大气探测学 气压的测量汇总

1、1,第四章,气压的测量,2,本章要求,?,掌握气压测量仪器的基本原理、结构,和特点,3,主要内容,?,水银气压表,?,水银气压表的读数订正,?,气压表的安置和观测方法,?,空盒气压表和气压计,?,振筒式压力传感器,?,沸点气压表,?,电容式、压阻式、压电式气压传感器,?,气压表的基准,4,序,?,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,?,单位：百帕,（,hPa,）,?,1 hPa = 100 Pa,?,1 Pa = 1 N / m,2,5,?,国际单位制中，压强的单位是帕斯卡，简,称帕，气象部门采用百帕作为气压单位。,?,历史上也曾用毫巴（

2、即千分之一巴）和毫,米水银柱作为气压单位，其换算关系如下：,1,百帕,= 1,毫巴,= 3/4,毫米水银柱,6,?,气象站气压表高度处测到的大气压强，称,为,本站气压,，属于地方气候资料之一。,?,由于各测站海拔高度不同，本站气压不便,于比较，为了绘制地面天气图，需要将本,站气压换算到相当于海平面高度上的气压,值，我们称之为,海平面气压,。,目前气象台站普遍使用的测量气压的仪器有,水,银气压表,和,空盒气压表,两种。,7,测量大气压力的仪器主要有：,1,、水银气压表（作为标准）,2,、空盒气压表、空盒气压计、振筒气压计,（气象台站）,3,、沸点气压表（作研究用,探空）,4,、硅压阻气压传感器、

3、巴登管气压传感器,8,测量气压的仪器,9,4.1,水银气压表,10,4.1.1,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。,水银气压表,1644,年发明,11,4.1.1,作用原理,?,压高公式：,p = g H,?,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

4、代表大气压力，所以必,须规定一个标准条件。,12,4.1.1,作用原理,?,标准条件是：,1.,以,0,的水银密度为准，取,1.35951,10,4,kg ,m-3,，符号为,（,0,）,2.,取,9.80665 m / s,2,为标准重力加速度。（纬,度,45,度的海平面上）,13,4.1.1,作用原理,?,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。,14,气压表,?,水银,760 mm = 1 atm,?,水,

5、10400 mm = 1 atm,The barometer measures,air pressure,Water column,(10.4 m),Atmospheric,pressure,Mercury column,(,76 cm,),15,水银气压表的类型,1,、动槽式水银气压表,（福丁式,Fortin,）,2,、定槽式水银气压表,（寇乌式,Kew,）,16,4.1.2,动槽式水银气压表,动槽式水银气压表是法国人福丁（,J.Fortin,）,于,1810,年发明制造的，故称福丁式水银气压表。,它的主要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到这个零点处，然后,读出

6、水银柱顶的刻度。,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,17,读数顺序：,先读温度表；然后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。,18,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。,?,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。,19,读数步骤,3

7、.,调整游标尺恰好与水银柱顶相切。,?,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，此时水银柱顶两旁能见,到三角形的露光空隙。,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,2,3,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）。,观测时如光线不足可用电灯（,25,40,瓦）或手,电照明。,20,定槽式水银气压表也称寇乌（,kew,）式,水银气压表,.,外形和结构：,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

8、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。,4.1.3,定槽式水银气压表,思考：标尺刻度间距是否和动槽气压表一样？,21,当气压升高,1mmHg,，表内水银柱上升,x,mm,，而槽内水银面同时下降,y,mm,，则令：,x+y=1,因为水银槽内水银体积的减少，必将等于管,内水银体积的增加，即（体积相等）,式中,a,为水银柱玻璃管的内横截面积；,A,为,水银槽的内横截面积；,a,为插进水银槽中的,表管心尾端的外横截面积。将,代入,式,得：,(,),1,x,a,y,A,a,y,x,?,?,?,?,?

9、,A,a,x,A,a,a,?,?,?,?,?,?,（,1,）,（,2,）,（,2,）,(1),（,4.3,）,22,对,式右边分子,+a-a,从,式可看到，定槽式水银气压表的刻度,1mm,长度将短于,1mm,，实际等于,，以补偿气压表水银面基点的变动，这,种刻度的标尺又称,补偿标尺,。,（,4.3,）,1,A,a,a,a,a,x,A,a,a,A,a,a,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,（,3,）,（,3,）,A,a,A,a,a,?,?,?,?,?,23,?,我国常用的定槽式，其内管面积与槽部面积之比是,1 : 50,。,?,当气压实际改变,1,毫米时，槽内水银面下降,0.0

10、2,毫,米，内管水银柱只上升,0.98,毫米。,?,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。,1,50,a,A,a,a,?,?,?,?,50,1,49,0.98(,),50,50,A,a,A,a,a,a,x,mm,A,a,a,A,a,a,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,24,?,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。,?,同时保持气压表内的水银定量，否则将会,引起仪器误差。,25,读数步骤,?,定槽式气压表,（不必调整水银面）：,1.,观测

11、附温表。,2.,轻击管壁。,?,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。,26,两种水银气压表的比较,?,动槽式,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。,?,定槽式,在制造上要求较严格，但使用上，较为方便而,精确。,水银气压表是利用水银的压力（重力）与大气压力相,平衡的原理测量大气压力的。,我们通常在水银气压表上,观测到的标尺示度实际上只表示观测所,得到的水银柱的高,度，还并不是真正的气压

12、,，由于仪器差的存在和气压表并,不总是在标准条件下使用，即使气压相同，也会因温度和,重力加速度的不同，水银柱的高度不一样。因此，水银气,压表读数须顺序经过,仪器差、温度差、重力差,三步订正才,是本站气压。,4.2,水银气压表的本站气压订正,28,为使水银柱的高度能表示大气压力，必须将其订正,到标准状态下，即温度为,0,?,C,时水银密度值，,时的水银柱高度的大气压力，即,因此，,1.,先将气压表的读数值经过仪器误差的订正,;,2.,然后再进行气压表读数的温度订正和重力订正,（纬度重力订正和高度重力订正）。,?,?,?,?,3,2,0,13.5951,.,45,0,980.665,.,hg,C,

13、g,cm,g,cm,s,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,0,45,0,0,45,0,h,hg,hg,P,C,g,H,C,g,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,4.2,水银气压表的本站气压订正,29,由于制造条件的技术及材料的物理特性等因素，导致水银,气压表具有一定的仪器误差。因此，制成的气压表必须进行,标定（检定），给出仪器在各个刻度上的订正值。气压表主,要的仪器误差有：,1,、仪器基点和标尺刻度不准确；,2,、真空度不良；,3,、毛细管液面张力误差；,这是由于液面的表面张力所造成的一种指向液体内部的压,力。这个压力的大小随液体的种类和液体表面的曲率而变化。,在槽式气

14、压表中，这个误差是由于内管的压力比槽部大而产,生的一个使水银柱偏低的误差。,一、仪器误差订正,30,例：某水银气压表检定证上气压读数从,810.00,1100.00 hpa,，仪器的误差订,正为,-0.2 hpa,。某次观测气压读数,988.6hpa,经仪器误差订正后的气压为：,988.6 hpa+(-0.2 hpa)=988.4 hpa,31,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

15、温度差。,二、温度订正,(2),怎样进行,温度差订正,为了订正到标准状态（即温度0），假定在气压,不变的情况下，温度从,t,降到0，这时水银柱及黄铜,标尺都因温度降低而收缩。但水银柱收缩比黄铜标尺多，,结果使水银柱降至,p,0,处，,p,0,表示了水银柱在标准状态下,的长度，而黄铜标尺却只降至,p,t,处，,p,t,表示了黄铜标尺,在标准状态下的长度，它比水银柱在标准状态下的长度,p,0,高了,C,t,，故温度差订正值应为：,由于在,t,时水银柱与黄铜标尺长,度相等，均为,I,，故：,式中,为黄铜标尺的膨胀系数，,为水银的膨胀系数。,t,t,p,p,C,?,?,0,),1,(,t,p,I,t,

16、?,?,?,),1,(,0,t,p,I,?,?,?,P,1,P,0,L,P,1,P,0,L,(2),怎样进行温度差订正,将值代入得：,式中,为附温表所示温度。,由上式可知，,t0,时,C,t,为负，,反之，,t0,时,C,t,为正。,),1,(,),1,(,0,t,p,t,p,t,?,?,?,?,?,),1,1,(,0,t,t,p,p,t,?,?,?,?,?,t,t,t,t,p,t,t,p,t,t,p,C,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,1,),(,),1,1,(,0.0001634,1,0.0001818,t,t,t,C,p,t,?,?,?,(2),温度差订正的物理意义,

17、物理意义：,当附属温度在0以上时，,即使气压不变，由于水银柱膨胀较铜尺膨胀,得大，这样依照水银柱高度来测气压时，就,会比实际偏高，因而要减去由于水银柱膨胀,比铜标尺大的一段水银柱高度，故,Ct,订正值,为负；反之，当附属温度在0以下时，水,银收缩得较铜尺为多，依水银柱高度读出的,气压值就偏低，故,Ct,订正值为正。,P,1,P,0,L,35,其中,A,为水银槽的截面积,;V,为气压表内的水银体积,;,为铁的热膨胀系数,为水银热膨胀系数,.,该订正值应从读数中减去,.,2,、定槽式气压表读数的温度订正：,0.0001634,1.33,(,3,),1,0.0001818,t,t,t,V,C,P,t

18、,t,A,?,?,?,?,?,?,?,对于定槽式气压表,必须将水银槽的热膨胀效应考虑在,内,而写成下述形式：,5,1,1.0,10,C,?,?,?,?,?,?,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。,三、气压表读数的重力订正,37,三、气压表读数的重力订正,气压表读数经仪器误差、温度订正后记作：,0,0,(0,),45,0),H,g,h,h,?,?,?,?,还须将其订正到标准条件下,(,纬

19、度,海平面,即,45,(0,0),h,H,g,45,0,45,0,(0,0),(0,),h,h,g,H,g,H,g,h,g,?,?,?,(7.14),为经仪器和温度误差订正后的气压读数；,为经仪器误差、温度和重力订正后的气压读数；其中,为标准重力加速度；,为位于纬度,?,，海拔高度,h,处,的重力加速度。,由,可见，重力订正分纬度重力订正和高度重力订正。,?,?,0,0,H,g,h,?,?,?,45,0,0,h,H,g,2,45,9.80665,o,g,ms,?,?,h,g,?,(7.14),38,1,、纬度重力订正,在海平面上，由重力加速度与纬度的关系,0,45,0,(1,0.00264co

20、s,2,),g,g,?,?,?,?,45,0,0,0,(0,),(1,0.00264cos,2,),(0,),h,H,g,H,g,?,?,?,?,则纬度订正：,45,0,0,0,(0,),(0,),h,H,H,g,H,g,?,?,?,?,?,0,0,0.00264cos,2,(0,),H,g,?,?,?,?,由,可知：,(7.15),由（,7.14,）式：,(7.16),(7.16),45,0,45,0,H,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,当,时,H,即订正值为负值;,当,时,即订正值为正值.,39,2,、高度订正,在同一纬度上，重力加速度随高度的变化关系,为：,2,45,2,

21、45,0,1,2,1,0.000000314,(,),h,g,R,h,h,g,R,h,R,?,?,?,?,?,?,对高山站：,45,45,0,5,1,1,0.000000196,4,h,g,h,h,g,R,?,?,?,?,45,0,0,45,(0,),(1,0.000000196,),(0,),h,h,H,g,h,H,g,?,?,45,0,0,0,(0,),(0,),h,H,H,g,H,g,?,?,?,?,?,0,45,0.000000196,(0,),h,hH,g,?,?,h,?,R(R=6370000m,地球半径），,h,以,m,为单位。,则高度订正：,由上式可知：当测站海拔高度,h,?,

22、0,?,H,?,0,订正值为负值；,反之，为正值。,(7.17),(7.18),(7.19),(7.20),三、气压表读数的重力订正,注意！,水银气压表的本站气压订正,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，就可获得,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。,计算时一律取两位小数，最后本站气压只要精确,到一位小数（百帕）。,41,4.3,气压室,?,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

23、要避免气流对室内气压影响。,?,室温的均一性不难保证。,?,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。,根据经验，由于风引起的气压脉动，其最大幅,度可达,3 hPa,。,42,4.3,气压室,?,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。,据计算，气压表悬挂的偏斜角要求不超过,15 20,。,43,4.4,空盒气压表和气压计,?,用金属或非金属材料制成,扁圆形的空盒。或串接成,空盒组。盒内常留有少量,气体。在大气压力作用下，,空

24、盒变形，其中心位移量,可表示气压的变化。,但因为气压引起的位移非常,微小，无法直接用肉眼观察，,常规的空盒气压表（计）采,用机械杠杆放大数十倍后通,过指针（或自记笔尖）在刻,度上的位置读取气压值，借,助自记钟连续记录气压随时,间的变化。,44,45,46,4.4,空盒气压表和气压计,?,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。,?,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。,47,4.4,空盒气压表和气压计,?,空盒气压表的构造：,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

25、。,机械部分,指示部分,?,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。,48,4.4,空盒气压表和气压计（续）,?,空盒气压表的观测步骤：,1.,打开盒盖后，先读取附温准确至,0.1,。,2.,然后轻敲盒面（克服摩擦），待指针静止后,再读数。,3.,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,。,空盒气压表特性,?,空盒弹性后效,?,空盒弹性温度效应,49,50,空盒弹性后效,空盒测压元件的测压精度低于水银气压表。它具有弹性,元件的缺点,弹性后效。有两个主要特点：,1,、当气压变化停止后，空盒形变还继续一段时间；,2,、升降压曲线不重合（滞差环）。,100

26、,500,1000,P（hPa）,S,100,500,1000,P（hPa）,S,P,P,a,c,b,P,51,空盒弹性温度效应,1,、双金属片补偿法,双金属片补偿器安装在空盒的底部,.,设温度升高影响厚度减小,使自由端下降了,?,;,但双金属片的变形作用使空盒基底提高了,dS,空盒的温度效应位移,?,，刚好由双金属片的位移,?,S,相抵消,ds,?,?,?,空盒的杨氏模量具有负温系数。温度升高时，弹性力,减弱。如果大气压力维持不变，在升温时空盒的厚度将变,薄，因此，需要采取措施加以补偿。补偿的办法有两种：,52,此时空盒的温度误差正好得到补偿,.,上式中的,K,?,和,ds,的数值是固定的,

27、显然只在气压为,p0,时才能,有完全的补偿作用,其它数值下的大气压力只能,部分地得到补偿,.,P0,则称为补偿点,.,假设大气压力为,p,0,与它相平衡的弹性应力为,f,0, f,0,= p,0,空盒弹性温度系数为,?,因此温度升高,1o,C,弹性应,力的减小为,?,p,0,(hp,a,/o,C),它所引起空盒自由端的位移,为,d,?,=K,?,p,0,K,为仪器的灵敏度,(mm/h p,0,).,选择合适的双金属片,使,空盒基底的位移,ds=d,?,因此,ds= K,?,p,0,53,2,、残余气体补偿法,空盒内留有一定压力,?,的气体，在气压为,P,时，空,盒所受压力为,P-,?,，空盒的

28、弹性应力为,F,，压力平衡时，,F=P-,?,。,升温,1,C,时，弹性力减弱了,?,F=,?,(P-,),；而盒内,残余气体的压力升高了,?,；当,?,+,?,（,P-,?,）,=0,或,时，空盒的温度效应就可得到补偿。,P,点是完全补,偿点,。,?,是空盒的弹性温度系数（,1/,?,C,）；,?,为,残余气体的热膨胀系数（,1/,?,C,）。,双金属片和残余气体补偿方法结合起来使,用，可使空盒在两点得到补偿。其它各点得,到补偿的程度也比单点补偿要好的多。,1,p,?,?,?,?,?,4.4,气压传感器,电测气压传感器是将大气压力的变,化转换成电信号的变化，再经过电子测,量电路对信号进行测量

29、和处理而获得气,压值。,4.4.1,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。,NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE ,t,m,:,A,、,B,两点之间空气柱的平均温度,0,h,t,t,h,?,?,?,0,12,2,2,h,h,m,t,t,h,t,?,?,?,?,?,设,A,点为某站，其场面气压为,P,h,，海拔高度为,h,，将它的场面,气压订正到海平面上，就是把,A,点所在平面至海平面（图中,

30、B,所,在平面）这段空气柱的压力加到,P,h,上。根据压高公式可得：,12,h,t,?,h,h,0,本站气温,t,以当时气温,t,与,12,小时前的气温,相加取平均得,2,m,h,h,t,t,?,?,?,海拔,1500m,的台站，平均温度计算方法缺乏代表性，,我国规定这些台站不作海平面气压换算,?,海拔在,15m,间的台站,34.68,273,h,C,t,t,?,?,其中,为地面气温年平均值,72,水银气压表读数订正总结：,从气压读数订正到海平面气压。,1,、经仪器误差订正：,器差订正后,原始读数,器差订正值,2,、经仪器误差、温度订正：,t,H,H,H,?,?,?,0,0.0001634,1

31、,1,0.0001818,0.0001634,1,0.0000184,1,1,0.0001818,1,0.0001818,t,t,t,t,t,t,t,t,H,H,t,H,t,t,t,t,H,H,H,H,H,t,t,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,3,、经温度、纬度、高度重力订正（本站气压）,NANJING UNIVERSITY OF INFORMATION SICENCE &,TECHNOLOGY,本站气压,=0.0001818 (Hg),=0.0000184 (brass),平地,: z = z,74,水银气压表读数订正

32、总结：,4,、海平面气压：,0,0,12,10,18400,1,273,2,2,m,z,m,h,h,m,P,P,z,m,t,t,t,h,t,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,为温度直减率,75,4.7,气压表的基准,?,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。,?,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，保,持高于,0.05hPa,的精确度；,B,级,：工作标准气压表，用于日常的气压对比工作，它,的仪器误差通过与,A,级表对比后校准；,C,级,：,参考标准气压表，用来向台站气压表传递校准标,准以及进行对比；,S,级,：,安装在气象台站上的气压表；,P,级,：,高质量、高精度的气压表，经过多次搬运仍然能,保持原有的精确度；,N,级,：,高质量、高精度的空盒气压表，滞差效应和温度,系数可略去不计。,76,4.7,气压表的基准（续）,?,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。