Осень 13-весна 14 курс 1-2 ОрТОР (сейчас это называют ТОЛААД) / АМ / АVSE_LB-Raboty

11

пластины с помощью передаточного меха¬низма преобразуется в перемещение стрелки с пером по диаграммной ленте, закрепленной на барабане часового механизма.

Рис.7. Термограф.

Часовые механизмы выпускаются двух видов: суточные и недельные. Часы могут работать при изменении температуры воздуха в пределах -35° – +45°С, погрешность хода суточного часового механизма составляет ± 5 мин за 24 часа, недельного ± 30 мин за 168 часов.

Диаграммная лента термографа разделена по горизонтали линиями с ценой деления 1°С, а по вертикали – дугообразными линиями с ценой деления 15 мин для суточного и 2 ч для недельного. Прибор имеет приспособление, с помощью которого на диаграммной ленте пером стрелки можно делать отметки (засечки) времени записи, не открывая корпуса.

Возможные диапазоны регистрации температуры: -45 – +45°С; -25 – +35°С; -35 – +55°С. Допускается погрешность ± 1°С.

Начальная установка пера стрелки на требуемом делении диаграммной ленты осуществляется с помощью установочного винта.

Термографы устанавливаются на метеорологической площадке в специальной будке для самописцев, аналогичной психрометрической будке по своему устройству. Термограф располагается на нижней полочке будки так, чтобы его чувствительный элемент находился в 2 м от земли.

Приборы для измерения и регистрации влажности воздуха

Влажность воздуха измеряется с помощью психрометров и гигрометров, а для непрерывной записи относительной влажности используется гигрограф.

Станционный психрометр состоит из двух ртутных метеорологических термометров, установленных вертикально в психрометрической будке (рис.8).

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

12

«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.

Рис. 8. Станционный психрометр.

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) (рис.9). 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-

13

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 показания 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.

Рис.9. Психрометр аспирационный.

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%.

14

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 (рис.10).

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.

Рис. 10. Волосной гигрометр.

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

15

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(рис.11).

Рис.11.Пленочный гигрометр. 1-органическая пленка, 2-стрелка, 3-шкала 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 (рис. 11).

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

16

контролировать (рис.12).

Рис.12. Гигрограф.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА

Влажность воздуха – содержание в атмосферном воздухе водяного пара, выраженное в абсолютных или относительных единицах. Влажность принято выражать через характеристики: упругость водяного пара е , точка росы (td или ) , дефицит точки росы td , абсолютная влажность а , удельная влажность q, относительная влажность f .

Упругость водяного пара е – это парциальное давление водяного пара, измеренное в единицах давления (в гектопаскалях гПа). При данной температуре упругость водяного пара не может превышать некоторого предельного значения, называемого упругостью насыщения Е.

Упругость насыщения – это максимально возможная упругость при данной температуре.

Точка росы (td или ) – температура, при которой воздух достигает состояния насыщения при данном содержании водяного пара и неизменном давлении. Для ненасыщенного воздуха td < t.

Дефицит точки росы – разность между температурой воздуха и точкой росы:

Абсолютная влажность а – масса водяного пара в граммах в одном кубическом

где е – упругость водяного пара, гПа;= 0,004 – термический коэффициент объемного расширения воздуха; t – температура воздуха в °С.

Удельная влажность q – количество водяного пара в граммах в одном килограмме влажного воздуха:

где Р – давление воздуха, гПа;

17

е – упругость водяного пара, гПа.

Относительная влажность f – процентное отношение фактической упругости водяного пара, содержащегося в воздухе, е , к упругости насыщения в условиях одинаковой температуры:

(4)

где е – упругость водяного пара, гПа; Е – упругость насыщения, гПа.

Дефицит насышения d – разность между максимально возможной упругостью водяного пара при данной температуре воздуха (упругость насыщения) Е и фактической упругостью находящегося в воздухе водяного пара е :

– . (5)

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:

где tv – 0,608qt – 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.

В основу таблиц положена зависимость упругости насыщения водяного пара от температуры. Психрометрические таблицы состоят из 8 отдельных таблиц [4].

Электроизмерительные датчики температуры и влажности.

Датчик температуры и влажности НМР35Д предназначен для дистанционного измерения температуры воздуха в диапазоне от -40 до +60°С и отно-сительной влажности от 0 до 100% (датчик финской фирмы Vaisala рис. 15).

Погрешность измерения влажности ± 2% (от 0 до 90%) и ± 3% (от 90 до 100%). Напряжение питания от 7 до 35 В постоянного тока. Потребляемый ток < 4 мА.

Датчик может быть сопряжен с широким рядом измерительного оборудования, таким, как регистраторы, блоки управления, дисплеи, самописцы.

Датчик температуры ДТS12А фирмы Vaisala водозащищенный, стойкий к погодным изменениям. Может работать как по принципу мостового сопротивления (трехпроводное подключение), так и по принципу постоянного тока (четырехпроводное подключение).

Диапазон измерения от -60 до +80°С. Погрешность ±0,08°С.

Радиационная защита ДТR 13 (фирма Vaisala) с фибергласовым покры-тием служит для защиты датчиков температуры и влажности от солнечной радиации и осадков и крепится на кронштейне для датчиков.

Электроизмерительные датчики температуры и влажности находят широкое применение в аэродромных автоматизированных метеостанциях.

18

Контрольные вопросы к работе:

1.Какие требования предъявляются к точности измерения температуры воздуха для метеорологического обеспечения авиации?

2.Какие термометры бывают по принципу действия?

3.Какие термометры бывают по назначению?

4.На каком принципе основаны психрометрический и гигрометрический способы определения влажности?

5.Дать определения основных характеристик влажности воздуха.

6.Дать краткие характеристики конструкции и принципа действия самописцев температуры и влажности воздуха.

7.Какая температура называется виртуальной и для каких целей она рассчитывается?

8.Где и как используются данные о влажности воздуха в метеорологическом обеспечении авиации?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2 ИЗМЕРЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ

(Время: 2 – 4 ч)

Цель работы: изучить устройство приборов и методику измерения давления в аэропортах ГА; получить навыки измерения давления и выполнения расчетов, необходимых для практических целей обеспечения полетов.

Перед выполнением работы необходимо изучить приборы для измерения и регистрации атмосферного давления:

-станционный чашечный ртутный барометр;

-металлический барометр-анероид;

-барограф.

Порядок выполнения

1.Кратко описать приборы измерения и регистрации атмосферного давления.

2.Снять показания по ртутному барометру и барометру-анероиду, рассчитать необходимые поправки, ввести их в показания приборов и определить истинные значения атмосферного давления Рн(РБ), Рн(БА) на высоте установки барометров.

3.Перевести измеренное давление в другие системы единиц (если измерялось в гПа, то в мм рт. ст., если в мм рт. ст. – то в гПа).

4.Полученное значение давления по ртутному барометру Рн(РБ) привести к уровню моря (Р0) по барометрической формуле Лапласа.

5.Вычислить высоты главных изобарических поверхностей Н700 и Н300 (гПа) и сравнить и с высотами в стандартной атмосфере.

6.Рассчитать величину барической ступени h на высоте установки ртутного

барометра по значению Рн(РБ) и температуре воздуха. Сравнить полученное значение с величиной h на пятом этаже учебного здания (давление измерить барометром-анероидом).

7.По формуле Бабине определить превышение пятого этажа учебного здания над вторым.

8.В соответствии с заданными преподавателем вариантами значений давления на аэродроме и его высоты над уровнем моря определить давление QNH.

9. По недельному барографу определить величину Р / τ и характер изменения Р за последние 3 часа.

Оборудование. Ртутный барометр. Металлический барометр-анероид. Недельный

19

барограф. Содержание отчета

1.Краткое описание устройства ртутного барометра, барометра-анероида и недельного барографа, физического смысла поправок, вводимых в отсчет барометров.

2.Результаты измерения давления.

3.Приведение давления к уровню моря.

4.Расчет давления QNH.

5.Расчет высот изобарических поверхностей.

6.Расчет величины барической ступени.

7.Определение величины и характеристики барической тенденции.

Результаты измерений давления и расчеты представить в виде таблицы (табл. 3).

Литература: [1-3, 6-7].

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Атмосферное давление является одной из основных физических характеристик атмосферы, оказывающих существенное влияние на эксплуатацию и полеты ВС, на безопасность полетов.

При метеорологическом обеспечении полетов используется следующая информация об атмосферном давлении:

-давление на уровне порога ВПП в мм рт. ст. или гПа для обеспечения взлета и посадки ВС (QFE);

-давление на уровне моря в гПа (наносится на синоптические карты, передается кодом КН-01, используется для расчета абсолютных высот изобарических поверхностей);

-давление минимальное на маршруте, приведенное к уровню моря (используется при полетах ниже нижнего эшелона на местных воздушных линиях);

-давление на маршруте, приведенное к уровню моря по условиям стандартной атмосферы (QNH), в гПа.

Единицей измерения давления в метеорологии является гектопаскаль (гПа) и миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.).

1 мм рт. ст. = 1,33 гПа; 1 гПа = 0,75 мм рт. ст.

На станциях, расположенных на 500 м и ниже над уровнем моря, измеренное давление приводится к уровню моря, а на станциях выше 500 м к высоте ближайшей главной изобарической поверхности.

Приведение давления к уровню моря может производиться по барометрической формуле Лапласа:

20

(1)

где Н – превышение станции над уровнем моря, м; Рн – измеренное давление на уровне станции; Р0 – давление на уровне моря;

tср – средняя температура слоя между Рн и Р0, практически принимают tср ≈ tн; α – коэффициент объемного расширения воздуха (α = 0,004).

Практически на станциях для расчетов Р0 составляют специальные таблицы. Поскольку для данной станции Н = const, то Р0 = F (Рн, tн).

Для небольших разностей высот (менее 1000 м) приведение давления к уровню

где Рн1, Рн2 – давление на ниже и вышележащих уровнях соответственно.

Для расчета высот изобарических поверхностей Н в геопотенциальных метрах (гпм) используется формула:

(3)

где Тср – средняя температура слоя (Р0 – Рн) , оК; Рн – давление изобарической поверхности.

Изменение давления с высотой можно приближенно оценивать, используя понятие барической ступени – высоты, на которую нужно подняться или опуститься, чтобы давление изменилось на единицу 1 гПа или 1 мм рт. ст.

Для расчета барической ступени h используется формула:

где Рн и tн – давление и температура воздуха на данном уровне.

Давление QNH (Question normal height) – давление аэродрома, приведенное к среднему уровню моря по условиям стандартной атмосферы. Расчет QNH производится по значениям давления на аэродроме (Рн) и высоты аэродрома над уровнем моря (Н).

Порядок расчета значения QNH следующий:

по Таблице СА соответственно значению Рн интерполяцией находится стандартная барометрическая высота Нр;

определяется разность высоты Нр и высоты аэродрома Н:

по Таблице СА соответственно значению Н интерполяцией находится величина давления QNH.

Давление QNH указывается в регулярных сводках фактической погоды на аэродроме METAR, распространяемых за его пределы.

В данных сводках значение QNH округляется до меньшей величины ближайшего гПа.

Пример вычисления QNH:

Высота аэродрома над уровнем моря Н = 208 м, давление на уровне аэродрома Рн = 986,3 гПа.

-по Таблице СА (табл. 4) значению Рн = 986,3 гПа, соответствует стандартная барометрическая высота Нр = 228 м;

-Н = Нр – Н = 228 – 208 = 20 м;

- по Таблице СА значению Н = 20 м соответствует давление QNH, равное

1010,8 гПа.