ГМИ методичка

Дополнительные задания для студентов группы «И»

15.Снять зависимость угла поворота стрелки указателя высоты в градусах от высоты Н. Обратить внимание на то, что нулевой высотесоответствуетненулевоезначениеугла.Объяснитепричину.

16.Выполнить расчет шкалы прибора для случая линейной зависимости сопротивления R13 = R(α) от угла поворота ползунка. Для расчета шкалы высот использовать соотношение (14.18), которое

для линейной зависимости R13 будет иметь вид:

Для того, чтобы результаты расчета можно было бы сопоставить с реальной шкалой прибора ИВО-IM, обратить внимание на то, что отсчет углов в приборе производится не с нулевого значения, а сугла 50°.Углу50°соответствуетзначениеR13,равноенулю.Сучетомэтого обстоятельства итоговое уравнение шкалы прибора приобретает вид:

αmax. = 260° – полный угол поворота ползунка потенциометра R13. α0 = 50° – начальный угол поворота оси потенциометра.

Расчетшкалывысотпроизвестидляtпр =1,42мкс,RΣ =243,5кОм,

С8Σ = 44 пФ, R13 = 3,3 МОм, αmax. = 260°, α0 = 50°, R35 = 680 кОм, R59 = 120 кОм, R40 = 75 кОм, С = 3·108 м/с.

17. Обратить внимание, что для углов, меньших 85°, значения высоты получаются отрицательными. Объяснить причину.

18. Сопоставить результаты расчета с данными, полученными по п. 12. Сделайте выводы о причинах расхождения результатов.

19. Построить график зависимости Н = f (α) и начертить шкалу прибора.

14.9. Требования к отчету

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

1. обобщенную функциональную схему прибора (аналогич-

ную рис. 14.1);

231

2.краткое описание его основных узлов и их назначение;

3.основные технические характеристики прибора;

4.результаты измерений, выполненных по пунктам 6–14 (а также 15–16 для гр. «И»), представленные в виде осциллограмм, таблиц, графиков.

14.10.Контрольные вопросы

1.Поясните принцип действия светолокационного метода измерения высоты нижней границы облачности.

2.Каким образом можно применить электронно-лучевую трубку (ЭЛТ) для измерения малых промежутков времени?

3.Что такое импульс развертки? На какие электроды ЭЛТ он подается?

4.Каким образом связаны пределы измерения высоты облачности и длительность импульса развертки в приборе ИВО?

5.Для чего в схеме ИВО содержится схема компенсации? Поясните её действие.

6.Каковы пределы измерения высоты нижней границы облачности с помощью ИВО?

7.Каков порядок действий оператора при измерении высоты нижней границы облачности с помощью ИВО?

8.Для чего предусмотрен блок автоматической регулировки усиления (АРУ) в приборе ИВО?

9.ПочемувовремядождярекомендуетсявыключатьблокАРУ?

10.Поясните устройство блока передатчика ИВО.

11.Поясните устройство блока приемника ИВО.

12.Как работает фотоэлектронный умножитель (ФЭУ)? Поясните его работу, пользуясь схемой ФЭУ.

13.Как работает импульсная газоразрядная лампа ИВО? Почему для поджига лампы необходим специальный электрод?

14.Поясните электронную схему передатчика ИВО.

15.Поясните работу электронной схемы приемника ИВО.

16.Что такое катодный повторитель? Какую роль он играет

всхеме усиления сигнала приемника ИВО?

17.Как осуществляется калибровка ИВО в полевых условиях? Каковы действия оператора при проведении калибровки?

18.Поясните работу электронной схемы блока калибровочных импульсов.

232

19.Частота калибровочных импульсов такова, что свет успевает пройти расстояние в 200 метров в течение периода импульсов калибровки. Вычислите частоту калибровочных импульсов.

20.Накакомрасстояниирасполагаютсяприемникипередатчик ИВО? Как следует их ориентировать?

21.Шкала высоты облаков в приборе ИВО – нелинейная. Почему? К каким особенностям точности измерения приводит эта нелинейность?

14.11.Литература

1.Григоров Н.О., Саенко А.Г., Восканян К.Л. Методы и сред-

ства метеорологических измерений. Метеорологические приборы.

Учебник по курсу. 2012. C. 188–192.

2.Григоров Н.О. Презентации курса лекций «Гидрометеоро-

логические измерения». http://gmi.rshu.ru. Тема 1.1.

3.Капустин А.В., Сторожук Н.Л. Технические средства гидрометеорологической службы. СПб, КОМЕТЕХ, 2005.

4.Цифровые осциллографы http://www.master-tool.ru/images/ asset/Tektronix%20docs/oscil_manual.pdf

15.Определение барической ступени и высоты места.

Лабораторная работа № 15

Цель работы – изучение вертикального изменения давления в атмосфере и определение барической ступени с помощью цифрового барометра БРС-1 и датчика давления PTB330 (фирмы Vaisala). На основе полученного значения барической ступени измеряется разность высот между этажами здания.

15.1. Общие сведения

Изменение атмосферного давления с высотой [1] подчиняется барометрической формуле. Для случая постоянной температуры

233

среды (изотермическая атмосфера) эта формула может быть представлена в виде:

где P0 – давление на уровне, принятым за нулевой (обычно за таковой принимают уровень моря), g – ускорение силы тяжести, z – высота места над уровнем моря, R0 – газовая постоянная для сухого воздуха, T0 – температура воздуха.

Однаконапрактикеиспользоватьэтуформулунеудобно.Гораздо проще воспользоваться понятием «барическая ступень», которое выводитсяизприближенноголинейногозаконаизменениядавления с высотой. Разумеется, линейный закон может быть принят только

вдостаточно узком по высоте слое атмосферы, в пределах которого он близок к экспоненциальному, описываемому формулой (15.1).

В таком приближении барическая ступень h – это такая высота,

впределах которой атмосферное давление изменяется на один гектопаскаль (1 гПа).

Нетрудно понять, что величина барической ступени зависит от плотности воздуха, а значит, от его температуры и давления. Приведем значения барической ступени h в метрах при разных температурах и давлениях воздуха [1]:

Как видно из табл. 15.1, барическая ступень очень сильно зависит от атмосферного давления, т. е. от высоты места. При давлении 1000гПаитемпературе°С(чтопримерносоответствуетприземным условиям) она составляет 8,0 м, а при давлении 500 гПа (что соответствует высоте около 5000 м) она уже в 2 раза больше – 16,0 м. При давлении 100 гПа (это соответствует высоте около 10 000 м) барическая ступень возрастает уже до значения 80 м.

К изменению температуры барическая ступень менее чувствительна, однако для более-менее точных измерений температуру все

234

Рис. 15.1. Барометрическая коробка в разрезе

же нельзя не учитывать. Еще раз подчеркнем, что для узкого слоя, в котором барическая ступень принята постоянной, температуру следует также считать постоянной!

В данной работе, где студентам предлагается измерить барическую ступень для приземных условий внутри здания, а затем измерить высоту разных этажей этого здания, требование постоянства температуры выполняется достаточно хорошо. Поскольку разность высот, на которых предстоит работать, не превышает 25–30 м, то такой слой можно считать достаточно узким, и величину барической ступени внутри этого слоя – неизменной.

Барометр-анероид.Деформационныебарометры-анероидыиз- меряют силу, с которой атмосферное давление действует на деформируемую поверхность барометрической коробки (барокоробки). Барометрическая коробка в разрезе изображена на рис. 15.1. Она выполнена в виде полого диска, стенки которого изготовлены из сталистой бронзы − материала, обладающего большой упругостью. Нижняя и верхняя поверхность коробки сделана гофрированной, что увеличивает её способность деформироваться. При изменении атмосферного давления коробка деформируется, причем степень деформации зависит от давления. Деформация измеряется с помощью стрелки, соединенной с поверхностью барокоробки системой рычагов для увеличения перемещения стрелки. Другая поверхность (рис. 15.1 – нижняя) закреплена неподвижно.

Такимобразом,подвижнаястрелкаперемещаетсяоколошкалы, показывая атмосферное давление. Часто вместо одной применяют несколько барокоробок, внутренние полости которых сообщаются друг с другом, что увеличивает перемещение стрелки, а следовательно, чувствительность барометра. Такая конструкция получила название сильфон.

Барометр, датчиком которого является сильфон, обычно называют барометром-анероидом (рис. 15.2). Такие барометры более

235

удобны в использовании, чем ртутные. Они более компактны, следовательно, применимы в экспедиционных условиях, в них от- сутствуетртуть–какизвестно,ядовитоеве- щество,требующееособыхправилобращения и хранения. Однако деформационные барометры-анероиды обладают серьезны­ ­ мипогрешностями.Перечислимихидадим рекомендации по их устранению.

1. Температурная погрешность. Как известно,упругостьметалласильнозависит от температуры. Следовательно, например, при увеличении температуры упругость стенок сильфона уменьшается, он сильнее деформируется, соответственно, показывает завышенное давление. При уменьшении температуры – наоборот, заниженное.

Для ликвидации температурной погрешности применяют два способа.

Первыйспособзаключаетсявтом,чтосильфонвместесострелкой помещают на биметаллическую пластинку, которая перемещается при изменении температуры. Схема соответствующей установки представлена на рис. 15.3. При изменении температуры сильфон деформируется, стрелка перемещается, но в то же время пластинка перемещает всю конструкцию вместе со стрелкой в противоположном направлении. Если активная часть пластинки отрегулирована

Рис. 15.3. Биметаллический компенсатор:

1 – сильфон; 2 – биметаллическая пластинка; 3 – винт, перемещением которого можно регулировать активную часть пластинки l

236

Рис. 15.4. Гистерезис сильфона:

Pизм. – показания сильфона; Р – атмосферное давление

так, что суммарное перемещение равно нулю, то происходит полная компенсация, и температурная погрешность исчезает.

Второй способ ликвидации температурной погрешности – газовая компенсация – заключается в том, что внутри сильфона остается некоторое количество газа. Тогда можно говорить о том, что давление газа внутри сильфона также является функцией температуры. Как известно, при повышении температуры давление газа внутри замкнутого объема возрастает. Можно так отрегулировать количествоисоставгазавнутрисильфона,чтоувеличениевнутреннего давления компенсирует потерю упругости стенками сильфона. Тогда, следовательно, температурная погрешность исчезнет.

2.Упругий гистерезис сильфона. Эта погрешность связана

стем, что стенки сильфона имеют остаточную деформацию. Из-за этого они сохраняют «память» о предыдущем состоянии. Иначе говоря, показания барометра при повышении давления не совпадают

споказаниями при понижении давления. Это показано на рис. 15.4. При повышении давления показания барометра оказываются заниженными, а при понижении – завышенными (график на рис. 15.4

сильно утрирован). Для ликвидации погрешности, связанной с упругим гистерезисом, следует уничтожить остаточную деформацию. Это в значительной степени удается сделать, если встряхнуть сильфон легким постукиванием по барометру, что и рекомендуется делать перед снятием показаний.

Барометр рабочий сетевой БРС-1. В 80-х годах ХХ века был изобретен барометр БРС-1 (Барометр рабочий сетевой) (рис.15.5-а).

237

Рис. 15.5. Барометр рабочий сетевой:

а – внешний вид; б – датчик барометра БРС в разрезе

Постепенно эти барометры вытесняют ртутные барометры, применяемые на метеорологической сети. Они имеют весьма привлекательные особенности.

Рассмотрим устройство датчика барометра БРС (рис. 15.5-б). Датчик представляет собой электрический конденсатор, то есть две металлические пластины, изолированные друг от друга кольцом из диэлектрика (1). Пластины выполнены из сталистой бронзы, то есть, по сути дела, этот датчик представляет собой ту же барометрическую коробку. При изменении давления пластины сжимаются или, наоборот, раздвигаются, таким образом, емкость конденсатора изменяется. Следовательно, она зависит от атмосферного давления. Измерить емкость конденсатора можно с помощью электронной схемы. В барометре БРС-1 имеется цифровая индикация атмосферного давления.

Преимуществом барометра БРС является отсутствие ядовитого вещества – ртути, а также преобразование атмосферного давления в электрический сигнал. Это дает возможность автоматизировать измерения, записывать данные, например, в память компьютера и использовать прибор в более сложных измерительных комплексах.

Теперь рассмотрим блок-схему электронной части барометра БРС (рис. 15.6). С датчика давления (он показан на рис 15.5-б) снимается сигнал в виде напряжения, значение которого зависит от давления. Оно поступает в АЦП (аналого-цифровой преобразователь) и преобразуется в цифровую форму. В прибор также включен датчик температуры, представляющий собой неуравновешенную мостовую схему. Сигнал в виде напряжения, зависящего от температуры воздуха, также поступает в АЦП и преобразуется в цифровую форму.

238

Рис. 15.6. Блок-схема барометра БРС-1

Далее оба сигнала поступают в малогабаритное ВУ (вычислительное устройство), в элементах памяти которого записана программа,позволяющаяустранитьтемпературнуюпогрешностьсильфона (см. выше). Таким образом, на выходе ВУ появляется сигнал, зависящий только от атмосферного давления! Вводить поправки в показания этого барометра уже не требуется.

Барометр БРС очень прост в использовании. Достаточно просто включить прибор в сеть и поставить выключатель на задней панели в положение «Вкл.». На индикаторах барометра появится значение атмосферного давления в гектопаскалях или в миллиметрах ртутногостолба.Дляпереводаоднихединицвдругиенужнонажать красную кнопку на передней панели прибора.

Точность измерения по барометру БРС-1: ±0,3 гПа. Однако индикатор показывает давление с точностью до одной сотой гПа. Поэтому измерение разности давлений на разных уровнях (что и требуется в данной работе) может быть выполнено с точностью, гораздо большей, чем указано в паспорте прибора.

15.2. Выполнение работы

Для выполнения работы необходимы следующие приборы и инструменты:

–барометр БРС-1;

–датчик давления PTB330 (фирмы Vaisala) или другой доста-

точно чувствительный барометр, имеющийся в лаборатории.

1.Включите барометр БРС-1 в сеть и убедитесь в том, что на индикаторахпоказываетсязначениеатмосферногодавлениявгектопаскалях (его значение должно немногим отличаться от 1000 гПа). Если давление показано в мм рт. ст., то нажмите кнопку на передней панели прибора.

2.Поставьте прибор на стол в лаборатории третьего этажа здания (прибор не должен опираться на ручку!) и запишите значение давления P3 с точностью до 0,01 гПа).

239

3.Поднимитесьсприборомнавысотучетвертогоэтажаздания

ипоставьте прибор на стол в рекреации четвертого этажа. Разница высотмежду3и4этажамисоставляетH =3,77м.Включитеприбор в сеть. Убедитесь в том, что на индикаторе показано измененное значение давления, и запишите это новое значение P4 с точностью до 0,01 гПа.

4.Определите барическую ступень по формуле:

5.Выключите барометр БРС-1 тумблером на задней панели прибора.

6.Возьмите датчик давления PTB330 или другой чувствительный барометр запишите значение атмосферного давления, которое он показывает на высоте пола лаборатории. Запишите это значение

смаксимально возможной для данного прибора точностью.

7.Спуститесь на один этаж, поставьте барометр на пол и снова запишите измененное значение давления (при пользовании баро- метром-анероидом не забудьте перед измерением слегка постучать пальцем по барометру для снятия упругого гистерезиса!)

8.Спуститесь на первый этаж и повторите измерения по п. 6. Затем поднимитесь на четвертый, пятый этажи здания и повторите измерения давления аналогично п. 6.

9.Возвратитесь в лабораторию, поставьте барометр на место.

10.Вычислите разность высот между этажами, пользуясь известной Вам величиной барической ступени и результатами измерений давления, сделанными на каждом этаже. Например, разность высотмеждупервымивторымэтажамирассчитываетсяпоформуле:

где P1 – давление на первом этаже, P2 – давление на втором этаже, h – барическая ступень.

11. Определите полную высоту пятого этажа здания, как сумму определенных Вами высот.

15.3. Требования к отчету

Отчет должен содержать:

1.Краткое описание теории изменения атмосферного давления

свысотой, описание барометра БРС-1 и барометра-анероида.

240