一种测定大气辐照度的实验装置

　　0　引　　言

　　地表接收到的辐射能量主要是太阳发出的短波辐射(0.3—3.0μm)及大气发出的长波辐射(3.0—100μm)。大气层与地面间的辐射换热对于地球表面的能量收支平衡起着重要作用,大气辐射影响地球上的气候条件和人类的生存环境。

　　研究大气的光谱定向辐射特性是件复杂而困难的工作。在目前更为实用的则是直接测定大气总的辐射能量并由此确定天空温度,以满足气象、宇航、农业、太阳能利用以及建筑物采暖和空调的需要。由于太阳辐射和环境气流的影响,加上仪器自身的热辐射也处于被测的长波波段之内,使得大气辐照度测定精度比较低。

　　目前已商品化的大气辐照度测定仪是美国Eppley红外辐射表[1]。Cooper提出一个实验性的大气辐射测定装置[2]。为减少来自外部自然风的影响,特设计一风道,使由小风机鼓出的风在感受件系统周围形成一股温度为环境温度的稳定层流。在热平衡条件下,利用能量平衡方程式可求出大气辐照度。该装置的主要特点是对感受件提供一个稳定不变的对流换热系数。然而,要准确测定它却是困难的。此外,由风机供给的层流气流一般高于环境温度,这也会带来较大误差。

　　文献[3]报道了另外一种测量大气辐照度的实验装置。制作两块表面积相同,但发射率差异较大的感受件,当处于相同环境,受到相同大气辐射时,两感受件表面平衡温度必然各不相同。为了使两表面温度相同,可调节附着在感受件背面的电加热器。通过两感受件表面辐射性能的差异,两加热器的功率差以及感受件的平衡温度,可求得大气辐照度。作者利用一个黑体腔去校验自己装置的精度,发现其最大误差≤2.6%。

　　本文提出另一种测定大气辐照度的稳态卡计新模型,与[3]不同,它是采用两个完全相同的感受件,使其中一个通过5μm厚的聚乙烯薄膜而受到天空辐照,而另一个受到0.1mm厚的铝箔的屏蔽。利用感受件背面的电加热补偿,使它们表面温度相同,最后通过测定薄膜的红外透射率,补偿功率差及空气温度,可求得大气辐照度。用它同[3]进行对比测试,表明两者平均偏差≤4.2%。本装置的最大误差≤≤7%。

　　1　理论模型

　　2　实验装置及测量电路

　　2.1　装置结构尺寸及电路简图

　　如图2所示,感受件D1及D2均为半径15mm的圆盘形紫铜片,厚度0.5mm,其上表面氧化并涂黑,半球向常温发射率为0.81。在下表面中心点处,各点焊一对直径为0.06mm的NiSi-NiAl热电偶,以便监测感受件D1及D2的温度。此外在感受件背面用两面胶各粘上电加热器,电阻丝采用半径为0.05mm的镍铬丝,总电阻约为300Ω。