ПИРАНОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ

Полезная модель относится к приборам для измерения солнечной радиации, а именно к пиранометрам для измерения прямой и суммарной солнечной радиации в УФ диапазоне и может быть использовано в передвижных и стационарных контрольно-измерительных метеорологических лабораториях.
Солнечная ультрафиолетовая радиация играет важную роль в процессах, происходящих в атмосфере Земли и на ее поверхности. При этом, наиболее биологически активной является радиация в спектральной области 300-320 нм.
Известна ультрафиолетовая фотометрическая установка [SU 1578503 А1].
Установка предназначена для измерения общей, рассеянной и прямой УФ солнечной радиации.
Конструкция данной установки не позволяет оценить уровень УФР со всей полусферы небосвода.
К недостаткам также можно отнести то, что в качестве ограничителей хода теневой стойки используются механические приспособления: их контакты могут протираться и окисляться в процессе работы, в результате чего они перестают выполнять свои функции.
Известен пиранометр [US 5 331 168 А] для измерения ультрафиолетовой солнечной радиации включающий корпус, имеющий купол, изготовленный из материала, пропускающего УФ-радиацию, детектор, включающий фильтр, пропускающий только УФ-радиацию, фосфорный слой для поглощения УФ радиации и переизлучения его в видимый диапазон, стеклянный фильтр, пропускающий излученный фосфором свет и блокирующий красный свет, фотодиод, имеющий максимальную спектральную чувствительность не дальше зеленого света и быстро спадающую на более длинных волнах, выходной ток фотодиода пропорционален интенсивности переизлученной на слое фосфора УФ радиации, вследствие чего пиранометр не чувствителен к видимому солнечному излучению.
К недостаткам известного пиранометра можно отнести следующее:
- пиранометр не позволяет оценить уровень УФР со всей полусферы небосвода;
- используется не прямое преобразование мощности солнечного излучения в электрическую энергию, а используется промежуточное переизлучение на фосфоре;
- прибор измеряет только суммарную ультрафиолетовую радиацию солнечного излучения и не предназначен для измерения прямой солнечной радиации.
Известен пиранометр [US 6849842 В2], измеряющий как суммарную, так и прямую солнечную радиацию, включающий реверсивный электрический двигатель с выходным валом; на котором закреплен изогнутый теневой экран выбранной ширины, который одним концом соединяется с выходным валом таким образом, чтобы он мог вращаться одновременно с этим валом и так, чтобы ось вращения экрана была нормальной по отношению к упомянутому концу; опоры, приспособленной для прикрепления к поддерживающей структуре таким образом, чтобы обеспечить регулировку упомянутой опоры по оси X; устройства осевого прикрепления двигателя к опоре таким образом, чтобы обеспечить регулировку по оси Y; светочувствительного датчика со светопринимающей поверхностью; устройства поддержки датчика таким образом, чтобы центр светопринимающей поверхности был соосным с осью вращения экрана, причем приспособление поддержки датчика дает возможность регулировки положения датчика по высоте устройства управления двигателем и работает таким образом, чтобы периодически экран вращался под определенным углом при переходе от одного положения к другому, причем эти положения должны быть такими, чтобы экран отбрасывал тень на светопринимающую поверхность только во время вращения.
Пиранометр не позволяет оценить уровень солнечной радиации со всей полусферы небосвода, измеряется общая, прямая и рассеянная суммарная солнечная радиация, приходящая на горизонтальную поверхность.
Наиболее близким является прибор для измерения интенсивности прямой и суммарной ультрафиолетовой солнечной радиации [FR 2685767 А1], включающий корпус с передвигаемой крышкой, несущей коллиматор, который маскирует все небо, за исключением области солнечного диска поля зрения сенсора, когда крышка закрыта. Оптический фильтр, который может быть легко заменен, делает возможным изучение различных частей солнечного УФ спектра. Корпус включает микропроцессор, который отражает результат измерений на дисплее как функцию команд введенных с клавиатуры. Интерфейс, присоединенный к микропроцессору позволяет его программировать.
Пиранометр также не позволяет оценить уровень солнечной радиации со всей полусферы небосвода, измеряется общая, прямая и рассеянная суммарная солнечная радиация, приходящая на горизонтальную поверхность.
Задачей полезной модели является разработка прибора, позволяющего измерять суммарную и прямую солнечную радиацию в диапазоне длин волн 295-310 нм со всей полусферы небосвода.
Технический результат: повышение точности измерения ультрафиолетовой солнечной радиации.
Поставленная задача достигается тем, что как известный, предлагаемый пиранометр для измерения ультрафиолетовой солнечной радиации содержит светофильтр и датчик ультрафиолетовой солнечной радиации, последовательно расположенные в корпусе.
Новым является то, что он дополнительно содержит объектив, представляющий собой систему линз, установленную в корпусе, для приема и направления солнечного излучения на датчик ультрафиолетовой солнечной радиации со всей полусферы небосвода, при этом датчик ультрафиолетовой солнечной радиации и светофильтр расположены под объективом на одной оси с линзами.
В состав объектива входят четыре линзы, две из которых выпукло-вогнутые, а две двояковогнутые, которые позволяют собрать суммарную солнечную радиацию со всей полусферы небосвода и направить ее на датчик ультрафиолетовой радиации.
Кроме того, в качестве датчика ультрафиолетовой солнечной радиации использован фотодиод со спектральной чувствительностью, соответствующей спектру ультрафиолетовой солнечной радиации.
При этом светофильтр расположен непосредственно перед датчиком ультрафиолетовой солнечной радиации.
Кроме того, корпус разделен на верхнюю и нижнюю части, соединенные между собой крышкой.
При этом верхняя часть корпуса представляет собой одновременно оправу для объектива, в которой последовательно установлены упомянутые линзы, светофильтр и датчик ультрафиолетовой солнечной радиации.
Нижняя часть корпуса предназначена для установки в ней электронной платы, на которой размещены преобразователь тока в напряжение, усилитель напряжения, микроконтроллер и интерфейс, предназначенные для обработки и передачи результатов измерений от контроллера к ЭВМ (ПК).
Для определения прямой составляющей ультрафиолетовой солнечной радиации он дополнительно содержит экран.
Для вращения экрана пиранометр содержит поворотный механизм, содержащий шаговый двигатель и оптопару, соединенные с микроконтроллером.
При этом оптопара размещена на нижней части корпуса, таким образом, чтобы экран в своем крайнем положении закрывал источник оптопары от его приемника.
В настоящем изобретении предлагается пиранометр, измеряющий ультрафиолетовую солнечную радиацию (УФР) в диапазоне длин волн 295-310 нм со всей полусферы небосвода.
В качестве приемной апертуры в пиранометре предлагается использовать объектив «все небо» (all sky). Оптическая часть пиранометра состоит из четырех рассеивающих линз, которые позволяют собрать суммарную солнечную радиацию со всей полусферы и направить ее на приемник (светочувствительный элемент).
Приемником УФР является УФ фотодиод с полосой чувствительности в диапазоне 240-380 нм. Для выделения требуемой полосы используется светофильтр, имеющий полосу пропускания 295-310 нм.
Пиранометр позволяет измерять не только суммарную, но и прямую радиацию. Для этого в конструкции прибора предусмотрен теневой экран, который закрывает периодически прямую солнечную радиацию, тем самым ее отсекая. Мощность прямой составляющей получается путем вычитания из общего потока рассеянной радиации. Изобретение иллюстрируется графическими материалами:
На фиг.1 приведен сборочный чертеж предлагаемого устройства (пиранометра).
На фиг.2 приведена функциональная схема предлагаемого устройства (пиранометра).
На фиг.3 приведен алгоритм работы предлагаемого устройства (пиранометра).
Пиранометр (фиг.1) содержит объектив, в состав которого входят четыре линзы, две из которых 1 и 2 выпукло-вогнутые, а две 3 и 4 двояковогнутые, установленные в верхней части корпуса (оправа) 5, крышку 6, для соединения верхней 5 и нижней части корпуса 7. Линзы, установленные в оправе 5, принимают и направляют солнечное излучение со всей полусферы небосвода, на приемник УФР (датчик) 8, обеспечивая тем самым приемную апертуру равную 180 градусов. В качестве регистрирующего элемента 8 ультрафиолетовой солнечной радиации используется фотодиод TW30DZ с максимальной чувствительностью на длине волны равной 300 нм и установленный в корпусе 5 в центре под объективом и на одной оси с линзами.
Светофильтр 9 установлен непосредственно перед фотодиодом 8.
В зависимости от полосы поглощения установленного фотодиода 8 и светового фильтра 9 изменяется спектральный диапазон измерения суммарной солнечной радиации. В нижней части 7 корпуса прибора размещена электронная плата 10, на которой размещены преобразователь тока в напряжение 11, усилитель напряжения 12, микроконтроллер 13 и интерфейс 14 для обработки и передачи результатов измерений от контроллера к ЭВМ (ПК) (не показан). Выходной ток фотодиода 8 преобразуется в цифровой сигнал и передается на ПК. Для определения прямой составляющей солнечной радиации в конструкции прибора используется экран 15 и поворотный механизм экрана, включающий шаговый двигатель 16 и оптопара (не показаны), размещенная на нижней части корпуса 7 прибора. Поворачиваясь вокруг объектива, в некоторый момент времени, зависящий от высоты солнца над горизонтом, экран закроет солнечный диск, и тем самым выходной ток диода будет соответствовать рассеянной солнечной радиации. Разница токов диода с закрытым солнечным диском и общим током определяет прямую солнечную радиацию.
Линзы 1, 2, 3, 4 изготовлены из кварцевого стекла, оправа 5 и крышка 6 из алюминия.
На фиг.2 представлена функциональная схема устройства. Датчик ультрафиолетовой радиации (УФР) представляющий собой фотодиод 8, преобразует энергию светового излучения в ток. Преобразователь тока в напряжение 11 преобразует ток в напряжение, затем усилитель напряжения 12 усиливает сигнал до необходимого уровня (выводы фотодиода, проходящие в отверстии крышки 6 соединены с преобразователем напряжения). Микроконтроллер 13 преобразует уровень аналогового сигнала в цифровой код и далее через интерфейс RS232 передает измеренное значение УФР в персональный компьютер (ПК) (не показан). Микроконтроллер 13 управляет также шаговым двигателем, при помощи которого поворачивается экран 15. Для контроля крайнего положения экрана 15 используется оптопара (не показана). Как только экран займет крайнее положение, он закроет приемник оптопары, при этом будет сгенерирован сигнал, обработав который, контроллер 13 закончит поворот экрана и переведет его в начальное положение.
Шаговый двигатель 16 устанавливается на основание 17, которое в свою очередь крепится к корпусу прибора 7.
При включении прибора (фиг.3), происходит перевод экрана 16 в начальное положение. Для этого шаговый двигатель 16 поворачивает экран 15 против часовой стрелки до тех пор, пока не будет сигнала от оптопары. Затем измеряется ток фотодиода 8, который будет пропорционален общей солнечной радиации в измеряемом диапазоне длин волн в текущий момент времени. Затем шаговый двигатель 16 начинает поворачивать экран 15 по часовой стрелке, один шаг двигателя соответствует одному градусу поворота. После каждого шага измеряется ток фотодиода 8. После 180 шагов вычисляется минимальное значение тока, что будет соответствовать рассеянной солнечной радиации. Прямая солнечная радиация вычисляется путем вычитания из общей солнечной радиации рассеянной.