Устройство для определения теплового баланса поверхности почвы Советский патент 1950 года по МПК G01J5/12 G01N25/00 

Принцип действия устройства основан на исключении отдельных компонентов теплощого баланса с одновременной компенсацией недостающего количества тепла при помощи электронагревателя, вмонтированного в медную пласт.инку, являющуюся основной частью устройства.

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

Предлагаемое устройство свободно от указанного выще недостатка. С небольщими конструктивными изменениями оно позволяет измерять отдельные компоненты теплового баланса, а именно: 1) тепло, затрачиваемое на испарение влаги с поверхности почвы; 2) тепловой поток, I направленный от поверхности вглубь почвы; 3) теплообмен между почвой и воздухом.

Отличительная особенность устройства состоит в том, что внещняя поверхность медной пластинки с прикрепленными к ней нечетными спаями термобатареи, окращена окисью магния, а четные спаи термобатареи, удаленные от края пластинки на 10-12 см окращены 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 поч1вы; на фиг. 5 - схема монтажа устройства при определении теплообмена между почвой и воздухом.

Основной частью устройства является медная пластинка 1, выполненная в виде диска, толщиной около 0,1 см и площадью 100 см. В диске сделаны желобки 2, расположенные концентрИчво и соединенные

№ 85508- 2 между собой, как указано на фиг. 1. В эти желобки уложена константановая или манганиновая проволока в шелковой изоляции.

Профиль желобков делается таким, 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 кал/мин.

После укладки проволоки сверху кладется второй медный диск 3, толщиной аколо 0,5 мм с никелированной наружной новерхн1 стью. Оба диска } и 3 во многих точках скрепляются между собой заклепками.

К внешней поверхности диска / прикреплены нечетные спаи 4 термобатареи, 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 6. 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 термобатареи.

Поверхность диска 1, вместе с прикрепленными к ней нечетными сп&ями 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 влаги с поверхности почвы, лишенной тра-вы, устройство монтируется в соответствии с фиг. 3. Медная пластинка У кладется на поверхность земли так, чтобы ее нижняя плоскость (т. е. та, которая покрыта медным диском 3) всей поверхностью соприкасалась с землей. В цепь тер.мобатареи включен гальванометр 10, при помоши которого мон-сно судить о равенстве (или неравенстве) температур ;внешней поверхности диска (спаи 4) и поверхности земли (спаи 5). Так как применение прибора ограничивается в случае, когда имеет место конденсация водяных паров на поверхности почвы, то при этом температура ti пластинки будет меньше, чем тем-пература tz естественной поверхности поч-вы. Выравнивание температур достигается пропусканием электрического тока по нагревателю, монтированному в желобках 2 пластинки /. 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 B + L + V,(

где: S - радиационный баланс подстилающей поверхности; В - теплооб.мен в почве; L-теплообмен между почвой и ВОЗДУХОМ; V - гепло, затрачиваемое ка испапение с поверхности почвы. В свою очередь: S I + D-,R - Е ,(2)

где: / -напряжение прямой радиации на горизонтальную поверхность;

D - диффузная радиация;

- отраженная радиация;

.9 -- эффективное излучение.

При уравнение теплового баланса пластины будет иметь вид:

S, + Q ,(3)

где: 5 - радиационный баланс пластины;

Q - компенсационное тепло, приходящееся на единтщу поверхности пластины. Sj МОЖНО представить в виде:

5 ()(/ + D) -,- (а,-а)бР, (4).

где: К. - коэффициент отражения пластины для коротковолновой радиации;

ai - коэффициент, характеризующий излучательную способность пластины (окиси магния);

а - коэффициент, характеризующий излучательную способность поверхности почвы;

Т-абсолютная температура поверхности почвы;

6 - постоянная излучения.

Из уравнений (1) и (3) находим: К 5 - Si - Q.

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

V К{1 + D)-R + (о, -- а) дТ - Q.(5)

Таким образом, определяя по предлагаемому прибору Q и измеряя , D, R и Т, легко вычислить величину V. Для окиси магния коэффициенты /С и о 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 крыщкой теплоизолирующего сферического стеклянного сосуда с зеркальной внутренней поверхностью и двойными стенками, между которыми создан вакуум.

Медная пластинка / кладется на поверхность почвы так, чтобы ее верхняя плоскость, т. е. та, на которой расположены спаи 4 термобатареи, всей поверхностью соприкасалась с землей. При этом измерении ни верхняя поверхность пластинки /, ни спаи 4 термобатареи, 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 определении. Выравнивание температур почвы и пластинки достигают пропусканием электрического тока по нагревателю пластинки }, регулируя силу тока реостатом // и измеряя ее при помощи амперметра 12.

Для поверхности почвы, находящейся под пластинкой, S 0; 1/ О и Z 0.

Уравнение теплового баланса для этой поверхности можно написать в видо:

- 3 --№ 85508

е д2-Яь(6)

№ 85508 4 где Q2 - компенсационное тепло, приходящееся на единицу поверхности одной стороны пластины;

HI - 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 бывает направлен из глубины к поверхности почвы и вследствие этого температура 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 коэффициент теплопроводности и грунта Я, пользуясь формулой:

R)

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

Устройство вместе с футляром, в котором заключен вакуумпый 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 tz и температуры пластинки t достигается пропусканием электрического тока по нагревателю пластинки /. Силу тока регулируют реостатом // и измеряют при помощи амперметра /2.

Так как при /i -tz теплообмен между пластинкой и воздухом равен теплообмену между почвой и воздухом L, уравнение теплового баланса пластинки можно написать в виде:

5,Q L+Я,(7)

где: Si - радиационный баланс пластинки;

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

Н -теплообмен между пластинкой и почвой, совершающийся через вакуумный сосуд.

Представим 5i в виде:

S, / + ,, ,(8)

где: / - напряжение прямой радиации на горизонтальную поверхность;

D - диффузная радиация; - радиация, отраженная от пластинки;

е,,, - эффективное излучение пластинки, равное разности излучений пластинки (s;,) и атмосферы (Е.). Так как: R K{I - D),

где:/С-коэффициент отражения поверхности пластинки (окиси магния) для коротковолновой радиации и

Е, Е,+ (ai-a)dJ,

где: Е:, - эффективное излучение земли,

ai и а - коэффициенты, соответственно характеризующие излучательные способности пластинки и поверхности почвы; Т - абсолютная температура поверхности почвы; 6 - постоянная излучения, то можно представить 5 в виде;

5 (l-/C)(/ + Z))-e,(fli-a)67.(9)

Учитывая равенство (9), находим из равенства (7) выражение для L(l-K)) - в -().(10)

Если величина радиационного баланса S определяется непосредственно с помощью балансомера, то для расчетов L удобнее пользоваться формулой, не содержащей Е,

L S+ R - K{I+ D) - {ai - a)6T +Q - H,(11)

которая получается из равенства (10) подстановкой:

Е:, I + D ,

где; / радиация, отраженная от поверхности земли.

Для ночного времени / 0; D Q и , уравнение 10 в этом случае приобретает более простой вид;

L Q + s,-(ai-a).,(12)

При определении L для коэффициентов можно принять следующие значения; /С 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 L необходимо производить актинометрические наблюдения, а также определять температуру поверхности почвы Г.

Описанный метод становится неприменимым при конденсации водяных паров на поверхности почвы и на приборе.

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 частью устройства, отличающееся 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.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью, определения теплового потока, направленного от цоверхности вглубь почвы, медная пластинка является одновременно крышкой теплоизолирующего сферического стеклянного сосуда с зеркальной внутренней поверхностью и двойными стенками, между которыми создан вакуум, причем во время измерения прибор кладетсх пластинкой на поверхность земли.

- 5 --АО 85508

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что, с целью определения теплообмена между почвой и воздухом, вакуумный сосуд заключен в футляр, который при измерениях устанавливается в углубление в почве так, чтобы медная пластинка с термоспаями оказалась на уровне почвы.

К akkynyпяторам

KsantidoHong

10

/О

T«CT

Гр Т Т 5сТ9 Г0 го Г«

1

/JHiliK

// U2 4

/2

/ 7

/ /