6 Измерение атмосферного давления

Необходимые приборы и принадлежности: барометр станционный чашечный, барограф метеорологический М-22АН.

Атмосфера, окружающая земной шар, оказывает давление на поверхность земли и на все предметы, находящиеся над землёй.

Атмосферное давление, измеряемое на всех метеорологических станциях, необходимо знать для составления приземных синоптических карт, отражающих состояние погоды в определённый момент времени.

В соответствии с международной системой единиц измерения СИ основной единицей для измерения атмосферного давления является гектопаскаль (гПа). Однако разрешается применять старые единицы: миллибар (мб) и миллиметр ртутного столба (мм рт.ст.):1мб = 1гПа = 0.75 мм рт. ст.; 1мм рт. ст. = 1,333224 мб = 1,333224 гПа.

Среднее давление на уровне моря составляет 760 мм рт. ст., или 1013,2мб. Эта величина принимается за стандартную, или «нормальную». За стандартную величину принимают также давление, равное 1000 мб.

Если определить давление воздуха в двух пунктах, расположенных на разных высотах, то можно найти превышение одного пункта над другим. Существует формула, по которой можно найти эту разность по данным одновременного определения на них давления воздуха.

n = ,

где n – разность высот взятых пунктов, (м);

р и р_n – давление воздуха на пунктах;

t – средняя температура столба воздуха между нижним и верхним пунктами;

- коэффициент расширения газов, равный 0.004.

Наличие водяного пара эта формул не учитывает.

Приведенная формула может быть использована для нахождения высоты, на которую нужно подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на 1 мб. Эта высота называется барической ступенью. В этом случае р - р_n = 1 мб, а р + р_n = 2р. Подставляя эти выражения в приведенную выше формулу, получим следующую формулу для барической ступени:

n =

При помощи формулы барической ступени можно привести давление к уровню моря. Это приведение делают в том случае, если необходимо сравнить между собой наблюдения над давлением воздуха, полученные на разных высотах над уровнем моря.

Пример: Необходимо привести к уровню моря давление в 1000 мб, наблюдавшееся на высоте 200 м при температуре 20⁰С. Допустим, что температура равна 0⁰. Тогда барическая ступень будет 8000:1000 = 8,0 м. Следовательно, при опускании на 8,0 м давление повысится на 1 мб. Так как высота равна 200 м, то при опускании на 200 м давление повысится на 200:8= 25 мб. Тогда давление воздуха на уровне моря будет 1000+25 = 1025 мб. Теперь получим более точное значение барической ступени. Для этого найдем среднее из давлений на нижней и верхней станциях; оно будет (1000+1025):2=1012,5мб. Температура на уровне моря равна 21⁰,2 (т.е. она на 1⁰,2 выше, чем на высоте 200 м). Средняя же температура равна (20+21,2):2 = 20⁰,6. Имея среднее давление и среднюю температуру, можно более точно определить барическую ступень:

n = 8.6 м

Теперь найдем окончательную поправку для определения давления к уровню моря; она равна 200:8,6 = 23,2 мб. Следовательно, действительное давление воздуха на уровне моря будет равно 1000 + 23.2 = 1023.2 мб.

При производстве измерений применяются ртутные барометры, анероиды. Ртутные барометры являются наиболее точными и употребляются в основном для измерения атмосферного давления на метеорологических станциях.

Барометр станционный чашечный (рис. 29) состоит из следующих основных частей:

Рис 29 Барометр станционный чашечный. 1-кольцо, 2-нониус, 3-защитное стекло, 4-оправа, 5-кремальера, 6-барометрическая трубка, 7-термометр, 8-винт, 9-чашка

- барометрической стеклянной трубки 6, запаянной с верхнего конца и заполненной под вакуумом очищенной ртутью;

- чашки 9, состоящей из трёх свинчивающихся частей. Средняя часть чашки имеет диафрагму с отверстиями, которая предохраняет трубку от попадания в неё воздуха. Для сообщения барометра с наружным воздухом в крышке чашки имеется отверстие, закрываемое винтом 8;

- - металлической оправы 4, на которой нанесена шкала от 810 до 1070 мб или от 680 до 1070 мб.

В прорези оправы имеется подвижной индекс с нониусом 2, который перемещается с помощью кремальеры 5; на оправе укреплён термометр 7 для определения температуры барометра, а сверху на нее навинчивается колпачок с кольцом 1 для установки (подвешивания) барометра.

Для предохранения барометра от толчков, встряхиваний, от попадания прямой солнечной радиации, защиты от пыли и прочих физических воздействий барометр устанавливается в барометрическом шкафчике, укреплённом на капитальной стене. Шкафчик устанавливается в служебном помещении метеорологической станции.

Шкафчик имеет застеклённые дверцы, которые при наблюдении легко открываются и не мешают производству отсчетов; на задней стенке шкафчика должна быть прорезь, закрытая матовым стеклом или белой бумагой, которая служит для подсветки мениска ртути в барометре.

Барометр подвешивается свободно, не касаясь чашкой стенок шкафчика. Температура воздуха в помещении станции должна поддерживаться близкой к нормальной (от 15 до 20⁰С); не допустима температура ниже -5⁰С и выше 45⁰С. Запрещается установка барометра вблизи отопительных приборов, окон, дверей. Для освещения трубки и шкалы барометра следует пользоваться электрической лампочкой мощностью не более 25 Вт, которая устанавливается за барометрическим шкафчиком. В исключительных случаях допускается использовать для освещения шкалы барометра электрический фонарик. Запрещается пользоваться спичками и свечами. Освещение барометра следует включать только на период производства измерений во избежание перегрева барометра.

Шкафчик крепится на высоте не менее 70-80 см от пола так, чтобы наблюдатель мог произвести отсчеты по барометру без дополнительной подставки.

Барограф метеорологический М-22АН (рис. 30) состоит из:

- блока мембранных анероидных коробок;

- передаточного механизма;

- регистрирующей части (стрелка с пером и барабан с часовым механизмом);

- температурного компенсатора;

- корпуса.

Блок анероидных коробок состоит из пяти коробок 11, которые скреплены между собой винтовыми соединениями в вертикальный столбик, а воздух из них выкачан. Нижнее основание этого столбика неподвижно укреплено на пластинке температурного компенсатора 14, смонтированного на нижней стороне платы 12 прибора.

Верхняя коробка чувствительного элемента с помощью передаточного механизма соединена со стрелкой 1, на конце которой надето перо.

При увеличении атмосферного давления гофрированные коробки сжимаются, вследствие чего весь столбик коробок укорачивается, что вызывает перемещение свободного верхнего конца столбика и вместе с ним стрелки с пером вверх. При уменьшении атмосферного давления гофрированные коробки расширяются и весь столбик коробок удлиняется, что вызывает перемещение стрелки с пером вниз.

Перо производит запись на диаграммном бланке ЛМ-1М, надетом на барабан 13. Барабан поворачивается вокруг вертикальной оси с помощью часового механизма и обеспечивает равномерное перемещение диаграммного бланка. Продолжительность одного полного оборота барабана 176 ч.

Установка пера стрелки на требуемое деление диаграммного бланка (перевод пера вверх или вниз) осуществляется поворотом установочного винта 4. Стрелка с пером отводится от барабана при помощи отвода стрелки 10. Его поворачивают до упора в направлении движения против часовой стрелки.

Рис. 30 Барограф метеорологический М–22АН.

а – внешний вид, б – механизм барографа, в – вид снизу;

1 – стрелка пера, 2 и 3 – кронштейны, 4 – винт, 5 – рычаг,

6– упор, 7– тяга, 8– ось пера, 9– кнопка отметчика времени,

10 – отвод стрелки, 11 – бароблок, 12 – плата, 13 – барабан,

14-биметаллическая пластина температурного компенсатора

Барограф помещен в пластмассовый корпус с откидной крышкой. Крышка корпуса открывается за рукоятку при одновременном нажиме на кнопку замка.

Отметки времени производятся нажатием кнопки 9, находящейся на стенке корпуса.

Диаграммный блок разделён по вертикали горизонтальными параллельными линиями с ценой деления 2 гПа, а по горизонтали – вертикальными дугообразными линиями с ценой деления, соответствующей 2 ч.

Цифры в верхней части бланка соответствуют часам суток.

Регистрирующая часть барографа состоит из барабана и стрелки с пером.

Барабан (рис. 31) состоит из пластмассового цилиндрического стакана 1, внутри которого укреплен часовой механизм (рис. 31). Часовой механизм приводится в движение пружиной, находящейся в заводном барабане 8.

Через отверстие в дне барабана выведена выходная ось часового механизма, на ней закреплена небольшая шестерня – трибка 9.

Барабан надевается на центральную ось 3, неподвижно закрепленную на основной плате прибора так, чтобы трибка 9 часового механизма вошла в зацепление с шестерней 4, неподвижно закрепленной на оси 3.

При работе часов вращается трибка 9. Она катится по неподвижной шестерне 4, приводит во вращение барабан, который поворачивается вокруг оси 3 в направлении движения часовой стрелки. Трибка может вращаться с некоторым трением на своей оси 10, что позволяет поворачивать барабан вручную как влево, так и вправо с небольшим усилием.

Пружина часового механизма заводится заводным ключом 5 в направлении, указанном стрелкой на верхней крышке барабана.

Регулировка хода часов производится передвижением стрелки регулятора часового хода. Для доступа к регулятору хода часового механизма в верхней крышке сделано отверстие, закрывающееся пробкой 6.

Стрелка с пером отводится от барабана при помощи отвода стрелки для прекращения записи и съема барабана при смене бланков. Отвод поворачивают до упора в направлении движения против часовой стрелки. Опускание пера на поверхность барабана осуществляется поворотом отвода в обратном направлении.

Перо представляет собой небольшую полую пирамидку и заполняется специальными чернилами.

Диаграммный бланк закрепляется на барабане с помощью зажима 7, нижний конец которого вставляется в небольшой прорез выступа дна барабана. Верхний конец зажима загнут в виде крючка и закрепляется на верхнем крае барабана, имеющем в этом месте небольшой вырез.

Рис. 31 Барабан с часовым механизмом.

а) – общий вид, б) – разрез; 1 – пластмассовый стакан, 2 – основание, 3 – центральная ось, 4 – неподвижная шестерня, 5 – заводной ключ, 6 – пробка, 7 – зажим, 8 – заводной барабан, 9 – трибка, 10 – ось трибки.

Барограф должен быть установлен в служебном помещении горизонтально на специальной полке (столе и т.д.). Часовой механизм барабана заводится регулярно один раз в неделю (понедельник) после производства наблюдений и передачи оперативной телеграммы в срок, ближайший к 14 ч поясного декретного (зимнего) времени. В то же время производится смена диаграммных бланков.

Задание

1 По заданной величине атмосферного давления, температуре воздуха и высоте метеостанции привести давление к уровню моря.

2 Ознакомиться с устройством чашечного барометра.

3 Ознакомиться с принципом действия барографа и назначением отдельных его частей.

Записи оформить в тетрадь.