Вимірювання атмосфепного тиску
Якщо скляну трубку довжиною 90 см, яка запаяна із одного кінця, заповнити ртуттю, потім прикрити її отвір, перекинути та опустити не завареним кінцем у чашку із ртуттю, то після відкриття отвору трубки із неї виллється тільки частина ртуті. Стовпчик ртуті висотою Н, що залишився, визначається атмосферним тиском Ра, тобто тиск всередині трубки Р урівноважує атмосферний тиск Ра: Р = Ра або Нpg = Ра .
Таким чином, вимірюючи Н при відомих r і g, визначають атмосферний тиск у даній точці. Так як g залежить від висоти та широти місця (але постійна для кожної фіксованої точки), а r – густина ртуті залежить від температури, то очевидно, що у відліки Н необхідно вводити поправки на температуру, висоту і ширину, а також інструментальну поправку. Таким чином, якщо барометр знаходиться в одній точці (станція), то до його показів вводяться три поправки:
на приведення показів барометра до 0оС – температурна поправка;
інструментальна поправка;
поправка для приведення показів барометра до нормального прискорення сили тяжіння (g= 980,665 см/с2) (на висоту и широту).
Поправки 2 та 3 об’єднують в одну постійну поправку.
Якщо тиск вимірюється у різних точках, то необхідно вводити усі поправки окремо. Така ситуація виникає, наприклад, при маршрутних вимірюваннях, на рухливих судах та ін.
Станційний чашковий барометр представлений на рис.9.76.
Трубка барометра має довжину близько 800 мм та внутрішній діаметр 7,2 мм. Шкала компенсаційна, що дозволяє автоматично враховувати змінність висоти ртуті у чашці, тобто положення нуля відліку.
Для введення температурної поправки барометр має „термометр при барометрі”. Для забезпечення точності відліку (0,1 гПа) існує ноніус.
Барометр на станції розміщується строго вертикально у спеціальній шафі із підсвічуванням шкали. При відліку лінія візування повинна приходитися на нижній зріз шкали ноніуса, який суміщається із задньою його стінкою і одночасно підводиться до верхньої частини меніска ртуті. Перед відліком необхідно легко постукати по скляній трубці барометра, щоб справа і зліва від меніска були видні трикутні просвіти.
Поправки до барометра вводяться по раніше розрахованим таблицям із урахуванням результатів його систематичної перевірки.
Рис. 1.10 Барометр чашковий станційний. 1 – гвинт; 2 – оправа; 3 – шкала; 4 – кільце; 5 – ноніус; 6 – трубка з ртуттю;
7 – кремальєра; 8 – термометр; 9 – чашка.
Для безперервного запису атмосферного тиску використовується добовий (рідше тижневий) барограф (9.77). Чутливим елементом у ньому служить блок мембранних барокоробок, зміщення осі яких, за рахунок коливання тиску, передається системою ричагів на перо. Прилад являється відносним, тому для обробки барограм, як у термографа і гігрографа, необхідне паралельне вимірювання тиску абсолютним приладом (барометром). В основному на станціях по виду запису барографа визначається характеристика барометричної тенденції, тобто абсолютної величини різниці Р = Рi - Pi-1 та вигляд цієї ділянки барограми.
Рис. 1.11 Барограф метеорологічний. 1 – барабан; 2 – анероїдні коробки; 3 – кронштейн;
4 – ричаг; 5 – ричаг з пером.
На метеорологічних станціях для вимірювання тиску анероїди не використовуються, однак їх використовують, наприклад, у експедиціях, на постах та ін.
Принцип дії барометра-анероїда (рис. 9.78) заснований на деформації металічних анероїдних коробок (всередині яких повітря розряджене) під дією тиску. Лінійні зміни товщини коробок перетворюються передавальним ричажним механізмом в кутові зміщення стрілки барометра-анероїда відносно шкали. Шкала градуйована у паскалях. Ціна однієї поділки 100 Па або 1гПА.
Для вимірювання температури приладу у прорізі шкали прикріплений дугоподібний ртутний термометр. Ціна поділки його шкали 1о С.
Робоче положення барометра-анероїда – горизонтальне. Футляр, у якому знаходиться анероїд, захищає його від різких коливань температури і відкривається тільки на час вимірювання. У показання анероїда вводять три поправки: шкалову, температурну та додаткову, які надаються у повірочному свідоцтві до кожного приладу.
Шкалова поправка враховує інструментальну неточність роботи самого приладу, тому на різних ділянках шкали вона може бути різною. У повірочному свідоцтві шкалові поправки приводяться через кожні 1000 Па. Для проміжних показань поправку визначають шляхом інтерполяції двох сусідніх поправок.
Рис. 9.78 Барометр-анероїд.
1 – металева коробка; 2 – смугова пружина; 3 – стрілка; 4 – шкала.
Температурна поправка враховує вплив температури. При однаковому тиску, але різній температурі приладу, показання анероїда можуть бути різними, так як із зміною температури пружність анероїдних коробок не залишається постійною. Щоб виключити вплив температури, показання анероїда приводяться до 0о С. Для цього використовують температурний коефіцієнт k на 1о С. Для отримання температурної поправки його потрібно помножити на температуру приладу.
Додаткова поправка враховує залишкову деформацію (гістерезис) коробок. Ця поправка змінюється в часі.
Барометр-анероїд повіряється не рідше одного разу у 6 місяців у повірочних лабораторіях Держстандарту.
Вимірювання вітру
В основу роботи більшості приладів, що вимірюють швидкість та напрямок вітру, покладено дію динамічного тиску, що здійснюється повітряним потоком на розташовану у ньому тверду поверхню рухомої приймальною частини приладу.
Приймачами швидкості вітру або первинними перетворювачами і являються чашкові вертушки або гвинти з лопастями.
Для вимірювання напрямку вітру використовують флюгерки, які представляють собою асиметричну (відносно вертикальної осі) систему із пластин та противажелів, яка вільно обертається відносно вертикальної осі. Під дією вітру флюгерка встановлюється у площині вітру противажелем назустріч йому. Форми флюгерки різноманітні, але більшість має дві лопасті (пластини) під кутом одна до одної, що забезпечує їм стійкість у повітряному потоці і підвищує чутливість.
Принцип дії перетворювачів швидкості вітру досить різноманітний. Широко використовуються прилади, які основані на принципі перетворення швидкості вітру у механічне зміщення чутливого елемента. Розрізнюють три види таких елементів: чашкові вертушки, вільно підвішена пластинка та повітряний гвинт.
Флюгер Вільда (рис.9.79) – найпростіший прилад, покажчиком швидкості вітру якого являється вільно підвішена прямокутна пластина, а покажчиком напрямку – флюгерка.
Флюгер має дві модифікації – флюгер із легкою (200 г) та важкою (800 г) дошкою. Легка дошка забезпечує вимірювання швидкості до 20 м/с, а важка – до 40 м/с. Положення дошки визначається номером штифтів, які розміщені по дузі зміщення дошки.
Для вимірювання напрямку використовується флюгерка, яка орієнтується за напрямком вітру та положення якої визначається по горизонтальним штифтам, які співпадають із вісьмома основними румбами. Для цього флюгерка при установці флюгера орієнтується по сторонам світу.
Рис. 4.11 Флюгер станційний.
Рис. 1.12. Флюгер Вільда
1– флюгарка с противажелем; 2 – рамка; 3 – горизонтальна вісь; 4 – противажіль; 5 – дуга зі штифтами; 6 – дошка; 7 – трубка; 8 – муфта зі штифтами напрямку; 9 – вертикальна вісь.
Для вимірювання швидкості вітру спостерігач повинен відійти від стовпа у напрямку, перпендикулярному положенню флюгерки, і протягом двох хвилин спостерігати за положенням дошки, відмітити середнє положення за цей час (номер штифта). Воно і визначає середню за дві хвилини швидкість вітру.
Для вимірювання середнього напрямку вітру спостерігач повинен, ставши біля мачти під покажчиком напрямку, відмітити середнє положення коливань флюгерки за дві хвилини, визначивши оком румб.
Анемометр ручний МС-13 (рис.9.80) – це один із найпростіших і точних приладів для вимірювання швидкості вітру у діапазоні від 1 до 20 м/с.
Зазвичай використовують інтервал усереднення від 1 до 10 хвилин. Чутливими елементами датчика швидкості являється вертушка із чотирма напівсферичними чашками. Обертання вертушки передається на рахунковий механізм із трьома шкалами (тисячі, сотні, десятки та одиниці обертів). Включатися і виключатися прилад може дистанційно із відстані до 10 метрів за допомогою шнурка-тяги. Прилад виключно зручний у польових умовах, використовується він також при градієнтних вимірюваннях.
Для вимірювання швидкості відраховують початкові показання стрілки приладу, потім одночасно включають секундомір і сам прилад і роблять кінцевий відлік. Різниця відліків ділиться на різницю часу в секундах і знаходиться кількість обертів у секунду. По цій величині за допомогою спеціального графіка знімається швидкість вітру.
Можлива також безперервна реєстрація ходу середніх швидкостей. Для цього через задані проміжки часу роблять відліки без відключення приладу. При цьому спочатку треба відраховувати одиниці, потім сотні і потім тисячі.
Рис. 1.13 Анемометр
Вимірювання опадів
Атмосферні опади в залежності від їх фазового стану розділяють на наступні групи:
1. рідкі – дощ та роса;
2. тверді – сніг, град, крупа, іній, ожеледь;
3. змішані – одночасно із першої та другої групи.
Кількість опадів вимірюється із точністю до 0,1 мм висоти шару води (якщо опади тверді, то їх розтоплюють у теплому приміщенні). Вид опадів визначається візуально.
Опадомір Третьякова використовують для вимірювання рідких та твердих опадів (рис.9.81). Він складається із двох спеціальних змінних відер, з каліброваним перерізом отвору 200 см2, висотою 40 см та планковим захистом від вітру. Опадомір встановлюється на стовпі так, щоб верхній зріз відра був розміщений на висоті 2 м.
Вимірювання кількості опадів проводиться два рази на добу незалежно від того, випадали опади чи ні. Потім вираховується сума опадів за добу. Вимірювання заключається в тому, що спостерігач бере друге пусте відро на станції і замінює їм відро, що стоїть на установці. Закривши його кришкою, він приносить відро опадоміра у приміщення і вимірює кількість опадів за допомогою мірної склянки. Ціна поділки мірної склянки 2 см3. Тому одна поділка склянки відповідає 0,1 мм опадів (2 см3/200 см2 = 0,01 см).Склянка має сто поділок.