1. Строение атмосферы. Тропосфера. Стратосфера. Ионосфера
 Скачать 91.35 Kb.
|
|
40. Способы измерения относительной влажности Влажность воздуха измеряется с помощью психрометров и гигрометров, а для непрерывной записи относительной влажности используется гигрограф. 41. Определение характеристик влажности с помощью психрометра Станционный психрометр состоит из двух ртутных метеорологических термометров, установленных вертикально в психрометрической будке. Резервуар левого термометра должен быть «сухой», а правого – плотно обернут кусочком батиста, конец которого погружают в стеклянный стаканчик с дистиллированной водой, расположенный на 2 см ниже резервуара. При изменении температуры ниже 0°С стаканчик с водой убирают из будки, а батист коротко подрезают. В условиях низких температур (от 0° до -10°С) за 30 мин до измерений производится смачивание батиста, пока его показания не станут выше 0°C, И все частички льда на батисте не растают. Психрометрический метод измерения влажности основан на оценке разности температур «сухого» и «смоченного» термометров. С поверхности резервуара «смоченного» термометра происходит испарение, на которое затрачивается тепло. При этом «сухой» термометр показывает температуру воздуха в данный момент, а «смоченный» показывает свою собственную температуру, которая зависит от интенсивности испарений воды с поверхности резервуара. Чем больше дефицит влажности, тем интенсивнее будет происходить испарение и, следовательно, тем ниже будут показания «смоченного» термометра. При измерениях производится отсчет по «сухому» и «смоченному» термометрам, зимой – предварительно определив состояние воды на батисте (в твердом состоянии – лед, в жидком – переохлажденная вода), что следует учитывать при нахождении характеристик влажности по Психрометрическим таблицам. Психрометр аспирационный предназначен для определения влажности и температуры воздуха в помещении и на открытом воздухе в полевых условиях, так как в эксплуатации не требует радиационной защиты (будки) . Измерение влажности, как и станционным психрометром, основано на психрометрическом методе, т.е. измерении температуры воздуха «сухим» и «смоченным» термометрами. При этом разность показании этих термометров зависит от влажности воздуха. Прибор состоит из двух одинаковых ртутных термометров, закрепленных в специальной оправе, и аспирационной головки. Оправа состоит из трубки, раздваивающейся внизу, и защитной планки. К нижней раздвоенной части трубки с помощью пластмассовых втулок прикреплены два двойных патрубка, являющихся радиационной защитой резервуаров термометров. Верхний конец трубки соединен с аспиратором, который представляет собой заводной механизм и вентилятор, закрытые колпаком. Пружина механизма заводится специальным ключом. В модификациях прибора вращение вентилятора производится электродвигателем. Пластмассовые втулки предохраняют патрубки и резервуары термометров от воздействия прямой солнечной радиации. Весь прибор никелирован и отполирован, вследствие чего хорошо отражает солнечные лучи. Психрометр снабжается крюком-подвесом для крепления. При скорости ветра более 3 м/с на аспиратор с наветренной стороны одевается специальная ветровая защита. При вращении вентилятора в прибор всасывается воздух, который обтекает резервуары термометров, проходит по воздухопроводной трубке к вентилятору и выбрасывается наружу через прорези в аспирационной головке. Сухой термометр будет показывать температуру воздуха, а показа-ния смоченного термометра будут меньше из-за охлаждения, вызванного испарением воды с поверхности батиста, облегающего резервуар термометра. Установка прибора для измерения на воздухе производится зимой за 30 мин, летом за 15 мин до измерений. Батист на термометре смачивают при помощи резиновой груши с зажимом зимой за 30 мин, а летом за 4 мин до отсчета. После этого заводят механизм, вращающий вентилятор. Зимой (при отрицательных температурах) необходимо определить, что находится на батисте термометра: лед или вода. 42. Измерение влажности воздуха с помощью гигрометра Для определения характеристик влажности при температурах ниже -10°С используют гигрометры. Волосной гигрометр предназначен для измерения относительной влажности в наземных условиях. Пределы измерения 30-100%. Погрешность измерения относительной влажности в диапазоне 30-90% составляет ±15%, на точке 100% ±5%. В очень сильный мороз точность измерения падает, вследствие чего ошибка увеличивается до 30%. В теплый период проводятся параллельные наблюдения по гигрометру и психрометру, определяется погрешность гигрометра, которая зимой учитывается при оценке влажности. Прибор рассчитан на работу при температуре воздуха в диапазоне от -50 до +55°С. Действие прибора основано на свойствах обезжиренного человеческого волоса изменять свою длину в зависимости от относительной влажности воздуха. Гигрометр состоит из чувствительного элемента (обезжиренный человеческий волос), передаточного механизма, – шкалы, стрелки и металлической рамки, на которой закреплены детали прибора . Обезжиренный волос укреплен на металлической рамке. Верхний конец волоса укреплен на винте регулятора, нижний – на дужке с грузиком. Дужка при помощи стерженька соединена с осью, на которой расположена стрелка. Грузик держит волос в натянутом состоянии. При изменении влажности изменяется и длина волоса, ось поворачивается, и стрелка перемещается по шкале прибора. Цена деления шкалы 1% относительной влажности. Деления шкалы неравномерны: с увеличением влажности они постепенно уменьшаются, что обусловлено тем, что при малой влажности длина волоса изменяется быстрее, чем при большой. Пленочный гигрометр, как и волосной, предназначен для измерения относительной влажности в наземных условиях. Чувствительный элемент – гигроскопическая органическая пленка. Пределы измерения 20-100%, погрешность измерения ±7%, шкала равномерная. Прибор рассчитан на работу при температурах от -60 до +35°С. Деформация пленки при изменении относительной влажности с помощью передаточного механизма преобразуется в перемещение стрелки относительно шкалы прибора. Начальная установка стрелки прибора осуществляется вращением винтов, крепящих чувствительный элемент к рамке прибора. Для непрерывной регистрации изменений относительной влажности воздуха используются гигрографы двух типов: суточные и недельные. По чувствительному элементу гигрографы бывают пленочные и волосные. Пленочный гигрограф состоит из чувствительного элемента, передающего механизма, регистрирующей части и корпуса. Пленочный датчик закреплен в кронштейн. С помощью тяги центр датчика связан с рычагом. Рычаг через ось жестко прикреплен к стрелке, на которую надевается перо. Груз поддерживает пленку датчика в натянутом состоянии. В качестве регистратора используется барабан с часовым механизмом с надетой на него диаграммной лентой. Диаграммная лента разделена горизонтальными параллельными линиями с ценой деления 2% и вертикальными дугообразными линиями с ценой деления 15 мин для суточного и 2 ч для недельного гигрографов. Начальная установка пера стрелки на требуемое деление ленты осуществляется вращением установочного винта. Прибор имеет устройство, позволяющее наносить пером стрелки на ленте отметки (засечки) времени при закрытом корпусе прибора. Изменение размеров органической пленки при изменении влажности с помощью передаточного механизма, в значительной мере увеличивающего изменения приемной части прибора, преобразуется в перемещение стрелки с пером по диаграммной ленте, закрепленной на барабане часового механизма. Погрешность регистрации относительной влажности в диапазоне 30-90% составляет ± 15%, на точке 100 – ± 5%. Пределы измерения 30-90%. Часовой механизм гигрографа может работать при температурах от -35 до + 45°С. Волосной гигрограф устроен аналогично пленочному. Датчиком является пучок обезжиренных человеческих волос. Волосной гигрограф устанавливается на метеорологической площадке в психрометрической будке вместе с термографом, его датчик должен находиться на высоте 2 м от поверхности земли. Волосной гигрограф не является абсолютным прибором, поэтому для определения по нему относительной влажности необходимо вводить поправки относительно измерений по психрометру и периодически их контролировать. 43. Виртуальная температура Виртуальная температура tv – это расчетная температура сухого воздуха в оС, при которой его плотность равна плотности влажного воздуха. Введение виртуальной температуры позволяет учитывать влияние влажности на плотность воздуха. Эффект этого влияния при низких температурах мал и достигает значительной величины при высоких значениях температуры и относительной влажности (t > +20°С, f > 50%). Виртуальная температура может быть рассчитана следующим образом: tv = t (1 + 0,608 q) или tv = t + 0,608 q t , где ∆tv – = 0,608 q t – виртуальный добавок, оС; q – удельная влажность, г/кг. Таким образом, виртуальная температура выше температуры сухого воздуха на значение виртуального добавка. Психрометрические таблицы служат для определения характеристик влажности воздуха по значениям температуры воздуха t («сухой» термометр) и t’ («смоченный» термометр), измеренных в градусах Цельсия. 44. Методы измерения давления у земной поверхности 45.Приборы-самописцы для измерения характеристик состояния атмосферы Станционный чашечный ртутный барометр на метеорологических станциях является основным прибором для измерения атмосферного давления в приземном слое. Действие ртутных барометров основано на том, что атмосферное давление уравновешивается весом столба ртути соответствующей высоты. Прибор состоит из стеклянной калибрированной трубки, заполненной ртутью. Верхний конец трубки запаян, а нижний погружен в чашку, которая состоит из трех свинчивающихся друг с другом частей. Через отверстие, перекрываемое винтом, поверхность ртути в чашке сообщается с атмосферой. Внутри чашки имеется диафрагма с отверстиями, которые затрудняют колебания ртути и тем самым предохраняют трубку от попадания в нее воздуха. Стеклянная трубка защищена металлической оправой, на одном из краев прорези которой нанесена шкала давления в гПа или мм рт. ст. В прорези оправы находится подвижное кольцо с нониусом для точного отсчета положения мениска ртути в трубке. Нижний край кольца служит индексом для наводки на мениск ртутного столба. Их совмещение производится с помощью кремальеры. Для учета влияния воздуха на показания барометра в его оправу вмонтирован термометр, называемый «термометром атташе» по показанию которого вводится температурная поправка. Барометр размещают в специальном шкафчике на стене в помещении станции вдали от нагревательных приборов, чашка барометра должна находиться на высоте 70-75 см над полом. Порядок измерения давления: – отсчитывается t по «термометру при барометре», сначала десятые доли, а затем целые градусы; – постучав пальцем по оправе барометра, чтобы мениск ртути в трубке принял нормальную выпуклую форму, устанавливают глаз на уровне мениска; – вращая кремальеру, подводят нониус так, чтобы нижний срез нониуса и задний срез кольца касались вершины мениска ртути, оставляя небольшие просветы по краям – отсчитывают целые единицы давления по основной шкале и десятые доли по нониусу. Чтобы получить истинное значение давления, в данные измерения нужно ввести поправки. Общая поправка Δ Р является суммой поправок: инструментальной Δ Ри , температурной Δ Pt , на высоту станции над уровнем моря Δ Рн , на широту места Δ Рφ. Инструментальная поправка Δ Ри вводится для устранения погрешностей, допущенных при производстве барометра. Первоначально она определяется в бюро поверки и корректируется на станции инспектором с помощью специального инспекторского ртутного (сифонно-чашечного) барометра. Поправка Δ Ри указывается в сертификате, прилагаемом к барометру. Температурная поправка Δ Рt вводится для устранения погрешности, возникающей за счет изменения высоты столба ртути и длины латунной шкалы барометра в зависимости от температуры воздуха. Она может быть рассчитана по формуле: Δ Pt = 0,000163 Р , где Р – показание ртутного барометра с учетом инструментальной поправки; t – температура по «термометру при барометре». При t > 0 поправка Δ Pt < 0, а при t < 0 Δ Pt > 0. На практике Δ Pt заранее рассчитывается и прилагался к барометру в виде таблицы. Поправка на высоту места Δ Рн вводится для исключения погрешности, возникающей из-за изменения силы тяжести в зависимости от высоты места наблюдения. Принято показания барометра приводить к условиям силы тяжести на уровне моря. Поправка вычисляется по формуле:Δ Рн = 3,14 ∙ 10-9 Рп ∙ Н , где Рп – показание ртутного барометра; Н – высота установки барометра по отношению к уровню моря в метрах. Поправка на широту места Δ Pφ устраняет погрешность, возникающую при изменении силы тяжести в зависимости от широты места. При вращении Земли возникает центробежная сила, направленная от центра Земли и уменьшающая силу тяжести. Ускорение свободного падения уменьшается от полюса к экватору. Поэтому высота столба ртути на полюсе будет меньше, чем на экваторе. Показания барометра принято приводить к значению ускорения свободного падения на широте 45о по формуле: Δ Pφ = 0,0026 P cos 2φ , где φ – географическая широта места установки барометра. Знак поправки определяется как знак cos 2φ. От 0 до 45° поправка отрицательная, а от 45° до 90° – положительная. Ha практике Δ Рн и Δ Pφ зapaнee рассчитываются в одну поправку и прилагаются к барометру. Таким образом, в показание барометра вводятся три поправки: инструментальная, температурная и на силу тяжести. Значение атмосферного давления на высоте установки барометра определяется по формуле: Рн (РБ) = Рп + Δ Ри + Δ Рt + Δ Рн + Δ Рφ . Металлический барометр-анероид. При отсутствии ртутного барометра и в полевых условиях для измерения давления пользуются металлическим барометром-анероидом. Принцип действия прибора основан на свойстве анероидной мембранной коробки деформироваться при изменении атмосферного давления. Линейное перемещение мембраны преобразуется передаточным механизмом в угловое перемещение стрелки прибора. Чувствительный элемент барометра представляет собой блок из трех последовательно соединенных анероидных мембранных коробок, один конец которого неподвижен, а другой соединен с жесткой тягой, шарнирно связанной с рычагом, установленным на промежуточной оси прибора, на котором закреплен один конец пластинчато-шарнирной цепочки, намотанной на ролик, установленный на оси стрелки прибора. При изменении атмосферного давления свободный конец блока анероидных коробок перемещается и поворачивает промежуточную ось, которая в свою очередь через натянутую цепочку вращает ролик и ось со стрел-кой прибора. Для оценки влияния температуры на показания прибора внутри анероида установлен ртутный термометр. Шкалы давления и температуры находятся сверху прибора. Барометр смонтирован в круглой коробке, обычно пластмассовой, которая размещается горизонтально в специальном футляре. Измерение давления производится в следующем порядке: – открыв крышку футляра, по термометру отсчитывают температуру с точностью до 0,1° С; – постучав слегка пальцем по защитному стеклу анероида, производят отсчет давления с точностью до 0,1 мбар; – в полученную величину давления вводят поправки. В показания анероида вводятся три поправки: шкаловая, температурная и добавочная. Шкаловая поправка Δ Ршк вводится для устранения погрешностей, вызванных неточностями в изготовлении передаточного механизма. Ее получают путем сравнения (по всей шкале) показаний анероида и инспекторского ртутного барометра. Температурная поправка Δ Рt вводится для устранения погрешности, возникающей из-за влияния температуры на упругие свойства анероидных коробок. При повышении температуры их упругость уменьшается, коробки сдавливаются пластинчатой пружиной больше, и анероид дает завышенные показания. Введением поправки показания барометра-анероида приводят к температуре 0°С. Она вычисляется по формуле: Δ Рt = c t , (10) где с – температурный коэффициент анероида, т.е. изменение показаний прибора при изменении температуры на 1°С. При положительных температурах поправка Δ Рt отрицательная. Для уменьшения температурного коэффициента в анероидных коробках оставляют некоторое количество воздуха, в результате при повышении температуры упругость коробки возрастает и несколько компенсирует ее сжатие. Добавочная поправка Δ Рдоб вызвана постепенным изменением со временем упругих свойств анероидных коробок и износа передаточных рычагов. Величина поправки через определенные промежутки времени уточняется путем сравнения показания анероида и инспекторского ртутного барометра. Все поправки указываются в сертификате прибора. Значение давления определяется по формуле: Рн (РА) = Рп + Δ Ршк + Δ Рt + Δ Рдоб . Барограф используется для непрерывной регистрации атмосферного давления. Барографы бывают недельные и суточные. Барограф состоит из чувствительного элемента-блока анероидных коробок, температурного компенсатора, передаточного механизма, регистрирующей части и корпуса (рис. 21). Суммарная деформация блока анероидных коробок через передаточный механизм передается стрелке с пером, которое производит запись изменений давления на диаграммной ленте, закрепленной на барабане, вращаемом часовым механизмом. Влияние температуры воздуха на величину деформации анероидных коробок компенсируется изгибом биметаллической пластинки термокомпенсатора. Диаграммная лента разделена по вертикали горизонтальными параллельными линиями с ценой деления 1 гПа, а по горизонтали – вертикальными дугообразными линиями с ценой деления 2 ч для недельного барографа и 15 мин. – для суточного. Имеется приспособление (кнопка), позволяющее наносить в нужный момент отметки пером на ленте. Установка пера на ленте производится вращением установочного винта. С помощью барографа определяется величина барической тенденции, т.е. изменение давления за 3 ч в целых и десятых долях гПа, а также характеристика барической тенденции по конфигурации записи кривой измене-ния давления. Барограф размещают в помещении метеостанции вблизи ртутного барометра. Барометр-анероид метеорологический БАММ-1. Одной из современных модификаций барометра-анероида является БАММ-1, который используется для измерения атмосферного давления в диапазоне от 800 до 1060 гПа. Допускаемая погрешность измерений составляет ±2 гПа. Эксплуатируется при температуре от 0о до +40оС и относительной влажности до 80%. Барометр БРС-1 измеряет атмосферное давление электронным датчиком в диапазоне от 600 до 1100 гПа, имеется также шкала в мм рт. ст. (450-825 мм рт. ст). Допускаемая погрешность составляет ±0,33 гПа. Эксплуатируется при температуре от 5 до 50оС и относительной влажности не более 95%. Сетевой высокоточный барометр БРС-1М предназначен для измерения атмосферного давления в диапазоне от 5 до 1100 гПа. Барометр имеет электронный датчик давления с температурной компенсацией и соответствует лучшим зарубежным аналогам. Предел допускаемой погрешности от ±0,1 до ±0,2 гПа, в течение трех лет эксплуатации не более ±0,3 гПа. Цифровые барометры фирмы Vaisala Датчик давления DPA21 – это цифровой барометр для измерения атмосферного давления. Измерение осуществляется тремя емкостными анероидами. Диапазон измерения от 500 до 1050 гПа. Погрешности измерения со-ставляют: – в диапазоне от 800 до 1050 гПа ± 0,3 гПа; – в диапазоне от 500 до 800 гПа ± 0,5 гПа. Аналоговые барометры РТВ 100 A/B фирмы Вайсала сконструированы на силиконовых емкостных датчиках давления. Их отличает высокая точность измерения и малое потребление энергии. Диапазоны измерения РТВ 100А от 800 до 1060 гПа, РТВ 100В от 600 до 1060 гПа. Погрешности измерения атмосферного давления у РТВ 100А ± 0,3 гПа, у РТВ 100В ± 0,5 гПа. Авиационный барометр РА21 фирмы Вайсала (рис. 16) базируется на цифровом барометре ДРА21. В дополнение к измерению атмосферного давления он рассчитывает и отображает значение давления QNH, QFЕ и трехчасовую барическую тенденцию. Диапазон и погрешности измерения такие же, как и у ДРА21. |