大气探测学 气压的测量汇总.ppt

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1、1,第四章 气压的测量,2,本章要求,掌握气压测量仪器的基本原理、结构和特点,3,主要内容,水银气压表 水银气压表的读数订正 气压表的安置和观测方法 空盒气压表和气压计 振筒式压力传感器 沸点气压表 电容式、压阻式、压电式气压传感器 气压表的基准,4,序,气压是大气压力的简称，数值等于单位面积上从所在地点往上直至大气上界整个空气柱的重量 单位：百帕 （hPa） 1 hPa = 100 Pa 1 Pa = 1 N / m2,5,国际单位制中，压强的单位是帕斯卡，简称帕，气象部门采用百帕作为气压单位。 历史上也曾用毫巴（即千分之一巴）和毫米水银柱作为气压单位，其换算关系如下： 1百帕 = 1毫巴

2、= 3/4毫米水银柱,6,气象站气压表高度处测到的大气压强，称为本站气压，属于地方气候资料之一。 由于各测站海拔高度不同，本站气压不便于比较，为了绘制地面天气图，需要将本站气压换算到相当于海平面高度上的气压值，我们称之为海平面气压。 目前气象台站普遍使用的测量气压的仪器有水银气压表和空盒气压表两种。,7,测量大气压力的仪器主要有： 1、水银气压表（作为标准） 2、空盒气压表、空盒气压计、振筒气压计（气象台站） 3、沸点气压表（作研究用,探空） 4、硅压阻气压传感器、巴登管气压传感器,8,测量气压的仪器,9,4.1 水银气压表,10,4.1.1 作用原理,应用托里拆里实验的原理 当外界气压升高时

3、，大气压力会自动把水银槽中的水银压进管腔中使水银柱长高。 反之，气压下降时，水银柱会自动降低，水银自动流回槽里。,水银气压表 1644年发明,11,4.1.1 作用原理,压高公式： p = g H 为温度为 t 时水银的密度 g 为当地的重力加速度 H 为水银柱的高度 如果大气压力不变，温度变化，或两个重力加速度不同的测点，大气压力相同，但水银柱高度的读数是不相同的，只有当 和 g 的数值一定时，水银柱的高度才能正确地代表大气压力，所以必须规定一个标准条件。,12,4.1.1 作用原理,标准条件是： 以 0的水银密度为准，取 1.35951104 kg m-3，符号为 （0） 取 9.8066

4、5 m / s2 为标准重力加速度。（纬度45度的海平面上）,13,4.1.1 作用原理,取液体水银来制作气压表的优点： 水银的密度大，液柱高度合适； 在温度高达+60的情况下，水银的饱和蒸气压仍然很小，因此在管顶的水银蒸气所产生的附加压力对读数精确度的影响可以忽略不计； 纯水银易得。,14,气压表,水银 760 mm = 1 atm 水 10400 mm = 1 atm,The barometer measures air pressure,Water column (10.4 m),Atmospheric pressure,Mercury column (76 cm),15,水银气压表的类

5、型,1、动槽式水银气压表 （福丁式 Fortin）,2、定槽式水银气压表 （寇乌式 Kew）,16,4.1.2 动槽式水银气压表,动槽式水银气压表是法国人福丁（J.Fortin）于1810年发明制造的，故称福丁式水银气压表。 它的主要特点是标尺上有一个固定的零点。每次读数时，须将水银槽的表面调到这个零点处，然后读出水银柱顶的刻度。 外形和结构： 1、感应部分：水银、玻璃内管、水银槽 2、刻度部分：标尺、游标尺、象牙针 3、附属部分：附属温度表,17,读数顺序： 先读温度表；然后调水银面与象牙针相切；再调游标尺与水银柱顶相切；最后读数。读数结束后，将象牙针与水银面断开。,18,读数步骤,动槽式水

6、银气压表观测步骤： 观测附属温度表，准确至 0.1 。 调整水银槽内水银面，使之与象牙针尖恰恰相接。 调整时，注意视线保持与水银面同高，旋转底部螺旋时要慢，槽内水银面自下而上地上升，直到象牙针尖与水银面恰好相接（既无小涡（偏高，降低重调），也无空隙）为止。,19,读数步骤,调整游标尺恰好与水银柱顶相切。 调整时注意保持视线与水银柱同高，把游标尺底边恰好与水银柱顶相切，此时水银柱顶两旁能见到三角形的露光空隙。 读数并记录，准确至 0.1 hPa。 降低水银面，使它与象牙针尖脱离23毫米，其目的是使象牙针尖不被水银磨秃和脏污（但注意不宜降低过多）。 观测时如光线不足可用电灯（2540瓦）或手电照明

7、。,20,定槽式水银气压表也称寇乌（kew）式水银气压表.,外形和结构：定槽式与动槽式区别在水银槽部。它的水银槽是一个固定容积的铁槽，没有皮囊、水银面调节螺钉以及象牙针。 原理:当气压变化时，水银柱在玻璃管内上升或下降所增加或减少的水银量，必将引起水银槽内的水银减少或增加，使槽内的水银面向下或向上变动,即整个气压表的基点随水银柱顶的高度变动。,4.1.3 定槽式水银气压表,思考：标尺刻度间距是否和动槽气压表一样？,21,当气压升高1mmHg，表内水银柱上升xmm，而槽内水银面同时下降ymm，则令： x+y=1 因为水银槽内水银体积的减少，必将等于管内水银体积的增加，即（体积相等） 式中a为水银

8、柱玻璃管的内横截面积；A为水银槽的内横截面积； a为插进水银槽中的表管心尾端的外横截面积。将 代入 式得：,（1）,（2）,（2）,(1),（4.3）,22,对 式右边分子+a-a 从 式可看到，定槽式水银气压表的刻度1mm长度将短于1mm，实际等于 ，以补偿气压表水银面基点的变动，这种刻度的标尺又称补偿标尺。,（4.3）,（3）,（3）,23,我国常用的定槽式，其内管面积与槽部面积之比是 1 : 50。 当气压实际改变1毫米时，槽内水银面下降0.02毫米，内管水银柱只上升0.98毫米。 即标尺上代表气压变化1毫米的刻度（长度），实际只有0.98毫米。,24,为此，在制造定槽式气压表时，要求槽

9、部与内管严格成比例，并以标准气压（760毫米）时槽内水银面高度做为标尺的零点。 同时保持气压表内的水银定量，否则将会引起仪器误差。,25,读数步骤,定槽式气压表（不必调整水银面）： 观测附温表。 轻击管壁。 轻击处以玻璃套管下部附温表上部为宜。轻击的目的在于使附在内管壁的水银滴下落，并使水银柱顶保持正常的弯月面。 调整游尺与水银柱相切。 读数、记录并复读。,26,两种水银气压表的比较,动槽式 制作较容易，因有固定零点，观测手续比较麻烦，使用时间较长后，水银面有氧化物，调零点就不容易准确，常造成观测上的误差。 定槽式 在制造上要求较严格，但使用上，较为方便而精确。,为什么要进行本站气压订正？,水

10、银气压表是利用水银的压力（重力）与大气压力相平衡的原理测量大气压力的。 我们通常在水银气压表上观测到的标尺示度实际上只表示观测所得到的水银柱的高度，还并不是真正的气压，由于仪器差的存在和气压表并不总是在标准条件下使用，即使气压相同，也会因温度和重力加速度的不同，水银柱的高度不一样。因此，水银气压表读数须顺序经过仪器差、温度差、重力差三步订正才是本站气压。,4.2 水银气压表的本站气压订正,28,为使水银柱的高度能表示大气压力，必须将其订正 到标准状态下，即温度为0C时水银密度值， 时的水银柱高度的大气压力，即 因此， 1.先将气压表的读数值经过仪器误差的订正; 2. 然后再进行气压表读数的温度

11、订正和重力订正（纬度重力订正和高度重力订正）。,4.2 水银气压表的本站气压订正,29,由于制造条件的技术及材料的物理特性等因素，导致水银气压表具有一定的仪器误差。因此，制成的气压表必须进行标定（检定），给出仪器在各个刻度上的订正值。气压表主要的仪器误差有： 1、仪器基点和标尺刻度不准确； 2、真空度不良； 3、毛细管液面张力误差； 这是由于液面的表面张力所造成的一种指向液体内部的压力。这个压力的大小随液体的种类和液体表面的曲率而变化。在槽式气压表中，这个误差是由于内管的压力比槽部大而产生的一个使水银柱偏低的误差。,一、仪器误差订正,30,例：某水银气压表检定证上气压读数从810.001100

12、.00 hpa，仪器的误差订正为-0.2 hpa。某次观测气压读数988.6hpa, 经仪器误差订正后的气压为： 988.6 hpa+(-0.2 hpa)=988.4 hpa,31,当温度变化时水银密度也随之改变，从而引起水银柱高度的变化，同时温度的变化也将使测量水银柱高度的黄铜标尺发生胀缩。这样，当外界气压不变，而温度发生变化时，水银柱和黄铜标尺均会发生胀缩。这种纯系温度的变化而引起的气压读数的改变值，称为水银气压表的温度差。,二、温度订正,(2)怎样进行温度差订正 为了订正到标准状态（即温度0），假定在气压不变的情况下，温度从t降到0，这时水银柱及黄铜标尺都因温度降低而收缩。但水银柱收缩比

13、黄铜标尺多，结果使水银柱降至p0处，p0表示了水银柱在标准状态下的长度，而黄铜标尺却只降至pt处，pt表示了黄铜标尺在标准状态下的长度，它比水银柱在标准状态下的长度p0高了Ct ，故温度差订正值应为： 由于在t时水银柱与黄铜标尺长 度相等，均为I ，故： 式中为黄铜标尺的膨胀系数， 为水银的膨胀系数。,(2)怎样进行温度差订正 将值代入得： 式中为附温表所示温度。 由上式可知， t0时, Ct 为负， 反之，t0时, Ct 为正。,(2) 温度差订正的物理意义 物理意义：当附属温度在0以上时，即使气压不变，由于水银柱膨胀较铜尺膨胀得大，这样依照水银柱高度来测气压时，就会比实际偏高，因而要减去由

14、于水银柱膨胀比铜标尺大的一段水银柱高度，故Ct订正值为负；反之，当附属温度在0以下时，水银收缩得较铜尺为多，依水银柱高度读出的气压值就偏低，故Ct订正值为正。,35,其中A为水银槽的截面积;V为气压表内的水银体积; 为铁的热膨胀系数,为水银热膨胀系数. 该订正值应从读数中减去.,2、定槽式气压表读数的温度订正：,对于定槽式气压表,必须将水银槽的热膨胀效应考虑在内,而写成下述形式：,在前面已经提到，利用水银气压表中水银柱高度表示气压的前提是：t =0,纬度 =45，海平面上的重力为标准。若在不同纬度、不同拔海高度的测站上，即使气压一样，水银密度也相同（经温度差订正后）,但因重力加速度不同，而使水

15、银柱高度也不同。,为什么要进行重力差订正？,三、气压表读数的重力订正,37,三、气压表读数的重力订正,气压表读数经仪器误差、温度订正后记作：,(7.14),为经仪器和温度误差订正后的气压读数； 为经仪器误差、温度和重力订正后的气压读数；其中 为标准重力加速度； 为位于纬度，海拔高度h处的重力加速度。 由 可见，重力订正分纬度重力订正和高度重力订正。,(7.14),38,1、纬度重力订正 在海平面上，由重力加速度与纬度的关系,则纬度订正：,由 可知：,(7.15),由（ 7.14 ）式：,(7.16),(7.16),39,2、高度订正 在同一纬度上，重力加速度随高度的变化关系为：,对高山站：,h

16、R(R=6370000m,地球半径），h以m为单位。,则高度订正：,由上式可知：当测站海拔高度h0, H0, 订正值为负值；反之，为正值。,(7.17),(7.18),(7.19),(7.20),三、气压表读数的重力订正,注意！,水银气压表的本站气压订正,水银气压表的读数要依次经过仪器差、温度差、纬度重力差和高度重力差订正后，就可获得本站气压值。 气压表读数的各项订正是相互独立的，但通常情况下温度差订正值比较大，所以经仪器差订正后的读数，先进行温度订正，然后再进行纬度重力差和高度重力差订正。 计算时一律取两位小数，最后本站气压只要精确到一位小数（百帕）。,41,4.3 气压室,气压表要求安置在

17、专门的房间，理想的气压室一方面要能保证室内温度均一稳定，另一方面还要避免气流对室内气压影响。 室温的均一性不难保证。 气流的影响不仅与风速有关，而且还和建筑物的结构形式和位置有关。 根据经验，由于风引起的气压脉动，其最大幅度可达 3 hPa。,42,4.3 气压室,气压室的具体条件： 室内不装设任何热源或冷源； 避免阳光直射； 双层门窗，以减少风以及观测人员进入室内时引起的气压波动； 气压表应该垂直悬挂，否则会使读数值偏高。据计算，气压表悬挂的偏斜角要求不超过 15 20。,43,4.4 空盒气压表和气压计,用金属或非金属材料制成扁圆形的空盒。或串接成空盒组。盒内常留有少量气体。在大气压力作用

18、下，空盒变形，其中心位移量可表示气压的变化。 但因为气压引起的位移非常微小，无法直接用肉眼观察，常规的空盒气压表（计）采用机械杠杆放大数十倍后通过指针（或自记笔尖）在刻度上的位置读取气压值，借助自记钟连续记录气压随时间的变化。,44,45,46,4.4 空盒气压表和气压计,空盒气压表不如水银气压表精确，而且订正值容易发生改变，因此一般台站上，只作为参考仪器。 由于它便于携带、使用方便、维护容易，适用于野外考察或测压准确度要求不太高的观测用。,47,4.4 空盒气压表和气压计,空盒气压表的构造： 感应部分：是一个圆形密闭的弹性金属空盒。感应元件是一组具有弹性的薄片。 机械部分 指示部分 为了读取

19、仪器的温度，空盒气压表还装有弧形的附属温度表。,48,4.4 空盒气压表和气压计（续）,空盒气压表的观测步骤： 打开盒盖后，先读取附温准确至 0.1。 然后轻敲盒面（克服摩擦），待指针静止后再读数。 读数时眼睛视线与指针重合，且垂直于刻度盘，准确至 0.1 hPa。,空盒气压表特性,空盒弹性后效 空盒弹性温度效应,49,50,空盒弹性后效 空盒测压元件的测压精度低于水银气压表。它具有弹性元件的缺点弹性后效。有两个主要特点： 1、当气压变化停止后，空盒形变还继续一段时间； 2、升降压曲线不重合（滞差环）。,51,空盒弹性温度效应,1、双金属片补偿法 双金属片补偿器安装在空盒的底部.设温度升高影响

20、厚度减小,使自由端下降了; 但双金属片的变形作用使空盒基底提高了dS, 空盒的温度效应位移，刚好由双金属片的位移S相抵消,空盒的杨氏模量具有负温系数。温度升高时，弹性力减弱。如果大气压力维持不变，在升温时空盒的厚度将变薄，因此，需要采取措施加以补偿。补偿的办法有两种：,52,此时空盒的温度误差正好得到补偿.上式中的K, 和ds的数值是固定的,显然只在气压为p0时才能有完全的补偿作用,其它数值下的大气压力只能部分地得到补偿. P0则称为补偿点.,假设大气压力为p0,与它相平衡的弹性应力为f0, f0 = p0空盒弹性温度系数为,因此温度升高1C弹性应力的减小为 p0(hpa/C),它所引起空盒自

21、由端的位移为 d=K p0 K为仪器的灵敏度(mm/h p0).选择合适的双金属片,使空盒基底的位移ds=d,因此 ds= K p0,53,2、残余气体补偿法,空盒内留有一定压力的气体，在气压为P时，空盒所受压力为P-，空盒的弹性应力为F，压力平衡时，F=P-。 升温1C时，弹性力减弱了F=(P-)；而盒内残余气体的压力升高了；当+（P-）=0或 时，空盒的温度效应就可得到补偿。P点是完全补 偿点。是空盒的弹性温度系数（1/ C ）；为 残余气体的热膨胀系数（1/C）。 双金属片和残余气体补偿方法结合起来使用，可使空盒在两点得到补偿。其它各点得到补偿的程度也比单点补偿要好的多。,4.4 气压传

22、感器,电测气压传感器是将大气压力的变化转换成电信号的变化，再经过电子测量电路对信号进行测量和处理而获得气压值。,4.4.1 膜盒式电容气压传感器,膜盒式电容气压传感器的感应元件为真空膜盒。当大气压力产生变化时，使真空膜盒（包括金属膜盒和单晶硅膜盒）的弹性膜片产生形变而引起其电容量的改变，通过测量电容量来测量气压。,Barometers of Vaisala -1,Barometers of Vaisala -2,4.4.2 振筒式气压传感器,振筒式气压传感器是利用弹性金属圆筒在外力作用下发生振动，当筒壁两边存在压力差时，其振动频率随压力差而变化。因为筒的谐振频率与压力之间有唯一的关系，所以测出

23、频率就可计算出气压。但是，在校准时确定的这种关系还会受到温度和气体密度的影响，所以需要进行温度补偿和采用干空气。,59,谐振式气压传感器 （振动筒式压力传感器）,4.4.3 压阻式气压传感器,压阻式气压传感器是利用气压作用在敏感元件所覆盖的抽成真空的小盒上，通过小盒使电阻受到压缩或拉伸应力的作用，由压电效应知道电阻值的变化与气压的变化成正比，通过测量电阻值来测量气压。,压电式气压传感器,压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。,4.4.4电测气压传

24、感器的误差,1、校准值漂移,校准值漂移是电测气压传感器的主要误差源之一。,4.4.4电测气压传感器的误差,1、校准值漂移 2、温度的影响,电测气压传感器保持温度不变，就可以保持校准值不变。,4.4.4电测气压传感器的误差,1、校准值漂移 2、温度的影响 3、电磁干扰的影响,气压传感器是一种灵敏的测量器件，因此它应该屏蔽并远离强电磁场，如变压器、计算机、雷达等设备。电磁干扰不会经常引起麻烦，但会引起噪声增加，使准确性降低。,4.4.4电测气压传感器的误差,1、校准值漂移 2、温度的影响 3、电磁干扰的影响 4、运行方式的影响,如果校准时使用的操作方法与业务使用时的操作方法不同，也可能会引起气压传

25、感器校准结果的明显变化。,4.5 沸点气压表,沸点气压表是利用液体的沸点温度随气压的变化而变化的关系来测量气压的。,利用这一特性测量气压，已在一些探空仪上得到应用，因为在低气压测量时，它比空盒气压表的精度要高，在10hpa的测量结果的随机误差和系统误差均可小于0.1K。这种方法的优点是将气压测量转化为较易实施的温度测量。,液体达到沸点（Tb）时，液体表面饱和蒸汽压p与大气压平衡。,测压灵敏度：,沸点气压计测压灵敏度与气压成反比,P : 沸点气压计,4.6 海平面气压订正,为什么要进行海平面气压订正？,本站气压只表示台站海拔高度上大气柱的压强。在不同的海拔高度上由于承受大气柱长度不同，所以各站间

26、的本站气压是无法进行比较的。为了比较各地气压的高低，便于分析气压场，必须把各地的本站气压统一订正到海平面上，这种订正称为海平面气压订正。,P0 : 海平面气压; tm : A、B两点之间空气柱的平均温度,设A点为某站，其场面气压为Ph，海拔高度为h，将它的场面气压订正到海平面上，就是把A点所在平面至海平面（图中B所在平面）这段空气柱的压力加到Ph上。根据压高公式可得：,海拔1500m的台站，平均温度计算方法缺乏代表性， 我国规定这些台站不作海平面气压换算,海拔在15m间的台站,72,水银气压表读数订正总结：,从气压读数订正到海平面气压。 1、经仪器误差订正： 器差订正后 原始读数 器差订正值

27、2、经仪器误差、温度订正：,3、经温度、纬度、高度重力订正（本站气压）,本站气压,=0.0001818 (Hg) =0.0000184 (brass),平地: z = z,74,水银气压表读数订正总结：,4、海平面气压：,75,4.7 气压表的基准,为保证气压标尺的一致性，保持气压资料的精度，世界气象组织对气压表制定了各级管理和逐级对比的制度。 按仪器的精度和功能，气压表分成下列几个等级： A级：一级或二级标准气压表，能独立地测定气压，保持高于0.05hPa的精确度； B级：工作标准气压表，用于日常的气压对比工作，它的仪器误差通过与A级表对比后校准； C级：参考标准气压表，用来向台站气压表传递

28、校准标准以及进行对比； S级：安装在气象台站上的气压表； P级：高质量、高精度的气压表，经过多次搬运仍然能保持原有的精确度； N级：高质量、高精度的空盒气压表，滞差效应和温度系数可略去不计。,76,4.7 气压表的基准（续）,按照惯例，任何一支气压表的对比工作至少每两年进行一次。 高精度气压表的要求： 保证准确的水银密度。 采取读数时实时管顶抽真空。 表管心直径至少大于20mm，保证极低的毛细管附加压力。 采用高精度水银柱读数装置，例如激光测距系统。 精确地测定水银柱的平均温度。,4.8 气象应用,气压在垂直方向上随着高度的增高而降低，在水平方向上分布不均匀，因而形成了各种不同的气压系统。空气

29、从高压流向低压，产生了大气的运动，这种运动使各地的水汽和热量进行着交换，引起了天气复杂的变化。如果我们测得同一高度上各个测点的气压分布，分析气压场的规律，就可为天气预报提供依据。,在军事和航空部门，常利用气压数值来测定空气密度，以便修正弹道或确定飞行高度。飞机在飞行中主要通过气压式高度表测量机外气压的变化和大小来指示飞行高度，飞行按照规定高度实施是保证飞行安全的必要条件。飞行与气压的关系，其实是飞行与高度的关系。调整和控制飞机的飞行高度是航管部门用来维护空中飞行秩序，防止飞行冲突，保证飞行安全的重要手段之一。,4.8 气象应用,在人体健康方面，气压与人体的影响，概括起来分为生理的和心理的两个方

30、面。气压对人体生理的影响，主要是影响人体内氧气的供应，人每天需要大约750毫克的氧气，其中20%为大脑耗用，因脑需氧量最多。当自然界气压下降时，大气中氧分压、肺泡的氧分压和动脉血氧饱和度都随之下降，导致人体发生一系列生理反应。以登山为例，因为气压下降，机体为补偿缺氧就加快呼吸及血液循环，出现呼吸急促，心率加快的现象。由于人体（特别是脑）缺氧，还会出现头晕、头痛、恶心、呕吐和无力等症状，甚至会发生肺水肿和昏迷，这叫高山反应。,4.8 气象应用,同时，气压还会影响人体的心理变化，主要是使人产生压抑情绪。例如，低气压下的阴雨和下雪天气、夏季雷雨前的高温湿闷天气，常使人抑郁不适。而当人感到压抑时，自律神经（植物神经）趋向紧张，释放肾上腺素，引起血压上升、心跳加快、呼吸急促等。同时，皮质醇被分解出来，引起胃酸分泌增多、血管易发生梗塞、血糖值急升等。,4.8 气象应用,81,第四章 习题,气压及气压的数值？ 水银气压表的测压原理? 压高公式及测压的标准条件？ 何谓本站气压、海平面气压？ 计算海平面气压？ 动槽式、定槽式水银气压表各有何特点？ 水银气压表的读数要经过哪些订正？ 简述动槽式水银气压表的观测步骤？ 简述空盒气压表的构造？ 简述振筒式压力传感器的测压原理？,