5.1. Измерение прямой солнечной радиации

Для измерения прямой солнечной радиации используется один из двух приборов – компенсационный пиргелиометр или термоэлектрический актинометр. Компенсационный пиргелиометр является абсолютным прибором, термоэлектрический актинометр – относительным. Основным прибором для актинометрических измерений на метеорологической сети является термоэлектрический актинометр. Пиргелиометр используется в лабораторных условиях для калибровки актинометров.

Рассмотрим устройство компенсационного пиргелиометра. Его внешний вид показан на рисунке 5.1. Трубка длиной около 15 см ориентируется на Солнце. В крышке трубки (1) сделаны два отверстия прямоугольной формы (2). Внутреннее устройство пиргелиометра и его электрическая схема показаны на рисунке 5.2. Внутри трубки находятся две черные пластинки (3) и (3’), размер которых точно совпадает с размером отверстий в крышке прибора. Одно из отверстий во время измерений закрывается. Тогда солнечная радиация нагревает только одну из пластин. Вторая пластина нагревается электрическим

Рисунок 5.1. Внешний вид пиргелиометра.

током, для чего ключ К ставится в соответствующее положение. Переменный резистор R позволяет регулировать ток, протекающий по пластине, и таким образом регулировать её температуру. Разность температур между пластинами контролируется термопарой (4), подключенной к гальванометру G.

Рисунок 5.2. Схема компенсационного пиргелиометра.

Наблюдатель во время измерений должен добиться такого состояния, чтобы разность температур между пластинами была бы равна нулю, то есть, чтобы гальванометр показывал бы нулевой ток в цепи термопары. Это означает, что поток тепла в единицу времени J₁ на первую пластину (которая нагревается солнечной радиацией), равен потоку тепла J₂, выделяющемуся во второй пластине, благодаря прохождению тока по ней. Эти потоки можно выразить, как:

(5.1)

и , (5.2)

где δ – коэффициент поглощения солнечной радиации первой пластиной (если пластина черная, то можно считать δ = 1);

S – прямая солнечная радиация;

s – площадь пластины;

i – ток, нагревающий вторую пластину;

r – её электрическое сопротивление.

Приравняв потоки J₁ и J₂, имеем:

, (5.3)

откуда легко выразить прямую солнечную радиацию S:

. (5.4)

Или, обозначив постоянный множитель:

, (5.5)

приходим к выражению:

. (5.6)

Величину тока i, протекающего по пластине, измеряют с помощью миллиамперметра ( ), включенного в цепь последовательно с пластиной.

Достоинством этого прибора является то, что он, также как и все абсолютные приборы, не требует калибровки. Постоянный множитель k определяется по формуле (5.5) перед измерениями.

Термоэлектрический актинометр (рис. 5.3 а) входит в состав актинометрической установки УАР (установка актинометрическая регистрирующая), выпускаемой промышленностью и используемой на метеорологической сети.

Принцип действия термоэлектрического актинометра основан на поглощении прямой солнечной радиации зачерненным диском, соединенным с нечетными спаями термобатареи. Четные спаи термобатареи соединены с медным кольцом, находящимся в тени. Медное кольцо имеет температуру окружающего воздуха, а черный диск нагрет до несколько большей температуры, так как на него падает прямая солнечная радиация. Легко показать, что разность температур спаев термобатареи определяется значением прямой солнечной радиации. С другой стороны, термобатарея преобразует эту разность температур в электрический ток, измеряемый гальванометром. Таким образом, ток находится в прямой зависимости от прямой солнечной радиации.

а) б)

в)

Рисунок 5.3. Термоэлектрический актинометр М-3 (АТ-50).

1 - зачерненный диск, 2 - медное кольцо, 3 - термобатарея,

4 - последовательно сужающиеся диафрагмы, 5 - металлический цилиндр (корпус), 6 - отверстие в диске для наведения актинометра на солнце, 7 – точка на корпусе прибора.

Устройство термоэлектрического актинометра показано на рисунке 5.3 (б, в). Приемником радиации служит диск из серебряной фольги (1), зачерненный со стороны, обращаемой к солнцу. С другой стороны диска через изолирующую прокладку приклеены нечетные спаи термобатареи (3), состоящей из 52 элементов, соединенных последовательно. Четные спаи термобатареи подклеены через изолирующую прокладку к медному кольцу (2). Элементы термобатареи состоят из манганиновых и константановых полосок, изолирующие прокладки сделаны из папиросной бумаги, пропитанной шеллаком. Выводы термобатареи соединены проводами с гальванометром. Вся эта конструкция помещена в металлический кожух (5) - цилиндр, внутри которого вставлены последовательно сужающиеся диафрагмы (4). Благодаря им, световой поток падает только на зачерненный диск (1). Для нацеливания актинометра на солнце предусмотрено отверстие в ободке трубы (6) и точка на корпусе прибора (7). При точной наводке световой луч, пройдя через отверстие (6), должен попасть в точку. Установка актинометра осуществляется поворотом винтов штатива, на котором закреплен сам актинометр.

Градуировка актинометра проводится вместе с гальванометром или без него.

В первом случае рассчитывается прямая солнечная радиация (S) по формуле (5.7).

Во втором случае в паспорте прибора указывается величина его чувствительности, т.е. изменение ЭДС термобатареи при единичном изменении (на 1 кВт/м²) потока радиации.

В первом случае обычно указывают переводной множитель актинометра – k, зная который можно по показаниям гальванометра определить величину прямой солнечной радиации S по формуле:

(5.7)

где – показания гальванометра в делениях при измерении;

 – показания гальванометра при закрытой крышке (место нуля);

k – переводной множитель, имеющий размерность кВт/м²·дел.

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

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