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:     | 1 | 2 || 4 | 5 |   ...   | 7 |

«А. А. Кмито Ю. А. Скляров Пиргелиометрия Ленинград Гидрометеоиздат 1981 УДК 551.508.2 Рецензенты: канд. физ.-мат. наук П. Н. ...»

-- [ Страница 3 ] --

Наоборот, параметр а имеет значительно меньший разброс в разные дни, чем это. указывалось Пастьельсом.

Полученные данные по распределению яркости ореола были использованы для вычисления вкладов околосолнечной радиа ции в показания различных пиргелиометров и актинометров.

По величине вкладов можно выделить две группы приборов.

К первой группе относятся советские приборы: актинометр АТ-50 и ПВС;

ко второй — зарубежные: ПАКРАД, ЕПАК, TM-I, АКР, КРОМ, ПМО. Некоторые пиргелиометры имеют промежуточные значения апертуры: ЕКР, КРОМ 2, КРОМ 3. Параметры апертур этих пиргелиометров приведены в табл. 2.1.

: Таблица 2. Геометрические характеристики некоторых актинометрических приборов о iM M ММ Тип Автор мм г Г R о 5, 10,0 5,0 2,50 7, Савинов, Янишевский АТ- 5, 9,0 2, 103 7, 4, Вьюшков, Скляров ПВС 4,16 2, 8,2 191 0, Кендалл 5, ПАКРАД 2, 8,2 191 0,74 4, 5, Эппли — 0,74 2, 8,2 191 4, Кендалл, Бердал 5, ТМ 4,39 2, 172 0, Вилсон 7,5 5, АКР 5,0 2, 144 0,52 4, Кроммелинк 6, КРОМ 3,12 2, 5,3 1,3 121 1, Гейст ЕКР 0,74 4,10 2, ПМО 3,6 2,5 Бруса П р и м е ч а н и е. R и г-—радиусы входной диафрагмы и приемника ра диации соответственно;

I — расстояние от приемника до входной диафрагмы;

zI, г2, г 0 — углы скоса диафрагм, предельный и центральный соответственно.

В итоге для принятой в СССР апертуры вклад излучения ореола е в разные дни наблюдений в пересчете на т=1 со ставлял 0,4—3,3 %, а для приборов с апертурой типа ПАКРАД 0,2—1,4%. Экстремальные отличия относительных вкладов ореола Де/е в показания актинометров АТ-50 и пиргелиометра ПВС от вклада в показания ПАКРАД при т = 1 изменяются от 0,2 до 1,9 %.

Тесной связи е и Де с характеристиками прозрачности Т (фактор мутности) и р (интегральный коэффициент прозрач ности) не наблюдалось. Соответствующие коэффициенты кор реляции для m— 1 имели значения от 0,477 до 0,703.

Проводились параллельные сравнения двух болометрических пиргелиометров при одновременной регистрации ореола с по мощью ореольного актинометра. Один из пиргелиометров был снабжен насадкой, имитировавшей апертуру ПАКРАД.

При обработке результатов использовались величины вкла дов ореола в каждый пиргелиометр. Отношение показаний пир гелиометров при одинаковых апертурах принималось равным 1,000. Затем измерялись отношения их показаний с различными апертурами с насадкой. По результатам 10 серий среднее зна чение отношения показаний пиргелиометров с различной апертурой составило 1,013, а исправленное с учетом показаний ореольного актинометра 1,001 + 0,31 %.

Таким образом, экспериментальное определение ореольных вкладов при проведении сравнений пиргелиометров позволяет существенно снизить погрешность за счет влияния ореола.

2.8.3. Все рассмотренные выше ореольные актинометры имели набор диафрагм, с помощью которых можно измерять усредненные значения интегральной яркости ореола в дискрет ных зонах. Необходимость последовательной смены диафрагмы, : контроля после каждой смены положения нуля не дает воз можности существенно снизить время на проведение всей серии.

А это весьма важно в условиях неустойчивых оптических свойств атмосферы. Кроме того, построение кривой распределе ния яркости по отдельным дискретным зонам ограничивает точность нахождения этой кривой.

В связи с этим Ю. И. Бричковым и Ю. А. Скляровым были рассмотрены возможности нахождения кривой распределения интегральной яркости ореола путем регистрации потока при непрерывном изменении апертуры.

Величина апертуры определяется тремя параметрами: г, R и I. Радиус приемника — величина постоянная. Следовательно, можно изменять либо радиус входной диафрагмы R, либо длину трубы I, либо оба эти параметра. Возьмем выражение для потока излучения, приходящего на приемник осесимметричного актинометра, в виде z I = ^Г2 5 В (г) Ф (z) sin 22 dz\ (2.68) о индекс оо для краткости записи опущен.

Величины z2 и Ф(г) при г = const зависят от R и I. При непрерывном изменении одного из этих параметров имеются зависимости z2(x) и Ф(г, х), а следовательно, и 1(х), где х — изменяемый параметр (/, R).

Дифференцирование (2.68) по х дает -г, (х), dl (х) J в (г) дФ(дг;

х ) Sin 2 z d z + дх LО dz2 (Л:) (2.69) + В [z2 (*)) Ф {z2 (*)) sin 2Z2 (Х) dx Заметим, что поскольку Ф(г, х) = 1 в интервале т. е. внутри угла скоса диафрагм, то в этом интервале дФ(г, х)/дх — 0. Далее, второе слагаемое равно нулю;

так как Ф(г2(х))= 0. Таким образом, (2.69) преобразуется к виду z2 (х) = ъV2 S В (г) дФ^;

Х) Sin 2 z d z. (2.70) Z, (X) Отсюда для средневзвешенного значения яркости околосолнеч ного ореола в интервале от z\{x) до z2(x) получим г,(х) -|- Г B x = * I L W * r * J д ф х ) sin 2 zdz. (2.71) х Х L z, (X) J Из этого уравнения можно получить непрерывный ход средне взвешенной по кольцевой зоне яркости, если иметь запись : показаний актинометра при непрерывном изменении какого-либо из упомянутых параметров. Причем эта зона является зоной полутени с переменными границами. Отсюда следует также принципиальный вывод, что угловое разрешение ореольного актинометра не может быть меньше ширины этой полутеневой кольцевой зоны. Разумеется, при достаточной чувствительности приемника можно сузить границы зоны увеличением длины трубы /.

Рассмотренные теоретические соображения указывают пути реализации непрерывной регистрации показаний ореольного актинометра. При таком методе получения кривой распределе ния интегральной яркости ореола время,'Затрачиваемое на одно измерение, будет сравнимо с тепловой постоянной времени при емника, т. е. существенно меньше, чем при смене диафрагм.

Это позволит получать кривые распределения яркости непо средственно во время сравнений пиргелиометров.

2.9. Пиргелиометры с охлаждаемым приемным элементом В последнее время наметилась тенденция к снижению в сов ременных пиргелиометрах рабочего перегрева приемного эле мента по отношению к температуре окружения (корпуса).

В последнее время появились работы по созданию Пиргелио метров с охлаждаемыми приемными элементами, позволяю щими свести перегрев приемного элемента до любого значения, например практически до нуля. Основная особенность устрой ства пиргелиометров такого типа состоит в том, что приемник излучения (плоский или полостной) соединяется с термоэлек трическим охладителем (ТЭО), холодопроизводительность кото рого пропорциональна току его питания. Измеряя температуру приемника лучистой энергии и отводя выделяющееся в нем тепло, добиваются того, что температура приемника во время измерений (как при лучистом, так и при электрическом нагреве) сохраняется неизменной и практически равной температуре окружения приемника.

Такой подход^обеспечивает перераспределение тепловых по токов приемного элемента. Например,, у плоского приемного элемента практически все тепло отбирается от нижней поверх ности (теплопотери с других поверхностей, при ДГдаО, также уменьшаются до пренебрежимо малых значений). Следова тельно, некоторые систематические погрешности неэквивалент ности замещения уменьшаются либо исключаются. Таким обра зом, рассматриваемое направление обеспечивает повышение точности и, как увидим дальше, существенное расширение диа пазона пиргелиометрических измерений.

Принципиальные особенности устройства и действия пирге лиометров с охлаждаемым приемником рассмотрим на примере : плоскостного пиргелиометра. Для упрощения задачи будем считать, что приемник представляет собой плоскую пластину, состоящую из п слоев с малой теплопроводностью, причем тем пература в этих слоях изменяется линейно и только по верти кальному направлению (вдоль оси х). В слоях приемника, обладающих высокой теплопроводностью (обмотка замещения и чувствительный элемент термометра), температура считается однородной по всем направлениям.

Схематическое изображение приемника и распределения температуры по оси х в его слоях при радиационном и электрическом нагреве пред ставлено на рис. 2.14. Здесь для определенности изобра жен четырехслойный -прием ник болометрического типа (верхний слой 1 — черное покрытие, слои 2 и 3 — изо ляция болометра, слой 4 — термосопротивление, изоли рующее приемник от потерь тепла по ветвям полупро водникового холодильника, примыкающего к приемнику снизу). Пунктиром изобра жено одно из возможных положений нагревателя (об Рис. 2.14. Схема устройства плоского мотки замещения) между охлаждаемого приемника и распреде слоями 2 и 3. Чувствитель- ление температуры по его сечению при радиационном (Т р ) и электриче ный элемент термометра мо ском (Те) нагревах.

жет располагаться и между другими слоями.

Считая, что общая толщина приемника равна L, будем искать решение одномерного уравнения теплопроводности в установившемся состоянии для каждого /-го из выделенных слоев:

—'-=0 при Q, = C,xj + Dj, (2.72) dXj где X,- — вертикальная координата внутри /-го слоя, 0,- = — Tj — Т с — п е р е г р е в данного слоя относительно температуры окружающей среды Тс на уровне х,-;

С,- я D— постоянные для /-го слоя, определяющиеся из граничных условий.

Граничные условия в фазе радиационного нагрева записы ваются из следующих соображений. На верхней границе при емника ( / = 1 / х = о ) граничное условие будет определяться тепловым балансом поверхности, нагреваемой за счет поглоще ния энергетической освещенности Е. У внутренних слоев : приемника граничные условия описывают равенство температур и тепловых потоков. На нижней поверхности приемника (/ = п \ x „ = l ) примыкающей к холодильнику (ТЭО), гранич ное условие представляет собой тепловой баланс на рабочей поверхности последнего при прохождении по его ветвям тока ixр. Эти условия математически запишутся следующим образом:

аэ1р аЕ + А-1 дх 'х = 0 • Увр01р \х=о = О.

дд "J р 7+1. Р (2.73) Я, дх /+1 дх j j+ Ъ 1h i= С/ li + D, = Ci + lJZ li + D1+ь i=1 I= хр Гг X х хр |, ^Эдр (CnL + Dn+T о) - M C „ L + „) = 0, ~ 2F " Г дх x = L где а — интегральный коэффициент поглощения солнечного излучения;

уВр — коэффициент теплоотдачи верхней поверхности приемника;

(3, rx, Fx, Ях и h — коэффициент термоэдс, омическое сопротивление, площадь сечения, теплопроводность и высота ветвей холодильника соответственно.

Совместное решение уравнений (2.73) и (2.72) дает сле дующее распределение превышения температуры над темпера турой среды в малотеплопроводных слоях приемника при ра диационном его нагреве:

RP 6 / Р : = аЕ • T (Я В Р — Rij) — В 3lL (2.74) P V sp В это соотношение входят комбинации термических сопротив лений выделенных слоев и параметров холодильника, имеющие важное значение не только для выяснения особенностей работы пиргелиометра с охлаждаемым приемником, но и для оценки его точности в дальнейшем. Это прежде всего полное термиче ское сопротивление единицы сечения приемника при радиацион ном нагреве R?P = R,P + R, + RXP, (2.75) где Р 7 Р = 1/увр — удельное термическое сопротивление тепло обмена приемной поверхности с окружающей средой, п п.

Rz = Rj— ^ y суммарное удельное термическое j= 1 j 7= сопротивление всех я слоев приемника, RKp = ^ //г + ft • р//~ : удельное термическое сопротивление холодильника (при токе гхр в фазе радиационного нагрева).

Оценка этих величин [82] показывает, что сопротивление теплообмена R v p является определяющим для полного терми ческого сопротивления R%р ( i ? v p » 1 0 3 Вт -1 -К", ^ Х р ~ Ю 2 В т - 1 - К В т - 1 - К для приемника одного из макетов прибора, и исследованного нами [131]).

Параметр R-ц представляет собой сумму удельного терми ческого сопротивления части приемника, заключенной между его верхней поверхностью и плоскостью, проходящей через ко ординату Xj в /-м слое приемника, и удельного термического сопротивления теплообмена Ryp. Он определяется выражением J- i~ Z 1 x J-, = P+ tf— (2.76) г=l ' J Параметр B p характеризует перегрев нижней поверхности при емника (торца холодильника), снимаемый ТЭО при питании его током /Хр- Он определяется следующим соотношением:

{2 77) Кр + Оценка значения Вр для макета пиргелиометра [131] при наземных измерениях энергетической освещенности Е дает 8—15 К.

При электрическом нагреве приемника, когда тепло выде ляется между слоями 2 и 3 (см. рис. 2.14), граничные условия (2.73) изменяются. А именно, первое из них принимает вид yBeDi = XiCi (так как Е = 0), а условие, определяющее равен ство потоков тепла на границах, для стыка слоев 2 и 3 запи шется следующим образом: Х2С2 = А3С3 + W (W — выделяю щаяся здесь электрическая мощность). В результате перегрев слоев, расположенных выше (0/ев) и ниже (8/ ен ) нагревателя (по направлению оси х выражается различными соотношениями:

0/ ев = W (Rxe + Ru) (2.78) "Ее l l - - ве-^L в / «. = W (Rxe+RH) + WRtlaa, (2.79) где Rij n = ^ (при j nB) —термическое сопротивление слоев приемника, расположенных под нагревателем до сечения с координатой х,-;

пв — число слоев между нагревателем и 5 Заказ № п Z I.— тер- г « + в мичеокое сопротивление слоев приемника от нагревателя до торца холодильника;

RSe и Ве — параметры, определяющиеся по соотношениям (2.75) и (2.77) для фазы электрического нагрева (при ixe И Уе).

Исследования полученных соотношений позволяют сделать заключения о рациональной конструкции пиргелиометра с охла ждаемой приемной поверхностью (размещение термометра, требуемые свойства зачерняющего и клеевых слоев), а также о рациональной методике измерений. Прежде всего отметим, что при гипотетическом условии сохранения температуры при емной поверхности неизменной в обоих фазах работы прибора (0i P U,=o = 0ieU.=o) из выражений (2.74), (2.77) и (2.78) следует, что *= (2.80) Rxp W = (р*'ад Т с - 4 " /xVx), (2.81) Rxe где F — площадь сечения приемника.

Из соотношения (2.80) видно, что при использовании прин ципа охлаждения приемника можно производить абсолютные измерения энергетической освещенности Е непосредственно без замещения, измеряя ток холодильника i x p и температуру среды Те, к которой приводится температура верхней поверхности приемника. Кроме того, нужно знать параметры приемника (a, F, RB и Rs) и холодильника (|3, гх, Кх и /г).

При измерении по методу замещения (ток болометра ise устанавливается так, чтобы при неизменном токе питания хо лодильника (г'хр, г'хе) выполнялось условие 0iPU=o = 9ieUi=o = О из выражений (2.80) и (2.81) получаем, что с W• 1 Гн /.2.2 \,0 ОГ1Ч (гне г н р ) ( 2 8 2 ) ^ — ~ ~ Rn 4" Rxe где г'не, inр — токи болометра при электрическом и радиацион ном нагреве приемника, г н — омическое сопротивление боло я в метра, ll. — удельное термическое сопротивление слоев = t = i ^ приемника, расположенных над нагревателем.

: В том случае, когда будет контролироваться температура не на поверхности приемника, а внутри него, в месте располо жения нагревателя (т. е. между слоями 2 и 3) 02pU2=J 1 -+-h ~ = ®2i \x2=h + h = = Тогда Из этого соотношения видно, что в таком случае в основное соотношение пиргелиометра вида (2.82) необходимо вводить поправкуЛ тс = 1 -{- „ в на термическое сопротивление RB. Эта \р поправка, как уже отмечалось, учитывает отношение термиче ских сопротивлений слоев приемника RB, расположенных над болометром, к термическому сопротивлению теплоотдачи в окру жающую среду R4р = 1/увр.

Как видно из полученных соотношений, характер зависи мости измеряемой величины от параметров прибора опреде ляется конструктивными особенностями и методикой измерений.

6* Глава Оценка погрешностей измерений и принципы метрологической аттестации пиргелиометров Пиргелиометры, как мы уже отмечали, конструируются таким образом, что позволяют однозначно связать энергетиче скую освещенность приемника Е с непосредственно измеряемой замещающей электрической мощностью W и параметрами при бора а и F. Мерой эквивалентности замещения при этом являются показания термочувствительного элемента приемника.

Очевидно, что практически невозможно обеспечить идеальное замещение радиационного нагрева приемника электрическим.

Это обусловлено не только изменением тепловых потерь прием ника (за счет лучистого и конвективного теплообмена со средой, а также потока тепла по системе крепления) при изменении характера его нагрева, но и различиями условий работы при емника при открытой и закрытой трубе пиргелиометра. Вслед ствие этого в результаты пиргелиометрических измерений вносится специфическая погрешность неэквивалентности заме щения. Составляющие этой погрешности отличаются большим разнообразием соответственно вызывающим их причинам.

Замещение осуществляется тем точнее, чем строже в дан ной конструкции пиргелиометра обеспечивается идентичность теплового поля в пиргелиометре при обеих фазах его работы.

Надо, однако, напомнить, что показания термометра приемного элемента в каждой из этих фаз определяются разностью тем ператур •& = Т1[ — Тс. При этом, как мы видели, с достаточной точностью можно говорить только о температуре приемника Гп.

Понятие температуры «окружающей среды» Тс является услов ным, так как практически каждая деталь в окружении прием ного элемента имеет свою собственную температуру. Так, изме нение температуры любой из диафрагм трубы (особенно бли жайшей к приемнику) под действием солнечного нагрева ведет к изменению локального значения ft, которое вызывает изме нение теплообмена и теплового состояния приемника, а следо вательно, появление соответствующей составляющей система тической погрешности неэквивалентности замещения.

Кроме того, пиргелиометрам, как приборам для абсолютных измерений энергетической освещенности Е, присущи погреш ности, обусловленные неточным определением их параметров (а и F), погрешностями измерения электрической мощности W, : зависимостью чувствительности приемника от места падения наг него лучистого потока, а также изменениями параметров и ха рактеристик прибора (главным образом его чувствительности S, площади приемника F и термических сопротивлений) - как под влиянием эксплуатационных факторов (температуры окружаю щей среды, атмосферного давления и т. п.), так и с течением:

времени.

Учитывая все это, составляющие систематической погреш ности измерения интегральной энергетической освещенности пря мой солнечной радиации по методу замещения можно класси фицировать следующим образом:

а) погрешности измерения параметров прибора:

— интегрального коэффициента поглощения, — площади приемной поверхности (прецизионной диа фрагмы), — постоянной времени;

б) погрешности измерения выходной величины:

— электрической мощности замещения, — индикации наступления стационарного состояния прием ного элемента;

в) погрешности неэквивалентности замещения, обуслов ленные:

— термическими сопротивлениями приемника и среды, — термическим сопротивлением системы крепления прием ника, — краевым эффектом, — нагревом подводящих проводов, — неравномерностью чувствительности (зонной характери стикой) приемника, — попаданием на приемник рассеянного света трубы, — возвращением назад части радиации, отраженной o r приемника, — дифракционными потерями на ограничивающей диа фрагме, — влиянием собственного излучения диафрагм, — заменой излучения атмосферы излучением шторы при смене фаз измерений;

г) погрешности, вызываемые изменением параметров и ха рактеристик прибора под влиянием эксплуатационных фак торов.

Обычно погрешности пиргелиометрических измерений яв ляются статическими. В случаях, когда показания прибора не успевают установиться, к перечисленным выше источникам по грешностей добавляется характеристика инерционности, обу словливающая возникновение дополнительно динамической погрешности. Последняя обусловливается быстрым, по сравне нию с инерционностью прибора, изменением измеряемой вели чины Е.

: Все указанные источники погрешностей могут проявляться в виде случайной или систематической составляющей общей погрешности результата. С целью повышения точности измере ний, определяющей уровень установления и воспроизведения пиргелиометрической шкалы, приборы конструируются таким •образом, чтобы уменьшить погрешность результата, особенно вклад в нее систематической составляющей, а каждая состав л я ю щ а я систематической погрешности тщательно учитывается и исключается из результатов измерений путем введения по правок. Процедура- теоретических и экспериментальных иссле дований пиргелиометра с целью определения и учета его систе матических погрешностей представляет собой метрологическую аттестацию. Для пиргелиометра, являющегося носителем своей •собственной шкалы, необходимо проведение поэлементной аттестации, при которой производят расчеты и измерения его •оптических и тепловых характеристик с целью оценки величины -отдельных составляющих систематической погрешности в усло виях эксплуатации.

Как бы тщательно ни Проводилась метрологическая аттеста ция, полностью исключить систематическую погрешность невоз можно. Поэтому одной из важнейших задач аттестации яв ляется достоверная оценка неисключенного остатка каждой составляющей систематической погрешности. Считая, в соответ ствии с методикой оценки качества результатов измерений [115], что эти остатки носят случайный характер и распреде лены по равновероятному закону, их суммируют со случайными погрешностями, распределенными по нормальному закону.

Учитывая, что основное уравнение пиргелиометра (2.18) записывается в виде произведения измеряемых величин, каждая •составляющая систематической погрешности исключается из результата измерений путем умножения на соответствующий поправочный фактор Л,-. Каждый поправочный фактор опре деляется при аттестации независимо. Поэтому результирующий (общий) поправочный фактор Л представляет собой их произ ведение, а неисключенный остаток систематической погреш ности ДЛ определяется путем квадратичного суммирования неисключенных остатков составляющих ДЛг-.

Результаты наблюдений Е, произведенных аттестованным пиргелиометром, записываются в виде Е = kW П ( 1 + 7 ] г ) = kW П At = kAW, (3.1а) i=i i=i где k=\laF — переводный множитель пиргелиометра;

r\i — по правка, выраженная в долях измеряемой величины и взятая с ее знаком;

Л;

= 1+г)г — составляющие всей совокупности п п поправочных факторов;

Л = П Л г — результирующий поправоч i=i ный фактор;

W — электрическая мощность замещения.

: Согласно рекомендации Рабочей группы по системам ра диационных измерений [223], результирующий поправочный фактор современных пиргелиометров следует определять по;

соотношению А — All3ATCApCAnuAw Частные поправочные факторы в этом соотношении учитывают следующие основные источники неэквивалентности замещения:.

Анз И Л т с краевой эффект и термическое сопротивление чер ного покрытия, Л р с — рассеянное в трубе излучение, Л п п — н а грев подводящих проводов. Множитель Cw учитывает поправку на систематическую погрешность измерения замещающей мощ ности.

Относительная неисключенная систематическая погрешность результата измерений, определяющая, полосу неопределенности шкалы данного пиргелиометра, в соответствии с действующим, в СССР стандартом [40] должна определяться по соотношению (3.16) где Д0а, A0F, ДоW — относительные неисключенные остатки си стематических погрешностей определения параметров прибора и измерения электрической мощности замещения;

Д0Л,- — оценка неисключенного остатка i-й систематической погрешности.

Границы неисключенной систематической погрешности ре зультата измерения 9 — Кх ДоЕ определяются коэффициентом Ks в зависимости от выбранной доверительной вероятности р..

Например, при р = 0,95 /С2 = 1,1 [40].

Если б0Е — оценка среднего квадратического отклонения" (СКО), найденная для доверительной вероятности р в предпо ложении нормального закона распределения случайной погреш ности, то суммарное СКО результата измерений вычисляется:

по формуле где б о д Е — оценка СКО случайной относительной динамической погрешности при выбранной доверительной вероятности р.

Границы погрешности результата измерений Д определяют [40] по формуле ' д/80+ В од+° Д= при т = : где t — коэффициент Стьюдента для доверительной вероят ности р. Результат измерений при доверительной вероятности р будет Е = Е ± А, где Е — среднее арифметическое серии из N исправленных наблюдений.

3.1. Статические погрешности Рассмотрим источники статических погрешностей пиргелио метров и принципиальные основы определения поправочных факторов Ai, учитывающих отдельные составляющие система тической погрешности при аттестации пиргелиометров. Обозна чения этих факторов будут даны в порядке их рассмотрения.

Д л я иллюстрации значимости вводимых поправок приводятся оценки для некоторых конкретных приборов. Систематизиро ванные сведения о точностных характеристиках современных пиргелиометров, полученные разработчиками при их аттестации, приводятся в следующей главе.

3.1.1. Определение интегрального коэффициента поглощения приемника а с достаточно высокой точностью представляет собой одну из фундаментальных задач современной пиргелио метрии. Ввиду этого детальное обсуждение связанных с ее решением вопросов будет проведено в главе 6. Для оценки точности определения а необходимо учесть, что он вычисляется по результатам непосредственных измерений спектральных на правленно-полусферических коэффициентов отражения рц чер ного покрытия во всем спектральном диапазоне пиргелиометри ческих измерений. Расчетное соотношение имеет вид Е(1-Рх)хг ;

= а=, I ^ /= где п — число выделяемых интервалов спектральной энергети ческой освещенности E%i в спектре солнечного излучения.

При высоких значениях коэффициентов аи = 1 — р^-, кото рые требуются для повышения чувствительности любого тепло вого преобразователя, точность измерений р^ для плоской поверхности оказывается небольшой. Следует, однако, заметить, что относительная погрешность измерения коэффициента погло щения Доа существенно меньше, чем коэффициента отраже ния Дор. Действительно, а = 1 — р и Да = Др, а Д 0 а = Да/а = = рД 0 р/а. Если взять в качестве примера для поглощающей поверхности р/а~0,04, то получим, что Доа«0,04Дор. Отсюда видно, что даже при небольшой точности определения р, напри мер Дор = 1 0 %, можно ожидать в данном случае погрешности в определении а порядка 0,4%. Такие погрешности, однако, : уже не удовлетворяют современным требованиям. В работе [84] приводятся данные экспериментальных определений коэффи циента поглощения плоских образцов, покрытых различными лакокрасочными зачерняющими составами. Измерения спек тральных коэффициентов отражения производились с помощью спектрофотометров СФ-18 и ФМ-85, а т а к ж е на специальной ИК аппаратуре. Одни и те же образцы исследовались в тече ние 3 лет. Относительная среднеквадратическая погрешность результатов измерений оценивалась Д 0 а = + 0, 3 %. Тем не менее и эта погрешность все еще велика. Если учесть, что она отно сится к образцам размером 6 0 X 6 0 мм, а сами приемные эле менты не могут быть исследованы из-за малого размера их поверхности, приходится считать их реальную погрешность еще большей. Следует также учесть, что поскольку коэффициент поглощения входит в расчетную формулу линейно, любые его изменения в процессе старения прямо влияют на уровень шкалы пиргелиометра.

Для устранения этих трудностей в качестве приемника при меняют модель АЧТ, выполняемую в виде полости различной формы. Это позволяет примерно на порядок величины повысить стабильность и резко снизить погрешность в определении ко эффициента поглощения а п, а также существенно снизить селективность приемника.

Методы расчета и измерения коэффициента поглощения полостных приемных элементов будут рассмотрены в главе 6.

Пока отметим, что, например, по данным работы [287], при коэффициенте поглощения покрытия стенок а = 0,98 результи рующий коэффициент поглощения полости а п равен 0,99 885.

При изменении а на 0,5 % (Д° 0,985) а п возрастает всего на 0,03%. Этот пример наглядно демонстрирует свойства полости не только увеличивать коэффициент поглощения, но и вырав нивать его при изменении а стенок (стабильность а п много выше, чем а).

В последние годы получает распространение применение в качестве черного поглощающего покрытия зеркально отра жающей черни [209, 287]. Для полости, выполненной в форме правильного конуса, можно подобрать угол раскрытия так, чтобы имелось 5—6 последовательных отражений прежде чем оставшееся излучение покинет полость. Применение такого по крытия позволяет получить весьма высокие коэффициенты поглощения конических полостей (а п — 0,9995 + 0,0003 при интегральном коэффициенте поглощения стенок а = 0,90 ± 0, [288]). Следует отметить, что в настоящее время разработаны установки, позволяющие измерять коэффициенты поглощения полостей до четырех уверенно определяемых значащих цифр (см. п. 6.3). Таким образом, в случае применения полостного' приемника, коэффициент поглощения которого определен 89:

,с погрешностью не более 5 • 10~2 %, точность пиргелиометриче ских измерений перестанет лимитироваться этим фактором.

3.1.2. Погрешности измерения электрической мощности.замещения могут быть сведены к необходимому минимуму.

В литературе приводятся такие данные: погрешности измере ния мощности замещения в процентах равны ± 0, 0 6 для ПМО и ± 0, 1 5 для П М О З [209], ± 0, 0 2 для ПМО 6 [210], ± 0, 1 5 для П А К Р А Д 3 [247], ± 0, 0 5 для АКР [284], причем большая точность достигнута в последних модификациях этого прибора [288]. Приведенные цифры являются характерными для совре менных пиргелиометров. Обычно мощность определяется путем измерений напряжения и тока в замещающей обмотке либо напряжения на обмотке и ее сопротивления. Применение под ходящих по диапазону и точности цифровых вольтметров позво ляет определять напряжение с погрешностью 0,05—0,02 %, в то время как сопротивление можно измерить с еще большей точ ностью. Погрешность измерения этих величин при необходи мости (для эталонного пиргелиометра) может быть сделана еще меньше.

3.1.3. Погрешность измерения А0F площади прецизионной (ограничивающей) диафрагмы F с помощью современных измерительных приборов при наблюдениях не менее 10—12 диа метров (по различным направлениям) составляет ± 0, 0 4 % [23], в работах различных авторов приводятся оценки от ± 0, 0 8 до ±0,02%.

Таким образом, у современных полостных пиргелиометров погрешность результата абсолютных измерений, вызванная не точным знанием параметров прибора, может быть сделана существенно меньше (не более ± 0, 0 5 % ), чем у плоскостных приборов.

Перейдем к рассмотрению систематических погрешностей неэквивалентности замещения. Для простоты нумерацию попра вочных факторов Ai будем производить в порядке их об суждения.

3.1.4. Погрешность, обусловленная термическим сопротивле нием покрытия, вызывается тем, что при радиационном нагреве тепло выделяется в тонком поверхностном слое черного покры тия, а при электрическом — в нагревательном элементе, кото рый располагается под черным покрытием. Этот эффект, как мы видели на примере охлаждаемого пиргелиометра (см.

л. 2.9), проявляется в изменении распределения температуры по толщине приемника при изменении фазы работы прибора.

Заметим, что выражение, подобное (2.83), было получено в ра ботах [157, 162, 191 и др.], посвященных исследованию пирге лиометров с нагреваемым приемником. Это отражает общность физических принципов их действия. Для всех разновидностей пиргелиометров, действующих по методу замещения, влияние этого эффекта на результат измерений учитывается множителем : ' ГДе = + — термическое сопротивление теплооб мена приемной поверхности с окружающей средой, a RB— тер мическое сопротивление слоя черни и изоляции. Д л я количест венной оценки данной погрешности воспользуемся результатами исследования образцов черных покрытий [14, 207], которые для лака Парсонса дают R = (2,5... 0,5) Ю - 4 К - м 2 - В т - 1. Исходя из изменчивости этой величины, обусловленной, по-видимому, в основном различными толщинами образцов исследуемого по крытия, можно считать, что погрешность ЛоР = ± 2 0 %.

Значение коэффициента теплоотдачи приемника у = 1 /Rv известно примерно с такой же точностью. При реальных толщи нах (0,03—0,05 мм) покрытия, образованного лаком Парсонса, значение поправочного фактора для плоского приемника ко леблется в пределах 0,3—0,5%. При этом неисключенный:

остаток погрешности определения поправочного фактора за счет термических сопротивлений составляет 0,15—0,25 %.

В работе [179] было исследовано влияние термического сопротивления для реальной ситуации, когда приемник распо ложен в среде так, что коэффициенты теплоотдачи с его верх ней и нижней поверхностей при электрическом и радиационном, нагреве неодинаковы. Проведенные расчеты показывают, что значение поправочного фактора линейно растет с увеличением:

толщины покрытия. Учет изменения коэффициента теплоотдачи принимающей излучение поверхности при изменении характера, нагрева ведет к увеличению поправочного фактора, достигаю щего 15—20%. Ввиду сложности учета поправочного фактора за счет термических сопротивлений необходимо принимать меры к его уменьшению. Следует отметить, что применение черни с зеркальной отражающей поверхностью в конических полост ных приемных элементах резко снизило рассматриваемую по грешность. Теплопроводность этого поглощающего состава во много раз больше (а термическое сопротивление соответственно меньше), чем у лакокрасочных и других покрытий с диффуз ным характером отражения. По данным работ [209, 288], значение поправочного фактора для зеркально отражающих черных покрытий меньше 0,1 % (до 0,01—0,002 %). Это позво ляет пренебречь неисключенным остатком данной систематиче ской погрешности.

3.1.5. Краевой эффект вызывается изменением распределе ния. температуры по поверхности приемника, особенно на его периферийных частях, при лучистом и электрическом нагревах.

Наиболее существенна систематическая погрешность, обуслов ленная краевым эффектом, для приборов с плоским приемни ком, освещаемым не полностью. А. Ангстрем в работе [191] дал пример решения линейных уравнений теплопроводности в обеих фазах работы пиргелиометра Ангстрема с целью 9Е нахождения соответствующего поправочного фактора. Краевой эффект в пиргелиометре Ангстрема обусловлен тем, что часть.длины приемных полосок у места их крепления затеняется вход ной диафрагмой (приблизительно на 1 мм с каждой стороны при общей длине полосок 20 мм). Следовательно, в фазе облучения приемная полоска нагревается неполностью, в то :время как при подогреве током она нагревается по всей длине.

.Поскольку затененные концы полоски являются ее дополни тельными теплоотводами в фазе облучения прямой солнечной радиацией, при равенстве мощностей, выделяемых на единицу площади полоски, она нагреется до меньшей температуры при облучении, чем при подогреве током. А поскольку фиксируется равенство температур облучаемой и нагреваемой током прием ных полосок, очевидно, что расчет энергетической освещен ности по мощности нагрева током дает заниженные значения.

Д л я расчета поправки Ангстрем получил следующее выра жение:

Р_ Ch (цО — Ch(,LlO — Ch'(M) ' :где I — полудлина полоски, d — длина части полоски, затенен ной с одной стороны, р. — комбинация линейных и теплофизи ческих параметров приемной полоски. С учетом имевшихся данных Ангстрем получил значение поправочного фактора 1,011.

Впоследствии, однако, получались различные значения этого поправочного фактора (от 1,9 до 2,8 % ).

В современных пиргелиометрах с круглой апертурой анало гичный краевой эффект тоже имеет место, в особенности в слу чае плоского приемного элемента. Поскольку нагрев излучением производится через прецизионную диафрагму меньшего раз мера, чем сам приемный элемент, то и в этом случае имеется аналогичный краевой эффект.

В качестве примера рассмотрим методику расчета и полу чаемые оценки для плоского приемного элемента болометри ческого типа [21].

Существенная разница есть в самой постановке задачи.

В пиргелиометре Ангстрема температура регистрируется лишь в одной, средней точке приемной полоски. В болометрическом приемном элементе сама спираль подогрева является электри ческим термометром сопротивления, поэтому равенство сопро тивления в обеих фазах нагрева означает равенство средней температуры болометра.

Распределение температуры по радиусу плоского прием ника г, снабженного прецизионной диафрагмой, с площадью приемной поверхности F, схематически изображено на рис. 3.1.

Здесь показаны кривые зависимости температуры от радиуса Т(г) в различных фазах измерений, а т а к ж е средние значения : этих температур. Кривая распределения температуры по ра диусу при нагреве излучением состоит из двух частей, соответ ствующих освещенной (Ti(r)) и затененной (Г 2 (г)) областям приемника, а кривая для фазы электрического нагрева (Т 0 (г)) имеет монотонный характер. Краевой эффект возникает из-за неодинаковой теплоот дачи с площади пери- А метра приемного эле мента в обеих фазах измерений. На рисунке показаны температуры периметра при одина ковой средней темпера Ж туре приемного эле мента. Видно, что Т п Г п, т. е. в фазе L3Z. • • ' «тень» потери тепла с периметра больше. Эф- а) фект завышает пока зания пиргелиометра.

Ti Рис. 3.1. Распределение тем ператур вдоль радиуса при емного элемента г0 при об лучении через диафрагму радиусом Г\.

1 — излучение, 3 — приемный TCJ) — средняя темпе элемент;

р а т у р а приемного элемента при з а т е н е н и и (а) и облучении (б), тп и 7"п — соответствующие тем п е р а т у р ы периметра.

Исходя из принципа действия прибора, запишем равенство сред них температур в обеих фазах его работы:

Го Гг г„ J гТй{г)йг = \ rTl(r)dr + \ rT2{r)dr, (3.2) О О г, где г\ и го — радиусы ограничивающей диафрагмы и прием-, ника соответственно.

Функции Tk(r) (при k — 0, 1, 2) находятся путем решения дифференциальных уравнений теплопроводности типа Бесселя вдоль радиуса приемного элемента, записываемых в виде d?Tk(r), 1 d.Tk(r) г_,. Qk : [ Т к (Г) - - % - ] = О, dr* г dr : где с — 2 y / k d, у — коэффициент теплоотдачи с поверхности приемника, к — теплопроводность вдоль радиуса, d — толщина приемника, Qk = wk/kd (w k — плотность мощностей, выделяе мых в соответствующих частях приемника при его работе).

Общее решение этого уравнения дает функции Tk(r). Они имеют следующий вид:

Тк = В к 1 й { г ^ с ) + С к К {г^с)+^, k = 0, 1, 2, й где B k и Ck — коэффициенты, определяемые из краевых усло вий;

/о(/Ус) и Ко(гУс)—модифицированные функции Бесселя соответственно первого и второго рода нулевого порядка. После подстановки их в интегральное уравнение (3.2) и его решения получается следующее соотношение:

= „( l - i f e ), где Еи — измеряемые значения энергетической освещенности.

Поправка на краевой эффект определяется выражением А2 == = (1— "Иг), где С4 + 0,5 Vс rQr\ V Здесь /1 — модифицированная функция Бесселя первого по рядка, С2 и С4 J— обозначения сложной комбинации функций Бесселя и параметров приемника а, к, d, г0 и Г\ [21]. Заметим, что задача решалась в предположении однородного по плот ности потока радиации вдоль всей площади ограничивающей диафрагмы F. В реальных условиях наличие солнечного ореола создает неравномерную освещенность приемника. Кроме того, вследствие расположения ограничивающей диафрагмы на неко тором расстоянии от приемника (5—7 мм в болометрическом пиргелиометре), а также дифракции на ней образуется зона полутени. Дополнительное исследование этих эффектов [16] показало, что их учет несуществен для оценки поправки А2.

Ее значение для болометрического пиргелиометра ПВС состав ляет 0,9995, причем неисключенный остаток ДоЛ2 авторами [23] оценивается ± 0, 0 5 % - Аналогичный краевой эффект имеет место и у полостных приемных элементов. Всегда есть разница между площадью, поглощающей излучение, и площадью, кото рую занимает обмотка замещения.

3.1.6. Систематическая погрешность, обусловленная нагре вом подводящих проводов, через которые подается питание к нагревательному элементу замещения, существенно зависит от конструкции последнего. Поправка, учитывающая этот эф фект, для элементов специальной конструкции может быть определена экспериментально. Рассматривая методику ее на хождения, учтем, что в настоящее время широкое распростра : нение получило нанесение нагревательной -спирали путем вакуумного напыления. Д л я подвода питания к ней применяется трехпроводная система Гилхама (рис. 3.2), позволяющая не только снизить их нагрев, но и определить поправку на систе матическую погрешность по следующей методике [229].

Пусть приемник нагревается током замещения i3, который вызывает выделение в нем электрической мощности W. В уста новившемся состоянии выходной сигнал термометра будет U = SNVW (1 — 7j3) N где STW И S T W H — средние чувст вительности термометра к элек трической мощности W и мощно сти Wn, выделяющейся в подво дящих проводах;

(1 — т]з)—мно житель, учитывающий тепловые потери приемника в фазе заме щения.

После этого приемник облуча ется излучением с энергетической освещенностью Е, которая соот ветствует нагреву его током г3, Р и с. 3.2. С х е м а н а г р е в а т е л ь н о г о элемента радиометра Гилхама.

а через подводящие провода (рис. 3.2) пропускают ток i= ные токовые выводы, 2 — потенциаль /— выводы, 3 — нагреватель, 4 — под = Чгк, который нагревает их так л о ж к а приемного элемента.

же, как в первом случае. К выво дам спирали 2 напряжение не прикладывается. В этом случае выходной сигнал термометра будет uT2 = STEF (1 — 7]р) + STWnWn + STEрр. (3.3) где STE И STEP — средние чувствительности термометра к из меряемой (Е) и рассеиваемой в трубе (EV) радиации, ( 1 — % ) — коэффициент, учитывающий тепловые потери приемника в фазе радиационного нагрева. Затем напряжение нагрева подводящих проводов выключается и измеряется напряжение на выходе термоэлектрического термометра ИП = SteE (1 - т)р) + STEpEp. (3.4) И з выражений (3.3) и (3.4) следует, что при ЛР = Л Р мощность WN, выделяющаяся в подводящих проводах при измерении энергетической освещенности Е, равна и т2 ~ ит П "о JTE п : При условии равенства температур приемника в обеих фазах измерений (ытз = мг1, ЛР = т1З'и STW = STE) получим, что S р \, • TWn*n W W P + L -%)W STE (1 — W J' Отсюда следует, что поправка на нагрев подводящих проводов и т2 ~ ит Л —i ^TWn^n,, Оценка, полученная по такой методике для термоэлектри ческого пиргелиометра ЕКР 10, имеющего напыленный нагрева тельный элемент, показывает,, что Л 3 = 1,0002 при неисключен ном остатке Д0Л3 = +0,0001 [229]. Д л я стандартного радио метра Кендалла Л 3 = 1,0003 + 0,003 % [247].

3.1.7. Составляющая систематической погрешности, обуслов ленная изменением потоков тепла по системе крепления прием ника при изменении фаз работы прибора, связана с краевым эффектом. Она вызывается изменениями температуры перифе рийной области приемника (см. рис. 3.1) при равенстве его средних температур в обеих фазах измерений. В результате этого через элементы крепления в разных фазах измерения отводятся неодинаковые тепловые потоки.

Заметим, что рассмотренный в п. 3.1.5 краевой эффект вы зывался неодинаковыми потоками тепла непосредственно с площади приемника.

Значение необходимой поправки А 4 оценено [23] для боло метрического пиргелиометра ПВС на основании полученных при анализе краевого эффекта функций распределения темпе ратуры Т к (г). Поправка находилась в виде А 4 = 1 — 7)4= 1 —V Ф р т йг л Фрс 1 1 2_,, / 0(3.5) сч /= где Q pT и QPc — тепловые потоки по элементу системы крепле ния при затененном и освещенном приемнике соответственно, п — число элементов крепления, W — измеренная мощность электрического замещения.

В болометрическом пиргелиометре ПВС элемент крепления (растяжка) может рассматриваться как стержень длиной I площадью поперечного сечения Fv, периметром р, коэффи циентами теплопроводности (X) и теплообмена со средой (у).

Если функции распределения температуры по стержням в раз ных фазах будут Тт(х) и Тс(х), то потоки тепла по dTc ним и •QpC = — ^ р Я, - ^ - х = 0. Пользуясь I рт P'V =0 dx р dx х : уравнением теплового баланса растяжек, находят эти функции.

Подстановка их в соотношение (3.5) дает Р [ 1 + ехр ( - 2 m c l ) ] %mF Р [ 1 — ехр (—2/rai) J 7 с0 ) -Z ^ гд& m — у у комбинация указанных параметров. Расчет по этому соотношению показывает, что для плоского приемника с теплопроводящей подложкой поправка А4 = 0,9990 (методика решения подобной задачи для случая плоского приемника без диафрагмы, когда часть длины элемента крепления освещается при открытой трубе пиргелиометра, изложена в [157]).

Если в результат измерений вводится постоянная поправка А4 = 0,9990, то, по оценке авторов [23], неисключенный остаток этой составляющей систематической погрешности для пиргелио метра ПВС может достигать Д 0 Л 4 = ± 0, 1 ;

%• 3.1.8. Зависимость чувствительности приемника от места падения на него измеряемого излучения, иногда называемая зонной характеристикой, ведет к систематической погрешности, связанной с распределением освещенности по приемной поверх ности. Особую роль этот параметр играет при учете вклада околосолнечного ореола, часть излучения которого идет из полутеневой зоны. Теоретическое исследование распределения чувствительности по поверхности плоского многослойного (чер ное покрытие, нагреватель, слой изоляции и металлическая пластина толщиной L) приемника, выполненное Д. Гейстом [229], показывает, что даже в первом приближении оно описы вается сложным соотношением. Относительная чувствительность вдоль радиуса г приемника термоэлектрического пиргелиометра при некоторых упрощениях записывается следующим образом:

Е 2 nr, L-i6 (1 + -j" g2r2) + я г2Пн + nCf\ia + Ув-fc-J 1, Уб — коэффициент теплоотдачи с боко где Ci = вой поверхности приемника;

5 Т — чувствительность термометра;

L, X — толщина и коэффициент теплопроводности металлической подложки приемника соответственно;

g = комби нация параметров;

у в и у н —коэффициенты лучистого тепло обмена верхней и нижней поверхностей.

Из этого соотношения видно, что зависимость чувствитель ности от места облучения приемника обусловлена изменениями условий теплообмена вдоль его поверхности. Увеличение тепло вых потерь на краях перегретого приемника ведет к спаду чувствительности на его периферии. Проявление этого эффекта 5 Заказ № существенно зависит от толщины металлической прослойки L.

Численные оценки этого эффекта были сделаны [229] для пиргелиометров типа ЕКР 10, а также для пиргелиометров Гилхама, Блевина и Брауна.

При радиусе приемника п = 5 мм, толщине алюминиевой прослойки L= 1 мм, А = 2-10 2 В т - м - ' - К - 1 и одинаковых коэф фициентах лучистого теплообмена (у в = Ун = 4 а Г 3 « 6 В т - м ~ 2 Х X К - 1 ) относительное изменение чувствительности от края до центра приемника S ( п ) / 5 ( 0 ) = 0,35 %. Этот результат под тверждается экспериментально: при сканировании плоского приемника тонким лучом (сечение 1 мм, число отсчетов по строке до 7) было получено изменение чувствительности до 0,31 % (при г = г{) [229]. Для пиргелиометров с более тонкой тепловыравнивающей прослойкой, например пиргелиометра Гилхама (L = 0,5 мм), теоретические оценки изменения чувст вительности (0,4%) оказываются заниженными по сравнению с экспериментальными (до 1 0 % ). Д л я полостного пиргелио метра типа Е К Р Ю (цилиндр с бортиком) относительные изме нения чувствительности уменьшаются до 0,15%. Поправочный множитель, учитывающий систематическую погрешность пирге лиометра Е К Р 10, обусловленную этим эффектом, Л 5 = 0, при А 0 Л 5 = ± 0, 0 8 % [229].

Если известно распределение чувствительности по прием нику, найденное экспериментально (путем облучения его узким лучом), то поправку на эффект неравномерной чувствительности можно оценить, вычисляя выходной сигнал при равномерной и реальной чувствительности. Оценка по такой методике [229] для пиргелиометра с напыленным плоским приемником, у ко торого спад чувствительности от центра к краям составляет 3 5 %, дает поправочный множитель Л 5 = 0,9960 при Д0Л5 = = ±0,1%.

Заметим, что распределение чувствительности вдоль полосок оригинального пиргелиометра Ангстрема имеет вид колоколо образной функции с максимумом в центре ( / = 1 0 мм) и спа дом до 60 % на расстояниях 1\ = 6 мм и /2 = 14 мм от начала приемной полоски. На краях приемной полоски чувствитель ность равна нулю. Тот факт, что пиргелиометр Ангстрема дает правильные значения энергетической освещенности при столь резкой зависимости чувствительности от длины приемной по лоски объясняется следующим. Как излучение солнечного диска (почти параллельный поток), так и электрическая мощ ность замещения выделяют на единицу площади приемной полоски одинаковую мощность. Таким образом, каждый эле мент площади приемной полоски с одинаковым весом входит в тепловой баланс в обеих фазах работы. Другое положение для излучения ореола. Если электрический 1 ток создает равную плотность мощности на каждом элементе площади, то излуче ние ореола распределяется по приемной полоске весьма нерав : номерно. Это и приводит к необходимости учета функции чувст вительности пиргелиометра. Обычно стараются уменьшить неравномерность чувствительности, применяя высокотеплопро водный материал для самого приемного элемента или для под ложки. Рассматриваемая погрешность может заметно возрасти, если тепловыравнивающий слой будет недостаточной толщины.

3.1.9. Радиация, прошедшая через входную диафрагму и рассеиваемая в трубе, в несколько раз превышает поступаю щую на приемник. Это объясняется тем, что для апертурных углов Zo и Zi, принятых в СССР, отношение диаметров входной и ограничивающей диафрагм составляет D\d = 2 : 1. Например, у трубы пиргелиометра ПВС D = 1 8 мм, d = 9 мм и при Е = = 103 В т - м - 2 поток, входящий в трубу, составляет 0,254 Вт, а попадающий на приемник — 0,064 Вт, т. е. в трубе рассеи вается 75 % вошедшей в прибор радиации. Конфигурация диа фрагм и их чернение позволяют уменьшить воздействие на приемник рассеянной радиации. В результате поправочный фактор на этот эффект для пиргелиометра ПВС оценивается Л 6 = 0,9997 при Д0Л6 = ± 0, 0 2 % [23], для пиргелиометра ПМО он равен 0,99 966 [209].


3.1.10. Отраженная от приемника и возвращаемая назад радиация существенна для плоскостных пиргелиометров, у ко торых она составляет 2—4 % измеряемой радиации. При хоро шем выполнении и чернении диафрагм апертурной трубы поправочный фактор на обратное отражение составляет для пиргелиометра ПВС А7 = 0,9997 при Д0Л7 = 0,02 % [23]. Оценка этого поправочного фактора для прибора ЕКР 10 дает Л 7 = = 0,9967 при неисключенном остатке ДоЛ7 = ±0,007 % [229].

3.1.11. Погрешность замены длинноволнового излучения ат мосферы на излучение затеняющей шторы при смене фаз изме рений оценивалась в [16]. Приведем основные из полученных результатов.

Введем обозначения: F — площадь приемной поверхности приемного элемента;

а и а ' — коэффициенты поглощения пря мой солнечной радиации и длинноволнового (теплового) излу чения;

Eg, и Еш — энергетические освещенности в центре прием ного элемента от потоков теплового излучения атмосферы и шторы через входную диафрагму пиргелиометра;

QT и Q 0 —• потоки теплового излучения от всех диафрагм трубы пиргелио метра при закрытой и открытой трубе соответственно.

Тогда из уравнений теплового баланса приемного элемента с учетом рассматриваемых потоков в обеих фазах измерения получим E=== ^FW + l f ( ^ - a ) + ^r(QT-Qo). (3-6) Второе и третье слагаемые этой формулы представляют собой поправки на систематические погрешности, обусловленные 8* заменой теплового излучения шторы на излучение атмосферы (при закрытой и открытой трубе) и различием теплового со стояния корпуса в двух фазах работы прибора.

Знак поправки на тепловое излучение атмосферы Л 8 = 1 - 4 аF (Е Е) • ^Ц? — зависит от температур шторы (Тш) и атмосферы (Г а ). Излучение шторы, поступающее на приемник, в соответ ствии с законами Ламберта и Стефана—Больцмана будет г^ -г, 4. Еш = гаТшзin z0, где е — относительная излучательная способность лепестка шторы, расположенного со стороны приемника;

z0 — централь ный угол трубы пиргелиометра.

Излучение атмосферы в тот же телесный угол будет [16] m sec 4 9 / 4 \Г 9 1— Р ( Ea = oTt sin2z0 _ ( а Г* п - п ) 1 - cos2 г 0 _ ^, t p } где E n — полусферический поток излучения атмосферы, Г пп — температура подстилающей поверхности, р(тоо)—функция поглощения атмосферы, т«, — количество водяного пара в столбе атмосферы единичного сечения.

В работе [16] приводятся результаты расчетов излучения трехлепестковой шторы и атмосферы для различных температур и упругостей водяного пара. Для зачерненного лепестка, напри мер, имеющего е = 0,98 и Тш = 300 К, ^ = 3,5 Вт-м - 2, т. е.

вклад теплового излучения шторы в измеряемую радиацию Е может достигать 0,5%. Вклад излучения атмосферы, поступаю щего на приемник, может достигать 0,3—0,4%. Заметим, что потоки Еш и Еа действуют на приемник в различных направле ниях: первый занижает, а второй завышает показания прибора.

Вследствие этого поправка As равна 1,0012—1,0019 в зависи мости от состояния атмосферы и измеряемой радиации. Неис ключенный остаток АЛ8 учитываемой ею погрешности не пре вышает ±(0,05—0,08)% [16, 23].

3.1.12. Поправка на систематическую погрешность, обуслов ленную изменениями температуры корпуса, главным образом диафрагм трубы (камера приемника делается более массив ной), определяется вторым членом выражения (3.6) Л 9 = 1 +. Она имеет отрицательный знак, так как Q0 QT (нагрев трубы солнцем завышает показания прибора). Най дем ее.

Запишем излучение одной диафрагмы на приемник пирге лиометра Tt)(sin2Q2 — sin 2 6i), Q T — Q'0 = a'Feo(Tt— где Г т и То — температуры данной диафрагмы при закрытой и открытой трубе;

82 и 0i — угловые радиусы части диафрагмы, : видимой приемником;

а ' — коэффициент поглощения теплового излучения приемником.

Расчеты этой разности потоков излучения для пиргелиометра П В С были выполнены для явно завышенных превышений температуры диафрагм Т0 над температурой Г т = 303 К, со ставляющих 1—5 К [16, 23]. Из полученных данных видно, что наибольшее влияние на показания пиргелиометра оказывает диафрагма, расположенная вблизи приемника. Изменение температуры диафрагм на 1 К приводит к суммарной поправке (для всех четырех диафрагм) 0,56 Вт-м - 2, или 0,08% (при = 700 В т - м - 2 ). Д л я устранения этой погрешности труба пиргелиометра ПВС выполнена массивной, вставные диафрагмы зачернены и имеют заостренные края, а прецизионная диа фрагма защищена от нагрева охранным кольцом. Эти меры позволили практически исключить рассматриваемую система тическую погрешность (Л9 = 1,0000) при неисключенном остатке Д0Л9 = ± 0, 0 1 % [23].

3.1.13. Методика оценки погрешности, обусловленной ди фракционными потерями на прецизионной диафрагме, была разработана В. Блевином [205]. Д л я обычно применяемых больших диафрагм (диаметром более 10 мм)~и малых расстоя ний от диафрагмы до приемника они сравнительно малы (не более 0,1 %). Тем не менее для плоского приемника, удален ного на 1 мм. от диафрагмы, как показывает оценка [205], поправочный множитель Лю может достигать 1,0013 при Д Лю = + 0, 0 2 %.

3.1.14. Суммарные систематические погрешности, определяе мые по соотношению (3.16) и характеризующие метрологиче ский уровнь шкал пиргелиометров различных конструкций, приводятся для отдельных типов приборов в главе 4. Укажем, забегая вперед, что для современного прибора с плоским приемником (например, ПВС) суммарная систематическая по грешность составляет АоЕ = + (0,4... 0,5)%, а с полостным (например, АКР 4) + ( 0, 1,.. 0,3)%.

3.1.15. Изменения чувствительности и переводных множи телей пиргелиометров под влиянием эксплуатационных факто ров исследованы- еще недостаточно. В частности, отсутствуют исследования соответствующих функций влияния. Задача определения и систематизации этих функций особенно акту альна для пиргелиометров, устанавливаемых на летательных аппаратах. Особое значение имеет учет рассматриваемого влияния у пиргелиометров, предназначенных для измерений в условиях открытого космического пространства (работы По определению солнечной постоянной с космических летательных аппаратов).

Зависимость чувствительности различных термоэлектриче ских преобразователей, широко использовавшихся в радиа космических ционной аппаратуре, устанавливаемой на : летательных аппаратах в США, от атмосферного давления р определялась в работе [244]. Было установлено, что до высоты порядка 15 км (1,2-10 4 Па) чувствительность этих преобразо вателей изменяется мало (увеличивается на 10—20%);

, при снижении давления р до Ю -1 —10~ 2 Па наблюдается резкий рост чувствительности (на 140—160 %);

дальнейшее снижение давления практически не 'сказывается на увеличении чувстви тельности. Такой ход чувствительности преобразователей с уменьшением давления объясняется снижением теплоотдачи в окружающую среду: при снижении давления менее 133— 266 Па происходит переход от смешанного к чисто лучистому теплообмену, который пропорционален температуре не в 1, а в 3 'степени (при малых значениях превышения темпера туры # ). Наибольшие изменения (увеличение) чувствительности с уменьшением давления наблюдались у радиометра с термо звездочкой (типа Кобленца и Bi—Ag Драммонда). Радиометр Киппа с квадратной манганин-константовой термобатареей наподобие шахматной доски почти не изменял чувствитель ности с изменением давления. При этих исследованиях прием ники облучались радиацией на уровне = 1000 и 1300 В т - м - 2.

Влияние вакуума на показания пиргелиометров конструкции Янишевского М-59 определялось в работе Ю. И. Рабиновича и Е. П. Барашковой [5]. Приборы помещались под колпаком и освещались сфокусированным пучком света от лампы..

Измерения производились поочередно при атмосферном дав лении 1013 гПа и вакууме (р = 0,13 П а ). Наблюдалось суще ственное изменение переводных множителей. В частности, оказалось, что отношение переводных множителй каждого прибора при атмосферном давлении (k{) и вакууме (k2) для различных приборов типа М-59 различно. У четырех исследо ванных приборов отмечалось отношение k\jk2 от 0,74 (прибор № 2) до 1,26 (№ 1). Наименьшее изменение переводного мно жителя (1,02—1,03) отмечено у прибора № 3. Эти данные показывают, насколько велика роль изменения давления.

Требуется тщательный учет этого фактора.

По исследованиям Г. Н. Гаевской и М. П. Федоровой [27], чувствительность отечественных термоэлектрических приборов при изменении давления от 1013 до 13 гПа увеличивается на 1—6%. Чувствительность актинометров и пиранометров почти не зависит от давления (до р= 13 гПа). С ростом темпера туры (от —60 до + 6 0 °С) чувствительность всех термоэлектри ческих актинометрических приборов уменьшается, особенно это имеет место у актинометров (изменения чувствительности составляет примерно 0,1 % на 1К при Е ж 2 8 0 Вт-м- 2 ). Увели чение энергетической освещенности при 700 В т - м - 2 за метно сказывается на характере изменения чувствительности в зависимости от температуры и давления, как это было отме чено в работе [244].

: Исследования температурных коэффициентов переводных множителей различных. типов пиргелиометров, проведенные В. А. Клеванцовой [72], показали, что наименьший темпера турный коэффициент Рт/е имеют пиргелиометры типа Ангстрема конструкции Янишевского. Температурные коэффициенты $Tk = AkjATk исследованных пиргелиометров соответствовали изменению постоянной пиргелиометров типа Ангстрема на 0,1— 0,4 % при AT = 10 К. Дополнительная погрешность миллиам перметров класса 0,2 составляет ± 0, 2 % на 10 К. В работе Е. И. Чистяковой [180] получены значительно большие (при мерно на порядок величины) температурные коэффициенты чувствительности тонкопленочных болометрических пиргелио метров.


Отметим, что Г. А. Никольский [120] обратил внимание на возможность влияния изменений состояния окружающей среды на результаты калибровок относительных приборов. Так, при калибровке их по компенсационному пиргелиометру в условиях пониженной относительной влажности (г 2 0 % ) переводной коэффициент получается завышенным на 1,4—1,5%. К таким ж е результатам приводит калибровка в камере с осушенным воздухом. Отмеченный эффект объясняется влиянием нагрева (при замещении электрической мощностью) на термическое сопротивление черного покрытия приемника, которое при низ кой влажности изменяется по-разному у приборов с замещением л без такового.

3.2. Динамические погрешности В том случае, когда показания измерительного прибора не успевают точно следовать за всеми изменениями измеряемой величины, возникают динамические погрешности измерений.

Они определяются как характером (скоростью) изменения измеряемой величины во времени, так и динамическими свой ствами (инерционностью) измерительного прибора.., В - случае пиргелиометрических измерений динамические погрешности могут быть внесены в результат измерений при недостаточной экспозиции прибора на Солнце, быстрых изменениях прямой солнечной радиации, внезапных отклонениях наводки трубы пиргелиометра на Солнце и т. д. Рассмотрим методику оценки динамической погрешности измерений энергетической освещен ности солнечного излучения в общем виде как для мгновенных, так и для осредненных по времени отсчетов прибора [155].

Поведение измерительного устройства в неустановившемся, т. е. динамическом, режиме работы полностью описывается его дифференциальным уравнением, которое связывает выход ную и входную (измеряемую) величины. Поведение' системы при специальных входных воздействиях, как известно [4, 10], описывается переходной или весовой функциями. Последняя : g(t) используется в теории автоматических систем особенно широко. Напомним, что она описывает изменение во времени выходной величины EB(t) при подаче на вход единичного импульса (дельта функции).

Пусть среднее значение быстро меняющейся во времени t измеряемой величины E(t) определяется на интервале времени At, а осреднение показаний прибора u(t) производится на интервале 9. Абсолютной динамической погрешностью назы вают разность этих средних значений, записываемых следую щим образом:

м в бдE[At, е, g(t))=~ 5 E(t)dt-^Au(t)dt = о о At 0 оо = \Е ( t ) dt - g(t )E(t-t )dtdt.

-1- (3.7) x x { О Дисперсия динамической погрешности DE = бд Е представляет собой средний (на некотором интервале времени At\) квадрат абсолютной погрешности, т. е.

At At, 9, g ( 0 ] = д ^ J J f,) dt бlE [At, RE(t- dtx оо oo At \KE (t — ty — t2) dtx dt2 dt + 0 0 oo 9 + ж 0S S 8 Vti 8 0 V*) dt2 (3.8) + ti) dt dtx dta, где б д E — среднеквадратическая динамическая погрешность измерения оередненной на интервале At величины E(t) прибо ром с весовой функцией g(t), показания которого осредняются на интервале 9;

At, = [ E ( t ) - E ] [ E ( t+ tx)-E]dt о —корреляционная функция измеряемой величины E(t), яв ляющейся стационарным эргодическим случайным процессом;

11, t2 и tz — текущие значения временных сдвигов.

Из выражений (3.7) и (3.8) видно, что динамическая по грешность возникает за счет отличий характера сигналов на входе и выходе аппаратуры, обусловленных ее инерционностью.

Скорость изменения входной случайной величины здесь описы вается ее корреляционной функцией RE(t), а запаздывание выходной величины относительно входной или реакция изме рительной системы — весовой функцией g(t).

: Выражение (3.8) определяет дисперсию динамической по грешности измерений при любых интервалах осреднения как входной величины E(t), так и результата измерений u(t).

Динамическая погрешность для мгновенных отсчетов опреде ляется предельным переходом при и 0-О.

Динамические свойства аппаратуры для измерения энерге тической освещенности интегральной радиации, в том числе аппаратуры, устанавливаемой на различных летательных аппа ратах, определяются постоянной времени приемных устройств.

Последняя меняется от 2—4 с до нескольких минут. В таком случае динамические свойства линейной аппаратуры, как инер ционного звена 1-го порядка, описываются [10] экспонентой вида g(f) = J-exp (--?-), (3.9) где х — постоянная времени аппаратуры.

Корреляционная функция широкого класса стационарных (и эргодических) случайных процессов, в частности изменения входного сигнала пиргелиометра E(t) при быстром (с перио дом Т, меньшим, чем постоянная времени аппаратуры т) изме нении радиации, излучаемой Солнцем, может быть аппрокси мирована экспоненциальной зависимостью RE(t) = RE (0) exp (—pi) где RE(0) =DE(t)—дисперсия измеряемой величины E(t), р, — параметр, характеризующий скорость убывания автокор реляционной функции RE(t) во времени за цикл измерений.

При таких аппроксимациях g(t) и RE(i) формула (3.8) даст динамическую погрешность мгновенных отсчетов (Д^ = = 0 = 0) пиргелиометра в виде = (t) -4-S REV) exp(— Удобнее, однако, пользоваться корреляционной функцией изменения не энергетической освещенности E(t) (на входе пиргелиометра), а выходного сигнала u(t), который регистри руется системой передачи информации. Для перехода от RE(t) к Ru(t) воспользуемся тем, что при не слишком большой постоянной времени пиргелиометра т будет RE(t) =Ru{t)( 1+ + рт) [10, 155] и бд" « Ьи (t) д / ( 1 + |хт) (1 ) ъЬи 1 (0 VW.

Отсюда видно, что динамическая погрешность пиргелиометра, : обусловленная быстрыми изменениями входного сигнала E(t), определяется среднеквадратическим отклонением записи сиг нала бu(t) за достаточно большой цикл измерений. Очевидно, что дисперсия 82u(t) может быть обусловлена не только пуль сациями энергии, излучаемой Солнцем. Она может вызываться также быстрым прерыванием измеряемой величины E(t) за счет случайных затенений прибора, рыскания системы слеже ния и др. Значение динамической погрешности при этом может быть существенным. Так, например, при р. = 0,1 с - 1, постоянной времени пиргелиометра т = 2 с и дисперсии выходного сигнала 82u(t) = 2, 5 - Ю - 3 - В 2 (на уровне й = 5 В) относительная дина мическая погрешность измерений б д Е достигнет 4 % • Основываясь на рассмотренной выше теории оценки дина мической погрешности средств измерений, Л. Л. Брагинская и Р. Л. Каган оценили влияние времени осреднения показаний инерционного прибора на динамическую погрешность измерений б д [12]. Оказалось, что относительная погрешность замены осредненной по периоду изменения входной величины At мгновенными отсчетами, снимаемыми в конце периода At, изме няется в зависимости от безразмерных величин fix и At/x, достигая в неблагоприятных случаях десятков процентов. Так»

при Д^ = 0,5т и рт = 2,0 погрешность бод-Е = 25 %, а при А/ = т и цт = 2,0 она уменьшается до б од ' = 8 %. С другой стороны, при At — x и рт = 0,1 она будет около 2 %, а при At = x и цт = 0,01 не более 0,2%. Таким образом, осреднение пока заний инерционных приборов имеет смысл только в случае, когда период осреднения в несколько (5—7) раз больше, чем постоянная времени прибора х. При увеличении безразмерного параметра рт, характеризующего интервал корреляции, по грешность осреднения отсчетов сначала растет (до А/ = т), а затем убывает. При любом рт мгновенные отсчеты по при бору с постоянной времени х ближе всего к среднему значе нию за период примерно 2т. Другими словами, сам прибор осредняет измеряемую величину за период 2т. Это не позво ляет достаточно надежно измерять случайные колебания E(t) за время А^ 2т. Следовательно, даже пиргелиометры с по стоянной времени т = 2 с существенно (на 30—60 % и более) исказят пульсации энергетической освещенности с «периодом»

менее 4—5 с.

В ряде практически важных случаев, в частности при сравнениях или поверке приборов, необходимо оценивать дина мические погрешности при детерминированном (неслучайном) изменении входной (измеряемой) величины E(t). В таком случае смысл динамической погрешности сохраняется, однако математический аппарат случайных функций должен быть заменен. Простые и достаточно точные расчетные соотношения можно получить из решения основного уравнения инерцион ного измерительного прибора (динамического звена первого : порядка [10]), связывающего измеряемую величину E(t) с по казаниями прибора un(t)\ E(t)+AE(t) = un(t) + (3.10) где AE(t)—заданное изменение измеряемой величины, т — постоянная времени прибора.

В случае скачкообразного изменения величины E(t), от Ех (в момент времени t — 0) до Е2 (при / 0 ), решение уравне ния (3.10) имеет вид бдЕ (t) = иа (t) — и2 = — (и2 — «О ехр | j.

Из него видно, что показания прибора установятся теорети чески только при f - v оо, однако практически уже при t — Зт динамическая погрешность снижается до 5 %, а при t = 6т примерно до 0,2 %. Абсолютная погрешность б n E ( t ), как видим, убывает со временем в этом случае по экспоненте. При t — х погрешность б R E ( t ) уменьшается в е раз.

В другом важном случае, когда измеряемая величина изме (1Е няется во времени линейно: Е (t) = Е0 + At (где dE/dt= = const), решение уравнения (3.10), если при ^ = 0 E(t) = Е0, будет иметь вид б д (t) = ип ( 0 — Е (t) = -х -^р-.

Следовательно, если пиргелиометр с постоянной времени х уста новлен на летательном аппарате и при его подъеме энергети ческая освещенность меняется с высотой Н со скоростью dE(t)/dH, то абсолютная динамическая погрешность таких измерений будет т dH dt ' где dH/dt — вертикальная скорость подъема.

С другой стороны, если производятся сравнения двух при боров с постоянными времени х\ и х2 (T2TI), Т динамиче О ская погрешность их сравнения в поле с линейно изменяющейся энергетической освещенностью E(t) будет dE х / • \ (О I \ бд (ип! — И п2 ) = -Т7 (т 2 — Ti).

dt Например, при линейном изменении E(t) со скоростью 2 Вт • м - 2 • мин - 1, уровне энергетической освещенности 500 ВтХ X м - 2 и сравнениях приборов с постоянными времени п = 5 с и Т2 = 30 с будет вноситься относительная динамическая по грешность до 0,2%. Эта величина, как видим, может превы сить статическую погрешность современных пиргелиометров.

: Глава Современные пиргелиометры В главе 1 упоминались практически все основные типы пиргелиометров. Здесь рассмотрим конструктивные особен ности современных пиргелиометров, причем из всего их много образия (число различных конструкций только полостных пир гелиометров уже достигает двух десятков) выделим приборы, которые используются или могут быть использованы в каче стве эталонов или образцовых средств измерений.

4.1. Компенсационный пиргелиометр Ангстрема Компенсационные пиргелиометры Ангстрема, как указыва лось ранее, являются наиболее широко и длительно (уже более 70 лет) используемыми эталонными приборами.

Пиргелиометр Ангстрема — двухканальный прибор, в кото ром поле зрения каналов формируется входной прямоугольной диафрагмой и приемной полоской. За время производства при бора размеры трубы и апертурных углов подвергались сущест венным изменениям. Характерными для современных модифи каций приборов являются расстояния между входной аперту рой и приемником 52;

83,5 и 102—107 мм при размерах входного отверстия 2 2 X 5 мм. Это обеспечивает углы открытия 24° X 5°30/, 15° X 3°20' и 12° X 2°40' [67, 242].

Приемник пиргелиометра состоит из двух тонких (0,01 X Х 2 Х 2 0 мм3) манганиновых полосок 1 (рис. 4.1), зачерненных платиново-камфарной чернью (а = 0,98) или, в последних моделях, лаком Парсонса (а = 0,985) [242] и укрепленных в вырезах эбонитовой рамки. В средних частях полосок (с тыльной стороны) приклеены спаи манганин-константановой термопары 2. Приемное устройство помещается в нижней части трубы.

В верхней части трубы укреплена перекидная штора»

обеспечивающая поочередное затенение одной из приемных полосок. Прицельное устройство обеспечивает наведение трубы на Солнце с точностью до 0,5°.

Электрическая схема прибора содержит переключатель (рис. 4.1), с помощью которого затененная полоска включается : в цепь источника и нагревается током до такой же темпера туры, как и облучаемая. Об этом судят по нулевому показанию гальванометра. Ток замещения i3 измеряется с помощью милли амперметра тА.

Пользуясь величиной i3, по соотношению Е — kit находят измеряемую величину Е. Переводной множитель k для абсо лютного прибора может находиться по его параметрам. Однако точное определение основных параметров — коэффициента по глощения а, рабочей площади полосок F и сопротивления полосок — представляет собой весьма сложную задачу. Не ме нее сложно определить систематические погрешности неэкви валентностей замещения.

Поэтому, как мы уже отмечали, использовался метод передачи шкалы.

Один из наиболее тща тельно исследованных приборов Ангстрема (или группа таких прибо ров) выбирался в ка честве эталона, а пере водные множители дру гих пиргелиометров нахо дились путем сличения с ним при одновременных наблюдениях.

Основными источника Рис. 4.1. Схема устройства компенсаци ми составляющих систе- онного пиргелиометра Ангстрема.

матической погрешности абсолютных измерений у пиргелиометров Ангстрема являются: погрешность определения коэффициента поглощения а, площади и сопротивления прием ных элементов;

краевой эффект, обусловленный различиями площадей приемных пластин при радиационном (F p ) и электри ческом (F e ) нагревах;

подсветка затененной полоски снизу;

сильная зависимость чувствительности от координаты на при емной полоске (зонная характеристика).

Общая погрешность результатов обычных измерений, произ водимых с помощью пиргелиометров Ангстрема, оценивается ± ( 0, 7... 1,1) % в зависимости от используемой шкалы ампер метра (300 или 750 мА). На международных сравнениях она ниже и составляет в среднем ± 0, 6 % [70, 242]. В то же время эти приборы отличаются весьма высокой воспроизводимостью показаний. Так, у эталонного пиргелиометра СССР А среднее кваДрэтическое отклонение отдельной серии за период его эксплуатации (с 1964 по 1975 г.) не выходило за пределы 0,2—0,4 % при изменении переводного множителя не более 0,4 % [70]. Диапазон измерений пиргелиометров Ангстрема : весьма широк (от 40 до 1400 Вт-м~ 2 [242]), а постоянная времени т составляет 4—5 с.

Конструкция пиргелиометров Ангстрема изменялась и со вершенствовалась при изготовлении' подобных приборов в СССР и США. Ввиду этого оригинальные пиргелиометры Ангстрема принято обозначать порядковым номером выпуска с добавлением индекса «А».

В Смитсоновском институте (США) был создан вариант компенсационного пиргелиометра Ангстрема. Пиргелиометр помещается в деревянный футляр, защищающий прибор от влияния кратковременных изменений температуры и действия ветра. Под приемными полосками находится зачерненный конус, поглощающий проникающую вниз радиацию и устра няющий подсветку полосок. Труба прибора удлинена для уменьшения угловых размеров поля зрения до 3 ° Х 6 °. Этот пиргелиометр Ангстрема использовался как относительный прибор для передачи единиц шкалы водоструйного пиргелио метра (вместо силвердиска).

Лабораторией Эппли в США был выпущен пиргелиометр Эппли—Ангстрема, разработанный с участием А. Ангстрема.

Принципиальные усовершенствования этой модификации ком пенсационного пиргелиометра таковы:

— труба пиргелиометра удлинена с целью уменьшения влияния ветра и обеспечения меньшей величины апертурных углов;

— коническая поверхность под полосками сделана отра жающей;

— приемные полоски зачернены лаком Парсонса.

Погрешность измерений этим прибором, по оценке специа листов фирмы Эппли, составляет + 0, 5 % [222].

Одна из модификаций прибора была выполнена в СССР Ю. Д. Янишевским с целью получения примерно таких же центральных углов, которые имеют оригинальные пиргелио метры Ангстрема различных выпусков. Приборы этой модифи кации известны под номерами 541 и 542 [186], имеют основ ную трубу длиной 54 мм и снабжаются двумя насадками длиной 30 и 50 мм. Приемные манганиновые полоски утолщены (0,04 мм вместо 0,01 мм) для повышения их надежности и увеличения компенсационного тока. Кроме того, полоски укреп лены не в эбонитовой, а в латунной рамке. Это позволило расширить рабочий диапазон температур, при котором не про исходит прогиб полосок. Вместо одной термопары для измере ния температуры полосок используется термобатарея из 19 спаев манганин-константан, которая обеспечивает должную чувствительность при уменьшении перегрева приемных по лосок.

Постоянная времени прибора № 541 около 3—4 с, а воспро изводимость результатов измерений за период с 1967 по 1970 г.

: не выходит за пределы 0,2—0,5 % [69, 70]. Приборы исполь зуются для передачи единицы энергетической освещенности при выполнении научно-исследовательских работ в ГГО.

Д р у г а я модификация пиргелиометра Ангстрема, разрабо танная в С С С Р Ю. Д. Янишевским, выпускается серийно под индексом М-59. Этот прибор используется в качестве образ цового прибора второго разряда при метрологическом обеспе чении актинометрических измерений. Д л я повышения точности передачи единиц шкалы он имеет круглые диафрагмы. Диаметр входной диафрагмы трубы (20 мм) вдвое больше, чем диаметр приемника, и виден из его центра под углом 10°. Это соответствует принятой в С С С Р апертуре для ак тинометров.

Каждый приемник пиргелиомет ра М-59 состоит из трех манганино вых полосок (рис. 4.2). К полоскам (в заштрихованных на рис. 4.2 об ластях) подклеены термобатареи, имеющие по 9, 13 и 9 спаев соответ ственно. Длина ветвей термоэле ментов около 2 мм. Благодаря это му постоянная времени по сравне нию с оригиналом уменьшена примерно вдвое (до 3 с), а пере- рис _ 4 2 С х е м а мещения грев полосок о т н о с и т е л ь н о среды — приемных полосок в, пиргелио примерНО В 4 р а з а (до 3° при Е= метре Ангстрема—Янишевского = 7 0 0 В т - м " 2 ). В корпусе прибора М-59.

М-59 размещается два идентичных приемника с параллельно ориентированными входными аперту рами. Второй приемник служит для компенсации температур ных влияний. Погрешность измерений составляет ± 0, 6 % в энер гетическом диапазоне 400—1000 В т - м - 2 и спектральном интер вале 0,3—4,5 мкм [70].

4.2. Пиргелиометр ПАКРАД Полостные пиргелиометры этого типа были созданы в ре зультате разработки в США приборов (абсолютных радиомет ров, по зарубежной терминологии) для измерения излучения имитаторов Солнца в лабораторных условиях и солнечного излучения с летательных, в том числе космических аппаратов.

В основу этих разработок было положено использование полостных приемных элементов. Д. Кендаллом были созданы полости сложной конфигурации, сочетающей цилиндрическую и конические поверхности. В первичном абсолютном полостном радиометре третьей модификации ( П А К Р А Д 3) для устранения : дрейфа нуля применены две полости. Схематическое изображе ние приемного блока пиргелиометра ПАКРАД 3 показано на рис. 4.3 а, а его двойного приемника — на рис. 4.36 [246, 247].

Труба прибора состоит из двух частей (5 и 7), первая из которых располагается внутри термостата. Термостат образо ван двойным наружным корпусом 1 к 12, а также сосудом Дьюара 8. Поле зрения прибора 4 формируется диафрагмами Рис. 4.3. Схемы устройства пиргелиометра ПАКРАД 3 (а) и его приемного узла (б).

(прецизионная) и 6 (апертурная). Труба с системой диафрагм укреплена на массивном медном теплостоке 2, во внутренней камере которого размещены приемная (10) и компенсационная (11) полости. Для укрепления полостей 10 и И служат тонкие цилиндры 3 и 3', через которые тепло поступает на теплосток 2.



Pages:     | 1 | 2 || 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.