Способ определения приходящей суммарной солнечной радиации
Владельцы патента RU 2342685:
Институт океанологии им. П.П. Ширшова Российской академии наук (ИО РАН) (государственное учреждение) (RU)
Изобретение относится к средствам актинометрических измерений приходящих радиационных потоков и может быть использовано в метеорологии. Сущность: измеряют солнечную радиацию на судне с помощью актинометрических средств, обеспечивая компенсацию погрешностей, возможных из-за влияния качки. Измерения осуществляют с помощью радиометра, содержащего жестко связанные пиранометр и пиргеометр. Причем периодически измеряют коротковолновую солнечную радиацию с помощью направленного вверх пиранометра и приходящую длинноволновую радиацию с помощью направленного вверх пиргеометра. При этом компенсацию упомянутых погрешностей обеспечивают за счет измерения пиранометром с периодом 10±0,01 с. Результаты измерений преобразуют из аналоговой в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя. Определяют приходящую суммарную солнечную радиацию с помощью вычислительных средств. Технический результат: сокращение времени и повышение точности измерений, а также расширение функциональных возможностей. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам актинометрических измерений приходящих радиационных потоков, и может быть использовано, преимущественно, в метеорологии.
Известен способ определения приходящей суммарной солнечной радиации на судне, при котором осуществляют измерения солнечной радиации с помощью актинометрических средств, обеспечивая компенсацию погрешностей, возможных из-за влияния качки (SU №1434254, прототип).
Недостатками известного способа являются высокая себестоимость измерений, сложность конструкции и низкая надежность устройств, обеспечивающих компенсацию погрешностей актинометрических средств, которые могут возникнуть из-за качки судна в плавании, а также ограниченность функциональных возможностей, обусловленная тем, что используемые устройства компенсации (гидросфера и карданный подвес) могут обеспечивать работу только одного из приборов - пиранометра, измеряющего коротковолновую солнечную радиацию или пиргеометра, измеряющего приходящую длинноволновую радиацию.
Технической задачей изобретения является создание эффективного способа определения приходящей суммарной солнечной радиации на судне и расширение арсенала способов определения приходящей суммарной солнечной радиации на судне.
Технический результат, обеспечивающий решение задачи, состоит в снижении себестоимости измерений, упрощении конструкции, а также расширении функциональных возможностей, и обусловлен тем, что обеспечивается одновременная работа двух приборов - пиранометра, измеряющего коротковолновую солнечную радиацию, и пиргеометра, измеряющего приходящую длинноволновую радиацию, что сокращает время определения суммарной радиации. При этом обеспечивается высокая точность измерений в условиях качки корабля.
Сущность изобретения заключается в том, что способ определения приходящей суммарной солнечной радиации на судне, при котором осуществляют измерения солнечной радиации с помощью актинометрических средств, обеспечивая компенсацию погрешностей, возможных из-за влияния качки, предусматривает, что измерения осуществляют с помощью радиометра, содержащего жестко связанные пиранометр и пиргеометр, причем периодически измеряют коротковолновую солнечную радиацию с помощью направленного вверх пиранометра и приходящую длинноволновую радиацию с помощью направленного вверх пиргеометра, при этом компенсацию упомянутых погрешностей обеспечивают за счет выполнения измерения пиранометром с периодом 10±0,01 с, а результаты измерений преобразуют из аналоговой в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя и проводят определение приходящей суммарной солнечной радиации с помощью вычислительных средств.
Предпочтительно измерения пиранометром и пиргеометром проводят одновременно, а по результатам измерений проводят вычисление среднечасовой приходящей суммарной солнечной радиации.
На фиг.1 изображена принципиальная схема устройства, реализующего способ, на фиг.2 - радиометр, на фиг.3 - спектр частот качания судна при волнении моря силой 4 балла, на фиг.4 - спектр частот качания судна при условиях, близких к штилевым, на фиг.5 - спектр частот коротковолновой солнечной радиации.
Устройство, реализующее способ определения приходящей суммарной солнечной радиации на судне, содержит радиометр 1 (CNR-1), включающий жестко связанные пиранометр и пиргеометр (фиг.2), аналогово-цифровой преобразователь 2 (АЦП) и вычислительные средства в виде персонального компьютера 3 (PC).
Способ определения приходящей суммарной солнечной радиации на судне осуществляют следующим образом.
Измерения осуществляют с помощью радиометра 1, содержащего жестко связанные пиранометр и пиргеометр, причем периодически измеряют коротковолновую солнечную радиацию с помощью направленного вверх пиранометра и приходящую длинноволновую радиацию с помощью направленного вверх пиргеометра. Пиранометр - это прибор термоэлектрического типа, в котором в зависимости от степени нагревания принимающей площадки вырабатывается термоЭДС, прямо пропорциональная величине приходящего на него потока коротковолновой радиации. Зарегистрированную величину термоЭДС по градуировочным коэффициентам пересчитывают в величину потока коротковолновой радиации. Принцип работы пиргеометра аналогичен принципу работы ПИРАНОМЕТРА, т.е. в нем также по величине вырабатываемой термоЭДС определяется величина потока длинноволновой радиации, но так как ПИРГЕОМЕТР имеет собственную температуру, а значит, тоже что-то излучает, то в величину измеренного потока вводят поправку на величину теплового излучения ПИРГЕОМЕТРА. Так как принцип работы у ПИРАНОМЕТРА и ПИРГЕОМЕТРА аналогичен, то для разделения длинноволновой и коротковолновой компоненты радиационного потока используют селективные фильтры (в настоящей заявке не рассматриваются), наложенные на принимающие площадки. По величине вырабатываемой термоЭДС и определяются величины компонент радиационного потока. Таким образом, раздельно измеряют коротковолновую (0,3-3 мкм), или солнечную, и длинноволновую (5-50 мкм), или тепловую радиацию, и определяют их суммарный поток.
Компенсацию погрешностей, которые могут возникнуть из-за качки судна, в условиях, когда из-за неустойчивости основания, то есть когда принимающая площадка радиометра не является строго горизонтальной, нельзя компенсировать ни карданным подвесом, ни установкой на гироплатформу в силу их отсутствия, обеспечивают за счет выполнения измерения пиранометром с периодом 10±0,01 с. Измерения пиранометром и пиргеометром проводят одновременно. Результаты измерений преобразуют из аналоговой в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя 2 и проводят определение приходящей суммарной солнечной радиации с помощью вычислительных средств 3.
Как правило, по результатам измерений проводят вычисление среднечасовой приходящей суммарной солнечной радиации.
Реализация способа позволяет создать набор формул для расчета приходящей коротковолновой и длинноволновой радиации на поверхность Океана в зависимости от астрономического положения Солнца, балла и типа облаков.
Возможность реализации способа и достижения технического результата обусловлена следующим.
При проведении измерений приходящих на поверхность Земли потоков коротковолновой и длинноволновой радиации одним из основных требований к установке приборов, пиранометра и пиргеометра, является строго горизонтальное положение принимающей плоскости прибора. Это требование легко выполняется при проведении измерений на суше, но когда наблюдения проводятся в океане с подвижной платформы (научно-исследовательского судна), то при использовании приборов возникает проблема сохранения устойчивости платформы (судна) по отношению к горизонтальному положению. На практике, за исключением идеально штилевых условий, принимающая плоскость прибора не является строго горизонтальной. Данная проблема решается либо использованием специальной гироплатформы, либо использованием карданного подвеса прибора.
К недостаткам известных методов обеспечения горизонтального положения принимающей плоскости прибора относятся дороговизна разработки и установки гироплатформы, а использование карданного подвеса возможно, если прибор состоит только из одной принимающей головки пиранометра или пиргеометра, традиционно используемых для измерения радиационных потоков над морем. В случае измерений современными радиометрами использование карданного подвеса осложняется конструктивной особенностью прибора, у которого в единый блок объединены пиранометр и пиргеометр, принимающие как приходящие, так и уходящие коротковолновые и длинноволновые потоки радиации.
Для этого в рейсе судна НИС "Академик Иоффе" был выполнен эксперимент по совместной регистрации потока приходящей коротковолновой радиации и величины крена бортовой качки корабля. Коротковолновая радиация регистрировалась радиометром, содержащим жестко связанные пиранометр и пиргеометр, а в качестве датчика крена судна использовался инклинометр (кренометр). Данные с инклинометра собирались с дискретностью в 2 секунды, а с радиометра с дискретностью 10 сек. Кроме того, выполнялись контрольные измерения приходящей коротковолновой радиации с помощью дополнительного оборудования, которое в настоящей заявке не рассматривается.
Выбор указанной дискретности регистрации определялся постоянной времени приборов. В результате эксперимента было получено 23 суточных измерения. Далее для выявления влияния крена корабля на точность регистрации все двухсекундные измерения были разбиты на часовые ряды, и с помощью быстрого преобразования Фурье с окном 2048, что приблизительно равно количеству регистрации за один час (1800), были выделены основные частоты и амплитуды качания судна.
Очевидно, что это не одна дискретная частота, а некоторый диапазон частот: так как, например, для волнения моря силой 4 балла (фиг.2) частота качания судна лежит в диапазоне от 0,065 до 0,095 Гц с максимумом примерно в 0,075 Гц и амплитудой в максимуме ˜1,3°.
В условиях, близких к штилевым (фиг.3), амплитуда колебаний становится ˜0,4° и диапазон частот немного расширяется, составляя 0,05-0,12 Гц.
Далее рассмотрено, как этот эффект влияет на точность регистрации коротковолновой радиации. Для решения этой задачи из имеющегося массива данных были выбраны часовые серии, когда регистрировался поток коротковолновой радиации в условиях чистого неба. Это необходимо для того, чтобы исключить влияние изменчивости сигнала коротковолновой радиации, вызванной облачностью, на получаемые результаты спектрального анализа. Результаты совместного анализа измерений коротковолновой радиации и колебаний судна приведены на фиг.4.
Как видно из фиг.4, периодограммы колебания корабля и регистрации коротковолновой радиации совпадают. Из этого можно сделать вывод о том, что колебание корабля влияет на показания радиометра. Оценим, на сколько сильно это влияние. Среднечасовой поток коротковолновой радиации для приведенной периодограммы составил примерно 310 Вт/м2, при этом для примера взят случай через час после восхода Солнце. В дальнейшем этот поток для чистого неба будет только увеличиваться. Максимальная амплитуда изменчивости потока радиации за счет качки при этом составляет ˜2 Вт/м2. Это около 0,6% от величины сигнала. Однако нельзя забывать, что нас интересуют не мгновенные значения коротковолновой радиации, а по крайней мере среднечасовые. Для этого сравним среднечасовые значения коротковолновой радиации, полученные с помощью контрольного оборудования и радиометра 1, который опрашивался с периодом в 10 секунд и из-за этого колебания корабля не отражаются на его измерениях. Полученные данные показывают, что средний поток за час по результатам, полученным с помощью контрольного оборудования, составил 310 Вт/м2, а результат, полученный с помощью радиометра 1, составил 315 Вт/м2. Различия между осредненными величинами скорее объясняются не влиянием колебаний корпуса корабля, а классом точности прибора. У дорогостоящего уникального контрольного оборудования инструментальная точность равна 2%, а у радиометра 1-10%.
Проведенный эксперимент позволяет заключить, что:
1. Частота опроса радиометра в 10 секунд позволяет пренебрегать качкой судна при измерении часовых сумм коротковолновой солнечной радиации. Что касается приходящей длинноволновой радиации, то у нее нет прямых источников - она вся рассеянная, поэтому и отклонение принимающей площадки от горизонтали, обусловленное качкой, сильных погрешностей не внесет.
2. Даже если учитывать качку судна, то в силу гармоничности его колебаний, на больших периодах наблюдений, при рассмотрении среднечасовых и среднесуточных величин потока коротковолновой радиации, эти погрешности в среднем становятся малы по сравнению с погрешностями, вносимыми инструментальной точностью прибора.
Таким образом, выполненная и экспериментальная оценка позволяет заключить, что влияние качки судна на измерение часовых сумм солнечной радиации пренебрежимо малы. Это позволяет вести высокоточные измерения коротковолновой солнечной радиации в открытом океане.
В результате изобретения создан эффективный способ определения приходящей суммарной солнечной радиации на судне и расширен арсенал способов определения приходящей суммарной солнечной радиации на судне.
При этом снижена себестоимость измерений, упрощена конструкция, а также расширены функциональные возможности, сокращаено время определения суммарной радиации и обеспечивается высокая точность измерений в условиях качки корабля.
1. Способ определения приходящей суммарной солнечной радиации на судне, при котором осуществляют измерения солнечной радиации с помощью актинометрических средств, обеспечивая компенсацию погрешностей, возможных из-за влияния качки, отличающийся тем, что измерения осуществляют с помощью радиометра, содержащего жестко связанные пиранометр и пиргеометр, причем периодически измеряют коротковолновую солнечную радиацию с помощью направленного вверх пиранометра и приходящую длинноволновую радиацию с помощью направленного вверх пиргеометра, при этом компенсацию упомянутых погрешностей обеспечивают за счет выполнения измерения пиранометром с периодом 10±0,01 с, а результаты измерений преобразуют из аналоговой в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя и производят определение приходящей суммарной солнечной радиации с помощью вычислительных средств.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что измерения пиранометром и пиргеометром проводят одновременно.
3. Способ по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что по результатам измерений производят вычисление среднечасовой приходящей суммарной солнечной радиации.
