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第九章压力测量 卢会国luhuiguo 压力测量 1压力的基本常识2水银气压表3空盒气压表4膜盒式电容气压传感器5振筒式压力传感器 压力的基本常识 空气是有重量的 任何物件表面 每单位面积计 所承受来自其上面空气的重量 便叫做大气压力 气压的国际单位是 帕斯卡 Pascal 气象部门一般采用 百帕斯卡 hecto Pascal 作为气压单位 记作hPa 也称作毫巴 mb 1hPa 100Pa 1Pa 1N m2 10达因 厘米 1hPa 0 750069mmHg 3 4mmHg 什么是气压 大气圈本身的重量对地球表面会产生一种压力 对任何一层空气而言 也都会受到它上面的各层空气的压力 我们把单位面积上承受的这种压力 即大气压强 简称气压 简而言之 气压是指单位面积上向上延伸到大气上界的垂直空气柱的重量 常用的气压单位是百帕 hPa 测量气压的意义 气压在垂直方向上随着高度的增高而降低 在水平方向上分布不均匀 因而形成了各种不同的气压系统 空气从高压流向低压 产生了大气的运动 这种运动使各地的水汽和热量进行交换 引起了天气的复杂变化 如果我们测得同一高度上各个测点的气压分布 分析气压场的规律 就可为天气预报提供依据 气旋或低气压 反气旋或高气压 当地区的大气压力比其外围低时 这个系统便称为低气压或气旋 在北 南 半球 低气压附近的空气循逆时针 顺时针 方向运行 从上面往下望 接近地球表面 摩擦力使空气稍微向内越过等压线 进入低压区的空气只能往上升 因此低气压地区的天气通常比较不稳定 如有云 雨或骤雨等 当地区的大气压力比其外围高时 便称之为反气旋或高气压 在北 南 半球 反气旋附近的气流是顺时针 逆时针 方向运行的 接近地球表面 摩擦力使空气稍微向外越过等压线 一般来说 高气压地区内的天气比较稳定及晴朗 气压的基本系统1 气压的基本系统2 高压脊 低压槽 当高气压呈延长状 称为高压脊 在天气图上 它有时会伴随着一条脊轴线 脊轴线上的气压会较其两旁气压为高 当低气压呈延长状 称为低压槽 在天气图上 它会伴随着一条槽线 槽线上的气压会较其两旁气压为低 水银气压表 测量原理 由于大气压力的作用 玻璃管内的水银柱将维持一定的高度 如果在水银柱旁边树立一标尺 标尺的零点对准水银面 就可直接读取水银柱的高度 Hhg 即可求得大气压力 Ph 为何选择水银做气压表 1 在气压表管内的液体柱的高度是与该液体的密度有关的 由于水银的密度比较大 13 596g cm3 当它与大气压力相平衡的时候 所需水银柱的高度就比较小 便于制造和观测 2 当温度不超过60 时 水银蒸气压很小 因此在气压表管内的水银蒸气压 对于水银气压表的示度 在观测的精确度范围内不会有影响 3 水银不沾湿玻璃 管中水银面成凸起的弯月面 易于正确地判定它的位置 4 水银的性能很稳定 不易与其它的物质发生反应 水银经过洗涤蒸馏等方法的处理 就可以得到十分纯净的合乎水银气压表观测精确度要求的水银 托里拆利实验 1643年意大利科学家托里拆利做了一个证明大气压力存在的著名实验 将一根长1米 一端封闭的玻璃管灌满水银 汞 用手堵住管口后将管倒立在水银槽里 当手指松开后 管内的水银柱开始下降 下降到一定高度之后 就不再下降 且无论管子是直立的还是倾斜的 管内水银面距离水银槽内水银面的铅直高度都是一样的 这是因为有一个力与管内水银柱重量产生的压力相平衡 显然 这个力只能是来自于水银槽以外的空间 作用在槽内水银面上 并通过槽内水银传递到管口 这就是大气压力 作用原理 应用托里拆里实验的原理 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 反之 气压下降时 水银柱会自动降低 水银自动流回槽里 压高公式 压高公式 p gH 为温度为t时水银的密度 g为当地的重力加速度 H为水银柱的高度 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 标准条件 以0 的水银密度为准 取1 35951 104kg m 3 符号为 0 取9 80665m s2为标准重力加速度 纬度45度的海平面上 动槽式水银气压表 外形和结构 1 感应部分 水银 玻璃内管 水银槽2 刻度部分 标尺 游标尺 象牙针3 附属部分 附属温度表读数顺序 先读温度表 再调水银面与象牙针相切 再调游标尺与水银柱顶相切 最后读数 读数结束后 将象牙针与水银面断开 仪器误差订正 温度订正 重力订正 海平面订正 气压表读数 订正后的数据 水银气压表的读数订正 仪器差订正 由于受制成气压表的材料的物理特性的变化及制作技术条件的限制而产生的仪器差主要由下列几个原因造成 真空不良的影响真空不良是指水银柱管内顶端有空气存在 它产生一定的张力 使内管水银柱略为降低 使观测到的气压值较实际大气压力为小 由于残留气体张力还受温度和顶部容积变化的影响 因此由其所产生的误差还不完全是一个常数 随气压和温度的升高 这种影响随之增大 毛细压缩误差毛细压缩是液面的表面张力所造成的一种指向液体内部的分子压力 分子压力的大小随液体的种类和液体表面的形状 大小而不同 温度的不确定度附属温度表所指示的温度 通常不能代表水银 标尺和槽部的平均温度 如果仪器安装比较恰当 观测操作比较合理 那么这种温度误差就可减小 水银蒸气压的影响水银在不同温度下有不同的饱和蒸气压 由于内管顶部真空 所以水银柱上部就充满水银蒸气 使气压示度偏低 不过这个影响甚小 在温度60 时还不到0 03hPa 一般室温下更要小得多 故一般可忽略不计 标尺误差用来测量水银柱高度的标尺和游标尺是刻在金属套管上的 在进行刻度时 由于受到刻度机本身的精度和环境条件的影响就会使标尺和游标尺刻度产生一定的误差 由于安装条件不妥引起的误差定槽式水银气压表由于悬挂不垂直 当倾角达到17 时 读数误差可达0 01hPa 通常气压表在自由下垂停止摆动时 约可偏斜15 20 动槽式水银气压表因为不垂直还要影响象牙针的零点基准面 所以引起的误差就要更大一些 其它误差定槽式水银气压表由于其构造特点容易产生一些特定的误差 如水银槽部横截面积与内管横截面积之比偏离配合标准 以及水银量不能绝对准确等原因所产生的误差 温度差订正 当温度变化时水银密度也随之改变 从而引起水银柱高度的变化 同时温度的变化也将使测量水银柱高度的黄铜标尺发生胀缩 这样 当外界气压不变 而温度发生变化时 水银柱和黄铜标尺均会发生胀缩 这种纯系温度的变化而引起的气压读数的改变值 称为水银气压表的温度差 重力差订正 在前面已经提到 利用水银气压表中水银柱高度表示气压的前提是 t 0 纬度 45 海平面上的重力为标准 若在不同纬度 不同拔海高度的测站上 即使气压一样 水银密度也相同 经温度差订正后 但因重力加速度不同 而使水银柱高度也不同 本站气压订正 水银气压表的读数要依次经过仪器差 温度差 纬度重力差和高度重力差订正后 才能获得本站气压值 气压表读数的各项订正是相互独立的 但通常情况下温度差订正值比较大 所以经仪器差订正后的读数 先进行温度订正 然后再进行纬度重力差和高度重力差订正 海平面气压订正 本站气压只表示台站拔海高度上大气柱的压强 在不同的拔海高度上由于承受大气柱长度不同 所以各站间的本站气压是无法进行比较的 为了比较各地气压的高低 便于分析气压场 必须把各地的本站气压统一订正到海平面上 这种订正称为海平面气压订正 定槽水银表 定槽式与动槽式区别在水银槽部 它的水银槽是一个固定容积的铁槽 没有皮囊 水银面调节螺钉以及象牙针 原理 当气压变化时 水银柱在玻璃管内上升或下降所增加或减少的水银量 必将引起水银槽内的水银减少或增加 使槽内的水银面向下或向上变动 即整个气压表的基点随水银柱顶的高度变动 空盒气压表 空盒气压表特点 空盒气压表具有便于携带 使用方便 维护容易等优点 感应元件是一组具有弹性的薄片所构成的扁圆空盒 盒内抽成真空 盒的表面有波纹状的压纹 空盒底部固定 顶部可自由移动 空盒气压表原理 当气压p作用到空盒膜片上 空盒的弹性应力f与之平衡 空盒厚度为 空盒气压计 膜盒式电容气压传感器 膜盒式电容气压传感器的感应元件为真空膜盒 当大气压力产生变化时 使真空膜盒 包括金属膜盒和单晶硅膜盒 的弹性膜片产生形变而引起其电容量的改变 通过测量电容量来测量气压 PTB220数字气压计 电容式硅单晶空盒 硅单晶具有稳定的频率特性 硅单晶具有小的温度影响 硅单晶具有精确的频率复现性 振筒式压力传感器 振筒式气压传感器是利用弹性金属圆筒在外力作用下发生振动 当筒壁两边存在压力差时 其振动频率随压力差而变化 因为筒的谐振频率与压力之间有唯一的关系 所以测出频率就可计算出气压 但是 在校准时确定的这种关系还会受到温度和气体密度的影响 所以需要进行温度补偿和采用干空气 所测空气进入圆筒内 圆筒外保持真空状态 输入压力的变化引起机械振荡系 统自振频率的变化 振动的谐振频率精确地随施加于筒内外的压力差形成的应力变化 压力增加 频率也增加 振筒气压表测量原理 压阻式气压传感器 压阻式气压传感器是利用气压作用在敏感元件所覆盖的抽成真空的小盒上 通过小盒使电阻受到压缩或拉伸应力的作用 由压电效应知道电阻值的变化与气压的变化成正比 通过测量电阻值来测量气压 电测气压传感器的误差 1 校准值漂移 校准值漂移是电测气压传感的主要误差源之一 电测气压传感器的误差 1 校准值漂移2 温度的影响 电测气压传感器保持温度不变 就可以保持校准值不变 电测气压传感器的误差 1 校准值漂移2 温度的影响3 电磁干扰的影响 气压传感器是一种灵敏的测量器件 因此它应该屏蔽并远离强电磁场 如变压器 计算机 雷达等设备 电磁干扰不会经常引起麻烦 但会引起噪声增加 使准确性降低 电测气压传感器的误差 1 校准值漂移2 温度的影响3 电磁干扰的影响4 运行方式的影响 如果校准时使用的操作方法与业务使用时的操作方法不同 也可能会引起气压传感器校准结果的明显变化 沸点气压表 沸点气压表是利用液体的沸点温度随气压的变化而变化的关系来测量气压的 利用这一特性测量气压 已在一些探空仪上得到应用 因为在低气压测量时 它比空盒气压表的精度要高 在10hpa的测量结果的随机误差和系统误差均可小于0 1K 这种方法的优点是将气压测量转化为较易实施的温度测量 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 沸点气压表原理 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 大气压力p和沸点tb的关系表达式表4 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 由表4 3可以看出 沸点气压表在高气压时 灵敏度低 如果要求测压精度为0 1hPa 测温精度须达到0 003 随气压的降低 灵敏度随之增加 气压表的基准1 为了保证各个气象台站气压标尺的一致性 保持气压资料的精确度 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 按仪器的精度和功能 气压表分成下列几个等级 A级 一级或二级标准气压表 能独立地测定气压值 准确度不低于 0 05hpa B级 工作级标准气压表 用于日常的气压表对比工作 它的仪器误差通过与A级表对比后校准 气压表的基准2 C级 参考标准气压表 用来对移运式标准气压表和气象站气压表进行对比 S级 安装在气象站上的气压表 P级 质量好 准确度好的水银气压表 经过搬运仍然能保持原有的校准值 N级 质量为一级的便携式精密空盒气压表 Q级 质量为一级的便携式精密数字气压表 可用作移运式标准 M级 质量好 准确度好的便携式微气压计 气压的应用1 气压在垂直方向上随着高度的增高而降低 在水平方向上分布不均匀 因而形成了各种不同的气压系统 空气从高压流向低压 产生了大气的运动 这种运动使各地的水汽和热量进行着交换 引起了天气复杂的变化 如果我们测得同一高度上各个测点的气压分布 分析气压场的规律 就可为天气预报提供依据 气压的应用2 在军事和航空部门 常利用气压数值来测定空气密度 以便修正弹道或确定飞行高度 飞机在飞行中主要通过气压式高度表测量机外气压的变化和大小来指示飞行高度 飞行按照规定高度实施是保证飞行安全的必要条件 飞行与气压的关系 其实是飞行与高度的关系 调整和控制飞机的飞行高度是航管部门用来维护空中飞行秩序 防止飞行冲突 保