第12讲 气压的测量

1、第12讲 气压的测量解放军理工大学气象学院探测工程教研室 孙学金sxjlgdx.mtn教学要求v 理解本站气压、海平面气压概念；掌握海平面气压、场面气压的计算方法；v了解振筒气压仪、空盒气压表、水银气压表、石英振梁气压仪的结构特点、测压原理；掌握其测压特性及误差原因；v理解空盒气压表、水银气压表的误差订正原理和方法；v掌握气压测量要求；初步掌握气压测量方法。v重点：气压测量要求；振筒气压仪测压原理、测量误差原因； 单位面积上从所在地点向上直至大气上界整个空气柱的重量。 1hPa100Pa1hPa1mb 1hPa0.750069mmHg3/4mmHg1mmHg1.333238hPa4/3hPa

2、气压定义与单位0gdzP气压观测量v本站气压（station pressure)v海平面气压（sea-level pressure）v场面气压（field level pressure）气压测量方法v力平衡式-水银气压表、空盒气压表v谐振式-振筒气压仪、石英振梁气压仪v压阻式-硅压阻传感器v沸点式-气体沸点气压表应用目的准确度要求气候学 0.3hPa 天气学 0.1hPa 航空气象学 0.5hPa 气压测量准确度要求（一）测压原理 ),()(,zHgzHggthgtp),0()0(nHgnHggChgCp),()0()(),0(,zHgnzHgHgnHggthggCtgCh一、水银气压表标准状

3、态标准状态：0;9.80665m/s2标准大气压标准大气压：1013.25hPa（二）动槽式和定槽式水银气压表 1、动槽式水银气压表 感应部分：水银、玻璃内管和水银槽；刻度部分：标尺、游标尺和象牙针； 附属温度表：用于测定气压表的表温。水银面可以调整到固定位置2、定槽式水银气压表 定槽式水银气压表定槽式水银气压表水银面是随外界气压而升降的补偿标尺补偿标尺的原理 ： 设气压升高1mm时，玻璃管内的水银柱上升x mm，而槽内的水银面同时下降y mm，那么 1 yx由于 )(aAyax可得 aaAax1气压标尺上的1mm实际上只有x毫米的长度。 （三）水银气压表的读数订正 v器差订正 由于制造条件的

4、技术限制，以及制造材料的特性的差异等造成的。 v温度订正 由于温度变化引起的水银密度改变以及刻度标尺的长度变化所造成的。v重力订正 由于测站当地的重力加速度与标准重力加速度不同而引起的对水银柱高度的订正，包括纬度重力订正和高度重力订正。 ),()0()(),0(,zHgnzHgHgnHggthggCtgCh设计一个程序进行水银气压表的读数订正二、空盒气压表 （一）测压原理和结构 空盒气压表的内部结构空盒气压表的内部结构（二）误差的主要原因 1、弹性后效 空盒的弹性形变落后于弹性受压作用的现象。 弹性后效现象 滞差环现象2、温度效应 表现 ：空盒的弹性随温度变化； 空盒的材料随温度变化而热胀冷缩

5、。 消除方法 ：选用恒弹性合金材料；采用双金属片的方法进行补偿采用残留气体方法进行温度补偿 双金属片温度被偿示意图WMO规定空盒气压表应满足： 1、较好的温度补偿；2、任一点的标尺误差不超过0.3hPa ；3、滞差必须很小； 4、运输后仍符合上要求。 （三）空盒气压表的读数订正 1.刻度订正 2.温度订正3.补充订正 每隔半年，将空盒气压表与标准气压表进行对比观测得出的误差订正值，称为补充订正值。tp三、振筒气压仪 保护筒保护筒谐振筒谐振筒参考腔参考腔工作腔工作腔压电陶瓷片压电陶瓷片温度传感器温度传感器压电式谐振筒压力传感器的结构振筒的振型谐振式传感器的一般结构 谐振子谐振子R信号检测器信号检

6、测器D激励器激励器E相移放大器相移放大器A系统检测输出系统检测输出O补偿装置补偿装置 C输出谐振式传感器结构图谐振式传感器的两个重要环节： 由ERDA组成的闭环自激环节由RDO(C)组成的信号检测、输出环节 谐振式传感器中存在的两种振荡： 振子的机械振荡检测电路的电振荡 谐振子的谐振频率与等效刚度、等效质量的关系：eemf21谐振子的振动方程与频率 22d xdxMcKxF tdtdt振筒固有频率 0022121EfR01pffp（三）误差主要原因 1、温度效应温度效应的订正2、质量效应加装滤丝网和干燥剂3、电路参数变化和干扰 四、石英振梁气压仪 石英晶体谐振梁压力传感器结构740-16B型石

7、英振梁标准气压仪石英晶体振动梁谐振频率随应力而变化 五、硅压阻气压传感器 （一）结构原理 硅压阻压力传感器结构硅环及桥路电阻布置图切向应变： 径向应变：周边固定的膜片上的应力分布 tr拉伸应变压缩应变（二）特点 1）灵敏度高 2）频率响应高3）结构简单4）精度高5）抗干扰能力强 六、沸点气压表 （一）结构原理 沸点压力瓶利用液体的沸点温度随气压而改变原理来测量气压的。气压P和沸点tb的关系: EtBApblg沸点气压表的测压灵敏度 :pBEtdpdtbb2)(不同气压下水的沸点和测压灵敏度 p/hpac/tb1bhPaCdpdt1000 850 700 500 300 100 50 20 10

8、99.63 95.12 89.95 81.34 69.10 45.82 32.89 17.50 7.000.029 0.034 0.037 0.052 0.080 0.20 0.37 0.82 1.5（二）误差主要原因 1.溶液不纯2.蒸气在内套管中的流速 （1）过低的流速使空气扩散到沸腾层内，产生压力；（2）蒸气离开液面的温度t通常高于沸点tb；（3）低流速将加大测温元件的滞后系数。 提高流速的两条途径： 加大供热电源功率；减小散热量石英巴登管压力传感器七、海平面气压 假设气压表所在高度至海平面之间有一段虚假的空气柱，忽略水汽，它的平均温度为tm ，由)2731 (18400lg0mztzp

9、p得到 mzpp100)2731 (18400mtzm气柱平均温度tm的计算： 气柱顶部的温度用当前时次和前12小时的气温的平均值确定： 212tttz规定虚假气柱平均温度递减率为 mC 100/5 .0那么气柱底部温度zttt2120气柱的平均温度 40022120ztttttzm当海拔高度在15m之间时,海平面气压的简化计算公式：27368.34tzCcppz0八、场面气压国际民航组织:飞机着陆地区最高点的气压.航空兵机场: 跑道面上空3m高度上的气压。 11pppz)3(1zzp气压测量要求v静止v无振动v地点固定v远离冷热源v海拔高度小于1500米的台站要计算海平面气压v机场应计算场面

10、气压应用目的准确度要求气候学 0.3hPa 天气学 0.1hPa 航空气象学 0.5hPa 气压测量准确度要求作业v可采用什么措施对空盒气压表的温度效应进行补偿和修正？v已知某空盒气压表在0时，读数为750.0mm，当时本站气压为751.0mm，空盒附温升高到30时，空盒气压表读数为753.0mm，当时本站气压为757.0mm，求该空盒气压表的温度系数？v定槽式水银气压表水银柱的基点随着气压的变化而变化,但其标尺的基点却不变,这样能准确测量出水银柱的长度吗?为什么？v计算海平面处温度为300K时的单位高度气压差。v谐振式传感器由哪几部分组成？各部分有何作用？复习思考题v 什么是本站气压？什么是海平面气压？什么是场面气压？v 空盒膜片为什么常采用锡磷青铜或镍铬钛合金？空盒气压表为什么常用三个串联空盒组？v 为什么双金属片补偿法只能在一个气压点上实现温度误差的完全补偿；而残留气体补偿法只能在两个气压点上实现温度误差的完全补偿？v 海拔高度1000米的北纬40度的某机场早上08时气温为20，水银气压表的读数为700mmHg，12小时前的气温为24，跑道面海拔高度1010m，单位高度的气压差值为10mmHg,求本站气压、海平面气压与场面气压。v 温度对振筒气压仪测量准确性