АКТИНОМЕТРИЧЕСКИЙ ПРИЕМНИК БОЛОМЕТРИЧЕСКОГО ТИПА
BOLOMETRIC-TYPE ACTINOMETRIC RECEIVER

Изобретение относится к актинометрии и может использоваться в качестве элементной базы в устройствах для проведения измерений солнечной радиации.
7
Известен актинометр автономный, в котором приемник солнечной радиации представляет собой два термоэлемента в виде пружин, выполненных из сплава с эффектом памяти формы. Один из них открыт для солнечных лучей, другой находится в тени. При этом оба кинематически связаны между собой и осью вращения, на которой закреплен пишущий элемент. Между затененным и освещенным элементами возникает перепад температуры, который вследствие эффекта памяти формы приводит к соответствующей деформации элементов, которая преобразуется в перемещение пишущего элемента, обеспечивающего запись временного хода солнечной радиации (РФ, патент №2185643, МПК G01W 1/12, опубл. 20.07.2002 г.).
Недостатком приемника данного устройства является то, что вырабатываемый им сигнал в виде механического перемещения, требует соответствующей механической регистрирующей системы. Наличие движущихся частей устройства связано с неконтролируемыми факторами в виде трения, люфтов и т.п., что приводит к систематическим погрешностям в измерении.
6
Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является актинометрический приемник болометрического типа, используемый в измерителе солнечной радиации (РФ, свидетельство на полезную модель №2877, МПК G01W 1/12, опубл. 16.09.1996 г.).
Приемник содержит основной и дополнительный болометрические элементы, помещенные в корпус с апертурной трубкой, периодически закрываемый шторкой. Основной элемент при открытой шторке находится под воздействием прямых солнечных лучей, тогда как дополнительный элемент защищен от воздействия солнечной радиации защитным экраном. Поглощение солнечной радиации основным элементом приводит к повышению его температуры и последующему увеличению электросопротивления, недостаточного для балансировки трансформаторного моста, и в нем за счет полосового усилителя положительной обратной связи возникают автоколебания частоты. В результате на выходе индикатора появляется сигнал, приводящий через блок управления и компенсации и резистор к нагреву основного болометрического элемента до достижения баланса моста и отсутствию сигнала на выходе индикатора, вызывающего через блок управления и компенсации закрытие шторки, прекращение воздействия солнечной радиации на основной элемент и разбалансировку моста с появлением сигнала на выходе индикатора. Под действием этого сигнала блок управления и компенсации переводит отсчетное устройство в начальное состояние. Через резистор на основной элемент поступает сигнал, приводящий к дополнительному нагреву по достижению баланса моста, мощности, равной мощности солнечной радиации, отсчитываемой по отсчетному устройству. Для последующих измерений шторка открывается и цикл работы повторяется.
Основным недостатком известного приемника является низкая чувствительность, обусловленная свойствами материала, используемого для изготовления его болометрических элементов, имеющего небольшой коэффициент температурной зависимости электросопротивления.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение чувствительности приемника.
Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемый актинометрический приемник болометрического типа, так же как и прототип, содержит основной и дополнительный болометрические элементы.
В отличие от известного приемника оба болометрических элемента расположены на общей диэлектрической подложке с малым коэффициентом теплопроводности и имеют одинаковую форму полого шарового сегмента, выполнены из сплава с эффектом памяти формы, претерпевающего мартенситное превращение в заданном интервале температур измерения, при этом основной элемент зачернен, тогда как дополнительный имеет полированную поверхность, плоскости сечения шара, образующие полые шаровые сегменты, параллельны плоскости диэлектрической подложки, выпуклая часть (вершина) элементов обращена к зениту, а линия, соединяющая вершины элементов, ориентирована вдоль направления север-юг, расстояние между вершинами составляет величину не менее чем два диаметра основания шарового сегмента.
-3
-1
-3
1
-3
-1
-6
Предлагаемый актинометрический приемник позволяет увеличить чувствительность за счет изготовления болометрических элементов из металла с эффектом памяти формы. Как известно, одним из параметров, определяющих чувствительность приемников болометрического типа, является температурный коэффициент электросопротивления. Согласно литературным данным для металлов с эффектом памяти формы в области мартенситного превращения этот коэффициент может достигать значения 10,3×10 K. Для сравнения, температурные коэффициенты сопротивления металлов, используемых в приемниках болометрического типа, таких как платина и никель, равны 3,9×10 K и 6,8×10 K соответственно. Вместе с тем металл с эффектом памяти формы наряду с небольшой плотностью и удельной теплоемкостью обладает высоким удельным электрическим сопротивлением - 1,1×10 Ом•м, что на порядок больше, чем у платины и никеля. К примеру, изменение электрического сопротивления металлической пленки размером 1 мм×1 мм и толщиной 1 мкм при изменении ее температуры на 10°С для сплава никелида титана, платины и никеля равно 57200, 4120 и 5916 мкОм соответственно [Беляев С.П., Волков А.Е., Коноплева Р.Ф. и др. Влияние нейтронного облучения на мартенситные превращения // Физика твердого тела. 1998. Т.40, №9. С.1705-1709.; http://www.chem100.ru/table.php]. В этом случае затраты энергии на нагрев образца будут равны, соответственно, 13 мкДж (TiNi), 28,7 мкДж (Pt) и 39,2 мкДж (Ni). Таким образом, чувствительность приемника из никелида титана, за счет совокупности физических свойств, на порядок выше, чем у приемников из платины или никеля.
На фиг.1 схематично представлена конструкция актинометрического приемника болометрического типа, а на фиг.2 - его графическая модель. Он содержит основной чувствительный элемент 1, дополнительный элемент 2, диэлектрическую подложку с малым коэффициентом теплопроводности 3 и выводы 4.
Приемник работает следующим образом. Солнечная радиация в равной степени воздействует на оба элемента 1 и 2. Основной зачерненный элемент 1 поглощает большую часть радиации, вследствие чего его температура повышается пропорционально мощности падающего излучения. Дополнительный отполированный элемент 2 отражает большую часть солнечной радиации и его температура близка к температуре окружающей среды. Дополнительный элемент 2 компенсирует изменения параметров окружающей среды, влияющих на измерение мощности солнечной радиации. Подложка 3 служит электрической и тепловой изоляцией. Выводами 4 приемник соединен со схемой измерения. Болометрические элементы 1 и 2 выполнены из сплава, претерпевающего мартенситное превращение в заданном интервале температур измерения. В ходе превращения доля новой термодинамической фазы изменяется пропорционально изменению температуры. Процесс имеет атермическую кинетику - при прекращении изменения температуры прекращается изменение соотношения долей фаз. Указанное превращение заключается в перестройке кристаллической решетки с понижением (повышением) симметрии кристалла, что приводит к изменению электронно-фононного взаимодействия в системе и, соответственно, к изменению электрического сопротивления в целом. Различие в поглощении солнечной радиации элементами 1 и 2 приводит к различной степени их нагрева и, следовательно, к возникновению разности электросопротивления между ними. Неравенство электросопротивлений фиксируется с помощью известной электрической схемы, которая вырабатывает сигнал на подачу мощности для нагрева элемента 2 до достижения равенства электросопротивлений элементов. Мерой искомой мощности солнечной радиации является мощность, подаваемая для выравнивания значений электросопротивлений.
Элементы выполнены в форме полого шарового сегмента, что позволяет измерять мощность солнечной радиации при нулевом угле солнечных лучей относительно горизонта, при этом площадь сечения засвеченной поверхности элемента будет отличной от нуля и зависеть от высоты сегмента. Взаимное пространственное расположение элементов 1 и 2 устраняет влияние их теней друг на друга, вызванных прямыми солнечными лучами. Это достигается тем, что линия, соединяющая вершины элементов, ориентирована вдоль направления север-юг, а расстояние между вершинами устанавливают равным двум диаметрам основания шарового сегмента, что приемлемо с практической конструктивной точки зрения и учитывает значение азимутальных углов зимнего и летнего солнцестояния на большей территории Земного шара.
Таким образом, заявленный технический результат обеспечивается тем, что в отличие от прототипа, в данном приемнике оба болометрических элемента расположены на общей диэлектрической подложке с малым коэффициентом теплопроводности и имеют одинаковую форму полого шарового сегмента, выполнены из сплава с эффектом памяти формы, претерпевающего мартенситное превращение в заданном интервале температур измерения, при этом основной элемент зачернен, тогда как дополнительный имеет полированную поверхность, плоскости сечения шара, образующие полые шаровые сегменты, параллельны плоскости диэлектрической подложки, выпуклая часть (вершина) элементов обращена к зениту, а линия, соединяющая вершины элементов, ориентирована вдоль направления север-юг, расстояние между вершинами составляет величину не менее чем два диаметра основания шарового сегмента. Кроме того, настоящий приемник может быть использован для измерения отраженной Солнечной радиации от Земли. Для этого его достаточно разместить параллельно Земле вершинами вниз.