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1、第四章气压的测量第四章气压的测量第1页，本讲稿共48页1 1序序n气压是大气压力的简称，数值等于单位面积上从所在地点往上直至大气上界整个空气柱的重量，公式（4.1）n单位：百帕（hPa）n1 hPa =100 Pan1 Pa =1 N/m2第2页，本讲稿共48页2 24.1 水银气压表水银气压表第3页，本讲稿共48页3 34.1.1 作用原理作用原理n应用托里拆里实验的原理。n当外界气压升高时，大气压力会自动把水银槽中的水银压进管腔中使水银柱长高。n反之，气压下降时，水银柱会自动降低，水银自动流回槽里。第4页，本讲稿共48页4 44.1.1 作用原理（续）作用原理（续）n压高公式：p =g H
2、n n 为温度为为温度为 t t 时水银的密度时水银的密度n ng g 为当地的重力加速度为当地的重力加速度n nH H 为水银柱的高度为水银柱的高度n如果大气压力不变，温度变化，或两个重力加速度不同的测点，大气压力相同，但水银柱高度的读数是不相同的，只有当 和 g 的数值一定时，水银柱的高度才能正确地代表大气压力，所以必须规定一个标准条件。第5页，本讲稿共48页5 54.1.1 作用原理（续）作用原理（续）n标准条件是：1.以 0的水银密度为准，取 1.35951104 kg m-3，符号为（0）2.取 9.80665 m/s2 为标准重力加速度。（纬度45度的海平面上）第6页，本讲稿共48
3、页6 64.1.1 作用原理（续）作用原理（续）n取液体水银来制作气压表的优点：1.水银的密度大，液柱高度合适；2.在温度高达+60的情况下，水银的饱和蒸气压仍然很小，因此在管顶的水银蒸气所产生的附加压力对读数精确度的影响可以忽略不计；3.纯水银易得。第7页，本讲稿共48页7 74.1.2 动槽式水银气压表动槽式水银气压表n用一端封闭并抽成真空的玻璃管，倒插在水银槽中，当水银柱压强与大气压强相平衡时，用水银槽平面到水银柱顶的高度来测定大气压强。n水银柱的高度必须以温度为0，重力加速度为9.80665平方米/秒的情况下所具有的高度为准。n当测量气压时，温度和重力加速度与上述情况不符，则必须对由此
4、引起的偏差加以订正，气象观测称为本站气压订正。n水银气压表测量精度较高，性能稳定，常作为标准测压仪器。第8页，本讲稿共48页8 84.1.2 动槽式水银气压表（续）动槽式水银气压表（续）n特点是标尺上有一个固定的零点，每次读数时，须将水银槽的表面调整到这个零点处，然后读出水银柱顶的刻度。第9页，本讲稿共48页9 94.1.2 动槽式水银气压表（续）动槽式水银气压表（续）n构造：三部分n水银柱玻璃管：上端较粗，下端较细，抽真空，灌注水银，插入水银槽。n水银槽：铜护套1，玻璃圈2，水银面调整螺钉4，象牙针5n标尺套管：水银柱3，调节螺旋6，游标尺7，附属温度表8第10页，本讲稿共48页10104.
5、1.3 定槽式水银气压表定槽式水银气压表n与动槽式水银气压表的区别：在水银槽部。没有固定零点。n它的水银槽是一个固定容积的铁槽，没有羊皮囊、水银面调整螺钉以及象牙针。n通气孔是位于槽顶上的螺钉孔。n见78页图4.3第11页，本讲稿共48页11114.1.3 定槽式水银气压表（续）定槽式水银气压表（续）n当外界气压增大时，槽内水银面下降管内水银面升高，因此实际气压变化是这两部分高度变化之和，反之当气压下降时，也是一样。n由于水银槽是封闭的，槽内水银面高度变化 b 是看不到的。因此仅用管内水银柱 a 来代表实际气压（a+b）。这样标尺上的单位刻度距离 a，要比实际气压变化要短些，这就是标尺需补正的
6、基本原理。第12页，本讲稿共48页12124.1.3 定槽式水银气压表（续）定槽式水银气压表（续）n我国常用的定槽式，其内管面积与槽部面积之比是 1:50。n当气压实际改变1毫米时，槽内水银面下降0.02毫米（b=1/50），内管水银柱只上升0.98毫米（a=49/50）。n即标尺上代表气压变化1毫米的刻度（长度），实际只有0.98毫米。第13页，本讲稿共48页13134.1.3 定槽式水银气压表（续）定槽式水银气压表（续）n为此，在制造定槽式气压表时，要求槽部与内管严格成比例，并以标准气压（760毫米）时槽内水银面高度做为标尺的零点。n同时保持气压表内的水银定量，否则将会引起仪器误差。第14
7、页，本讲稿共48页1414补充：两种水银气压表的比较补充：两种水银气压表的比较n动槽式n制作较容易，因有固定零点，观测手续比较麻烦，使用时间较长后，水银面有氧化物，调零点就不容易准确，常造成观测上的误差。n定槽式n在制造上要求较严格，但使用上，较为方便而精确。第15页，本讲稿共48页15154.1.4 水印气压表的仪器误差水印气压表的仪器误差n气压表主要的仪器误差：1.仪器的基点和标尺不准确2.管顶的真空度不高n n使用较长时间后，玻璃本身吸附和吸留的气体、使用较长时间后，玻璃本身吸附和吸留的气体、水银中容入的空气逐渐渗入管顶的真空部分，并水银中容入的空气逐渐渗入管顶的真空部分，并难以彻底消除
8、，因此气压表需定期进行复检。难以彻底消除，因此气压表需定期进行复检。3.气压表管内的毛细管现象n n根据拉普拉斯公式，弯曲液面产生附加压力。管根据拉普拉斯公式，弯曲液面产生附加压力。管顶水银面的曲率半径较小，因此表管心内的附加顶水银面的曲率半径较小，因此表管心内的附加压力数值比水银槽内的要大得多，结果使水银柱压力数值比水银槽内的要大得多，结果使水银柱的高度下降。的高度下降。第16页，本讲稿共48页16164.2 水银气压表的读数订正水银气压表的读数订正n为使水银柱的高度能表示大气压力，必须将其订正到标准状态：p =g H以 0的水银密度为准，取 1.35951104 kg m-3，符号为（0）
9、；取 9.80665 m/s2 为标准重力加速度。（纬度45度的海平面上）n先将气压表的读数值经过仪器误差订正，然后再进行气压读数的温度订正和重力订正。第17页，本讲稿共48页17174.2.1 气压表读数的温度订正气压表读数的温度订正n气压表读数的温度订正除了把水银密度订正到 0 度标准情况外，还要考虑标尺的长度随温度变化的伸缩。第18页，本讲稿共48页18184.2.2 气压表读数的重力订正气压表读数的重力订正n设：n H0 为经过仪器误差、温度误差订正后的气压表读数nHh 为经过仪器误差、温度误差和重力订正后的气压表读数ng,h 为位于纬度海拔h处的台站重力加速度值ngn 为标准重力加速
10、度值，取值为 9.80665 m/s2第19页，本讲稿共48页19194.2.2 气压表读数的重力订正气压表读数的重力订正(续续)n根据公式（4.2）和（4.5）的关系，下式可成立：Hh=H0（g,h/gn）n台站的重力加速度可应用世界气象组织的推荐公式：1.在平均海平面上，重力加速度随纬度的变化公式（4.7），g,0=第20页，本讲稿共48页20204.2.2 气压表读数的重力订正气压表读数的重力订正(续续)2.陆地台站将g,0 值进行高度修正，其局地的重力加速度为公式（4.8a）,g,h=g,0 0.0000003086h+0.0000001118(h h)h为该测站的海拔高度;h为以测站
11、为中心的半径 150km 范围内的平均海拔高度。第21页，本讲稿共48页21214.2.2 气压表读数的重力订正气压表读数的重力订正(续续)3.水面上的台站，平均海拔高度低于 10m，按下式计算：g,h=g,0 0.0000003086h-0.0000001118(h h)-0.00000688(1-)(D D)为 150km 地区内陆地面积所占比例。第22页，本讲稿共48页22224.2.2 气压表读数的重力订正气压表读数的重力订正(续续)4.海岸附近地区，按下式计算：g,h=g,0 0.0000003086h-0.00000688(D D)第23页，本讲稿共48页23234.2.3 海平面
12、气压海平面气压n经过仪器误差、温度和重力订正后的读数，称作本站气压或场面气压。n但为统一比较（绘制天气图），必须将各点的场面气压都订正到同一高度海平面上来。n具体订正方法如图4.5所示。第24页，本讲稿共48页24244.2.3 海平面气压（续）海平面气压（续）n根据压高公式，可得（4.9）式。令 m=则 C=p0 ph =ph(10m-1)n对于一个固定的气象站，海拔高度是一个固定值，因此可以直接用 tm 和 ph制成简表，查算 C 值。ntm 可根据假定得到：3条n海拔每降100米，气温就升高0.5度（高山站）第25页，本讲稿共48页25254.3 气压表的安置和观测方法气压表的安置和观测
13、方法第26页，本讲稿共48页26264.3.1 气压室气压室n气压表要求安置在专门的房间，理想的气压室一方面要能保证室内温度均一稳定，另一方面还要避免气流对室内气压影响。n室温的均一性不难保证。n气流的影响不仅与风速有关，而且还和建筑物的结构形式和位置有关。n根据经验，由于风引起的气压脉动，其最大幅度可达 3 hPa。第27页，本讲稿共48页27274.3.1 气压室（续）气压室（续）n气压室的具体条件：1.室内不装设任何热源或冷源；2.避免阳光直射；3.双层门窗，以减少风以及观测人员进入室内时引起的气压波动；4.气压表应该垂直悬挂，否则会使读数值偏高（图4.6）。据计算，气压表悬挂的偏斜角要
14、求不超过 15 20。第28页，本讲稿共48页28284.3.2 气压表的读数步骤气压表的读数步骤动槽式水银气压表观测步骤：1.观测附属温度表，准确至 0.1。2.调整水银槽内水银面，使之与象牙针尖恰恰相接。n调整时，注意视线保持与水银面同高，旋转底部螺旋时要慢，槽内水银面自下而上地上升，直到象牙针尖与水银面恰好相接（既无小涡（偏高，降低重调），也无空隙）为止。第29页，本讲稿共48页29294.3.2 气压表的读数步骤（续）气压表的读数步骤（续）3.调整游标尺恰好与水银柱顶相切。n调整时注意保持视线与水银柱同高，把游标尺底边恰好与水银柱顶相切（图4.7），此时水银柱顶两旁能见到三角形的露光空
15、隙。4.读数并记录，准确至 0.1 hPa。5.降低水银面，使它与象牙针尖脱离23毫米，其目的是使象牙针尖不被水银磨秃和脏污（但注意不宜降低过多）。n观测时如光线不足可用电灯（2540瓦）或手电照明。第30页，本讲稿共48页30304.3.2 气压表的读数步骤（续）气压表的读数步骤（续）n补充：定槽式气压表（不必调整水银面）：1.观测附温表。2.轻击管壁。n轻击处以玻璃套管下部附温表上部为宜。轻击的目的在于使附在内管壁的水银滴下落，并使水银柱顶保持正常的弯月面。3.调整游尺与水银柱相切。4.读数、记录并复读。第31页，本讲稿共48页31314.4 空盒气压表和气压计空盒气压表和气压计n空盒气压
16、表（或称固体金属气压表），是利用空盒面位置随气压变化发生升降，通过杠杆传递，用指针指示气压的仪器。空盒气压计第32页，本讲稿共48页32324.4 空盒气压表和气压计（续）空盒气压表和气压计（续）n空盒气压表不如水银气压表精确，而且订正值容易发生改变，因此一般台站上，只作为参考仪器。n由于它便于携带、使用方便、维护容易，适用于野外考察或测压准确度要求不太高的观测用。第33页，本讲稿共48页33334.4 空盒气压表和气压计（续）空盒气压表和气压计（续）n空盒气压表的构造：n感应部分：是一个圆形密闭的弹性金属空盒。感应元件是一组具有弹性的薄片。盒内抽成真空，或留有少量空气。由于大气压力远远超过空
17、盒内的压力，因而空盒将被压缩，需要一块弹簧片和它相平衡。弹簧片的一端借一个调节螺旋固定在底座上，另一端与空盒的中心轴相联，这样弹簧片拉紧空盒面并平衡空盒上所受的大气压力。n机械部分n指示部分第34页，本讲稿共48页34344.4 空盒气压表和气压计（续）空盒气压表和气压计（续）n为了读取仪器的温度，空盒气压表还装有弧形的附属温度表。第35页，本讲稿共48页35354.4 空盒气压表和气压计（续）空盒气压表和气压计（续）n空盒气压表的观测步骤：n打开盒盖后，先读取附温准确至 0.1。n然后轻敲盒面（克服摩擦），待指针静止后再读数。n读数时眼睛视线与指针重合，且垂直于刻度盘，准确至 0.1 hPa
18、。第36页，本讲稿共48页36364.4 空盒气压表和气压计（续）空盒气压表和气压计（续）n空盒气压表的读数订正：1.刻度订正：n由于仪器制造或装配得不够精确。刻度订正值可从检定证上查出。2.温度订正：n由于温度的变化，将引起空盒和金属弹簧片弹性发生改变。n制造仪器时，采用温度补偿装置来减少温度对空盒变形的影响。第37页，本讲稿共48页37374.4 空盒气压表和气压计（续）空盒气压表和气压计（续）3.补充订正：n主要是由于空盒或弹簧片的剩余形变而引起的。n剩余形变随时间而不断变化着，因此就使空盒气压表的订正值经常变化。n因此须定期与水银气压表进行比较，求出空盒气压表的示度的补充订正。第38页
19、，本讲稿共48页38384.4 空盒气压表和气压计（续）空盒气压表和气压计（续）n温度补偿装置主要有两种：1.空气补偿：n在空盒内留有少量气体，当温度升高时，由于盒内气体张力的增大，使空盒向外扩张，这样就部分抵消了由于弹力减弱所造成的空盒压缩的影响。当温度升高时，则起相反的作用。第39页，本讲稿共48页39394.4 空盒气压表和气压计（续）空盒气压表和气压计（续）2.双金属片补偿n在弹簧片的传导轴上安装一个双金属片补偿器。双金属片由膨胀系数差值大的因钢和黄铜组成。n当温度升高时，由于铜比因钢膨胀得多，使导轴左端向上抬起，抵消了因弹力减弱所引起的空盒与传导轴下降的一段高度。第40页，本讲稿共4
20、8页40404.5 振筒式压力传感器振筒式压力传感器n构造如图4.16(a)n该传感器的压力敏感部分为一固定在基座上的薄壁圆筒，壁厚0.08mm，其开口的一端固定在底座上，封闭的另一端向上作为自由端。n振筒的材料不仅需要具有稳定的弹性，还应有良好的导磁性，常使用镍基恒弹性合金制作。第41页，本讲稿共48页41414.5 振筒式压力传感器振筒式压力传感器n在振筒底座中心装有一个固定骨架，激振线圈及其铁芯横穿固定在骨架上，在激振线圈的推动下使振筒产生一定频率的振动，骨架上另有一组拾振线圈，用以耦合振筒的振动，测量其输出波形的频率或周期，可以准确地确定振筒振动的频率。n根据振筒频率与大气压力的关系，
21、即可得出大气压力。第42页，本讲稿共48页42424.6 沸点气压表沸点气压表n溶液的沸点和大气压力的关系是很准确的，利用这一特性测量气压，已在一些探空仪上应用，因为在低气压测量时，它比空盒气压表的精度要高。n这种方法的优点是将气压的测量转化为较易实施的温度测量。第43页，本讲稿共48页43434.6 沸点气压表（续）沸点气压表（续）n原理：n一个装有纯净液体的容器与待测空气相通，将溶液加热至沸点，溶液表面的饱和蒸气压将达到大气压力的数值，测定它的沸点温度就可换算出大气压力。第44页，本讲稿共48页44444.6 沸点气压表（续）沸点气压表（续）n大气压力和沸点的关系表达式（4.17）n表4.
22、3给出了蒸馏水在不同气压下的沸点数值，以及相应的气压灵敏度。n由表4.3可以看出：n沸点气压表在高气压时，灵敏度底，如果要求测压精度为 0.1 hPa，测温精度须达到 0.003n随气压的降低，灵敏度随之增加。第45页，本讲稿共48页45454.6 沸点气压表（续）沸点气压表（续）n沸点压力瓶的构造n蒸气在内套管中的流速对测量精度有较大的影响：n3点第46页，本讲稿共48页46464.7 气压表的基准气压表的基准n为保证气压标尺的一致性，保持气压资料的精度，世界气象组织对气压表制定了各级管理和逐级对比的制度。n按仪器的精度和功能，气压表分成下列几个等级：nA级、B级、C级nS级、P级、N级第47页，本讲稿共48页47474.7 气压表的基准（续）气压表的基准（续）n按照惯例，任何一支气压表的对比工作至少每两年进行一次。n高精度气压表的要求：1.保证准确的水银密度。2.采取读数时实时管顶抽真空。3.表管心直径至少大于20mm，保证极低的毛细管附加压力。4.采用高精度水银柱读数装置，例如激光测距系统。5.精确地测定水银柱的平均温度。第48页，本讲稿共48页4848