Измерение температуры, влажности и давления воздуха

Дата: 2025-04-30; Просмотры: 2

Оценка:

0.00 из 5.00 — оценок

Скачиваний: 0

Скачать

Метеорология изучает физические явления, происходящие в воздушной оболочке Земли — атмосфере. Она объясняет атмосферные явления исходя из общих законов физики и химии, и имеет большое значение для различных отраслей народного хозяйства. Преобладающим методом в метеорологии является наблюдение. Для производства наблюдений организуется сеть метеорологических станций 1–го, 2–го и 3–го разрядов.

Величины, характеризующие физическое состояние атмосферы — температура, влажность, давление, осадки, ветер и другие — называются метеорологическими элементами, или элементами погоды. Они подвержены непрерывным изменениям. Сочетание тех или иных значений метеорологических элементов в определенный момент времени называется погодой.

Данная работа преследует цель – ознакомиться с методикой измерения трех основных элементов погоды: температуры, влажности и давления воздуха.

1. Измерение температуры воздуха

Для измерения температуры воздуха применяются ртутные термометры. В холодных странах, где температура опускается ниже температуры замерзания ртути (—39°С), пользуются спиртовыми термометрами. Чтобы термометр показывал температуру возможно более близкую к температуре воздуха, его помещают в особую защиту – так называемую английскую будку с двойными жалюзийными стенками. Кроме того, применяются еще максимальные и минимальные термометры, отмечающие крайние значения температуры за данный промежуток времени.

Для регистрации непрерывных изменений температуры служат термографы. Наиболее распространенный тип термографа имеет в качестве приемной части изогнутую биметаллическую пластинку из металлов с различными коэффициентами расширения. Одним своим концом пластинка соединена посредством тяги и рычага со стрелкой, на которую надето перо. При изменении температуры пластинка изгибается и перемещает перо, которое пишет кривую на бумажной ленте, надетой на барабан, вращающийся при помощи часового механизма с суточным или недельным (как в данной работе) заводом.

Для измерения температуры воздуха применяются термометры с ценой деления 0,1–0,2⁰. Каждый термометр имеет свой индивидуальный номер (в данной работе № 57).

Термометры периодически проверяются и к ним составляется таблица поправок. После отсчета температуры по термометру необходимо внести поправки. Например: отсчет по термометру 25,2⁰, поправка — 0,1⁰, температура 25,1⁰. Поправки меньше 0,1⁰ не вносятся.

2. Измерение влажности воздуха

Влажность воздуха характеризуют упругостью (или давлением) водяного пара, содержащегося в воздухе (абсолютная влажность), и отношением упругости водяного пара, содержащегося в воздухе, к упругости насыщенного пара при той же температуре (относительная влажность).

Для измерения влажности воздуха применяются различные гигрометры и психрометры.

Очень простым прибором для определения относительной влажности является волосяной гигрометр. Действие его основано на том, что выщелоченный человеческий волос гигроскопичен и удлиняется по мере увеличения влажности. Тщательно выщелоченный волос закрепляется верхним концом на винте–регуляторе (см. прибор), а нижний конец закрепляется на дужке, сидящей на оси. На оси закреплена также стрелка, конец которой перемещается вдоль шкалы с делениями от 0 % до 100 %. Посредством грузика волос всегда поддерживается в натянутом состоянии. С увеличением влажности он удлиняется и стрелка перемещается вправо.

Показания этого прибора следует сверять с показаниями других приборов для определения влажности. Поскольку волосяные гигрометры не особенно точны (5 — 10%), ими пользуются лишь тогда, когда другие приборы применить нельзя (при температурах ниже 0⁰С).

Психрометр Августа состоит из двух термометров. Один из них — обыкновенный, показывающий температуру воздуха; у другого — шарик покрыт плотно прилегающим к нему батистом, свободный конец которого погружен в стакан с водой. Батист непрерывно смачивается и смачивает при этом шарик термометра. Смоченный термометр показывает температуру более низкую, чем температура воздуха, так как с поверхности шарика происходит испарение, на которое затрачивается тем большее количество тепла, чем суше воздух и чем быстрее идет испарение.

Зная температуру сухого и смоченного термометров, нетрудно найти как абсолютную, так и относительную влажность.

Между упругостью пара ℓ и показаниями сухого и смоченного термометров t₀ и t₁ существует следующая зависимость:

где E¹ – упругость насыщенного пара при температуре t₀, p – давление воздуха, β — постоянный коэффициент.

В практике наблюдений для вычисления относительной влажности воздуха пользуются психрометрическими таблицами.

Пример: Показание сухого термометра 18⁰. Показание влажного термометра 15°. Относительная влажность 74%.

Из теории психрометра Августа следует, что им можно пользоваться для определения влажности только при температурах выше 0⁰C.

Психрометр Асмана имеет также два термометра — сухой и смоченный. Шарики термометров заключены в металлические оправы с двойными стенками, соединенные общей трубкой с вентилятором, который приводится в быстрое вращение с помощью пружины и всасывает наружный воздух, проходящий мимо резервуаров термометров.

Для измерения влажности с помощью психрометра Асмана за четыре–пять минут до момента наблюдения смачивают батист на резервуаре термометра водой. С этой целью берут наполненный водой резиновый баллон с пипеткой, легким нажимом доводят воду в пипетке до черты и удерживают ее на этом уровне с помощью зажима. Затем вводят пипетку до отказа в трубку правого термометра. Выждав некоторое время (около 0,5 мин.), разжимают зажим, вбирая излишнюю воду в баллон, после чего пипетку вынимают. После этого осторожно, чтобы не сорвать пружины, заводят вентилятор до отказа. Отсчет по термометрам производят на четвертой минуте после запуска вентилятора.

Определение относительной влажности при помощи психрометра Асмана производится по таблицам, или, как в данной работе, по специальным графикам.

Пример: Показание сухого термометра (отсчитывается по вертикальным линиям) 21,7⁰ C. Показание смоченного термометра (отсчитывается по наклонным линиям) 14,3. Относительная влажность (отсчитывается по пересечению вертикальной и наклонной линий) 43%.

Для непрерывной записи относительной влажности применяют гигрографы системы Ришара. Гигрограф Ришара состоит из пучка (40 шт.) выщелоченных волос, который закреплен обоими концами к стойкам прибора и оттянут за середину к вертикальному плечу коленчатого рычага. На противоположном конце рычага имеется противовес, натягивающий пучок волос. При изменении влажности изменяется длина пучка, вследствие чего плечо рычага скользит по другому изогнутому плечу, скрепленному со стрелкой, и пером, отмечающим эти изменения на вращающемся барабане.

3. Измерение атмосферного давления

Для измерения атмосферного давления служат ртутные и металлические барометры. Из ртутных широкое применение имеет сифонный барометр.

Атмосферное давление измеряется разностью высот ртути в длинной (запаянной) и короткой (открытой) трубках барометра. Перед измерением давления необходимо, освободив зажим, установить указатель у короткого конца трубки против мениска ртути и после этого, совместив верхний указатель с мениском, отсчитать давление в миллиметрах с точностью до 0,1 мм. Отсчитанная по барометру величина атмосферного давления требует внесения поправок.

Высота ртутного столба в барометре при одном и том же давлении зависит от температуры ртути; чем выше температура, тем меньше плотность ртути и тем больше высота ртутного столба. С целью сравнения отсчетов давления его приводят к одной и той же температуре, обычно к 0⁰ С, для чего пользуются таблицами. При температурах выше 0⁰ поправка отрицательна, при температурах ниже 0⁰ – положительна.

Вес определенного столба ртути зависит от напряжения силы тяжести. Вследствие этого показания барометра приводят к напряжению силы тяжести на широте 45⁰ на уровне моря, для чего имеются специальные таблицы.

Кроме того, барометр имеет еще свою постоянную инструментальную поправку, зависящую от несовершенства его конструкции (для данного барометра она равна 0,0 мм.).

Давление воздуха уменьшается с высотой, поэтому для сравнения величин давления их обычно по специальным таблицам приводят к уровню моря.

Пример:

Температура воздуха 15⁰.

Широта города Владикавказ 43⁰ 03^΄.

Высота над уровнем моря 700 м.

Отсчет по барометру 710 мм.

Поправка на температуру –1,74 мм.

Давление, приведенное к 0⁰ 708,26 мм.

Поправка на широту –0,19 мм.

Поправка на высоту –0,10 мм.

Приведение к уровню моря +61,10 мм.

Исправленное давление 769,1 мм.

Основной частью металлического барометра, или анероида, является герметически замкнутая тонкостенная металлическая коробка, внутри которой воздух разрежен. Стальная пружина растягивает ее с силой, соответствующей среднему атмосферному давлению. Для большей упругости крышка и дно коробки имеют волнистую поверхность.

При изменении давления коробка деформируется; эти деформации системой рычагов передаются стрелке, движущейся перед шкалой. Показания анероида необходимо сверять с показаниями ртутного барометра.

Для непрерывной записи атмосферного давления применяется барограф, существенную часть которого составляет ряд анероидных коробок, наложенных одна на другую. При изменении давления перемещение верхней крышки передается системой рычагов стрелке с пером. По ленте барографа давление отсчитыается обычно в миллибарах.

За единицу измерения давления обычно принимают бар. Давление в 0,001 бара называется миллибаром (мб0. 1 мм ртутного столба равен 1,333 мб. Давление воздуха в 760 мм соответствует давлению 1013, 2 миллибара.

В данной работе предлагается измерить три основных элемента погоды: температуру, влажность и давление с внесением всех необходимых поправок, а также записать показание самописцев для тех же элементов погоды.

Запись рекомендуется вести по прилагаемой форме.

Широта города Владикавказ 43⁰ 03΄. Высота места наблюдения над уровнем моря 700 м.

Порядок выполнения работы

1. Снять показания по «сухому» и «увлажненному» термометрам. При снятии показаний глаз работающего должен находиться на уровне горизонтальной касательной к мениску жидкости так, чтобы отметка шкалы в точке отсчета была видима прямолинейной.

2. Работающий с гигрометром должен находиться от него на расстоянии нормальной видимости отметок шкалы и остерегаться во время отсчетов дышать на термометры. При отсчете показаний термометров вначале быстро отсчитываются десятые доли градуса, затем целые градусы.

3. Определить температуру по термометрам с точностью до 0,1⁰С, введя к отсчитанным показаниям поправки к термометрам, приведенные в паспорте на гигрометр. Вычислить разность температур по «сухому» и «увлажненному» термометрам. Поправки вводятся путем алгебраического сложения.

4. Определить относительную влажность воздуха по психрометрической таблице. Искомая относительная влажность будет на пересечении строк температуры по «сухому» и «увлажненному» термометрам.

5. Определить относительную влажность воздуха по психрометрической таблице. Искомая относительная влажность будет на пересечении строк температуры по «сухому» и «увлажненному» термометрам.

6. При отсутствии в таблице полученной разности температур по «сухому» и «увлажненному» термометрам для определения влажности примените интерполирование.

При отсутствии в таблице температуры по «сухому» термометру, для определения влажности применяйте интерполирование только для тех областей психрометрической таблицы, в которых изменение температуры по «сухому» термометру на 1⁰С дает изменение относительной влажности более чем на 1%.

Для остальных областей таблицы значения температуры по «сухому» термометру округляйте до ближайшего табличного значения по правилу арифметического округления.

7. Пример определения относительной влажности интерполированием.

8. Определяем температуры по «сухому» и «увлажненному» термометрам и разность между этими температурами.

Принимаем t_с=22,4⁰С, разность температуры (t_с–t_в) равна: 22,4–16,3=6,1⁰С.

9. Определяем относительную влажность для t_с=22,4⁰С t_с–t_в=6,0⁰С, для чего интерполированием значения относительной влажности по таблице для t_с от 22,4 до 23⁰С и t_с–t_в=6,0⁰С.

При увеличении t_с на 1⁰С, относительная влажность увеличивается на 2%, поэтому, увеличение t_с на 0,4⁰С увеличит относительную влажность на 0,4^.2/1=0,8%. Для t_с=22,4⁰С и t_с–t_в=6,0⁰С, относительная влажность равна: 48+0,8=48,8%, Принимаем «Фп»=4,9%.

10. Определяем относительную влажность для t_с=22,4⁰С и t_с–t_в=6,5⁰С, для чего интерполируем значения относительной влажности по таблице для t_с от 22 до 23 и t_с–t_в=6,5⁰С.

Для t_с=22,4⁰С и t_с–t_в=6,5⁰С, относительная влажность по расчету, аналогичному для п. 9, равна 44,8 %. Принимаем «Фп»=45%.

11. Определяем относительную влажность для t_с=22,4⁰С и t_с–t_в=6,1⁰С, для чего интерполируем найденные значения относительной влажности t_с–t_в от 6,0 до 6,5⁰С при t_с=22,4⁰С.

При увеличении t_с–t_в на 0,5⁰С относительная влажность уменьшается на 4,0%, поэтому увеличение t_с–t_в на 0,1⁰С уменьшит относительную влажность на 0,1^.4,0/0,5=0,8%. 49,0 – 0,8 = 48,2%. Принимаем «Фп»=48%.

Задачи:

1. Относительная влажность воздуха в комнате 63%, а температура 18⁰С. На сколько градусов должна понизиться температура воздуха на улице, чтобы оконные стекла в комнате запотели.

Ответы:1) 10 К; 2) 5,7 К; 3) 15 К; 4) 8,7 К; 5) 7,5 К.

2. Какова масса водяных паров в 1 м³ воздуха в летний день при температуре 30⁰ С и относительной влажности 75%?

Ответы:1) 33,7^.10^–2 кг; 2) 22,5^.10^–3 кг; 3) 15,6^.10^–3 кг; 4) 11,2^.10^–2 кг; 5) 5,85^.10^–3 кг.

3. В комнате объемом 40 м³ при температуре 20⁰С относительная влажность воздуха 20%. Какую массу воды нужно испарить для увеличения относительной влажности воздуха до 50%. Плотность насыщенного водяного пара при 20⁰С равна 17,3^.10^–3 кг/м³.

Ответы:1) 0,35 кг; 2) 0,21 кг; 3) 0,75 кг; 4) 1,25 кг; 5) 0,11кг.

4. Температура комнаты 18⁰С относительная влажность 50%. В металлический чайник налили холодную воду. Какова температура воды, при которой чайник перестает запотевать?

Ответы:1) 22⁰С; 2) 9,7 ⁰С; 3) 55 ⁰С; 4) 7⁰С; 5) 11,3⁰С.

5. Чему равна относительная влажность воздуха при 18⁰С, если абсолютная влажность его равна 8,3 10^–3 кг/м³.

Ответы:1) 80%; 2) 53,9%; 3) 65%; 4) 48%; 5) 63%.

6. Определить абсолютную влажность воздуха, если его температура 15⁰С, а относительная влажность 80%.

Ответы:1) 1,02^.10^–2кг/м³; 2) 2,31^.10^–2кг/м³; 3) 7,8^.10^–3кг/м³; 4) 12,8^.10^–3кг/м³.

Контрольные вопросы

1. Что изучает метеорология ?

2. Методика измерения температуры в данной работе.

3. Методы измерения влажности, психрометр Асмана, психрометр

Августа.

4. Измерение атмосферного давления.

Лабораторная работа 1.20