第四章氣壓的測量

第四章氣壓的測量第一頁，共四十八頁，2022年，8月28日1序氣壓是大氣壓力的簡稱，數(shù)值等于單位面積上從所在地點往上直至大氣上界整個空氣柱的重量，公式（4.1）單位：百帕（hPa）1hPa=100Pa1Pa=1N/m2第二頁，共四十八頁，2022年，8月28日24.1水銀氣壓表第三頁，共四十八頁，2022年，8月28日34.1.1作用原理應(yīng)用托里拆里實驗的原理。當外界氣壓升高時，大氣壓力會自動把水銀槽中的水銀壓進管腔中使水銀柱長高。反之，氣壓下降時，水銀柱會自動降低，水銀自動流回槽里。第四頁，共四十八頁，2022年，8月28日44.1.1作用原理（續(xù)）壓高公式：

p=ρgHρ為溫度為t時水銀的密度g為當?shù)氐闹亓铀俣菻為水銀柱的高度如果大氣壓力不變，溫度變化，或兩個重力加速度不同的測點，大氣壓力相同，但水銀柱高度的讀數(shù)是不相同的，只有當ρ和g的數(shù)值一定時，水銀柱的高度才能正確地代表大氣壓力，所以必須規(guī)定一個標準條件。第五頁，共四十八頁，2022年，8月28日54.1.1作用原理（續(xù)）標準條件是：以0℃的水銀密度為準，取1.35951×104kg·m-3，符號為ρ（0）取9.80665m/s2

為標準重力加速度。（緯度45度的海平面上）第六頁，共四十八頁，2022年，8月28日64.1.1作用原理（續(xù)）取液體水銀來制作氣壓表的優(yōu)點：水銀的密度大，液柱高度合適；在溫度高達+60℃的情況下，水銀的飽和蒸氣壓仍然很小，因此在管頂?shù)乃y蒸氣所產(chǎn)生的附加壓力對讀數(shù)精確度的影響可以忽略不計；純水銀易得。第七頁，共四十八頁，2022年，8月28日74.1.2動槽式水銀氣壓表用一端封閉并抽成真空的玻璃管，倒插在水銀槽中，當水銀柱壓強與大氣壓強相平衡時，用水銀槽平面到水銀柱頂?shù)母叨葋頊y定大氣壓強。水銀柱的高度必須以溫度為0℃，重力加速度為9.80665平方米/秒的情況下所具有的高度為準。當測量氣壓時，溫度和重力加速度與上述情況不符，則必須對由此引起的偏差加以訂正，氣象觀測稱為本站氣壓訂正。水銀氣壓表測量精度較高，性能穩(wěn)定，常作為標準測壓儀器。第八頁，共四十八頁，2022年，8月28日84.1.2動槽式水銀氣壓表（續(xù)）特點是標尺上有一個固定的零點，每次讀數(shù)時，須將水銀槽的表面調(diào)整到這個零點處，然后讀出水銀柱頂?shù)目潭?。第九頁，共四十八頁?022年，8月28日94.1.2動槽式水銀氣壓表（續(xù)）構(gòu)造：三部分水銀柱玻璃管：上端較粗，下端較細，抽真空，灌注水銀，插入水銀槽。水銀槽：銅護套1，玻璃圈2，水銀面調(diào)整螺釘4，象牙針5標尺套管：水銀柱3，調(diào)節(jié)螺旋6，游標尺7，附屬溫度表8第十頁，共四十八頁，2022年，8月28日104.1.3定槽式水銀氣壓表與動槽式水銀氣壓表的區(qū)別：在水銀槽部。沒有固定零點。它的水銀槽是一個固定容積的鐵槽，沒有羊皮囊、水銀面調(diào)整螺釘以及象牙針。通氣孔是位于槽頂上的螺釘孔。見78頁圖4.3第十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日114.1.3定槽式水銀氣壓表（續(xù)）當外界氣壓增大時，槽內(nèi)水銀面下降管內(nèi)水銀面升高，因此實際氣壓變化是這兩部分高度變化之和，反之當氣壓下降時，也是一樣。由于水銀槽是封閉的，槽內(nèi)水銀面高度變化b是看不到的。因此僅用管內(nèi)水銀柱a來代表實際氣壓（a+b）。這樣標尺上的單位刻度距離a，要比實際氣壓變化要短些，這就是標尺需補正的基本原理。第十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日124.1.3定槽式水銀氣壓表（續(xù)）我國常用的定槽式，其內(nèi)管面積與槽部面積之比是1:50。當氣壓實際改變1毫米時，槽內(nèi)水銀面下降0.02毫米（b=1/50），內(nèi)管水銀柱只上升0.98毫米（a=49/50）。即標尺上代表氣壓變化1毫米的刻度（長度），實際只有0.98毫米。第十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日134.1.3定槽式水銀氣壓表（續(xù)）為此，在制造定槽式氣壓表時，要求槽部與內(nèi)管嚴格成比例，并以標準氣壓（760毫米）時槽內(nèi)水銀面高度做為標尺的零點。同時保持氣壓表內(nèi)的水銀定量，否則將會引起儀器誤差。第十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日14補充：兩種水銀氣壓表的比較動槽式制作較容易，因有固定零點，觀測手續(xù)比較麻煩，使用時間較長后，水銀面有氧化物，調(diào)零點就不容易準確，常造成觀測上的誤差。定槽式在制造上要求較嚴格，但使用上，較為方便而精確。第十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日154.1.4水印氣壓表的儀器誤差氣壓表主要的儀器誤差：儀器的基點和標尺不準確管頂?shù)恼婵斩炔桓呤褂幂^長時間后，玻璃本身吸附和吸留的氣體、水銀中容入的空氣逐漸滲入管頂?shù)恼婵詹糠?，并難以徹底消除，因此氣壓表需定期進行復(fù)檢。氣壓表管內(nèi)的毛細管現(xiàn)象根據(jù)拉普拉斯公式，彎曲液面產(chǎn)生附加壓力。管頂水銀面的曲率半徑較小，因此表管心內(nèi)的附加壓力數(shù)值比水銀槽內(nèi)的要大得多，結(jié)果使水銀柱的高度下降。第十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日164.2水銀氣壓表的讀數(shù)訂正為使水銀柱的高度能表示大氣壓力，必須將其訂正到標準狀態(tài)：

p=ρgH

以0℃的水銀密度為準，取1.35951×104kg·m-3，符號為ρ（0）；取9.80665m/s2

為標準重力加速度。（緯度45度的海平面上）先將氣壓表的讀數(shù)值經(jīng)過儀器誤差訂正，然后再進行氣壓讀數(shù)的溫度訂正和重力訂正。第十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日174.2.1氣壓表讀數(shù)的溫度訂正氣壓表讀數(shù)的溫度訂正除了把水銀密度訂正到0度標準情況外，還要考慮標尺的長度隨溫度變化的伸縮。第十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日184.2.2氣壓表讀數(shù)的重力訂正設(shè)：

H0為經(jīng)過儀器誤差、溫度誤差訂正后的氣壓表讀數(shù)Hh為經(jīng)過儀器誤差、溫度誤差和重力訂正后的氣壓表讀數(shù)gφ,h為位于緯度φ海拔h處的臺站重力加速度值gn

為標準重力加速度值，取值為9.80665m/s2第十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日194.2.2氣壓表讀數(shù)的重力訂正(續(xù))根據(jù)公式（4.2）和（4.5）的關(guān)系，下式可成立：

Hh=H0·（gφ,h/gn

）臺站的重力加速度可應(yīng)用世界氣象組織的推薦公式：在平均海平面上，重力加速度隨緯度的變化公式（4.7），gφ,0=第二十頁，共四十八頁，2022年，8月28日204.2.2氣壓表讀數(shù)的重力訂正(續(xù))陸地臺站將gφ,0

值進行高度修正，其局地的重力加速度為公式（4.8a）,gφ,h=gφ,0–0.0000003086h+0.0000001118(h–h’)

h為該測站的海拔高度;h’為以測站為中心的半徑150km范圍內(nèi)的平均海拔高度。第二十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日214.2.2氣壓表讀數(shù)的重力訂正(續(xù))水面上的臺站，平均海拔高度低于10m，按下式計算：

gφ,h=gφ,0–0.0000003086h-0.0000001118α(h–h’)-0.00000688(1-α)(D–D’)

α為150km地區(qū)內(nèi)陸地面積所占比例。第二十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日224.2.2氣壓表讀數(shù)的重力訂正(續(xù))海岸附近地區(qū)，按下式計算：gφ,h=gφ,0–0.0000003086h-0.00000688(D–D’)第二十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日234.2.3海平面氣壓經(jīng)過儀器誤差、溫度和重力訂正后的讀數(shù)，稱作本站氣壓或場面氣壓。但為統(tǒng)一比較（繪制天氣圖），必須將各點的場面氣壓都訂正到同一高度——海平面上來。具體訂正方法如圖4.5所示。第二十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日244.2.3海平面氣壓（續(xù)）根據(jù)壓高公式，可得（4.9）式。 令m=……

則C=p0–ph=ph(10m-1)對于一個固定的氣象站，海拔高度是一個固定值，因此可以直接用tm

和ph制成簡表，查算C值。tm可根據(jù)假定得到：3條海拔每降100米，氣溫就升高0.5度（高山站）第二十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日254.3氣壓表的安置和觀測方法第二十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日264.3.1氣壓室氣壓表要求安置在專門的房間，理想的氣壓室一方面要能保證室內(nèi)溫度均一穩(wěn)定，另一方面還要避免氣流對室內(nèi)氣壓影響。室溫的均一性不難保證。氣流的影響不僅與風速有關(guān)，而且還和建筑物的結(jié)構(gòu)形式和位置有關(guān)。根據(jù)經(jīng)驗，由于風引起的氣壓脈動，其最大幅度可達3hPa。第二十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日274.3.1氣壓室（續(xù)）氣壓室的具體條件：室內(nèi)不裝設(shè)任何熱源或冷源；避免陽光直射；雙層門窗，以減少風以及觀測人員進入室內(nèi)時引起的氣壓波動；氣壓表應(yīng)該垂直懸掛，否則會使讀數(shù)值偏高（圖4.6）。據(jù)計算，氣壓表懸掛的偏斜角要求不超過15’~20’。第二十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日284.3.2氣壓表的讀數(shù)步驟動槽式水銀氣壓表觀測步驟：觀測附屬溫度表，準確至0.1℃。調(diào)整水銀槽內(nèi)水銀面，使之與象牙針尖恰恰相接。調(diào)整時，注意視線保持與水銀面同高，旋轉(zhuǎn)底部螺旋時要慢，槽內(nèi)水銀面自下而上地上升，直到象牙針尖與水銀面恰好相接（既無小渦（偏高，降低重調(diào)），也無空隙）為止。第二十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日294.3.2氣壓表的讀數(shù)步驟（續(xù)）調(diào)整游標尺恰好與水銀柱頂相切。調(diào)整時注意保持視線與水銀柱同高，把游標尺底邊恰好與水銀柱頂相切（圖4.7），此時水銀柱頂兩旁能見到三角形的露光空隙。讀數(shù)并記錄，準確至0.1hPa。降低水銀面，使它與象牙針尖脫離2—3毫米，其目的是使象牙針尖不被水銀磨禿和臟污（但注意不宜降低過多）。觀測時如光線不足可用電燈（25—40瓦）或手電照明。第三十頁，共四十八頁，2022年，8月28日304.3.2氣壓表的讀數(shù)步驟（續(xù)）補充：定槽式氣壓表（不必調(diào)整水銀面）：觀測附溫表。輕擊管壁。輕擊處以玻璃套管下部附溫表上部為宜。輕擊的目的在于使附在內(nèi)管壁的水銀滴下落，并使水銀柱頂保持正常的彎月面。調(diào)整游尺與水銀柱相切。讀數(shù)、記錄并復(fù)讀。第三十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日314.4空盒氣壓表和氣壓計空盒氣壓表（或稱固體金屬氣壓表），是利用空盒面位置隨氣壓變化發(fā)生升降，通過杠桿傳遞，用指針指示氣壓的儀器。空盒氣壓計第三十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日324.4空盒氣壓表和氣壓計（續(xù)）空盒氣壓表不如水銀氣壓表精確，而且訂正值容易發(fā)生改變，因此一般臺站上，只作為參考儀器。由于它便于攜帶、使用方便、維護容易，適用于野外考察或測壓準確度要求不太高的觀測用。第三十三頁，共四十八頁，2022年，8月28日334.4空盒氣壓表和氣壓計（續(xù)）空盒氣壓表的構(gòu)造：感應(yīng)部分：是一個圓形密閉的彈性金屬空盒。感應(yīng)元件是一組具有彈性的薄片。盒內(nèi)抽成真空，或留有少量空氣。由于大氣壓力遠遠超過空盒內(nèi)的壓力，因而空盒將被壓縮，需要一塊彈簧片和它相平衡。彈簧片的一端借一個調(diào)節(jié)螺旋固定在底座上，另一端與空盒的中心軸相聯(lián)，這樣彈簧片拉緊空盒面并平衡空盒上所受的大氣壓力。機械部分指示部分第三十四頁，共四十八頁，2022年，8月28日344.4空盒氣壓表和氣壓計（續(xù)）為了讀取儀器的溫度，空盒氣壓表還裝有弧形的附屬溫度表。第三十五頁，共四十八頁，2022年，8月28日354.4空盒氣壓表和氣壓計（續(xù)）空盒氣壓表的觀測步驟：打開盒蓋后，先讀取附溫準確至0.1℃。然后輕敲盒面（克服摩擦），待指針靜止后再讀數(shù)。讀數(shù)時眼睛視線與指針重合，且垂直于刻度盤，準確至0.1hPa。第三十六頁，共四十八頁，2022年，8月28日364.4空盒氣壓表和氣壓計（續(xù)）空盒氣壓表的讀數(shù)訂正：刻度訂正：由于儀器制造或裝配得不夠精確。刻度訂正值可從檢定證上查出。溫度訂正：由于溫度的變化，將引起空盒和金屬彈簧片彈性發(fā)生改變。制造儀器時，采用溫度補償裝置來減少溫度對空盒變形的影響。第三十七頁，共四十八頁，2022年，8月28日374.4空盒氣壓表和氣壓計（續(xù)）補充訂正：主要是由于空盒或彈簧片的剩余形變而引起的。剩余形變隨時間而不斷變化著，因此就使空盒氣壓表的訂正值經(jīng)常變化。因此須定期與水銀氣壓表進行比較，求出空盒氣壓表的示度的補充訂正。第三十八頁，共四十八頁，2022年，8月28日384.4空盒氣壓表和氣壓計（續(xù)）溫度補償裝置主要有兩種：空氣補償：在空盒內(nèi)留有少量氣體，當溫度升高時，由于盒內(nèi)氣體張力的增大，使空盒向外擴張，這樣就部分抵消了由于彈力減弱所造成的空盒壓縮的影響。當溫度升高時，則起相反的作用。第三十九頁，共四十八頁，2022年，8月28日394.4空盒氣壓表和氣壓計（續(xù)）雙金屬片補償在彈簧片的傳導(dǎo)軸上安裝一個雙金屬片補償器。雙金屬片由膨脹系數(shù)差值大的因鋼和黃銅組成。當溫度升高時，由于銅比因鋼膨脹得多，使導(dǎo)軸左端向上抬起，抵消了因彈力減弱所引起的空盒與傳導(dǎo)軸下降的一段高度。第四十頁，共四十八頁，2022年，8月28日404.5振筒式壓力傳感器構(gòu)造如圖4.16(a)該傳感器的壓力敏感部分為一固定在基座上的薄壁圓筒，壁厚0.08mm，其開口的一端固定在底座上，封閉的另一端向上作為自由端。振筒的材料不僅需要具有穩(wěn)定的彈性，還應(yīng)有良好的導(dǎo)磁性，常使用鎳基恒彈性合金制作。第四十一頁，共四十八頁，2022年，8月28日414.5振筒式壓力傳感器在振筒底座中心裝有一個固定骨架，激振線圈及其鐵芯橫穿固定在骨架上，在激振線圈的推動下使振筒產(chǎn)生一定頻率的振動，骨架上另有一組拾振線圈，用以耦合振筒的振動，測量其輸出波形的頻率或周期，可以準確地確定振筒振動的頻率。根據(jù)振筒頻率與大氣壓力的關(guān)系，即可得出大氣壓力。第四十二頁，共四十八頁，2022年，8月28日424.6沸點氣壓表溶液的沸點和大氣壓力的關(guān)系是很準確的，利用這一特性測量氣壓，已在一些探空儀上應(yīng)用，因為在低氣壓測量時，它比空盒氣壓表的精度要高。這種方法的優(yōu)點是將氣壓的測量轉(zhuǎn)