Методы и средства ГМИ. Григоров Н.О

Таким образом, под колпаком находится сухой воздух, что способствует сохранности термобатареи. В промежутках между измерениями пиранометр закрывают металлической крышкой (7).

Суммарнаярадиацияможет быть измерена пиранометром точнотак же, как и рассеянная, но в этом случае теневой экран не применяется. Практически суммарнуюрадиациюопределяют сложениемпрямой,измеренной по актинометру, и рассеянной, измеренной по пиранометру. Так делают потому, что при измерении суммарной радиации чёрныеполя нагреваютсяслишкомсильноипроисходитпереностепласчерныхна белые поля, что вызывает погрешность в измерениях.

Пиранометр позволяет измеритьальбедоподстилающейповерхности (иногда его называют также альбедометром). Это делается с помощью двух последовательных измерений: сначала измеряется (или вычисляется) суммарнаярадиация,приходящаясверхнейполусферы,затем пиранометр поворачивают на1800 и измеряют радиацию, отраженнуюземной поверхностью. Альбедо вычисляют как отношение этих величин.

Градуировка пиранометра производитсяпутём егосравнения сактинометром или пиргелиометром. Пиранометр помещают в специальную трубу,исключаяпопаданиенанегорассеяннойрадиации,тогдапиранометр превращается, по сути дела, в актинометр. Далеесравнивают егопоказания с образцовым актинометром. Результатом сравнения является так называемый нормальный переводной множитель. Он действителен для тогослучая, когда радиацияпадаетна приёмникперпендикулярноегоповерхности,т. е. сзенита. Точнотакже, какидляактинометра,переводной множитель (k) определяют при различных температурах прибора для введения в дальнейшем температурной поправки в показания.

При наклонном падении лучей чувствительность, а следовательно, и переводной множитель пиранометра меняются(рис. 5.6). Этопроисхо-

k

Рис.5.6.ЗависимостьпереводногомножителяактинометраотзенитногоуглаСолнца

151

дит из-за того, что поглощательная способность покрытий приёмника зависит от угла падения лучей, а такжеиз-за того, что прозрачность применяющихся стеклянных колпаков на различных участках разная. Для учёта указанного обстоятельства пиранометры градуируются дополнительно, и определяется зависимость переводного множителя от угла падения лучей.

Если переводной множитель пиранометра известен, то рассеянная радиация D вычисляется по формуле, аналогичной формуле(5.7):

D k (N N0 ),

(5.8)

где N – показания гальванометра в делениях при измерении;

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

5.3. Измерение радиационного баланса. Балансомер

Согласноопределению,радиационныйбаланс–этосуммавсехрадиа- ционных потоков на данную поверхность, причём потоки с верхней полусферы суммируются с положительным знаком, а с нижней – с отрицательным. Дляизмерениярадиационногобаланса используетсябалансомер М-10м в комплекте с одним из приборов: гальванометром, интегратором или самописцем типа КСП-4. Часто проводят измерения с одним гальванометром, что не даёт возможности определять интегральный радиационный баланс и проводить непрерывную запись результатов.

Балансомер М-10м состоит изтермобатареи, укрепленной междудвумя черными пластинами, помещёнными одна под другой (рис. 5.7).

Рис.5.7. Внешний видбалансомера М-10м

152

Пластины устанавливаются горизонтально. Верхняя пластина нагревается потоками радиации с верхней полусферы, а именно: прямой солнечной радиацией, рассеянной радиацией, излучением самой атмосферы. Нижняя пластина нагревается потоками радиации с нижней полусферы: отраженной земной поверхностью прямой солнечной радиацией, рассеянной радиацией (если балансомер помещён на некоторой высоте над землей), излучением нижележащего слоя атмосферы и излучением земной поверхности. Кроме того, менее нагретая пластина нагревается потоком тепла, приходящим с более нагретой пластины. Обе пластины обмениваются теплом с окружающим воздухом в результате излучения и конвективного теплообмена.

Поперечное сечение отдельной секции термобатареи представлено на рис. 5.8. Термобатарея состоит из ленты константана (1), намотанной на медный брусок (2). Половина витков гальваническим путем покрыта тонким слоем серебра (3). Вторая половина витков (4) зачернена. Места окончания серебряного слоя – термоспаи, которые располагаются поочереднонаверхней инижней поверхности бруска. Выводысекции также выполнены изконстантана ивсесекции соединены междусобой последовательно так, что общая ЭДС термобатареи равна сумме 320 – 330 ЭДС термопар“константан–серебро”.Длясоединениясгальванометром ккрайнимтермоэлементамприпаяныконцымягкихпроводов,которыевыведены черезрукоятку.Внутренняяполостьбалансомерагерметизирована.Балансомер крепится к стойке с помощью шарнира.

Свяжем радиационный баланс B с разностью температур верхней и нижнейпластинбалансомера. Представимвсерадиационныепотоки,действующие на пластины балансомера (рис. 5.9). На верхнюю пластину приходитпрямаясолнечнаярадиацияS,рассеяннаярадиация,приходящая сверхней полусферы D, собственноеизлучениеатмосферы (в инфракрасном диапазоне) EA.

Кроме этого, сама пластина излучает поток, равный:

1 2 3

4

Рис.5.8. Отдельнаясекциятермобатареи (видсверху)

153

S D EA a T14		·(T1- )
		z
/z (T1-T2)
\	a T2	4 (TТ2- )
Rk RD EA + Eз		2

Рис. 5.9. Радиационныепотоки, действующиена пластиныбалансомера

a T14,

где а – коэффициент серости; σ – коэффициент Стефана-Больцмана (σ = 5,67 Вт/(м2 К4);

T1 – температура верхней пластины по шкале Кельвина.

Пластина теряет тепло в результате конвекции, конвективный поток тепла выражается формулой

(T1– ),

где –коэффициент конвективноготеплообменамеждупластинойи окружающим воздухом;– температура воздуха.

Крометого, внутри балансомера существует потоктепла междупластинами,равный

/z(T1– T2),

где λ – коэффициент теплопроводности вещества, заполняющего балансомер;

z – расстояние между пластинами.

(Примемнаправлениепотокаотверхнейпластиныкнижнейположительным). На нижнюю пластину приходят следующие потоки радиации: отраженная солнечная радиация Rk, отраженная рассеянная радиация плюс радиация рассеянная воздухом, находящимся ниже балансомера RD, излучение атмосферы ниже балансомера плюс излучение земной поверхности EA´+ Eз. Также как и с верхней пластины, с нижней уходят радиационный поток тепла a T24 и конвективный поток

(T2– ),

где T2 – температура нижней пластины.

154

Если температура верхней и нижней пластин стабилизировалась, то сумма всех тепловых потоков на каждую пластину равна нулю – сколько теплаприходитвединицувременинаединицуплощадикаждой пластины, столько же и уходит. Запишем уравнение баланса тепловых потоков на единицуплощади каждой пластины. Дляверхней пластины имеем:

δ (S D E	A	) a σ T 4	α (T θ)	λ	(T T	2	)	,	(5.9)
		1	1	z	1

гдеδ – коэффициент поглощениярадиации поверхностьюпластины (для черной пластины δ 1).

Присоставленииуравнениядлянижнейпластиныучтём,чтотепловой поток внутри балансомера длянеёявляется приходящим, и, следовательно, должен быть записан в левой части уравнения:

δ (Rk RD	EA'	Eз	)	λ	(T1 T2 ) a σ T24	α	(T2 θ). (5.10)
				z

Вычтем из уравнения (5.9) почленно уравнение(5.10)и перенесем в правуючасть одинаковыечлены. Тогда послеочевидных преобразований имеем:

δ (S D EA Rk RD EA'					Eз )
a σ (T 4	T 4 ) α					2 λ					) .	(5.11)
		(T T		)			(T		T
1	2	1	2			z		1		2

Мы видим, что выражение, стоящее в скобках в левой части уравнения, есть не что иное, как радиационный баланс! Действительно, все потоки, приходящие с верхней полусферы учтены с положительным знаком, а снижней – сотрицательным. Обозначив радиационный баланс за B, можем написать:

δ B a σ (T 4	T 4 ) α				2 λ
		(T T		)		(T T		).	(5.12)
1	2	1	2		z 1		2

Теперь преобразуем разность:

(T14 T24 ) (T12 T22 )(T12 T22 ) (T1 T2 )(T1 T2 )(T12 T22 ).

Принимаявовнимание,чтотемпературанижнейпластиныотличаетсяот температуры верхней пластины всего на несколькоградусов, и при-

155

няв её примерно равной температуре окружающей среды , можем с достаточной степенью точности принять:

T12 T22 2T 2 2θ2 ,

а также

		T	T	2	2T	2θ .
		1
	Тогда уравнение (5.12) перепишем в виде:
	δ B 4a σ θ3 (T1	T2 ) α (T1				T2 )	2 λ	(T1 T2 ).	(5.13)
							z

Или, вынося за скобки разность (T1 – T2) и решая уравнение относительноB, получим:

(4a σ θ3 α 2λ)

B		z	(T	T	2	).	(5.14)
	δ	1

Поскольку разность температур между пластинами измеряется спомощьютермобатареи, подключеннойкгальванометру,напишемвыражениедлятока,протекающегочерезгальванометр.Согласноформуле(1.34):

	i	n e T1	T2
		nRt Rg		r .		(5.15)

Напомним, что n – количество термопар в термобатарее, e – табличная термоЭДС для термопары. Обозначив выражение в знаменателе (5.15) как RΣ- – суммарное сопротивление всей электрической цепи, и подставив в (5.15)разность температур, выраженную из(5.14), получим:

e n

i					B .
	R	( 4a 3 2		)		(5.16)
			z

Это даёт нам возможность написать выражение для чувствительности балансомера. Поскольку входным параметром является радиационный балансB, а выходным – токi, то чувствительность балансомера получим дифференцированием формулы (5.16):

156

	S	di		e n δ
		dB		R (α 4a σ θ3	2	λ	) .		(5.17)
						z

Следовательно, для увеличения чувствительности балансомера необходимо пользоваться теми же рекомендациями, которые были даны для увеличения чувствительности термобатареи (раздел 1.6). Плюс к этому, необходимо, чтобы коэффициент поглощения радиации был бы максимальным (напомним, что его максимальное значение равно единице).

Рассмотрим погрешности балансомера. Влияние температуры весьма мало: >> 4a 3, значит, основной погрешностьюявляетсявлияние скорости ветра. Поэтому показания балансомера могут изменяться при изменении скорости ветра. Чтобы этого не произошло, применяют ужеизвестныйнам принцип «мухи и слона». На роль «слона»здесь лучшевсего подойдет последнее слагаемое в знаменателе формулы (5.17). Следовательно, мы должны обеспечить соотношение:

2	λ	.	(5.18)
	z

Этого можнодобиться, уменьшив, наскольковозможно, толщинубалансомера z. Правда, соблюдение требования (5.18) приведёт к увеличению знаменателя в формуле (5.17), а значит, к уменьшению чувствительности балансомера. Но к этому следовало быть готовым, так как уменьшение чувствительности прибора – это обычная цена уменьшения погрешности. Уменьшение чувствительности можно в значительной степени скомпенсировать применением чувствительного гальванометра.

Практическиопределениерадиационногобалансапроводитсяпоформуле, аналогичной формулам (5.7) и (5.8):

B k (N N0 ),

(5.19)

где B – радиационный баланс;

N – показания гальванометра при измерении;

N0 – показания гальванометра при закрытой крышке балансомера (место нуля).

Приизмерениирадиационногобалансацелесообразновыставить значение N0 ~ 4 - 5 делений. Это делается для того, чтобы в сумерки, когда радиационный баланс переходит через нуль, точно определить знак

157

баланса. При N < N0 он отрицательный. Переводной множитель k всё - таки несколькозависит отскоростиветра, чтоучитываетсяспециальными таблицами.

158

Глава 6. ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

Современную метеорологическую измерительную технику невозможно себепредставить без цифровых приборов. В цифровых измерительныхприборах, в отличиеот аналоговых(введение, раздел1), показывающим устройством является цифровой индикатор, дисплей, или другие устройства. Элементы индикатора могут, например, светиться, если на нихподаётсянапряжение.Изсветящихсяэлементов составляютсяцифры и знаки. Следовательно, выходной сигнал нельзясебепредставить в виде изменяющегосянапряжения, какв аналоговых системах. Здесь напряжениедолжнобыть подано(илинеподано)намножествопроводов, идущих к элементам индикаторов.

Задачей этого раздела как раз и является показать, как формируются такиесложныевыходныесигналы, которыемы будем называть цифровой формойпредставлениясигнала. Однакопреждечем перейти кизложению внутреннейструктурыцифровыхинформационно–измерительныхсистем (ИИС), рассмотримоченькраткоосновныеположениятеории информации.

6.1. Информация. Основные определения, свойства. Цифровые коды

Слово «информация» знакомо всем. «Я получил информацию», «он владеет информацией» - эти выражения употребляются часто. Вот два человека разговаривают – обмениваются информацией. Но что такое информация? Как её измерять? Каковы должны быть её свойства? На эти вопросы мы сейчас должны дать ответ.

Определим информацию как совокупность сведений, отражающих наше знание о предмете, объекте или процессе. Вот, например,

объект нашего изучения – земная атмосфера. Информация о ней – это набор сведений о температуре, давлении, скорости ветра и других метеорологических величинах. Информация о человеке – это сведения о его возрасте, профессии и т.д.

Информацию обычно передают в виде сообщения. Сообщение – этоинформация, передаваемаяпокаким–либоканалам связи, т.е. движущая информация. Допустим, перед нами книга. Она содержит большое количество информации. Но эта информация превращается в сообщение

159

только тогда, когда книгу читают, например, вслух. Тогда сообщение передаётся в виде акустического сигнала. Или, например, по кабелю от индукционногоанемометра идёт сообщениеоскорости ветра в видеэлектрического сигнала.

В каких жеединицах измерять количествоинформации? Сформулируем основныетребования к единицам измерения информации.

1.Универсальность применения. Единица измерения должна быть применима к любой информации, о любом объектеили процессе.

2.Аддитивность. При увеличении сообщения в n раз количество передаваемой информации также должно возрасти в n раз.

Атеперь попробуем разложить информациюна составныеэлементы

ивыделить самый малый элемент. Предположим, Вы ведёте разговор с человеком, который отвечает на Ваши вопросы. Ответы могут быть подробными, содержатьбольшоеколичествоинформации,или,наоборот,краткими. Какой самый краткий ответ Вы можетеполучить? Очевидно, «да» или «нет». Вот этот ответ на вопрос и примем за элемент информации. Этот единичный элементинформации носит название«бит».Нетруднопонять, что, задавая такие вопросы, на которые возможны только ответы «да» или «нет», можно узнать практически всё. Известна детская игра – угадать задуманное число от 1 до 1000, если собеседник отвечает «да» и «нет». При правильной формулировке понадобится задать не более десяти вопросов. Количество информации – 10 бит.

Ну, а как же измерить информацию, содержащуюся в непрерывном сообщении? Вот идёт, например, электрический сигнал – напряжение, котороеможет изменятьсяв определённых пределах в течениеопределённого интервала времени. Здесь уместно вспомнить, что любую величину мы всегда измеряем приближенно. Когда мы говорим, что напряжение равно 2,36 В, то мы пренебрегаем тысячными и более мелкими долями вольта, нас удовлетворяет измерение с точностью до 0,01 В. Поэтому в технике измерений непрерывно меняющиеся сигналы всегда можно заменить квантованными, т.е. принимающими толькоопределённыезна-

чения (0,01 В, 0,02 В и т.д.).

Разность между двумя ближайшими допустимыми уровнями носит название шаг квантования. Естественно, что уменьшение шага квантования увеличивает точность измерения. Также введём квантование и во времени: будем считать сигнал дискретным, т. е. измерять его будем толькочерезопределённыепромежуткивремени. Пример преобразования непрерывногосигнала квантованным показан на рис. 6.1.

160