Измеритель солнечной радиации

 

Изобретение относится к технике актинометрических измерений, а именно к измеренгт потоков прямой и рассеянной радиации. Изобретение направлено на одновременное и раздельное измерение потоков прямой и рассеянной радиации. Повышение точности достигается тем, что устройство для измерения солнечной энергии, содержаще.е приемник 1 излучения, расположенный в центре сферического обтюратора 2, соединено со схемой преобразования электрического сигнала. Схема пр.еоб- . разования вьтолнена в виде предварительного усилителя 3, соедйнёйного двумя избирательными фильтрами 4, 5, первый из которых настроен на частоту модуляции f, второй на частоту 3 f, выходы фильтров 4, 5 соединены с двумя детекторами 6 и 7, выходы которых через балансный усилитель 8 разности подключены к прибору 9 регистрации рассеянного излучения, выход второго детектора соединен с прибором 10 ре-, гистрации прямого излучения, причем размер приемной площади приемника излучения более чем в 10 раз меньше размера обтюратора. 6 ил. ё If) С N3 4 4 сл / (pi/e.f

СОЮЗ СОНЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (19) (11) (51) 4 G 01 J 1/44

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛЛМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3771576/24-25 (22) 19. 07. 84 (46) .15.07. 86. Бюл. ¹ 26 (71) Ленинградский ордена Ленина электротехнический институт им.В.И.Ульянова (Ленина) (72) В.К.Грунин, Б.В.Котов и И.В.Нахимович (53) 636.24(088.8) (56) Патент США № 4253764, кл. G 01 J 1/44, опублик. 1981.

Грунин В.К. и др. Фотопиранометр с модуляцией светового потока. -Изв.

ЛЭТИ, 1974, вып. 142, с. 48-50. (54) ИЗМЕРИТЕЛЬ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ (57) Изобретение относится к технике актинометрических измерений, а именно к измерению потоков прямой и рассеянной радиации. Изобретение направлено на одновременное и раздельное измерение потоков прямой и рассеянной радиации. Повышение точности достигается тем, что устройство для измерения солнечной энергии, содержащее приемник 1 излучения, расположенный в центре сферического обтюратора 2, соединено со схемой преобразования электрического сигнала. Схема преобразования выполнена в виде предварительного усилителя 3, соединенного с двумя избирательными фильтрами 4, 5, первый из которых настроен на частоту модуляции Е, второй на частоту 3 выходы фильтров 4, 5 соединены с двумя детекторами 6 и 7, выходы которых через балансный усилитель 8 разности подключены к прибору 9 регистрации рассеянного излучения, выход второго детектора соединен с прибором 10 регистрации прямого излучения, причем размер приемной площади приемника излучения более чем в 10 раз меньше размера обтюратора. 6 ил.

1244504

Изобретение относится к технике актинометрических измерений, а именно к измерениям потока прямой солнечной радиации, падающей на приемник в виде параллельного пучка лучей и потока рассеянной радиации, поступа4 ющего из телесного угла 2 < .

Цель изобретения — повышение точности изМерений.

На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого измерителя солнечной радиации; на фиг. 2 — взаимо расположение Солнца, приемной площадки приемника излучения и сферического обтюратора; на фиг. 3 — перемещение границы света и теки по приемной площадке приемника излучения; на фиг. 4 — вид трапецеидальных импульсов модулированного потока прямой радиации; на фиг. 5 — модуляция потока рассеянной радиации; на фиг. 6 гармонический закон модуляции потока рассеянной радиации.

Измеритель солнечной радиации состоит из приемника 1 излучения, расположенного в центре сферического обтюратора 2. Приемник излучения соединен с предварительным усилителем 3, выход которого распределяется по двум каналам, на измерительиьп фильтр 4, настроенный на частоту модуляции Е„,, и на измерительный фильтр 5, настроенный на частоту 3 f „ Избирательные фильтры соединены с. детекторами 6 н 7.

Выходы детекторов 6 и 7 через баланс" .ный усилитель 8 разности подаются на измерительньп прибор 9, регистриру" ющий рассеянную радиацию, а выход детектора 7 соединен с измерительным прибором 10, который регистрирует прямое излучение °

Устройство работает следующим образом.

При измерении излучения, распрострацяющегося из телесного угла 2 i<<<, наиболее простой реализацией модулятора, обеспечивающего изотропность прохождения излучения к приемной площадке из полупространства, является сферический обтюратор, составлеиньш из прозрачной и непрозрачной для измеряемого излучения полусфер.

Поглотитель излучения должен располагаться в той диаметральной плоскости обтюратора, через которую проходит его ось вращения.

В естественных условиях приемник излучения находится под действием где х — координата, лежащая в пло скости приемной площадки;

ЗΠ— время; д — угловая скорость вращения модулятора;

R — средний радиус полусферы обтюратора.

M При условии уi n/2 и г((R о можно приближенно считать, что по поверхности приемной площадки переме-. 0- щается практически прямолинейная граница света и тени с постоянной скоростью Ч yR.

При постоянной угловой скорости Ы обтюратора и неизменной во времени и равномерной облученности площадки приемника падающий на него поток P(x) пропорционален облученной площади приемника А(х), т.е. Р(х)=Е А(х), где

Е.- облученность приемника через прозрачную для излучения полусферу обтюратора. Из фиг. 3 следует, что облученная часть площади А(х) при указанных выше условиях может быть определена выражением:: х

dx=r are csin + х-r

r (х) =2

+(х-r) 5

13

25 суммарной радиации, состоящей из пря мой солнечной и рассеянной в атмосфере радиаций.

Прямая радиация падает на приемник в виде параллельного пучка лучей (фиг. 2), сечение которого определяется видимым подданным углом Ь размером 2 r sinb приемной площадки о (где r — - радиус площадки, расположенной горизонтально в центре обтюратора). Если прозрачность по поверхности каждой полусферы обтюратора неизменна и прямая солнечная радиация сохраняет постоянство в течение периода модуляции, то при вращении обтюратора (фиг. 2), падающий на приемник поток излучения изменяется во времени лишь тогда, когда граница между полусферами перемещается в пределах сечения пучка.

На фиг, 3 изображена круглая в плане приемная площадка. Анализ показывает, что скорость Ч движения границы света и тени.по ее поверх" ности определяется выражением:

V = dx/dt = Cv R/Sinet

3 1244504

Учитывая, что х = MRt можно пред- щ ставить падающий поток в зависимости о от времени:

P(t) =E A(t) =E(r. are sin(--- — 1)+

vRt

4 адку, т. е. dP = Е s in B d6, где Е блученность верхней полусферы обтюратора.

Окончательно зависимость модулированного потока рассеянного излучения от времени имеет вид:

f 1т

+(ь Р— х) r (zoRt-r) - "j. (1) Быражение (1) описывает изменение

1О падающего на приемник потока в предела:- временного интервала 0 ((t

lP движения границы света и тени по площадке. Длительность переднего и заднего фронтов импульсов излучения

n ll 11 п

t5 по уровням 0 и 1, равная отношению размера сечения пучка излученггя в направлении движения границы света и тенп по площадке к скорости переме щения Границы, определяется по формуле.

r sin hg

t Т

КR (2) где Т вЂ” период.

Таким образом, прямая солнечная

3 радиация при использовании сферического обтюратора модулируется последовательностью импульсов, которые имеют форму, близкую к трапецендальной; переход от света к тени и обратно происходит в соответствии с выражением (1) и является нелинейным (фиг. 4).

Рассеянная радиация поступает к приемнику иэ телесного угла 2 7i в З5 се виде концентрически сходящихся лучей (фиг. 5). которые при равномерной светимостп небосвода создают на полусферической поверхности обтюратора . постояпную облученность.При вращении 40 обтюратора на приемник падает поток ггзлученггя, исходящий из части небосвода, которая видна из центра приемной ,площадки в пределах сферического двуугольпика, образованного плоскостью 4>. горизонта и плоскостью соединения полусфер. К моменту времени, отсчитанному от момента полного перекрытия потока рассеянной радиации (граница полусфер находится в плоскости горизонта Z=O)

В обтюратор поворачивается на угол о = гд и граница полусфер располагается в плоскости 7. =1 у, где k = tg8.

В пределах малого приращения угла

d 8 на приемник будет направляться поток dP, пропорциоггальныйг площади

d 6 сферического двуугольника и сину. су угла 8 падения излучения на плоP(t) = — Р (1-Cos мt) .

2 (3)

Следовательно, в результате полусферической модуляции падающий на приемник поток рассеянной радиации изменяется в соответствии с формулой (3) по гармоническому закону (фиг. 6).

Этот закон должен строго выполняться при пространственной однородности рассеянного излучения и подчинении угловой характеристики приемника закону косинуса.

Таким образом, из-за различной пространственной структуры потоков прямого и рассеянного излучений законы их модуляции сферическим обтюратором имеют различный характер: прямая радиация модулируется последовательностью трапецеидальных импульсов, а рассеянная радиация изменяется по гармоническому закону.

Полагая приемник излучения линейным звеном с.достаточно малой инерционностью (i C 1(2И,„), можно считать, что электрический сигнал на его зажимах изменяется так же, как модулированный оптический сигнал.

Поток рассеянной радиации, модулированный по закону (3), вызывает в при. емнике сигнал, который, кроме постоянной составляющей, содержит только первую гармонику.

Разложение в ряд Фурье сигнала, обусловленного последовательностью трапецеидальгых импульсов излучения, свидетельствует, что сигнал наряду с постоянной составляющей содержит только нечетные гармоники, причем отношение амплитуд первой и третьей гармоник остается неизменным, если

t+/T (0,033. Как видно иэ формулы (2), это условие реализуется при

r/R (0,1 (фиг. 2). Поэтому соотношение г/R C 0,1 является важным конструктивным признаком измерителя, так как при его соблюдении сигнал, обусловленный прямой радиацией и изменяющггггся с частотой 3f позволяет леги ко определять сигнал от прямой радиации на частоте f è выделять разностный сигнал, вызываемый потоком рассеянной радиации.

1244504

J ;1Kl. обpdзом, различие спектрального состава сигналов, обусловленных потоками радиации с различной пространственной структурой, можно использовать для раздельного измерения составляющих естественного суммарного потока. Для реализации этого в электрической схеме обработки сигнала необходимо предусмотреть выделение гармонических составляющих, ха- 10 рактеризующих прямое и рассеянное излучение.

При вращении модулятора переменный сигнал приемника 1 (фиг. 1), несущий информацию о потоках прямой 15 и рассеянной радиации, усиливается широкополосным предварительным усилителем 3 и подается на узкополосные активные фильтры 4 и 5, настроенные на частоту модуляции Е„ и ЗЕ„, соот-. 20 ветственно. С выхода фильтров сигналы йоступают на индивидуальные детек тирующие устройства 6 и 7. После детектирования сигналы подаются на балапспый усилитель 8 разности, в котором из суммарного сигнала, обусловленного потоками прямой и рассеянной радиации, изменяющимися с частотой 1:, вычитается сигнал, пропорци" ональный потоку прямой радиации. Раз-30 ностный сигнал, пропорциональный потоку рассеянной радиации, измеряется прибором 9, Сигнал с выхода детектора

7, пропорциональный потоку прямой радиации измеряется приоором 10 ° 35

Изобретение позволяет производить одновременное и раздельное измерение потоков прямой и рассеянной радиации солнечного излучения в автоматическом режиме, при этом снижается погрешность, обусловленная временной и пространственнои неоднородностью измеряемого излучения.

Формула из об рете ния

Измеритель солнечной радиации, состоящий из приемника излучения, помещенного в центре сферического обтюратора и соединенного со схемой обработки электрического сигнала, о т л и ч а ю щ II и с я тем, что, с целью повышения точности измерений, схема обработки .сигнала выполнена в виде предварительного усилителя, соединенного с двумя избирательными фильтрами, первый из которых настроен на частоту модуляции Х,, а второй — на частоту 3fÄÄ, выходы избирательных фильтров соединены с детекторами, выходы которых через банансный усилитель разности- соединены с измерительным прибором регистрации рассеянной радиации, выход детектора, вход которого соединен с выходом второго избирательного фильтра, также соединен с измерительным прибором

I регистрации прямого солнечного излучения, причем размер приемной площадки приемника излучения более чем .в 10 раз меньше размера обтюратора.

1244504

Составитель А. Чурбаков

Редактор Л. Пчелинская Техред В.Кадар Корректор А. Зимокосов

Заказ 3906/44 Тираж 778 : Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4