Приборы для измерения и методы оценки лучистой энергии

Совокупность измерения лучистой энергии получило название актинометрии (греч. aktis, aktinos – луч и metreö – измеряю). В основу методов измерения лучистой энергии положен принцип превращения одного вида энергии в другой. При поглощении лучистой энергии солнца зачерненной поверхностью какого-либо приемника происходит переход лучистой энергии в тепловую. Регистрируя выделяющееся при этом количество тепла или повышение температуры приемной поверхности прибора, можно измерить величину потока солнечной радиации или радиации от искусственного источника лучистой энергии, падающего на прямую поверхность. Подобного рода принципы измерения лучистой энергии положены в основу калориметрического метода. Явление фотоэффекта и фотохимические воздействия использованы в фотоэлектрических и фотографических методах измерения.

Величину лучистой энергии выражают в малых калориях, поглощаемых за 1 мин поверхностью в 1 см², расположенной перпендикулярно к направлению лучей источника радиации (кал/см²´мин).

При актинометрии применяются приборы, в которых поток лучистой энергии определяется разностью температур приемной поверхности и окружающей среды, которая измеряется величиной тока, возникающего в цепи последовательно соединенных термопар. Такого рода приборы являются относительными и нуждаются в градуировке путем сравнения их показаний с показаниями абсолютных приборов.

Все приборы, применяемые для измерения лучистой энергии, получили обобщенное названием актинометров, среди которых условно различают;

· пиргелиометры- приборы для измерения интенсивности прямой солнечной радиации;

· пиранометры– устройства для измерения рассеянной солнечной радиации;

· пиргеометры – устройства для измерения земного (ночного) излучения;

· альбедометры – устройства для измерения от земной поверхности солнечной радиации;

Устройства для измерения радиации искусственных источников (могут использоваться и для измерения солнечной радиации) называют актинометрами, то есть идентично обобщенному названию всей группы приборов для измерения лучистой энергии.

Приборы, применяемые при актинометрии разделяют на устройства для относительных и абсолютных измерений, которые конструктивно отличаются друг от друга. Абсолютные измерения позволяет осуществлять пиргелиометр (пиргелиометр Онгстрема)(рисунок 23).

Рис. 23. Пиргелиометр Онгстрема 1 – крышка трубы с щелевидными отверстиями; 2 – крючок щитка; 3 и 5 – целик и мушка; 4 – труба прибора; 6 – головка прибора; 7 – переключатель; 8, 9 и 10 – клеммы для подключения прибора к гальванометру и к цепи нагрева; 11 и 12 – винты для ориентировки прибора на Солнце

Рис. 24.Пиранометр Янишевского 1 – съемная плитка; 2 – стеклянная полусфера; 3 – колпак, используемый при определении места нуля; 4 – винт для направления пиранометра к солнцу; 5 – установочный винт; 6 – клемма для подключения стрелочного гальванометра; 7 – уровень; 8 – экран

Прибор состоит из двух трубок, одна из которых зачернена и открыта для прямой солнечной радиации, а другая закрыта. Обе трубки омываются водой. Для уравнивания температуры воды, вытекающей из двух камер, закрытая трубка обогревается током тем большей силы, чем сильнее нагрелась вода, проходящая через открытую для солнечной радиации трубку. Зная количество тепла, выделившегося в первой камере, и площадь приемного отверстия, рассчитывают интенсивность солнечной радиации в абсолютных величинах.

Пиранометр Янишевского. С помощью данного прибора можно измерить интенсивность суммарной и рассеянной солнечной радиации, а по их разности рассчитать интенсивность прямой солнечной радиации. Пиранометр Янишевского (рисунок 24) состоит из корпуса, представляющего цилиндр, на поверхности которого установлена термобатарея; треножной подставки, на которой укреплен корпус; из теневого экрана, служащего для защиты батареи от прямых солнечных лучей при определении рассеянной радиации, и полусферического стеклянного колпака, защищающего батарею от дождя, снега, ветра и т.д.

Действие прибора основано на измерении термоэлектрической электродвижущей силы, возникающей от разности нагрева термоэлементов, состоящих из двух зигзагообразно соединенных полосок манганина и константана. Периферийные спаи прикреплены к медному затененному от прямых солнечных лучей к кольцу, а центральные спаи прикреплены к центральному серебряному диску, зачерненному, подвергающемуся воздействию прямой солнечной радиации. Возникающий в результате разности нагрева термопары ток пропорционален разности температур центральных и периферических спаев, которая пропорциональна потоку радиации. Перед измерением солнечной радиации прибор должен принять температуру окружающего воздуха, для чего его помещают на место исследования за 10–15 минут до измерений. Затем при закрытом пиранометре устанавливают стрелку микрогальванометра с помощью корректирующего винта в нулевое положение.

Для измерения рассеянной радиации теневой экран с помощью шарнира укрепляют так, чтобы полностью закрыть тенью от экрана термобатарею. После экспозиции 15 с снимают показания по микрогальванометру. Определения повторяют еще два раза. Интенсивность рассеянной радиации рассчитывают по формуле:

где (11)

I_расс – интенсивность рассеянной радиации, кал/см²´мин;

К – переводной коэффициент (цена одного деления в кал/см²´мин);

n₁, n₂, n₃ – отсчеты, полученные на микрогальванометре (деления).

Затем экран убирают и определяют суммарную солнечную радиацию аналогичным образом. Величину суммарной радиации вычисляют по формуле:

где (12)

I_сумм – интенсивность суммарной солнечной радиации, кал/см²´мин;

К – переводной коэффициент (цена одного деления в кал/см²´мин);

n₄, n₅, n₆ – отсчеты, полученные на микрогальванометре при определении суммарной радиации (деления).

Величину прямой солнечной радиации вычисляют по формуле:

где (13)

I_прям – интенсивность прямой солнечной радиации.

Альбедометр Янишевского-Былова (походный альбедометр) (рисунок 25). Данный прибор создан для исследований в полевых и экспедиционных условиях и функционирует по принципу, описанному для пиранометра Янишевского. Возможности прибора достаточно широки. С его помощью за счет возможности направления термобатареи в нужную сторону можно измерять указанные выше виды радиации.

Рис. 25.Альбедометр Янишевского-Былова (походный альбедометр) 1 – головка с термобатареей; 2 – кардановый подвес; 3 – рукоятка; 4 – трубка

Рис. 26.Актинометр Михельсона

Актинометр Михельсона (рисунок 26). Воспринимающей частью прибора является биметаллическая пластинка, изготовленная из железа и инвара. Поскольку зачерненная железная сторона биметаллической пластинки нагревается и удлиняется, а инвар практически не нагревается и, следовательно, не происходит его удлинения, вся биметаллическая пластинка изгибается, выпячиваясь зачерненной стороной, причем радиус изгиба пропорционален температуре. Перемещение кварцевой нити, размещенной на краю пластинки, служит мерой интенсивности прямой солнечной радиации или радиации от искусственных источников. В настоящее время используется редко, только в специальных исследованиях.

Актинометр ЛИОТ–Н (рисунок 27).Данный прибор используется для измерения лучистой энергии в перегреваемых помещениях от нагревающих поверхностей. Принцип работы прибора идентичен таковому у пиранометра Янишевского. В качестве воспринимающего тепловую энергию устройства используют попеременно зачерченные и блестящие полоски алюминиевой фольги (термобатарея), к которым прикреплены спаи из полосок меди и константана, соединенных последовательно. Вследствие различной лучепоглощающей способности черных и блестящих спаев образуется термоэлектрический ток, регистрируемый с помощью гальванометра.

Рис. 27. Актинометр ЛИОТ-Н Слева – общий вид, справа – воспринимающее устройство (термобатарея)

Прибор представляет собой плоский цилиндр (реже выпускается прибор прямоугольной формы), закрепленный на ручке. На одной стороне цилиндра укреплен приемник с крышкой из нержавеющей стали, на другой – гальванометр. Шкала гальванометра разбита на деления от 0 до 20 кал/см2´мин, каждое деление соответствует 0,5 кал/см2´мин. Перед измерением тепловой радиации стрелку гальванометра устанавливают с помощью корректора в нулевое положение. При этом крышка приемника должна быть закрыта. Для измерения интенсивности теплового излучения открывают крышку приемника и находящийся в вертикальном положении приемник направляют в сторону источника излучения. Показания прибора отсчитывают через 3 с.

Следует иметь в виду, что крышка термобатареи служит не только для ее защиты, когда прибор не находится в работе, но и при измерении защищает кисти рук исследователя. Расстояние установки приемника от источника теплового излучения зависит от конкретных условий и задач исследования. Как правило, это расстояние имитирует расположение работающих в процессе выполнения трудовых операций от источника радиации.

Черный шаровой термометр (шар Вернона) (рисунок 28). Данный прибор представляет собой медный шар диаметром 15 см, имеющий черную матовую поверхность (покрыт пенополиуретом, имитирующим по свойствам кожу человека). В него вставляют обычный термометр, у которого ртутный резервуар предварительно покрывают сажей. Прибор закрепляют на штативе. Поскольку при указанных условиях на показания термометра не будет действовать конвекционное тепло, скорость движения воздуха, а черная поверхность шара обусловливает поглощение лучистого тепла, то по показаниям данного прибора в сравнении с таковыми по обычному термометру, можно судить об интенсивности тепловой радиации и ее направленности, если температура шара выше конвекционной, то говорят о положительной тепловой радиации, если ниже – отрицательной. То есть, по показаниям черного шара (шаровой температуре) можно, в какой-то степени, судить о возможности теплоотдачи организмом человека путем радиации. В комплект прибора входит регулируемый по высоте штатив с удлинительными стержнями, что позволяет производить исследования на разной высоте.

Следует учитывать, что прибор имеет значительную инерцию (до 15 мин), следовательно, показания термометра снимаются не ранее этого срока.

Комплекс ТКА-ТВ + Черный шар (рисунок 29).На отдельном рисунке 30 представлен прибор ТКА- ТВ.Применяется для определения тепловой нагрузки среды (ТНС-индекса), температурного индекса WBGT и средней радиационной температуры. Шар надевается на зонд с датчиком температуры таким образом, чтобы датчик располагался приблизительно в центре сферы. Для зонда термогигрометра ТКА-ТВ шар снабжён встроенным ограничителем-втулкой. Производить измерения температуры внутри чёрного шара следует не ранее, чем через 15 минут после установки шара на измерительный зонд, т. е. по достижении теплового равновесия. Прибор предназначен также для измерения в помещениях параметров окружающей среды: освещенности в видимом диапазоне спектра, яркости ТВ-кинескопов, дисплейных экранов и самосветящихся протяженных объектов, температуры воздуха, относительной влажности воздуха.

Рис. 28.Шаровой термометр Вернона-Йокла (шар Вернона)

Рис. 29.Комплекс ТКА-ТВ + Черный шар

Рис. 30. Прибор ТКА-ТВ

Средняя радиационная температура (СРТ).Теплообмен между окружающими предметами, поверхностями и организмом человека осуществляется не только за счет радиации, но и за счет конвекционного тепла и подвижности воздуха. Поэтому для оценки тепловой нагрузки лучистым теплом с учетом данного фактора рассчитывают СРТ, по которой можно судить об общей интенсивности радиационного тепла.

Для определения СРТ можно использовать формулы, таблицы. Причем, для этой цели разными авторами предложены различные формулы, расчет по которым дает близкие показатели СРТ:

(формула В.В. Шиба) где (14)

(15)

(16)

(17)

(18)

СРТ – средняя радиационная температура, ^оС;

t – температура воздуха по сухому термометру, ^оС;

t – температура по шаровому термометру, ^оС;

V – скорость движения воздуха, м/с.

(19)

Вычисление средней радиационной температуры по таблицам В. В. Шиба. В приложении 3 представлены таблицы 1 и 2 для определения СРТ

Определение производят с помощью четырех последовательных действий:

— нахождение в таблице 1 приложения 3 вспомогательной величины А по скорости движения воздуха и разности между величинами температур по шаровому и сухому термометрам Dt = t_ш— t; в таблице 1 приложения 3 по горизонтали приведены величины Dt = t_ш— t, а по вертикали — величины V;

— нахождение в таблице 2 приложения 3 вспомогательной величины В по величине температуры черного шара t_ш; в таблице по вертикали нанесены целые величины t_ш, а по горизонтали десятые доли градуса;

— вычисление вспомогательной величины С, равной: С = А + В;

— в таблице 2 приложения 3 по вспомогательной величине С находят среднюю радиационную температуру, обратным действием на вертикальной шкале отыскивают величину СРТ, а на верхней горизонтальной — десятые доли градуса.

Пример. Dt = t_ш— t= 17,1 — 10,3 = 6,8°, а V = 0,5 м/с.

По таблице 1 приложения 3 подвижности воздуха, равной 0,5 м/сек, и Dt = 6° соответствует А= 11,02, a Dt = 7° — 12,85.

Интерполируем, чтобы получить А, соответствующее Dt = 6,8:

А = 11,02 + (12,85-11,02)×0,8= 12,48.

По таблице 2 приложения 3 температуре шара 17,1° соответствует величина В,равная 74,35.

Вычисление величины С дает следующий результат:

С = А + В = 12,46 + 74,35 = 86,83.

По данным таблице 2 приложения 3 этой величине в вертикальной колонке соответствует величина 28, а в горизонтальной 6. Следовательно, средняя радиационная температура в этих условиях составляет 28,6°.

Однако эти способы громоздки и не нашли распространения в практике гигиенических исследований. Широко применяется достаточно простой, удобный, экспрессный метод определения СРТ с помощью номограммы (рисунок 31). Номограмма состоит из четырех вертикальных шкал: на первой представлены величины разностей температур по шаровому и сухому термометру, вторая шкала является вспомогательной (вертикальная линия без каких-либо обозначений), третья – для получения величины СРТ и четвертая – величин шаровой температуры. Кроме того, между первой и второй вертикальными шкалами имеется одна горизонтальная шкала, на которой отложены значения скорости движения воздуха (ветра) в м/с.

Например, при определении СРТ в учебной аудитории кафедры гигиены были получены следующие исходные показатели микроклимата: температура по сухому термометру аспирационного психрометра составила 19°С, шаровая температура 23°С, скорость движения воздуха, определенная с помощью шарового кататермометра составила – 0,2 м/с.

Находим значение t_w – t, которое в данном случае равно +4° (23 – 19). Отмечаем найденную величину на первой вертикальной шкале. Далее, на горизонтальной шкале находим отметку, соответствующую скорости движения воздуха 0,2 м/с. Из точки, соответствующей на левой вертикальной шкале +4° проводим линию через точку на горизонтальной шкале, соответствующую скорости движения воздуха 0,2 м/с, до пересечения ее со вспомогательной вертикальной шкалой, на которой отмечаем точку пересечения с четвертой вертикальной шкалой, в точке, соответствующей шаровой температуре +23°. На третьей вертикальной шкале точке пересечения данной линии будет соответствовать СРТ в ^оСРТ или средняя интенсивность излучения в помещении. СРТ в данном примере равна 26° или средняя интенсивность излучения – 660 кал/см² ´ мин.

По полученным результатам можно сделать вывод, что имеет место значительная тепловая нагрузка на организм за счет лучистой энергии, так как СРТ на достаточно большую величину превышает конвекционную температуру воздуха в аудитории.

Рис. 31. Номограмма для определения средней радиационной температуры (СРТ)

(t_ш-t_в) – разница температур по шаровому и обычному термометру;

v – скорость движения воздуха, м/с;

t_ш – температура по шаровому термометру;

Т_р – средняя радиационная температура;

Е – средняя интенсивность излучения.

Расчет излучаемого тепла от тел (поверхностей).В соответствии с законом Стефана-Больцмана все тела излучают тепло, рассчитываемое по формуле:

Q = C × Е × T⁴, где (20)

Q – интенсивность тепловой радиации, кал/см²×мин;

С – коэффициент лучеиспускания, равный 0,825×10^-10;

Е – величина, характеризующая степень черноты тела (находится по таблице Х);

Т – температура поверхности тела в градусах Кельвина (273+t^оС).

Избыточная радиация, направленная от одного предмета к другому определяется по формуле:

где (21)

DQ – тепловая энергия, получаемая предметом с более низкой температурой, кал/см²×мин;

С – коэффициент лучеиспускания, равный 0,825×10^-10;

Е – величина, характеризующая степень черноты тела (находится по таблице 15);

Т и Т₁ – температура поверхностей предметов, обменивающихся тепловым излучением,

^о Кельвина.

Таблица 15