственных измерений с борта космических аппаратов. Разраба тываются методы расчета и методы экспериментальных опре делений важнейших радиационных и теплофизических характе ристик приемных элементов пиргелиометров. Проведены работы, имеющие пока характер предварительных, по связи эталонного пиргелиометра Госкомгидромета (пиргелиометра Ангстрема А 212) с вновь созданным государственным эталоном энерге тической освещенности [160, 161]. Разработана установка для прецизионных измерений коэффициентов поглощения полостных приемников излучения [104] и т. п. Можно считать, что созданы необходимые предпосылки для существенного повышения точ ности измерений прямой солнечной радиации.

2* Глава Методы абсолютных измерений интегральной энергетической освещенности прямой солнечной радиации 2.1. Основные понятия и определения 2.1.1. Объектом измерений в пиргелиометрии является пря мая солнечная радиация. Распределение энергии в спектре Солнца на границе атмосферы (т = 0) и ее трансформация при прохождении через атмосферу (в зависимости от высоты Солнца, выражающейся числом атмосферных масс т), согласно стандарту НАСА (США) 1969 г., представлены на рис. 2.1а.

Из него видно, что у земной поверхности, даже при вертикаль ном прохождении лучей через атмосферу ( т = 1), коротковол новая граница спектра располагается вблизи 0,3 мкм, а закан чивается около 2,6 мкм.

По модели солнечного излучения [118], принятой в СССР для технических расчетов (рис. 2.1 б), за пределами атмосферы на коротковолновую радиацию (от 0,3 до 5 мкм) приходится' около 98,6% всей излучаемой Солнцем энергии. В области от 0,22 до 20 мкм сосредоточено 99,9%, а в области от 0,3 до 15 мкм — 99,0 % этой энергии. Солнечная постоянная, опреде ляемая путем суммирования спектральной плотности по всему спектру (практически от 0,20 до 20,0 мкм) составляет Eq== = 1365 + 14 Вт-м - 2. По современному стандарту США, _Е0 — = 1367 + 27 Вт-м - 2. В указанном спектральном интервале заключено 99,98 % излучаемой Солнцем энергии. Если ограни читься точностью около 0,5 % всей мощности заатмосферного солнечного излучения, то можно считать, что интегральный поток прямой солнечной радиации охватывает область спектра от 0,22 до 15,0 мкм [118]. На высоких горах Е достигает 1100 Вт-м - 2, а у поверхности Земли при малой высоте Солнца (1—2°) падает до 50—70 В т - м - 2 (в ' зависимости от прозрач ности атмосферы). Ввиду того, что пиргелиометры предназна чаются для калибровки относительных приборов, выполняемой обычно при высокой прозрачности атмосферы и достаточно большой высоте Солнца, их рабочий диапазон составляет 400—1200 Вт-м - 2..

Одной из важнейших особенностей прямой солнечной ра диации является присутствие в ней (кроме излучения собст венно диска Солнца) части рассеянного излучения околосолнеч ного ореола. Учет этого излучения является специфической задачей пиргелиометрии. От ее решения в значительной степени зависит точность измерений прямой солнечной радиации.

2.1.2. Любое измерительное устройство состоит из измери тельных преобразователей, свойства которых, особенно первич ного измерительного преобразователя (-приемника лучистой:

энергии в случае средств.измерений лучистых потоков), а также способ соединения их в цепь определяют характеристики этого»

устройства. Приведем определения основных понятий, относя щихся -к структуре и методике анализа измерительных:

устройств [10, 36].

Измерительным преобразователем, обычно выделяемым:

в качестве элементарного звена при структурном анализе изме рительного устройства, называют средство измерений (СИ), предназначенное для выработки сигнала измерительной инфор мации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобра зования, обработки или хранения, но не поддающейся непо средственному восприятию наблюдателем. Элементарное звено структурной схемы прибора обычно осуществляет только одно какое-либо преобразование сигнала.

Измерительным прибором называют СИ, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительная система — совокупность СИ (мер, измеритель ных приборов и преобразователей), а также вспомогательных устройств, соединенных каналами связи, и предназначенная для выработки сигнала измерительной информации в форме, удоб ной для автоматической обработки, передачи и (или) исполь зования в автоматических системах управления.

Математическая модель звена, как и устройства в целом, представляет собой дифференциальное уравнение связи между входной (х) и выходной (у) величинами. Для описания основ ных особенностей линейных звеньев и систем пользуются стати ческой характеристикой вида y = f ( a x, а2 Ьи Ь2, х) — = S(alt а2,..., bu b2,..., )х + с, (2.1).

где S(cti, bj) — коэффициент передачи, или чувствительность звена (системы), являющаяся функцией его параметров а, и внешних факторов bf, с — постоянная, определяющая сме щение статической характеристики.

Аналитический учет изменчивости параметров аг- и влияния факторов bj на связь величин х и у с целью определения по грешностей измерений является весьма сложной задачей.

Поэтому реальные статические характеристики средств изме рений обычно получают экспериментально, путем поверки,, а вновь изготовленных — путем градуировки.

Поверкой является определение метрологическим органом погрешностей средства измерений и установление пригодно сти его к применению. Д л я установления систематических \ Вт-м'2-мкм. 2,5 Л мкм % б) У 1000 »

\ 100.

гt \Г / \/ Д ( / _600 Г t 1 / I 400 г У А / S I К' \ 200 л и у / О 2 3 4 5 6 Л мкм 0,1 0,2 0,3 OA 0,6 0,8 1, 0 О погрешностей однотипных СИ производят сравнения их с эта лонным или образцовым средством, называемые сличениями [36].

Из выражения (2.1) следует, что чувствительность СИ df(, bj, х) ' /о о* ду ai S == * ^F = Ш '.

а приращение выходной величины А у с изменением входной Д г будет Л* = S x A x = ^ A x + Z - V - Аа + -Щ- Ы,. (2. J• В последнее соотношение, кроме чувствительности СИ к изме ряемой величине Sx — df/dx, входят чувствительности его к не стабильности параметров этого средства измерений Sal = д//дас и чувствительности его выходной величины у к тем или иным;

внешним эксплуатационным факторам Sbj= df/dbj. Чувствитель ности S a i и Sbj, иногда называемые функциями влияния, опре деляют паразитные воздействия изменения параметров а,-,, а также внешних факторов bj на результат измерений. Эти воздействия искажают связь между измеряемой величиной хг и результатом измерений у, ведут к неоднозначности этой связи, т. е. к появлению погрешности измерений Ду — уо — У.(г/о — неискаженное значение результата измерений). Погрешности,, вызываемые воздействием изменения параметров СИ или внеш них эксплуатационных факторов, могут быть как системати ческими, так и случайными. Методика оценки погрешностей измерений стандартизирована [37, 40, 115]. Отметим только, что все составляющие систематической погрешности выявляются путем теоретических и экспериментальных исследований дан ного СИ. Они учитываются (исключаются) путем введения поправок в основное уравнение (2.1), однако в результате неточного знания как параметров а,-, так и факторов bj, а т а к ж е неточностей определения их воздействия на результат измере ний (определения функций влияния Sa. и Sb.) составляющие систематической погрешности исключаются неполностью. Неис ключенные остатки систематической погрешности принято [115] считать случайными величинами, распределенными по равно вероятному закону, т. е. относить к случайной составляющей погрешности измерений.

Рис. 2.1. Спектральные плотности энергетической освещенности прямой сол-.

нечной радиации в зависимости от оптической массы атмосферы.


а — с т а н д а р т НАСА 1969 г. ( Н 2 0 — 2 0 мм, 0 3 — 3,4 мм, а = 0, 6 6 г Р = 0,17);

б — м о д е л ь СССР' д л я энергетических расчетов;

1 — излучение Солнца и АЧТ при 5770 К (пунктирная к р и в а я ) ;

2 — относительная д о л я интегральной мощности, %;

La — л и н и я излучения водорода Л а й м а н - а л ь ' ф а ;

нн — л о г а р и ф м и ч е с к а я единица спектрального и н т е р в а л а (налесин) [44]..

2$ Отметим также, что задача оценки качества измерений связана с учетом воздействия на результат измерений не только внешних факторов и изменения параметров прибора, но и ско рости изменения измеряемой величины dxjdt. Поэтому для достаточно полной оценки метрологических качеств того или иного СИ необходимо использовать целый комплекс характе ристик точности. Исходя из этого в современной нормативной документации [37] регламентирован следующий комплекс мет рологических характеристик СИ:

—• статистические моменты случайной и неисключенной "части систематической погрешности (спектральная плотность, автокорреляционная функция или дисперсия);

— динамическая погрешность, обусловленная инерцион ностью СИ;

— основная и дополнительная погрешности в условиях экс плуатации прибора или функции влияния внешних эксплуата ционных факторов;

— входной и выходной импедансы СИ, используемых в ком плексной измерительной системе.

Д л я серийных СИ, выпускаемых промышленностью, уста навливаются нормы на значения их суммарной погрешности и отдельных ее составляющих. Нормированные погрешности СИ выражаются обычно в виде некоторой (одночленной или многочленной) формулы. К применению допускаются только те СИ," основная погрешность которых соответствует установ ленной норме.

Кроме чувствительности и погрешностей измерений, важной характеристикой СИ является диапазон измерений — область значений измеряемой величины, для которой установлены. (нор мированы) допустимые погрешности измерений.

Под стабильностью СИ понимают качество, определяющее неизменность во времени его метрологических характеристик.

Точность СИ является качественной характеристикой малости их погрешностей.

Специфическими характеристиками измерительных преоб разователей (приемников) лучистой энергии и радиационных С И являются их спектральная, интегральная и пороговая чув ствительности.

Интегральной чувствительностью по току (Si) или напря жению ( S u ) называют отношение изменения тока i или напря жения и в цепи СИ к изменению интегрального потока Ф, воспринимаемого этим СИ, т. е.

или (2 4) Спектральная чувствительность СИ определяется аналогич ным образом по отношению к спектральному (монохроматиче скому) потоку Ф?..

Пороговая чувствительность Фп служит для характеристики:

предельно малых потоков излучения, обнаруживаемых данными СИ. Обычно за величину Фп принимают такой поток, под Дей ствием которого появляется сигнал и, равный среднеквадрати ческому напряжению суммарного шума: и = й 2 ш [184].

2.1.3. В качестве характеристик свойств поглощающих по крытий приемников используют коэффициенты отражения, по глощения, пропускания и излучения. Определим их согласно [39,114].

Коэффициент отражения р представляет собой отношение отраженного поверхностью тела лучистого потока к падающему.

Коэффициент пропускания т — отношение прошедшего сквозь тело светового потока к падающему на его поверхность.

Коэффициентом поглощения называют отношение поглощен ного данным телом светового потока Фе к падающему на него Фг (а = Ф е /Ф г ).

Коэффициент излучения (черноты) е — отношение тепловой энергетической светимости тела М е к энергетической светимости черного тела М при той же температуре (s = M e /M).

' Д л я интегральных по спектру приемников измерительных устройств важное значение имеет селективность (избиратель ность), представляемая в виде зависимости выходного сигнала от значений спектральной плотности измеряемого потока излу чения.

2.2. Термоэлектрические и болометрические преобразователи !

Наибольшее распространение в качестве термопреобразова телей получили термоэлементы (термобатареи) и терморези сторы. Оба эти вида преобразователей широко используются в ИК технике, астрофизике, актинометрии и других отраслях науки и техники в качестве первичных радиационных преобра зователей. Д л я этой цели их приемные поверхности покры ваются поглощающим радиацию веществом. В приемных элементах пиргелиометров оба вида преобразователей исполь зуются для регистрации температуры и ее изменений. Рассмот рим основные особенности этих преобразователей.

2.2.1. Термоэлектрические преобразователи были первыми высокочувствительными приемниками, использовавшимися для обнаружения и измерения лучистых потоков.

Конструктивно типовой радиационный термоэлемент выпол няется таким образом, что один из его спаев («горячий») соединяется с поглощающим радиацию приемником (зачернен ная пластина или полость), а другой («холодный»)—с термо с.табилизатором. Обычно роль термостабилизатора выполняет массивное тело, температура которого не изменяется в процессе измерений. В качестве электродов' (ветвей) термоэлементов "применяются вальцованные металлические провода (медь—• жонстантан, константан—манганин и др.), обеспечивающие получение коэффициента тэдс р « 1 0 - 6 В - К - 1, либо полупро водниковые материалы (напыленные висмут—сурьма и др.), В - К - 1. С целью повышения чувствительности, имеющие.а также для контроля температуры большей поверхности в ряде случаев используют термобатареи.

Мерой поглощаемой приемником лучистой мощности W слу жит напряжение и (или ток Г) в цепи термоэлемента. Пусть иод, действием радиационного нагрева приемника возникает разность температур спаев Тогда термоэлемент (или термо батарея) генерирует эдс е т = /г|$,. (2.5) где п — ч и с л о пар спаев.

При замыкании цепи такого термопреобразователя на со противление нагрузки г н в ней возникает ток i, который вслед ствие эффекта Пельтье начинает вызывать охлаждение горячих спаев и снижение разности Ф на величину &П = А QnRs = i$TRs, (2.6) — теплота Пельтье, Т — температура горячих спаев (приемника), Rs — термическое сопротйвление теплоот дачи приемника. В результате эдс в цепи термопреобразова теля, как следует из выражений (2.5) и (2.6), будет е = ет — еп = ет — i$2TRs, (2.7) а ток в этой цепи + rH (2.8) r где г — -омическое сопротивление термопреоб-разователя. Из вы ражения (2.8) следует, что эдс, генерируемую термоэлементом с учетом эффекта Пельтье, можно записать в виде + rH + Rs$2T).

eT = i(r (2.9) Таким образом, действие эффекта Пельтье эквивалентно появ лению дополнительного сопротивления в цепи термопреобразо вателя (иногда называемого динамическим сопротивлением) Гд = R,fPT.

Пусть Rs — суммарное термическое сопротивление тепловых потерь термоэлектрического преобразователя. Можно предста вить модель его так, что как приход лучистой мощности EaF, т а к и теплопотери пропорциональны площади приемного эле мента F. Здесь о. — коэффициент поглощения. Учишвая, что лЗГ I= — г + г„, для п спаев, а также учитывая выражение (2.9), получим, что ^ ( г + гн). (2.10) Г + г„ + Гд \ г Здесь ft' = ft — f t n « Падение напряжения на нагрузке г н запишется в виде ' (2.11) Н V Г + Гн + Гд ' Основываясь на определениях, выражающихся соотношением (2.4), интегральную чувствительность термоэлектрического теп лопреобразоватёля к энергетической освещенности по напря жению запишем в виде ди с н n$rHRsа 12) дЕ г + г„ + Гд а чувствительность по току 5;

т = Suv/r's.

Исследования [163, 184] показывают, что для типовых термоэлектрических преобразователей среднеквадратическое напряжение шумов имеет две основные составляющие: шум Джонсона, обусловленный тепловыми флуктуациями носителей тока, и шум, обусловленный флуктуациями теплообмена при емника с окружающей средой. Если последний обусловлен в основном лучистым теплообменом, то «ш = 4 / г Г г „ Л / + l6kT3eoS2aF А/, где k—постоянная Больцмана, е — коэффициент излучения приемной поверхности, а —• постоянная Стефана—Больцмайа„ Af — полоса частот пропускания.

Численные значения характеристик современного термоэле мента типа Т П - 0, З Х З при рабочей температуре Т = 300 К таковы: г = 36 Ом, х п = 4-10- 2 с, F = 0,9 мм 2, S U T = 18 В Х X Вт- 1 = 1,6-Ю- 5 B-M2- BT- ! И S/T =1,6- Ю -7 А • м 2 • Вт- 1 (при г н — 100 Ом).

2.2.2. Болометры, в отличие от термоэлементов, являются:

не генераторными, а параметрическими преобразователями.

Параметром, зависящим от температуры, является электриче ское сопротивление металлических или полупроводниковых элементов, включаемых в измерительную электрическую схему..

Температурно-чувствительный элемент зачерняется и восприни мает излучение непосредственно либо соединяется с зачернен ным приемником.

Напомним., что болометр был изобретен как раз для выпол нения исследований солнечной радиации.

Характеристикой изменения омического сопротивления фи зических веществ при изменении температуры Т служит 2Т температурный коэффициент сопротивления (ТКС), определяе мый по соотношению (2.13) г дТ • Величина ТКС для металлов положительна и в достаточно широком диапазоне своего изменения обратна температуре Т, а у полупроводников ТКС. отрицателен, примерно на по рядок величины больше и определяется соотношением |3 ТП ~ «ЗООО/Р [170].

Болометры обычно включаются в мостовую схему, питае мую постоянным током. Д л я исключения влияния изменений температуры окружающей среды на выходное сопротивление моста симметрично основному болометру включается компенса ционный. Оба эти болометра должны, одинаково изменять свое сопротивление при изменении их температуры, сохраняя рав новесие моста. Если измеряемый фактор действует только на измерительный резистор—болометр, то изменение выходного напряжения моста, снимаемого с его нагрузки г н (измеритель ной диагонали, включенной в симметричные узловые точки), будет характеризоваться приближенным соотношением (2.14) dun — Gi dr — Gifi^r dT, где G — мостовой фактор, г — сопротивление болометра, через который проходит ток г.


Д л я упрощения будем считать, что болометры имеют сопро тивления г, а плечи моста — одинаковые сопротивления пг (п — отношение сопротивления плеча к сопротивлению боло метра) [163]. Тогда G = -5—..г"...—. Учитывая это, а также то, что i =, выражение (2.14) в конечных разностях за пишем в виде № д... (2.15) где Мпит—'напряжение питания моста.

Превышение температуры рабочего болометра найти не трудно, нужно учесть только, что в нем, кроме поглощенной -лучистой мощности a E F, рассеивается мощность электрического тока i2r. Обозначая через у к и у и — коэффициенты теплоотдачи конвекцией и излучением, а через b — полную тепловую прово димость по системе крепления болометра, получим для устано вившегося состояния №r + a FE (2.16) (Тк + Ти) F + b • Используя (2.16) совместно с соотношением (2.15), находим чувствительность болометра, включенного в симметричный мост, к энергетической освещенности излучения:

г) О ц с дин "пит пит -«6 — - д ъ - — —} Z-J- — о 2[2 + ( Л + 1 ) - ^ ] где.

Rs= 1к + Ти + b/F Она, как видим, зависит от тех ж е самых параметров, что и S u t, но еще- пропорциональна напряжению питания моста «пит. Увеличение за. счет напряжения иаит, однако, ограни чено допустимой мощностью рассеивания.

Исследования [163, 184] показывают, что среднеквадрати ческое напряжение шумов Ишб болометров больше, чем термо элементов, так как добавляется составляющая токового шума.

Оно записывается в виде kT3eoFSl6Af+Bi2r^~, йшб = 4&Т гн А/ + где В — постоянная, зависящая от конструкции болометра (особенно от качества электрических контактов с выводами для • полупроводниковых болометров).

Числовые значения основных характеристик металлического болометра ФМ-Б при температуре Г = 300 К, например, таковы:

г = 300 Ом, т п = 5• Ю- 2 с, F = 0,3 X 3,3 мм 2, 5 и б == 10 В - В т - 1 = = 10- 5 В - м ^ В т - 1 и 5,б = Ю - 7 А• м 2 • В т - ' (при г н = 100 Ом).

У полупроводниковых болометров чувствительность выше при мерно на порядок величины [163]. Непосредственное использо вание термоэлементов и терморезисторов для абсолютных изме рений прямой солнечной радиации в том виде, как это изложено выше, невозможно. Однако для создания относительных прибо р о в — актинометров, пиранометров и др.— термоэлементы используются весьма широко.

2.3. Физические основы абсолютных измерений энергетической освещенности 2.3.1. Д л я измерения потока оптического излучения либо энергетической освещенности необходимо преобразовать излу чение в любой другой доступный измерению вид энергии.

Преобразование излучения в другие виды энергии происхо дит при различных физических процессах его взаимодействия' с веществом. Можно назвать фотохимический эффект, фотоэлек трические эффекты, пироэлектрический эффект, пондеромоторный эффект- (регистрация давления излучения на приемный эле мент), нагревание приемного элемента и др.

Однако для прецизионных абсолютных измерений пригодны очень немногие из подобных эффектов, так как зачастую невоз можно точно измерить соответствующий коэффициент преобра зования. Кроме того, большинство приведенных выше эффек тов взаимодействия излучения с веществом имеют выраженную спектральную избирательность. Единственным, по сути дела, методом, используемым для интегральных абсолютных измере ний, является метод преобразования мощности лучистого потока в тепловой поток с последующим его измерением. Методы регистрации тепловых потопов являются одними из наиболее разработанных, допускающих проведение измерений в абсолют ных единицах и позволяющих достичь наивысшей точности.

Очевидно, что на первом этапе преобразования — при поглоще нии, излучения — не вся лучистая мощность будет поглощена, часть ее отразится от приемного устройства. Возникает про блема-оценки доли Отраженного излучения. Однако эта про блема не создает принципиальных затруднений. Отраженную часть излучения можно определить, проводя относительные измерения, например, сравнением отраженного и падающего лучистых потоков некалиброванным, но линейным относитель ным приемником. Таким образом, в принципе можно определить этот входной коэффициент преобразования (коэффициент по глощения) излучения -в тепло, а затем точно измерить мощ ность теплового потока (или его энергию в случае импульсного облучения). Приемники излучения, работающие на использова нии такого принципа, называют тепловыми.

На первых этапах развития пиргелиометрии для измерения тепловых потоков, образующихся при поглощении лучистой мощности, применялись методы прямой калориметрии. В их основе лежит использование хорошо известного соотношения AQ = cm AT, где AT —. приращение температуры тела массы т с удельной теплоемкостью с при изменении его теплосодержа ния на AQ. Если непрерывный поток излучения поглощается приемной поверхностью с площадью F и коэффициентом погло щения а в течение времени t, то Е= ^ тсАТ. \ (2.17) Т Из-за трудностей определения абсолютных значений т, с и AT для конкретно применяемого приемника указанный метод в пиргелиометрии сейчас практически не используется.

Наиболее точные результаты при абсолютных измерениях излучения получены на пути создания тепловых приемников, * действие которых основано на методе сравнительной калори метрии/Этот метод нашел широкое применение в пиргелиомет рии.. В приемных.элементах пиргелиометров производится сравнение тепловых потоков, образованных поглощенной лучи стой мощностью и. точно известной электрической мощностью.

Такой метод получил название метода электрического замеще ния. 'Операцию, замещения можно осуществлять параллельно либо последовательно.

При параллельном замещении приемник излучения содер жит два по возможности идентичных приемных элемента.

Процесс измерения заключается в одновременном доведении обоих приемных элементов до одинакового теплового состояния при нагреве одного из них измеряемой лучистой мощностью, а другого — электрической мощностью замещения. Энергетиче скую освещенность в этом случае определяют по соотношению ^ = (2.18) где W — электрическая мощность замещения. Очевидно, что д л я получения Е в абсолютных единицах необходимо с соот ветствующей точностью измерять не только W, но и коэффи циент: поглощения приемного элемента а и площадь его прием ной поверхности F.

Пример такого типа пиргелиометров — компенсационный пиргелиометр Ангстрема.

В случае последовательного замещения применяется один и тот же приемный элемент. Сравнение мощностей производится путем чередования нагрева излучением (фаза облучения) и нагрева эквивалентной электрической мощностью (фаза заме щения). При этом чаще всего в фазе облучения приемный элемент получает кроме лучистой мощности и некоторую мощ ность электрического нагрева. Искомая величина лучистой мощности определяется по разности электрических мощностей в обеих фазах. Расчетная формула для таких приборов E = -±-{Wr-W0), •.(2.19) где f, и W0 — электрические мощности в фазе замещения («тень») и облучения («солнце»). К этому типу относятся пиргелиометры АКР [284], болометрический ПВС [133], РМО [209] и некоторые другие (принципиальные детали и основы устройства упоминаемых приборов будут рассмотрены в главе 4).

Применяется также вариант-, в котором обеспечивается линейность и стабильность отклика приемного элемента во всем рабочем диапазоне, а замещающая мощность служит для элек трической калибровки (определения переводного множителя k прибора) при каком-либо конкретном ее значении. Расчетное соотношение в этом случае Е = kn, где п — показания регист рирующего устройства в фазе облучения, a k = W\fn\ опреде ляется как мощность замещения (WО, отнесенная к единице отсчета регистрирующего устройства. Типичный пример — пер вичный абсолютный полостной радиометр ПАКРАД [247].

Все приведенные выше разновидности тепловых приемников излучения позволяют получать значения энергетической осве щенности в абсолютных единицах. Для этого необходимы неза висимые измерения в общепринятых 1 единицах всех входящих в расчетные соотношения величин.

В пиргелиометрах, измеряющих интегральные по спектру потоки прямой солнечной радиации, чрезвычайно важно исполь зовать неселективные приемники. Только в таком случае можно получить непрерывную энергетическую шкалу для потоков раз личного спектрального состава. Отклик такого приемника будет одинаков при воздействии на него потоков, имеющих различ ный спектральный состав, но одинаковую общую мощность.

В частности, спектральный состав прямой солнечной радиации существенно изменяется при изменении угловой высоты Солнца,,. и только неселективный приемник пиргелиометра может обес печить единый масштаб энергетических измерений такого интегрального потока.

Как правило, пиргелиометры применяются для воспроизве дения энергетической освещенности и передачи ее нижестоящим средствам измерений. На эти последние переносится функция практического осуществления непрерывной шкалы измерений интегральной энергетической освещенности. Очевидно, что и приемники вторичных, относительных приборов' должны иметь по возможности неселективный характер поглощения измеряе мого излучения. На практике стремятся к созданию именно таких приемников, например, путем применения полостных приемных элементов. В необходимых, случаях определяют интегральный коэффициент поглощения для конкретного вида измеряемого излучения.

2.3.2. Одной из существенных особенностей потока прямой солнечной радиации является большая величина создаваемой им энергетической освещенности. Обычный уровень энергети ческой освещенности при измерениях пиргелиометром состав ляет 600—1000 Вт-м~ 2. Это обеспечивает возможность создания превышения температуры приемного элемента АТ в пределах нескольких градусов (иногда более 10 К).

В качестве средств измерения нагрева приемных элементов в современных пирге лиометрах применяются в основном либо термоэлементы (термобатареи)., либо электрические термометры, сопротивле ния. При отмеченных выше значениях АТ в этих средствах создаются эдс, на много порядков превышающие различные эдс шумов (режим измерений, весьма далекий от регистрации минимально обнаруживаемой мощности). В качестве примера приведем взятую из [163] оценку шума Найквиста: и2 (А/) = — 4kTrAf для сопротивления г = 1 мОм, полосы частот А/ = = 100 Гц, температуры Т = 293 К. Действующее значение на пряжения шума « = 1, 2 7 мкВ. Ясно, что при характерных для пиргелиометров значениях сопротивления термобатареи или болометра в десятки и сотни Ом величина и будет на три-че тыре порядка меньше. Д л я сравнения: типичное выходное напряжение в процессе измерений излучения пиргелиометром составляет 1—5 мВ. Шумы другой природы (токовый, тепловой и др.) имеют такой же порядок величины, как шум Найквиста.

Таким образом, большой уровень мощности прямой солнеч ной радиации позволяет пренебречь шумами термопреобразова телей в системе регистрации температуры приемного элемента пиргелиометра. То же самое относится и к электрической цепи замещения. В современных пиргелиометрах сечение измеряе мого потока имеет площадь 0,5—1,0 см 2. Это соответствует рассеиваемой в приемном элементе мощности 50—100 мВт, в сравнении с которой мощности шумов исчезающе малы.

Отсюда следует, что применяемые в пиргелиометрах средства контроля температуры приемного элемента и измерения элек трической мощности замещения не лимитируют точности изме рений прямой солнечной радиации.

2.3.3. Основной особенностью компенсационного и других методов сравнения измеряемой и замещающей мощностей яв ляется то, что они не зависят от термических свойств пиргелио метра. В расчетные формулы тепловые характеристики (коэф фициенты теплопроводности, теплоотдачи и т. п.) его деталей не входят. Приемный элемент выступает в качестве калоримет рического тела, сравнивающего оба вида мощности. Для получения истинного значения мощности потока излучения должно, однако, выполняться главное требование: распределе ние температуры не только в приемном элементе, но и во всем пиргелиометре как в фазе нагрева лучистой мощностью, так и при нагреве замещающей мощностью должно быть одинако вым. Чем точнее соблюдается это требование, тем ближе результат измерения соответствует его значению в принятой системе единиц физических величин.

Очевидно, что практически это требование может быть удовлетворено только с некоторым приближением. Существует множество различий в тепловом режиме пиргелиометра, вы званных особенностями обоих видов нагрева. Например, невоз можно сделать одинаковым нагрев приемного элемента лучи стой мощностью и электрической мощностью замещения. В фазе облучения многие детали (кроме приемного элемента) пирге лиометра подвергаются облучению, в то время как при подаче замещающей мощности они затенены и т. д. Таким образом, в пиргелиометре существуют погрешности неэквивалентности замещения. Как правило, они носят систематический характер и их учет совершенно необходим для уточнения шкалы пирге лиометра (наряду с другими систематическими погрешно стями).

3 Заказ № 202 2.4. Устройство пиргелиометра Любой пиргелиометр должен включать в себя: а) приемник излучения;

б) корпус;

в) апертурную трубу;

г) устройство для смены фаз измерения;

д) блок управления и регистрации от счетов;

е) устройство для наведения и слежения за Солнцем.

2.4.1. Приемник излучения обычно представляет собой ком плекс, состоящий1 из приемного элемента, размещенной перед ним прецизионной диафрагмы, средств крепления (теплоотвода) приемного элемента к массивным деталям приемника, служа щим в качестве теплостока, выводов для подключения цепей регистрации и подачи замещающей мощности.

На практике применяются приемные элементы пиргелиомет ров как плоского, так и полостного типа. В современных пир гелиометрах используются, как правило, полостные приемные элементы в виде металлических полостей конусного, цилиндри ческого и смешанного типов. Внутренняя поверхность полости чернится и служит приемной поверхностью, поглощающей изме ряемое излучение. Обмотка замещения располагается по воз можности точно в той части полости, которая подвергается непосредственному облучению прямой солнечной радиацией.

Средства измерения температуры в различных конструкциях располагаются по-разному. В качестве примера на рис. 2. приведены полостные приемные элементы пиргелиометров П А К Р А Д и ПВС.

В некоторых конструкциях пиргелиометров симметрично рабочему приемному элементу включается компенсирующий.

Его назначение — уменьшать влияние изменений температуры и давления на показания прибора. Характерные толщины ма териала (медь, серебро), из которого изготавливаются полост ные приемные элементы, 0,05—0,13 мм. Размеры полостей:

входные отверстия 6—13 мм., высоты 15—25 мм.

В качестве средств крепления приемного элемента в послед нее время используется металлический теплоотвод с заданным термическим сопротивлением. Это либо металлический цилиндр, к которому крепится полость (ПАКРАД, АКР, Р М О ), либо металлический диск, являющийся продолжением дна цилиндри ческой полости (ПВС). Такие теплоотводы обладают доста точной прочностью и позволяют свести процесс теплопотерь от приемного элемента в основном к теплопроводности через металл. Можно отметить, что применение таких металлических теплоотводов позволило снизить рабочее превышение темпера туры приемного элемента до 1 К на 1000 Вт-м~ 2. Это, в свою очередь, привело к существенному качественному перераспреде лению составляющих теплообмена приемного элемента с его термическим окружением.

Прецизионная диафрагма размещается в непосредственной близости от входного отверстия полостного приемного элемента или от приемной поверхности плоского. Это делается в основ ном для уменьшения погрешностей наведения пиргелиометра на Солнце. Назначение диафрагмы — ограничить сечение изме ряемого лучистого потока. Площадь диафрагмы определяет площадь приемника. Поэтому к точности ее изготовления предъ являются особенно высокие требования. Внутренняя кромка диафрагмы делается по возможности острой, чтобы избежать попадания на приемник отраженного от нее излучения [206].

Заметим, что у некоторых типов пиргелиометров, например у пиргелиометра Ангстрема, прецизионная диафрагма не ис пользуется.

2.4.2. Корпус служит для размещения в нем приемника излучения и крепления к нему апертурной трубы, привода затеняющего устройства, электрических проводов или разъемов.

Корпус крепится к устройству наведения и слежения за Солн цем. Зачастую корпус пиргелиометра объединяется с апертур ной трубой (пиргелиометры Ангстрема, ПВС и др.).

На корпусе или апертурной трубе размещается прицельное приспособление для контроля наведения на Солнце. Обычно это визирное устройство, состоящее из стойки с небольшим отверстием (диаметр около 1 мм) на переднем конце трубы и аналогичной стойки с перекрестьем на заднем. Перекрестье ставится во время центровки по месту так, чтобы при попада нии на него изображения солнечного диска ось трубы пирге лиометра была направлена на Солнце.

Устройство для смены фаз измерения («тень»—«солнце») представляет собой, как правило, штору, состоящую из 2— 3* металлических лепестков, укрепленную на оси у входной диа фрагмы трубы пиргелиометра. Между лепестками шторы имеются промежутки в 2—3 мм. Основное назначение шторы — прерывать солнечное излучение (затенять отверстие входной диафрагмы трубы) в фазе замещения. Применение нескольких лепестков предотвращает нагревание солнечным излучением лепестка, обращенного к трубе. Обычно переключение положе ний шторы производится вручную. В пиргелиометрах, управ ляемых автоматически, например дистанционных, привод шторы и фиксаторы положений размещаются на корпусе или на трубе прибора.

2.4.3. Устройство для наведения и слежения за Солнцем представляет собой двухосную систему. В пиргелиометрах типа Ангстрема использовалась азимутальная установка с переме щениями вокруг вертикальной и горизонтальной осей. Для этих пиргелиометров такая установка принципиально необходима:

она способствует устранению взаимного влияния конвективных потоков, восходящих от нагреваемых полосок. Поскольку су точное движение Солнца происходит вокруг оси мира (парал лельно небесному экватору), неудобство азимутальной уста новки очевидно: непрерывно нужно изменять обе координаты.

Для применяемых в настоящее время пиргелиометров с круг лыми апертурами нет преимущественного положения трубы по отношению к ее оси. Поэтому все современные пиргелиометры устанавливаются на параллактические (экваториальные) уста новки. Одна из ее осей ориентируется параллельно оси мира (установка по широте). При правильной установке оси и на ведении трубы на Солнце в такой системе слежение за Солнцем осуществляется только вокруг одной оси. Как правило, системы слежения имеют приспособления для микрометренных движе ний по обеим осям, позволяющие проводить ручную корректи ровку наведения на Солнце.

2.4.4. Для выделения прямой солнечной радиации из общего излучения небосвода поле зрения пиргелиометра ограничи вается до разумных пределов. Это делается путем применения апертурной трубы и установки в ней входной апертурной диа фрагмы. Если бы приемный элемент имел точечные размеры, то угол зрения пиргелиометра можно было бы характеризовать единственным углом — центральным, равным половине полного угла раскрытия (угол, под которым из центра приемного эле мента виден диаметр входной диафрагмы). В действительности же размеры приемного элемента (его прецизионной диафрагмы) ненамного меньше диаметра входной апертурной диафрагмы пиргелиометра. В силу этого апертурные характеристики пир гелиометра определяются тремя углами (рис. 2.3). В трубе пиргелиометра, кроме того, размещаются и другие диафрагмы.



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.