Измеритель солнечной радиации Советский патент 1986 года по МПК G01J1/44 

Изобретение относится к технике актинометрических измерений, а именно к изменениям потока прямой солнечной радиации, надающей на приемник в виде параллельного пучка лучей и потока рассеянной радиации, поступающего из телесного угла 2 .

Цель изобретения - повышение точности из1 ерений.

Па 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 тени 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, расположённого в центре сфер1Тческого обтюратора 2. Приемник излучения соединен с предварительным усшнгтелем 3 выход которого распределяется по дву каналам: на измерительньй фильтр 4, настроеннь-ай на частоту модуляции f, и на измерительный фильтр 5, настро- на частоту 3 f... Избирательные

гЛ

фильтры соединены с, детекторами б и 7 Выходы детекторов б и 7 через балансный ус шштель 8 разности подаются на измерительньй прибор 9, ре истриру- ющий рассеянную радиацию, а выход детектора 7 соединен с измерительным прибором 10, который регистрирует прямое излучение.

Устройство работает следующим образом.

При измерении излучения, распространяющегося из телесного угла 2 ITfp .наиболее простой реализацией модулятора, обеспечивающего изотропность прохождения излучения к приемной площадке из полупространства, является сферический обтюратор, составленный из прозрачной и непрозрачной для измеряемого излучения полусфер. Поглотитель излучения должен располагаться в той диаметральной плоское ти обтюратора, через которую проходит его ось вращения.

В естественных условиях приемнис излучения находится под действием

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

Прямая радиация падает на приемник в виде параллельного пучка лучей (фиг. 2), сечение которого определяется видимым под данным углом h мером 2 г 81пЬрПриемной площадки (где г - радиус площадки, расположенной горизонтально в центре обтюратора) . Если прозрачность По поверхности ка;вдой полусферы обтюратора неизмепна 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 V движения границы света тени;п о ее поверхности определяется выражением:

V dx/dt Ci R/SinoJt

где X координата, лежащая в плоскости приемной площадки; t - время; . и) - угловая скорость вращения

модулятора; R - средний радиус полусферы

обтюратора. При условии

h U) и г 4 R можно приближенно считать, что по поверхности приемной площадки перемещается практически прямолинейная граница света и тени с постоянной скоростью .

При Постоянной угловой скорости oJ обтюратора и неизменной во времени и

равномерной облученности площадки приемника падающий на него поток Р(х) пропорционален облученной площади приемника А(х), т.е. Р(х)Е А(х), где Е.- облученность приемника через

прозрачную для излучения полусферу обтюратора. Нз фиг. 3 следует, что облученная часть плогцади А(Х) при указанных выше условиях может быть

5S

определена выражением::

X

4 (х) 2 J г2 -(х-г) arc - sin-- +

+ (x-r)lr2-(x-r)2

Учитывая, что х (XiRt, можно представить падающий поток в зависимости от времени:

, г

P(t)E A(t)E r2arc sinC-- -1)+

+ (URt --r) VrMwRt-r)-j.

Выражение (1) описывает изменение падающего на приемник потока в предела:: временного интервала О t t движения границы света и тени по площадке. Длительность переднего и заднего фронтов импульсов излучения по уровням О и 1, равная отношению размера сечения излученкя в направлении движения границы света и тени по площадке к скорости переме- щеиия границы, определяется по фор- муле:.

.

Р гГк

25

где Т - период.

Таким образом, прямая солнечная радиация при использовании сферического обтюратора модулируется последо- вательностью импульсов, которые имеют форму, близкую к трапецеидальной; зо переход от света к тени и обратно происходит в соответствии с выра:кени- ем (1) и является нелинейным (фиг. А).

Рассеянная радиация поступает к приемнику из телесного угла 2 Т в 35 виде концентрически сходящихся, лучей (ф.иг. 5). которые при равномерной светимости небосвода создают на полусферической поверхности обтюратора постоянную облученность.При вращении 40 обтюратора на приемник падает поток излученгш, исходящш из части небос- ., которая видна из центра приемной , площадки в пределах сферического двуугольника, образова1П1ого плоскостью . горизонта и плоскостью.соединен1Ш полусфер. К моменту времени, отсчитанному от момента полного перекрытия потока рассеянной радиации (граница полусфер находится в плоскости горизонта ) , 50 обтюратор поворачивается на угол 9 iOt и граница полусфер располагается в плоскости Z ky, где k tg0. В пределах малого приращения угла d 0 на приемник будет направляться 55 поток dp, пропорциональньй площади d 6 сферического двуугольника и синусу угла Э падения излучения на пло щадку, т.е. dP Б sin Qdu, где Е - облученность верхней полусферы обтюратора.

Окончательно завис1мость модулированного потока рассеянного излучения от времени имеет вид:

(1)

P(t) I Р (1-Cos Jt).

(3)

JQ , -

25

зо .

35 40. 50 5 Следовательно, в результате полусферической модуляции падающий на приемник поток рассеянной радиации изменяется в соответствии с формулой (3) пд гармоническому закону (фиг. 6),п Этот закон должен строго выполняться при пространственной однородности рассеянного излучения и подчинении угловой характеристики приемника закону косинуса.

Таким образом, 11з-за различной пространственной структуры потоков прямого и рассеянного излучен1Ш законы их модуляции сферическим обтюратором имеют разл$1чньй характер: прямая радиац1Ш модулируется последовательностью трапецеидальных импульсов, а рассеянная радиация изменяется по гармоническому закону.

Полагая приемник излучения линейным звеном с достаточно малой инерционностью ( t 4 1(2ffj,), можно считать, что злёктрическ1Ш сигнал на его зажимах изменяется так же, как модулттрованный оптический сигнал. Поток рассеянной радиации, модулированный по закону (3), вызывает в приемнике сигна;л, который, кроме постоянной составляющей, содержит только первую гармонику.

Разложение в ряд Фурье сигнала, обусловленного последовательностью трапецеидальных импульсов излучения, свидетельствует, что сигнал наряду с постоянной составляющей содержит только нечетные гармоники, причем отношение амплитуд первой и третьей гармоник остается неизменным, если 0,033. Как видно из формулы (2), это условие реализуется при r/R i 0,1 (фиг. 2). Поэтому соотношение r/R 4 0,1 является важным конструктивным признаком измерителя, так как при его соблюдении сигнал, обус- ловленньп1 прямой радиацией и изменяющейся с частотой 3f, позволяет легко определять сигнал от прямой радиации на частоте f, и выделять разно- стньй сигнал, вызываемый потоком рассеянной радиации.

Я аким образом, 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- рактеризующшс прямое и рассеянное излучение.

При вращении модулятора переменный сигнал приемника 1 (фиг, 1), несущий информацию о потоках прямой и рассеянной радиации, усиливается широкополосным предварительным усилителем 3 и подается на узкополосдые активные ф1тьтры 4 и 5, настроенные на частоту модуляции f и 3, соот- ветственно. С выхода фильтров сигналы Поступают на индивгщуальлые детектирующие устройства 6 и 7. После детектирования сигналы подаются на балансный усилитель 8 разности, в котором из суммарного сигнала, обусловленного потоками прямой и рассеянной радиации, изменяющимися с частотой , вычитается сигнал, лропорци- ональньв потоку прямой радиации. Раз костный сигнал, пропорциональный потоку рассеянной радиации, измеряется прибором 9. Сигнал с выхода детектор 7, пропорциональный потоку прямой радиации, измеряется прибором 10.

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

Формула изобретения

Измеритель солнечной радиации, состоящий из приемника излучения, помещенного в центре сферического обтюратора и соединенного со схемой обработки электрического сигнала, отличающий с. я тем, что, с целью повышения точности измерений схема обработки сигнала выполнена в виде предварительного усилителя, соединенного с двумя избирательными ф1шьтрами, первый из которых настроен на частоту модуляции f;.,, а ито- рой - на частоту выходы избирательных фильтров соединены с детекторами, выходы которых через бананс- Hbrii ус шитель разности- соединены с измерительным прибором регистрации рассеянной радиации, выход детектора вход которого соединен с выходом второго избирательного фильтра, также соединен с измерительным прибором регистрации прямого солнечного излучения, причем размер приемной площадки приемнт-са излучения более чем ,в 10 раз меньше размера обтюратора.

03

фиг. г

фиг.З

фие.4

X

фиг.5

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 изме- рения 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

Составитель А. Чурбаков Редактор Л. Пчелинская Техред В.Кадар Корректор А. Зимокосо в

Заказ 3906/4А

Тираж 778

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретен и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфичес|{оё предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, А

Фиг. 6

Подписное