Термоэлектрический пиргеометр Советский патент 1940 года по МПК G01J5/40 G01W1/12 

Предметом настоящего авторского свидетельства является термоэлектрический прибор для измерения напряжений низкотемпературного теплового излучения любых поверхностей, в особенности, так называемого „эффективного (или „ночного) излучения к небесной полусфере естественных поверхностей, а также для определения эффективных температур (в пределах, примерно, от - 50° до -Ь150) поверхностей, константы теплового излучения которых известны.

Применяемые в настоящее время термоэлектрические пиргеометры обладают рядом существенных недостатков:

1.Возможность проведения измерений лишь при отсутствии коротковолновой (0,,0 j.) радиации (т. е. только ночью или в темном помещении).

2.Большая зависимость показаний от скорости ветра.

3.Частое осаждение на приемных поверхностях конденсата влаги из воздуха, что резко искажает показания прибора.

4.Недостаточная чувствительность (имея в виду практически возможные

к применению гальванометры) при сравнительно больших размерах.

5.Некоторая зависимость от температуры поверхностей тел со стороны дна и стенок прибора.

6.Необходимость при измерении эффективного излучения переворачивать прибор и делать два измерения, что при быстро меняющихся, радиационных потоках делает последовательные измерения несовместимыми, не позволяющими вычислить эффективное излучение.

7.Возмон ность различия между температурой воздуха внутри прибора и температурой вне его, показываемой жидкостным термометром, частично вставленным в пиргеометр, а также необходимость подходить к прибору для отсчета температуры.

Перечисленные недостатки определяются принципиальными и конструктивными недочетами применяемых в настоящее время пиргеометров.

В предлагаемой конструкции пиргеометра второй и третий из перечисленных недостатков сильно снижаются, а остальные устраняются полностью.

В основу предлагаемого прибора положены следующие принципы:

1.Выравнивание альбедо приемных пластинок в пределах длин волн 0,35-;-1,3 р. и для всех углов падения падающих лучей при возможно малой интегральной величине альбедо.

2.Снижение до минимума удельного веса конвективного прихода тепла от воздуха (а тем самым ослабление влияния скорости ветра) путем увеличения теплообмена между соседними пластинками за счет повыщепия теплопроводности по элементам термобатареи так, чтобы превышение излучения одних пластинок пад другими в основном (на ) погашалось приходом тепла по теплопроводности от соседни-х пластинок и лишь в незначительной мере () конвекцией от наружного воздуха.

3.Уменьшение охлаждения (ниже температуры воздуха) сильно излучающих пластинок, явлгющееся причиной нередкого осаждения на них росы или инея, и снижение этим числа подобных случаев. Это достигается отмеченным уже в п. 2 путем.

4.Возможное уменьшение габарптов прибора путем использования максимальной части площади его для приемных пластинок и всей площади последних для размещепня термоспаев с возмо:. уменьшением теплообмена ежду корпусом и пластинками, которыр с большей пользой может быть заменен теплопроводностью между соседними пластинками.

5.Замена мягкой термобатареи, звенья которой висят на пластинках, обусловливая их помятие и взаимное относительное смещение, жесткой, расположенной в одной плоскости термобатареей, которая сама служит для удержания соседних пластинок на одном уровне и для противодействия колебанию их ветром.

Удовлетворение предлагаемого прибора этим принципам и совмещение в одном корпусе двух пиргеометров, направленных в противоположные )онь, дает возможность производить измерения как ночью, так и днем, при ветре до и притом с одного определения как отдельные

учистые потоки (вверх и вниз), так их разность (эффективное излучеие земли) или сумму. Вследствие этих широких возможностей прибор может быть назван универсальным.

Предлагаемый пиргеометр изображен на чертеже, на фиг. 1 которого показан вид снизу-разрез по линии FG фиг. 2; на фиг. 2-разрез по ACDE фиг. 1; на фиг. 3 - разрез по АЕ второй половины сдвоенного пиргеометра; на фиг. 4 показана конструкция термопар батареи.

В цилиндрическом кориусе 2 (фиг. 2) закреплено металлическое кольцо 3, на котором, при помощи тепло- и электроизоляционной прокладки 6, установлены в одной плоскости пластинки 7; из них нечетные имеют малую константу теплового излучения, а четные - большую (или наоборот). Наружные поверхности пластинок 7 служат для приема радиации,

а на внутренних (нижних по фиг. 2) закреплены спаи термопар 8. Снизу

корпус 2 имеет съемное дно , а сверху может быть закрыт крышкой 5 (фиг. 3). На корпусе 2 монтированы

за;кимы 9, к которым присоединены

концы термобатареи (фиг. 1) и которые служат для приключения пиргеометра к гальванометру.

Назовем условно приемные пластинки 7 с большой и малой константами теплового излучения „поглощающими и соответственно „отражающими.

Соблюдение первого из перечисленных выше принципов достигается применением в качестве отражающих пластинок шероховатых, отражающих диффузно (приблизительно по закону Ламберта) поверхностей из металлов, обладающих одинаковым и весьма высоким коэфициентом отражения в интервале 0,35- 1,5 |А, а также стойкостью к метеорологическим факторам. К таким металлам могут быть причислены алюминий, олово, никель и др. Первый (но недостаточный) признак таких металлов-белый цвет.

Заматированная тем или другим

способом, для получения диффузного

отражения, пластинка или оставляется

в полученном состоянии, если металл

её удовлетворяет перечисленным.требованиям, или покрывается (гальванически, распылением и т. п.) тончайшим слоем нужного металла.

Поглощающие пластинки покрываются смесью магнезии с добавкой сажи ((,) и какого-либо бесцветного лака на летучем растворителе. Процент сажи в смеси регулируется таким образом, чтобы альбедо обоих родов пластинок для диффузной радиации неба было одинаково.

Всякие попытки (такие были за границей) соответственной смесью магнезии с сажей уравнять ее альбедо с блестящей металлической поверхностью, к тому же - имеющей нередко селективное отражение (золото), являются безнадежными вследствие зависимости коэфициента отран ения таких поверхностей от угла падения и длины волны лучей и различий от случая к случаю в распределении яркости по полусфере и в составе спектра диффузной радиации. Только применение металлов, свободных от селективности и зеркальности в отражении (т. е. xopoiLO матированных), даёт возможность получить такую же постоянную величину интегрального альбедо, какую имеет соответственная смесь магнезии с сажей.

Этот принцип впервые соблюден в предлагаемом пиргеометре и определяет его новизну.

Термобатарея прибора отличается от применяющихся в 10 - 20 раз большим сечением (0,,30 мм ) манганиновых и константановых ленточек, половина которых штампуется в виде скобочек особой формы так, чтобы после спаивания их нижняя поверхность была расположена в одной плоскости (фиг. 4). Получающимися при этом плоскими возвышениями термобатарея приклеивается к пластинкам. Такая конструкция термобатареи дает возможность приклеивать всю ее к пластинкам сразу, прижимая между двумя плоскими приспособлениями.

Приемные пластинки 7 делаются шириной лищь 4 - 5 мм (вместо 7,5 Ч- 8 мм, как обычно), но число их доводится.до (вместо обычно применяемых шести).

Перечисленные особенности обеспечивают выполнение второго и третьего принципов.

Для тепловой изоляции от корпуса приемных пластинок 7 между последними и металлическим кольцом 5 находится приклеенная к ней пробковая кольцевидная прокладка 6 толщиной 3 - 4 мм, работающая так же, как и пружина, держащая пластинки 7 всегда в натянутом состоянии (фиг. 2).

Пробковая прокладка 6 обеспечивает ровную и высокую температурную разность по всей длине соседних пластинок, что дает возможность занять термоспаями всю длину пластинки, а не только среднюю часть ее.

В сочетании с отмеченными особенностями термобатареи, прокладка 6 обеспечивает жесткость и правильное расположение приемных пластин (принципы четвертый и пятый). Благодаря большому теплообмену за счет хорошей теплопроводности между соседними пластинками, отклонения температуры „холодных пластинок от температуры воздуха будут значительно меньше, чем в существ ющих пиргеометрах, и случаи копденсации влаги на них будут иметь место много реже.

Малые температурные перепады горячих и холодных спаев компенсируются большим их числом и малым (2 - 3 ом) сопротивлением термобатареи, так что амперная чувствительность прибора с соответственным гальванометром может быть сильно повышена при одновременном уменьшении габаритов прибора.

Этому способствует также заполнение почти всей поверхности кольца 5 приемными пластинками, имеющими поэтому неравные длины.

Принятыми отличиями вызвана особая форма термобатареи. В качестве примера .вид ее для случая двенадцати пластинок и ста термоэлементов показан на фиг. 1, где манганиновые и константановые звенья изображены условно черными и белыми полосками равной длины.

Для возможности производить измерения с одного отсчета сразу суммы лучистых потоков в обе стороны или

разности двух лучистых потоков, т. е. эффективное излучение, в нриборе номещены два одиночных пиргеометра, направленные в противоположные стороны и включаемые на гальванометр последовательно или навстречу.

Возможное незначительное неравенство их-электродвижущих сил компенсируется, как обычно в таких случаях, дополнительными сопротивлениями.

Чтобы температуры воздуха внутри прибора и внутренних стенок его возможно точнее равнялись температуре нарул ного воздуха, между днищами 4 обоих пиргеометров оставляется воздушная прослойка толщиной 10-12мм, хорошо вентилируемая благодаря отверстиям в основном кольце / (фиг. 3), занимающем не менее половины цилиндрической поверхности воздушной прослойки.

Такой конструкцией обеспечивается защита приемных пластинок от влияния посторонних , лучистых потоков тремя экранами, действие которых усиливается еще никелированием всех свободных внутренних и наружных поверхностей корпуса прибора. От действия прямой солнечной радиации прибор рекомендуется затенять (подобно пиранометрам) ширмочкой, которая посредством шарнирного штатива прикрепляется к металлическому кольцу (на чертеже не показанному), надеваемому на корпус 2 и вращающемуся вокруг последнего.

Температура окружающего воздуха может измеряться или жидкостным термометром, вставляемым (с резиновой втулкой) в одно из отверстий кольца 1, или двойной термопарой, горячие спаи которой, находятся в центре воздущной прослойки, где обеспечиваются хорошие воздухообмен и экранирование их от наружных лучистых протоков. Термопара, вклеенная в тонкую пробочную трубочку, вставляется в трубку 10.

Термопара дает возможность измерять температуру воздуха тем же гальванометром, не подходя к прибору, что особенно важно ночью и при одновременном измерении термопарами других температур.

Весь прибор при работе поддерживается на весу вделанным в палку винтом, на который прибор навинчивается гайкой //, закрепленной на кольце /. Крышки 5 (на фиг. 2 не показанные), закрывающие пиргеометры, как обычно, рекомендуется никелировать с обеих сторон.

Предмет изобретения.

1. Термоэл,ектрический пиргеометр, состоящий из нескольких расположенных в одной плоскости и воспринимающих радиацию тонких металлических пластинок, имеющих различные константы теплового излучения и несущих спаи термобатареи, отличающийся тем, что, с целью устранения влияния коротковолновой диффузной радиации, применены свободные от селективности в области коротковолновой радиации и зеркальности в отражении (т. е. матированные на поверхности) пластинки из металла, обладающего оптической стойкостью и малой константой излучения (алюминий, олово и др.), и пластинки, покрытые такой смесью магния с сажей и бесцветным лаком, которая имеет одинаковое с матированными пластинками альбедо в пределах длин волн 0,35 - 1,3 у..

2.В пиргеометре по п. 1 п-римененение упругой теплоизолирующей (например, пробковой) прокладки между пластинками и корпусом прибора с целью снижения теплообмена между пластинками и корпусом и держания их в натянутом состоянии.

3.В пиргеометре по пп; 1 и 2 выполнение пластинок разной длины и формы для того, чтобы можно было заполнить пластинками.почти всю приемную поверхность пиргеометра.

4.В пиргеометре по п. 3 применение термобатареи, заполняющей всю поверхность пластинок.

5.В пиргеометре по пп. 1-4 выполнение термоэлементов из проводников повышенного сечения для придания термобатарее жесткости и расположения проводников в одной плоскости (без провисания).

6.В пиргеометре по; п. 5 выполне