Utilisation du pyrhéliomètre

A) Méthode de mesure :

La mesure s'effectue par réchauffement d'un objet ( ici appelé capteur ) de matière uniforme ( acier, aluminium, cuivre,...) répondant à des caractéristiques d'absorption de chaleur efficace et dont on connait la masse (m) et la capacité thermique appelé aussi chaleur massique (C);le soleil chauffe le capteur pendant une période déterminée et il en ressort un rayonnement énergétique ramené au W/m². Du reste, la méthode est équivalente aux mesures préconisées pour l'estimation de la puissance de cuisson engendrée par un cuiseur solaire ( voir http://cuisson-solaire.over-blog.fr/article-10449117.html ) .
A la différence que la particularité de cette méthode de mesure s'appuie d'une part sur l'orientation du capteur, toujours perpendiculaire aux rayons solaires ( pour en maximiser la réception ) et d'autre part au confinement du capteur dans un cylindre adapté de manière à éviter ( autant que possible ) des pertes thermiques dues aux mouvements d'air ambiant .
Le cours laps de temps de la mesure de quelques minutes permet de ne pas avoir à
ré-orienter le pyrhéliomètre, le soleil ne se déplaçant que d'environ 15° par heure en azimuth et 1,5° par heure en hauteur angulaire, l'erreur d'orientation sera minime .

Toutefois, on comprendra aisément que la valeur estimée par cette méthode donne une mesure moyennée pour le temps d'observation ( 5 à 8 mn ) et non une mesure instantannée.

B) Prise de mesure :

Ce pyrhéliomètre permet de mesurer des valeurs de température relevées sur le capteur pendant un petit laps de temps ( 5 à 8 minutes ) et ainsi d'établir l'éclairement (I) direct: puissance de rayonnement en W/m² sur une surface plane et perpendiculaire aux rayons du soleil arrivant sur terre .

L'expérimentation s'accomplit en 4 phases .

1) préparation du capteur :

le capteur doit-être à la même température que la température ambiante; on le retire de la base pour le laisser à l'air libre et particulièrement à l'ombre . Plus la différence de température entre le capteur et la température ambiante est importante, plus il faudra de temps pour l'adaptation du capteur . Il est donc conseillé de préparer son capteur bien avant l'expérimentation.
On peut contrôler avec le multimètre et sa sonde thermocouple K la température de capteur
par rapport à la température ambiante .

2) Mise en place du pyrhéliomètre :

On dispose le capteur sur sa base et on verrouille le tout sur le cylindre, on engage la sonde thermocouple dans l'orifice du cylindre ( et base) jusqu'au centre du capteur . L'entrée du cylindre est dirigé vers le soleil approximativement .
Pour régler précisemment l'orientation, il suffit d'observer les 3 encoches situées à l'intérieur et à mi-hauteur du cylindre; le réglage est optimum quand les 3 encoches
sont éclairées ( voir flèches rouge sur photo ci-dessous ) :


N.B. : On ne regarde ABSOLUMENT JAMAIS le soleil pour effectuer un réglage .  

3) Relevé de mesures :

Ce relevé s'effectue avec un chronomètre ( ou une montre avec trotteuse ), le multimètre
commuté en fonction température, et un papier et stylo ;
on note le temps en cours à la première augmentation de 1°C du capteur .

par exemple :

heure              température       
 ...                    15°C
13:03:20        16°C  <- Top 0 de la mesure

il suffit de prendre les mesures de température ensuite par pas de 1 minute  ( 13:04:20, 13:05:20, ... ) ; on effectue la mesure pendant 7 à 8 minutes
( jusqu'à 13:12:20 )

4) calculs et résultats :

Les bases de calcul :

   Q = m*c*( tf -ti )

   P = Q / Dt*s

m : masse du capteur ( ici 0,296 kg )

c : chaleur massique du capteur ( 440 J/kg/K )

tf : température en °C en fin de test

ti : température en °C en début de test

Q :  la quantité d'énergie reçue en J

Dt : le delta du temps qui passe entre le début du test
       et la fin ( par exemple début 13:04:20, et fin 13:12:20  
       donneront un delta de 8 minutes soit 480 secondes )
       le Dt est en secondes .

s  :  section du capteur en m² ; cette valeur est donné par
       PI * r² ( r étant le rayon du capteur, ici 0,04 m )

P  : puissance de réception en W/m²

Pour une autre mesure, il est necessaire de sortir le capteur de sa base pour lui assurer le refroidissement souhaité jusqu'à la température ambiante , en effet les pertes thermiques, pouvant être faibles , le capteur situé dans le pyrhéliomètre mettrait plusieurs dizainesde minutes à se refroidir. 

5) exemple d'observations :

Ces observations ont été réalisées le 28/02/2009 lors d'une journée trés ensoleillée ( ciel bleu pur ) et sans vent notable :  

Q = 0,296 * 440 * ( 28,3 - 12,8 )     soit  2031,74 Joules

s = 3,14159 * 0,04 * 0,04              soit   0,005026 m²