气压的测量

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•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，公式（4.1）•单位：百帕（hPa）•1hPa=100Pa•1Pa=1N/m25•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（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（气象台站）3、沸点气压表（作研究用）8测量气压的仪器94.1水银气压表104.1.1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114.1.1作用原理•压高公式：p=ρgH•ρ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ρ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。124.1.1作用原理•标准条件是：1.以0℃的水银密度为准，取1.35951×104kg·m-3，符号为ρ（0）2.取9.80665m/s2为标准重力加速度。（纬度45度的海平面上）134.1.1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。14Barometer•Mercuryfilled760mm=1atm•Waterfilled10400mm=1atmThebarometermeasuresairpressureWatercolumn(10.4m)AtmosphericpressureMercurycolumn(76cm)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）164.1.2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。即正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？19当气压升高1mmHg，表内水银柱上升xmm，而槽内水银面同时下降ymm，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：'()1xayAayxAaxAaa（1）（2）（2）(1)（4.3）20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。国产定槽气压表则，因此，气压表上1mm刻度实际只有0.98mm。（4.3）1AaaaaxAaaAaa（3）（3）AaAaa150aAaa501490.98()5050AaAaaaxmmAaaAaa21•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0.02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。22•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。23两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，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25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）。32013.5951.45,0980.665.hgCgcmgcms045,00,45,0hhghgPCgHCg4.2水银气压表的本站气压订正26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2724cossPRd式中Ps为毛细管内与槽内弯曲液面的压力差；为表面的张力系数；R为液面的曲率半经；为液面与管壁接触角。水银管参数如图所示：压力Ps使得水银气压的读数偏低。偏低值主要随管直径d，液面与管壁接触角而变。d越大，影响越小；越小，曲率越大，影响越大。设Ps作用下，使水银柱降低了h，则：4coshgd4coshgd式中为水银的密度；g为重力加速度。由拉普拉斯公式，弯曲液面产生的附加压力（压力差）为：Ps28例：某水银气压表检定证上气压读数从810.00—1100.00hpa，仪器的误差订正为-0.2hpa。某次观测气压读数988.6hpa,经仪器误差订正后的气压为：988.6hpa+(-0.2hpa)=988.4hpa29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。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p0处，p0表示了水银柱在标准状态下的长度，而黄铜标尺却只降至pt处，pt既表示了黄铜标尺在标准状态下的长度，也表示了经仪器差订正后的水银气压表的读数。它比水银柱在标准状态下的长度p0高了Ct，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λ为黄铜标尺的膨胀系数，α为水银的膨胀系数。ttppC0)1(tpIt)1(0tpIP1P0LP1P0L(2)怎样进行温度差订正将值代入得：式中ｔ为附温表所示温度。由上式可知，t0时,Ct为负，反之，t0时,Ct为正。)1()1(0tptpt)11(0ttpptttttpttpttpC1)()11(0.000163410.0001818tttCpt(2)温度差订正的物理意义物理意义：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。P1P0L33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,α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：0.00016341.33(3)10.0001818tttVCPttA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：511.010C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ψ=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35三、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：00(0,,),45,0),Hghh还须将其订正到标准条件下(纬度海平面即45(0,,0)hHg,45045,0(0,,0)(0,,)hhgHgHghg(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。00,,Hgh450,,0hHg245,9.80665ogms,hg(7.14)361、纬度重力订正在海平面上，由重力加速度与纬度的关系,045,0(10.00264cos2)gg45,00,0(0,)(10.00264cos2)(0,)hHgHg则纬度订正：45,00,0(0,)(0,)hHHgHg0,00.00264cos2(0,)Hg由可知：(7.15)由（7.14）式：(7.16)(7.16)450,450,H当时,H即订正值为负值;当时,即订正值为正值.372、高度订正在同一纬度上，重力加速度随高度的变化关系为：245,245,01210.000000314()hgRhhgRhR对高山站：45,45,05110.0000001964hghhgR45,0045,(0,)(10.000000196)(0,)hhHghHg45,00,0(0,)(0,)hHHgHg045,0.000000196(0,)hhHg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0,