Раздел 2. ИЗМЕРЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ

Раздел 2. ИЗМЕРЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ
Тема 1. Методы и датчики атмосферного давления
Одной из важных метеорологических величин, определяемых при
метеорологических наблюдениях, является атмосферное давление.
Атмосферное давление на горизонтальную поверхность — это действующая
на единицу площади этой поверхности сила, обусловленная весом
вышележащей атмосферы. Давление равно весу вертикального столба
воздуха, простирающегося от рассматриваемой поверхности до внешней
границы атмосферы, с основанием, равным единице площади. Кроме
абсолютного значения атмосферного давления на метеорологических
станциях определяют значение и характеристику барометрической
тенденции. Значение тенденции определяют по изменению давления за 3 ч
между сроками наблюдений, а ее характеристику — по виду кривой
регистрации за эти 3 ч. Значения и характеристика барометрической
тенденции используются при прогнозировании атмосферных процессов. В
метеорологии атмосферное давление измеряется с помощью ртутных,
деформационных и других барометров. Различают три типа ртутных
барометров: чашечные, сифонно-чашечные и сифонные. В автоматических
станциях применяют компенсационные барометры, в которых изменение
атмосферного давления уравновешивается весом груза, перемещаемого по
плечу рычага. Разрабатываются частотные барометры, в которых
атмосферное давление определяют по собственной частоте колебаний
резонатора. Эти барометры позволяют обеспечить наряду с высокой
точностью измерений еще и экологическую чистоту, и безопасность
измерения давления.
1. Методы измерения давления
Метод, базирующийся на измерении веса. Этот метод основан на
измерении веса столба жидкости, которая уравновешивает вес вертикального
столба атмосферы, т.е. давление атмосферы. На этом принципе работают
ртутные барометры. Если трубку длиной 900 мм, запаянную с одного конца,
наполнить ртутью, а другой ее конец опустить в чашку (сосуд) с ртутью, то
вытечет только то количество ртути, которое не уравновешивается
атмосферным давлением. Таким образом, если трубка находится в
вертикальном положении, в ней останется столб ртути, уравновешиваемый
атмосферным давлением. Если трубка в достаточной степени вакуумирована,
т. е. давление Р0 ≤ 10–2 гПа, то давление, оказываемое ртутным столбом
высотой Н, равно атмосферному:
Нρg = Pa,
где ρ –– плотность ртути, g –– ускорение свободного падения, Рa ––
атмосферное давление.
1
Таким образом, измерение атмосферного давления ртутными
барометрами предусматривает точное измерение высоты ртутного столба над
поверхностью ртути в чашке (сосуде). Точное измерение высоты ртутного
столба (до миллиметра) привело к тому, что в практику измерения
атмосферного давления прочно вошла единица измерения «миллиметры
ртутного столба», которая используется в России и в настоящее время,
несмотря на то, что по Международной системе единиц атмосферное
давление должно выражаться в паскалях (1 Па = 1 Н/м2). При измерениях
атмосферного давления в метеорологических целях, например
на
аэродромах, принято выражать его в гектопаскалях (1 гПа = 100 Па). Это
объясняется тем, что 1 гПа = 1 мбар (миллибар –– единица, которая ранее
использовалась для измерения давления и широко применялась в
метеорологии). В стандартных атмосферных условиях столб ртути, имеющий
действительную высоту шкалы 760 мм (мм рт. ст.), оказывает давление,
равное 1013,250 гПа, следовательно, 1 гПа = 0,750062 мм рт. ст., а 1 мм рт. ст.
–– 1,333324 гПа. Шкалы ртутных барометров проградуированы таким
образом, чтобы получались истинные значения атмосферного давления
непосредственно в принятых единицах измерения при стандартной
температуре 0°С и ускорении свободного падения, равном 9,80665 м/с2.
Метод, базирующийся на измерении деформации. Мембрана из
эластичного материала будет деформироваться, если давление на одной ее
стороне будет больше, чем на другой. На практике используются запаянная
металлическая коробка или несколько коробок (бароблок), сильфон,
полностью или частично вакуумированные, с сильной металлической
пружиной для предотвращения разрушения коробки под воздействием
внешнего атмосферного давления. Для измерения деформации под
воздействием разности давления внутренней и внешней среды коробки
используются механические и электрические средства.
На основе деформационного принципа с применением механических
средств измерения сконструированы широко известные барометры–
анероиды. Барометры–анероиды имеют недостаточно высокую стабильность
измерения атмосферного давления во времени вследствие гистерезиса и
нуждаются в частой калибровке.
Резонансный метод. В настоящее время применяются датчики давления,
в которые входят тонкостенные цилиндры из никелевого сплава,
находящиеся в вакууме. Опорная резонансная частота этих цилиндров
изменяется в зависимости от разницы между давлением внутри цилиндра
(атмосферное) и давлением вне цилиндра, сохраняющимся в вакууме.
Все большее распространение получают датчики абсолютного давления,
в которых используется кварцевый кристаллический элемент. Оказываемое
через гофрированные мембраны на поверхность кристалла давление
вызывает силу сжатия, воздействующую на кристалл. Вследствие пьезоэлектрических свойств кристалла при воздействии давления изменяется баланс
активного моста Уитстона. Балансирование моста позволяет обеспечить
2
точное определение давления. Датчики давления такого типа не подвержены
гистерезису.
Гипсометрический метод. Гипсометрический метод определения
атмосферного давления основан на зависимости температуры кипения
жидкости от давления. Жидкость начинает кипеть при температуре, при
которой парциальное давление паров равно внешнему давлению на ее
поверхности.
В
качестве
жидкости
при
измерении
давления
гипсотермометром используется дистиллированная вода. Зная температуру
кипящей воды, можно по специальным таблицам найти парциальное
давление пара, а поскольку оно равно внешнему давлению, то,
следовательно, равно и атмосферному. Этот метод измерения атмосферного
давления применяется редко (в экспедициях, на речных или морских судах).
Поправки к измерениям. Если стеклянную трубку длиной 90 см,
запаянную с одного конца, заполнить ртутью, затем прикрыть ее отверстие,
опрокинуть и опустить незапаянным концом в чашку с ртутью, то после
открытия отверстия из трубки выльется только часть ртути. Оставшийся
столб ртути высотой Н будет определяться атмосферным давлением Ра, т.е
давление внутри трубки Р уравновешивает атмосферное давление Ра: Р = Ра
или Нpg = Ра. Таким образом, измеряя Н при известных r и g, определяем
атмосферное давление в данной точке. Так как g зависит от высоты и широты
места (но постоянна для каждой фиксированной точки), а r –– плотность
ртути –– от температуры, то очевидно, что в отсчеты Н необходимо вводить
поправки на температуру, высоту и широту, а также инструментальную
поправку. Таким образом, если барометр находится в одной точке (станция),
то к его показаниям вводятся три поправки: на приведение показаний
барометра к 0оС — температурная поправка; инструментальная поправка;
поправка для приведения показаний барометра к нормальному ускорению
силы тяжести (g = 980,665 см/с2) (на высоту и широту). Поправки
объединяют в одну постоянную поправку. Если давление измеряется в
различных точках, то необходимо вводить все поправки отдельно. Такая
ситуация возникает при маршрутных измерениях или на движущихся судах.
2. Датчики атмосферного давления
Датчики атмосферного давления РТВ210 предназначены для непрерывного измерения атмосферного давления в месте их установки и
дистанционной автоматической передачи измерительных сигналов на вход
ПЭВМ. Датчики РТВ210 разработаны и серийно выпускаются фирмой
Vaisala (Финляндия) в двух вариантах: в первом –– обеспечивается
измерение атмосферного давления в диапазоне 500-1100 гПа и используется
более точный первичный измерительный преобразователь (сенсор); во
втором –– обеспечивается измерение атмосферного давления в диапазоне 50–
1300 гПа. Принцип работы датчика РТВ210 описан выше (деформационные
емкостные детекторы).
3
Устройство и технические характеристики. В качестве первичного
измерительного преобразователя атмосферного давления в датчиках РТВ210
используется силиконовый емкостный элемент абсолютного давления
BAROCAP, разработанный фирмой Vaisala. BAROCAP (рис. 1) состоит из
двух слоев монохроматического силикона (7), между которыми расположен
слой стекла (2). Более тонкий слой силикона вытравлен с двух сторон,
благодаря чему формируется чувствительная к давлению силиконовая
диафрагма (5). Более толстый слой силикона служит основанием датчика и
покрыт стеклянным диэлектриком.
Рис. 1. Схема емкостного элемента давления BAROCAP
Тонкий слой силикона электрически скреплен со стеклянной
поверхностью, что делает вакуумную камеру прочной и герметичной. Тонкая
металлическая пленка (4), нанесенная на силикон, играет роль первого
электрода емкости внутри вакуумной опорной камеры (5); роль второго
электрода играет чувствительная к давлению силиконовая диафрагма (3).
Монокристаллический силикон и стекло, использованные в сенсоре
BAROCAP, тщательно подобраны по коэффициенту температурного
расширения и минимизируют температурную зависимость датчика.
Термическая тренировка сенсора при повышенной температуре увеличивает
долговременную стабильность и низкую температурную зависимость
датчика. Конструкция и компактность датчиков РТВ210 (рис. 2) позволяют
устанавливать их на открытом воздухе и в рабочем помещении. При
размещении и установке датчиков следует обеспечить защиту входного
отверстия штуцера (1), соединяющего первичный измерительный
преобразователь с атмосферой. Для защиты от дождя достаточно на штуцер
надеть трубку с внутренним диаметром 4 мм. В условиях турбулентной
среды и высокой скорости ветра для получения достоверных и точных
результатов измерений атмосферного давления рекомендуется для защиты
входного отверстия использовать защитный экран.
Рис. 2. Общий вид датчика атмосферного давления РТВ210
Датчик РТВ210 может устанавливаться на плоскую горизонтальную
поверхность через уплотнительную прокладку, подкладываемую под
основание датчика (4) и закрепляемую фиксирующим винтом (2), или на
стену (стойку) с помощью датчика пластины (5) и зажимов (3), поставляемых
в комплекте. Управление датчиком РТВ210, прием и обработка
измерительных сигналов производятся ПЭВМ с помощью команд, подробно
4
описанных в «Руководстве пользователя». Отображение результатов
измерения атмосферного давления датчиком (датчиками) РТВ210
производится на экране дисплея ПЭВМ, в который поступают
измерительные сигналы.
Настройка и калибровка датчиков РТВ210 производятся по эталонам,
обладающим высокой точностью измерения абсолютного давления. Для
датчиков РТВ210, измеряющих атмосферное давление в диапазоне 500-1100
гПа, для калибровки используются более точные эталоны. При калибровке и
поверке датчиков РТВ210 регулировка не производится, но вводятся
поправки. Ввод поправок описан в «Руководстве пользователя». Для
датчиков РТВ210, измеряющих атмосферное давление в диапазоне 500-1100
гПа, предел допускаемой погрешности измерения составляет ±0,25 гПа: за
счет нелинейности шкалы ±0,1 гПа, гистерезиса ±0,05 гПа, неточности
калибровки ±0,07 гПа, воздействий температуры ±0,2 гПа. Датчики РТВ210
работоспособны при температуре воздуха от -40 до 60°С, относительная
влажность воздуха до 100 %. Масса датчика РТВ210 составляет 110 г.
5