356_p489_C2_2933

Таким образом, эта помеха может значительно превосходить измеряемый эффект. Поэтому необходимо либо измерять и учитывать скорость ветра, либо применять схемы, позволяющие скомпенсировать это влияние. По схеме и принципу действия акустические термометры очень сходны с акустическими анемометрами, которые нашли гораздо большее распространение. Здесь мы очень кратко рассмотрим только основной принцип, который может быть положен в основу таких приборов. Для измерения температуры используются исключительно двухканальные (балансные) системы, в которых сигнал распространяется в двух противоположных направлениях для исключения скорости ветра.

Подводя итог, можно сделать следующие выводы относительно акустического метода измерения температуры воздуха.

1.Зависимости, реализуемые акустическим методом, во всех случаях нелинейные.

2.Влияние влажности воздуха приводит к методической погрешности, весьма малой при отрицательных температурах, но заметно возрастающей при положительных температурах и большой влажности.

3.При измерении в атмосфере сильное мешающее влияние оказывает ветер. В этих условиях возможны только балансные способы измерения.

Всилу отмеченных и некоторых других недостатков акустический метод пока не нашел скольконибудь заметного применения. Вместе с тем необходимо отметить и некоторые положительные свойства метода: возможность построения малоинерционных приборов и простоту получения частоты или промежутка времени в качестве выходного параметра. И то и другое может иметь существенное значение, например, при пульсационных измерениях (малоинерционность) или при дистанционной передаче результатов (частотный или временной выход).

Отличительной особенностью акустического метода, является возможность измерять осредненную температуру большого слоя воздуха, если излучатели и приемники акустических колебаний разнесены достаточно далеко.

21

2.7. Конденсаторные (ёмкостные, термоконденсаторы) термометры

Диэлектрическая проницаемость, подобно сопротивлению, изменяется в зависимости от температуры. Это изменение особенно велико у керамических веществ (достигает 0,2 % на 1 °С). Емкостные керамические термометры изготавливаются в виде тонких пластинок, имеющих с обеих сторон металлическую обкладку и образующих, таким образом, конденсатор (термоконденсатор). В керамических конденсаторах в качестве диэлектрика применяются главным образом окислы титана, бария и стронция. Для устранения влияния влажности на ёмкость конденсатора он покрывается тонким слоем лака. Термоконденсаторы в принципе могут использоваться для радиозондовых измерениях. Если термоконденсатор включен в контур радиопередатчика, устойчивого в отношении изменения температуры, то частота передатчика будет изменяться только в зависимости от изменения температуры термоконденсатора. Так, например, если термоконденсатор емкостью 40 пкФ включен в колебательный контур передатчика, работающего на частоте 30 МГц, то изменение температуры на 1 °С вызывает изменение частоты примерно на 0,1 %, т. е. на 30 кГц. Абсолютная точность измерения зависит от того, в какой мере можно исключить влияние температуры окружающей среды и падение напряжения батарей, питающих радиопередатчик.

Керамические термоконденсаторы имеют ряд преимуществ по сравнению с биметаллами. Они обладают большей стабильностью, легко могут быть защищены от внешних влияний, в частности от коррозии. Малые размеры и относительно большая поверхность термоконденсаторов позволяют создать малоинерционные датчики температуры.

2.8. Радиационные термометры

Радиационные термометры основаны на законах температурного излучения, основным условием которого является следующее: энергия, излучаемая исследуемым телом, должна полностью заимствоваться из теплового запаса этого тела, а лучистая энергия, поглощенная телом, должна полностью превращаться в теплоту. Если убыль теплового запаса излучающего тела не восполняется, то его температура понижается. Постоянство температуры наблюдается в тех случаях, когда энергия излучения точности равна притоку тепла либо за счет теплообмена с окружающей средой, либо за счёт каких-либо реакций внутри тела, связанных с выделением тепловой энергии.

Основным законом теплового излучения является закон М. Планка:

где Еλ – излучающая способность при температуре Т; Ссв – скорость света; k – постоянная Больцмана; h

– постоянная Планка; λ – длина волны излучения. Излучающая способность Еλ убывает с понижением температуры для любых значений λ. Экстремум функции зависит от температуры (рис. 9). С понижением температуры уменьшается энергия излучения, и излучение становится более длинноволновым. Из рисунка также видно, что площадь под кривой с большей температурой больше.

22

Рис. 9. Спектральное распределение Е абсолютно чёрного тела при различных температурах

Закон Планка был выведен позднее Закона Стефана–Больцмана и закона Вина. Если уравнение (19) проинтегрировать, то получим закон Стефана–Больцмана, а дифференцирование даст закон Вина.

Первый читается так: полное (интегральное) излучение абсолютно черного тела прямо про-

порционально четвертой степени абсолютной температуры.

Закон Вина (ещё его называют закон смещения Вина): для абсолютно черного тела произведение

абсолютной температуры на длину волны максимального излучения есть величина постоянная.

И соответственно аналитические выражения этих законов:

где σ – постоянная Стефана–Больцмана.

В соответствии с приведенными выше законами для объектов измерения, которые с достаточным приближением могут считаться абсолютно черными телами, можно построить три типа радиационных термометров.

1. Можно измерять энергию определенной длины волны или узкого диапазона волн, идущих от исследуемого объекта и по величине энергии судить о температуре объекта измерения (монохроматические радиационные термометры).

2. Можно измерять суммарное излучение и находить температуру объекта как

(радиационные термометры интегрального излучения).

3. Можно, наконец, выполняя измерение для различных длин волн, строить кривую зависимости излучательной способности от длины волны и, сняв с нее λмакс, определять температуру объекта как:

Термометры максимального излучения называют также цветовыми. Это связано с тем, что смещение максимума равнозначно изменению спектрального состава излучения и при высоких температурах вызывает заметное изменение цвета.

Необходимо принять во внимание условия прохождения радиационными потоками пути между объектом измерения и термометром, факторы, искажающие результаты измерений, свойства приемников радиации (чувствительных элементов), свойства электроизмерительных схем, необходимых для построения прибора, и т. д.

Плотность радиационных потоков при прохождении между объектом измерения и термометром уменьшается в результате поглощения и рассеяния. Основными поглотителями радиации, содержащимися в воздухе при обычных условиях, являются водяной пар; углекислота и озон. Поглощение радиации этими составными частями воздуха имеет существенно селективный характер; некоторые длины волн совершенно не поглощаются, в то время как другие сильно поглощаются даже при незначительном содержании примесей. Интенсивность рассеяния радиационных потоков существенно зависит от соотношения между длиной волны радиационного потока и размером рассеивающих частиц. Селективность поглощения радиации в воздухе заставляет отдавать преимущество термометрам монохроматического излучения с такими длинами волн, которые не поглощаются составными частями воздуха. Эффект рассеяния заставляет стремиться к применению более длинных волн. Однако фотоэлементы обычно чувствительны к более коротким волнам. Неселективные же приемники обладают сравнительно небольшой чувствительностью.

Таким образом, при выборе вида радиационного термометра и его параметров встречаются с рядом противоречивых требований, которые приходится учитывать при конструировании радиационных

23

термометров. Приемники радиационных термометров предназначены для измерения температуры поверхности объектов, максимум излучения которых, как правило, лежит в инфракрасной области. В связи с этим приемники радиационных термометров должны быть достаточно чувствительными к инфракрасным лучам.

Приемники инфракрасной радиации могут быть разделены на две группы: селективные, чувствительность которых существенно зависит от длины волны радиации, и неселективные, одинаково поглощающие волны всех длин в данном участке спектра. Обычно для исключения селективности применяют покрытия приемников, приближающие их по радиационным свойствам в заданном участке спектра к абсолютно черным телам. Такие покрытия получают, например, путем осаждения при испарении в вакууме сплава олова и сурьмы или путем химического осаждения платиновой черни. В качестве селективных приемников применяются главным образом фотоэлектрические преобразователи, в частности полупроводниковые фотосопротивления. Выбор типа фотоэлектрических преобразователей, предназначенных для использования в радиационных термометрах, как правило, обусловливается положением красной границы спектральной чувствительности.

В качестве неселективных приемников радиации могут быть применены термоэлектрические преобразователи, термосопротивления, в частности, в режиме сверхпроводимости, газовые термометры, оптико-акустические и др.

Радиационные термометры, в которых приемниками радиации служат термосопротивления, принято называть болометрами. Металлические термосопротивления, применяющиеся в болометрах, могут изготавливаться из пластин золота, никеля и т. д. Болометры с полупроводниковыми термосопротивлениями обладают высокой чувствительностью. Наибольшей чувствительностью и одновременно наименьшей инерцией обладают полупроводники в состоянии сверхпроводимости. Весьма ответственной деталью радиационных термометров являются оптические фильтры. Они должны пропускать радиацию рабочего диапазона длин волн и в то же время ограждать приемники радиации от действия факторов, которые могут оказать искажающее влияние на результаты измерений. Приемники радиационных термометров помещают обычно в трубу, вырезающую системой диафрагм определенный телесный угол. Чтобы колебания температуры воздуха меньше сказывались на приемнике, его защищают массивным корпусом. Так как практически все приемники радиации в той или иной степени реагируют на изменение температуры окружающей среды, обычно в радиационных термометрах предусматривается либо термостатирование, либо температурная компенсация. В последнем случае рядом с приемником радиации помещают такой же приемник, защищенный от действия радиации и являющийся температурным компенсатором; электрическую схему собирают таким образом, чтобы реакция оконечного прибора определялась разностью реакций радиационного приемника и температурного компенсатора.

2.9. Микроволновые радиометры

Всякое тело, температура которого отлична от абсолютного нуля, излучает электромагнитные волны в широком диапазоне частот. Источником такого излучения является тепловое движение электронов, находящихся внутри тела. Суммарная мощность (Вт/м2), излучаемая телом во всём диапазоне частот с единичной площадки в единицу времени, определяется формулой:

где Р – полная мощность, излучаемая нагретым телом во всём диапазоне частот; s – поверхность тела; φ – угол между направлением излучения и нормально к элементу ds.

Радиометр представляет собой высокочувствительный радиоприёмник микроволнового диапазона, имеющий остронаправленную антенну и оконечное устройство. Основным специфическим устройством радиометра является приёмное устройство. Это обусловлено тем, что мощность радиотеплового сигнала очень мала и ниже собственных шумов радиоприёмника. Поэтому чтобы регистрировать радиотепловое излучение, используют специальные устройства детектирования (накопители, квадратичные детекторы и др.).

Обычно при измерении используется излучение атмосферного кислорода на длине волны 0,5 см. При помощи современных отечественных приборов МТП-5 возможно температурное дистанционное зондирование атмосферы в радиусе до 600 м с точностью до 0,5 °С. Главное преимущество этого прибора – непрерывная регистрация вертикального профиля температуры, что важно при изучении задерживающих слоёв при обслуживании авиации и проблемах загрязнения атмосферы различными выбросами.

24

2.10. Измерение температуры с использованием оптических квантовых локаторов

Оптико-локационное измерение температуры атмосферы выполняется методом спонтаннокомбинационного аэрозольного и молекулярного рассеяния на молекулярном азоте или кислороде; методом сравнения интенсивностей двух линий вращательного спонтанно-комбинационного рассеяния. Метод спонтанно-комбинационного рассеяния на молекулярном азоте или кислороде состоит в том, что при измерении получают вертикальный профиль (концентрацию) молекулярного азота или кислорода. В нижней атмосфере относительное содержание азота и кислорода неизменно и расчётным путём получают значение температуры. Измерение температуры атмосферы основано на совместном решении двух уравнений оптической локации для аэрозольного и молекулярного рассеяния и спонтаннокомбинационного рассеяния. Недостатком метода является сложность аппаратурного комплекса и высокая стоимость информации, а преимуществом – возможность измерять кроме температуры и другие метеорологические элементы.

2.11.Расчет температуры по уравнениям статики

исостояния

Сущность косвенного метода (часто применяемого при ракетном зондировании) измерения температуры состоит в том, что температура рассчитывается по измеренному давлению. В области применимости законов газовой динамики справедливо уравнение состояния:

где Р – давление; N – количество частиц в единице объёма; k – постоянная Больцмана; Т – ионная температура, К.

Из соотношения (26) следует, что при известной концентрации частиц может быть рассчитана температура.

В принципе могут быть использованы и другие косвенные методы: по убыванию давления с высотой (интеграл основного уравнения статики):

где Р0 и Р1 – давление на нижнем z0 и верхнем z1 уровнях; Тm – средняя температура между уровнями.

Заключение

Температура воздуха – одна из самых важных метеорологических характеристик атмосферы. Однако для решения многих задач в метеорологии из-за указанных особенностей измерений и специфических ошибок различных методов приходится пользоваться не совсем объективными данными. Другие параметры атмосферы, например характеристики влажности, имеют ещё больше особенностей. Для решения разных метеорологических задач приходится использовать различные методы измерений, которые сопоставлять между собой можно с ограничениями. Это обусловлено как спецификой измерений в различных условиях, так и применяемыми методами и конкретными средствами измерений.

25

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Белинский В. А. Аэрология / В. А. Белинский, В. А. Побияхо. – Л. : Гидрометеоиздат, 1962. Брылев Г. Б. Радиолокационные характеристики облаков и осадков / Г. Б. Брылев, С. Б. Гашина,

Г. Л. Низдойминога. – Л. : Гидрометеоиздат, 1986.

Довиак Р. Доплеровские радиолокаторы и метеорологические наблюдения / Р. Довиак, Д. Зрнич. – Л. : Гидрометеоиздат, 1988.

Зайцева Н. А. Аэрология / Н. А. Зайцева. – Л. : Гидрометеоиздат,1990.

Захаров В. М. Лидары и исследование климата / В. М. Захаров, О. К. Костко, С. С. Хмелевцов. – Л. : Гидрометеоиздат, 1990.

Калиновский А. Б. Аэрология / А. Б. Калиновский, Н. З. Пинус. – Л. : Гидрометеоиздат, 1961. Качурин Л. Г. Методы метеорологических измерений / Л. Г. Качурин. – Л. : Гидрометеоиздат,

Молчанов П. А. Методы исследования свободной атмосферы / П. А. Молчанов. – М. ; Л.: Военмориздат, 1941.

Павлов Н. Ф. Аэрология, радиометеорология и техника безопасности / Н. Ф. Павлов. – Л. : Гидрометеоиздат, 1980.

Развитие радиозондирования в СССР. – Л. : Гидрометеоиздат, 1982.

26

Учебное издание

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В СВОБОДНОЙ АТМОСФЕРЕ

Составитель Шаманский Юрий Васильевич

Редактор М. А. Айзиман

Подписано в печать 30.09.2006. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Усл. печ. л. 0,8.

Уч.-изд. л. 0,5. Тираж 50 экз. Поз. 119.

РЕДАКЦИОННО-ИЗДАТЕЛЬСКИЙ ОТДЕЛ Иркутского государственного университета 664003, Иркутск, бульвар Гагарина, 36

27