Датчик солнечного сияния

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Открытое акционерное общество Пеленг(72) Авторы Дьяков Владимир Васильевич Стрибук Петр Васильевич Казеев Юрий Иванович Кривонощенко Владимир Иванович(73) Патентообладатель Открытое акционерное общество Пеленг(57) 1. Датчик солнечного сияния, содержащий приемник солнечной радиации, отличающийся тем, что выполнен в виде корпуса с герметично установленным на нем прозрачным полусферическим колпаком и соединенного с корпусом основания, на котором размещены осушители водяных паров и электронный блок с электрическим разъемом для соединения с электронным регистрирующим устройством, включающий в себя плату датчика с размещенными на ней обогревателем и приемником солнечной радиации, содержащим плату соединительную, электрически соединенную с платой датчика, и каркас, на котором по условным окружностям в два яруса попарно расположены фотодиоды, причем в каждой паре фотодиоды находятся друг относительно друга под углом, обеспечивающим прием солнечной радиации со всей небесной сферы. 2. Датчик солнечного сияния по п. 1, отличающийся тем, что на каркасе установлены вертикальные непрозрачные перегородки, отделяющие друг от друга каждую пару фотодиодов.(56) 1. Кедроливанский В.Н., Стернзат М.С. Метеорологические приборы. - Ленинград Гидрометеоиздат, 1953. - С. 248-249. 2. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. - Ленинград, Гидрометеоиздат, 1985. - С. 60-66, 207-213 (прототип). 39802007.10.30 Полезная модель относится к измерительной технике в метеорологии, в частности в актинометрии, и используется в устройствах для определения наличия и продолжительности солнечного сияния на сети гидрометеорологических наблюдений. Термин наличие солнечного сияния означает экспериментально установленную величину прямой солнечной радиации, равную или превышающую пороговый уровень 120 Вт/м 2, а продолжительность солнечного сияния - это интервалы времени, в течение которых величина прямой солнечной радиации равна или более 120 Вт/м 2. Известно устройство для определения продолжительности солнечного сияния, в состав которого входит приемник солнечного сияния, выполненный в виде стеклянного шара (сферической линзы), зажатого между двумя опорами, расположенными по диаметру шара 1, 2. Продолжительность солнечного сияния регистрируется устройством, состоящим из сферического сегмента (чашки), в пазы которого вставлена картонная лента. При этом радиус сегмента выбран таким, что солнечные лучи, проходящие через линзу-шар,установленный в центре сегмента, фокусируются строго на ленту и при величине прямой солнечной радиации, равной или более 120 Вт/м, прожигают ее. Продолжительность солнечного сияния рассчитывается по суммарной длине следов прожога на ленте и измеряется визуально в соответствии с нанесенной на ней градуированной часовой шкалой с точностью до 0,1 часа. Точность измерений, проводимых с помощью известного устройства, существенно снижается за счет совокупности следующих факторов. Результаты измерений могут иметь ошибки, обусловленные запотеванием или обмерзанием стеклянного шара. Кроме того,порог чувствительности устройства зависит от характеристик стекла, температуры и влажности воздуха, материала и цвета ленты, а большой диаметр мгновенных прожогов ведет к преувеличению продолжительности солнечного сияния при кучевых облаках из-за слияния отдельных точек прожога. Визуальная оценка результатов измерений имеет субъективный характер и ее рекомендуется проводить несколькими операторами поочередно, что снижает точность и существенно увеличивает трудоемкость процесса. Ручная обработка результатов измерений также снижает точность и увеличивает трудоемкость процесса. Подготовка устройства к проведению измерений требует больших затрат времени. Устройство требует тщательной установки по горизонтали и ориентации по широте и направлению меридиана. Кроме того, необходимо ежедневно производить замену регистрационных лент от одного до трех раз в день в зависимости от продолжительности светового дня. Таким образом, конструкция известного приемника солнечного сияния, входящего в устройство для определения продолжительности солнечного сияния, обеспечивает низкую точность измерений, а последующая обработка результатов наблюдений - большую трудоемкость. Задачей разработки полезной модели является повышение точности измерений и снижение трудоемкости процесса измерений. Поставленная задача решается тем, что датчик солнечного сияния, содержащий приемник солнечной радиации, в отличие от прототипа, выполнен в виде корпуса с герметично установленным на нем прозрачным полусферическим колпаком и соединенного с корпусом основания, на котором размещены осушители водяных паров и электронный блок с электрическим разъемом для соединения с электронным регистрирующим устройством,включающий в себя плату датчика с размещенными на ней обогревателем и приемником солнечной радиации, содержащим плату соединительную, электрически соединенную с платой датчика, и каркас, на котором по условным окружностям в два яруса попарно расположены фотодиоды, причем в каждой паре фотодиоды находятся друг относительно друга под углом, обеспечивающим прием солнечной радиации со всей небесной сферы. Фотодиоды расположены на каркасе по условным окружностям на равном расстоянии друг от друга. 2 39802007.10.30 На каркасе установлены вертикальные непрозрачные перегородки, отделяющие друг от друга каждую пару фотодиодов. Фотодиоды принимают солнечную радиацию и преобразуют энергию солнечной радиации в электрический сигнал. На фотодиоды, обращенные к Солнцу, поступает как прямая, так и рассеянная солнечная радиация, а на фотодиоды, расположенные противоположно (в тени), только рассеянная радиация. Размещение фотодиодов попарно, по условным окружностям и в каждой паре под углом друг относительно друга создает суммарную диаграмму направленности, обеспечивающую прием солнечной радиации со всей небесной сферы при любом положении Солнца по высоте и в любых широтах. Разность сигналов от противоположно расположенных фотодиодов определяет значение только прямой солнечной радиации, что повышает точность проводимых измерений. Прозрачный полусферический колпак, герметично установленный на корпусе, обеспечивает защиту датчика солнечного сияния от проникновения влаги и метеоосадков. Установленные на основании осушители водяных паров также уменьшают количество влаги, а обогреватель препятствует запотеванию или обмерзанию прозрачного колпака, что повышает точность проводимых измерений. В предлагаемой конструкции датчика солнечного сияния электронный блок имеет электрический разъем для соединения с электронным регистрирующим устройством, что обеспечивает непрерывную автоматическую регистрацию, обработку выходного сигнала и визуальное наблюдение. Это снижает трудоемкость процесса измерений. Вертикальные непрозрачные перегородки, установленные на каркасе, защищают каждую пару фотодиодов от радиации, отраженной от окружающих объектов и от элементов конструкции датчика, что повышает точность измерений. На чертеже изображен пример реализации предлагаемого датчика солнечного сияния. Датчик солнечного сияния выполнен в виде корпуса 1 с герметично установленным на нем прозрачным полусферическим колпаком 2. Корпус 1 соединен с основанием 3, на котором размещены два осушителя 4 водяных паров и электронный блок, закрепленный на трех стойках 5. Электронный блок включает в себя плату 6 датчика, обогреватель, состоящий из кольца 7 и нагревательных элементов 8, и приемник солнечной радиации и имеет электрический разъем 9 для соединения с электронным регистрирующим устройством, например табло (на чертеже не показано). Приемник солнечной радиации содержит плату соединительную 10, электрически соединенную с платой 6 датчика, и каркас 11, на котором по условным окружностям в два яруса попарно расположены фотодиоды 12. В каждой паре фотодиоды 12 находятся друг относительно друга под углом, обеспечивающим прием солнечной радиации со всей небесной сферы при расположении Солнца в диапазоне углов по азимуту от 0 до 360 и по высоте от 0 до 90. В частном примере реализации датчика солнечного сияния каркас 11 выполнен в виде двух совмещенных восьмигранных усеченных полых пирамид. В центре каждой грани размещены фотодиоды 12, выполненные в виде прямоугольных пластин размером 55 мм. При этом фотодиоды 12 расположены по условным окружностям в два яруса попарно друг над другом. Угол между гранями каркаса в месте их совмещения и соответственно между плоскостями фотодиодов 12 в каждой паре составляет 135. На ребрах смежных граней каркаса 11 установлены вертикальные непрозрачные перегородки 13, отделяющие друг от друга каждую пару фотодиодов 12. На поверхности корпуса 1, прилегающей к основанию 3, выполнена концентрическая канавка 14, в которую помещена герметизирующая прокладка 15, выполненная из резиновой смеси В-14 НТА ТУ 38005 1166-98. Соединение корпуса 1 с основанием 3 шестью винтами 16 обеспечивает уплотнение герметизирующей прокладки 15 и герметизацию подколпачного объема корпуса 1. Прозрачный полусферический колпак 2, выполненный из кварцевого стеклаГОСТ 15130-86, обеспечивает защиту датчика солнечного сияния от проникновения влаги и метеоосадков. 3 39802007.10.30 Осушители 4 водяных паров, выполненные в виде двух баллончиков с силикагелем,уменьшают количество влаги под колпаком 2. Плата 6 датчика представляет собой круглую печатную плату, на которой смонтированы элементы электрической схемы, обеспечивающие работу датчика. Обогреватель,нагревательные элементы 8 которого выполнены в виде резисторов 101, устаовленных по окружности кольца 7 из текстолита, препятствует запотеванию или обмерзанию прозрачного колпака 2. Плата соединительная 10 выполнена в виде круглой печатной платы с контактными площадками, к которым припаяны выходы всех шестнадцати фотодиодов 12 типа 34. Датчик солнечного сияния работает следующим образом. Перед работой датчик закрепляется на метеорологической стойке и ориентируется горизонтально относительно земной поверхности. На фотодиоды 12, обращенные к Солнцу,поступает прямая и рассеянная солнечная радиация (суммарная радиация). На диаметрально противоположные фотодиоды 12, находящиеся в тени, поступает только рассеянная солнечная радиация. Фотодиоды 12 преобразуют энергию солнечной радиации в электрический сигнал. Значение прямой солнечной радиации, вычисленное с помощью электрической схемы, смонтированной на плате 6 датчика, автоматически определяется как разность между величинами суммарной и рассеянной радиацией. Плата 6 датчика солнечного сияния с помощью центрального процессорного устройства (ЦПУ), выполненного на основе микросхемы 8051310, осуществляет преобразование шестнадцати аналоговых сигналов от восьми пар фотодиодов 12 в цифровые значения и далее вычисляет восемь пар разностных значений сигналов противоположных фотодиодов определяет максимальное разностное значение, соответствующее уровню прямой солнечной радиации сравнивает это значение с пороговым значением, равным 120 Вт/м 2 отправляет полученное логическое значение с периодичностью один раз в секунду в виде посылок в кодахна два интерфейса 485 и модем 23 определяет температуру подколпачного объема и при снижении ее ниже 10 С обеспечивает включение обогревателя. Выходной сигнал с электронного блока через электрический разъем 9 поступает на вход электронного регистрирующего устройства. Для передачи информации при этом используется интерфейс 485 или модем 23. Электронное регистрирующее устройство, например табло, считает и запоминает продолжительность солнечного сияния в интервалах по 10 мин, а затем вычисляет и отображает ее в интервалах времени 10, 30, 60 мин, 3 и 24 часа, задаваемых пользователем. При этом на его светодиодном индикаторе отображается информация о наличии солнечного сияния, когда уровень прямой солнечной радиации равен или превышает величину 120 Вт/м 2, и значение продолжительности солнечного сияния. Одновременно на жидкокристаллическом дисплее табло отображается текущее время, число, месяц и год или время начала выбранного интервала. Табло сохраняет информацию в течение одного месяца. Таким образом, предлагаемая конструкция датчика солнечного сияния обеспечивает высокую точность проводимых измерений и снижение трудоемкости процесса измерений за счет возможности подключения к электронному регистрирующему устройству. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4