New method for calibration of pyranometers

Document Sample
New method for calibration of pyranometers Powered By Docstoc
					НОВЫЕ МЕТОДЫ КАЛИБРОВКИ ПИРАНОМЕТРОВ С ПОМОЩЬЮ
      ОПОРНЫХ ФОТОМЕТРИЧЕСКИХ КАНАЛОВ ИЗМЕРЕНИЯ


                   д.т.н. Асадов Х.Г., асп. Абдуллаева С.Н.


      При решении ряда метеорологических задач, связанных с излучением
Солнца широко используются пиранометры, пиргелиометры, а также
солнечные фотометры. В связи с этим возникает вопрос о метрологическом
обеспечении      этих    приборов,    в   частности   вопрос   их   калибрации.
Вышеназванные фотометрические приборы фактически имеют простую и
общеизвестную структуру, что позволяет выработать единые процедуры их
калибровки. Например, как отмечено в работе [1], спектрорадиометры,
используемые в NREL (Национальной Лаборатории Обновляемой Энергии
Министерства      Энергетики     США)      включают     в   себе    классические
сканирующие        решетчатые        монохроматоры     и    диодную     линейку
фотоприемников. Калибрация этих спектрорадиометров осуществляется по
стандартам      спектрального излучения       NIST (Национальный       Институт
Стандартов и Технологии США). NIST также снабжает разработчиков
галогеновой лампой накаливания с вольфрамовой спиралью мощностью 1000
Вт,   которая    имеет    табулированные     данные    спектральной    радиации
применительно к 30 длинам волн. Эта лампа калибрована при токе 8,2 А на
дистанции 500 мм. Указанный ток должен быть обеспечен с точностью
0,01 %. Типичная процедура калибровки состоит в регистрации выходных
сигналов спектрорадиометров, в том числе входной оптики монохроматора,
детекторов при подаче на вход спектрорадиометров излучения источника
калибровки на каждой длине волны. При этом также осуществляется
контроль длины волны и радиации излучателя, и далее сравниваются
результаты предыдущих и нынешней калибрации.
      Применительно к пиранометрам, состоящим из термопары и кварцевого
колпачка, пропускающего длины волн 295 – 2800 нм были исследованы
                                                                        2
такие факторы требующие особого учета как диффузная радиация, а также
факторы нестабильности – влияние температуры, зенитного угла Солнца,
аппаратурная    погрешность     регистратора,    ошибка     спектрального
несоответствия условий калибрации и полевых условий, ошибка из-за
модельного учета влияния атмосферы (используется модель атмосферы
MODTRAN) и т.д.
    Как сообщается в работе [2] в результате проведения более точной
спецификации альбедо земной поверхности, а также оптических свойств
атмосферного    аэрозоля    можно   уменьшить    погрешность    измерения
пиранометрами солнечной радиации до 2 %. В то же время сообщается об
использовании модели переноса радиации SMARTS в которые вводятся
известные параметры аэрозоля, водных паров, озона, спектральное альбедо
земной поверхности и т.д.
    Согласно работе [3] изменения в солнечном спектре в течение дня
(эффект Форбса) с изменением зенитного угла Солнца влияет на результаты
измерений солнечной радиации с помощью пиранометра. Предлагается
вводить эмпирические коэффициенты коррекции, зависящие от зенитного
угла Солнца которые учитывают диффузную составляющую радиации и
изменения солнечного спектра в зависимости от зенитного угла.
    Как сообщается в работе [4], атмосферный аэрозоль является
существенным фактором влияющим на суммарную Солнечную радиацию,
достигающей Земли. Например, в регионе Индийского Океана в течение
февраля-марта влияние аэрозоля привело к нагреванию атмосферы на
величину 12 Вт/м2 (что составляет 15 % от суммарного нагрева атмосферы
Солнцем) и уменьшила нагрев водной поверхности на величину 16 Вт/м 2.
При этом сажа составляла всего 10 % суммарного атмосферного аэрозоля,
имея 50 %-ю долю в нагреве атмосферы из-за аэрозолей. Сообщается [4], что
для осуществления широкодиапазонной интеграции могут быть применены
две схемы: интеграция УФ и видимой области спектра с разрешением 5 нм и
разбиение   всего солнечного спектра (200-4000 нм) на 38 спектральных
                                                                                           3
участков для определения влияния аэрозолей на ослабление солнечной
радиации. В дальнейшем в данной работе будут рассмотрены                            вопросы
усовершенствования вышеуказанной первой схемы.
    Суммируя      вышесказанное,          можно        заключить,         что   основными
недостатками    существующих         методик          калибрации          пиранометров     и
пиргелиометров являются:
    1. Использование статистических моделей атмосферы, неучет реальной
динамики измерения атмосферного аэрозоля.
    2. Различия в спектральных параметрах при лабораторной калибрации и
калибрации в полевых условиях.
    Для устранения вышеуказанных недостатков в настоящей работе
предлагается метод дискретной калибрации с корректируемой фильтрацией
(ДККФ) в опорных фотометрических каналах.
    Суть предлагаемого метода заключается в следующем:
    1. На используемом спектральном диапазоне выбираются опорные
длины волн oni для опорных фотометрических измерений, при этом

возможны 2 варианта реализации: (i) с одной опорной длиной волны; (ii) – c
двумя опорными длинами волны oni .

    2. Осуществляется калибрация измерения на длинах волн oni ; методом

диаграмм Ленгли.
    3. Используемый диапазон спектральный волн разделяется на n полос в
которых    на   длинах    волн     n j     осуществляется              измерения   отклика

калибруемого пиранометра. Для этого используется соответствующие
узкополосные фильтры.
    4. Вычисляется функция преобразования
                                     
                               z  f I on j , I n j , k      ,                (1)

где I on j  - отклик пиранометра на излучение длиной волны on j ; I n j  -

отклик пиранометра на излучение длиной волны n j ; k - коэффициент
                                                                                               4
коррекции, зависящей от n j и on j , выбираемый из условия полной

компенсации аэрозольного фактора.
      5. Итогом калибрации является нахождение такого коэффициента
калибрации C при котором имеет место равенство
                                m             m
                                I nj   C j I n j 0
                               j 1           j 1
                                m                 m
                                I nj  C  I nj 0         ,
                               j 1               j 1
                                      m
                                       C j In j0
                                      j 1
                               C
                                           I nj 0
      m                                                                  m
где    I nj - суммарный выходной сигнал пиранометра;                     I nj 0 -   суммарный
      j 1                                                               j 1


выходной сигнал пиранометра в случае если эти пиранометры калиброваны
на верхней границе атмосферы.
      Подробно рассмотрим реализацию предлагаемого метода калибрации
при использовании одного опорного измерителя. На рис. 1 показана
структурная схема установки для калибрации УФ пиранометра, где цифрами
указаны: 1 – УФ источник излучения; 2 – шаговый двигатель револьвеного
механизма, где установлены интерференционные фильтры в количестве n
штук длины пропускания которых находятся                           в пределах m i n  m a x .

Считаем,     что    все   параметры          используемых         фильтров        известны     и
учитываются        соответствующим           образом.      Канал     опорного         измерения
пиранометра, в котором участвует фильтр F1 полностью откалиброван с
использованием метода диаграмм Ленгли [5]. Относительно порядка
применения метода диаграмм Ленгли следует отметить одну деталь.
Известно [5], что этот метод базируется на законе Бугера, который в общем
случае имеет следующий вид
                               I   I 0  e m атм   ,                          (2)
                                                                                                    5
где I   - интенсивность солнечного излучения на входе фотометра, т.е. на
уровне земли; I 0   - интенсивность Солнечного излучения на верхней
границе атмосферы; m - воздушная масса;  атм   - оптическая плотность
атмосферы.
    Хорошо       известно,     что      в    фотоприемниках                    выходной       сигнал
пропорционален интенсивности входного оптического потока, т.е.
                                Eф   k  I вх   ,                                      (3)

где Eф - выходной сигнал фотоприемника  B  ; k -коэффициент пропорцио-

нальности; I в х   - интенсивность света на входе фотоприемника (Вт/м 2).
    Учитывая (3) в (2) имеем
                                Eф    Eф0  
                                                        m атм  
                                                                       ,                      (4)

где Eф0   - выходной сигнал фотоприемника в том случае, если фотоприем-

ник размещен на верхней границе атмосферы.
    Как видно из вышеизложенного, выражения (2) и (4) эквивалентны,
однако, в первом случае используются входные параметры фотоприемника, а
во втором случае выходные. Однако любая процедура калибрации
фотометрических       устройств         всегда          предполагает                участие    здесь
фотоприемного      устройства     так       как    главный                 объект    калибрации     –
фотоприемник. Относительно фотоприемника разработчик может иметь
следующую информацию:
    1.     Известна   вся    информация            о      фотоприемнике,              относительно
характеристики вход-выход. В этом случае формально отпадает надобность в
экспериментальной калибровке, так как калибровка в принципе может быть
осуществлена расчетным путем.
    2. Известно только факт линейной зависимости Eф   и I в х   . При этом

значение     k   неизвестно.    В этом            случае используя                  выражение (4)
целесообразно построить диаграмму Ленгли, т.е. откалибровать фотометр в
обычном порядке.
                                                                                                                 6
    3. Нет никакой информации о взаимосвязи Eф   и I в х   , т.е. функция

                                            Eф   f I вх                                          (5)

неизвестна.
    В этом случае функцию (5) представим в виде
                Eф    f I вх0  f  I  I вх0  E0ф   f  I  I вх0                       (6)

    Если учесть (6) в (4) имеем
                                   E0ф   f   I  I в х0  E0ф   e  m атм   .             (7)

    Однако, при m  0 условие (7) может выполняться только при f   c o n s t
, противоречит исходной постановке задачи.
    Если имеет место представление
                                             Eф   f   I  I вх0  .                                (8)

    То с учетом (8) и (4) имеем
                                             f   f 0  em атм   .
    При m  0 имеем
                                             f   f 0 .                                                 (9)
    Выражение (9) верно только для случая Eф   k I   .

    Таким образом, подтверждается высказанное выше предположение о
том, что диаграммы Ленгли целесообразно строить в том случае если верно
выражение (3), причем величина k неизвестна.
    Возвратимся к задаче калибровки пиранометра с использованием одного
опорного измерителя. Для этого случая функцию преобразования запишем в
следующем виде
                                                            I n i 
                                                                     k  

                                                      z                      .                           (10)
                                                              I on 
    С учетом (2) и (10) имеем
        I 0 n i   e атм n i                  I 0 n i 
                   k    m      k                k  
                                                                      m   k   m атм on 
     z                    m атм on 
                                                                   e атм n i                        .   (11)
             I 0 on  e                          I 0 on 

    В выражении (11) примем
                                                                                                   7

                                                  атм on 
                                      k                   .                             (12)
                                                  атм ni 
       Приняв для видимой области спектра  атм on   аэр    имеем
                                                                   on


                                              
                                      k    on .
                                              
                                               ni


       С учетом (12) из выражения (11) получаем
                                      I 0 n i  z0  I 0 on  .                        (13)

       Таким образом, если известны z 0 , I on  и k   , то из выражения (10)
имеем
                                      I n i  k   z0  I on   C1  I 0 n i ,   (14)

                   I 0 n 
где C1  k                 .
                  I 0 0 n 
       Таким образом, полученное выражение (14) позволяет калибровать
пиранометр в видимой области света.
       Метод калибровки с двумя опорными каналами измерения следует
применить в том случае, если в спектральной области работы пиранометра
существуют два фактора, которых следует учесть. Например, в случае
калибровки УФ пиранометра следует учесть такие факторы как озон и
аэрозоль. Для этого случая функцию преобразования запишем в следующем
виде
                                           I k1 on1  I k2 on 2 
                                      z                                 ,                  (15)
                                                     I 3 
где k1 , k 2 - корректирующие функции опорных каналов на длинах волн 1 и
 2 ; I on1  и I on2 - опорные длины волн.

       Выражение (2) для УФ области имеет следующий вид
                                                 m     аэр  
                             I   I 0   e оз                      .                  (16)
       С учетом (16) из (15) имеем
                                                                                                                                                  8

     I 01 on1  I 0 2 on2 
       k             k
                                                                                                          
                                         m  оз on1 k1  оз on 2 k 2  оз 3   аэр on1 k1  аэр on 2 k 2   аэр 3    
z                                 e                                                                                                    . (17)
              I 0 3 
       Из выражения (17) коэффициенты k1 и k 2 вычислим на основе решения
системы уравнений
                                           k1 оз on1  k 2 оз on 2  оз 3 
                                           
                                           
                                           k1 аэр on1  k 2 аэр on 2  аэр 3 
                                                                                           .                                              (18)
                                           
       Легко показать, что коэффициенты k1 и k 2 являются функциями
on1 , on2 , 3 , но не функциями времени, т.е. являются статическими
функциями, которые могут быть вычислены заранее.
       Для этого достаточно представить оптические плотности в следующем
виде
                                                       оз       X ,                                                             (19)
где    - коэффициент поглощения озона; X - общее количество озона

                                                       аэр       ,                                                              (20)

где  коэффициент турбидности атмосферы;  - показатель Ангстрома.
       С учетом (19) и (20) система уравнений (18) может быть записано в
следующем виде
                                           k1  1  k 2  2  3 
                                                 on           on
                                                                      

                                           
                                           k1  on1  k 2  on 2   3 
                                                                                  .                                                       (21)
                                           
       Таким образом, решение системы (21) можно получить явные
выражения для k1 и k 2 .
                                                      k1 1 on1 , on 2 , 3 
                                                      k 2  2 on1 , on 2 , 3 
                                                                                               .                                          (22)

       С учетом (22) из (15) и (17) имеем
                                            I k1 on1  I k2 on2  I 01 on1  I 0 2 on2 
                                                                         k             k

                                                                                                  .                                      (23)
                                                     I 3                    I 0 3 
       Из выражения (23) имеем
                                                                                                9

                                               I k1 on1  I k2 on 2 
                        I 3   I 0 3 
                                               I 0k1 on1  I 0k2 on 2 
                                                                               .         (24)

     Обозначив
                               I k1 on1  I k2 on 2 
                        C2 
                               I 0k1 on1  I 0k2 on 2 
                                                               ,                         (25)

где C 2 - коэффициент калибрации выражение (24) запишем как
                                 I 3   C2  I 0 3  .                              (26)
     Таким образом, выражения (14) и (26) позволяют осуществить
калибровку соответственно пиранометров видимого и УФ диапазона.
     Сформулируем в качестве заключения основные выводы проведенного
исследования:
     1. Целесообразно осуществление раздельной калибровки пиранометров
в УФ и видимой области спектра, так как влияние атмосферы в указанных
областях существенно различно.
     2. Предложенный метод дискретной калибрации с использованием
опорных фотометрических измерительных каналов позволяет получить
аналитические выражения коэффициентов калибрации с компенсацией
атмосферных факторов.
     3.   Предложенный      метод         дискретной                калибрации     пиранометров
предусматривает использование статических коэффициентов компенсации,
которые могут быть вычислены заранее по полученным в работе
аналитическим выражениям.


                                     Литература
1.   FY 2005 Final Report: Solar Radiometry and Metrology Task PVC 57301.
     Techmical Report NREL / TP-560-38917. November 2005.
     http: www.
2.   J.J. Michalsky, C. Guemard, P. Kiedron, L.J.B. McArthur, R. Philipona, T.
     Steffel. A proposed working standard for the measurement of diffuse
                                                                                10
     horizontal shortwave irradiance // Journal of Geophysical Research, vol. 112,
     doi: 10.1029/2007, JD 008651, 2007.
     http: // www.srrb.noaa.gov/pub/users/joe/joepapers/diffuse_std_proof.pdf
3.   D.L. King, J.A. Krattochvil, W.E. Boyson. Measuring solar spectral and
     angle of incidence effects on photovoltaic modules and solar irradiance
     sensors.
     http: //www
4.   I.A. Podgorny, W. Conant, V. Ramanathan, S.K. Satcheesh. Aerosol
     modulation of atmospheric and surface solar heating over the tropical Indian
     Ocean, Tellus. 2000, 52 B, p. 947-958 (UK).
5.   S.M. Adler – Golden, J.R. Slusser. Comparison of Plotting Methods for Solar
     Radiometer Calibration // Journal of Atmospheric and Oceanic Techology,
     v.24, May 2007, DO1:10. 1175/JTECH 2012.1, pp. 935-938.
                                                                               11
                                  Аннотация


    В    статье    предложены     новые    методы     калибрации     солнечных
пиранометров работающих в УФ и видимой области спектра, где
используются      опорные    фотометрические      выражения     коэффициентов
калибрации, а также статических компенсирующих функций, которые могут
быть вычислены заранее.


                                   Summary


         New methods for calibration of pyranometers by utilization
             of reference photometric channels of measurements


                        Asadov H.H., Abdullayeva S.N.


    In the article the new methods for calibration of sun pyranometers operating
in UV and visible bands of spectrum       have been suggested. These methods
envisage utilization of additional reference photometric channels. The analytical
formulas for calculation of calibration factors and static compensation functions
have been proposed.
                                                               12
                    F1
               3




       1
                           5          6
           2


                4



Рис. 1. Структурная схема устройства калибровки пиронометра.

				
DOCUMENT INFO
Shared By:
Tags:
Stats:
views:8
posted:3/22/2010
language:Russian
pages:12