Методы и средства ГМИ. Григоров Н.О

4.4. Вакуумметры

Вакуумметрами называются приборы для измерения очень малого давления – менее одного миллиметра ртутного столба (т. е. менее 1 тор). Они могут использоваться для измерения давления на очень больших высотах, а также в вакуумной технике.

1. Термопарный вакуумметр. С его помощью можно измерять давление от 10-3 до 1 тор. Схема, показывающая принцип его действия, изображена на рис. 4.10. Внутри открытого баллона (1) помещён нагревательный элемент (2) и термопара (3). Холодный спай термопары помещён на корпусе баллона и, следовательно, имеет температуру окружающего воздуха (следует иметь в виду, что применять термин «воздух» по отношению к такой разреженной среде можно с большой натяжкой!). Теплый спай термопары находится вблизи нагревательного элемента. Конвективный поток тепла от нагревательногоэлемента кспаю термопары являетсяфункцией плотностивоздуха (формула (1.3)), и, следовательно,зависитотдавлениявнутрибаллона,котороеравновнешнемудавлению (баллон открыт!).

Рис. 4.10. Термопарныйвакуумметр

Следовательно,разность температурмеждуспаямитермопары также зависит от давления. Она измеряется микроамперметром, причём для повышения чувствительности прибора применяется предварительное усилениесигнала.Шкалавыходногоприбора проградуированавединицах измерения давления.

2. Ионизационный вакуумметр. Этот прибор употребляется для измерения ещё более низкого давления – от 10-3 до 10-7 тор. Схема, поясняющая принцип егодействия, показана на рис. 4.11.

Основным элементом вакуумметра являетсятрехэлектродная лампа

– вакуумный триод, внутренняячасть которогосообщаетсясокружающей средой. На верхний электродтриода подаетсяотрицательноенапряжение

141

Глава 5. АКТИНОМЕТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Актинометрическими измерениями называют измеренияразличных потоков радиации в атмосфере. Основнымиактинометрическими величинами являются:

1.Прямая солнечная радиация, т. е. радиация, поступающая на земную поверхность непосредственно от Солнца. Разумеется, в ночное время, так же как и в пасмурную погоду, прямая солнечная радиация отсутствует.

2.Рассеянная радиация. Эта радиация также приходит от Солнца, норассеиваетсямолекулами воздуха и атмосферными аэрозолями. Именнорассеяннаярадиацияобуславливает голубой цвет неба в яснуюпогоду. Рассеянная радиация присутствует и в пасмурную погоду, и в сумерки, но в ночное время она равна нулю.

3.Радиационный баланс. Это сумма всех радиационных потоков, идущихсверхнейполусферыминуссуммавсехпотоков,приходящихснижней полусферы. Радиационный баланс может быть как положительным, так и отрицательным. В ночноевремя он, как правило, отрицательный, так как с верхней полусферы поступает только излучение самой атмосферы.

В актинометрических измерениях важно учесть все радиационные потоки,оказывающиесколько-нибудьзаметноевлияниенатепловойрежим атмосферы и почвы, т. е. в конечном итоге, определяющиепогоду. Поэтому одним из основных требований к актинометрическим приборам являетсяспособность регистрировать радиациюв спектральном диапазоне от 0,3 до 100 мкм. Именно этот диапазон является в метеорологии наиболеезначимым. Нижняяграница этого диапазона находится на границе ультрафиолетового и видимого излучения, далее идет весь видимый диапазон, а верхняя граница заходит далеко в инфракрасную область.

Имея в виду это требование, выберем способ измерения радиационных потоков. Перечислим основные способы измерения и обсудим их особенности.

1.Калориметрический метод. Он заключается в том, что чёрное тело (обычно это небольшая пластинка) помещается под радиационный поток и нагревается вследствие поглощения радиации. Измеряется разность температур между пластинкой и окружающим воздухом, которая, разумеется, зависит от величины радиационногопотока. Чувствительность этого метода весьма низкая. Спектральный диапазон измерения радиации – практически весь спектр длин волн.

143

2.Фотоэлектрический метод. Этот метод предусматривает использованиефотоэлектрических преобразователей – фотоэлемента или фотоэлектронного умножителя (ФЭУ). Преобразователь помещается под радиационныйпотоки преобразуетегов электрическийток.Далееизмеряется значение этого тока. Чувствительность этого метода очень высокая. Спектральный диапазон измерения – от 10-3 до 6,5 мкм.

3.Фотографическийспособ. Впринципедляизмерениярадиационных потоков возможно применениефотопластинки. Предположим, фотопластинка помещается в поток радиации на некоторое время и затем проявляется. Степень почернения фотопластинки зависит от мощности потока и может быть измерена. Чувствительность такого метода также очень высокая. Спектральный диапазон – от 10-3 до 1,2 мкм.

4.Визуальный метод. Не будем здесь обсуждать технические детали этого метода. Скажем только, что он также возможен, поскольку глаз человека очень чувствителен к радиационным потокам (в видимом диапазоне!). Чувствительность такого метода достаточно высока, но спектральный диапазон ограничивается видимой частью спектра, т. е. от 0,4 до 0,75 мкм.

Мы видим, что основное требование, касающееся спектрального диапазона, выполняетсятолькодля калориметрического метода. Именно поэтой причинекалориметрический методявляется основным в актинометрических измерениях. Недостаточная чувствительность метода может быть в значительной степени компенсирована чувствительностью элементов дляизмеренияразности температур черной пластинки и окружающего воздуха.

Единица измерения радиационных потоков – Дж/м2 с, т. е. Вт/м2.

5.1.Измерение прямой солнечной радиации

Дляизмеренияпрямойсолнечнойрадиациииспользуетсяодиниздвух 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.

Рассмотримустройствокомпенсационногопиргелиометра. Еговнешний видпоказан на рис. 5.1. Трубка длиной около15 см ориентируетсяна

144

Солнце. В крышке трубки (1) сделаны два отверстия прямоугольной формы (2). Внутреннее устройство пиргелиометра и его электрическая схема показаны на рис. 5.2. Внутри трубки находятся две чёрные 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 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.

Наблюдатель вовремяизмерений должен добитьсятакогосостояния, чтобы разность температур между пластинами была бы равна нулю, т.е. чтобы гальванометр показывал бы нулевой ток в цепи термопары. Это означает, чтопотоктеплав единицувремени J1 на первуюпластину(которая нагреваетсясолнечнойрадиацией)равенпотокутепла J2,выделяющемуся вовторой пластине,благодаря прохождениютокапоней.Этипотоки можно выразить как:

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

S – прямая солнечная радиация;

145

s – площадь пластины;

i – ток, нагревающий вторую пластину; r – её электрическое сопротивление.

Приравняв потоки J1 и J2, имеем:

или, обозначив постоянныймножитель

Величину тока i, протекающего по пластине, измеряют с помощью миллиамперметра( А),включенноговцепьпоследовательноспластиной.

Достоинством этого прибора является то, что он, так жекак 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 акти-

нометрическойустановкиУАР (установкаактинометрическаярегистрирующая),выпускаемой промышленностьюи используемой на метеорологической сети.

Принципдействиятермоэлектрическогоактинометраоснованнапоглощениипрямой солнечной радиации зачернённым диском,соединенным с нечётными спаями термобатареи. Чётные спаи термобатареи соединены с медным кольцом, находящимся в тени. Медное кольцо имеет температуруокружающеговоздуха, ачёрный дискнагрет донесколькобольшей температуры, так как на негопадает 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 прямойсолнечнойрадиации.

146

3

7 4 6

1

в)

2

5

Рис. 5.3.Термоэлектрическийактинометр М-3(АТ-50). 1 - зачерненный диск; 2- медное кольцо; 3 – термобатарея;

4-последовательно сужающиесядиафрагмы; 5- металлический цилиндр (корпус); 6- отверстиев диске для наведения актинометра на солнце; 7 – точка на корпусе прибора

Устройство термоэлектрического актинометра показано на рис. 5.3 (б, в). Приёмником радиации служит диск из серебряной фольги (1), зачернённый со стороны, обращаемой к солнцу. С другой стороны диска через изолирующую прокладку приклеены нечётные спаи термобатареи (3), состоящей из 52 элементов, соединенных последовательно. Чётные спаи термобатареи подклеены через изолирующуюпрокладку кмедному кольцу (2). Элементы термобатареи состоят из манганиновых и константановыхполосок,изолирующиепрокладкисделаныизпапироснойбумаги, пропитаннойшеллаком.Выводытермобатареисоединеныпроводамисгальванометром. Вся эта конструкция помещена в металлический кожух (5) - цилиндр, внутри которого вставлены последовательно сужающиеся диа-

147

фрагмы (4). Благодаря им, световой поток падает только на зачернённый диск (1). Для нацеливания актинометра на солнце предусмотрено отверстие в ободке трубы (6) и точка на корпусе прибора (7). При точной наводкесветовой луч, пройдячерезотверстие(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, знаякоторыйможнопопоказаниям гальванометра определить величину прямой солнечной радиации Sпоформуле:

где N – показания гальванометра в делениях при измерении;

N0 – показания гальванометра при закрытой крышке (место нуля); k – переводной множитель, имеющий размерность кВт/м2·дел.

Легкопонять, 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. По этой причине при градуировке актинометра без гальванометра чувствительность его сообщается без учёта температурной зависимости. При градуировке с помощью гальванометра вводится поправка на температуру, определяемая поспециальной таблице.

5.2. Измерение рассеянной и суммарной радиации

На первый взгляд, измерениерассеянной и суммарной (т. е. рассеянной плюспрямой)радиации представляет собой простуюзадачу:необходимо обеспечить падение на некоторую черную поверхность радиации со всейверхнейполусферы.Однаконеобходиморешитьследующиепроблемы:

148

1.Рассеянная радиация имеет максимум в голубой (коротковолновой)частиспектра, следовательно,прибордляеёизмерениядолжентакже иметь максимальную чувствительность в этом диапазоне.

2.Дляизмерениянеобходимоисключитьпопаданиерадиации нанекоторуюповерхность, находящуюсярядом сзачерненной пластиной, чтобы далееизмерять разность температур между пластиной и этой поверхностью.

Этитрудностирешаютсякомплексно.Основнойчувствительныйэлемент пиранометра (рис. 5.4, а) -прибора дляизмерениярассеянной и сум-

Рис.5.4. Внешний видпиранометра(а); приёмникрадиациипиранометра М-80м (б)

марнойрадиации,показаннарис.5.4, б.Этоплоскаяповерхность,участки которой окрашены в чёрный и белый цвета. Чёрные участки закрашены сажей, котораяпоглощает всю радиацию, белыеучастки закрашены магнезией, поглощающейтолькодлинноволновуюрадиацию. Такимобразом, между черными и белыми участками появляется разность температур, обусловленная разным поглощением радиации. Значит, коротковолновая радиация, которую поглощает сажа, но не поглощает магнезия, является причиной появления разности температур между участками. Разность температур измеряется с помощьютермобатареи, нечётныеспаи которой помещены под чёрными участками, а чётные – под белыми. Следовательно, мерой рассеянной радиации является термоток термобатареи, измеряемый с помощью гальванометра.

Однакопоглощательныесвойствасажи и магнезии неявляютсястоль идеальными.Магнезиявсежепоглощаеткоротковолновуюрадиацию,хотя и гораздо хуже, чем сажа, а поглощательные свойства сажи и магнезии

149

поотношениюкдлинноволновойрадиацииразличны.Длявыравнивания их поглощательных свойств по отношению к длинноволновой радиации белыеполяпропитаныпарафином.Дляисключенияветровойпогрешности, т.е.выравниваниятемператур черных ибелых полей, приёмникрадиации закрыт прозрачным колпаком (1) (рис. 5.5), пропускающим коротковолновую радиацию. Правда, стеклянный колпак поглощает радиациюв областях 0,3 – 0,4 мкм и 2,5 – 4 мкм, но в этих областях интенсивность прямой и рассеянной радиации очень мала. Для измерения рассеянной радиацииследуетисключитьпопаданиенапиранометрпрямойсолнечной радиации.С этойцельюпредусмотрен теневойэкран (5),который привинчиваетсякспециальномустержнюизакрепляетсянанёмвинтом.Размеры экрана и стержня рассчитаны так, чтобы от центра приёмника радиации пиранометра экран был виден под углом 100. Тогда экран закрывает участок неба вокруг солнечного диска с размером телесного угла 50. Необходимойчастьюпиранометраявляетсяосушитель(6),установленныйвовнутренней полости стойки. Осушитель заполнен силикагелем - веществом, поглощающим водяной пар.

5

1

4

4

3

6

Рис. 5.5. Пиранометр универсальныйМ-80м.

1- стеклянныйколпак; 2 - приемникрадиации; 3 -корпус; 4– выводытермобатареи; 5 -теневой экран; 6 - осушитель; 7 –крышка

150