< Попер   ЗМІСТ   Наст >

Методи вимірювання теплових потоків

Сенсор теплових потоків

Цей прилад є перетворювачем, призначеним для вимірювання перенесення теплоти завдяки теплопровідності, конвекції та випромінюванню. Він генерує електричний сигнал, пропорційний загальному тепловому потоку, що проходить через поверхню сенсора.

Сенсор теплових потоків (типу RC01) складається з двох детекторів; поверхня одного з них, що покрита золотом, чутлива лише до конвекційних теплових потоків; поверхня другого детектора чорного кольору, призначена для реєстрації як конвекційних, так і радіаційних теплових потоків (рис. 10.10).

Сенсор теплових потоків RC01: 1 – конвекційний потік; 2 – радіаційний потік; 3 – сенсор теплового потоку з зачорненою поверхнею; 4 – температурний сенсор; 5 – сенсор теплового потоку з позолоченою поверхнею

Рис. 10.10. Сенсор теплових потоків RC01: 1 – конвекційний потік; 2 – радіаційний потік; 3 – сенсор теплового потоку з зачорненою поверхнею; 4 – температурний сенсор; 5 – сенсор теплового потоку з позолоченою поверхнею

Під поверхнею детектора знаходиться термопара, що виконана зі сплаву хромель-алюмель (хромель містить 90 % нікелю та 10 % хрому; алюмель – 95 % нікелю, 2 % магнію, 2 % алюмінію та 1 % кремнію).

Чутливість такої термопари становить 41 мкВ/°С. Розміри сенсора 22×10×3 мм; розміри всього приладу 65x65x13 мм.

Ще один різновид сенсорів теплових потоків (типу HFP01) містить термопару (наприклад, мідь-константан), яку занурено у керамічно-пластмасову обойму (рис. 10.11).

Ця термопара вимірює різницеву температуру, що утворюється на граничних площинах сенсора.

Вихідний сигнал сенсора, який вимірюється у мілівольтах, пропорційний локальному тепловому потоку, що проходить через сенсор.

Сенсор теплових потоків може бути представлений електричним аналогом, що складається з опору R та ємності С. Часовий відгук сенсора τ визначається за виразом:

(10.14)

де d – товщина сенсора, м; – питома теплоємність, Дж/кг-К; k – теплопровідність, Вт/м•К; р – густина повітря, кг/м3. Важливими перевагами сенсора є лінійність температурної залежності та інтервал температур (для сенсора типу RC01 діапазон температур становить -200 °С-+1250 °С).

Метод сцинтилометрії

Під час поширення вздовж атмосфери оптичне випромінювання може спотворювати свої характеристики – інтенсивність, поляризацію, фазу. Серед основних чинників, що

Сенсор теплових потоків HFP01: 1 – сенсор; 2 – керамічно- пластмасова обойма; 3 – кабель

Рис. 10.11. Сенсор теплових потоків HFP01: 1 – сенсор; 2 – керамічно- пластмасова обойма; 3 – кабель

впливатимуть на ці характеристики, є розсіювання та поглинання випромінювання газами та частинками атмосфери, які забирають енергію променя і, таким чином, призводять до його загасання. Найважливішим фактором, який впливає на інтенсивність випромінювання, що поширюється в атмосфері, є процес розсіювання, а самим серйозним механізмом взаємодії випромінювання з атмосферою є малі флуктуації показника заломлення повітря п. Ці турбулентні флуктуації показника заломлення спричиняють відповідні флуктуації оптичного випромінювання, відомі під назвою сцинтиляції.

Турбулентність атмосфери відбувається у тривимірному просторі як рух повітря у вигляді завихрень розмірами від кількох міліметрів до десятків метрів. Турбулентність атмосфери є одним з найефективніших механізмів транспортування теплоти та водяної пари.

Показник заломлення залежить від температури повітря, його вологості та густини. Під час транспортування теплоти та водяної пари показник заломлення також набуває флуктуацій, що призводять до сцинтиляцій оптичного випромінювання.

Отже, теплова шаруватість та турбулентність атмосфери викликає флуктуації показника заломлення повітря. Якщо пропускати світловий промінь через такий приземний шар повітря, то він набуває відповідні просторові флуктуації інтенсивності. Реєстрація сцинтиляцій (мерехтінь) світлового променя може надати інформацію щодо структури атмосферних шарів та наявності в них теплових та рефракційних градієнтів.

Прилад, призначений для визначення теплової та турбулентної структури приземних шарів атмосфери, називається сцинтилометром [Meijninger, 2003].

Складається цей прилад з передавача та приймача. Передавач генерує оптичне випромінювання, яке набуває флуктуацій під час проходження приземного шару атмосфери. Ці флуктуації реєструються приймачем. Оскільки ці флуктуації викликаються температурними флуктуаціями, стає можливим реєструвати потоки відчутної та прихованої теплоти вздовж довжини поширення оптичного променя, яка варіює від 100 до 5000 м.

Схему сцинтилометра наведено на рис. 10.12.

Схема, що пояснює принцип дії сцинтилометра: передавач генерує оптичне випромінювання, яке проходить через турбулентний шар атмосфери, а приймач аналізує флуктуації інтенсивності , що характеризують турбулентні вихори [Meijninger, 2003]

Рис. 10.12. Схема, що пояснює принцип дії сцинтилометра: передавач генерує оптичне випромінювання, яке проходить через турбулентний шар атмосфери, а приймач аналізує флуктуації інтенсивності , що характеризують турбулентні вихори [Meijninger, 2003]

Передавач випромінює світловий промінь певної довжини хвилі λ. На певній відстані L приймач аналізує флуктуації інтенсивності , що характеризують турбулентні вихори. Крім того, на рисунку зображено діаметр променя D, різні розміри завихрень, а також висота розташування сцинтилометра z над поверхнею. Якщо апертура сцинтилометра достатньо велика, тобто перевищує розміри великих вихорів, приймач здатний усереднювати одержаний по всій апертурі сигнал. Це означає, що дрібні флуктуації оптичного сигналу, які являють собою темні та світлі плями, будуть компенсувати одна одну в межах апертури сцинтилометра.

Оскільки зона вимірювань сцинтилометра з великою апертурою (близько 5000 м) перевищує відповідну зону комплексу для оцінювання вихрової коваріації, метод сцинтилометрії дає можливість вимірювати вертикальні теплові потоки, усереднені в межах одного піксела (якщо порівняти з супутниковими вимірюваннями).

Сцинтилометри здатні вимірювати потоки латентной, чутливої теплоти та евапотранспіраційні потоки.

Потоки чутливої теплоти можуть бути оцінені на відстані від 100 м до 5 км.

Можна застосувати сонячні батареї як джерело живлення приладів.

Зовнішній вигляд сцінтіллометра наведено на рис. 10.13.

Зовнішній вигляд сцинтилометра

Рис. 10.13. Зовнішній вигляд сцинтилометра

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >