RU2469282C1 - Bolometric-type actinometric receiver - Google Patents
Bolometric-type actinometric receiver Download PDFInfo
- Publication number
- RU2469282C1 RU2469282C1 RU2011122464/28A RU2011122464A RU2469282C1 RU 2469282 C1 RU2469282 C1 RU 2469282C1 RU 2011122464/28 A RU2011122464/28 A RU 2011122464/28A RU 2011122464 A RU2011122464 A RU 2011122464A RU 2469282 C1 RU2469282 C1 RU 2469282C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- elements
- receiver
- dielectric substrate
- bolometric
- spherical segment
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к актинометрии и может использоваться в качестве элементной базы в устройствах для проведения измерений солнечной радиации.The invention relates to actinometry and can be used as an elemental base in devices for measuring solar radiation.
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, МПК7 G01W 1/12, опубл. 20.07.2002 г.).A self-contained actinometer is known in which the solar radiation receiver is two thermocouples in the form of springs made of an alloy with a shape memory effect. One of them is open to sunlight, the other is in the shade. In this case, both are kinematically connected with each other and the axis of rotation, on which the writing element is fixed. A temperature difference occurs between the shaded and the lighted elements, which, due to the shape memory effect, leads to a corresponding deformation of the elements, which is converted into a movement of the writing element that records the time course of solar radiation (RF Patent No. 2185643, IPC 7 G01W 1/12, published on 20.07 .2002).
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.The disadvantage of the receiver of this device is that the signal it generates in the form of mechanical movement requires an appropriate mechanical recording system. The presence of moving parts of the device is associated with uncontrolled factors in the form of friction, backlash, etc., which leads to systematic measurement errors.
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, МПК6 G01W 1/12, опубл. 16.09.1996 г.).The closest device of the same purpose to the claimed invention in terms of essential features is an actinometric bolometric type detector used in a solar radiation meter (RF, Utility Model Certificate No. 2877, IPC 6 G01W 1/12, publ. September 16, 1996).
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.The receiver contains the main and additional bolometric elements placed in a housing with an aperture tube, periodically closed by a shutter. The main element with an open curtain is exposed to direct sunlight, while the additional element is protected from the effects of solar radiation by a protective screen. Absorption of solar radiation by the main element leads to an increase in its temperature and a subsequent increase in electrical resistance, insufficient for balancing the transformer bridge, and self-oscillations of frequency appear in it due to the strip amplifier of positive feedback. As a result, a signal appears at the output of the indicator, which leads through the control and compensation unit and a resistor to heat the main bolometric element until the bridge is balanced and there is no signal at the output of the indicator that causes the shutter to close through the control and compensation unit, termination of the effect of solar radiation on the main element and unbalance bridge with the appearance of a signal at the indicator output. Under the influence of this signal, the control and compensation unit transfers the reading device to its initial state. A signal is received through the resistor to the main element, which leads to additional heating when the balance of the bridge is reached, power equal to the power of solar radiation counted by the reading device. For subsequent measurements, the curtain opens and the cycle is repeated.
Основным недостатком известного приемника является низкая чувствительность, обусловленная свойствами материала, используемого для изготовления его болометрических элементов, имеющего небольшой коэффициент температурной зависимости электросопротивления.The main disadvantage of the known receiver is the low sensitivity due to the properties of the material used for the manufacture of its bolometric elements, having a small coefficient of temperature dependence of electrical resistance.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышение чувствительности приемника.The problem to which the invention is directed, is to increase the sensitivity of the receiver.
Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемый актинометрический приемник болометрического типа, так же как и прототип, содержит основной и дополнительный болометрические элементы.The specified technical result is achieved in that the proposed actinometric receiver of the bolometric type, as well as the prototype, contains the main and additional bolometric elements.
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.Unlike the known receiver, both bolometric elements are located on a common dielectric substrate with a low coefficient of thermal conductivity and have the same shape as a hollow spherical segment, made of an alloy with a shape memory effect that undergoes martensitic transformation in a given measurement temperature range, while the main element is blackened, while the additional one has a polished surface, the sectional planes of the ball forming hollow spherical segments are parallel to the plane of the dielectric substrate, convex I portion (vertex) of the elements facing towards the zenith, and the line connecting the tips of the elements oriented along the north-south direction, the distance between the peaks is a value of no less than twice the diameter of the spherical segment base.
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 10,3×10-3 K-1. Для сравнения, температурные коэффициенты сопротивления металлов, используемых в приемниках болометрического типа, таких как платина и никель, равны 3,9×10-3 K1 и 6,8×10-3 K-1 соответственно. Вместе с тем металл с эффектом памяти формы наряду с небольшой плотностью и удельной теплоемкостью обладает высоким удельным электрическим сопротивлением - 1,1×10-6 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.The proposed actinometric receiver allows you to increase sensitivity due to the manufacture of bolometric elements from metal with the shape memory effect. As is known, one of the parameters determining the sensitivity of bolometric-type receivers is the temperature coefficient of electrical resistance. According to the literature data for metals with the shape memory effect in the martensitic transformation region, this coefficient can reach 10.3 × 10 -3 K -1 . For comparison, the temperature coefficients of resistance of metals used in bolometric-type receivers, such as platinum and nickel, are 3.9 × 10 -3 K 1 and 6.8 × 10 -3 K -1, respectively. At the same time, a metal with a shape memory effect, along with a low density and specific heat, has a high electrical resistivity of 1.1 × 10 -6 Ohm • m, which is an order of magnitude greater than that of platinum and nickel. For example, the change in electrical resistance of a metal film 1 mm × 1 mm in size and 1 μm thick when its temperature changes by 10 ° C for an alloy of titanium nickelide, platinum and nickel is 57200, 4120 and 5916 μOhm, respectively [Belyaev SP, Volkov A.E., Konopleva R.F. et al. Effect of neutron irradiation on martensitic transformations // Solid State Physics. 1998. Vol. 40, No. 9. S.1705-1709 .; http://www.chem100.ru/table.php]. In this case, the energy consumption for heating the sample will be, respectively, 13 μJ (TiNi), 28.7 μJ (Pt) and 39.2 μJ (Ni). Thus, the sensitivity of the receiver from titanium nickelide, due to the combination of physical properties, is an order of magnitude higher than that of receivers made of platinum or nickel.
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.Figure 1 schematically shows the design of the actinometric receiver of the bolometric type, and figure 2 is its graphical model. It contains a main sensing element 1, an additional element 2, a dielectric substrate with a low coefficient of thermal conductivity 3 and conclusions 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.The receiver operates as follows. Solar radiation equally affects both elements 1 and 2. The main blackened element 1 absorbs most of the radiation, as a result of which its temperature rises in proportion to the power of the incident radiation. An additional polished element 2 reflects most of the solar radiation and its temperature is close to ambient temperature. Additional element 2 compensates for changes in environmental parameters that affect the measurement of solar radiation power. Substrate 3 serves as electrical and thermal insulation. With terminals 4, the receiver is connected to a measurement circuit. The bolometric elements 1 and 2 are made of an alloy undergoing martensitic transformation in a given measurement temperature range. During the transformation, the fraction of the new thermodynamic phase changes in proportion to the temperature. The process has athermal kinetics - when the temperature change stops, the change in the ratio of the fractions of the phases stops. The indicated transformation consists in the rearrangement of the crystal lattice with a decrease (increase) in the symmetry of the crystal, which leads to a change in the electron-phonon interaction in the system and, accordingly, to a change in the electrical resistance as a whole. The difference in the absorption of solar radiation by elements 1 and 2 leads to a different degree of heating and, consequently, to the appearance of a difference in electrical resistance between them. The inequality of the electrical resistance is fixed using a known electrical circuit that generates a signal to supply power to heat the element 2 until the equality of the electrical resistance of the elements. A measure of the required power of solar radiation is the power supplied to align the values of electrical resistance.
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.The elements are made in the form of a hollow spherical segment, which makes it possible to measure the power of solar radiation at a zero angle of sunlight relative to the horizon, while the cross-sectional area of the illuminated surface of the element will be non-zero and depend on the height of the segment. The mutual spatial arrangement of elements 1 and 2 eliminates the influence of their shadows on each other caused by direct sunlight. This is achieved by the fact that the line connecting the vertices of the elements is oriented along the north-south direction, and the distance between the vertices is set equal to two diameters of the base of the spherical segment, which is acceptable from a practical constructive point of view and takes into account the value of the azimuthal angles of the winter and summer solstice over a large area of the Earth ball.
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.Thus, the claimed technical result is ensured by the fact that, unlike the prototype, in this receiver both bolometric elements are located on a common dielectric substrate with a low coefficient of thermal conductivity and have the same shape as a hollow spherical segment, made of an alloy with a shape memory effect undergoing martensitic transformation into a given measurement temperature range, while the main element is blackened, while the additional has a polished surface, the sectional planes of the ball forming hollow spherical segments parallel to the plane of the dielectric substrate, the convex part (top) of the elements faces the zenith, and the line connecting the vertices of the elements is oriented along the north-south direction, the distance between the vertices is at least two diameters of the base of the spherical segment. In addition, this receiver can be used to measure reflected solar radiation from the Earth. For this, it is enough to place it parallel to the Earth with its peaks down.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011122464/28A RU2469282C1 (en) | 2011-06-02 | 2011-06-02 | Bolometric-type actinometric receiver |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011122464/28A RU2469282C1 (en) | 2011-06-02 | 2011-06-02 | Bolometric-type actinometric receiver |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2469282C1 true RU2469282C1 (en) | 2012-12-10 |
Family
ID=49255815
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011122464/28A RU2469282C1 (en) | 2011-06-02 | 2011-06-02 | Bolometric-type actinometric receiver |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2469282C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU197051U1 (en) * | 2020-01-14 | 2020-03-26 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук | Device for monitoring solar radiation |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU62129A1 (en) * | 1940-04-16 | 1941-11-30 | Г.М. Кондратьев | Actinometer |
| RU2877U1 (en) * | 1995-07-04 | 1996-09-16 | Саратовский государственный университет им.Н.Г.Чернышевского | SOLAR RADIATION METER |
| RU2000102743A (en) * | 2000-02-03 | 2001-12-27 | Институт оптического мониторинга СО РАН | AUTONOMOUS ACTINOMETER |
| WO2009027459A2 (en) * | 2007-08-29 | 2009-03-05 | Behr-Hella Thermocontrol Gmbh | Solar sensor for the detection of the direction of incidence and the intensity of solar radiation |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2185643C2 (en) * | 2000-02-03 | 2002-07-20 | Институт оптического мониторинга СО РАН | Self-sufficient actinometer |
-
2011
- 2011-06-02 RU RU2011122464/28A patent/RU2469282C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU62129A1 (en) * | 1940-04-16 | 1941-11-30 | Г.М. Кондратьев | Actinometer |
| RU2877U1 (en) * | 1995-07-04 | 1996-09-16 | Саратовский государственный университет им.Н.Г.Чернышевского | SOLAR RADIATION METER |
| RU2000102743A (en) * | 2000-02-03 | 2001-12-27 | Институт оптического мониторинга СО РАН | AUTONOMOUS ACTINOMETER |
| WO2009027459A2 (en) * | 2007-08-29 | 2009-03-05 | Behr-Hella Thermocontrol Gmbh | Solar sensor for the detection of the direction of incidence and the intensity of solar radiation |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU197051U1 (en) * | 2020-01-14 | 2020-03-26 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения Российской академии наук | Device for monitoring solar radiation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Vignola et al. | Solar and infrared radiation measurements | |
| Negi et al. | Experimental investigation of a box type solar cooker employing a non-tracking concentrator | |
| Lobera et al. | Dynamic thermal model of solar PV systems under varying climatic conditions | |
| Levinson et al. | Methods and instrumentation to measure the effective solar reflectance of fluorescent cool surfaces | |
| Suomi et al. | An improved net-radiation instrument | |
| De Oliveira et al. | A new shadow-ring device for measuring diffuse solar radiation at the surface | |
| Boer et al. | Advances in Solar Energy: An Annual Review of Research and Development Volume 2 | |
| Driesse et al. | Indoor and outdoor evaluation of global irradiance sensors | |
| Ji et al. | A novel nonintrusive method to resolve the thermal dome effect of pyranometers: Instrumentation and observational basis | |
| RU2469282C1 (en) | Bolometric-type actinometric receiver | |
| Guild | Investigations in absolute radiometry | |
| CN109030375A (en) | It is a kind of for detecting the optics thermal detector of chiral molecules | |
| Suple et al. | Performance evaluation of parabolic solar disc for indoor cooking | |
| Lobo | An electrically compensated radiometer | |
| Ahn et al. | Establishment of a primary reference solar cell calibration technique in Korea: methods, results and comparison with WPVS qualified laboratories | |
| Suehrcke et al. | The dynamic response of instruments measuring instantaneous solar radiation | |
| Feierabend et al. | Bilateral comparison of irradiance scales between PMOD/WRC and PTB for longwave downward radiation measurements | |
| Anderson | The role of heat transfer in the design and performance of solarimeters | |
| Mokhtar et al. | A model for improved solar irradiation measurement at low flux | |
| Myers | Comparison of direct normal irradiance derived from silicon and thermopile global hemispherical radiation detectors | |
| Walter et al. | Spectrally integrated window transmittance measurements for a cryogenic solar absolute radiometer | |
| Sahu et al. | Design and development of concentrated solar cooker with parabolic dish concentrator | |
| Lysko | Measurement and models of solar irradiance | |
| Stebbins et al. | A Determination of the Moon's Light with a Selenium Photometer | |
| Faiman et al. | Accurate field calibration of pyranometers |