Исследование инерции и чувствительности датчиков метеорологической измерительной техники
|
Введение 3
1 Погрешность, чувствительность и инерция прибора 6
2 Общие сведения об актинометрических измерениях 10
2.1 Приборы для измерения прямой солнечной радиации 15
2.2 Приборы для измерения суммарной, рассеянной и отраженной
солнечной радиации 18
2.3 Приборы для измерения радиационного баланса 21
3 Вывод рабочих формул для определения тепловой инерции и чувствительности балансомера в случае стационарного состояния системы 24
3.1 Анализ размерностей 30
4. Расчет чувствительности и инерции балансомера в зависимости от
различных параметров при стационарном состоянии системы 32
4.1 Определение коэффициента внутренней теплопроводности
балансомера 32
4.2 Определение ветрового множителя балансомера Фу 33
4.3Определение коэффициента конвективного теплообмена а 34
4.4 Расчет чувствительности балансомера в зависимости от скорости
ветра 36
4.5 Расчет коэффициента тепловой инерции балансомера в зависимости
от скорости ветра 39
4.6 Расчет временного хода разности температур пластин балансомера
при разных значениях скорости ветра 42
4.7 Расчет чувствительности и коэффициента инерции балансомера при
разных значениях толщины балансомера 44
4.8 Расчет чувствительности и коэффициента инерции балансомера при
применении разных материалов для брусков балансомера 44
5. Вывод рабочих формул для расчета тепловой инерции и
чувствительности балансомера для случая нестационарного состояния 47
5.1 Исследование чувствительности балансомера при нестационарном
состоянии системы 54
5.2 Исследование инерционной погрешности балансомера 55
6. Вывод рабочих формул для расчета тепловой инерции актинометра 59
6.1 Анализ размерностей 65
Заключение 67
Список использованных источников 70
1 Погрешность, чувствительность и инерция прибора 6
2 Общие сведения об актинометрических измерениях 10
2.1 Приборы для измерения прямой солнечной радиации 15
2.2 Приборы для измерения суммарной, рассеянной и отраженной
солнечной радиации 18
2.3 Приборы для измерения радиационного баланса 21
3 Вывод рабочих формул для определения тепловой инерции и чувствительности балансомера в случае стационарного состояния системы 24
3.1 Анализ размерностей 30
4. Расчет чувствительности и инерции балансомера в зависимости от
различных параметров при стационарном состоянии системы 32
4.1 Определение коэффициента внутренней теплопроводности
балансомера 32
4.2 Определение ветрового множителя балансомера Фу 33
4.3Определение коэффициента конвективного теплообмена а 34
4.4 Расчет чувствительности балансомера в зависимости от скорости
ветра 36
4.5 Расчет коэффициента тепловой инерции балансомера в зависимости
от скорости ветра 39
4.6 Расчет временного хода разности температур пластин балансомера
при разных значениях скорости ветра 42
4.7 Расчет чувствительности и коэффициента инерции балансомера при
разных значениях толщины балансомера 44
4.8 Расчет чувствительности и коэффициента инерции балансомера при
применении разных материалов для брусков балансомера 44
5. Вывод рабочих формул для расчета тепловой инерции и
чувствительности балансомера для случая нестационарного состояния 47
5.1 Исследование чувствительности балансомера при нестационарном
состоянии системы 54
5.2 Исследование инерционной погрешности балансомера 55
6. Вывод рабочих формул для расчета тепловой инерции актинометра 59
6.1 Анализ размерностей 65
Заключение 67
Список использованных источников 70
Известно, что лучистая энергия является одним из основных видов энергии на планете Земля. Такая энергия имеет название солнечной радиации, и она непрерывно поступает от Солнца на поверхность Земли, принося тепло и свет, подпитывая все природные процессы и оказывая влияние на обитателей планеты. Безусловно, она оказывает влияние также на метеорологические процессы и явления, возникающие и происходящие в атмосфере.
Солнечная радиация является основообразующим фактором для всех без исключения погодных процессов. С другой стороны, прогнозирование метеорологических условий и величин имеет большое значение, поскольку переизбыток солнечной радиации, как и ее недостаток, может негативно сказываться на нормальной жизнедеятельности человека, а также представителей флоры и фауны. При увеличении или уменьшении количества радиации наблюдется ухудшение экологической обстановки - например, опустынивание местности вследствие губительного воздействия излучения, таяние вечной мерзлоты, миграции популяций насекомых и т. д. Кроме того, весь спектр солнечной радиации включен в перечень факторов, канцерогенных для человека. Таким образом, производство измерений параметров солнечной радиации является первостепенной задачей метеорологического мониторинга, что подтверждается вышеизложенными фактами.
Для изучения и контроля радиационного режима на сети метеорологических станций ежедневно с помощью приборов производят актинометрические наблюдения. Получаемая информация должна быть максимально точной. Согласно «Наставлению гидрометеорологическим станциям и постам» [1] для измерений должны использоваться только приборы, которые рекомендованы для сети Государственной системы наблюдений и контроля природной среды, и соответствуют виду измерений.
К каждому прибору обязательно должен прилагаться паспорт, в котором указаны технические характеристики прибора, и свидетельство о пригодности прибора для производства соответствующих измерений.
Однако, известно, что все приборы производят измерение метеорологических величин с ошибкой, называемой погрешностью прибора. Эта ошибка неизбежна, поскольку каждый прибор состоит из отдельных элементов, преобразующих измеряемую величину в различные сигналы, воспринимаемые человеком или специальной аппаратурой. В результате таких преобразований точность значения величины, получаемой на выходе, существенно снижается, т. к. возрастает погрешность измерений. Понятие величины погрешностей прибора тесно связано с понятием чувствительности прибора.
Целью данной магистерской работы является исследование чувствительности и инерционной погрешности метеорологических приборов для измерения прямой солнечной радиации и радиационного баланса - актинометра и балансомера соответственно, с целью увеличения точности измерений путем модернизации прибора и использования методики цифровой обработки сигнала, поступающего с прибора.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
1. Вывод уравнения, описывающего зависимость выходного тока балансомера от радиационного баланса и от времени, прошедшего с момента открытия балансомера.
2. Определить понятие коэффициента тепловой инерции балансомера и выяснить его зависимость от различных параметров.
3. Рассчитать значения чувствительности и коэффициента тепловой инерции балансомера в зависимости от скорости ветра.
4. Рассчитать временной ход разности температур между пластинами балансомера с целью определить минимальное время для начала измерений.
5. При разных гипотетических значениях толщины балансомера и разных материалов брусков балансомера рассчитать значения чувствительности и коэффициента тепловой инерции.
6. Вывод уравнения, описывающего зависимость выходного тока актинометра от прямой солнечной радиации.
7. Определить понятие коэффициента тепловой инерции актинометра и выяснить его зависимость от различных параметров.
8. Рассчитать значения коэффициента тепловой инерции актинометра.
9. Дать рекомендации по усовершенствованию конструкции датчиков приборов, а также предложить методику цифровой обработки сигнала приборов для устранения инерционной погрешности и увеличения чувствительности.
Актуальность данной работы заключается в том, что исследование инерции и чувствительности метеорологических приборов для измерения актинометрических величин открывает возможность существенно увеличить точность получаемой информации и, как следствие, улучшить качество метеорологических прогнозов.
Практическая значимость данного исследования состоит в возможности автоматизации процесса учета погрешности измерения при производстве наблюдений на метеорологических станциях.
Структура и объем работы
Магистерская диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованных источников, содержащего 11 наименований. Общий объем работы составляет 73 страницы.
Солнечная радиация является основообразующим фактором для всех без исключения погодных процессов. С другой стороны, прогнозирование метеорологических условий и величин имеет большое значение, поскольку переизбыток солнечной радиации, как и ее недостаток, может негативно сказываться на нормальной жизнедеятельности человека, а также представителей флоры и фауны. При увеличении или уменьшении количества радиации наблюдется ухудшение экологической обстановки - например, опустынивание местности вследствие губительного воздействия излучения, таяние вечной мерзлоты, миграции популяций насекомых и т. д. Кроме того, весь спектр солнечной радиации включен в перечень факторов, канцерогенных для человека. Таким образом, производство измерений параметров солнечной радиации является первостепенной задачей метеорологического мониторинга, что подтверждается вышеизложенными фактами.
Для изучения и контроля радиационного режима на сети метеорологических станций ежедневно с помощью приборов производят актинометрические наблюдения. Получаемая информация должна быть максимально точной. Согласно «Наставлению гидрометеорологическим станциям и постам» [1] для измерений должны использоваться только приборы, которые рекомендованы для сети Государственной системы наблюдений и контроля природной среды, и соответствуют виду измерений.
К каждому прибору обязательно должен прилагаться паспорт, в котором указаны технические характеристики прибора, и свидетельство о пригодности прибора для производства соответствующих измерений.
Однако, известно, что все приборы производят измерение метеорологических величин с ошибкой, называемой погрешностью прибора. Эта ошибка неизбежна, поскольку каждый прибор состоит из отдельных элементов, преобразующих измеряемую величину в различные сигналы, воспринимаемые человеком или специальной аппаратурой. В результате таких преобразований точность значения величины, получаемой на выходе, существенно снижается, т. к. возрастает погрешность измерений. Понятие величины погрешностей прибора тесно связано с понятием чувствительности прибора.
Целью данной магистерской работы является исследование чувствительности и инерционной погрешности метеорологических приборов для измерения прямой солнечной радиации и радиационного баланса - актинометра и балансомера соответственно, с целью увеличения точности измерений путем модернизации прибора и использования методики цифровой обработки сигнала, поступающего с прибора.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
1. Вывод уравнения, описывающего зависимость выходного тока балансомера от радиационного баланса и от времени, прошедшего с момента открытия балансомера.
2. Определить понятие коэффициента тепловой инерции балансомера и выяснить его зависимость от различных параметров.
3. Рассчитать значения чувствительности и коэффициента тепловой инерции балансомера в зависимости от скорости ветра.
4. Рассчитать временной ход разности температур между пластинами балансомера с целью определить минимальное время для начала измерений.
5. При разных гипотетических значениях толщины балансомера и разных материалов брусков балансомера рассчитать значения чувствительности и коэффициента тепловой инерции.
6. Вывод уравнения, описывающего зависимость выходного тока актинометра от прямой солнечной радиации.
7. Определить понятие коэффициента тепловой инерции актинометра и выяснить его зависимость от различных параметров.
8. Рассчитать значения коэффициента тепловой инерции актинометра.
9. Дать рекомендации по усовершенствованию конструкции датчиков приборов, а также предложить методику цифровой обработки сигнала приборов для устранения инерционной погрешности и увеличения чувствительности.
Актуальность данной работы заключается в том, что исследование инерции и чувствительности метеорологических приборов для измерения актинометрических величин открывает возможность существенно увеличить точность получаемой информации и, как следствие, улучшить качество метеорологических прогнозов.
Практическая значимость данного исследования состоит в возможности автоматизации процесса учета погрешности измерения при производстве наблюдений на метеорологических станциях.
Структура и объем работы
Магистерская диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованных источников, содержащего 11 наименований. Общий объем работы составляет 73 страницы.
Проведенное исследование затрагивает очень актуальную и одну из важнейших тем не только в области метеорологии, но и во многих областях деятельности человека. Потребителями информации об актинометрических величинах является сельское хозяйство, поскольку от данных показателей зависят сроки высаживания различных видов сельскохозяйственных культур. Сведения об актинометрических величинах также важны для экономической и хозяйственной деятельности в полярных районах, поскольку солнечная радиация вызывает таяние льдов и вечной мерзлоты. В своевременном обеспечении сведениями о солнечной радиации нуждается также медицина и курортная индустрия, поскольку длительное (или недостаточное) нахождение человека под солнечным излучением пагубно сказывается на здоровье организма.
Для оперативного обеспечения всех отраслей народного хозяйства сведениями об актинометрических величинах необходимо достаточно точное и малоинерционное оборудование. Следовательно, приборы для измерения актинометрических величин должны обладать возможно больше чувствительностью и малой инерцией.
Поставленные исследовательские задачи выполнены в полном объеме:
- выведены формулы для расчета чувствительности и тепловой инерции балансомера и актинометра;
- даны рекомендации по уменьшению инерции балансомера и увеличению его чувствительности ;
- инерция актинометра оказалась столь малой, что ее можно не принимать во внимание при производстве измерений.
Результаты проделанной работы можно резюмировать в виде следующих выводов:
1. Выведено уравнение, описывающее связь между разностью температур пластин балансомера со временем как в случае стационарного состояния системы (при постоянном радиационном балансе), так и в случае нестационарного состояния системы (при линейно изменяющемся радиационном балансе).
2. Выведено уравнение, описывающее зависимость выходного тока балансомера от радиационного баланса и от времени с момента открытия балансомера.
3. Определено понятие коэффициента тепловой инерции балансомера как времени, в течение которого разность между максимальным и текущим значением показаний балансомера уменьшается в e раз.
4. Рассчитаны значения чувствительности балансомера стандартной толщины 3 мм в зависимости от скорости ветра. Замечено, что с увеличением скорости ветра чувствительность балансомера уменьшается.
5. Рассчитаны значения коэффициента инерции балансомера в зависимости от скорости ветра. Замечено, что с увеличением скорости ветра коэффициент инерции уменьшается.
6. Рассчитан временной ход разности температур между пластинами балансомера при разных значениях скорости ветра, причём данные графики позволяют определить минимальное время, прошедшее от момента открытия балансомера, до начала измерений, исходя из допустимой погрешности.
7. Рассчитаны значения чувствительности и коэффициента инерции балансомера при разных гипотетических значениях толщины балансомера. Установлено, что при увеличении толщины балансомера, его чувствительность практически не изменяется, а коэффициент инерции увеличивается пропорционально толщине.
8. Был произведён расчёт чувствительности и коэффициента инерции балансомера при разных материалах для брусков. Показано, что чувствительность практически не зависит от использованного материала, а коэффициент инерции изменяется. Наименьшим коэффициентам инерции из опробованных материалов обладает свинец, а наибольшим - чугун.
9. Было проведено сравнение данных о тепловой инерции балансомера, полученных путём расчёта при нулевой скорости ветра, с экспериментальными данными. Разница в результатах не превышает нескольких процентов, что свидетельствует о достаточно высокой степени надёжности полученных результатов.
10. Выведено уравнение, определяющее инерционную погрешность балансомера как разницу между истинным значением радиационного баланса и значением баланса, полученным по прибору.
11. Даны рекомендации по автоматизации процесса учета инерционной погрешности при производстве измерений.
12. Выведено уравнение, описывающее связь между разностью температур окружающего воздуха и серебряного диска актинометра со временем.
13. Определено понятие коэффициента тепловой инерции актинометра как времени, в течение которого разность между максимальной разностью температур диска актинометра и окружающей среды (медного кольца) и её текущим значением уменьшается в eраз.
14. Произведен расчет коэффициента тепловой инерции актинометра, замечено, что его значение достаточно мало, чтобы утверждать о наличии пренебрежимо малой инерционной погрешности прибора.
Полученные в результате исследования данные позволяют дать рекомендации для цифровой обработки сигналов, поступающих с чувствительного элемента прибора.
Для оперативного обеспечения всех отраслей народного хозяйства сведениями об актинометрических величинах необходимо достаточно точное и малоинерционное оборудование. Следовательно, приборы для измерения актинометрических величин должны обладать возможно больше чувствительностью и малой инерцией.
Поставленные исследовательские задачи выполнены в полном объеме:
- выведены формулы для расчета чувствительности и тепловой инерции балансомера и актинометра;
- даны рекомендации по уменьшению инерции балансомера и увеличению его чувствительности ;
- инерция актинометра оказалась столь малой, что ее можно не принимать во внимание при производстве измерений.
Результаты проделанной работы можно резюмировать в виде следующих выводов:
1. Выведено уравнение, описывающее связь между разностью температур пластин балансомера со временем как в случае стационарного состояния системы (при постоянном радиационном балансе), так и в случае нестационарного состояния системы (при линейно изменяющемся радиационном балансе).
2. Выведено уравнение, описывающее зависимость выходного тока балансомера от радиационного баланса и от времени с момента открытия балансомера.
3. Определено понятие коэффициента тепловой инерции балансомера как времени, в течение которого разность между максимальным и текущим значением показаний балансомера уменьшается в e раз.
4. Рассчитаны значения чувствительности балансомера стандартной толщины 3 мм в зависимости от скорости ветра. Замечено, что с увеличением скорости ветра чувствительность балансомера уменьшается.
5. Рассчитаны значения коэффициента инерции балансомера в зависимости от скорости ветра. Замечено, что с увеличением скорости ветра коэффициент инерции уменьшается.
6. Рассчитан временной ход разности температур между пластинами балансомера при разных значениях скорости ветра, причём данные графики позволяют определить минимальное время, прошедшее от момента открытия балансомера, до начала измерений, исходя из допустимой погрешности.
7. Рассчитаны значения чувствительности и коэффициента инерции балансомера при разных гипотетических значениях толщины балансомера. Установлено, что при увеличении толщины балансомера, его чувствительность практически не изменяется, а коэффициент инерции увеличивается пропорционально толщине.
8. Был произведён расчёт чувствительности и коэффициента инерции балансомера при разных материалах для брусков. Показано, что чувствительность практически не зависит от использованного материала, а коэффициент инерции изменяется. Наименьшим коэффициентам инерции из опробованных материалов обладает свинец, а наибольшим - чугун.
9. Было проведено сравнение данных о тепловой инерции балансомера, полученных путём расчёта при нулевой скорости ветра, с экспериментальными данными. Разница в результатах не превышает нескольких процентов, что свидетельствует о достаточно высокой степени надёжности полученных результатов.
10. Выведено уравнение, определяющее инерционную погрешность балансомера как разницу между истинным значением радиационного баланса и значением баланса, полученным по прибору.
11. Даны рекомендации по автоматизации процесса учета инерционной погрешности при производстве измерений.
12. Выведено уравнение, описывающее связь между разностью температур окружающего воздуха и серебряного диска актинометра со временем.
13. Определено понятие коэффициента тепловой инерции актинометра как времени, в течение которого разность между максимальной разностью температур диска актинометра и окружающей среды (медного кольца) и её текущим значением уменьшается в eраз.
14. Произведен расчет коэффициента тепловой инерции актинометра, замечено, что его значение достаточно мало, чтобы утверждать о наличии пренебрежимо малой инерционной погрешности прибора.
Полученные в результате исследования данные позволяют дать рекомендации для цифровой обработки сигналов, поступающих с чувствительного элемента прибора.