34

Министерство образования Российской Федерации

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра

экспериментальной физики

атмосферы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

по дисциплине

“Методы и средства гидрометеорологических измерений”.

ИССЛЕДОВАНИЕ АКТИНОМЕТРИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

Направление - Гидрометеорология

Специальность - Метеорология

Санкт - Петербург

2001

УДК 551.508

Лабораторная работа № 8. Исследование актинометрических приборов. По дисциплине “Методы и средства гидрометеорологических измерений”. – С.-Пб.: РГГМУ, 2001. – 35 с.

Описание лабораторной работы содержит теоретические сведения, необходимые для работы с актинометрическими приборами и перечень практических операций, выполняемых студентами. Значком (*) отмечены разделы, выполнение которых обязательной только для студентов, специализирующихся по гидрометеорологическим измерениям (группа “И”).

Составители: Н.О.Григоров, доцент

Ю.Г.Осипов, доцент.

При составлении работы принимали участие зав. лаб. Глушковский Б.И. и канд. физ.-мат. наук, ассистент Бриедис Т.Е.

Редактор: проф. Кузнецов А.Д.

© Российский государственный гидрометеорологический университет

(РГГМУ), 2001.

Лабораторная работа № 8 сведения из теории

В актинометрии практически значимой является радиация в спектральном диапазоне длин волн от 0,3 до 100 мкм. При этом в зависимости от спектрального состава различаются следующие виды радиации.

1. Коротковолновая радиация - спектральная область 0,3 – 4,5 мкм (к ней относятся прямая солнечная, суммарная, рассеянная, отраженная коротковолновая радиация).

2. Длинноволновая радиация - спектральная область 4,5 – 100 мкм (к ней относится излучение земной поверхности и атмосферы, отраженная длинноволновая радиация, длинноволновый радиационный баланс).

3. Интегральная радиация - спектральная область 0,3 – 100 мкм (к ней относится радиационный баланс).

Указанные границы спектра коротковолновой радиации соответствуют спектру коротковолнового излучения, достигающего земной поверхности, а длинноволновой радиации - спектру теплового излучения земной поверхности и атмосферы.

Для регистрации и измерения перечисленных видов излучения применяется установка УАР (установка актинометрическая регистрирующая). УАР включает в себя актинометрические преобразователи, комплект оборудования на метеоплощадке, регистратор сигналов актинометрических преобразователей, интегратор для получения суммы излучения за определенный отрезок времени, комплект кабелей и блок питания. Функциональная схема УАР представлена на рис. 1.

Все датчики УАР укрепляются на специальной актинометрической стойке М-13.

Приведенная схема является наиболее полной схемой актинометрической установки. Практически при станционных наблюдениях используют упрощенную схему – в нее включен лишь актинометр, пиранометр и балансомер, укрепленные на стойке М-13, а регистрирующими приборами служат два гальванометра. Такая установка не дает возможности проводить непрерывные наблюдения с записью показаний, она используется для регулярных наблюдений в установленные сроки.

Термоэлектрический актинометр м-3 (ат-500)

Для измерения прямой солнечной радиации используется один из двух приборов – компенсационный пиргелиометр или термоэлектрический актинометр. Компенсационный пиргелиометр является абсолютным прибором, т.е. основанным на сравнении двух значений одной физической величины. Нагрев черной пластины, вызванный солнечной радиацией, сравнивается с нагревом точно такой же пластины, вызванным электрическим током. Регулируя значение электрического тока, наблюдатель добивается выравнивания температур обеих пластин, после чего значение радиации однозначно связано с протекающим по пластине током и легко может быть определено расчетным путем. Достоинство абсолютных приборов состоит в том, что они не требуют градуировки. В практических измерениях пиргелиометр употребляется редко – процесс измерений слишком длительный, поэтому его используют лишь для градуировки относительных приборов, одним из которых является термоэлектрический актинометр М-3.

В относительных приборах измеряемая величина преобразуется в другую физическую величину, измерение которой не представляет трудностей - например, в электрический ток. В отличие от абсолютных, относительные приборы требуют предварительной градуировки. Их достоинством является оперативность процесса измерения. 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.

Устройство термоэлектрического актинометра показано на рис. 2.

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).

б)

Рис. 2. 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.

Для нацеливания актинометра на солнце предусмотрено отверстие в ободке трубы (6) и точка на корпусе прибора. При точной наводке световой луч, пройдя через отверстие (4), должен попасть в точку.

Установка актинометра осуществляется поворотом винтов штатива, на котором закреплен сам актинометр. Иногда для автоматического поворота актинометра при движении солнца по небу применяется гелиостат (см.ниже).

Градуировка актинометра проводится вместе с гальванометром или без него. 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 по формуле:

(1)

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 другим 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 измерении радиации – разумеется, с помощью гальванометра – вводится поправка на температуру, определяемая по специальной таблице.