Устройство для определения теплового баланса поверхности почвы

 

¹ 85508

Класс 421, 12ев

СССО

О ГРИСА НИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Б. А. Айзенштат

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА

ПОВЕРХНОСТИ ПОЧВЫ

Заявлено 19 мая 1948 г. за № 380003 в Гостехнику СССР с присоединением заявки № 380001 от 19 мая 1948 г.

Принцип действия устройства основан на исключении отдельных компонентов теплового баланса с одно временной компенсацией недостающего количества тепла при помощи электронагревателя, вмонтированного в медную пластинку, являющуюся основной частью устройства.

Известны устройства, предназначенные для определения геплового баланса поверхности почвы, работающие на таком же принципе. Недостатком этих устройств является их неуниверсальность, т. е. необходимость в наборе приборов для определения отдельных ком онентов теплового баланса.

Предлагаемое устройство свободно от указанного выше недостатка. С небольшими конструктивными изменениями оно позволяет измерять отдельные компоненты теплового баланса, а,именно: !) тепло, затрачиваемое на испарение влаги с поверхности почвы; 2) теплотцой оток, направленный от поверхности вглубь почвы; 3) теплообмер

1 между почвой и воздухом.

Отличительная особенность устройства состоит в том, что внешняя поверхность медной пластинки с прикрепленными к ней нечетными спаями термобатареи, окрашена окисью магния, а четные спаи термобатареи, удаленные от края пластинки на 10 — 12 см окрашены под цвет почвы.

На фиг. 1 схематически изображен вид устройства в плане; на фиг. 2 — то же, вид сбоку; на фиг. 3 — схема монтажа устройства при определении тепла, затрачиваемого на испарение влаги с поверхности почвы; на фиг. 4 — схема монтажа устройства при определении теплового потока, направленного от поверхности вглубь почвы; на фиг. 5— схема монтажа устройства при определении тсплообмена между почвой и воздухом.

Основной частью устройства является медная пластинка 1, выпол. ненная и виде диска. толщиной около 0,1 см и площадью 100 си2. В диске сделаны желобки 2, расположенные концентрично и соединенные № 855С8 между собой, как указано на фиг. 1. В эти желобки уложена константановая или м1ангайиновая проволока в шелковой изоляции.

Профиль желобков делается гаким, чтобы проволока при укладке полностью и плотно погружалась в желобки. Диаметр и длина проволоки подбирается так, чтобы при пользовании определенным источником тока обеспечить выделение тепла в проволоке в количестве 100—

150 кал1мин.

После укладки проволоки сверху кладется второй медный диск 8, толщиной около 0,5 мм с никелированной наружной поверхн стью. Оба диска 1 и 3 во многих точках скрепляются между собой заклепками, К внешней поверхности диска 1 прикреплены нечетные спаи 4 термоба1ареи, состоящей из 15 термопар, выполненных из медных и константановых электродов. Четные спаи 5 термобатареи вынесены за пределы диска на 10 — 12 см, а для придания большей устойчивости электроды термобатареи прикреплены в своей средней части к целлулоидной пластинке б. При этом электродам придается небольшой изгиб, чтобы обеспечить плотное прилегание четных спаев 5 к поверхности почвы. Концы термобатареи присоединены к гальванометру, шкала которого может быть отградуирована непосредственно в градусах температуры для отсчета разности температур четных и нечетных спаев термоб а та реи.

Поверхность диска 1, вместе с прикрепленными к ней нечетными спаями термобатареи, окрашена окисью магния. Четные спаи термобатареи окрашены под цвет грунта тонким слоем целлулоидного лака в смеси с измельченной почвой. Диски скреплены с вакуумным сосудом 7, заключенным в фибровый футляр 8.

Диски при хранении и транспортировке закрываются крышкой 9.

Для определения количества тепла, затрачиваемого на испарение

BJIAI с поверхности почвы, лишенной травы, устройство монтируется в .оответствии с фиг. 3. Медная пластинка 1 кладется на поверхность земли так, чтобы ее нижняя плоскость (т. е. та, которая покрыта медным диском 8) всей поверхностью соприкасалась с землей. В цепь термоба1ареи включен гальванометр 10, при помощи которого можно судить о равенстве (или неравенстве) температур;внешней поверхности диска (спаи 41 и поверхности земли (спаи 5). Так как применение приоора ограничивается в случае, когда имеет место конденсация водяных паров на поверхности почвы, то при этом температура 1, пластинки будет меньше, чем температура 4 естественной поверхности почвы. Выравнивание температур достигается пропусканием электрического тока по нагревателю, монтированному в желобках 2 пластинки 1. Силу тока регулируют реостатом 11 и измеряют при помощи амперметра 12.

Устройство устанавливают на поверхности почвы на время наблюдения, т. е. примерно на 10 мин.

Благодаря тому, что теплопроводность красной меди в 500—

1000 раз больше теплопроводности грунта, можно считать, что медная пластина практически не задерживает тепловой поток, Уравнение теплового баланса поверхности почвы, лишенной растительности, как известно, имеет вид:

S=В -+.1. + V, где: S — радиационный баланс подстилающей поверхности;

8 — теплообмен в почве;

L — теплообмен между почвой и воздухом;

v — -,епло, затрачиваемое на испапение с поверхно ти почзы.

В свою очередь: S =I+ D — R — E,, (2) № 85508 где: 1 — напряжение прямой радиации на горизонталью ю поверхность;

D — диффузная радиация;

R — отраженная радиация;

Е, — эффективное излучение.

При t =- 4 уравнение теплового баланса пластины будет иметь

1 вид:

St+ Q=-В - -1, (3) где: Si — радиационный баланс пластины;

Q — компенсационное тепло, приходящееся на единнцу поверхности пластины.

S можно представить в виде:

S, = (1 — К) (I + D) — E, — (а, — а) ЬТ, (4). где: К вЂ” коэффициент отражения пласгины для коротковолновой радиации; а — коэффициент, характеризующий излучательную способность пластины (окиси магния); а — коэффициент, характеризующий излучательную способность поверхности почвы;

Т вЂ” абсолютная температура поверхности почвы;

6 — постоянная излучения, Из уравнений (1) и (3) находим: V = S — SI — Q.

Подставляя значения S и S> из уравнений (2) и (4) получим:

Г = K(I + О) — Д+ (a) — а)АТ" — Q. (5) В= Qz — Нн

Таким образом, определяя по предлагаемому прибору Q и измеряя 1, В, R и Т, легко вычислить величину V. Для окиси магния коэффициенты К и а известны, для различных почв коэффициент а также известен.

Для определения теплового потока В, направленного от поверхности вглубь почвы (что имеет место обычно в дневные часы), устройство монтируется в соответствии с фиг. 4. Медная пластинка является одновременно крышкой теплоизолирующего сферического стеклянного сосуда с зеркальной внутренней поверхностью и двойными стенками, между которыми создан вакуум.

Медная пластинка 1 кладется на поверхность почвы так, чтобы ее верхняя плоскость, т. е. та, на которой расположены спаи 4 ермобатареи, всей поверхностью соприкасалась с землей. При этом измерении ни верхняя поверхность пластинки 1, ни спаи 4 термобата реи, окисью магния не окрашиваются. Сверху на пластинку устанавливается вакуумный сосуд 7, освобожденный от футляра 8. Электрическая схема измерения и нагрева такая же, как и в предыдущем спределении. Выравнивание температур почвы и пластинки достигают пропусканием электрического тока по нагревателю пластинки

1, регулируя силу тока реостатом 11 и измеряя ее при помощи амперметра 12.

Для поверхности почвы, находящейся под пластинкой, S = О;

V=Î и Z=Î.

Уравнение теплового баланса для этой поверхности можно написать в виде: № 85508 где Я вЂ” компенсационное тепло, приходящееся на единицу поверхности одной стороны пластины;

H> — теплообмен между пластиной и внешним воздухом, совершающийся через вакуумный сосуд.

В ночные часы этим прибором определять величину теплового потока в почве нельзя, так как ночью тепловой поток обычно быгает направлен из глубины к поверхности почвы и вследствие этого 1емпература поверхности почвы над пластиной окажется выше чем у окружающего грунта.

Производя одновременно с определениями В измерения вертикального температурного градиента в верхнем слое почвы, можно вычислить коэффициенттеплопроводности и грунта Х, пользуясь формулой:

В= — >

dt

Для оперделения величины теплообмена L между почвой, лишенной травы, и воздухом, устройство монтируется в соответствии с фиг. 5.

Устройство вместе с футляром, в котором заключен вакуумный сосуд, устанавливается в почву в заранее заготовленное углубление по размеру прибора так, чтобы медная пластинка с термоспаями оказалась на уровне почвы. Электрическая схема измерения и нагрева такая же, как и в предыдущих определениях.

Выравнивание температуры почвы t2 и температуры пластинки 1 достигается пропусканием электрического тока по нагревателю пластинки 1. Силу тока регулируют реостатом 11 и измеряют при помощи амперметра 12.

Так как при t, =t2 теплообмен между пластинкой и воздухом равен теплообмену между почвой и воздухом L, уравнение теплового баланса пластинки можно написать в виде:

SQ = L+H, где: S — радиационный баланс пластинки;

Q — компенсационное тепло, приходящееся на единицу поверхности одной стороны пластины;

H — теплообмен между пластинкой и почвой, совершающийся через вакуумный сосуд.

Представим S< в виде:

S —— I+ D — Я вЂ” в, (8) E, E,+(— )И4 где: 1 — напряжение прямой радиации на горизонтальную поверхность;

D — диффузная радиация;

R — радиация, отраженная от пластинки; в, — эффективное излучение пластинки, равное разности излучений пластинки (е,) и атмосферы (Е ).

Так как: Р = К(1 — D), где: К вЂ” коэффициент отражения поверхности пластинки (окиси магния) для коротковолновой радиации и

¹ 85508 которая получается из равенства (10) подстановкой:

Е, =i+D — R — S, где: R — радиация, отраженная от поверхности земли.

Для ночного времени 1 = 0; D = 0 и R=0, уравнение 10 в этом случае приобретает более простой вид:

L= Q+ в, — (а — а)бТ4 — Н. (12-) При определении L для коэффициентов можно принять следующие значения: К = 0,95; а — величина такого же порядка. Исследования лучеиспускательной способности поверхности различных почв позволяют с достаточным приближением оценить величину а. Величина Н может быть учтена на основании лабораторных исследований.

Таким образом при определении 1 необходимо производить актинометрические наблюдения, а также определять температуру поверхности почвы Т.

Описанный метод становится неприменимым при конденсации водяных паров на поверхности почвы и на приборе. где: Е, — эффективное излучение земли, а1 и а — коэффициенты, соответственно характеризующие излучательные способности пластинки и поверхности почвы;

Т вЂ” абсолютная температура поверхн ти почвы;

6 — постоянная излучения, то можно представить S в виде:

5, = (1 — К) (1+ D) — в, (ai — а) ЬТ4 (9)

Учитывая равенство (9), находим из равенства (7) выражение для

L= (1 — К) (7+D);, — (а,— а)ЬТ4+ q — И. (10)

Если величина радиационного баланса S определяется непосредственно с помощью балансомера, то для расчетов L удобнее пользоваться формулой, не содержащей Е, L = S + R — К(1 +- D) — (а, — а) ЬТ4 + Q — H, Предмет изобретения

1. Устройство для определения теплового баланса поверхности почвы, принцип действия которого основан на исключении отдельных компонентов теплового баланса с одновременной компенсацией недостающего в результате этого количества тепла при помощи электронагревателя, вмонтированного в медную пластинку, являющуюся основной ч астью устройства, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью определения тепла, затрачиваемого на испарение влаги с поверхности почвы, внешняя поверхность медной пластинки с прикрепленными к ней нечетными спаями термобатареи, окрашена окисью магния, а четные спаи термобатареи, удаленные от края пластинки на 10 — 12 см, окрашены под цвет почвы.

2. Устроиство по и. 1, отл и ч а ю шее с я тем, что, с целью. определения теплового потока, направленного от поверхности вглубь почвы, медна пластинка является одновременно крышкой теплоизолирующего сферического стеклянного сосуда с зеркальной вну1ренней поверхнос "ью и двойными стенками, между которыми создан вакуум, причем во время измерения прибор кладется пластинкой на поверхность земли.

М 85508

3. Устройство по п. 2, отл ич а ющ ее с я тем, что, с целью определения тсплообмена между почвой и воздухом, вакуумный сосуд заключен а футляр, который при измерениях устанавливается в углубление в почве так, чтобы медная пластинка с термоспаями оказалась на уровн» почвы.

hok пят

Pf7P

9 рие 3 № 85508!

2 фиг. 3

12 (Риг 4

/ 7

/2 авиа 5

Редактор М. А Мрочко

Техред В. И. Сушкевич

Корректор П А. Евдокимов

Поди. v печ 17.Х1-61 г

Зак, 5707

2/6

Типография ЦБТИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР, Москва, Петровка, 14.

Формат бум 70)(108 /, Тираж 220

ЦБТИ при Комитете по делам изобретений при Совете Министров СССР

Москва, Центр, М. Черкасский пер., д

Объем 0 61 изд. л.

Цена 12 коп. и открытий