آموزش الکترونیکآموزش ها

اندازه گیری تابش خورشیدی با پیرلیومتر و پیرانومتر

همه ما می دانیم که زندگی در زمین به دلیل خورشید پایدار است زیرا انرژی گرمایی کافی را برای گرم نگه داشتن زمین فراهم می کند. این انرژی توسط خورشید به صورت تابش الکترومغناطیسی که معمولاً تابش خورشید نامیده می شود ، تبدیل می شود. برخی از اشعه ها برای انسان مفید است در حالی که تابش دیگری برای همه زندگی مضر است.

برای رسیدن تابش خورشید به سطح زمین باید از اتمسفر عبور کرده و در آن جا جذب ، پراکنده ، منعکس و منتقل شود که منجر به کاهش چگالی شار انرژی می شود. این کاهش بسیار چشمگیر است زیرا بیشتر از 30٪ از دست دادن در یک روز آفتابی اتفاق می افتد و در یک روز ابری تا 90٪ افزایش می یابد. بنابراین حداکثر تابشی که از طریق اتمسفر به سطح زمین می رسد هرگز از 80٪ بیشتر نخواهد بود.

شار خورشیدی برای اندازه گیری بسیار مهم است ، زیرا اساس زندگی روی زمین است و در ساخت بسیاری از محصولات مورد استفاده قرار می گیرد چه مربوط به محصولات الکترونیکی ، محصولات زراعی ، داروها ، مواد آرایشی و غیره باشد. در این آموزش ، ما در مورد تابش خورشید و اندازه گیری و همچنین در مورد دو محبوب ترین ابزار اندازه گیری انرژی خورشیدی – پیرلیومتر و پیرانومتر یاد می گیریم.

همچنین پروژه صفحه خورشیدی چرخان را مشاهده کنید.

تابش پرتو و تابش منتشر شده

تابشی که ما در سطح مشاهده می کنیم هم تابش مستقیم و هم تابش غیر مستقیم خورشید است. تابشی که مستقیماً از خورشید می آید تابش مستقیم است و به آن تابش پرتو می گویند. تابش پراکنده و منعکس شده ای که از هر جهت به سطح زمین ارسال می شود (منعکس شده از مولکول ها ، ذرات ، اجسام حیوانات و غیره) تابش غیر مستقیم است و به آن تابش منتشر گفته می شود. و مجموع هر دو ، پرتو و تابش منتشر شده ، به عنوان تابش جهانی یا تابش کل تعریف می شود.

تمایز بین تابش پرتو و تابش منتشر شده مهم است زیرا تابش پرتو می تواند متمرکز شود در حالی که تابش منتشر شده نمی تواند. ابزار اندازه گیری تابش خورشید بسیاری وجود دارد که برای اندازه گیری تابش پرتو و تابش منتشر استفاده می شود.

تابش پرتو و تابش منتشر شده

حال بیایید نگاهی به طیف تابش الکترومغناطیسی در نمودار زیر بیندازیم.

طیف تابش الکترومغناطیسی

در کل طیف ، ما فقط طول موجهای اشعه ماورا بنفش تا اشعه IR را برای محاسبه شار خورشید در نظر می گیریم ، زیرا بیشتر امواج با فرکانس بالا از خورشید به سطح نمی رسند و تابش فرکانس پایین پس از IR قابل اطمینان نیست. بنابراین تابش یا شار خورشیدی معمولاً از طریق اشعه ماورا بنفش به اشعه IR اندازه گیری می شود و ابزار نیز به همین صورت طراحی می شود.

اگر میخواهید آردوینو را به صورت اصولی و پروژه محور (برنامه نویسی حرفه ای، ارتباط آردوینو با اندروید، ساخت ربات با آردوینو) یاد بگیرید، روی دوره آموزش آردوینو کلیک کنید.

ابزار اندازه گیری تابش خورشید بر دو نوع است:

  1. پیرلیومتر
  2. پیرانومتر

قبل از شروع به کار با این ابزارها ، باید چند مفهوم را که هنگام طراحی دستگاه استفاده می شود ، درک کنید. خوب حالا بیایید این مفاهیم را بررسی کنیم.

اشعه جسم سیاه

یک جسم سیاه معمولاً تمام تشعشعات را جذب می کند بدون اینکه چیزی به جو برگردد و جسم سیاه کاملاً خالص تر جذب می کند. واقعیت این است که ، تاکنون هیچ جسم سیاه کاملی وجود ندارد ، بنابراین ما معمولاً به بهترین مورد دوم رضایت می دهیم. جسم سیاه پس از جذب تابش ، از آنجا که تابش انرژی دارد ، گرم می شود و پس از جذب ، اتم های جسم خارج می شوند. این جسم سیاه به عنوان یک جز  اصلی در ابزار اندازه گیری تابش خورشید استفاده می شود. در مقابل جسم سیاه ، جسم سفید تمام تابش هایی را که روی آن می افتد به جو بازتاب می دهد به همین دلیل در تابستان از پوشیدن لباس سفید احساس راحتی بیشتری خواهیم کرد.

اشعه جسم سیاه

ترموکوپل

ترموکوپل یک دستگاه ساده است که با استفاده از دو هادی که از مواد مختلف ساخته شده است در شکل نشان داده شده است.

همچنین اگر در مورد این مطلب سوالی داشتید در انتهای صفحه در قسمت نظرات بپرسید

ترموکوپل

در اینجا دو سیم به هم متصل می شوند تا یک حلقه با دو اتصال ایجاد کنند و این اتصالات به عنوان ‘A’ و ‘B’ تعیین می شوند. اکنون یک شمع در نزدیکی محل اتصال “A” آورده شده در حالی که محل اتصال “B” تنها مانده است. با حضور شمع در محل اتصال “A” ، دمای آن بطور قابل توجهی افزایش می یابد در حالی که محل اتصال B در دمای اتاق سرد می ماند. به دلیل این اختلاف دما ، ولتاژ (اختلاف پتانسیل) با توجه به ‘اثر Seebeck’ در اتصالات ظاهر می شود. از آنجا که مدار بسته است ، جریان “I” از مدار مانند شکل نشان داده می شود و برای اندازه گیری این جریان ، ما یک آمپرمتر را به صورت سری متصل می کنیم. لازم به یادآوری است که مقدار جریان “I” در حلقه مستقیماً با اختلاف دما در اتصالات متناسب است ، بنابراین اختلافات دما بیشتر منجر به مقدار جریان بیشتری می شود. بنابراین با خواندن آمپرمتر ، می توان اختلاف دما را در تقاطع ها محاسبه کرد.

اکنون بعد از اینکه اصول اولیه بیان شد ، بیایید ساختار و کار ابزار اندازه گیری تابش خورشید را بررسی کنیم.

نحوه کار و ساخت پیرلیومتر

پیرلیومتر دستگاهی است که برای اندازه گیری پرتو تابش مستقیم در بروز طبیعی استفاده می شود. ساختار بیرونی آن مانند یک لوله طولانی است که تصویر یک تلسکوپ را فراخوانی می کند و برای اندازه گیری درخشش باید لنز را به سمت خورشید نشان دهیم. در اینجا با اصل کار پیرلیومتر و ساخت آن آشنا خواهیم شد.

نحوه کار و ساخت پیرلیومتر

برای درک ساختار اساسی پیرلیومتر ، به نمودار نشان داده شده در زیر نگاه کنید.

نمودار نحوه کار یک پیرلیومتر

در اینجا لنزبه سمت خورشید قرار دارد و تابش از طریق لنز ، لوله عبور می کند و در انتها به جسم سیاه موجود در پایین می افتد. حال اگر کل ساختار داخلی و مدار را به روشی ساده تر ترسیم کنیم ، مانند زیر خواهد بود.

اندازه گیری تابش خورشیدی با پیرلیومتر

در مدار مشاهده می شود که جسم سیاه تابشی را که از لنز می بارد جذب می کند و همانطور که قبلاً بحث شد ، جسم سیاه کامل به طور کامل هرگونه تشعشع روی آن را جذب می کند ، بنابراین اشعه ای که به لوله می افتد کاملاً توسط جسم سیاه جذب می شود. هنگامی که تابش جذب می شود ، اتم های جسم به دلیل افزایش درجه حرارت کل جسم ، هیجان زده می شوند. این افزایش دما توسط محل اتصال ترموکوپل ‘A’ نیز تجربه خواهد شد. اکنون با اتصال ‘A’ ترموکوپل در دمای بالا و محل اتصال ‘B’ در دمای پایین ، جریان جاری در حلقه آن اتفاق می افتد همانطور که در اصل کار ترموکوپل بحث شده است. این جریان در حلقه نیز از طریق گالوانومتری که به صورت سری است عبور کرده و باعث انحراف در آن می شود. این انحراف متناسب با جریان است که به نوبه خود متناسب با اختلاف دما در اتصالات است.

اکنون سعی خواهیم کرد با کمک مدار این انحراف را در گالوانومتر خنثی کنیم. روند کامل خنثی سازی انحراف گام به گام در زیر توضیح داده شده است.

  • اول ، سوئیچ را برای شروع جریان در مدار ببندید.
  • جریان جاری مانند،
  • باتری -> سوئیچ -> هادی فلزی -> آمپرمتر -> مقاومت متغیر -> باتری.
  • با این جریان که از طریق هادی فلزی جریان دارد ، درجه حرارت آن تا حدی افزایش می یابد.
  • در تماس با هادی فلزی ، دمای اتصال “B” نیز افزایش می یابد. این اختلاف دما بین محل اتصال “A” و “B” را کاهش می دهد.
  • به دلیل کاهش اختلاف دما ، جریان جاری در ترموکوپل نیز کاهش می یابد. از آنجا که انحراف متناسب با جریان است ، انحراف گالوانومتر نیز کاهش می یابد.
  • به طور خلاصه ، می توان گفت – انحراف در گالوانومتر را می توان با تنظیم رئوستا برای تغییر جریان در هادی فلز کاهش داد.

اکنون رئوستا را تنظیم کنید تا انحراف گالوانومتر کاملاً باطل شود. هنگامی که این اتفاق افتاد ، ما می توانیم ولتاژ و  جریان را از کنتورها بدست آوریم و یک محاسبه ساده برای تعیین گرمای جذب شده توسط جسم سیاه انجام دهیم. از این مقدار محاسبه شده می توان برای تعیین تابش استفاده کرد ، زیرا گرمای تولید شده توسط جسم سیاه مستقیماً با تابش متناسب است. این مقدار تابش چیزی غیر از تابش مستقیم تابش خورشید نیست که ما می خواهیم از ابتدا اندازه گیری کنیم. و با این کار می توانیم کار پیرلیومتری را به نتیجه برسانیم.

طرز کار و ساخت پیرانومتر

پیرانومتر دستگاهی است که می تواند برای اندازه گیری تابش پرتو و تابش منتشر مورد استفاده قرار گیرد. به عبارت دیگر ، برای اندازه گیری تابش کل نیمکره (پرتو به علاوه پخش در یک سطح افقی) استفاده می شود. در اینجا با اصل کار پیرانومتر و ساخت آن آشنا خواهیم شد.

این دستگاه مانند  بشقاب پرنده به نظر می رسد که بهترین شکل مناسب برای اهداف آن است. این دستگاه محبوبیت بیشتری نسبت به بقیه دارد و امروزه بیشتر داده های منابع خورشیدی با استفاده از آن اندازه گیری می شود. در زیر می توانید تصویر اصلی و ساختار داخلی پیرانومتر را مشاهده کنید.

طرز کار و ساخت پیرانومترنحوه کار و ساخت پیرانومتر

 

در اینجا تابش از جو پیرامونی از برآمدگی شیشه ای عبور می کند و بر روی جسم سیاه واقع در مرکز ساز می افتد. مانند قبل ، دمای بدن پس از جذب تمام اشعه افزایش می یابد و این افزایش نیز توسط زنجیره ترموکوپل یا ماژول ترموکوپل که مستقیماً در زیر جسم سیاه وجود دارد ، تجربه خواهد شد. بنابراین یک طرف ماژول گرم خواهد بود و دیگری به دلیل گرما زدگی سرد خواهد شد. ماژول ترموکوپل ولتاژ ایجاد می کند و این را می توان در ترمینال های خروجی مشاهده کرد. این ولتاژ دریافت شده در ترمینال های خروجی با توجه به اصل ترموکوپل مستقیماً با اختلاف دما متناسب است.

از آنجا که می دانیم اختلاف دما مربوط به تابش جذب شده توسط جسم سیاه است ، می توان گفت ولتاژ خروجی به طور خطی با تابش متناسب است.

مشابه محاسبه قبلی ، مقدار تابش کل را می توان به راحتی از این مقدار ولتاژ بدست آورد. همچنین با استفاده از سایه و پیروی از همین روش می توان تابش منتشر را نیز بدست آورد. با تابش کل و مقدار تابش منتشر ، مقدار تابش پرتو را نیز می توان محاسبه کرد. از این رو ما می توانیم هم تابش خورشیدی منتشر و هم تابش کل را با استفاده از پیرانومتر محاسبه کنیم.

نظرتان را در مورد این مطلب با ستاره دادن اعلام کنید
امیدوارم این مطلب برای شما مفید بوده باشد. نظرات ، مشکلات و پیشنهادات خود را در پایین صفحه اعلام کنید
محمد رحیمی

محمد رحیمی

محمد رحیمی هستم. سعی میکنم در آیرنکس مطالب مفید را قرار دهم. مالکیتی بر مطالب ارائه شده ندارم. اکثر فعالیت بنده در زمینه ترجمه است. (در خصوص سوال در مورد این مطلب از قسمت نظرات همین مطلب اقدام کنید)

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *