Napsugárzás mérési módszerek pirheliométer és piranométer alkalmazásával

Mindannyian tudjuk, hogy az élet a földön tartható a nap miatt, mivel elegendő hőenergiát biztosít a föld melegen tartásához. Ezt az energiát a nap elektromágneses sugárzás formájában szállítja, amelyet általában napsugárzásnak neveznek. A sugárzás egy része hasznos az emberek számára, míg egy másik sugárzás káros az egész életre.

Ahhoz, hogy a napsugárzás a föld felszínére jusson, át kell haladnia az atmoszférán, ahol felszívódik, szétszóródik, visszaverődik és továbbjut, ami az energiaáram sűrűségének csökkenését eredményezi. Ez a csökkenés nagyon jelentős, mivel több mint 30% -os veszteség fordul elő napsütéses napon, felhős napon pedig 90% -ot ér el. Tehát az a maximális sugárzás, amely a földfelszínre jut a légkörön keresztül, soha nem lesz magasabb, mint 80%.

A napfluxust nagyon fontos mérni, mivel ez a földi élet alapja, és sok termék felépítéséhez használják, függetlenül attól, hogy az elektronikához, növényekhez, gyógyszerekhez, kozmetikumokhoz stb. Kapcsolódik-e. Ebben az oktatóanyagban megismerhetjük a napsugárzást és annak mérést, és megismerheti a két legnépszerűbb napenergia-mérőeszközt - a pirheliométert és a piranométert.

Sugár sugárzás és diffúz sugárzás

Az a sugárzás, amelyet a felszínen érzékelünk, mind a közvetlen, mind a nap közvetett sugárzása. A közvetlenül a napból származó sugárzás közvetlen sugárzás, és sugár sugárzásnak nevezik. A szétszórt és visszavert sugárzás, amelyet minden irányból a föld felszínére küldenek (molekulák, részecskék, állati testek stb. Visszaverődnek), közvetett sugárzás, és diffúz sugárzásnak nevezik. És mind a sugár, mind a diffúz sugárzás összegét globális sugárzásként vagy teljes sugárzásként határozzuk meg.

Fontos különbséget tenni a sugár sugárzás és a diffúz sugárzás között, mert a sugár sugárzása koncentrálható, míg a diffúz sugárzása nem. Számos napsugárzás mérő műszer használható a sugár sugárzásának és a diffúz sugárzás mérésére.

Vessünk egy pillantást az elektromágneses sugárzás spektrumára az alábbi ábrán.

A teljes spektrumban csak az UV-sugaraktól az IR-sugarakig terjedő hullámhosszakat vesszük figyelembe a napfluxus kiszámításához, mert a Napból származó nagyfrekvenciás hullámok többsége nem éri el a felszínt, és az IR utáni kisfrekvenciás sugárzás nem megbízható. Tehát a napsugárzást vagy fluxust általában az UV-sugaraktól az IR-sugarakig mérik, és a műszereket is így tervezik.

A napsugárzás mérő műszereknek két típusa van:

1. Pirheliométer
2. Piranométer

Mielőtt belefogna ezekbe a műszerekbe, meg kell értenie néhány fogalmat, amelyeket az eszközök tervezése során használnak. Tehát most vizsgáljuk meg ezeket a fogalmakat.

Fekete test sugárzása

A fekete test általában elnyeli az összes sugárzást anélkül, hogy bármit is kibocsátana a légkörbe, és tisztábbá teszi a fekete testet, így tökéletesebb az elnyelés. Tény, hogy eddig nem volt tökéletes fekete test, így általában a második legjobbat választjuk meg. Miután a fekete test elnyeli a sugárzást, felmelegszik, mivel maga a sugárzás energia, és abszorpció után a testben lévő atomok kilépnek. Ezt a feketetestet a napsugárzás mérő műszerek központi elemeként használják. A fekete testtel szemben egy fehér test visszatükrözi az összes rá eső sugárzást a légkörbe, ezért nyáron kényelmesebbnek érezzük magunkat fehér ruhában.

Hőelem

A hőelem egy egyszerű eszköz, amelyet két, különböző anyagból készült vezető segítségével állítanak elő, az ábra szerint.

Itt két huzal van összekötve, és két csomópontú hurkot képez, és ezeket a csatlakozásokat "A" és "B" jelöléssel jelölik. Most egy gyertyát hoznak az „A” elágazás közelében, míg a „B” elágazás egyedül marad. Ha a gyertya az „A” kereszteződésben van, annak hőmérséklete jelentősen megemelkedik, míg a B elágazás szobahőmérsékleten hideg marad. E hőmérséklet-különbség miatt feszültség (potenciálkülönbség) jelenik meg a csomópontokban a „ Seebeck-effektus” szerint. Mivel az áramkör zárt, az 'I' áram folyik át az áramkörön, az ábra szerint, és ennek az áramnak a mérésére sorba kötünk egy ampermérőt. Fontos megjegyezni, hogy a hurokban az „I” áram nagysága egyenesen arányos a hőmérséklet-különbséggela csomópontokban, így a magasabb hőmérséklet-különbségek nagyobb áramot eredményeznek. Tehát az ampermérő leolvasásával kiszámíthatjuk a hőmérséklet-különbséget a csomópontokban.

Miután az alapokat ismertettük, vizsgáljuk meg a napsugárzás mérő műszerek felépítését és működését.

Pirheliometer munka és építés

A pirheliométer egy olyan eszköz, amelyet normál beesés esetén mérnek a közvetlen sugárzáshoz. Külső szerkezete úgy néz ki, mint egy hosszú cső, amely egy távcső képét vetíti ki, és a fénysugárzás méréséhez a lencsét a nap felé kell mutatnunk. Itt megismerhetjük a Pirheliometer működési elvét és felépítését.

A pirheliométer alapvető szerkezetének megértéséhez nézze meg az alábbi ábrát.

Itt a lencse a nap felé mutat, és a sugárzás áthalad a lencsén, a csövön és a végén az alján lévő fekete tárgyra esik. Most, ha a teljes belső struktúrát és áramkört egyszerűbb módon rajzoljuk át, az alábbiakhoz hasonlít.

Az áramkörben látható, hogy a fekete test elnyeli a lencséből hulló sugárzást, és amint azt korábban tárgyaltuk, a tökéletes fekete test teljesen elnyeli a rá eső sugárzást, így a csőbe eső sugárzást a fekete tárgy teljesen elnyeli. Amint a sugárzás felszívódik, a test atomjai izgulnak az egész test növekvő hőmérséklete miatt. Ezt a hőmérséklet-növekedést az „A” hőelem-csatlakozás is tapasztalni fogja. Most, hogy a hőelem „A” elágazása magas hőmérsékleten és a „B” elágazás alacsony hőmérsékleten van, áramlási áram lép fel a hurokjában, amint azt a hőelem működési elve tárgyalja. Ez az áram a hurokban a soros galvanométeren is átfolyik, és ezzel eltérést okoz benne. Ezaz eltérés arányos az árammal, ami viszont arányos a csomópontok hőmérséklet-különbségével.

Eltérés ∝ áram a hurokban ∝ Hőmérsékletkülönbség a csomópontokban.

Most megpróbáljuk az áramkör segítségével megsemmisíteni ezt az eltérést a galvanométerben. Az eltérés semmissé tételének teljes folyamatát az alábbiakban lépésről lépésre ismertetjük.

• Először zárja le az áramkör kapcsolóját az áramáram elindításához.
• Az áram úgy folyik,

Akkumulátor -> kapcsoló -> fémvezető -> ampermérő -> változó ellenállás -> akkumulátor.

• Ezzel az árammal a fémvezetőn keresztül áramlik a hőmérséklete egy bizonyos fokig.
• A fémvezetékkel érintkezve a „B” elágazási hőmérséklet is emelkedik. Ez csökkenti az „A” és a „B” elágazás közötti hőmérséklet-különbséget.
• A hőmérséklet-különbség csökkenése miatt a hőelem áramárama is csökken.
• Mivel az eltérés az árammal arányos, a galvanométer eltérése is csökken.
• Összefoglalva elmondhatjuk- A galvanométer eltérése csökkenthető a reosztát beállításával a fémvezető áramának megváltoztatására.

Most állítsa tovább a reosztátot, amíg a galvanométer eltérése teljesen érvényét veszti. Amint ez megtörténik, megkapjuk a mérők feszültség- és áramértékeit, és egyszerű számítással meghatározhatjuk a fekete test által elnyelt hőt. Ez a számított érték felhasználható a sugárzás meghatározására, mivel a fekete test által generált hő egyenesen arányos a sugárzással. Ez a sugárzási érték nem más, mint a közvetlen nyalábú napsugárzás, amelyet már a kezdetektől mérni kívánunk. És ezzel lezárhatjuk a Pirheliometer működését.

Piranométer munka és építés

A piranométer olyan eszköz, amely mind a sugár, mind a diffúz sugárzás mérésére alkalmas. Más szavakkal, a félgömb teljes sugárzásának mérésére szolgál (sugár plusz vízszintes felületen diffúz). Itt megismerhetjük a Pyranometer működési elvét és felépítését.

A készülék úgy néz ki, mint egy UFO csészealj, amely a legjobban megfelel a céljának. Ez az eszköz népszerűbb, mint a többi, és manapság a legtöbb napenergia-adatot ezzel mérik. Az alábbiakban láthatja a Pyranometer eredeti képét és belső felépítését.

A

Itt a környező légkör sugárzása áthalad az üvegkupolán, és ráesik a műszer közepén elhelyezkedő feketetestre. A korábbiakhoz hasonlóan a test hőmérséklete az összes sugárzás elnyelése után emelkedik, és ezt az emelkedést a közvetlenül a feketetest alatt lévő termoelem-lánc vagy hőelem-modul is tapasztalni fogja. Tehát a modul egyik oldala forró lesz, a másik pedig hideg a hűtőborda miatt. A hőelem modul feszültséget generál, és ez a kimeneti kapcsokon is látható. Ez a kimeneti kapcsokon kapott feszültség egy hőelem elve szerint egyenesen arányos a hőmérséklet-különbséggel.

Mivel tudjuk, hogy a hőmérséklet-különbség összefügg a fekete test által elnyelt sugárzással, azt mondhatjuk, hogy a kimeneti feszültség lineárisan arányos a sugárzással.

Az előző számításhoz hasonlóan ebből a feszültségértékből az egész sugárzás értéke könnyen megszerezhető. Az árnyék felhasználásával és ugyanezt az eljárást követve megkapjuk a diffúz sugárzást is. A teljes sugárzás és a diffúz sugárzás értékével a sugár sugárzás értéke is kiszámítható. Ezért a diffúz napsugárzást és a teljes sugárzást is kiszámíthatjuk a Pyranometer segítségével.