ГМИ методичка

(пиранометр), переключатель S2 в положение «Гальванометр вкл.» (рис. 8.7). Проведите настройку аналогично п. 1. Найдите место нуля. Устанавливая те же напряжения на ЛАТРе, проделайте те же операции, что и с актинометром (п.п. 3–4). По окончанию работы

спиранометром, закройте его металлическим колпачком.

6.Измените снова угол наклона осветителя, наведите осветитель на балансомер. Поставьте переключатель S1 в положение «Б» (балансомер), переключатель S2 в положение «Гальванометр ВКЛ.» (рис. 8.7). Проведите настройку пучка света на балансомер согласно п. 1. Найдите место нуля. Далее проделайте те же операции, что

сактинометром и пиранометром (не забывайте переключать тумб­ лер S2 с гальванометра на самописец). По окончанию работы с балансомером, закройте его металлическим колпачком.

8.3.Обработка результатов

1.По формуле 8.1 рассчитайте прямую солнечную радиацию, измеренную актинометром, пользуясь известным значением перевод­ ного множителя актинометра с гальванометром (kag = 0,0141 кВт/ м2дел). По постройте график зависимости светового потока от подаваемого напряжения на ЛАТРе S'(U).

2. Определите переводной множитель актинометра в паре с КСП-4 – kas. Поскольку световой поток в процессе измерений не изменялся, справедливым является следующее равенство:

Проведите расчет по формуле (8.7) несколько раз – столько, сколько отсчетов сделано в работе, а затем определите переводной множитель, как среднюю величину.

3. По известному значению переводного множителя пиранометра в паре с гальванометром (kpg = 0,00420 кВт/м2дел) и формуле (8.2) найдите значения рассеянной солнечной радиации, измеренное пиранометром. Постройте график зависимости светового потока от подаваемого напряжения на ЛАТРе D(U) и определите

101

переводной множитель для пиранометра в паре с КСП-4, используя формулу, аналогичную формуле (8.7).

4. По формуле, аналогичной 8.2 и по известному переводному множителю (kbg = 0,00083 кВт/м2дел), рассчитайте значения радиационного баланса, измеренное балансомером. Постройте зависимость светового потока от подаваемого напряжения на ЛАТРе B(U) и определите переводной множитель для балансомера в паре с КСП-4, используя формулу, аналогичную формуле 8.7.

8.4. Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1.Краткие сведения из теории.

2.Описание операций, выполненных Вами в работе.

3.Таблицу отсчетов по гальванометру для каждого датчика при разных напряжениях на ЛАТРе. Значения S', D, B рассчитанных по формулам.

4.Графики величин прямой солнечной радиации, рассеянной радиации и радиационного баланса в зависимости от напряжения на ЛАТРе.

5.Таблицу отчетов по КСП-4 для каждого датчика при разных напряжениях на ЛАТРе.

6. Переводные множители для всех датчиков в комплекте с КСП-4.

8.5. Контрольные вопросы

При сдаче коллоквиума по данной работе требуется знание следующих приборов:

––компенсационного пиргелиометра,

––термоэлектрического актинометра,

––балансомера,

––гелиостата.

Обращаем Ваше внимание, что не все эти приборы отражены в описании в достаточной степени. Поэтому при подготовке к коллоквиуму обязательно ознакомьтесь со всеми приборами по книгам [1, 3] и по конспекту лекций [2]. Также рекомендуем ознакомиться

сматериалами виртуальной лаборатории ГГО [4].

1.Какие актинометрические приборы используются в метеорологии?

102

2.Какие способы измерения актинометрических величин Вам известны? Сравните их по чувствительности и спектру длин волн измеряемого диапазона.

3.Что такое относительные и абсолютные приборы? Какие из актинометрических приборов относятся к абсолютным, а какие –

котносительным?

4.Изобразите по памяти схему компенсационного пиргелиометра и объясните его действие.

5.Почему в компенсационном пиргелиометре используются два измерительных прибора?

6.Почему в компенсационном пиргелиометре нет ветровой погрешности?

7.В каких случаях целесообразно использовать компенсационный пиргелиометр, а в каких – актинометр?

8.Изобразите схему термоэлектрического актинометра и объясните его действие.

9.Как осуществляется наводка актинометра на солнце?

10.Какова роль ограничительных диафрагм в актинометре? Почему используется несколько диафрагм?

11.Что такое переводной множитель для актинометра? Зависит ли его значение от того, какой регистрирующий прибор используется в измерениях – гальванометр или самописец КСП-4?

12.Почему актинометр не имеет ветровой погрешности?

13.Изобразите схему пиранометра и объясните его действие. Какие актинометрические величины можно измерить с его помощью?

14.Каковы поглощательные свойства сажи и магнезии?

15.Почему суммарная радиация обычно не измеряется пиранометром, а вычисляется суммированием прямой и рассеянной радиации, измеренной актинометром и пиранометром соответственно?

16.Какой элемент в конструкции пиранометра позволяет избежать ветровой погрешности?

17.Чтотакоепереводноймножительдляпиранометра?Зависит ли он от использования того или иного регистрирующего прибора?

18.Каким образом можно измерить альбедо подстилающей поверхности с помощью пиранометра?

19.Изобразите схему балансомера и объясните его действие.

20.Как уничтожается ветровая погрешность балансомера?

21.Какие радиационные потоки действуют на верхнюю пластину балансомера, а какие – на нижнюю?

103

9. Струнный микробарометр. Лабораторная работа № 9

Цельработы–изучениепринципадействияприбораиегокон- струкции, приобретение навыков эксплуатации микробаро­ метра­ , обработки результатов измерения.

9.1. Принцип действия струнного микробарометра

Струнный микробарометр СМБ-1 предназначен для измерения атмосферного давления и его изменений с высокой степенью точности. Прибор снабжен устройством полуавтоматической регистрациивыходногосигнала.Чувствительнымэлементоммикробаро­ мет­ ­ ра являются два сильфона, из которых выкачан воздух. Сильфоны расположены на одной оси и закреплены на противоположных концах рамы (рис. 9.1). Между сильфонами (2) натянута вольфрамовая струна (1).

Собственная (резонансная) частота колебаний струны f определяется длиной l, массой m, и силой натяжения F в соответствии с формулой:

При изменении атмосферного давления меняется натяжение струны и, следовательно, резонансная частота ее колебаний. Струна устанавливаетсямеждуполюсамипостоянногомагнита.Приколебаниях струны в ней индуцируется электродвижущая сила (ЭДС). Эта ЭДС является переменной и имеет ту же частоту, что и колебания самой струны. Следовательно, измеряя частоту сигнала (ЭДС), можно определить натяжение струны, а значит, атмосферное давление.

Однако, в конструкции, изображенной на рис. 9.1, колебания струны могут быть только затухающими. Иными словами, если кто-то потянет за струну и возбудит в ней колебания, то они скоро затухнут. Для того, чтобы колебания были бы незатухающими, собран струнный генератор, изображенный на рис. 9.2. Его основой

105

Рис. 9.1. Первичный преобразователь струнного микробарометра: 1 – струна; 2 – сильфоны; 3 – полюса магнита; 4 – рама; 5 – регулировочное устройство

Рис. 9.2. Струнный генератор

является та же струна, расположенная между полюсами магнитов. Концы струны соединены с усилителем через конденсатор С1.

Свыходаусилителячастьвыходногосигналасноваподаетсяна струну через цепочку обратной связи C2–R2.

При включении усилителя любой сигнал, возникающий на его входе будет усилен. Так как в любом проводнике – в том числе и в струне – существуют флуктуации электронной плотности (шумо-

106

вой ток), то этот шумовой ток также усиливается. Через цепочку обратной связи усиленный сигнал снова попадает на струну, по струне течетток,онаотклоняетсявмагнитномполе.Нопридвиженииструны в магнитном поле возникает наведенный ток, он также усиливается, усиленный сигнал снова попадает на струну и она продолжает отклонение. За счет упругих свойств струны отклонение рано или поздно меняет знак, ток также меняет знак. Таким образом, отклонение вызывает ток, а ток вызывает отклонение. Эта положительная обратная связь работает до тех пор, пока включен усилитель. Значит, струна все время находится в колебательном движении и на выходе все время наблюдается переменный ток с частотой собственных колебаний струны.

Частота собственных колебаний струны связана с атмосферным давлением следующим соотношением:

Достоинством струнных преобразователей давления является малое перемещение подвижных частей по сравнению с теми, которые мог бы иметь сильфон при отсутствии струны. Вертикальная деформациясвободногосильфонавдиапазонеизмеренияатмосферного давления составляет несколько миллиметров, а в сочетании со струной линейные размеры сильфона изменяются всего на несколько микрометров. Таким образом, из всей развиваемой сильфоном силы лишь ничтожная часть идет на деформацию самого сильфона, а остальное передается струне. Поэтому погрешности, вызываемые остаточной упругой деформацией материала, из которого изготовлен сильфон – упругий гистерезис и упругая остаточная деформация – уменьшаются в десятки раз.

Правда, относительная чувствительность струнных преобразователей довольно низкая, что не позволяет использовать для регистрации частоты стандартные частотомеры. Для повышения относительной чувствительности используется дифференциальный метод измерения. Он заключается в том, что измеряется не сама частота f выходного сигнала, а разность между этой частотой и частотой опорного сигнала fref, которая выбрана постоянной и близкой

107

Рис. 9.3. Блок-схема дифференциального метода

к величине частоты f. Тогда блок-схема измерительной части струнного микробарометра может быть изображена в виде (рис. 9.3).

Опорная частота является строго постоянной величиной. Для генерации опорного сигнала в струнном микробарометре собран специальный опорный кварцевый генератор со сменными кварцами, что дает возможность использовать разные опорные частоты при измерениях. Оба сигнала – измерительный и опорный – подаются на балансный смеситель, который выделяет сигнал с частотой,

равной модулю разности f − fref . В дальнейшем измеряется имен-

но эта разность частот. Докажем, что при таком методе измерения относительная чувствительность прибора многократно возрастает.

По определению, относительная чувствительность при прямом измерении равна отношению абсолютной чувствительности к величине выходного сигнала, т. е.:

При относительном методе измерения выходной величиной являет-

Выполняя дифференцирование разности ( f − fref ) и учитывая, что fref =const , получаем:

108

Сравнивая формулы (9.4) и (9.5) и учитывая, что f − fref f , приходим к выводу, что S′ S .

9.2.Устройство струнного микробарометра

Вкомплект прибора входят:

––первичный преобразователь давления – струнный генератор;

––счетный пульт;

––блок питания.

Первичный преобразователь давления выполнен в виде отдельного блока, который соединяется со счетным пультом и блоком питания гибкими экранированными проводами. Приемником давления служат два малогабаритных сильфона из бериллиевой бронзы (наружный диаметр 14 мм, число гофров – 16). В качестве струны использована вольфрамовая проволока диаметром 0,1 мм и длиной 23 мм. В конструкции преобразователя предусмотрено регулировочное устройство (рис. 9.1), с помощью которого можно перемещать закрепленный конец одного из сильфонов вдоль оси и таким образом менять натяжение струны.

Питание струнного генератора осуществляется от отдельного источника напряжением 7,5 В.

В счетном пульте расположены: кварцевый генератор, резонансные усилители, балансный смеситель и электромеханический регистратор.

Кварцевый генератор, так же как и струнный, представляет собой усилитель с положительной обратной связью. Частота, вырабатываемая генератором, определяется параметрами кристалла кварца. В прибора предусмотрено четыре сменных кварца, собственные частоты которых отличаются на 40 Гц. Подбор кварцев осуществляется таким образом, чтобы полностью перекрывался диапазон частот, вырабатываемых струнным генератором при возможных изменениях атмосферного давления. С учетом этого требования собственные частоты кварцев составляют:

–1й кварц – 5000 Гц;

–2й кварц – 5040 Гц;

–3й кварц – 5080 Гц;

–4й кварц – 5120 Гц.

Из двух кварцев, между частотами которых заключена частота колебаний струны, в качестве рабочего выбирается тот, для которого

109

разность f = f − fref является наименьшей. Следует, однако, иметь

в виду, что слишком малая разность влечет увеличение ошибки измерения,т.к.самаразностьнеможетбытьизмеренадостаточноточноза рекомендуемый интервал времени измерения (100 с). Поэтому рекомендуется соблюдать правило: 5 Гц< f <50Гц. При f >50Гц относительная чувствительность прибора уменьшается, аэлектромеханический счетчик просто не успевает реагировать на импульсы тока.

Выбор рабочего кварца осуществляется переключателем на передней панели прибора. Переключатель имеет четыре положения, отмеченные цифрами и соответствующие четырем кварцам.

После балансного смесителя сигнал, имеющий разностную частоту f, подается на усилитель (рис. 9.4), а далее на транзистор VT.

Транзистор открывается при подаче на базу отрицательного полупериода и закрывается при подаче положительного. Таким образом, в цепи «коллектор-эмиттер» проходит импульсный ток, причем частотаимпульсовравнаразностнойчастоте f сигналасусилителя. Электромеханический счетчик (ЭМС) передвигает стрелку по шкале на одно деление при прохождении одного импульса тока. Круглая шкала ЭМС разделена на 100 делений, рядом находится еще одна шкала, каждое деление которой соответствует одному полному обороту стрелки по первой шкале (подобно минутной и часовой стрелке циферблата). Таким образом, включив ключ (К), наблюдатель подает напряжение на схему; ЭМС начинает подсчет импульсов. Через фиксированное время наблюдатель выключает ключ К и подсчитывает число импульсов по шкалам ЭМС. Предусмот­ ре­ на­ возможность каждый раз перед отсчетом поворачивать шкалы ЭМС так, чтобы стрелки занимали бы нулевое положение.

Рис. 9.4. Измерительная часть микробарометра

110