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第九章壓力測量 盧會(huì)國luhuiguo 壓力測量 1壓力的基本常識(shí)2水銀氣壓表3空盒氣壓表4膜盒式電容氣壓傳感器5振筒式壓力傳感器 壓力的基本常識(shí) 空氣是有重量的 任何物件表面 每單位面積計(jì) 所承受來自其上面空氣的重量 便叫做大氣壓力 氣壓的國際單位是 帕斯卡 Pascal 氣象部門一般采用 百帕斯卡 hecto Pascal 作為氣壓單位 記作hPa 也稱作毫巴 mb 1hPa 100Pa 1Pa 1N m2 10達(dá)因 厘米 1hPa 0 750069mmHg 3 4mmHg 什么是氣壓 大氣圈本身的重量對地球表面會(huì)產(chǎn)生一種壓力 對任何一層空氣而言 也都會(huì)受到它上面的各層空氣的壓力 我們把單位面積上承受的這種壓力 即大氣壓強(qiáng) 簡稱氣壓 簡而言之 氣壓是指單位面積上向上延伸到大氣上界的垂直空氣柱的重量 常用的氣壓單位是百帕 hPa 測量氣壓的意義 氣壓在垂直方向上隨著高度的增高而降低 在水平方向上分布不均勻 因而形成了各種不同的氣壓系統(tǒng) 空氣從高壓流向低壓 產(chǎn)生了大氣的運(yùn)動(dòng) 這種運(yùn)動(dòng)使各地的水汽和熱量進(jìn)行交換 引起了天氣的復(fù)雜變化 如果我們測得同一高度上各個(gè)測點(diǎn)的氣壓分布 分析氣壓場的規(guī)律 就可為天氣預(yù)報(bào)提供依據(jù) 氣旋或低氣壓 反氣旋或高氣壓 當(dāng)?shù)貐^(qū)的大氣壓力比其外圍低時(shí) 這個(gè)系統(tǒng)便稱為低氣壓或氣旋 在北 南 半球 低氣壓附近的空氣循逆時(shí)針 順時(shí)針 方向運(yùn)行 從上面往下望 接近地球表面 摩擦力使空氣稍微向內(nèi)越過等壓線 進(jìn)入低壓區(qū)的空氣只能往上升 因此低氣壓地區(qū)的天氣通常比較不穩(wěn)定 如有云 雨或驟雨等 當(dāng)?shù)貐^(qū)的大氣壓力比其外圍高時(shí) 便稱之為反氣旋或高氣壓 在北 南 半球 反氣旋附近的氣流是順時(shí)針 逆時(shí)針 方向運(yùn)行的 接近地球表面 摩擦力使空氣稍微向外越過等壓線 一般來說 高氣壓地區(qū)內(nèi)的天氣比較穩(wěn)定及晴朗 氣壓的基本系統(tǒng)1 氣壓的基本系統(tǒng)2 高壓脊 低壓槽 當(dāng)高氣壓呈延長狀 稱為高壓脊 在天氣圖上 它有時(shí)會(huì)伴隨著一條脊軸線 脊軸線上的氣壓會(huì)較其兩旁氣壓為高 當(dāng)?shù)蜌鈮撼恃娱L狀 稱為低壓槽 在天氣圖上 它會(huì)伴隨著一條槽線 槽線上的氣壓會(huì)較其兩旁氣壓為低 水銀氣壓表 測量原理 由于大氣壓力的作用 玻璃管內(nèi)的水銀柱將維持一定的高度 如果在水銀柱旁邊樹立一標(biāo)尺 標(biāo)尺的零點(diǎn)對準(zhǔn)水銀面 就可直接讀取水銀柱的高度 Hhg 即可求得大氣壓力 Ph 為何選擇水銀做氣壓表 1 在氣壓表管內(nèi)的液體柱的高度是與該液體的密度有關(guān)的 由于水銀的密度比較大 13 596g cm3 當(dāng)它與大氣壓力相平衡的時(shí)候 所需水銀柱的高度就比較小 便于制造和觀測 2 當(dāng)溫度不超過60 時(shí) 水銀蒸氣壓很小 因此在氣壓表管內(nèi)的水銀蒸氣壓 對于水銀氣壓表的示度 在觀測的精確度范圍內(nèi)不會(huì)有影響 3 水銀不沾濕玻璃 管中水銀面成凸起的彎月面 易于正確地判定它的位置 4 水銀的性能很穩(wěn)定 不易與其它的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng) 水銀經(jīng)過洗滌蒸餾等方法的處理 就可以得到十分純凈的合乎水銀氣壓表觀測精確度要求的水銀 托里拆利實(shí)驗(yàn) 1643年意大利科學(xué)家托里拆利做了一個(gè)證明大氣壓力存在的著名實(shí)驗(yàn) 將一根長1米 一端封閉的玻璃管灌滿水銀 汞 用手堵住管口后將管倒立在水銀槽里 當(dāng)手指松開后 管內(nèi)的水銀柱開始下降 下降到一定高度之后 就不再下降 且無論管子是直立的還是傾斜的 管內(nèi)水銀面距離水銀槽內(nèi)水銀面的鉛直高度都是一樣的 這是因?yàn)橛幸粋€(gè)力與管內(nèi)水銀柱重量產(chǎn)生的壓力相平衡 顯然 這個(gè)力只能是來自于水銀槽以外的空間 作用在槽內(nèi)水銀面上 并通過槽內(nèi)水銀傳遞到管口 這就是大氣壓力 作用原理 應(yīng)用托里拆里實(shí)驗(yàn)的原理 當(dāng)外界氣壓升高時(shí) 大氣壓力會(huì)自動(dòng)把水銀槽中的水銀壓進(jìn)管腔中使水銀柱長高 反之 氣壓下降時(shí) 水銀柱會(huì)自動(dòng)降低 水銀自動(dòng)流回槽里 壓高公式 壓高公式 p gH 為溫度為t時(shí)水銀的密度 g為當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣?H為水銀柱的高度 如果大氣壓力不變 溫度變化 或兩個(gè)重力加速度不同的測點(diǎn) 大氣壓力相同 但水銀柱高度的讀數(shù)是不相同的 只有當(dāng) 和g的數(shù)值一定時(shí) 水銀柱的高度才能正確地代表大氣壓力 所以必須規(guī)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)條件 標(biāo)準(zhǔn)條件 以0 的水銀密度為準(zhǔn) 取1 35951 104kg m 3 符號為 0 取9 80665m s2為標(biāo)準(zhǔn)重力加速度 緯度45度的海平面上 動(dòng)槽式水銀氣壓表 外形和結(jié)構(gòu) 1 感應(yīng)部分 水銀 玻璃內(nèi)管 水銀槽2 刻度部分 標(biāo)尺 游標(biāo)尺 象牙針3 附屬部分 附屬溫度表讀數(shù)順序 先讀溫度表 再調(diào)水銀面與象牙針相切 再調(diào)游標(biāo)尺與水銀柱頂相切 最后讀數(shù) 讀數(shù)結(jié)束后 將象牙針與水銀面斷開 儀器誤差訂正 溫度訂正 重力訂正 海平面訂正 氣壓表讀數(shù) 訂正后的數(shù)據(jù) 水銀氣壓表的讀數(shù)訂正 儀器差訂正 由于受制成氣壓表的材料的物理特性的變化及制作技術(shù)條件的限制而產(chǎn)生的儀器差主要由下列幾個(gè)原因造成 真空不良的影響真空不良是指水銀柱管內(nèi)頂端有空氣存在 它產(chǎn)生一定的張力 使內(nèi)管水銀柱略為降低 使觀測到的氣壓值較實(shí)際大氣壓力為小 由于殘留氣體張力還受溫度和頂部容積變化的影響 因此由其所產(chǎn)生的誤差還不完全是一個(gè)常數(shù) 隨氣壓和溫度的升高 這種影響隨之增大 毛細(xì)壓縮誤差毛細(xì)壓縮是液面的表面張力所造成的一種指向液體內(nèi)部的分子壓力 分子壓力的大小隨液體的種類和液體表面的形狀 大小而不同 溫度的不確定度附屬溫度表所指示的溫度 通常不能代表水銀 標(biāo)尺和槽部的平均溫度 如果儀器安裝比較恰當(dāng) 觀測操作比較合理 那么這種溫度誤差就可減小 水銀蒸氣壓的影響水銀在不同溫度下有不同的飽和蒸氣壓 由于內(nèi)管頂部真空 所以水銀柱上部就充滿水銀蒸氣 使氣壓示度偏低 不過這個(gè)影響甚小 在溫度60 時(shí)還不到0 03hPa 一般室溫下更要小得多 故一般可忽略不計(jì) 標(biāo)尺誤差用來測量水銀柱高度的標(biāo)尺和游標(biāo)尺是刻在金屬套管上的 在進(jìn)行刻度時(shí) 由于受到刻度機(jī)本身的精度和環(huán)境條件的影響就會(huì)使標(biāo)尺和游標(biāo)尺刻度產(chǎn)生一定的誤差 由于安裝條件不妥引起的誤差定槽式水銀氣壓表由于懸掛不垂直 當(dāng)傾角達(dá)到17 時(shí) 讀數(shù)誤差可達(dá)0 01hPa 通常氣壓表在自由下垂停止擺動(dòng)時(shí) 約可偏斜15 20 動(dòng)槽式水銀氣壓表因?yàn)椴淮怪边€要影響象牙針的零點(diǎn)基準(zhǔn)面 所以引起的誤差就要更大一些 其它誤差定槽式水銀氣壓表由于其構(gòu)造特點(diǎn)容易產(chǎn)生一些特定的誤差 如水銀槽部橫截面積與內(nèi)管橫截面積之比偏離配合標(biāo)準(zhǔn) 以及水銀量不能絕對準(zhǔn)確等原因所產(chǎn)生的誤差 溫度差訂正 當(dāng)溫度變化時(shí)水銀密度也隨之改變 從而引起水銀柱高度的變化 同時(shí)溫度的變化也將使測量水銀柱高度的黃銅標(biāo)尺發(fā)生脹縮 這樣 當(dāng)外界氣壓不變 而溫度發(fā)生變化時(shí) 水銀柱和黃銅標(biāo)尺均會(huì)發(fā)生脹縮 這種純系溫度的變化而引起的氣壓讀數(shù)的改變值 稱為水銀氣壓表的溫度差 重力差訂正 在前面已經(jīng)提到 利用水銀氣壓表中水銀柱高度表示氣壓的前提是 t 0 緯度 45 海平面上的重力為標(biāo)準(zhǔn) 若在不同緯度 不同拔海高度的測站上 即使氣壓一樣 水銀密度也相同 經(jīng)溫度差訂正后 但因重力加速度不同 而使水銀柱高度也不同 本站氣壓訂正 水銀氣壓表的讀數(shù)要依次經(jīng)過儀器差 溫度差 緯度重力差和高度重力差訂正后 才能獲得本站氣壓值 氣壓表讀數(shù)的各項(xiàng)訂正是相互獨(dú)立的 但通常情況下溫度差訂正值比較大 所以經(jīng)儀器差訂正后的讀數(shù) 先進(jìn)行溫度訂正 然后再進(jìn)行緯度重力差和高度重力差訂正 海平面氣壓訂正 本站氣壓只表示臺(tái)站拔海高度上大氣柱的壓強(qiáng) 在不同的拔海高度上由于承受大氣柱長度不同 所以各站間的本站氣壓是無法進(jìn)行比較的 為了比較各地氣壓的高低 便于分析氣壓場 必須把各地的本站氣壓統(tǒng)一訂正到海平面上 這種訂正稱為海平面氣壓訂正 定槽水銀表 定槽式與動(dòng)槽式區(qū)別在水銀槽部 它的水銀槽是一個(gè)固定容積的鐵槽 沒有皮囊 水銀面調(diào)節(jié)螺釘以及象牙針 原理 當(dāng)氣壓變化時(shí) 水銀柱在玻璃管內(nèi)上升或下降所增加或減少的水銀量 必將引起水銀槽內(nèi)的水銀減少或增加 使槽內(nèi)的水銀面向下或向上變動(dòng) 即整個(gè)氣壓表的基點(diǎn)隨水銀柱頂?shù)母叨茸儎?dòng) 空盒氣壓表 空盒氣壓表特點(diǎn) 空盒氣壓表具有便于攜帶 使用方便 維護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn) 感應(yīng)元件是一組具有彈性的薄片所構(gòu)成的扁圓空盒 盒內(nèi)抽成真空 盒的表面有波紋狀的壓紋 空盒底部固定 頂部可自由移動(dòng) 空盒氣壓表原理 當(dāng)氣壓p作用到空盒膜片上 空盒的彈性應(yīng)力f與之平衡 空盒厚度為 空盒氣壓計(jì) 膜盒式電容氣壓傳感器 膜盒式電容氣壓傳感器的感應(yīng)元件為真空膜盒 當(dāng)大氣壓力產(chǎn)生變化時(shí) 使真空膜盒 包括金屬膜盒和單晶硅膜盒 的彈性膜片產(chǎn)生形變而引起其電容量的改變 通過測量電容量來測量氣壓 PTB220數(shù)字氣壓計(jì) 電容式硅單晶空盒 硅單晶具有穩(wěn)定的頻率特性 硅單晶具有小的溫度影響 硅單晶具有精確的頻率復(fù)現(xiàn)性 振筒式壓力傳感器 振筒式氣壓傳感器是利用彈性金屬圓筒在外力作用下發(fā)生振動(dòng) 當(dāng)筒壁兩邊存在壓力差時(shí) 其振動(dòng)頻率隨壓力差而變化 因?yàn)橥驳闹C振頻率與壓力之間有唯一的關(guān)系 所以測出頻率就可計(jì)算出氣壓 但是 在校準(zhǔn)時(shí)確定的這種關(guān)系還會(huì)受到溫度和氣體密度的影響 所以需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償和采用干空氣 所測空氣進(jìn)入圓筒內(nèi) 圓筒外保持真空狀態(tài) 輸入壓力的變化引起機(jī)械振蕩系 統(tǒng)自振頻率的變化 振動(dòng)的諧振頻率精確地隨施加于筒內(nèi)外的壓力差形成的應(yīng)力變化 壓力增加 頻率也增加 振筒氣壓表測量原理 壓阻式氣壓傳感器 壓阻式氣壓傳感器是利用氣壓作用在敏感元件所覆蓋的抽成真空的小盒上 通過小盒使電阻受到壓縮或拉伸應(yīng)力的作用 由壓電效應(yīng)知道電阻值的變化與氣壓的變化成正比 通過測量電阻值來測量氣壓 電測氣壓傳感器的誤差 1 校準(zhǔn)值漂移 校準(zhǔn)值漂移是電測氣壓傳感的主要誤差源之一 電測氣壓傳感器的誤差 1 校準(zhǔn)值漂移2 溫度的影響 電測氣壓傳感器保持溫度不變 就可以保持校準(zhǔn)值不變 電測氣壓傳感器的誤差 1 校準(zhǔn)值漂移2 溫度的影響3 電磁干擾的影響 氣壓傳感器是一種靈敏的測量器件 因此它應(yīng)該屏蔽并遠(yuǎn)離強(qiáng)電磁場 如變壓器 計(jì)算機(jī) 雷達(dá)等設(shè)備 電磁干擾不會(huì)經(jīng)常引起麻煩 但會(huì)引起噪聲增加 使準(zhǔn)確性降低 電測氣壓傳感器的誤差 1 校準(zhǔn)值漂移2 溫度的影響3 電磁干擾的影響4 運(yùn)行方式的影響 如果校準(zhǔn)時(shí)使用的操作方法與業(yè)務(wù)使用時(shí)的操作方法不同 也可能會(huì)引起氣壓傳感器校準(zhǔn)結(jié)果的明顯變化 沸點(diǎn)氣壓表 沸點(diǎn)氣壓表是利用液體的沸點(diǎn)溫度隨氣壓的變化而變化的關(guān)系來測量氣壓的 利用這一特性測量氣壓 已在一些探空儀上得到應(yīng)用 因?yàn)樵诘蜌鈮簻y量時(shí) 它比空盒氣壓表的精度要高 在10hpa的測量結(jié)果的隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差均可小于0 1K 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是將氣壓測量轉(zhuǎn)化為較易實(shí)施的溫度測量 這種方法的優(yōu)點(diǎn)是將氣壓的測量轉(zhuǎn)化為較易實(shí)施的溫度測量 沸點(diǎn)氣壓表原理 一個(gè)裝有純凈液體的容器與待測空氣相通 將溶液加熱至沸點(diǎn) 溶液表面的飽和蒸氣壓將達(dá)到大氣壓力的數(shù)值 測定它的沸點(diǎn)溫度就可換算出大氣壓力 大氣壓力p和沸點(diǎn)tb的關(guān)系表達(dá)式表4 3給出了蒸餾水在不同氣壓下的沸點(diǎn)數(shù)值 以及相應(yīng)的氣壓靈敏度 由表4 3可以看出 沸點(diǎn)氣壓表在高氣壓時(shí) 靈敏度低 如果要求測壓精度為0 1hPa 測溫精度須達(dá)到0 003 隨氣壓的降低 靈敏度隨之增加 氣壓表的基準(zhǔn)1 為了保證各個(gè)氣象臺(tái)站氣壓標(biāo)尺的一致性 保持氣壓資料的精確度 世界氣象組織對氣壓表制定了各級管理和逐級對比的制度 按儀器的精度和功能 氣壓表分成下列幾個(gè)等級 A級 一級或二級標(biāo)準(zhǔn)氣壓表 能獨(dú)立地測定氣壓值 準(zhǔn)確度不低于 0 05hpa B級 工作級標(biāo)準(zhǔn)氣壓表 用于日常的氣壓表對比工作 它的儀器誤差通過與A級表對比后校準(zhǔn) 氣壓表的基準(zhǔn)2 C級 參考標(biāo)準(zhǔn)氣壓表 用來對移運(yùn)式標(biāo)準(zhǔn)氣壓表和氣象站氣壓表進(jìn)行對比 S級 安裝在氣象站上的氣壓表 P級 質(zhì)量好 準(zhǔn)確度好的水銀氣壓表 經(jīng)過搬運(yùn)仍然能保持原有的校準(zhǔn)值 N級 質(zhì)量為一級的便攜式精密空盒氣壓表 Q級 質(zhì)量為一級的便攜式精密數(shù)字氣壓表 可用作移運(yùn)式標(biāo)準(zhǔn) M級 質(zhì)量好 準(zhǔn)確度好的便攜式微氣壓計(jì) 氣壓的應(yīng)用1 氣壓在垂直方向上隨著高度的增高而降低 在水平方向上分布不均勻 因而形成了各種不同的氣壓系統(tǒng) 空氣從高壓流向低壓 產(chǎn)生了大氣的運(yùn)動(dòng) 這種運(yùn)動(dòng)使各地的水汽和熱量進(jìn)行著交換 引起了天氣復(fù)雜的變化 如果我們測得同一高度上各個(gè)測點(diǎn)的氣壓分布 分析氣壓場的規(guī)律 就可為天氣預(yù)報(bào)提供依據(jù) 氣壓的應(yīng)用2 在軍事和航空部門 常利用氣壓數(shù)值來測定空氣密度 以便修正彈道或確定飛行高度 飛機(jī)在飛行中主要通過氣壓式高度表測量機(jī)外氣壓的變化和大小來指示飛行高度 飛行按照規(guī)定高度實(shí)施是保證飛行安全的必要條件 飛行與氣壓的關(guān)系 其實(shí)是飛行與高度的關(guān)系 調(diào)整和控制飛機(jī)的飛行高度是航管部門用來維護(hù)空中飛行秩序 防止飛行沖突 保