Приложение А (справочное). Определение коэффициента поглощения солнечного излучения расчетным методом с использованием спектральных характеристик, измеренных на спектрофотометре

Приложение А
(справочное)

Определение коэффициента поглощения солнечного излучения () расчетным методом с использованием спектральных характеристик, измеренных на спектрофотометре

А.1 Общие положения

Для вычисления коэффициента поглощения солнечного излучения используют спектральные характеристики образца материала, измеренные в диапазоне длин волн от 250 до 2500 нм, т.к. в этом диапазоне сосредоточено 95,6 % всей энергии солнечного излучения.

Спектральные характеристики (коэффициент отражения, коэффициент пропускания) следует измерять на спектрофотометре с использованием интегрирующей сферы. Предпочтительнее использовать спектрофотометр, построенный по двухлучевой схеме измерений, а интегрирующую сферу с внутренним диаметром не менее 150 мм.

Измерения спектральных характеристик на спектрофотометре с использованием интегрирующей сферы выполняют абсолютным или относительным методом. В случае относительного метода при измерениях используется калиброванный стандартный образец из материала с известными значениями спектрального коэффициента отражения в диапазоне длин волн от 250 до 2500 нм (например, Spectralon).

Для полупрозрачных образцов требуется выполнить измерения коэффициента отражения и коэффициента пропускания.

Коэффициент пропускания, коэффициент отражения или коэффициент поглощения солнечного излучения получаются путем интегрирования спектральных характеристик (в диапазоне длин волн от 250 до 2500 нм), при этом в качестве весовой функции выступает спектральное распределение солнечного излучения.

А.2 Форма и размеры образцов

Требуемый размер измеряемых образцов зависит от размеров интегрирующей сферы. Для сфер, в которых образец крепится на стенке, он должен быть достаточно большим, чтобы полностью закрыть окно сферы. Если достаточно большого образца нет, то необходимо обеспечить соответствие размеров образца и окна для образцов.

Пример - Если размер окна сферы составляет 15 x 15 мм, то образец, независимо от своей формы, должен быть больше квадрата со стороной 15 мм. Эти размеры могут меняться в зависимости от используемых методов и средств измерений. В случае структурированных образцов следует использовать либо достаточно большой образец, чтобы можно было выполнить несколько измерений в различных местах, либо несколько образцов, представляющих собой различные участки материала.

Гибкие образцы следует крепить на твердой поверхности. Образец должен быть плоским. У сферически изогнутых образцов радиус их кривизны должен быть больше 300 мм.

Особое внимание следует уделить юстировке оптических систем. Образец должен располагаться под прямым углом к окну для образца и плотно прилегать к нему. Отклонение в угле падения пучка и внутри оптических систем может привести к ошибке в результатах измерений.

Данный метод измерений пригоден для материалов, обладающих как зеркальными, так и диффузными оптическими свойствами.

Непрозрачные образцы должны иметь хотя бы один достаточно большой участок сравнительно ровной поверхности, позволяющий закрыть окно сферы.

У прозрачных матовых образцов должны быть две достаточно плоские и параллельные поверхности. Чтобы уменьшить количество света, рассеивающегося на краях матового образца, минимальное расстояние между краем пучка и краем окна должно равняться десятикратной толщине образца.

Коэффициент пропускания сильно рассеивающих матовых образцов сложно измерять средством измерений с интегрирующей сферой, поскольку значительная часть падающего потока будет рассеиваться снаружи окна со стороны образца. В отчете об измерениях следует указывать, когда измеряемые образцы обладают подобными свойствами.

А.3 Средство измерений и подготовка его к работе

Средство измерений состоит из спектрофотометра, в который устанавливают интегрирующую сферу с рабочим диапазоном как минимум от 250 до 2500 нм. Для лучшей повторяемости рекомендуется использовать средство измерений, перекрывающее более широкий диапазон длин волн. На рисунках А.1 и А.2 показана конфигурация средства измерений.

Спектральное разрешение спектрометра должно соответствовать разрешению, используемому для спектра солнечного излучения.

Если образец прикладывается к отверстию (окну) в боковой стенке интегрирующей сферы, то отношение площади окна к площади всей поверхности данной сферы не должно превышать 5 %. Уменьшение величины отношения площади отверстия ко всей внутренней площади поверхности может быть достигнуто при использовании больших сфер. Маленькие сферы могут привести к большим ошибкам.

1 - интегрирующая сфера; 2 - измеряемый образец; 3 - входное отверстие; 4 - окно для образца; 5 - датчик; 6 - падающее излучение; 7 - зеркальное отражение; 8 - диффузное отражение; 9 - угол падения

Рисунок А.1 - Интегрирующая сфера (с расположением образца на стенке)

1 - интегрирующая сфера; 2 - измеряемый образец; 3 - входное отверстие; 4 - вращение образца; 5 - датчик; 6 - падающее излучение; 7 - опорное излучение

Рисунок А.2 - Интегрирующая сфера (с расположением образца в центре)

Измерение спектров отражения образцов проводят абсолютным или относительным методом. При проведении измерений относительным методом ответственный исполнитель должен выбрать эталонный образец, близкий к измеряемому образцу по ряду свойств (внешнему виду, величине коэффициента отражения).

Если у материалов в измеряемой области спектра преобладает зеркальная компонента, то в качестве эталонного образца следует выбрать образец с зеркальным характером отражения.

Если в измеряемой области спектра преобладает диффузная компонента, то в качестве эталонного образца следует выбрать образец с диффузным характером отражения.

В отчете должно быть указано, какой эталонный образец использовался для измерений.

А.4 Процесс испытаний и измерений

Перед проведением измерений необходимо выполнить коррекции 100 % и 0 % базовых линий (используя эталонные образцы). Эти значения следует измерять как минимум один раз в день при включении средства измерений.

А.5 Вычисление коэффициента поглощения солнечного излучения

Коэффициент поглощения солнечного излучения вычисляют по формуле

,

(А.1)

где - коэффициент отражения солнечного излучения, вычисляемый по формуле

,

(А.2)

где - спектральный коэффициент отражения после коррекции опорной величины 100 %;

- спектральная солнечная облученность;

- шаг сканирования (обычно составляет 1 нм и должен задаваться с учетом свойств образца);

- нижний предел интегрирования 250 нм;

- верхний предел интегрирования 2500 нм.

Спектр солнечной облученности приведен в нескольких источниках (например, см. [3]). В отчете об измерениях необходимо указать источник информации, из которого был использован спектр солнечной облученности.

У прозрачных измеряемых образцов коэффициент поглощения можно вычислить этим же способом, поскольку

.

(А.3)

Можно также вычислить коэффициент поглощения для спектра, отличающегося от спектра солнечного излучения, например для имитаторов солнечного излучения.