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

21

Таблица 4 Таблица стандартной атмосферы (по уровням высот от -180 до 600 м)

Примечание: Звездочкой (*) обозначено давление стандартной атмосферы по таблице ICAO, без звездочки – давление проинтерполированное.

Приборы для измерения и регистрации давления у земной поверхности Станционный чашечный ртутный барометр на метеорологических станциях

является основным прибором для измерения атмосферного давления в приземном слое (рис. 13,а).

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

22

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.

Рис. 13. Станционный чашечный ртутный барометр: а) внешний вид; б) положение глаза наблюдателя при снятии показаний

В прорези оправы находится подвижное кольцо с нониусом для точного отсчета положения мениска ртути в трубке (рис.14). 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 труб¬ке 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

23

краям (рис. 13,б);

– отсчитывают целые единицы давления по основной шкале и десятые доли по нониусу.

Рис.14. Нониус станционного чашечного барометра.

Чтобы получить истинное значение давления, в данные измерения нужно ввести

бюро поверки и корректируется на станции инспектором с помощью специального

возникающей за счет изменения высоты столба ртути и длины латунной шкалы барометра в зависимости от температуры воздуха. Она может быть рассчитана по формуле:

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:

Поправка на широту места 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

24

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:

(8)

где φ – географическая широта места установки барометра.

Знак поправки определяется как знак cos2φ. От 0 до 45° поправка отрицательная, а от 45° до 90° – положительная.

Ha практике Рн и 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

Металлический барометр-анероид. При отсутствии ртутного барометра и в полевых условиях для измерения давления пользуются металлическим барометроманероидом (рис.15). 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 (рис.16), 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 стрелкой 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 гПа;

–в полученную величину давления вводят поправки.

В показания анероида вводятся три поправки: шкаловая, температурная и добавочная.

Шкаловая поправка Ршк вводится для устранения погрешностей, вызван¬ных неточностями в изготовлении передаточного механизма. Ее получают путем сравнения (по всей шкале) показаний анероида и инспекторского ртутного барометра.

Температурная поправка 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.

25

Она вычисляется по формуле:

где с – температурный коэффициент анероида, т.е. изменение показаний прибора при изменении температуры на 1°С.

При положительных температурах поправка 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.

Рис.15. Металлический барометр-анероид.

Рис. 16. Металлический барометр-анероид, внутреннее устройство

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:

(11)

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.17). 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.

Рис.17.Барограф.

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 изменения 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%.

27

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 составляют:

–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 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.

Контрольные вопросы:

1.Какие поправки вводятся в показания ртутного барометра и каков их физический смысл?

2.В чем состоит принцип измерения давления металлическим барометроманероидом?

3.Поясните смысл поправок, вводимых в отсчет барометра-анероида.

4.Почему давление нужно приводить к уровню моря?

5.На каких станциях приводят давление к уровню моря?

6.Укажите формулу для приведения давления к уровню моря.

7.От каких физических характеристик атмосферы зависит величина барической ступени?

8.Какие наблюдения производятся с помощью барографа?

9.Дайте определение давления QNH.

10.Дайте определение давления QFE.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3 ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВЕТРА В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ И

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ В СВОБОДНОЙ АТМОСФЕРЕ.

(Время 2 – 4 ч)

Измерение характеристик ветра в приземном слое атмосферы

Цель работы: Изучить методику определения скорости и направления ветра у земли; научиться оценивать характеристики сдвига ветра в приземном слое атмосферы.

28

Порядок выполнения

1.Изучить приборы для измерения ветра у земли и сделать их краткое описание (анемометр Фусса, анемометр ручной индукционный АРИ-49, анемометр WAA151, флюгер WAF151, дистанционная метеорологическая станция М-49, анеморумбометр М63М-1, М127МП, анеморумбограф М-64М).

2.Определить среднюю скорость ветра (в м/с) по индукционному анемометру и анемометру Фусса за 2-х минутный интервал.

3.Снять показания метеорологических параметров по М-49.

4.Определить значение мгновенной, а также средней, максимальной скорости ветра и направление ветра за 2 и 10 минут по анеморумбометру М63М-1.

5.Произвести оценку вертикального сдвига ветра по данным, полученным М6ЗМ-

1у земли и на уровнях 30 и 100 м (в соответствии с заданием преподавателя).

6.Выполнить другие расчетные задания в соответствии с указаниями преподавателя.

Оборудование: приборы для измерения и регистрации характеристик ветра у земли.

Содержание отчета Краткое описание устройства, принципа действия, диапазона и погрешностей

измерения ветра у земли различными приборами. Результаты измерения и расчетов в соответствии с порядком выполнения лабораторной работы и заданиями преподавателя.

Результаты измерений характеристик ветра у земли и расчеты представить в виде таблицы (табл. 5).

Таблица 5

Результаты измерений и расчетов

Наименование приборов

Литература: [1-3, 6-7].

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Требования к измерению характеристик ветра для обеспечения авиации

Ветром называется горизонтальное перемещение воздуха относительно земной поверхности. Основные его характеристики – направление d и скорость U. Направление ветра метеорологическое выражается в градусах или румбах той части горизонта, откуда дует ветер. Градусы отсчитывают от северного направления географического меридиана по часовой стрелке от 0 до 360° . В аэропортах, где наблюдается большое магнитное склонение (δ ≥ 5о), экипажам ВС при посадке

29

сообщают направление ветра с учетом этого склонения – магнитный ветер:

где d – метеорологическое направление ветра.

В воздушной навигации при расчетах используют навигационный ветер, направление которого определяется той частью горизонта, куда дует ветер:

(2)

Скорость ветра измеряется в метрах в секунду, в некоторых странах в узлах (1

узел = 0,5 м/с).

Скорость и направление ветра на аэродромах измеряется на высоте 6-12 м от поверхности ВПП. В этих целях используют специальные мачты, на которых укрепляются датчики ветра.

Турбулентный характер ветра в приземном слое атмосферы обуславливает сложную картину пространственно-временной изменчивости его характеристик. Эти изменения представляют собой случайный процесс, при котором мгновенные значения скорости и направления ветра непрерывно колеблются около их средних значений, устойчивых в течение достаточно большого интервала времени t и могут быть представлены функциями следующего вида:

Для оперативного обеспечения авиации информация о ветре должна быть репрезентативной (характерной) во времени на период выполнения различных этапов полета. По рекомендациям ИКАО и ВМО принято двухминутное определение характеристик ветра для обеспечения взлета, посадки, руления, и десятиминутное при обеспечении ВС, находящихся на подходе, на кругу, а также для межаэродромного обмена метеоинформацией сводками METAR.

Наряду со средней скоростью ветра производится также оценка порывистости ветра, которая характеризуется максимальными значениями мгновенной скорости за десятиминутный интервал независимо от фактического времени осреднения (2 или

10 мин).

Информация о приземном ветре для авиации должна иметь и пространственную репрезентативность. Это достигается установкой вдоль каждой ВПП не менее двух датчиков ветра, которые позволяют осуществить пространственное осреднение ветра вдоль ВПП. При этом максимум мгновенной скорости ветра должен выдаваться от датчика, зафиксировавшего наибольшее значение.

Точность выведения самолета в заданную точку приземления на ВПП зависит от сдвига ветра в приземном слое атмосферы.

В зависимости от ориентации векторной разности ветра относительно движения самолета (относительно ВПП) различают вертикальные, горизонтальные и боковые сдвиги ветра. Причина влияния вертикального сдвига ветра на полет ВС в приземном слое заключается в том, что переходя от одного уровня на другой с различными характеристиками ветра, ВС по инерции некоторое время сохраняет путевую скорость. В результате изменяется воздушная скорость, а значит и подъемная сила и траектория движения самолета.

По рекомендациям ИКАО необходимо измерять вертикальный сдвиг продольной и поперечной составляющих ветра относительно направления ВПП на границах слоя Z = 30 м. При этом вертикальный сдвиг ветра βz рассчитывается как векторная разность ветра в двух точках пространства, отнесенная к расстоянию между этими

30

точками. Аналитическое выражение для расчета βz имеет вид:

Характеристики вертикальных сдвигов ветра, отнесенные к слоям толщиной 30 и 100 м, представлены в таблице 6.

Первичные преобразователи направления и скорости ветра Флюгарка. Для определения направления ветра пользуются флюгарками. Они

представляют собой жесткую асимметричную (относительно вертикальной оси) систему из пластин и противовеса, свободно вращающуюся вокруг вертикальной оси. Под воздействием ветра флюгарка устанавливается в плоскости ветра противовесом навстречу ветру (указывая, откуда дует ветер). Формы флюгарки очень разнообразны. Большинство флюгарок имеет две пластины, расположенные под углом друг к другу, что создает устойчивость в воздушном потоке и повышает чувствительность, что очень важно при небольших скоростях ветра.

Положение флюгарки передается на указатель при помощи двух одинаковых сельсинов. Один сельсин является датчиком и соединен с флюгаркой, второй является приемником и находится в пульте управления. Каждый сельсин имеет обмотки из трех секций на корпусе и один на свободно вращающемся якоре. При включении переменного тока взаимодействие магнитных полей обмотки заставляет якорь сельсина-приемника занять точно такое же положение, какое в данный момент занимает якорь сельсина-датчика на флюгарке.

Широко применяемые приборы для измерения скорости ветра основаны на принципе преобразования скорости ветра в механическое перемещение чувствительного элемента. Наиболее распространены два вида чувствительных элементов: чашечные вертушки и воздушный винт.

Чашечная вертушка состоит из трех или четырех полых полусфер, прикрепленных к центральной втулке с помощью стержней, радиально расположенных в одной плоскости, перпендикулярной оси втулки.

Давление, оказываемое ветром на вогнутую поверхность чашки, больше, чем на выпуклую. Сила давления ветра на чашку стремится повернуть всю вертушку вокруг оси по часовой стрелке. Сначала вертушка движется с ускорением, но с увеличением скорости вращения чашек давление ветра на выпуклые стороны возрастает, а на вогнутые убывает.

При некоторой скорости вращения чашек наступает равновесие, а скорость вращения становится постоянной. Установлено, что при этой скорости вращения линейная скорость движения центра чашек примерно в три раза меньше скорости