5.2. Устройство и принцип работы приборов для измерения характеристик
влажности воздуха и осадков.
Для измерения характеристик влажности воздуха используются следующие приборы: 1) станционный и аспирационный психрометры,
2) волосной гигрометр и 3) гигрограф.
Станционный психрометр( см. рис.4.4). Прибор состоит из двух одинаковых психрометрических термометров ТМ-4 с ценой деления 0,2 °С. Левый термометр психрометра принято называть сухим, правый – смоченным.
Психрометрические термометры устанавливают на штативе в психрометрической будке. Резервуар смоченного термометра плотно обертывается батистом, и нижний конец его погружается в стаканчик с дистиллированной водой (для смачивания батиста применяется только дистиллированная вода). Стаканчик устанавливается в проволочном кольце, закрепленном на штативе. Для защиты воды от загрязнения стаканчик закрывается стеклянной или металлической крышкой с прорезью. Штатив с термометрами устанавливается в психрометрической будке (см. рис. 4.5).
Принцип работы с психрометром заключается в том, что вначале отсчитываются и записываются десятые доли, а затем – целые градусы. Наблюдения по психрометру проводятся при любой положительной температуре воздуха. При отрицательных температурах – только до (-10 °С), так как при более низкой температуре результаты наблюдений становятся ненадежными. При температуре воздуха ниже 0 °С кончик батиста на смоченном термометре обрезается. Батист смачивают за 30 мин до начала наблюдений, погружая резервуар термометра в стаканчик с водой. При отрицательной температуре вода на батисте может быть не только в жидком состоянии (переохлажденная вода), но и в твердом (лед). По наружному виду установить это весьма трудно. Для этого необходимо прикоснуться к батисту карандашом, на конце которого имеется кусочек льда или снега, и следить за показанием термометра. Если в момент прикосновения столбик ртути повысится, то на батисте была вода, которая перешла в лед; при этом выделилась скрытая теплота, за счет чего и увеличилось показание термометра. Если же от прикосновения к батисту показание термометра не меняется, это значит, что на батисте был лед, и изменения агрегатного состояния не происходит.
Учет агрегатного состояния воды на резервуаре смоченного термометра весьма важен, так как максимальная упругость водяного пара, входящая в психрометрическую формулу, над водой и льдом различна.
Определение характеристик влажности воздуха по показаниям психрометра производится с помощью психрометрических таблиц. В них приведены
рассчитанные по психрометрическим формулам значения td, е, f и d для разных сочетаний t и t′ при постоянной А, равной 0,0007947 и атмосферном давлении 1000 гПа. Если давление воздуха больше или меньше 1000 гПа, к характеристикам влажности вводятся поправки. Поправку к упругости водяного пара находят в табл. 3 (а, б, в) психрометрических таблиц по величине атмосферного давления и разности показаний сухого и смоченного термометров. При атмосферном давлении меньше 1000 гПа, эта поправка положительна, если давление превышает 1000 гПа, ее вводят со знаком минус.
Физический смысл этой поправки заключается в том, что с изменением атмосферного давления при одном и том же количестве водяного пара в воздухе скорость испарения с поверхности смоченного термометра не остается постоянной, а следовательно, и его показания меняются. Если давление атмосферы в момент наблюдений ниже 1000 гПа, скорость испарения будет больше чем при 1000 гПа, показания смоченного термометра и упругости водяного пара окажутся заниженными, поэтому поправка вводится со знаком плюс.
Аспирационный психрометр Ассмана. Психрометр имеет следующее устройство. Два термометра (сухой – 1, смоченный – 2) вставлены в металлическую оправу (рис. 5.1). Между термометрами проходит трубка 3, раздваивающаяся в нижней части. По бокам оправы установлены защитные пластинки 4. Верхний конец трубки соединен с аспиратором 7, имеющим
Рис. 5.1. Аспирационный психрометр
пружинный механизм. После завода этого механизма ключом 8, аспиратором просасывается воздух через нижние трубки 5 и 6 и выбрасывается наружу через прорези аспиратора. В трубках имеются вторые цилиндры, защищающие от механических повреждений резервуары термометров 10 и 11. Резервуар правого термометра обвернут коротко обрезанным батистом. На аспираторе имеется окошечко 13 для наблюдения за скоростью вращения барабана, в котором помещена пружина. К психрометру прилагается ветровая защита 12, которая надевается на аспиратор при скоростях ветра более 4 м/с с наветренной стороны. Для смачивания батиста правого термометра используют резиновую грушу с пипеткой 9 .
Принцип работы аспирационного психрометра заключается в том, что прибор перед измерениями выносят на площадку летом за 15 минут до наблюдений, а зимой – за 30 минут. За 4 минуты до отсчета батист смачивают дистиллированной водой, предварительно набранной в резиновую грушу. После смачивания правого термометра заводят аспиратор, в котором создается скорость 2 м/с. Во время отсчета температуры по сухому и смоченному термометрам следует стоять так, чтобы прибор был ориентирован в сторону, откуда дует ветер. Первый отсчет производится через 3 минуты, а 2 и 3 отсчеты – через 2 минуты после очередного отсчета. После второго отсчета, как правило, делают дозаводку психрометра, чтобы исключить замедление скорости вращения барабана. Зимой первый завод выполняют за 30 минут до наблюдений, а за 4 минуты до измерения производится вторичный завод.
Характеристики влажности воздуха по данным аспирационного психрометра вычисляют с помощью тех же психрометрических таблиц. Для приведения показаний упругости водяного пара к табличным условиям кроме поправки, зависящей от давления, вводится поправка на скорость аспирации. Она имеет знак плюс при любой величине атмосферного давления, так как скорость движения воздуха, обтекающего резервуары аспирационного психрометра, выше, чем в будке. Поэтому испарение и затрата тепла на него возрастают, а температура смоченного термометра понижается по сравнению с условиями для прибора.
По абсолютной величине поправка на скорость аспирации значительно больше поправки на давление. Поэтому общая поправка к смоченному термометру аспирационного психрометра при любых значениях атмосферного давления имеет знак плюс.
В «Психрометрических таблицах» суммарная поправка на давление и скорость аспирации вводится непосредственно к парциальному давлению водяного пара. Она определяется по разности температур сухого и смоченного термометров и величине атмосферного давления с помощью специальных таблиц, приведенных в психрометрической таблице.
В «Психрометрических таблицах» величины влажности воздуха по
данным аспирационного психрометра определяются так же, как и по данным станционного. Разница состоит в том, что поправка к парциальному давлению водяного пара на атмосферное давление и скорость аспирации определяется по разным таблицам в зависимости от разности показаний сухого и смоченного термометров.
Волосной гигрометр (рис. 5.2). Основной частью волосного гигрометра является обезжиренный (обработанный в эфире и спирте) человеческий волос, обладающий свойством изменять свою длину под влиянием изменения
влажности воздуха. При уменьшении влажности воздуха волос 1, укрепленный на раме 2, укорачивается, при увеличении удлиняется. Верхний конец волоса прикреплен к регулировочному винту 3, с помощью которого можно менять положение стрелки 5 на шкале 4 гигрометра. Нижний конец волоса соединен с блоком в виде дужки, сидящей на стержне. Грузик этого блока служит для натяжения волоса. На оси блока укреплена стрелка, свободный конец которой при изменении влажности перемещается по шкале.
Цена деления шкалы гигрометра – 1% относительной влажности. Деления на шкале неравномерны: при малых значениях влажности (до 30%) они крупнее, а при больших (выше 60%) – мельче.
Применение такой шкалы обусловлено тем, что изменение длины волоса идет быстрее при малых величинах влажности и медленнее при больших ее значениях. Гигрометр рассчитан на работу при температурах окружающего воздуха от (–50 до +55 °С).
Рис 5.2. Волосной гигрометр
Принцип работы гигрометра. Гигрометр волосной устанавливается в той же психрометрической будке, где помещается станционный психрометр и крепится на штативе между сухим и смоченным термометрами (см. рис 4.5). Отсчет по гигрометру, с точностью до целого деления, проводится сразу же после отсчета по психрометрическим термометрам, чтобы разница во времени между наблюдениями была менее 30 сек. Необходимо учесть, что
волосной гигрометр – относительный прибор. Поэтому его показания сравнивают с показаниями психрометра. Для этого в течение одного месяца до наступления морозов строят график по ежедневным отсчетам психрометра и волосного гигрометра. На миллиметровой бумаге, по оси абсцисс откладывают значения относительной влажности воздуха по гигрометру, по оси ординат — относительную влажность по психрометру ((рис. 5.3). Затем через середину полосы, где точки легли более густо, проводят плавную линию так, чтобы по обе стороны от нее было по возможности одинаковое количество точек. Затем, пользуясь этой линией, для любого показания гигрометра можно найти соответствующее значение относительной влажности по станционному (или по аспирационному) психрометру. Например, если отсчет по гигрометру был 60%, то исправленное значение относительной влажности будет 57%. Для удобства на графике строят переводную таблицу. В первом вертикальном столбце (десятки), а в первой горизонтальной строке верху приведены единицы шкалы гигрометра. В клетки выписываются значения
Рис. 5.3. График поправок гигрометра волосного
относительной влажности, снятые с кривой. Пользуясь этой таблицей, по показаниям гигрометра находят исправленные значения относительной влажности воздуха.
Установка стрелки на соответствующее деление шкалы производится по показаниям относительной влажности, рассчитанной по психрометру до составления графика поправок, так как всякое перемещение стрелки вызывает изменение поправок гигрометра.
В зимнее время года волосной гигрометр является единственным прибором для определения величины относительной влажности воздуха.
Гигрограф предназначен для непрерывной регистрации изменений относительной влажности воздуха (рис.5.4).
Рис. 5.4. Схема гигрографа
Приемной частью прибора является пучок обезжиренных человеческих волос 1, прикрепленный к раме. Изменение длины волос с помощью системы рычагов 3 и 4 передается на стрелку 5 и на перо 6. В средней части пучок волос оттянут при помощи крючка 2, соединенного с осью криволинейного рычага 3, вращающегося около горизонтальной оси. Криволинейный рычаг скользит по другому криволинейному рычагу 4, соединенному общей осью с длинной стрелкой 5, имеющей на конце перо 6. Кривизна криволинейных рычагов рассчитана так, чтобы обеспечить равномерное перемещение пера на ленте при неравномерных изменениях длины пучка волос. Таким образом, деления на ленте по всей шкале влажности в отличие от шкалы гигрометра остаются одинаковыми. Для регулировки пера гигрографа служит винт 7, с помощью которого можно сблизить между собой концы пучка волос, или, наоборот, удалить их друг от друга и тем самым сместить перо на ленте. Отвод стрелки с пером 5 от барабана часового механизма 6 для прекращения записи и съема барабана при смене диаграммной ленты осуществляется поворотом отвода стрелки до упора против часовой стрелки. Опускание пера на поверхность барабана осуществляется поворотом отвода до упора в обратном направлении. Прибор снабжен приспособлением – кнопкой засечки на ленте, не открывая крышки гигрографа. Легким нажимом на кнопку, находящуюся на торцевой стенке корпуса, можно делать на диаграммной ленте засечки времени наблюдений. Регистрирующая часть гигрографа устроена так же, как и у других самописцев. Запись производится на ленте, надетой на барабан с часовым механизмом. В зависимости от скорости оборота барабана гигрограф может быть суточным или недельным.
Принцип работы гигрографа заключается в том, что при изменении влажности воздуха длина пучка волос либо укорачивается (при сухой погоде), либо удлиняется по мере повышения влажности воздуха. Это изменение через систему рычагов передается на перо самописца, который регистрируется на ленте. Вначале значение влажности воздуха на ленте устанавливается по величине ƒ, рассчитанного по показаниям аспирационного психрометра.
Обработка лент гигрографа производится графическим методом. Для этого по отсчетам психрометра в срочные часы и отсчетам, снятым с лент гигрографа для тех же моментов времени, составляют график и таблицу подобно тому, как это делается для гигрометров (см. рис. 5.3). Дальнейшая обработка заключается в том, что для каждого отсчета, снятого с ленты гигрографа, в таблице находят исправленные значения относительной влажности. Отсчеты по ленте гигрографа, как и по гигрометру, снимаются с точностью до 1%.
Важными характеристиками осадков, выпадающих из облаков, являются количество и интенсивность. Количество осадков выражается толщиной слоя воды в миллиметрах, который образовался бы на горизонтальной поверхности при условии, что выпавшие осадки не просачивались бы в почву, не стекали и не испарялись. Их обычно измеряют с точностью до 0,1 мм. Слой осадков в 1 мм на площади 1 га составляет 10 м3 воды (0,001 м х 10 000 м2). Поэтому для перевода выпавших осадков в м3/ га необходимо их количество, измеренное в миллиметрах, умножить на 10. Интенсивность осадков выражается их количеством в миллиметрах, выпавшим за 1 мин (мм/мин).
Измерение количества осадков производится осадкомерами и дождемерами, регистрация интенсивности выпадающих осадков – плювиографом.
По конструкции осадкомеры очень просты: приемной емкостью служит цилиндрическое ведро, устанавливаемое на столбе так, чтобы верхний край был на уровне 2м от поверхности земли. К нему прилагается конусообразная защита, служащая для уменьшения завихрений, образующихся в воздушном потоке вокруг цилиндрического ведра. Наиболее распространенным прибором для измерения осадков служит осадкомер Третьякова 0-1. В полевых условиях при микроклиматических измерениях используют полевой дождемер М-99.
Осадкомер Третьякова 0-1 снабжен следующими частями: к нему прилагается два цилиндрических ведра 1, планочная защита 2, таганок для установки ведра на столбе (или на треноге) 3, лестница 4 и измерительный стакан 5(рис. 5.5). Ведро осадкомера имеет высоту 40 см и площадь приемной поверхности 200 см2. Внутри ведра впаяна диафрагма в виде усеченного конуса для предотвращения выдувания снега в зимнее время. В летнее время для
уменьшения испарения осадков из ведра конус закрывается воронкой. Слив выпавших осадков производится через отверстие с носиком, припаянным на корпусе ведра. На носик одевается колпачок для исключения попадания в ведро посторонних предметов и от испарения. Для уменьшения влияния ветра на количество осадков, попавших в ведро, применяется ветровая защита, состоящая из 16 трапециевидных планок. Верхние концы планок отогнуты во внешнюю сторону и находятся на одной высоте с верхним краем ведра. Крепятся они за ушки на металлическом кольце, которое с помощью четырех
кронштейнов соединено с таганком. Планки расположены на равном расстоянии друг от друга и соединены между собой внизу и вверху цепочками.
Рис. 5.5. Общий вид осадкомера 0-1 и измерительного стаканчика
Осадки измеряют четыре раза в сутки: в сроки 3, 9, 15, и 21 час. Для этого ведро с осадками закрывают крышкой, снимают с таганка, вместо него ставят второе ведро и уносят в помещение. Там через сливное отверстие осадки выливают в измерительный стакан. Зимой перед сливом осадки оттаивают.
Измерительный стакан имеет 100 делений. Цена каждого деления равна 2 см3. При приемной площади ведра в 200 см2 каждое деление будет соответствовать 0,1 мм высоты слоя осадков в ведре. Если количество осадков превышает емкость измерительного стакана, их измеряют в два или несколько приемов. Число делений записывают после каждого измерения. Затем определяется общая сумма осадков в мм.
Рис. 5.6. Полевой дождемер
жидких осадков, выпадающих на поверхность земли. Часто его используют при микроклиматических измерениях на сельскохозяйственных полях. Кроме того, его используют на лесных географических стационарах при оценке распределения осадков под пологом леса.
Дождемер полевой М-99 представляет собой стеклянный мерный стакан высотой 34 см с расширенной верхней частью, являющейся приемником осадков. Приемная поверхность дождемера 30 см2. На узкой части стакана нанесены деления в мм слоя воды. Число делений 60. Цена деления 1 мм. В комплект дождемера входит воронка, служащая для уменьшения испарения осадков, попавших в стакан. Устанавливают дождемер в деревянный защитный кожух, закрывающий его нижнюю часть.
Плювиограф П-2 предназначен для непрерывной регистрации количества продолжительности и интенсивности выпадающих жидких осадков.
Рис. 5.7. Общий вид плювиографа (а) и его внутреннее устройство (б)
Общий вид плювиографа приведен на рис. 5.7(а). Его внутреннее устройство представлено на рис. 5.7 (б). Прибор состоит из корпуса, поплавковой камеры, механизма принудительного слива и регистрирующей части.
Принцип работы плювиографа заключается в том, что осадки попадая в приемную площадь(500 см2) через воронку 1 и сливную трубу 2 попадают в цилиндрическую камеру 3, где имеется полый металлический поплавок 4. Поплавок соединен со стержнем 5, на котором укреплена стрелка самописца с пером 6. Рядом с поплавковой камерой на расстоянии стрелки устанавливается барабан 7 с суточным часовым механизмом. На барабан накладывается лента. В отличие от других лент самописцев, на ленте плювиографа вертикальные линии проведены через 10 минут, а горизонтальные линии – через 0,1 мм осадков. При переполнении камеры осадками происходит их самослив через отверстие с трубкой 8, соединенного со стеклянным сифоном 9. Сифон с трубкой плотно закрепляется муфтой 10. Вылившаяся дождевая вода попадает в водосборный сосуд 11, находящийся в нижней части корпуса.
Таким образом, при выпадении осадков вода из приемного сосуда попадает в поплавковую камеру, поднимая вверх поплавок. Перо стрелки, плотно закрепленное на стержне поплавка, тоже поднимается и начинает писать на ленте кривую линию, угол наклона которой зависит от интенсивности осадков. Как только осадки заполнят поплавковую камеру до уровня, на котором находится колено сифона, начинается слив воды из камеры в водосборный сосуд. (Количество осадков потом измеряется и служит для контроля сумм осадков, зарегистрированных плювиографом). В момент слива перо опускается вниз и чертит на ленте вертикальную линию от верхнего края до нулевого положения. Если осадки продолжают выпадать, поплавковая камера снова наполняется водой и перо продолжает запись, поднимаясь вверх. Если осадки прекращаются, перо на ленте чертит горизонтальную линию. Ленты плювиографа меняют ежедневно, если был дождь (хотя и слабый). При смене лент заводят часовой механизм. В сухую погоду одну ленту используют пять-шесть дней. Обработку производят для каждого дождя. По записи на ленте отмечают время начала и конца дождя, записывают количество осадков, выпавших за каждый час, вычисляют общую сумму осадков за 24 ч и интенсивность дождя в 1 мин (мм/ мин).
Плювиограф устанавливают горизонтально на открытой площадке на специальном столбе, укрепленном для надежности проволочными растяжками. Верхний край плювиографа должен быть на высоте 2 м от поверхности почвы. Осенью из плювиографа вынимают барабан и поплавковую камеру и откладывают на хранение. Приемную часть корпуса закрывают крышкой 12.
В труднодоступных местах для измерения осадков используют суммарные осадкомеры, а также автоматические радиометрические установки.