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 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 7 |

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

-- [ Страница 4 ] --

Термическое сопротивление этих цилиндров подбирается (пу тем высверливания отверстий) таким образом, чтобы при энер гетической освещенности Е = 1 к В т - м - 2 перегрев полости был около 1 К. Приемная полость 10 состоит из расположенного в ее верхней части усеченного конуса, цилиндрической части, двойного конуса 16 и 18, между стенками которого помещена обмотка замещения 17. Площадь обмотки замещения соответ ствует освещенной зоне 15. Поверхность внутреннего конуса зачернена лаком Парсонса. Компенсационная полость 11 со стоит из точно таких же элементов, но для уменьшения габа : ритов прибора конические поверхности обращены к основанию ее цилиндрической части. Через аналогичное 3 термическое сопротивление 3' она укрепляется на фланце 14, с помощью которого вся система крепится к теплостоку 2. Перепад тем ператур вдоль термических сопротивлений 3 и 3' измеряется с помощью термобатареи, спаи которой размещены на стыке цилиндрической и конической частей приемных элементов 13 термопар. Чувствительность термобатареи такова, что при перегреве приемной полости на 1 К она генерирует ЭДС 1 мВ.

Калибровка прибора производится путем подачи электриче ской мощности в обмотку замещения 17 приемной полости 10.

Обмотка компенсационной полости служит только для созда ния аналогичной теплоемкости. Благодаря указанному разме щению термопар изменения температуры теплостока 2, а также резкие перепады давления окружающей среды не сказываются на показаниях прибора. Полости 10 и 11, а также термосо противления 3 и 3' выполнены из тонкого (0,13 мм) серебра.

Благодаря этому постоянная времени прибора составляет 7 с, а время установления показаний (до 0,05 % ЭДС) около 1 мин.

Д л я измерения ЭДС термобатареи иВых и напряжения замещения и3 используется прецизионный потенциометр. Энер гетическая освещенность определяется по соотношению ц зцвых. р л у Л RU aFRuBb]x_ ^~ ™*- Р ' е где иВых. р и «вых. е — ЭДС термобатареи при действии изме ряемой радиации и калибровке;

Aw — A\{\ + Qni/aFE)—по правочный множитель, учитывающий систематические погреш ности замещения (А\ — поправка на термическое сопротивле ние покрытия, Qni — составляющие тепловых потерь полости);

k = и3 Aw/aFRu вых. е — градуировочный множитель.

Диапазон измерений от 100 до 2000 Вт-м~ 2 с погрешностью не более ± 0, 3 %. Стабильность показаний 0,1—0,2 %.

Данные анализа составляющих погрешности измерений, проведенного Кендаллом и Бердаллом [247], приводятся в табл. 4.1. Из нее видно, что значение поправочного множи теля Aw, полученное с учетом основных составляющих система тической погрешности, весьма близко к единице (Лж = 0,999 81).

Неисключенный остаток систематической погрешности состав ляет 0,22%. На этом основании погрешность измерений оце нивается ± 0, 3 % (для доверительного интервала Зет).

Следует отметить, что значение коэффициента поглощения а п полости такой сложной конфигурации, полученное расчетом, составило 0,9988 (для конусной нижней части а ' = 0,988) при А 0 а = 0,15%. Последующие исследования [228], однако, по казали, что более реальным является а п = 0,9966. Вследствие 8 З а к а з № Таблица 4. Составляющие систематической погрешности прибора ПАКРАД Поправочный фактор Неисключенный остаток Составляющая погрешности 0, 1,001 Расчет коэффициента поглощения 0,001 1,000 Измерения электрических величин 0,003 0,998 Определения площади приемника VI 0,000 1,000 Учет потерь за счет теплообмена приемника 0,000 1,000 Учет термического сопротивления по крытия 1,00000 0,000 Оценка различия тепловых полей приемника в разных фазах измере ний 0,000 0,999 Учет притока тепла от прецизионной диафрагмы 0,000 0, Учет радиации, рассеиваемой в трубе 0,000 0,999 Учет неэквивалентности замещения в приемном элементе 0,999 Общий поправочный фактор 0,002 Общая погрешность 3а этого результаты измерений, полученные прибором ПАКРАД до уточнения а ш необходимо было исправлять (увеличивать) на 0,2%- Это лишний раз свидетельствует о важности непо средственных измерений коэффициента а п с должной точностью для каждого конкретного прибора.

Приборы типа ПАКРАД выпускаются серийно фирмой «Лаборатория Эппли» под индексом ЕПАК (абсолютный ра диометр Эппли—Кендалла) и фирмой «Технические измерения»

под индексом TM-I (Кендалл МК VI). Первый из них не имеет принципиальных отличий от рассмотренного выше. Конструк тивно он оформлен в виде массивного цилиндрического корпуса (высота и диаметр около 100 мм) со сравнительно тонкой и узкой апертурной трубой (длина около 200 мм), заканчи вающийся затеняющим корпус кольцом. Прибор крепится на следящей системе. Спектральный диапазон прибора 0,2— 50 мкм, а энергетический 100—2000 В т - м - 2.

Прибор TM-I в принципе аналогичен абсолютному радио метру ПАКРАД 3, на базе которого он был создан после успеш ной работы последнего на М С П - Ш (1970 г.). Диаметр прибора 100 мм, общая длина 330 мм, вес около 3 кг. Прибор крепится к следящей системе с помощью сравнительно длинных (около 200 мм) стоек. Диапазон измерений TM-I от 200 до 2000 В т Х X м - 2. Погрешность измерений в этом диапазоне А0Е = м е н е е SUJE = 2 - 1 0 - 6 BM2-BT-1.

= ±0,5%. Чувствительность не Постоянная времени т = 10 с.

: 4.3. Пиргелиометр типа АКР Приборы АКР разрабатывались в Лаборатории реактивного движения ( Л Р Д ) в США для применения на различных лета тельных аппаратах, в том числе для измерений в условиях открытого космоса. В связи с этим -при их разработке пред усматривались меры по снижению габаритов, веса и энерго потребления, а также полная автоматизация работы. Основной особенностью этих приборов является использование в них в качестве при емного элемента полости в виде пра вильного конуса. Пиргелиометр дейст вует в активном режиме, т. е. разность температур полости и теплостока удер живается на одном и том же уровне в процессе измерений [285].

Пиргелиометр АКР 3 (рис. 4.4) имеет цилиндрический алюминиевый корпус 6, на основании которого размещается малогабаритная схема автоматики 14. Выход автоматики при бора через разъем 13 соединяется с измерительно-регистрационным уст ройством. Апертурная диафрагма совместно с прецизионной диафрагмой 10 определяет указанные на рисунке апертурные углы пиргелиометра. Диа фрагма 5 примыкает к магниевому теплостоку 4. Вся эта конструкция от делена от корпуса 6 слоем теплоизо ляции 9 и крепится с помощью нейло новых шайб 8 и 12. Конический при- Рис. 4.4. Схема пиргелио емный элемент 3 через термическое метра типа АКР 3.

сопротивление (цилиндр из серебря ной фольги) присоединен к теплостоку 4. Приемный элемент изнутри зачернен, а снаружи имеет обмотку замещения 2. На верхнем и нижнем концах термического сопротивления распо ложены платиновые термометры сопротивления 11. Насадка используется при наземных калибровках прибора.

Пиргелиометр работает следующим образом. В обмотку замещения приемного элемента подается электрическая мощ ность. Образующийся тепловой поток стекает через термиче ское сопротивление в теплосток. На концах термического сопротивления образуется разность температур, измеряемая термометрами сопротивления. Электрическая система автома тики поддерживает постоянную, заранее установленную раз ность температур на концах термического сопротивления.

8* Тогда мощность излучения, поглощенного в приемном элементе,, равна разности электрических мощностей, рассеиваемых в нем при затенении (W T ) и облучении (W 0 ). Расчетное соотношение имеет вид где А — суммарный поправочный фактор, Обычно задаваемый и поддерживаемый автоматически пе репад температур на термическом сопротивлении составляет около 1 К. Блок-схема системы автоматического управления приведена на рис. 4.5. На нем отдельно изображен мост сопротивлений, плечами которого служат резисторы 1 и термо метры сопротивления {11 на рис. 4.4). Вы ход управляющей диа гонали подается на вход усилителей на пряжения (5) и мощ ности (5), охваченных цепью обратной связи {4). Сопротивления мо Рис. 4.5. Блок-схема узла автоматики при ста подбираются так, боров АКР.

что при рассеянии в обмотке замещения 6 заданной «теневой» мощности в управ ляющей диагонали (вход усилителя 3) напряжение отсутст вует— мост уравновешен.

Пиргелиометр типа АКР 4 по. принципу действия аналогичен АКР 3, но в него введены существенные усовершенствования.

Так, применен второй (компенсационный) конус 3 (рис. 4.6), служащий, как в приборе ПАКРАД, для устранения влияния температурного дрейфа теплостока 4. Последний выполнен из меди и увеличен в размерах так, что охватывает обе ограни чивающие диафрагмы 6 и 12. Это позволяет выравнять их температуру и уменьшить влияние излучения диафрагмы на приемный конус 14. Термометры 2 и 5 помещены на основа ниях конусов 3 и 14, причем последние делаются не из сереб ряной фольги толщиной 0,1 мм, а путем электролитического осаждения, что увеличивает их теплопроводность.

Весьма существенным улучшением является применение вместо диффузно-рассеивающего лака ЗМ зеркально-отражаю щего чернения конусов. В первом случае (у АКР 3) коэффи циент поглощения ащ = 0,997 + 0,002 (на стенке ai = 0,95 + + 0,02). При использовании зеркально-черного покрытия в ко нусе с углом при вершине 30° происходит шесть отражений по пути луча к вершине, т. е. а п 2 = 1 — ( 1 — а 2 ) 6 = 0,999 999 + + 0,000 003 при а 2 = 0,90 + 0,05. Автор, однако, принимает ап2 = 0,9995 + 0,0003 [288].

: Описанная Р. Вилсоном [288] полетная модель АКР 4 имела длину около 350 мм и диаметр 50 мм. Масса ее около 1 кг.

Напряжение на нагревательной обмотке (R = 500 + 0,05 Ом) при измерениях солнечной постоянной менялось от 3,736 до 7,223 + 0,0009 В. Рабочая площадь приемника ^ = 0,5 + + 0,000 13 см2, постоянная времени около 2 с. Точность шкалы для АКР 3 и АКР 4 по оценке Вилсона представлена на рис. 4.7.

Из него видно, что суммарная среднеквадратическая погреш Рис. 4.6. Схема устройства пиргелиометра АКР 4.

1 — блок а в т о м а т и к и, 2 и 5 — п л а т и н о в ы е термометры, 3 и 14—компенсационный и при емный конусы, 4 — теилосток, 6 и 12 — п р е ц и з и о н н а я и а п е р т у р н а я д и а ф р а г м ы, 7 — т е р м о и з о л я ц и я, 8 — а л ю м и н и е в ы й корпус, 9 — привод шторы, 10 — штора, 11 — э л е м е н т к р е п ления (найлон), 13 — т е п л о в ы р а в н и в а ю щ а я т р у б а, 15 — н а г р е в а т е л и, 16 — т е р м о с о п р о т и в ление, 17 — корпус б л о к а электроники с р а з ъ е м о м.

ность для АКР 3 не превышает + 0, 3 %, а для АКР 4 (на уровне солнечной постоянной) + 0, 1 % [284, 288]. Такая точ ность является наиболее высокой из всех современных автор ских оценок.

Отметим, что при подготовке нового эталона (МРЭ) испы тывались три прибора типа АКР 3: АКР 310, АКР 311 и АКР 701. По итогам МСП-IV (1975 г.), в состав М Р Э был рекомендован АКР 310. В то же время сравнения приборов типа АКР 3 с пиргелиометрами типа АКР 4 (АКР 401 и А К Р 402) показали, что АКР 3 имеют заниженную шкалу (примерно^ на 0,4 %). Это свидетельствует о необходимости дальнейшего уточнения оценок точности эталонных пиргелиометров и их шкал, в том числе и приборов типа АКР.

i 4.4. Пиргелиометр ПМО Первыми моделями этих приборов являлись пиргелиометры:

ПМО 2 и ПМО 3, подобные полостным приборам, разработан ным в США. Приборы ПМО были созданы Р. Бруса и : К. Фрелихом [209] в Давосской физико-метеорологической об серватории— Мировом центре по радиации.

Схемы устройства обоих приборов показаны на рис. 4.8.

Основное различие между этими модификациями состоит в ис пользовании в ПМО 3 двух (рабочей и компенсационной) полостей. Отличия от АКР состоят в применении полости слож ной конфигурации (обращенный конус в цилиндре, причем зачерняется внешняя поверхность конуса), наличии в ПМО тонкостенного цилиндра 3, установленного на расстоянии 0,5 мм от приемной и компенсационной полостей с целью их термической защиты, а также в применении в ПМО 2 термо : батареи, измеряющей перепад температур, обусловленный пото ком тепла вдоль термического сопротивления 6. Этот перепад,., так же как и в пиргелиометрах ПАКРАД и АКР, невелик (порядка 1 К). Поэтому медно-константановая термобатарея 7" прибора ПМО 2 имеет 140 спаев. В ПМО 3 разность темпера тур конусов 2 и 9 измеряется с помощью термометров сопро тивления.

1 — в х о д н а я д и а ф р а г м а, 2,9 — приемный и компенсационный конусы, 3 — термическая.' з а щ и т а, 4 — н а г р е в а т е л ь н ы й элемент з а м е щ е н и я, 5 — т е р м о ч у в с т в и т е л ь н ы е элементы, б — термосопротивления, 7 — т е р м о б а т а р е я, 8 — теплосток, 10— т е р м о к о м п е н с а т о р.

Геометрические характеристики апертурных труб обоих:, приборов ПМО одинаковы (см. табл. 2.1). Нагревательные элементы 4, помещаемые у вершины конуса (примерно до половины его образующей), закрываются защитной фольгой.

Сопротивление нагревателя у. ПМО 2 равно 16 Ом, а у ПМО' 3 — 90 Ом.

Приборы могут действовать в автоматическом режиме^ Схемы автоматики ПМО 3 и АКР аналогичны. Постоянная времени ПМО 3 при этом того же порядка величины (около 2 с ).

Плотность потока радиации Е определяется, исходя из принципа активного режима работы прибора, по соотношению, аналогичному расчетной формуле для АКР.

на Уже упоминалось, что авторами этого прибора используются следующие составляющие поправочного фактора Л:

.,,„ АнАт11АрАппАт k' = kA =.

огАр Здесь k=(aF)~1 — переводный множитель (номинал), kr — фактический переводный множитель. Рассмотрим эти вели чины для обеих модификаций прибора, пользуясь для них индексами 2 и 3 соответственно [209].

Коэффициент поглощения полостей, покрытых зеркально отражающей чернью, теоретически рассчитывается исходя из 5 отражений для выходящих лучей. Считая для стенки а с = = 0,958, получаем а п = 1 — ( 1 — а с ) 5 = 0,999 999, однако экс перимент дает для ПМО 2 а п 2 = 0,9988 + 0,0004, а для ПМО «пз = 0,9989 + 0,0007.

Множитель Ан учитывает неэквивалентность замещения, обусловленную изменениями поля температур в приемном элементе при радиационном и электрическом нагревах.

По оценке авторов работы [209], Л н2 = 1,004 + 0,001, а Л н з = = 1,0077 + 0,004.

Поправочный множитель Л т 0 учитывает влияние термиче ского сопротивления. Оценки дают Л т с 2 = 1,000 02 + 0,000 и Л т с 3 = 1,0001 + 0,0001.

Множитель Л р учитывает подсветку приемника радиацией, которая рассеивается в трубе. Эксперимент, основанный на измерении рассеянного в ней лазерного излучения, дает Л р 2 = = 0,9970 + 0,0015 и Л р 3 = 0,9975 + 0,0005.

Учет тепловых потерь по проводам производится фактором Л пл. Он был определен с помощью экспериментов, которые дали Л п п 2 = 1,000 26 + 0,000 02 и Лппз = 1,001 44 + 0,000 10.

Следует отметить, что авторами [209] рассматривается еще дополнительный источник погрешности. Дело в том, что при измерениях замещающей электрической мощности вносится систематическая погрешность, обусловленная осреднением на пряжений и токов на интервале Т, а не самой мощности, т. е.

т т т -Jjp'J u3(t)dt^ i3(t)dt, а не и3(Т) i3(t) dt. Этот эффект 0 0 о учитывается множителями Л т, которые, как показывает оценка, незначительны: Л т 2 = 1,0000 + 0,0006 и Л т 3 = 1,0000 + 0,0015.

Последний из поправочных множителей учитывает система тическую погрешность измерения площади прецизионной диа фрагмы. Его значения для рассматриваемых модификаций прибора AF2 = 0,996 75 + 0,001 и Л и = 0,993 69 + 0,001.

Из приведенных данных следует, что общий поправочный фактор составляет Л 2 = 0,999 24 для ПМО 2 и Л 3 = 1,002 для ПМО 3. Суммирование всех неопределенностей поправоч ных факторов по абсолютной величине дает максимальные : погрешности ±0,0046 и ±0,0079 для ПМО 2 и ПМО 3 соответ ственно, а квадратичное суммирование — среднеквадратические погрешности этих приборов ±0,0022 и ±0,0044. Следует отме тить, что приведенные оценки, очевидно, относятся к неисклю ченным остаткам систематической погрешности.

Прибор ПМО 2, по итогам МСП-IV, включен в состав нового эталона МРЭ.

4.5. Пиргелиометр КРОМ Прибор был разработан в Бельгийском королевском метео рологическом институте Д. Кроммелинком в двух вариантах, Рис. 4.9. Схемы устройства приемных узлов пиргелиометра КРОМ в плоскост ном (а) и полостном (б) вариантах.

1 — штора, 2 — ц и л и н д р и ч е с к а я полость, 3 — н а г р е в а т е л ь н ы й элемент, 4 — п р и ж и м н о е кольцо с ф л а н ц е м, 5 — корпус, 6 — п р и е м н а я п л а с т и н к а, 7 — ф л ю к с м е т р с в ы в о д а м и, 8 — в ы х о д ф л ю к с м е т р а, 9 — выводы н а г р е в а т е л я.

отличающихся использованием плоского и полостного прием ников. Последний образуется путем механического прижатия тонкостенного серебряного цилиндра к плоскому приемнику, как это показано на рис. 4.9. Для измерения теплового потока, текущего от приемной пластинки 6 на теплосток, роль которого играет металлический корпус 5, служит флюксметр 7. Послед ний представляет собой тонкий диск диаметром 23 мм, внутри которого помещена термобатарея. ЭДС на выходе прибора пропорциональна разности температур зачерненной краской ЗМ : приемной пластинки (или полости) и корпуса. Узел приемника помещается в камеру с входной диафрагмой. Плоский нагре вательный элемент выполняется в виде бифилярно намотан ной спирали 3, зачерняемой и приклеиваемой к приемной.пластине 6, которая делается из серебра (для лучшего вырав нивания тепловых полей). Основная модель пиргелиометра содержит два идентичных параллельно расположенных измери тельных канала с приемниками плоского либо полостного типа.

^Прибор допускает проведение измерений в различных режимах (параллельное или последовательное замещение).

Кроммелинком были проведены теоретические исследования методики измерений с помощью прибора КРОМ [217, 218].

•Эти исследования подобны проводившимся ранее для АКР, однако они не доведены до численных оценок поправочных •факторов.

Коэффициент поглощения солнечной радиации для плоского приемника а = 0,960 ± 0,020, а для цилиндрического а п = = 0,998 ± 0,003. Среднеквадратическая погрешность результата измерений д л я К Р О М З оценивается его автором ± 0, 2 5 %.

Полостной прибор КРОМ был рекомендован в состав нового эталона МРЭ.

4.6. Болометрический пиргелиометр ПВС О принципе действия приборов этого типа уже говорилось (см. п. 2.4). В болометрическом пиргелиометре чувствительным элементом является плоская однослойная спираль бифилярной намотки из медной проволоки толщиной 0,05 мм. Одна из сторон этого элемента чернится и служит приемной поверх ностью. Включенный в мост сопротивлений, чувствительный элемент одновременно выполняет функции термометра сопро тивления и средства получения электрической мощности заме щения. Три других сопротивления моста изготовлены из мате риала с «нулевым» температурным коэффициентом сопротив ления. Для обеспечения необходимого рабочего тока в болометрическом элементе уравновешивают мост подбором.значения его сопротивлений. Далее, не меняя соотношений плеч моста, приводят мост в равновесие путем изменения напряже ния его питания при облучении и затенении болометрического приемного элемента. Энергетическая освещенность рассчиты вается по формуле:

E= -±r(WT-W0), тде WT и W0 — электрические мощности, рассеиваемые в при -емном элементе в фазах «тень» и «солнце».

: Было разработано и изготовлено несколько моделей боло метрического пиргелиометра [11, 26, 122, 156], в том числе пиргелиометры с автоматической системой управления [133].

Схематический разрез приемного блока пиргелиометра с плос ким приемным элементом изображен на рис. 4.10.

Конструкция трубы выполнена таким образом, чтобы свето рассеивание в ней было минимальным. Апертурные углы пирге лиометра приводились в табл. 2.1.

Приемный блок пиргелиометра ПВС укрепляется на шасси (рис. 4.11), в верхней части которого размещается привод слежения за Солнцем, а в нижней мон тируются электронная система автома тики, стабилизированные источники пи тания, панели управления работой при бора. Привод слежения состоит из площадки, устанавливаемой по широте места наблюдения, и двигателя с редук тором, обеспечивающего вращение трубы по часовому углу. Д л я получения точ ности наводки ±0,2° имеются прицель ное приспособление и рычаги корректи ровки направления трубы.

Блок-схема системы автоматического уравновешивания моста- пиргелиометра Рис. 4.10. Приемный блок пиргелиометра ПВС.

1 — труба, 2 — приемный элемент, 3 — токовводы, 4 — 6 — диафрагмы, крышка, б — прижимная гайка, 7— охранное кольцо, 8 — п р е ц и з и о н н а я д и а ф р а г м а, 9 — осно в а н и е приемной головки (ее о б р а з у ю т д е т а л и 7, 8, 9).

приведена на рис. 4.12. Болометрический чувствительный эле мент R1 включен в плечо моста пиргелиометра. Для регули ровки отношения плеч мостовой схемы применяется калибро ванный переменный резистор R3. Переключатель S1 служит для смены режимов работы (ручной или автоматический). Пе реключатель S2 имеет общую ось со шторой трубы пиргелио метра. При открывании или закрывании трубы включается одновременно соответствующая линия ручной регулировки (ре зисторы R5—R7 или R6—R8) напряжения, подаваемого на мост. При включении автоматики линия ручной регулировки отключена.

Автоматическая регулировка уравновешивания моста про изводится с помощью усилителей постоянного тока А1—A3, на вход которых подается напряжение измерительной диагонали,, а выход подключен к питающей диагонали моста. Кроме того, включение последовательно с усилителем А1 интегрирующего 123 звена позволяет получить автоматическую систему регулиро вания, у которой в установившемся режиме ошибка рассогласо вания отсутствует. Уменьшение дрейфа нуля достигается при менением усилителя типа МДМ. В нем входной сигнал с по мощью модулятора М преобразуется в переменное напряжение, усиливаемое усилителем переменного тока А1, а затем выпрям Рис. 4.11. Внешний вид пиргелиометра ПВС.

'J — шасси, 2 — панель у п р а в л е н и я, 3 — прецизионный амперметр, 4 — н у л ь - г а л ь в а н о м е т р.

ляется фазочувствительным демодулятором ДМ и поступает на вход усилителя постоянного тока А2, действующего в режиме интегратора. Для увеличения мощности выходного сигнала служит усилитель A3. Источники питания усилителей ( И П 2 ) и моста пиргелиометра ( И П 1 ) независимы. В качестве усили телей А1 и А2 применяются дифференциальные операционные усилители в интегральном исполнении, обеспечивающие коэф фициент усиления /С У ~Ю 6 при хорошей устойчивости работы схемы. Устойчивость улучшается с помощью корректирующих цепей R11C1 и R14C4. Схема охвачена общей изодромной обратной связью R15C5, благодаря чему достигается астатизм системы (статическая погрешность исключается). Конструк тивно блок электроники собран на одной плате, которая вместе с источниками питания монтируется внутри шасси пиргелио метра.

: Применение автокомпенсации позволяет существенно умень шить время, затрачиваемое на каждый отсчет прибора (до 15 с), что ведет к снижению случайных и субъективных погрешностей измерений.

Точность пиргелиометра П В С была тщательно исследована как теоретически, так и практически [16, 21—23, 157]. Основ ные результаты этих работ уже излагались ранее. Приведем сводку полученных результатов применительно к прибору П В С с плоским приемным элементом.

Рис. 4.12. Блок-схема устройства автоматической компенсации пиргелиометра ПВС.

Основную трудность при оценке погрешности представляет учет поглощающей способности черного покрытия а. При использовании лака Парсонса авторы [23] принимают а = = 0,985 ± 0,005. Площадь прецизионной диафрагмы F изме ряется с погрешностью ±0,04%, электрическая мощность, рас сеиваемая в приемной болометрической спирали, измеряется цифровым прибором с погрешностью не более ±0,1 %.

Поправочные коэффициенты А,-, учитывающие составляю щие систематической погрешности, и оценки их неисключен ных остатков приводятся в табл. 4.2. Общий поправочный фактор болометрического пиргелиометра с плоским приемни ком по оценкам, приведенным в табл. 4.2, составляет 1,0092 ± ±0,0043. Суммарная погрешность измерений А 0 ' = ±0,70%.

Эта модель пиргелиометра принимала участие в М С П - I V (Давос, 1975 г.);

прибор показал результат, отличающийся от данных П А К Р А Д 3 (опорный инструмент на М С П - I V ) на 0,3 % при среднеквадратическом отклонении среднего за серию ±0,45 [223].

В 1978—1980 гг. на базе этой модели пиргелиометра в Са ратовском государственном университете ( С Г У ) созданы : пиргелиометр с полостным приемным элементом [11], а также система для дистанционных измерений прямой солнечной ра диации [134].

Разрез приемного блока полостного болометрического пир гелиометра приведен на рис. 4.13. С целью сохранения в ка честве чувствительного элемента плоской болометрической спирали, технология изготовления которой разработана в С Г У „ применен цилиндрический полостной приемный элемент. Его Рис. 4.13. Приемный блок полостного пиргелиометра ПВС.

1 — приемный элемент, 2 — с п и р а л ь з а м е щ е н и я, 3 — теплоотвод, 4 — прецизионная диа фрагма, 5 — изолирующий кожух.

дно образует плоский металлический теплоотвод с отверстиями.

Подбор числа и диаметра отверстий позволяет регулировать термическое сопротивление такого теплоотвода (см. также Таблица 4. Составляющие систематической погрешности пиргелиометра ПВС и их оценка „, Неисключенный Источник погрешности Поправочный фактор остаток, % •4-0, 1, Термическое сопротивление ±0, 1, Тепловое излучение экрана и атмо сферы -1-0, 0, Краевой эффект +0, 0, Теплопередача через растяжки ч=0, 1, Теплообмен приемника с диафраг мами ±0, 0, Радиация, отраженная поверхностью приемника и возвращаемая на него ±0, 0, Радиация, рассеиваемая диафрагма ми в направлении приемника : рис. 2.2). Полость внутри чернится лаком Парсонса. Измере ния показали высокие поглощающие свойства такого прием ного элемента. Он имеет достаточно хорошую индикатрису отражения [28]. По измерениям на установке В Н И И О Ф И [104], коэффициент поглощения такого приемного элемента оказался равным 0,9996.

В те же годы создана модификация полостного болометри ческого пиргелиометра с компенсацией влияния изменений температуры окружающей среды. На ее основе разработана и СПС ПУ ПШ К5^ \\\ ЗР rCZh К2/ Кб' ЗР ШО БМ, ЦВ КЗ/ УОС ЗРЗ К8, ЗР i i I Рис. 4.14. Блок-схема дистанционного болометрического измерителя прямой солнечной радиации.

СПС — система поиска и с л е ж е н и я ;

ПУ — п р о г р а м м н о е устройство;

ПШ — привод шторы приемной головки и з м е р и т е л я ;

БМ, УОС — болометрический мост и у с и л и т е л ь обратной •связи;

ЦВ — цифровой в о л ь т м е т р ;

ШО — ш л е й ф о в ы й о с ц и л л о г р а ф ;

К!—К8 — логические (дискретные) ключи;

ЗР1—ЗР4 — з а п о м и н а ю щ и е регистры.

создана система для дистанционных измерении прямой солнеч ной радиации [134].

Блок-схема этой системы приведена на рис. 4.14.

За интервал времени, через который производятся измере ния «теневого» и «солнечного» напряжений, выбрана 1 мин.

Таким образом, минимальное время для одного отдельного изме рения радиации равно 2 мин. С целью увеличения общей продолжительности измерений включение осциллографа произ водится на 10 с в течение каждой минуты. В то же время для большей надежности производятся четырехкратные измерения рабочего напряжения на приемном элементе (с интервалом 5 с).

Д л я обеспечения одновременной записи этих результатов на четыре шлейфа осциллографа введена группа запоминающих регистров ЗР1—ЗР4. Каждый из них последовательно с ин тервалом. 5 с через ключи К1—К4 снимает и хранит значение кода напряжения. После команды на включение протяжки осциллографа и одновременного замыкания ключей К5—К : эти результаты записываются. За 10 с операция записи повто ряется дважды.

Система оформлена в виде двух блоков. Один из них — механизм подвеса к актинометрической стреле с укрепленным на нем устройством поиска и слежения. Другой блок представ ляет собой шасси, на котором смонтированы все узлы элек тронных схем. Измерения на высотах 28—34 тыс. м показали высокие эксплуатационные качества всей дистанционной изме рительной системы. Среднее квадратическое отклонение серии из 10 измерений составило 0,1—0,2 %.

Погрешность независимого определения постоянной полост ного болометрического пиргелиометра (реализации абсолютной шкалы) оценивается ±0,25%.

4.7. Пиргелиометр с охлаждаемым приемником Различные модификации пиргелиометров с охлаждаемым приемником были разработаны в Главной геофизической обсерватории [77, 78, 80, 82, 85, 86] для экспериментальных исследований возможностей повышения точности пиргелиомет рических измерений при реализации рассмотренных ранее общих принципов. Исследовались пиргелиометры с охлаждае мыми плоскими и полостными приемниками как болометриче ского, так и термоэлектрического типов.

Конструктивные особенности и детали охлаждаемого термо электрического приемника схематически представлены на рис. 4.15. В качестве термочувствительного элемента в нем применена пленочная висмут-сурьмяная термобатарея 4, напы ленная в вакууме на слюдяную подложку 5. Центральная часть приемника (диаметром 10 мм) достаточно равномерно покрывается 32 «горячими» спаями термобатареи. Электриче ский нагреватель 2 напыляется в виде никелевой спирали (из 16 витков), имеющей по три вывода (потенциальные и токовые) с каждого конца.

Заметим, что плотность нанесения витков спирали сущест венно влияет на эквивалентность замещения, проявляющуюся в виде зонной характеристики приемника. Исследования, вы полненные с помощью сканирующего И К микроскопа, показали, что при расстоянии между витками 1 мм неравномерность (амплитуда колебаний) зонной характеристики даже при = 500 В т - м - 2 достигает 4,5 К. При уменьшении межвитко вого расстояния до 0,05 мм она снижается почти в 20 раз (до 0,2 К) - В первом случае погрешность неэквивалентности составила 12 %, а во втором 0,2 %.

Термобатарея отделена от нагревателя тонким слоем орга нического изолятора 3, получаемого путем полимеризации паров бензола в низкотемпературной плазме. Слой поглощаю : щего покрытия 1 наносится непосредственно на нагреватель (эмаль АК-243 или электрофорезное покрытие М С ). Медная подложка 6 (толщиной 0,1 мм) служит для выравнивания Рис. 4.15. Схема устрой ства плоского охлаждае мого термоэлектриче ского приемника.

теплового поля термоэлектрического охладителя (ТЭО) 7 по поверхности приемника (неоднородности порядка 0,05 К ).

Ветви торцевого Т Э О (размером 4,0X1,0X1,0 мм3) изготав ливаются из твердых растворов на основе теллурида висмута с таким расчетом, чтобы изменение коэффициента Т Э Д С от температуры в диапазоне 270—320 К не превышало 0,1%.

Активное сопротивление Т Э О r x ~ 2 0 м, коэффициент « 5 мВ-Кг 1, оптимальный ток ixo не более 1 А при максималь 9 Заказ № 202 ной холодопроизводительности 0 т » 1 Вт. Последнее обеспечи вает более чем 10-кратный запас по холод опроизводительности при измерениях до = 1 0 3 Вт-м- 2 и работу Т Э О на линейном участке рабочей характеристики.

Чувствительность прибора по выходу термобатареи в диа пазоне мощностей от Ю - 2 до 1500 В т - м - 2 постоянна и состав ляет Su = 0,22 В - В т - 1 (Sue = 1, 3 - 10~s В - В т - 1 - м - 2 )., а по току холодильника « = 0,55 А - В т - 1. Постоянная времени не пре вышает 5 с. Среднеквадратическое отклонение показаний при бора при измерениях прямой солнечной радиации не более ± 0, 3 % (по результатам испытаний в 1978—1979 гг.). Основ ной вклад в погрешность абсолютных измерений составляет погрешность, обусловленная неточным знанием коэффициента поглощения плоской приемной поверхности ( Д 0 а « ±0,5 %).

В результате этого оценка суммарной погрешности результата измерений А = ±0,6 % [76,81].

Данные исследования пиргелиометров с охлаждаемым плоским приемником показывают прежде всего, что такое направление развития пиргелиометрии является перспективным, особенно для полостных приемников, когда погрешность опре деления коэффициента поглощения не является лимитирую щей ( а 0 а 0, 1 % ). Кроме того, было установлено [86, 131], что целесообразно термостатировать на уровне температуры окружающей среды Тс (трубы пиргелиометра, теплоизолиро ванной от нижней части корпуса) не только сам полостной приемник, но и некоторую промежуточную оболочку, соединен ную с прецизионной диафрагмой. В таком случае полостной приемник окружен со всех сторон, за исключением входного отверстия, через которое в него попадает измеряемое излуче ние, оболочкой с той же температурой (Т 0 = Тп). Это обеспе чивается применением двух ТЭО, первый из которых регули рует температуру полостного приемника Ти, а второй — темпе ратуру промежуточной оболочки Т0, приводя их к установив шейся температуре трубы пиргелиометра Тс. Пиргелиометры с таким двухступенчатым охлаждением приемника (рис. 4.16) позволяют обеспечить равенство температур Тп = Т0 = Тс в процессе измерений и благодаря этому свести к минимуму погрешности неэквивалентности замещения, а также исключить влияние на работу прибора температуры нижней части корпуса, на которую сбрасывается все тепло, выделяющееся в приемнике и промежуточной оболочке.

Схема устройства приемной части пиргелиометра с двух ступенчатым охлаждением полостного (конусного) приемника представлена на рис. 4.17. Рабочие спаи Т Э О первой ступени соединены с приемным конусом 2 по периметру вблизи его основания. Нагреватель 3 (бифилярная намотка нихромового провода сечением 0,05 Мм) размещен у вершины конуса на площади, которая соответствует зоне, освещаемой через преци : зионную диафрагму 8. Между обмоткой замещения 3 (на рас стоянии 3 мм от нее) и Т Э О 7 помещен чувствительный элемент термометра сопротивления 6 (микротермисторы типа СТЗ-25).

Прецизионная диафрагма 8 укреплена в основании промежу точной оболочки 1, имеющей форму усеченного конуса. Темпера Рис. 4.16. Внешний вид пиргелиометра с двухступенчатым охлаждением.

тура оболочки 1 контролируется с помощью термометра и регулируется Т Э О второй ступени 4.

Конструкция приемного блока одного из вариантов пирге лиометра с двухступенчатым охлаждением приемника показана на рис. 4.18.

Методика измерений сводится к выполнению ранее изло женных принципов. Перед началом измерений прибор выдер живается до тех пор, пока температура верхней части корпуса (трубы), затененной от непосредственного нагрева солнечными лучами, не установится на уровне температуры окружающей 10* 1Л "И S3 J Рис. 4.17. Схема устройства приемного блока полостного пиргелиометра с двухступенчатым охлаждением.

Рис. 4.18. Приемный блок пиргелиометра с двухступенчатым охлаждением.

/ _ промежуточная оболочка, 2 — приемный конус, 3 — ТЭО первой ступени, 4 — ТЭО второй ступени.

среды Т с. Ток питания Т Э О первой ступени г хр устанавливается при облучении приемника Солнцем так, чтобы температура приемного конуса Ти была равна температуре трубы Г с и окру жающей среды. В процессе замещения (при закрытой за слонке) ток питания Т Э О первой ступени txe сохраняется неиз менным (txe = tXp) и измеряется мощность замещения W, при которой температура конуса Тп равна температуре промежу точной оболочки Т0. Последняя регулируется током питания Т Э О второй ступени так, что при действии Т Э О первой ступени температура Т0 сохраняется неизменной и равной Тс (Т п — = Т0 = Те).

Приемный конус изготавливался путем электролитического осаждения меди и покрывался изнутри зеркально-черным электрофорезным покрытием (в спектральном диапазоне от 0, до 15 мкм средний коэффициент поглощения покрытия а = 0,95, неселективность не более ± 4 %, весовая толщина покрытия около 7 мг-см - 2 ). Коэффициент поглощения конуса, измерен ный на специальной установке [104], равен 0,99981 + 0,000 на длине волны Xi = 0,5 мкм и 0,999 88 + 0,000 03 на Х2 = = 10,6 мкм.

Ветви Т Э О обоих ступеней изготавливались из таких же материалов, как Т Э О одноступенчатых пиргелиометров, но сечение и холодопроизводительность их увеличивались (до i » « l, 5 А, 8 т « 1 0 В т ).

Исследования прибора показали, что при использовании двухслойного медного конуса высотой 60 мм (диаметр прием ного конуса 13 мм, прецизионной диафрагмы 9 мм) постоянная времени не превышает 30 с. Чувствительность прибора в ин тервале исследованных значений мощности замещения W от Ю - 3 до 1,5-103 Вт-м~ 2 постоянна (в пределах + 0, 1 % ) и со ставляет 2 - Ю - 4 В - м 2 - В т - 1 (при токе питания термистора jT = 1 М А ). Перегрев приемника относительно промежуточной оболочки не превышает 0,1 К (при ручной регулировке Т Э О первой ступени). Тепловое поле вдоль образующей конуса рав номерно в пределах 0,2 К Суммарная систематическая среднеквадратическая. погреш ность Д0 Е результата измерений оценивается, значением, не.

превышающим 0,1—0,2%.

4.8. Основы метрологического обеспечения актинометрических измерений Метрологическое обеспечение всех видов измерений/является, одной из важнейших проблем современной науки и техники.

Его главная задача — установление и применение научных и организационных основ.,, технических средств, правил и норм,:

1, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений.

Метрологическое обеспечение актинометрических измере ний в нашей стране осуществляется под методическим руко водством Главной геофизической обсерватории ( Г Г О ) как базовой организации ведомственной метрологической службы Госкомгидромета. Оно основывается на реализации разрабо - тайной в Г Г О и согласованной с Госстандартом локальной поверочной схемы для средств измерений интегральной энер гетической освещенности солнечной радиации (рис. 4.1-9). Этой поверочной схемой определяются технические средства, методы и точность передачи размера единицы измерений от эталона к образцовым и рабочим средствам измерений (СИ),. Техни ческими средствами хранения и передачи единицы пиргелио метрической шкалы служат рабочий эталон СССР и образцо вые С И 1, 2 и 3-го разрядов, основным методом передачи—• сличения по Солнцу при небольшой мутности атмосферы (про изведение массы т на фактор мутности Линке Т ( т Г 6 ) )..

В качестве рабочего эталона СССР, который в настоящее время возглавляет поверочную схему, утвержден оригинальный компенсационный пиргелиометр Ангстрема А 212 в комплекте с измерительным оборудованием. Прибор используется и хра нится в Г Г О с 1928 г. Он принимал участие в большинстве международных сравнений (МСП) начиная с М С П I I (1964 г.).

За время эксплуатации прибор показал чрезвычайно высокую стабильность. Его переводный множитель (после приведения к МПШ-56 10350 Вт-м _ 2 -А _ 2 ) сохранялся практически неизменным (имевшие место колебания не превышали ±0,5 % ).

Среднее квадратическое отклонение ряда измерений этим при бором составляет 0,2 % [70]. Вследствие высоких эксплуата ционных качеств А 212 используется не только как эталон СССР, но и как эталон шестого европейского региона (PA V I ).

На М С П I I I (1970 г.) прибор был введен в состав группового эталона МПШ-56, представлявшего собой группу из 7 наибо лее стабильных пиргелиометров Ангстрема.

Д л я дальнейшей передачи единицы к рабочим С И (акти нометрам., пиранометрам, балансомерам и альбедометрам) служит группа из трех образцовых пиргелиометров 1-го раз ряда: А 196, А 250 и А — Я 541 (Ангстрема—Янишевского), которые ежегодно сличаются с эталоном А 212. Средние квад ратические отклонения 8о Е для серии измерений у этих при боров не превосходят ±0,3 %.

Унификация и стандартизация измерений, проводящихся в нашей стране, потребовала привязки рабочего эталона, воз главляющего рассмотренную локальную поверочную схему, к Государственному специальному эталону единицы энергети ческой освещенности непрерывного оптического излучения сплошного спектра в диапазоне длин волн 0,2—4,5 мкм : Рабочий эталон единицы энергетической освещен ности солнечной радиации пиргелиометр № 40-1000 Вт-м' 0,2-4,5 мкм So=0,3% Сличение по Солнцу - — о ь I Образцовые пиргелиометры Pt 400-1000 Вт-м' 0,3-4,5 мкм ? S0=0,4 % Qj Сличение по Солнцу Образцовые актинометры Образцовые пиргелиометры ^ ^ s. 40-1000 Вт-м' 400-1000 Вт-м' s 0,3-4,5 мкм 0,3-4,5 мкм оэ Ъfc,CJ, S0=0,S% S0=0,6% §5?

• b S Сличение по Солнцу t a Образцовые головки Образцовые §!•§ * • S пиранометров актинометрыг S оч g 40-1500 Вт-м' 03 i Q 40-1000 Вт-м''' 0,3-2,4 мкм 0,3-4,5 мкм •5о=1-2 % S0=1,0 % «а Сличение \ при помощи' ] компаратораJ ge Актинометр 2 Баланоомер 2 Пиранометр2 Альбедометр 11CIQ ^ fca& C S-Q"J L 0-1100 Вт-м' 0-1000 Вт-м' 0-1500 Вт-м' 0-1500 Вт-м' 0,3-2,4 мкм 0,3-2,4 мкм 0,3-4,5 мкм 0,3-4,5 мкм А=3% А=3% L=2% Рис. 4.19. Локальная проверочная схема для средств измерения энергетической освещенности солнечной радиации.

( Г С Э Э О ), хранящемуся во Всесоюзном научно-исследователь ском институте оптико-физических измерений [38, 41, 161].

Основой этого эталона является высокотемпературная модель А Ч Т (Т = 2500... 2700 К ), снабженная автоматической систе мой регулирования температуры с погрешностью ДГ = ±0,6К.

Г С Э Э О обеспечивает воспроизведение указанной единицы со средним квадратическим отклонением бЕ не более +2,5 X X Ю - 3 В т - м - 2 при неисключенной систематической погреш ности 0 ^ 4, 0 - Ю - 3 Вт-м~ 2. Диапазон значений энергетической освещенности, воспроизводимых эталоном, составляет 10— 100 Вт-м - 2. В качестве эталона-свидетеля применяется группа абсолютных термоэлектрических и болометрических радиомет ров, сличаемых с Г С Э Э О при помощи компаратора (полостного термостолбика ПП-1), обеспечивающего С К О не более ±3,0Х X Вт-м - 2. Рабочими эталонами служат светоизмеритель ные вольфрамовые лампы С И С 107—1000 и С И С 107— или полостные лампы типа «Черное тело» (СКО поверки рабо чих эталонов не более + 2, 5 - Ю - 3 В т - м - 2 ). Образцовыми и рабочими С И служат тоже светоизмерительные лампы ( С К О ±1-2%).

Сравнительно малый уровень значений энергетической осве щенности, воспроизводимых эталоном, создает существенные трудности аттестации эталонного пиргелиометра по Г С Э Э О.

На первом этапе такой аттестации было установлено, что пока зания пиргелиометра А 212 (в МПШ-56) отличаются от энер гетической освещенности, выраженной в единицах радиометри ческой шкалы, на 2% [161]. Работы по привязке рабочего пиргелиометрического эталона СССР А 212 к Г С Э Э О в даль нейшем будут продолжены.

Приведенная выше локальная поверочная схема наглядно иллюстрирует ведущую роль пиргелиометров в поддержании и передаче единиц энергетической освещенности. От точности воспроизведения единиц эталонными пиргелиометрами зависит уровень всей шкалы абсолютных измерений потоков солнечного излучения. Ознакомимся подробнее с современным состоянием международной пиргелиометрической шкалы.

Из работ, проведенных ранее, а также в процессе проведе ния М С П I V (1975 г.) было с достоверностью установлено, что имевшаяся на то время Шкала МПШ-56 существенно (примерно на 2 % ) занижена относительно среднего показания ряда новых абсолютных приборов. В результате было решено ввести новый международный эталон (МРЭ) для воспроизве дения единицы энергетической освещенности. Рассмотрим предлагающуюся методику решения этого вопроса.

Соотношение показаний ряда абсолютных приборов, а также пиргелиометров — носителей МПШ-56, с показаниями П А К Р А Д 3, принятого за опорный прибор при международных и региональных сравнениях за период с 1970 по 1975 г., пока : зано на рис. 4.20. Учитывая эти результаты и данные анализа других имевшихся данных сравнений абсолютных приборов и носителей МПШ-56 [223], было установлено, что разброс показаний 10 разновидностей абсолютных приборов различных конструкций не превышает ± 0, 8 %, а половины из них — ±0,15%. Их показания концентрируются вблизи величины, которая примерно на 0,2% выше показаний П А К Р А Д 3.

МПШ-56 МРЭ Отклонение от ПАКРАД 3.

+0, -1,5 -1,0 -0,5 О -2,5.-2,0 + 1,0 % "Г АКР АКР -о А 7644 Эппли АКР I— А 2026 Эппли КРОМ ЭПАК А 212 СССР ЭПАК -о- -о ЭПАК А 575 ЛГУ I —о— ПМО А575л]?(5юРакт) -с— ПМО (Терскол) А 575 ЛГУ ~°~(Давос) ПМО ИБС (ЕКР 10) (ПВС) Болометрич. пирг.

Рис. 4.20. Сводка показаний различных пиргелиометров по состоянию на 1975 г.

Анализ результатов М О П I V также показал, что как при боры группового эталона МПШ-56 (А 140, А 212, А 525, А 542, А 561, А 576 и ЭА 2273), так и П А К Р А Д 3 обладают высокой стабильностью. Исходя из этого Рабочая группа по системам радиационных измерений Комиссии по приборам и методам, измерений Всемирной метеорологической организации предло жила с 1 января 1981 г. перейти к использованию единицы новой пиргелиометрической шкалы, воспроизводящейся Миро вым радиационным эталоном (МРЭ). Последний представляет собой группу из четырех полостных абсолютных радиометров (пиргелиометров): АКР 310 ( С Ш А ), К Р О М (Бельгия), П М О (Швейцария) и П А К Р А Д 3 ( С Ш А ). Как свидетельствует анализ [223], отношение среднего значения показаний этой эталонной группы к показаниям П А К Р А Д 3 составляет 1,0019.

Напомним, что на М С П - I V показания всех абсолютных при боров брались относительно показаний П А К Р А Д 3, который участвовал в М С П I I I и М С П I V и показал высокую на дежность.

: Среднее отношение отсчетов группы пиргелиометров, пред ставляющих МПШ-56, к отсчетам П А К Р А Д 3 оказалось рав ным 0,9803. Учитывая это, коэффициент перехода от результа тов измерений, выраженных в МПШ-56, к показаниям в новой шкале МРЭ принят равным МРЭ/ПАКРАД 3 _ 1,0019 _ - П 0,9803 — МПШ-56/ПАКРАД 3 ~ Таким образом, результаты измерений по шкале МРЭ будут на 2,2 % выше, чем по МПШ-56.

Погрешность воспроизведения единицы шкалы МРЭ оцени вается не более ±0,3 % соответственно точностным характери стикам входящих в МРЭ приборов: Предусмотрены взаимные сличения приборов группы МРЭ не реже 1 раза в год.

Д л я того чтобы в состав группы приборов, представляющих МРЭ, был введен новый прибор, он должен удовлетворять следующим требованиям. Его переводный множитель должен быть исследован и определен независимым образом. Средняя квадратическая погрешность измерений не должна превосхо дить ±0,25% на уровне радиации = 1 0 3 Вт-м~ 2. Арифмети ческая погрешность ('сумма всех составляющих погрешности) не должна превышать ± 0, 5 %. Отклонение показаний от ре зультатов измерений с помощью приборов, входящих в МРЭ, не должно превышать ±0,25 %• Таким же требованиям должны удовлетворять региональные эталоны актинометрической сети ВМО [223].

Таким образом, можно констатировать, что Рабочей группой по радиационным измерительным системам проведена большая и полезная работа. Объединены усилия разработчиков абсо лютных пиргелиометров новых типов, разработано положение об абсолютном радиометре (пиргелиометре), выработаны прин ципы построения группового эталона и т. п.

Вместе с тем следует отметить, что в вопросах создания и хранения эталона не все еще решено. Некоторыми авторами публикуются данные, свидетельствующие об исключительно высоких качествах их приборов. Приводятся цифры С К О в сотых долях процента и ниже, точность обоснования шкалы 0,1 % и ниже. Однако фактические данные международных сравнений не свидетельствуют пока об этом. Так, при прове дении М С П I V имели место случаи исправления переводных множителей после сравнений (ПМО, А К Р ), отбрасывания части результатов сравнений (7;

15 октября 1975 г., для неко торых приборов другие дни), выборочного использования результатов более ранних сравнений и исключения официаль ных данных М С П I V (рекомендованный в состав МРЭ пирге лиометр К Р О М на М С П I V показывал разницу с П А К Р А Д 1,4 %, а затем вовсе не участвовал);

прибор АКР 310 не участ вовал в М С П IV, а оказался рекомендованным в состав МРЭ.

: Некоторые абсолютные радиометры показали большую неста бильность в период М С П IV. Это относится ко всем трем радиометрам типа П А К Р А Д, производства фирмы Эппли (их разброс показаний в отдельные дни достигал нескольких про центов), к радиометру В ил-сон а АКР 701 (во все дни до 1 % ), радиометру П М О 2, рекомендованному в состав МРЭ (21 ок тября среднеквадратическое отклонение более 1 % ).

Наблюдалось также изменение показаний П А К Р А Д 3, которое объясняется тем, что в первые дни сравнений вклю чение калибровочной мощности производилось через 60 с после отсчетов солнечной радиации. Оказалось, что этого мало.

Окончательно прибор стали калибровать через 180 с. Однако такое объяснение означает, что калибровочный фактор прибора зависит от времени ожидания процесса калибровки. Таким образом, подобное объяснение ставит под сомнение результаты предыдущих сравнений этого прибора, на которых основаны доказательства его высокой временной стабильности.

Результаты последних, пятых международных сравнений ( М С П V ), подтверждают вышесказанное. Из состава МРЭ выбыл прибор АКР 310, а пиргелиометр К Р О М работает в другом режиме.

Таким образом, вопросы метрологического обеспечения и хранения международного первичного эталона требуют еще серьезного внимания и решения.

• Глава Измерения солнечной постоянной Солнечная постоянная ( С П ) — энергетическая освещенность интегральным потоком солнечной радиации за пределами атмо сферы при среднем расстоянии от Земли до Солнца. Важность измерений этой величины для геофизики и метеорологии со стоит прежде всего в том, что ее изменения определяют изменения условий жизни на нашей планете. Современные исследования [57, 92, 93] свидетельствуют об отчетливой связи климата Земли с солнечной активностью в масштабе времени порядка сотен лет. Долговременные изменения солнечной по стоянной с амплитудой до 1 % могли бы привести к изменению средней температуры Земли на 1—2 К. Эти данные свидетель ствуют о весьма высоких требованиях к точности измерения солнечной постоянной, предъявляемых со стороны климато логии: суммарная погрешность должна быть порядка 0,1 % и даже менее. Такого же порядка требования к точности изме рений солнечной постоянной предъявляются разработчиками численных методов прогноза погоды, конструкторами косми ческих аппаратов и астрофизиками [9, 90, 113, 238].


Измерения этой величины с требуемой точностью стали осуществляться примерно в последние 20 лет, когда оказались возможными непосредственные заатмосферные измерения с по мощью аппаратуры, устанавливаемой на ракетах и космических летательных аппаратах. Тем не менее важные разработки измерительной аппаратуры и интересные результаты были полу чены и в ранний период исследований, когда производились измерения солнечной постоянной с земной поверхности, а тем более с воздушных летательных аппаратов. Учитывая это, в настоящей главе дается краткая характеристика всех этих исследований.

5.1. Наземные измерения Мы уже упоминали о том, что измерения солнечной посто янной с самого начального периода развития пиргелиометрии являлись одной из основных ее задач. Так, еще в 1832 г.

: Г. Форбс по измерениям солнечной радиации в горах нашел значение С П Е0 = 1960 Вт-м~ 2.

Следует отметить, что использованный при этих измерениях С П прибор Д. Гершеля назывался актинометром (от грече ского «актион» — луч). Он был прост по устройству и пред ставлял собой обычный термометр с зачерненным резервуа ром, но сыграл большую роль в истории актинометрических измерений: его созданием было положено начало целой об ласти актинометрических измерений.

Изобретатель пиргелиометра К. Пулье тоже производил наблюдения за энергией Солнца и пытался проэкстраполиро вать их за пределы атмосферы. В 1837 г. по данным наблю дений в Париже он получил Е0— 1332 Вт-м 2 [59, 178]. Уже из приведенных значений С П видно, как сильно они различа лись тогда между собой.

Систематические наблюдения за прямой солнечной радиа цией на достаточно большой сети высокогорных актинометри ческих станций с целью определения солнечной постоянной и ее изменений производились под руководством С. Ланглея и Ч. Аббота в Смитсоновском астрофизическом институте США.

Эти работы, составившие основу деятельности института за весьма длительный отрезок времени (с 1902 по 1962 г.), оказали большое влияние на развитие не только актинометрии, но и целого ряда смежных областей знаний. В Смитсоновском институте был разработан метод определения солнечной по стоянной, названный «долгим». По этому методу параллельно с регистрацией прямой солнечной радиации пиргелиометром производились спектрофотометрические измерения при помощи спектроболометра. Этот прибор давал относительные значения распределения плотности солнечного излучения в спектре Солнца (спетроболограмму). Д л я определения заатмосферных значений прямой солнечной радиации получали спектроболо граммы последовательно в различные часы до или после полудня. Результаты относились к соответствующим высотам Солнца, т. е. к массам атмосферы в момент наблюдения. Тогда при стабильности атмосферных условий в течение дня можно было использовать данные в избранных 34 спектральных интер валах для экстраполяции результатов на «нулевую» массу атмосферы, т. е. за ее пределы.

Сущность определения солнечной постоянной «долгим»

методом состоит в вычислении площади под сглаженной спек тральной кривой распределения энергии, приведении ее в соот ветствие с измеренной пиргелиометром, экстраполяции спект ральной плотности измеренной энергии за пределы атмосферы и увеличении ее на неизмеряемую 'энергию в У Ф и И К обла стях спектра. Последнее обусловлено тем, что в У Ф области энергия поглощается озоном, а в И К — водяным паром и другими компонентами земной атмосферы. Непосредственные : измерения с помощью епектроболометра со стеклянной приз мой охватывали спектральный диапазон только от 0,346 до 2,40 мкм. Инфракрасная поправка была определена путем специальных измерений спектра Солнца до 10,9 мкм и в зави симости от количества «осажденной воды» составляла 1—2 %.

Ультрафиолетовая поправка определялась по спектру излуче ния черного тела при Т = 6000 К с учетом поглощения в атмо сфере Солнца (фраунгоферовы линии и полосы). Значение этой поправки примерно вдвое больше (до 3,5%) значения инфра красной.

Заметим, что учет поглощения озона в видимой области спектра (полоса Шапюи) дает сравнительно малую поправку (0,2—0,4 % солнечной постоянной).

Впоследствии Абботом был разработан «короткий» метод определения солнечной постоянной, основанный на эмпириче ской связи ослабления излучения в атмосфере с яркостью околосолнечного ореола. Последняя измерялась специально приспособленным для этих целей пиранометром, получившим название ореольного фотометра.

При «коротком» методе только по одному наблюдению спектра Солнца и его ореола, пользуясь эмпирическими свя зями, находят количество «осажденной воды», а затем спект ральные коэффициенты прозрачности атмосферы, сглаженное заатмосферное распределение энергии в спектре Солнца и интегральную солнечную постоянную Е0.

Расхождения между результатами обработки измерений по обоим указанным методам не превышали +0,4 % [90]. В даль нейшем основные уточнения значений И К и особенно У Ф поправок производились на основе высотных исследований этих областей спектра Солнца, в том числе с помощью ракетных спектрографов.

Результаты проведенных Смитсоновским институтом изме рений широко использовались и продолжают еще использо ваться [274, 275] для исследования величин и характера ва риаций солнечного излучения. На их основе были определены, а затем непрерывно уточнялись значения солнечной постоян ной. К ним относятся, например, результаты Л. Олдрича и Ч. Аббота (1352 Вт-м" 2 ), Мульдерса (1359 Вт-м" 2 ), М. Николе (1381 В т - м - 2 ), Стейра и Джонстона (1428 В т - м - 2 [112, 138, 278 и др.]. Заметим, что последнее из указанных значений солнечной постоянной выходит из ряда потому, что оно привя зано не к Смитсоновской пиргелиометрической шкале (1932 г.), а к энергетическому эталону Н Б С США.

Критический пересмотр и анализ результатов наземных измерений Смитсоновского института, проведенный на современ ном научном уровне Д. Хойтом [94], показал, что полученные различными авторами как периодические, так и случайные вариации солнечной постоянной, достигавшие 1 %, могут быть : объяснены погрешностями учета состояния атмосферы при обработке результатов, калибровки измерительных приборов и введения поправок.

• В заключение отметим, что Н. Н. Калитин по данным наб людений за суммарной солнечной радиацией в Павловске в пе риод с 1912 по 1919 г. получил Е0 = 1330 В т - м - 2 в европейской шкале, что соответствовало 1376 В т - м - 2 в американской, 1350 В т - м - 2 в МПШ-56. Это значение, так же как и найденное В. Г. Фесенковым в 1931 г. по спектральным наблюдениям Солнца, достаточно близко к современным значениям [112].

5.2. Измерения солнечной постоянной с летательных аппаратов в пределах земной атмосферы 5.2.1. С 1966 г. под руководством А. Д ж. Драммонда (лабо ратория Эппли — Л Э ) и И. Лауэ (лаборатория реактивного дви жения — Л Р Д ) проводились измерения солнечной постоянной с использованием высотного самолета (летающей метеорологи ческой лаборатории) типа «Конвейр-990» ( K B ).

В период с 1967 по 1969 г. исследования солнечной постоян ной в С Ш А проводились особенно интенсивно: было осущест влено 13 удачных полетов на высотах от 11 до 15 км с исполь зованием не только самолета КВ-990, но и «Летающей кре пости» Б-57Б. Работы проводились исследователями Годдар довского центра космических полетов ( Г Ц К П ) (Крюгер, Дун кан и др.,), а также Л Э (Драммонд, Хики) и Л Р Д (Кендалл).

В то же время осуществлялись аэростатные измерения, в кото рых участвовали сотрудники Денверского университета (Меркри и др.) и Л Р Д (Вилсон) [138, 219, 220, 285 и др.].

При проведении совместных самолетных исследований Л Э и Л Р Д в качестве интегрального измерительного прибора использовался пиргелиометр Эппли—Ангстрема с кварцевым окном. Кроме того, специально для измерения прямого солнеч ного излучения с самолетов, а затем с космических объектов был разработан 12-канальный радиометр.

Каждый канал прибора имеет самостоятельное приемное устройство, а в качестве приемников во всех каналах исполь зуются малоинерционные медно-константановые термобатареи, изготавливаемые электролитическим способом. Девять каналов, имеющих угол поля зрения 15°, служат для фильтровых изме рений, один (с углом поля зрения 5°) предназначается для наведения всего прибора на Солнце, а два — для измерения интегральной энергетической освещенности прямой солнечной радиации.

Схематическое изображение приемных устройств каналов всех трех типов показано на рис. 5.1. Кварцевое окно 6 и соби рающая линза 4 одновременно обеспечивают и стабилизацию условий работы приемников (главным образом термостабили : зацию). Благодаря этому изменения чувствительности прием ных блоков не превышают 1 % во всем диапазоне измерений.

Постоянная времени интегральных каналов составляет при мерно 1 с [219].

Калибровка, каналов прибора и привязка их показаний к МПШ-56 производилась в наземных условиях путем сравнений по Солнцу с рабочим эталоном лаборатории Эппли А 7635. Д л я проверки работоспособности каналов использовался имитатор Солнца (ртутно-ксе,2 ноновая киловаттная лампа). Наземные ис пытания измеритель ной аппаратуры прово дились в условиях, близких к полетным.

Определялись функции влияния температуры и давления. Эти пара метры регистрирова лись в полете, а затем учитывались при обра ботке результатов. Учи тывалось также факти ческое состояние атмо сферы над самолетом (рэлеевское рассеяние и поглощение водяным паром).


На самолетах-лабо Рис. 5.1. Схема устройства приемного блока -12~канального радиометра (РИРБЗ). раториях, кроме того, устанавливался широ J и 2 — и н т е р ф е р е н ц и о н н ы е ф и л ь т р ы, 3 — прием ники, 4 — к в а р ц е в а я л и н з а, 5 — к в а р ц е в а я пла кий комплекс спект стинка, 6 — к в а р ц е в о е окно.

ральных приборов, поз воливший получить уникальную информацию о спектральном распределении солнечного излучения [220].

В С Ш А при Национальной администрации по космическим исследованиям (НАСА) с целью установления стандартов рас пределения энергии в спектре солнечного излучения и солнеч ной постоянной был создан специальный Комитет по солнечной электромагнитной радиации. Этот комитет, в состав которого вошли известные исследователи М. Текаекара, Д. Меркри, Э. Лауэ, Р. Вилсон и др., основываясь, главным образом, на анализе результатов самолетных спектральных и интегральных, а также аэростатных измерений прямой солнечной радиации, в 1969 г. установил стандартное значение С П 0 = 1353 + + 21 Вт-м~ 2 (1,940 кал-см - 2 -мин - 1 ). В перигелии и афелии средние энергетические освещенности прямой солнечной ра диации на границе атмосферы установлены следующие!.сп — : = 1399 и а = 1309 В т - м - 2 [278]. Стандартное распределение энергии E0f, в спектре Солнца было определено в виде таблицы и представлено графически (см. рис, 2.1).

Заметим, что широко используемое в литературе значение С П 0 = 1395,6 В т - м - 2 (2,0 кал-см - 2 -мин - 1 ) было получено Ф. Джонсоном, а официально утвержденное ВМО значение Е 0 = 1382 Вт-м~ 2 (1,98 кал• см-2• мин -1 ) — М. Николе еще в на чале 50-х годов.

5.2.2. Весьма ценная информация о солнечной постоянной была получена и продолжает получаться в настоящее время с помощью аэростатов, дрейфующих на высотах 28—36 км, т. е.

выше максимума озонного слоя. Важной особенностью аэро статных измерений солнечной постоянной является их большая длительность и сравнительно малое влияние набегающего по тока воздуха.

Исторически первые измерения солнечного излучения с аэро статов были выполнены сотрудниками Ленинградского госуни верситета под руководством К. Я. Кондратьева [93, 96]. Ими был создан комплекс аппаратуры для измерений физических характеристик атмосферы, в том числе энергетической освещен ности. Последние выполнялись с помощью актинометров типа Янишевского. С 1964 г. использовались два термоэлектрических актинометра, один из которых был открыт, а второй был заключен в герметический корпус с тонким кварцевым окном.

Это позволяло учесть влияние изменений давления и темпера туры на показания открытого прибора. Было установлено, что поправки на температуру зависят от измеряемой радиации.

В лаборатории они определялись при Е ж Е 0 (около 1400 В т Х Х м - 2 ). Температура корпуса актинометра в полете измеря лась платиновым термометром.

Привязка актинометров к МПШ-56 производилась по Солнцу путем сличений с эталонным пиргелиометром С С С Р А 212 через образцовые актинометры Г Г О [94]. При калибров ках и лабораторных испытаниях полетных приборов авторами принимались меры, позволяющие устранить выявленные ими зависимости результатов от влажности атмосферы и абсолют ной величины энергетической освещенности. Предельная по грешность измерений оценивалась авторами шириной полосы неопределенности в пределах 1,5 % (вклад погрешности учета температурных влияний 0,8%, пропускания окна и атмосферы 0,2%, привязки к абсолютной шкале 0,5%). Поправки на поглощение атмосферой и окном составляли: в У Ф области (А 0,3 мкм) 9,769 Вт-м- 2, в И К области (А 3,7 мкм) 13,956 Вт-м - 2. Атмосферное ослабление определялось посред ством экстраполяции по массе атмосферы либо по модельным характеристикам слоя выше 30—34 км (полеты 1962— и 1969—1970 гг.), либо по фактическим данным (полеты 1967—1968 гг.). Последние полеты выполнялись при дрейфе 10 Заказ № 202 аэростата в течение нескольких часов, что позволяло получать зависимость П С Р от массы атмосферы. Измеренное в этих полетах наиболее достоверное среднее значение Е0 = 1356 В т Х Х ' м - 2 (1,943 кал-см - 2 -мин- 1 ).

Отметим, что перевод этой величины в шкалу МРЭ, осуще ствленный К. Фрелихом [275], дал 0 = (1376 + 18) Вт-м~ 2, тогда как по оценке авторов [94] Е0 = 1371 Вт-м~ 2, а неопре деленность этого результата составляет ± 7 В т - м - 2.

При аэростатных исследованиях, производившихся группой исследователей С Ш А под руководством Д. Меркри, измерения С П выполнялись с помощью двух специальных пиргелиомет ров Эппли, привязанных к эталону Эппли—Ангстрем № 8420.

Во всех трех запусках приборы устанавливались в двойном герметизированном термостате, что исключало необходимость введения поправок на изменение эксплуатационных условий.

Поправки на поглощение кварцевого окна (A 0 = + ll,8 В т Х Х м - 2 для Я 4 мкм) и атмосферы {АЕ0 — +24,4 В т - м - 2 для #=31 км) вводились в результаты измерений. Среднее зна чение С П составило Е0 = 1339 В т - м - 2 при погрешности ±0,4 % (±5,3 Вт-м- 2 ) [112].

Интересно отметить, что в 1967 и 1968 гг. измерения С П производились как сотрудниками Ленинградского госуниверси тета, так и сотрудниками Денверского университета. Сравнение полученных ими результатов показывает, что до введения поправок различия данных составляли всего 0,1 %, тогда как конечные результаты различались почти на 1 % (если сравни вать с уточненными данными Л Г У ). Это объясняется [94, 119] недооценкой группой Меркри влияния нелинейности показаний аэростатных пиргелиометров.

Измерения С П с помощью абсолютных приборов впервые были осуществлены группой Р. Вилсона ( Л Р Д ) в 1968 г. при запуске аэростата на высоту 25 км. Измерения производились с помощью пиргелиометров типа АКР 2. Каждый прибор поме щался в свою вакуумированную оболочку с кварцевым окном.

Обе эти оболочки были объединены в единый термоизолиро ванный блок, который устанавливался на следящей системе.

Последняя осуществляла непрерывную наводку приборов на Солнце. Перед окнами приборов помещался вращающийся экран со свободным отверстием и фильтрами. В комплект приборов входил компактный вакуумный насос, обеспечивав ший постоянство давления в оболочках приборов, а также устройство для измерения температуры оболочек. Результаты измерений передавались по телеметрическому каналу. Про граммное устройство обеспечивало повторение циклов измере ний (без фильтра в течение 6 мин, с фильтрами по 12 мин) через каждые 72 мин. За один полет получалось до 40 серий измерений на предельной высоте. Погрешность слагается,, главным образом, из погрешностей телеметрического измерения : сопротивления и напряжения спирали замещения (R = 660 ± + 0,5 Ом, « 3 = ( 1 -.. 25)+0,025 В). В результаты измерений вводились поправки, учитывающие ослабление радиации окном и атмосферой.

Спектральное пропускание кварцевых окон п измерялось до и после полета, причем обнаруживалось существенное раз личие этих значений, достигавшее почти 3 %. Ввиду невозмож ности установления времени появления загрязнения окон бра лось среднее значение п. по спектру, разделенному на 37 интер валов. Средние значения п = 0,8990 + 0,0122 и т2 = 0,8945 + + 0,0166.

Спектральное пропускание атмосферы определялось для тех же 37 спектральных интервалов, причем учитывалось молеку лярное и аэрозольное рассеяние, а также ослабление озоном, углекислым газом, водяным паром и другими газовыми компо нентами. Вычисления производились для четырех моделей распределения энергии в спектре Солнца (Арвезена, Текаекара, Лабса и ^Неккеля и осредненной модели). Оказалось, что расхождения в расчетах с использованием этих моделей дости гают 3,2 %• В качестве окончательного значения бралось среднее из рассчитанных значений. Интегральное значение прозрачности для первого прибора оказалось pi = 0,9763 + + 0,0024, а для второго р2 = 0,9765 + 0,0024.

Средняя относительная погрешность результатов составила около + 2 %. Д л я первого прибора было получено Ео = = 1366 + 28 Вт-м- 2, а для второго Е'о = 1373 + 22 Вт-м~ 2.

В следующем, 1969 г., Р. Вилсоном по такой же методике на высоте 36 км были произведены аэростатные измерения С П с помощью более совершенного прибора, АКР 3, и получено значение Е0= 1366 + 7 В т - м - 2 (в собственной шкале при бора) [285].

Измерения С П с аэростата, отличающиеся тщательностью предполетного метрологического обеспечения, были выполнены под руководством К. Фрелиха на высотах 32—34 км в июле 1979 г. [226]. Измерения интегральной энергетической осве щенности в течение примерно 5 часов полета (при атмосфер ных массах т от 1,2 до 3,5) производились с помощью пирге лиометров типа П М О 6. На ориентировавшейся по Солнцу платформе было установлено три аналогичных измерительных прибора. Результаты измерений (выходные напряжения) пере давались по телеметрической системе. При их обработке учи тывалось содержание озона в верхней атмосфере. Кроме ослабления солнечного излучения, принималось во внимание влияние собственного излучения атмосферы в И К области.

Предполетное метрологическое обеспечение включало в себя полную метрологическую аттестацию каждого прибора.

Оценки составляющих погрешности приведены в табл. 5.1.

10* Таблица 5. Оценки составляющих погрешности аэростатного измерения СП Абс. величина, В т - м - Источник погрешности Отн. величина, % 0, ±3, Методика аттестации пиргелиометра 0, ±0, Измерения выходного напряжения 0, Учет поглощения атмосферы ±1, Учет ИК излучения атмосферы 0, ±0, 0, Экстраполяция за пределы атмо- ±0, сферы Привязка к единицам шкалы МРЭ 0, ±0, 0, ±5, Суммарное значение Исправленные результаты измерений энергетической осве щенности на высоте полета аэростата, в зависимости от массы атмосферы, наносились на общий график, а затем линейно экстраполировались за пределы атмосферы (до т — 0). Сред нее значение измеренной величины было oi = 1360 ± 5 В т - м - 2, а С П 0 = 1366 + 5 Вт-м- 2.

Измерения по аналогичной методике при полете аэростата на высотах 33—34 км над Южной Францией были повторены Р. Бруса и К. Фрелихом в июле 1980 г. Суммарная погреш ность прибора П М О 6, по которому производились непрерыв ные отсчеты,, оказалась несколько меньше (±0,345 %) а по тому полученное значение С П было более точным: Е0 — = 1366,8 + 4,8 Вт-М" 2.

Авторы [226] предполагают проводить подобные аэростат ные измерения в течение 11-летнего цикла солнечной ак тивности.

5.3. Измерения за пределами атмосферы Измерения С П за пределами атмосферы, как мы уже отме чали, позволяют исключить ослабление излучения — основной для атмосферных измерений источник погрешности окончатель ного результата — и считать заатмосферные измерения в этом смысле не косвенными, а прямыми. Трудности таких измерений, однако, вызывают появление дополнительных погрешностей, связанных с существенным воздействием как методических, так и аппаратурных или эксплуатационных факторов. Кроме того, как показал опыт первых исследований, весьма сложно обес печить достаточно надежное функционирование аппаратуры на борту заатмосферных (космических) носителей. Вследствие этого задача получения высокоточных значений С П, а особенно ее долговременных вариаций, еще полностью не решена.

: Однако имеются все основания надеяться на ее успешное реше ние в ближайшем будущем на базе как уже существующей, так и более совершенной космической пиргелиометрической техники.

Первые прямые измерения солнечной постоянной были про изведены в 1967 г. на высотах 78—81 км с борта самолета ракеты Х-15 под руководством А. Драммонда ( Л Э ). Измере ния производились с помощью рассмотренного ранее 12-ка нального радиометра (см. п. 5.2). Прибор устанавливался в,реконструированном приборном отсеке (гондоле) на крыле самолета-ракеты. Крышка люка открывалась пилотом, который производил и наводку прибора на Солнце (по сигналам дат чика ориентации). Измерительная и служебная информация, в том числе точность наводки, регистрировалась самописцем на ленте. В результате обработки материалов, полученных в течение 81 с полета, Лауэ и Драммонд получили Е0 — = 1360+ 14 В т - м - 2 (в МПШ-56) [251]. При этом, однако, как было установлено позже [225], не строго учитывалось ослабление окнами излучения, измерявшегося широкоуголь ными интегральными каналами, а кроме того, поправка на влияние ореола при калибровке этих каналов по пир гелиометру Эппли—Ангстрема была завышена на 0,7%.

Учет этих изменений приводит к о=1357±14 В т - м - (в МПШ-56) или 0 =1385±14 Вт • м~2 (в шкале М Р Э ) [225].

За пределами атмосферы с космических аппаратов ( К А ) «Маринер-6 и 7», запущенных к Марсу в 1969 г., а также с метеорологического искусственного спутника Земли ( М И С З ) «Нимбус-6», запущенного в 1975 г., были произведены много кратные измерения С П [225, 265, 275, 276 и др.].

Измерения на КА «Маринер-6» производились на протяже нии нескольких месяцев. За это время КА удалился от Земли на расстояние в несколько десятков миллионов километров.

На К А был установлен прибор, идентичный А К Р 1, который был назван температурно-контролируемым измерителем радиа ции ( Т К И Р ). Приемником лучистой энергии в этом приборе служила зачерненная коническая полость (рис. 5.2), темпера тура которой в процессе измерений удерживается на уровне температуры массивного теплостока. Д л я упрощения схемы автоматического управления приборы не имели цепи замеще ния. Они калибровались по А Ч Т (в шкале Н Б С ). Результаты измерений записывались с интервалом 7 мин в течение 145 дней (спустя примерно 2 мес после запуска К А ). Это делалось с целью слежения за изменениями С П во времени. При работе прибора, однако, обнаружилось дрейфовое изменение показа ний. Это задержало и усложнило обработку результатов, выполнявшуюся группой исследователей Л Р Д под руководством Д. Пламондона. Основываясь на нулевых отметках, ими было : учтено изменение показаний прибора за счет дрейфа и полу чена исправленная запись результатов за все дни измерений.

Отсчеты в наиболее характерные дни за весь период записи информации, обработанные Пламондоном, представлены на рис. 5.3. Исправленное среднее из результатов измерений С П Рис. 5.2. Схема приемной части прибора ТКИР (АКР 1).

1 — корпус, 2 — теплосток, 3 — регулировочный винт, 4 — обмотка термометра, 5 — термоэлемент, 6 — нагрева т е л ь и термометр конуса, 7 — н а г р е в а т е л ь корпуса, 8 — с т е к л я н н а я опора конуса.

на КА «Маринер-6 и 7» составило Е0 = 1352 + 14 В т - м - 2 [275] (в шкале И Б С ).

Анализ методики предполетной подготовки приборов типа Т К И Р [225], однако, показал, что использованное Пламондо ном значение коэффициента поглощения конуса а п = 0, -следует, учитывая результаты более поздних исследований по % +0, о -0, -0,4,п, W ВО ВО 100 120 НО 160 180 200 дни Рис. 5.3. Изменения во времени солнечной радиации по измерениям на «Мари нер-6» от 40-го до 220-го дня полета в 1969 г.

добных полостей, уменьшить до а п = 0,991. Введение этой коррекции увеличивает С П до 0 = 1362 + 18 Вт-м - 2.

Еще более длительные измерения СП, (около 2 лет, в 1976, 1977 и 1978 гг.) производились на МИСЗ «Нимбус-6». В этом эксперименте данные о С П получались с помощью радиометра для измерений радиационного баланса земли (РИРБЗ). Аппа ратура разрабатывалась группой исследователей Л Э под руко водством А. Драммонда и Д. Хики [275, 240]., причем ее прототипом, как указывалось, служил 12-канальный радиометр.

Аппаратура РИРБЗ, устанавливавшаяся на МИСЗ, имела 22 канала, 10 из которых предназначались для получения : информации о приходной части РБЗ. В их числе было 7 спект ральных и 3 интегральных канала — один без фильтра (ка нал 3) и два с кварцевыми фильтрами (каналы 1 и 2)..

В канале 3 измерялась энергетическая освещенность в спект ральном интервале 0,2—50 мкм, а в каналах 1 и 2 — примерно от 0,2 до 4 мкм (табл. 5.2). Первый из них служил в качестве контрольного и включался 1 раз в месяц. Последние два канала были узкоугольными, а канал 3 —• широкоугольным:

(угол поля зрения 10°, как показано на рис. 5.1). Приемниками всех солнечных каналов аппаратуры РИРБЗ «Нимбус-6», как и в 12-канальном радиометре, служили тороидальные метал лические термостолбики, изготовленные лабораторией Эппли ( Л Э ). Каналы калибровались в вакууме с помощью имитатора Солнца, а также ио Солнцу путем сравнения с показаниями образцового пиргелиометра Л Э, снабженного кварцевым окном_ Пиргелиометр Л Э был метрологически привязан к абсолют ному радиометру (пиргелиометру) ЭПАК.

Измерения С П с помощью аппаратуры РИРБЗ производи лись одновременно с регистрацией РБЗ. Вся аппаратура в на чале работы ИСЗ включалась на двое суток с таким же перерывом в работе, а затем стала действовать непрерывно.

Характеристика солнечных каналов аппаратуры РИРБЗ' и средних значений полученных ими результатов измерений содержится в табл. 5.2 [239].

Таблица 5.2" Солнечные каналы РИРБЗ и полученные результаты Результат, В т - м - № канала Длина волны, мкм Фильтр Плавленый кварц 0,18-3, 0,18-3,8 То же 0,20-50,0 Нет 969, 4 0,526-2,8 Стекло 675. 0,698-2, 205. 0,395-0,508 Интерференц „ 160, 0,344—0, 109, 0,300-0, 55,2:

0,275-0, 24,2:

0,252—0, В процессе работы аппаратуры РИРБЗ на М И С З «Ним бус-6» было замечено изменение чувствительности всех кана лов, обусловленное, по-видимому, действием космических факторов (УФ, микрометеоры и др.). В течение первых 6 мес изменения интегральной СП, по данным канала 3, не превосхо дили 0,25%, тогда как через год они достигли 0,4%. По дан ным канала 1, дрейф за 18 мес составил 10,3 % по отношению 15 Г к контрольному каналу 2. Частично этот дрейф был объяснен изменением наведения приборов на Солнце [243].

Анализ методики градуировки интегральных каналов аппа ратуры РИРБЗ, проведенный К. Фрелихом [225], показал, что для перевода результатов измерений, получаемых по этим каналам, в единицы шкалы МРЭ, необходима следующая кор рекция: данные канала 3 должны быть уменьшены на 0,25 %, а данные каналов 1 и 2, для более полного учета части энер гии, срезаемой кварцевыми фильтрами,— увеличены на 1 %.

Учитывая эту редукцию, а также результаты последующих ракетных сравнений, определенное Хики по интегральному каналу 3 чрезвычайно высокое среднее значение oi = Рис. 5.4. Изменения во времени солнечной радиации по измерениям на «Ним бус-6» от 180-го до 360-го дня полета в 1975 г.

= 1392 В т - м - 2 должно быть снижено до = 1388 ± 1 4 В т Х Х м - 2, а полученное по каналам 1 и 2 01 = 1370 В т - м - 2 — повышено до Е0= 1387 ± 14 В т - м - 2 (в единицах шкалы МРЭ).

Зарегистрированные на «Нимбус-6» временные изменения солнечной постоянной за вторую половину 1975 г. показаны на рис. 5.4! Из него видно, что эти изменения не выходят за пре делы погрешностей измерений (0,2%, или 3 В т - м - 2 ). Кроме того, Хики указывает на то, что медленные изменения, как, на пример, изменение С П от максимума до минимума между и 340 днями полета, объясняются имевшими место колеба ниями положения КА [243].

С целью повышения надежности работы измерительной аппаратуры РИРБЗ, установленной на следующем спутнике, «Нимбус-7» (запущен в 1978 г.), был введен канал 10 для абсолютных измерений СП. Он представляет собой прибор Е С П со сложной (конус в цилиндре) приемной полостью. Коэффи циент поглощения полости, измеренный в НБС, ац = 0,999.

Спираль замещения намотана на цилиндрической части при емника. Угол поля зрения ограничен 10°. Другие каналы при боров РИРБЗ аналогичны.

На «Нимбус-7» аппаратура РИРБЗ включается на время полета по одному витку за каждые сутки. В процессе работы : был замечен температурный дрейф каналов, который учиты вался при обработке результатов.

За 6 мес работы канал 10 показал хорошую стабильность, чувствительности (в пределах 0,2 % по калибровочной мощ ности). Погрешность измерений С П по этому каналу оцени вается не более ±0,5 %.



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 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.