Методи за измерване на топлинни потоци, Сензор за топлинен поток, Метод на сцинтилометрия - Методи за измерване
Сензор за топлинен поток
Този инструмент е преобразувател, предназначен да измерва преноса на топлина чрез проводимост, конвекция и излъчване. Той генерира електрически сигнал, пропорционален на общия топлинен поток, преминаващ през повърхността на сензора.
Сензорът за топлинен поток (тип RC01) се състои от два детектора; повърхността на един от тях, която е покрита със злато, е чувствителна само към конвекционни топлинни потоци; повърхността на втория детектор е черна, предназначена да регистрира както конвекционни, така и радиационни топлинни потоци (фиг. 10.10).
Ориз. 10.10.Сензор за топлинен поток RC01: 1 - конвекционен поток; 2 - радиационен поток; 3 - сензор за топлинен поток с почерняла повърхност; 4 - температурен датчик; 5 - сензор за топлинен поток с позлатена повърхност
Под повърхността на детектора има термодвойка от хромел-алумелова сплав (хромелът съдържа 90%никел и 10% хром; алумелът - 95% никел, 2%магнезий, 2% алуминий и 1%силиций).
Чувствителността на такава термодвойка е 41 µV / ° C. Размерите на сензора са 22 × 10 × 3 mm; размерите на цялото устройство са 65x65x13 мм.
Друг тип сензори за топлинен поток (тип HFP01) съдържа термодвойка (например медно-константан), която е потопена в керамично-пластмасов държач (фиг. 10.11).
Тази термодвойка измерва диференциалната температура, образувана в крайните равнини на сензора.
Изходът на сензора, който се измерва в миливолта, е пропорционален на локалния топлинен поток, преминаващ през сензора.
Сензорът за топлинен поток може да бъде представен от електрически аналог, състоящ се отсъпротивлениеRи капацитет С. Почасовата реакция на сензора τ се определя от израза:
(10.14)
къдетоd -дебелина на сензора, m; - специфичен топлинен капацитет, J / kg-K;k- топлопроводимост, W / m • K;p -плътност на въздуха, kg / m3. Важните предимства на сензора са линейността на температурната зависимост и температурния диапазон (за сензор тип RC01 температурният диапазон е -200°C-+1250°C).
Метод на сцинтилометрия
При разпространение в атмосферата оптичното лъчение може да изкриви своите характеристики – интензитет, поляризация, фаза. Сред основните фактори
Ориз. 10.11.Сензор за топлинен поток HFP01: 1 - сензор; 2 - керамично-пластмасов държач; 3 - кабел
влияние върху тези характеристики е разсейването и поглъщането на радиация от газове и частици на атмосферата, които отнемат енергията на лъча и по този начин водят до неговото затихване. Най-важният фактор, влияещ върху интензитета на радиацията, разпространяваща се в атмосферата, е процесът на разсейване, а най-сериозният механизъм за взаимодействие на радиацията с атмосферата са малките колебания в индекса на пречупване на въздухаn.Тези турбулентни колебания в индекса на пречупване причиняват съответните колебания в оптичното излъчване, известни катосцинтилации.
Атмосферната турбуленция възниква в триизмерното пространство като движение на въздуха под формата на вихри с размери от няколко милиметра до десетки метри. Атмосферната турбуленция е един от най-ефективните механизми за пренос на топлина и водни пари.
Коефициентът на пречупване зависи от температурата на въздуха, неговата влажност и плътност. По време на преноса на топлина и водна пара индексът на пречупване същопридобива флуктуации, водещи до сцинтилации на оптично лъчение.
И така, термичното наслояване и турбулентността на атмосферата причиняват колебания в индекса на пречупване на въздуха. Ако светлинен лъч премине през такъв повърхностен слой въздух, тогава той придобива съответните пространствени флуктуации на интензитета. Регистрирането на сцинтилации (мигания) на светлинен лъч може да предостави информация за структурата на атмосферните слоеве и наличието на термични и рефракционни градиенти в тях.
Инструмент, предназначен да определя топлинната и турбулентната структура на повърхностните слоеве на атмосферата, се наричасцинтилометър[Meijninger, 2003].
Това устройство се състои от предавател и приемник. Предавателят генерира оптично лъчение, което придобива флуктуации при преминаване през повърхностния слой на атмосферата. Тези колебания се регистрират от приемника. Тъй като тези колебания са причинени от температурни колебания, става възможно да се регистрират чувствителни и латентни топлинни потоци по дължината на разпространение на оптичния лъч, която варира от 100 до 5000 m.
Схемата на сцинтилометъра е показана на фиг. 10.12.
Ориз. 10.12.Схема, обясняваща принципа на работа на сцинтилометъра: предавателят генерира оптично лъчение, което преминава през турбулентния слой на атмосферата, а приемникът анализира флуктуациите на интензитета, характеризиращи турбулентните вихри [Meijninger, 2003]
Предавателят излъчва светлинен лъч с определена дължина на вълнатаλ.На определено разстояниеL, приемникът анализира флуктуациите на интензитета, които характеризират турбулентните вихри. В допълнение фигурата показва диаметъра на лъчаD,различни размери на завихряне, както и височината на сцинтилометъраzнад повърхността. Ако блендасцинтилометърът е достатъчно голям, т.е. надвишава размера на големите вихри, приемникът е в състояние да осредни сигнала, получен върху цялата бленда. Това означава, че малките колебания в оптичния сигнал, които са тъмни и светли петна, ще се компенсират взаимно в рамките на апертурата на сцинтилометъра.
Тъй като зоната на измерване на сцинтилометър с голяма апертура (около 5000 m) надвишава съответната зона на комплекса за оценка на вихровата ковариация, сцинтилометричният метод дава възможност за измерване на вертикални топлинни потоци, осреднени в рамките на един пиксел (в сравнение със сателитни измервания).
Сцинтилометрите са в състояние да измерват латентна, чувствителна топлина и потоци на изпарение.
Чувствителните топлинни потоци могат да бъдат оценени на разстояния от 100 m до 5 km.
Можете да използвате слънчеви панели като източник на енергия за устройства.
Външният вид на сцинтилометъра е показан на фиг. 10.13.
Ориз. 10.13.Външен вид на сцинтилометъра