Министерство образования Российской Федерации российский государственный гидрометеорологический университет
| Вид материала | Лабораторная работа |
- Министерство образования и науки российской федерации программ, 381.21kb.
- Российской Федерации Министерство образования и науки Российской Федерации Государственный, 343.55kb.
- Российской Федерации Российский государственный медицинский университет Кафедра биомедицинской, 412.1kb.
- Министерство образования и науки российской федерации российский государственный социальный, 183.27kb.
- Министерство здравоохранения и социального развития российской федерации российский, 769.94kb.
- Российской Федерации Министерство общего и профессионального образования Российской, 41.11kb.
- Программа 1-3 октября 2003 года Москва Организаторы и спонсоры Министерство образования, 141.3kb.
- Социальная информатизация: опыт преподавания курса «социальная информатика», 77.12kb.
- Российской Федерации Читинский государственный университет иппк рабочая программа, 177.68kb.
- Российской Федерации Уральский Государственный Университет им. А. М. Горького Философский, 1670.87kb.
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.
ПИРАНОМЕТР УНИВЕРСАЛЬНЫЙ М-80м
Измерение рассеянной и суммарной радиации производится с помощью пиранометра. Рассеянная радиация имеет максимум в коротковолновой части спектра (этим и обусловлен голубой цвет неба) и эта особенность учтена конструкцией прибора. Приемником радиации является плоская поверхность, участки которой окрашены в черный и белый цвета (рис. 3). Черные участки закрашены сажей, которая поглощает всю радиацию, белые участки закрашены магнезией, поглощающей только длинноволновую радиацию.
| Таким образом, между черными и б  елыми 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 помощью термобатареи, нечетные спаи которой помещены под черными участками, а четные – под белыми. Следовательно, мерой рассеянной радиации является термоток термобатареи, измеряемый с помощью гальванометра.
Однако, поглощательные свойства сажи и магнезии не являются столь идеальными. Магнезия все же поглощает коротковолновую радиацию, хотя и гораздо хуже, чем сажа, а поглощательные свойства сажи и магнезии по отношению к длинноволновой радиации различны. Для выравнивания их поглощательных свойств по отношению к длинноволновой радиации белые поля пропитаны парафином. Для исключения ветровой погрешности, т.е. выравнивания температур черных и белых полей, приемник радиации закрыт прозрачным колпаком 1 (рис. 4), пропускающим коротковолновую радиацию. Правда, стеклянный колпак поглощает радиацию в 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 радиации следует исключить попадание на пиранометр прямой солнечной радиации. С этой целью предусмотрен теневой экран (5), который привинчивается к специальному стержню и закрепляется на нем винтом. Размеры экрана и стержня рассчитаны так, чтобы от центра приемника радиации пиранометра экран был виден под углом 100. Тогда экран закрывает участок неба вокруг солнечного диска с размером телесного угла 50. Необходимой частью пиранометра является осушитель (6), установленный во внутренней полости стойки. Осушитель заполнен силикагелем - веществом, поглощающим водяной пар. Таким образом, под колпаком находится сухой воздух, что способствует сохранности термобатареи. В промежутках между измерениями пиранометр закрывают металлической крышкой (7).
Суммарная радиация может быть измерена пиранометром точно так же, как и рассеянная, но в этом случае теневой экран не применяется. Практически, однако, суммарную радиацию определяют сложением прямой, измеренной по актинометру, и рассеянной, измеренной по пиранометру. Так делают потому, что при измерении суммарной радиации черные поля нагреваются слишком сильно, и происходит перенос тепла с черных на белые поля, что вызывает погрешность в измерениях.
Пиранометр позволяет измерить альбедо подстилающей поверхности (иногда его называют также альбедометром). Это делается с помощью двух последовательных измерений - сначала измеряется (или вычисляется) суммарная радиация, приходящая с верхней полусферы, затем пиранометр поворачивают на 1800 и измеряют радиацию, отраженную земной поверхностью. Альбедо вычисляют как отношение этих величин.
Градуировка пиранометра производится путем его сравнения с актинометром или пиргелиометром. Пиранометр помещают в специальную трубу, исключая попадание на него рассеянной радиации, тогда пиранометр превращается, по сути дела, в актинометр. Далее сравнивают его показания с образцовым актинометром. Результатом сравнения является так называемый нормальный переводной множитель. От действителен для того случая, когда радиация падает на приемник перпендикулярно его поверхности, т.е. с зенита. Точно так же, как и для актинометра, переводной множитель 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. Это происходит из-за того, что поглощательная способность покрытий приемника зависит от угла падения лучей, а также из-за того, что прозрачность применяющихся стеклянных колпаков на различных участках разная.
Для учета указанного обстоятельства пиранометры градуируются дополнительно и определяется зависимость переводного множителя от угла падения лучей.
Если переводной множитель пиранометра известен, то рассеянная радиация
вычисляется по формуле, аналогичной формуле (1):
, (2)где
– показания гальванометра в делениях при измерении, – показания гальванометра при закрытой крышке (место нуля), k – переводной множитель, имеющий размерность кВт/м2·дел. ИЗМЕРЕНИЕ РАДИАЦИОННОГО БАЛАНСА.
БАЛАНСОМЕР М-10м.
Радиационный баланс определяется как алгебраическая сумма всех видов излучения, приходящих на данный участок атмосферы, причем излучение с верхней полусферы считается положительным, а с нижней – отрицательным.
Для измерения радиационного баланса используется балансомер М-10м в комплекте с одним из приборов – гальванометром, интегратором или самописцем типа КСП-4. Часто проводят измерения с одним гальванометром, что не дает возможности определять интегральный радиационный баланс и проводить непрерывную запись результатов.
Балансомер М-10м состоит из термобатареи, укрепленной между двумя черными пластинами, помещенными одна под другой (рис. 5).
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 помещен 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. 6. 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 поочередно на верхней и нижней поверхности бруска. Выводы секции также выполнены из константана и все секции соединены между собой последовательно так, что общая ЭДС термобатареи равна сумме 320 – 330 ЭДС термопар “константан – серебро”. Для выравнивания чувствительности приемников имеются компенсирующие термобатареи. Для соединения с гальванометром к крайним термоэлементам припаяны концы мягких проводов, которые выведены через рукоятку. Внутренняя полость балансомера герметизирована. Балансомер крепится к стойке с помощью шарнира.
Как уже говорилось, принцип действия термоэлектрического балансомера основан на том, что все виды приходящей к земной поверхности радиации: прямая солнечная радиация, приходящая на горизонтальную поверхность (
), рассеянная солнечная радиация () и длинноволновые потоки радиации – главным образом, излучение атмосферы (
) поглощаются верхней приемной поверхностью, а уходящее от земной поверхности излучение в виде коротковолновой отраженной радиации (
), длинноволновой отраженной радиации (
) и длинноволновой радиации Земли (
) поглощаются нижней приемной поверхностью.Разностью собственных излучений верхней и нижней приемных пластин можно пренебречь. Таким образом, можно принять, что разность температур обеих пластин пропорциональна разности между потоками радиации сверху и снизу, т.е. радиационному балансу. Формула радиационного баланса имеет вид:
(3)где
- радиационный баланс земной поверхности (кВт/м2), - прямая солнечная радиация, падающая на горизонтальную поверхность, - рассеянная радиация,, - длинноволновые потоки радиации, излученной атмосферой и земной поверхностью,, - коротковолновые и длинноволновые отраженные потоки радиации.Таким образом, ЭДС термобатареи пропорциональна разности температур между верхней и нижней пластинами, обусловленной радиационным балансом. Для измерения радиационного баланса регистрируют ток через гальванометр, соединенный с выводами термобатареи. Легко понять, что связь радиационного баланса с показаниями гальванометра может быть выражена через переводной множитель формулой, аналогичной формуле (1).
Упомянем о ветровой погрешности балансомера – выравнивание температур верхней и нижней пластин при обдуве воздушным потоком. Эта погрешность не может быть ликвидирована с помощью стеклянного колпака, как это делалось в пиранометре, так как при этом будет потеряна значительная часть излучения. Поэтому поступают по-другому – балансомер делают тонким, увеличивая теплообмен между пластинами за счет теплопроводности внутреннего слоя, содержащего термобатарею. Этот теплообмен, в отличие от ветрового теплообмена, может быть рассчитан и не зависит от каких-либо погодных условий. Разумеется, тонкий балансомер имеет меньшую чувствительность, но это та цена, которую приходится заплатить за уменьшение ветровой погрешности.
ГЕЛИОСТАТ
Гелиостат служит для обеспечения автоматического слежения актинометра за солнцем. При непрерывных наблюдениях с записью показаний с помощью интегратора или самописца актинометр устанавливается на гелиостат. Затем проводится предварительная установка гелиостата и наведение актинометра на солнце. После этого гелиостат поворачивает актинометр по эклиптике. Не будем здесь приводить конструкцию гелиостата во всех деталях, упомянем лишь главные его части.
В качестве движущего механизма у гелиостата используется электромагнит, приводящий в движение редуктор, который передает вращение на ось гелиостата. Редуктор рассчитан таким образом, что при пропускании через электромагнит импульсов электрического тока с частотой один импульс в минуту, выходная ось гелиостата совершает один оборот в сутки.
Электрический сигнал управления гелиостатом подается на электромагнит от контактных часов, которые вырабатывают импульсы с необходимой частотой.
Первоначальная установка актинометра на гелиостате производится в следующей последовательности.
1. Установить гелиостат на горизонтальную поверхность и ориентировать его на север, пользуясь компасом (буссолью) и стрелкой-указателем на металлическом основании гелиостата.
2. Отгоризонтировать гелиостат по встроенному уровню, пользуясь установочными винтами в основании гелиостата.
3. Поворачивая корпус гелиостата в вертикальной плоскости, установить на специальном лимбе географическую широту места наблюдения.
4. Выставить местное среднесолнечное время начала наблюдения, повернув лимб, установленный на верхней панели гелиостата.
5. Навести актинометр на Солнце, согласно методике, изложенной ранее. Включить гелиостат, подав минутные импульсы с контактных часов.
ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЕ ИНТЕГРАТОРЫ Х-603, Х-606, Х-607.
Электролитический интегратор типа Х-603 представляет собой счетчик микроампер-часов и предназначен для интегрирования во времени малых постоянных токов. Интегратор применяется с любым термоэлектрическим актинометрическим прибором – актинометром, пиранометром, балансомером. Разумеется, при непрерывной регистрации излучения актинометр применяется вместе с гелиостатом, а пиранометр и балансомер – вместе с теневым кольцом М-41, исключающим попадание прямой солнечной радиации на прибор при движении Солнца по эклиптике. Чувствительным элементом интегратора Х-603 служит водородный счетчик количества электричества. Как известно, интеграл от тока, взятый по некоторому интервалу времени, равен заряду, прошедшему по проводнику за это время:
. (4)С другой стороны, при разложении электрическим током какого-либо вещества – в данном случае, серной кислоты – количество выделившегося газа (в данном случае, водорода) по закону Фарадея пропорционально прошедшему заряду, т.е. интегралу от тока. Таким образом, измеряя количество водорода, выделившегося при разложении серной кислоты электрическим током, можно определить интегральное значение тока, поступившего на интегратор с актинометра, пиранометра или балансомера, а значит, интегральное значение прямой солнечной радиации, рассеянной радиации или радиационного баланса.
Рассмотрим устройство электролитического интегратора Х-603 (рис. 7).
Он состоит из стеклянной герметичной электродной камеры (1), соединенной трубками (2) и (7) с капилляром (4). Электродная камера (1) разделяется пористой стеклянной перегородкой (8), по обеим сторонам которой находятся две пары сеточных платиновых электродов (3). Электроды покрыты платиновой чернью и имеют платиновые выводы, выходящие наружу через стенки электродной камеры. Пористая перегородка (8) пропитана электролитом – водным раствором серной кислоты. Из этого же раствора состоит и столбик жидкости (6) в капилляре.
При прохождении электрического тока через электролит на одном из электродов, катоде, выделяется некоторое количество водорода, пропорциональное интегрированной радиации за время наблюдения. Одновременно такое же количество водорода поглощается на аноде. Общее количество водорода в интеграторе остается постоянным, но при этом со стороны катода давление увеличивается, а со стороны анода уменьшается. Под действием разности указатель (6) перемещается по капилляру до выравнивания давления, и это перемещение можно измерить с помощью шкалы (5). Отсчет производится по правому мениску столбика жидкости.
Все свободное пространство внутри трубок счетчика заполнено водородом. Одна из пар электродов (нижняя на рис. 7) – измерительная, через нее проходит ток от включенного актинометрического датчика. Другая пара (верхняя) установочная, через нее пропускается ток от вмонтированного в интегратор гальванического элемента G. Этот ток, ослабленный до 2 мА сопротивлением R6, служит для приведения указателя в нулевое положение. Для этого тумблер S, переключающий полярность прохождения тока от элемента, переключается в ту сторону, куда нужно переместить указатель.
Интегратор имеет несколько диапазонов измерений, выбираемых в зависимости от времени года, широты места, вида радиации и типа датчика. Выбор диапазона осуществляется подключением датчика к одному из выводов цепочки резисторов R1 – R5. Интегратор предназначен для работы при температурах от 25 до 4С, при относительной влажности до 80 %. Основная погрешность измерений сумм радиации интегратором не превышает 20 % шкалы. Влияние температуры окружающего воздуха вызывает дополнительную погрешность не более 2,5 % на каждые 10 температуры. Емкость 100 делений шкалы указывается в паспорте и может находиться в пределах 30 - 60 мкА.
Интегратор типа Х-607 имеет тот же принцип действия, что и интегратор Х-603. Дополнительная функция, выполняемая интегратором Х 607 – интегрирование одновременно двух токов с их алгебраическим сложением.
Интегратор Х-607 состоит из двух функциональных частей: водородного электролитического элемента (кулонометра) и электрической схемы. Водородный электролитический элемент представляет собой стеклянный герметический сосуд с двумя электродными камерами. Каждая электродная камера разделена пористой стеклянной перегородкой, в которую вплавлены платиновые электроды. Электрическая схема интегратора имеет измерительную и установочную цепи. Интегратор Х-606 имеет такое же назначение, что и интегратор Х-607. В интеграторе Х-606 производится автоматическое считывание показаний с выдачей результатов на цифровой счетчик импульсов, что обеспечивается соответствующей электронной схемой. В остальном принцип действия и состав интегратора Х-606 аналогичен Х-607.
Технические характеристики электролитических преобразователей Х-603, Х-606, Х-607 представлен в Приложении 2.
ЭЛЕКТРОННЫЙ ПОТЕНЦИОМЕТР – САМОПИСЕЦ КСП-4
Прибор обеспечивает автоматическую регистрацию ЭДС от актинометрических датчиков – актинометра, пиранометра и балансомера. Пределы измерения от -10 до +10 мВ, схема обеспечивает подключение шести датчиков. Время пробега кареткой всей шкалы 2 – 2,5 с. Предназначен для работы с датчиками, сопротивление которых (включая сопротивление линии связи) не превышает 200 Ом. Напряжение питания – 220 В.
Принципиальная электрическая схема прибора представлена на рис. 8.
Основу измерительной схемы прибора КСП-4 составляет четырех-плечный мост (рис. 8), плечи которого состоят из резисторов R1, R2, R3, R4. Сопротивление R1 – R2, изменяемое в процессе измерения, называется реохордом.
Измеряемый сигнал с датчиков подается в диагональ измерительного моста. В другую диагональ включен стабилизированный источник питания G, обеспечивающий постоянство рабочего тока в измерительной схеме.
В основу прибора положен компенсационный метод измерения. Напряжение, поступающее от датчика в одну из диагоналей моста, компенсируется включением в другую диагональ напряжения измерительной схемы потенциометра.
При изменении сигнала, поступающего с датчиков на вход прибора, на входе усилителя А2 возникает напряжение разбаланса. После усиления оно преобразуется в переменное преобразователем U, а затем снова усиливается усилителем А3 для приведения в действие реверсивного двигателя М, выходной вал которого вращается в ту или другую сторону до тех пор, пока существует напряжение разбаланса.
Вращение выходного вала реверсивного двигателя с помощью механической передачи (шкив и трос) преобразуется в прямолинейное движение каретки вдоль реохорда. На каретке закреплены контакты реохорда, указатель и записывающее устройство.
В момент равновесия измерительной схемы положение указателя определяет значение измеряемого параметра, которое записывается на движущейся диаграммной ленте.
Прибор КСП-4 отпечатывает на диаграммной ленте точку с порядковым номером датчика, затем переключатель каналов автоматически присоединяет к измерительной схеме прибора следующий датчик. В целях помехозащиты в измерительной цепи прибора предусмотрен фильтр, состоящий из резисторов и конденсаторов (на схеме рис. 8 не показан).
Точки, отпечатанные на диаграммной ленте, характеризуют значения параметров радиации.
Определение переводного множителя каждого датчика с прибором КСП-4 должно производиться при вводе УАР в эксплуатацию или при замене датчиков в процессе эксплуатации.
Переводной множитель датчиков с прибором КСП-4 должен определяться по контрольному гальванометру. Полученное значение переводного множителя сохраняется, если результаты очередного контроля показали значение, отличающееся от ранее применявшегося менее чем на 2% для актинометра, 5% – для пиранометра и 10% – для балансомера. При замене КСП-4, если он имеет другое значение цены деления по напряжению, то переводной множитель
каждого датчика пересчитывается путем умножения для старого прибора КСП-4 на отношение /‘ , где ‘ – значение цены деления по напряжению заменяемого (старого) прибора КСП-4; – значение цены деления по напряжению нового прибора.У прибора КСП-4 с диапазоном от –10 до +10 мВ для расчета следует брать значение предела измерений, равное 20 мВ. Значение при этом равно 0,2 мВ/дел.
Для определения переводного множителя каждого датчика с прибором КСП-4 графическим методом необходимо построить зависимость значения радиации от показаний прибора КСП-4 на канале с соответствующим датчиком. Для каждого вида радиации должен быть построен отдельный график.
По оси ординат следует отложить значение вида радиации
а по оси абсцисс значение ординаты 
, снятое с диаграммной ленты прибора КСП-4 на канале соответствующего датчика.После построения линии зависимости
от необходимо вычислить значение переводного множителя каждого датчика с прибором КСП-4 по формуле:
, (8.5)где
– значение ординаты, кВт/м2·с, – значение абсциссы (в делениях), снятое с построенного графика на уровне максимального значения данного вида радиации.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Для создания светового потока в лаборатории используется мощный осветитель, дающий направленный световой пучок. Поэтому при работе с актинометрическим прибором необходимо направить световой поток на него, затем провести все необходимые эксперименты с этим прибором, а после этого перейти к исследованию следующего прибора, направив на него световой поток.
1. Включите осветитель и изменяя его угол наклона, направьте световой пучок на актинометр. Затем наведите актинометр на осветитель. В лабораторных условиях невозможно сделать это, используя изложенную ранее методику, так как световой пучок от осветителя не является параллельным. Поэтому сначала наведите актинометр лишь примерно. Затем поставьте переключатель S1 (рис.8) в положение “А” – актинометр, а переключатель S3 в положение “вкл.”. Установите такое напряжение на ЛАТРе (лабораторном автотрансформаторе), чтобы стрелка гальванометра показывала бы не более половины шкалы. Затем, поворачивая установочные винты, добейтесь максимального показания – это означает, что актинометр точно наведен на осветитель.
2. Заправьте ленту в электронный потенциометр КСП-4. Затем с помощью тумблеров “вкл.-приб.” и “вкл.-диагр.” включите КСП-4. Тумблеры находятся на самом приборе КСП-4.
3. Установите на ЛАТРе рабочее напряжение ~50 в и проведите отсчет по гальванометру. Затем, не изменяя напряжения, поставьте переключатель S3 в положение “выкл” и проведите отсчет по самописцу.
Учтите, что самописец КСП-4 рассчитан на шесть датчиков, а Вы пользуетесь только одним. Поэтому на всех остальных каналах самописец будет печатать точки на осевой центральной линии, т.е. нулевые отсчеты. Только на одном канале каретка самописца продвинется вправо и на диаграммной ленте будет отпечатана точка, соответствующая показаниям актинометра.
4. Далее установите на ЛАТРе напряжения 100, 150, 200, 250 В и проделайте операции по п. 3. Показания гальванометра записывайте в рабочей тетради, показания самописца записывать не надо – отчетным документом является диаграммная лента. Поэтому делайте рабочие пометки карандашом прямо на ленте – в частности, около каждой точки необходимо записывать соответствующее напряжение ЛАТРа. По окончании опытов поставьте переключатель S3 в положение “выкл.”
Внимание! При проведении всех опытов с актинометром (также как и с другими актинометрическими приборами) угол наклона осветителя не изменять! Это вызовет изменения светового пучка, что сделает невозможным сравнение результатов измерений.
По известному значению переводного множителя актинометра с гальванометром (
= 0,0141 кВт/м2·дел) постройте график зависимости светового потока от подаваемого напряжения на ЛАТРе (6 – 7 значений).Далее определите переводной множитель актинометра в паре с КСП-4 –
. Поскольку световой поток в процессе измерений не изменялся, справедливым является следующее равенство:
, (6)где
- отсчет по гальванометру, 
- отсчет по самописцу. Отсюда:
. (7)Проведите расчет по формуле (7) несколько раз – столько, сколько отсчетов сделано в работе, а затем определите переводной множитель, как среднюю величину.
5. Теперь наведите осветитель на пиранометр, изменив угол наклона осветителя. Поставьте переключатель S1 в положение “П”, переключатель S3 в положение “вкл.”. Устанавливая те же напряжения на ЛАТРе, проделайте те же операции, что и с актинометром (см. п.п. 3, 4). По известному значению переводного множителя пиранометра в паре с гальванометром (
= 0,00420 кВт/м2·дел) постройте график зависимости светового потока от подаваемого напряжения на ЛАТРе и определите переводной множитель для пиранометра в паре с КСП-4, используя формулу, аналогичную формуле (7).6. Измените снова угол наклона осветителя, наведите осветитель на балансомер. Поставьте переключатель S1 в положение “Б” (балансомер), переключатель S3 в положение “вкл.”. Проделайте те же операции, что с актинометром и пиранометром, постройте зависимость показаний гальванометра от напряжения на ЛАТРе и по известному переводному множителю (
= 0,00083 кВт/м2·дел) определите переводной множитель для балансомера в паре с КСП-4. 7*. Направить воздушный поток от вентилятора на балансомер, осветив верхнюю приемную поверхность источником света.
8*. При фиксированном источнике света, направленного на балансомер при скоростях обдува 2, 4, 6, 8, 10 м/с зарегистрировать показания на ленте КСП-4, включив тумблер “вкл.-приб.”, “вкл.-диагр.”. Скорость воздушного потока определить, например, с помощью механического анемометра.
9*. Построить график зависимости показаний КСП-4 от скорости обдува датчика балансомера. Сравните показания балансомера при отсутствии обдува с показаниями при различной скорости обдува. Есть ли разница в показаниях? Если есть, то чем Вы ее объясняете?
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
Уважаемые коллеги-студенты! При сдаче коллоквиума по данной работе требуется знание следующих семи приборов:
- компенсационного пиргелиометра,
- термоэлектрического актинометра,
- балансомера,
- гелиостата,
- электролитического интегратора,
- самописца КСП-4.
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 книге [3] или по конспекту лекций.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие актинометрические приборы используются в метеорологии?
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 – к относительным?
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. Что такое переводной множитель для пиранометра? 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?
22. Что такое переводной множитель для балансомера? Зависит ли он от использования того или иного регистрирующего прибора?
23. Что такое гелиостат и каково его назначение в актинометрии?
24. Какие величины необходимо знать для использования гелиостата и правильной его установки? Каков порядок установки гелиостата?
25. Что такое интегратор? Какие физические принципы позволили сконструировать такой прибор?
26. Изобразите схему интегратора и объясните его действие.
27. Каким образом осуществляется установка интегратора на ноль?
28. Изобразите схему самописца КСП-4 и объясните его действие.
29. В чем заключается особенность использования мостовой схемы в КСП-4 (по сравнению с известными Вам мостовыми схемами)?
30. Какова последовательность Ваших действий при определении переводного множителя для самописца КСП-4?
31. Почему рекомендуется сразу же после регистрации по гальванометру переключить ключ и осуществить измерения по КСП-4, а только потом изменить величину светового потока?
32. Какие графики должны быть построены при обработке данных Вашей работы? Какие величины должны быть вычислены и каким образом?
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.
4. Таблицу отчетов по КСП-4 для каждого датчика при разных напряжениях на ЛАТРе.
5. Графики величин прямой солнечной радиации, рассеянной радиации и радиационного баланса в зависимости от напряжения на ЛАТРе.
6. Переводные множители для всех датчиков в комплекте с КСП-4.
ЛИТЕРАТУРА
1. Л.Г.Качурин Методы метеорологических измерений. Методы зондирования атмосферы. – Л.: Гидрометеоиздат, 1975. – 456 с.
2. Руководство гидрометеорологическим станциям по актинометрическим наблюдениям. – Л.: Гидрометеоиздат, 1973. – 175 с.
3. Руководство к лабораторным работам по экспериментальной физике атмосферы. Под ред. Качурина Л.Г., Мержеевского А.И. – Л.: Гидрометеоиздат, 1969. – 510 с.
4. Стернзат М.С. Метеорологические приборы и измерения. – Л.: Гидрометеоиздат, 1978. – 392 с.
5. Методические указания по регистрации составляющих радиационного баланса. – Л.: Гидрометеоиздат, 1986. – 134 с.
6. Григоров Н.О. Презентация лекций по курсу «Гидрометеорологические измерения». 2010 г.
ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Таблица 1
Нормативно-технические характеристики
первичных актинометрических преобразователей.
| № п/п | Параметры | Допускаемые значения | | ||
| | | Актинометр М-3 | Головка пирано-метра М-115М | Балан- сомер М-10М | |
| 1. | Диапазон измерений, кВт/м2 | 0 – 1,1 | 0 – 1,5 | 0 – 1,0 | |
| 2. | Спектральная область, мкм | 0,3 – 4,5 | 0,3 – 2,4 | 0,3 – 40,0 | |
| 3. | Коэффициент преобразования при нормальных условиях (температура 205ОС), мВ/кВт·м-2 | 9 – 12 | 10 – 16 | 8 – 13 | |
| 4. | Температурный коэффициент, % на 1ОС | 0,0008 | | | |
| 5. | Предел допустимой основной погрешности, % от предельного значения диапазона измерения | 3 | 11 | 20 | |
| 6. | Центральный угол зрения, (в градусах) | 10 | 180 | 180 | |
| 7. | Сопротивление термобатареи, Ом | 18 4 | 30 5 | 50 10 | |
| 8. | Сопротивление изоляции между термобатареей и корпусом, МОм | 1 | 0,5 | 0,5 | |
| 9. | Время установления показаний, с. | 26 | 40 | 15 | |
| 10. | Изменение коэффициента преобразования при ветре, % на 1 м/с | – | – | 4 | |
| 11. | Поправочный множитель при высоте Солнца (в градусах). | | | | |
| | 100 | | 0,65 – 1,35 | | |
| | 150 | | 0,70 – 1,30 | | |
| | 200 | | 0,75 – 1,25 | | |
| | 300 | | 0,80 – 1,20 | | |
| | 500 | | 0,85 – 1,15 | | |
| | 700 | | 0,92 – 1,08 | | |
Таблица 2
Нормативно-технические характеристики электролитических
преобразователей Х-603, Х-606, Х-607
| № п/п | Параметры | | Допустимые | значения |
| | | интегратор Х-603 | интегратор Х-606 | интегратор Х-607 |
| 1. | Емкость на 100 делений шкалы, мкА | 45 15 | | 45 15 |
| 2. | Диапазон интегрируемого входного сигнала, мкА | | 2; 5 – 2000 | 5 – 1500 |
| 3. | Значение входных сопротивлений на 6 пределах измерений интегратора, Ом | 301,5 | 30 1,5 | 30 1,5 |
| | | 1902 | 200 5 | 200 5 |
| | | 6705 | 500 5 | 1500 5 |
| | | 2100 10 | 1000 8 | 1000 8 |
| | | 15 | 2500 20 | 2500 20 |
| | | 25 | 5000 35 | 5000 35 |
| 4. | Собственная ЭДС, мкВ | 20 | 30 | 20 |
| 5. | Обратная ЭДС, мкВ | 40 | 40 | 40 |
| 6. | Предел допустимой основной погрешности, % от предельного значения шкалы | 1,5 | 2; 4; 6 | 2 |
| 7. | Дополнительная погрешность при отклонении температуры воздуха от (20,5)ОС на каждые 10О, % | 2,5 | – | 1 |
| 8. | Длина столба жидкости указателя | 1,5 – 8 | | 5 3 |
| 9. | Интервал времени прохождения шкалы указателей от вмонтированного источника, мин. | 2 | 2 | 2 |
УЧЕБНОЕ ИЗДАНИЕ
Григоров Николай Олегович
Осипов Юрий Германович
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №8
Исследование актинометрических приборов
Редактор И.Г. Максимова
ЛР №020309 от 30.12.96
Подписано в печать 26.03.2001г. Формат 60×90 1/16
Бумага кн.-жур.
Печ.л.2,0
Тираж 50 Зак.3. Отпечатано ...
РГГМУ, 195196, Малоохтинский пр.98.