- Sevanje žarka in difuzno sevanje
- Sevanje črnega telesa
- Termočlen
- Pireliometer Delo in gradnja
- Delo in gradnja piranometra
Vsi vemo, da se življenje na zemlji ohranja zaradi sonca, saj zagotavlja zadostno toplotno energijo, da je zemlja topla. To energijo oddaja sonce v obliki elektromagnetnega sevanja, ki ga običajno imenujemo sončno sevanje. Nekaj sevanja je koristno za ljudi, drugo pa je škodljivo za vse življenje.
Da bi sončno sevanje prišlo do zemeljske površine, mora iti skozi ozračje, kjer se absorbira, razprši, odbije in prenaša, kar ima za posledico zmanjšanje gostote energijskega toka. To zmanjšanje je zelo pomembno, saj v sončnem dnevu nastane več kot 30-odstotna izguba, v oblačnem pa doseže tudi 90%. Torej največje sevanje, ki doseže zemeljsko površino skozi ozračje, ne bo nikoli večje od 80%.
Sončni tok je zelo pomembno izmeriti, saj je osnova življenja na zemlji in se uporablja pri gradnji številnih izdelkov, ne glede na to, ali so povezani z elektroniko, pridelki, zdravili, kozmetiko itd. V tej vadnici bomo spoznali sončno sevanje in njegovo meritev in spoznali tudi dva najbolj priljubljena instrumenta za merjenje sončne energije - pireliometer in piranometer.
Sevanje žarka in difuzno sevanje
Sevanje, ki ga zaznamo na površini, je tako neposredno kot posredno sevanje sonca. Sevanje, ki prihaja neposredno od sonca, je neposredno sevanje in se imenuje sevanje žarka. Razpršeno in odsevano sevanje, ki se pošlje na zemeljsko površje iz vseh smeri (odbije se od molekul, delcev, teles živali itd.), Je posredno in se imenuje razpršeno sevanje. Vsota obeh, žarka in difuznega sevanja, je opredeljena kot globalno sevanje ali skupno sevanje.
Pomembno je razlikovati med sevanjem žarka in difuznim sevanjem, ker je sevanje žarka lahko koncentrirano, difuzno pa ne. Obstaja veliko instrumentov za merjenje sončnega sevanja, ki se uporabljajo za merjenje sevalnega in difuznega sevanja.
Zdaj pa si oglejmo spekter elektromagnetnega sevanja v spodnjem diagramu.
V celotnem spektru upoštevamo le valovne dolžine od UV-žarkov do IR-žarkov, da izračunamo sončni tok, ker večina visokofrekvenčnih sončnih valov ne doseže površine in nizkofrekvenčno sevanje po IR ni zanesljivo. Torej se sončno sevanje ali tok običajno meri od UV žarkov do IR žarkov in tudi instrumenti so zasnovani tako.
Instrumenti za merjenje sončnega sevanja so dveh vrst:
- Pireliometer
- Piranometer
Preden začnete uporabljati te instrumente, morate razumeti nekaj konceptov, ki se uporabljajo pri načrtovanju naprav. Zdaj pa poglejmo te koncepte.
Sevanje črnega telesa
Črno telo običajno absorbira vsa sevanja, ne da bi karkoli oddalo nazaj v ozračje, in bolj čisto črno telo bolj popolno absorbira. Dejstvo je, da do zdaj ni popolnega črnega telesa, zato se običajno zadovoljimo z drugim najboljšim. Ko črno telo absorbira sevanje, se segreje, saj je samo sevanje energija, po absorpciji pa izstopijo atomi v telesu. To črno telo se uporablja kot jedro komponente v instrumentih za merjenje sončnega sevanja. V nasprotju s črnim telesom belo telo odseva vse sevanje, ki pade nanj, nazaj v ozračje, zato se bomo poleti počutili udobneje nositi bela oblačila.
Termočlen
Termočlen je preprosta naprava, izdelana iz dveh vodnikov iz različnih materialov, kot je prikazano na sliki.
Tu sta dve žici povezani, da tvorita zanko z dvema križiščema, ki sta označeni kot "A" in "B". Zdaj je v bližini križišča "A" pripeljana sveča, medtem ko križišče "B" ostane samo. Ko je sveča prisotna na križišču pri 'A', njena temperatura občutno naraste, medtem ko stičišče B ostane hladno pri sobni temperaturi. Zaradi te temperaturne razlike se na križiščih po " Seebeckovem učinku" pojavi napetost (potencialna razlika). Ker je vezje zaprto, skozi vezje teče tok 'I', kot je prikazano na sliki, in za merjenje tega toka bomo zaporedno priključili ampermeter. Pomembno je vedeti, da je jakost toka "I" v zanki neposredno sorazmerna s temperaturno razlikona križiščih, zato večje temperaturne razlike povzročijo večjo jakost toka. Torej z odčitavanjem ampermetra lahko izračunamo temperaturno razliko na križiščih.
Zdaj, ko bomo zajeli osnove, poglejmo še konstrukcijo in delovanje instrumentov za merjenje sončnega sevanja.
Pireliometer Delo in gradnja
Pireliometer je naprava, ki se uporablja za merjenje sevanja neposrednega žarka pri običajni pojavnosti. Njegova zunanja struktura je videti kot dolga cev, ki projicira podobo teleskopa, zato moramo lečo usmeriti proti soncu, da izmerimo sevanje. Tu se bomo naučili principa delovanja pireliometra in njegove konstrukcije.
Če želite razumeti osnovno strukturo pireliometra, si oglejte spodnji diagram.
Tu je leča usmerjena proti soncu in sevanje bo šlo skozi lečo, cev in na koncu padlo na črni predmet, prisoten na dnu. Zdaj, če na preprostejši način prerisamo celotno notranjo strukturo in vezje, bo videti nekako tako kot spodaj.
V vezju je razvidno, da črno telo absorbira sevanje, ki pada iz leče, in kot smo že omenili, popolno črno telo popolnoma absorbira vsa sevanja, ki padejo nanj, zato sevanje, ki pade v cev, črni predmet v celoti absorbira. Ko se sevanje absorbira, se atomi v telesu navdušijo zaradi naraščajoče temperature celotnega telesa. To povišanje temperature bo izkusil tudi spoj termočlena "A". Zdaj s križiščem „A“ termočlena pri visoki temperaturi in spojem „B“ pri nizki temperaturi v njegovi zanki poteka tok toka, kot je razloženo v principu delovanja termočlena. Ta tok v zanki bo tekel tudi skozi zaporedni galvanometer in s tem povzročal odstopanje v njem. Toodstopanje je sorazmerno s tokom, ta pa sorazmeren s temperaturno razliko na križiščih.
Odstopanje ∝ Tok v zanki ∝ Temperaturna razlika na križiščih.
Zdaj bomo to odstopanje v galvanometru skušali izničiti s pomočjo vezja. Celoten postopek za izničenje odstopanja je razložen v spodnjem koraku.
- Najprej zaprite stikalo v vezju za zagon trenutnega toka.
- Tok teče kot,
Baterija -> Stikalo -> Kovinski vodnik -> Ampermeter -> Spremenljiv upor -> Akumulator.
- S tem tokom, ki teče skozi kovinski vodnik, se njegova temperatura do določene mere dvigne.
- V stiku s kovinskim vodnikom se dvigne tudi temperatura stičišča B. S tem se zmanjša temperaturna razlika med križiščem "A" in križiščem "B".
- Zaradi zmanjšanja temperaturne razlike se zmanjša tudi tok toka v termočlenu.
- Ker je odstopanje sorazmerno s tokom, se tudi odstopanje galvanometra zmanjša.
- Če povzamemo, lahko rečemo - Odstopanje v galvanometru lahko zmanjšamo s prilagoditvijo reostata za spreminjanje toka v kovinskem vodniku.
Zdaj prilagajajte reostat, dokler odstopanje galvanometra ne postane popolnoma neveljavno. Ko se to zgodi, lahko iz merilnikov dobimo odčitke napetosti in toka ter naredimo preprost izračun za določitev toplote, ki jo absorbira črno telo. S to izračunano vrednostjo lahko določimo sevanje, saj je toplota, ki jo ustvarja črno telo, neposredno sorazmerna sevanju. Ta vrednost sevanja ni nič drugega kot sončno sevanje z neposrednim snopom, ki ga želimo meriti od začetka. In s tem lahko zaključimo delovanje pireliometra.
Delo in gradnja piranometra
Piranometer je naprava, ki se lahko uporablja za merjenje sevanja žarka in difuznega sevanja. Z drugimi besedami, uporablja se za merjenje celotnega hemisferičnega sevanja (žarek plus difuzno na vodoravni površini). Tu bomo spoznali princip delovanja piranometra in njegovo konstrukcijo.
Naprava je videti kot krožnik NLP, ki je najbolj primeren za svoj namen. Ta naprava je bolj priljubljena kot druge in danes je večina podatkov o sončnih virih izmerjena z njo. Izvirno sliko in notranjo zgradbo piranometra si lahko ogledate spodaj.
U
Tu sevanje iz okoliške atmosfere prehaja skozi stekleno kupolo in pade na črno telo, ki se nahaja v središču instrumenta. Tako kot prej se temperatura telesa po absorbiranju vsega sevanja dvigne, to povečanje pa bo izkusila tudi veriga termoelementa ali modul termoelementa, ki je prisoten neposredno pod črnim telesom. Tako bo ena stran modula vroča, druga pa hladna zaradi hladilnega telesa. Modul termočlena ustvari napetost in to je vidno na izhodnih sponkah. Ta napetost, prejeta na izhodnih sponkah, je po načelu termočlena neposredno proporcionalna temperaturni razliki.
Ker vemo, da je temperaturna razlika povezana s sevanjem, ki ga absorbira črno telo, lahko rečemo, da je izhodna napetost linearno sorazmerna sevanju.
Podobno kot v prejšnjem izračunu lahko tudi iz te vrednosti napetosti enostavno dobimo vrednost celotnega sevanja. Tudi z uporabo sence in po istem postopku lahko dobimo tudi razpršeno sevanje. Vrednost skupnega sevanja in difuznega sevanja lahko izračuna tudi vrednost sevanja žarka. Tako lahko z uporabo piranometra izračunamo tako difuzno sončno sevanje kot celotno sevanje.