Измерение температуры и влажности воздуха в приземном слое атмосферы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

“Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации”

Кафедра №10 Авиационной метеорологии и экологии

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

Измерение температуры и влажности воздуха в приземном слое атмосферы

г. Санкт-Петербург, 2014 г.

Цель работы: изучить приборы и методику измерения температуры и влажности воздуха в приземном слое атмосферы; получить навыки измерения температуры и влажности, оценки характеристик влажности с помощью Психрометрических таблиц.

Приборы для измерения и регистрации температуры воздуха.

Измерение и регистрация температуры и влажности воздуха на аэродромах ГА производится на метеорологической площадке в двух специальных психрометрических будках.

В одной устанавливаются станционный психрометр, максимальный и минимальный термометры, гигрометр, в другой - термограф и гигрограф. Датчики термометров устанавливаются на высоте 2 м. При отсутствии будок и в полевых условиях измерения производятся с помощью аспирационных психрометров. Для измерения температуры воздуха применяются термометры. температура влажность психрометрический воздух

Они могут быть различными в зависимости от принципа действия и назначения. По принципу действия термометры подразделяются на: - жидкостные (ртутные и спиртовые), основанные на принципе изменения объема жидкости при изменении температуры; - металлические (термометры сопротивления, биметаллические пластины и спирали), функционирующие на основе изменения линейного размера твердых тел с изменением температуры; - полупроводниковые (термометры, основанные на принципе изменения электрического сопротивления металла с изменением температуры).

По назначению термометры бывают срочные, максимальные и минимальные. Срочные термометры измеряют температуру воздуха в момент наблюдения, максимальные - максимальную температуру за период между наблюдениями, минимальные - минимальную температуру между наблюдениями. Для непрерывной записи температуры воздуха используются суточные и недельные термографы. Для измерения температуры термометры помещают в психрометрические будки, в которых они защищены от прямого воздействия солнечных лучей благодаря конструкции стенок (жалюзи). Им обеспечена хорошая вентиляция - свободный доступ воздуха. Измеренную таким образом в условиях тени и хорошей вентиляции температуру воздуха принято называть истинной или кинетической температурой.

Срочный ртутный термометр имеет пределы измерений -35 - 40 или -25 -+50°С; цена деления шкалы 0,2°С; максимальные погрешности измерений при t > 0° составляют ±0,2°С, при t < 0°С - ± 0,3°С . Для измерения температуры ниже -50°С используются спиртовые термометры.

Максимальный ртутный термометр имеет пределы измерений -30 -+50°С или -20 -+70°С; цена деления шкалы 0,5°; максимальные погрешности измерений составляют ± 0,5°. Сохранение максимальных показаний термометра достигается особенностями его конструкции. В дно резервуара термометра впаян стеклянный штифт, верхний конец которого входит в капилляр; при этом образуется сужение пространства между штифтом и стенкой капилляра. При повышении температуры ртуть проникает из резервуара в капилляр, а при понижении температуры объем ртути уменьшается, и в месте сужения происходит разрыв столбика ртути. При этом фиксируется максимальное значение температуры в период между измерениями.

Для подготовки максимального термометра к следующему измерению его берут за середину (резервуаром вниз) и встряхивают до показаний срочного термометра.

Минимальный спиртовой термометр имеет пределы измерений -51 -+21°С или -75 -+31°С; максимальная погрешность составляет при температурах -20°С - ±0,5°С; -30°С - ±0,8°С; -40°С - ±1,0°С; -50°С -1,5°С; -60°С - ± 2,0°С. Сохранение минимальных показаний термометра достигается в результате его конструктивных особенностей. Внутри капилляра со спиртом размещается небольшой штифтик из темного стекла, имеющий на концах утолщения. Для того, чтобы подготовить термометр для измерений, его устанавливают в наклонное положение и держат резервуаром вверх, пока штифтик не дойдет до мениска спирта в капилляре, и помещают в психрометрическую будку. При повышении температуры воздуха спиртовой столбик расширяется, и спирт свободно обтекает штифтик, не сдвигая его с места. Сила трения головок штифтика о стенки капилляра достаточна для удержания его на месте. С понижением температуры воздуха объем спирта уменьшается, и он переходит из капилляра в резервуар. При этом поверхностная пленка спирта будет перемещать штифтик к резервуару, так как сила трения головок штифтика о стенки капилляра будет значительно меньше силы сопротивления поверхностной пленки на разрыв. Конец штифта, удаленный от резервуара, показывает минимальную температуру между сроками измерений. Если температура в дальнейшем начнет повышаться, то штифтик останется на месте, показывая минимальную температуру.

Для определения дополнительной поправки к показаниям минимального термометра, возникающей за счет частичного испарения спирта со временем, отсчитывают не только положение штифта (по концу, противоположному резервуару), но и положение мениска спирта, т.е. температуру окружающего воздуха. Это делается для того, чтобы сравнить показания спирта минимального термометра с показаниями ртутного метеорологического термометра.

Термограф. Для непрерывной регистрации изменений температуры воздуха используются самопишущие приборы - термографы. Термограф состоит из чувствительного элемента - биметаллической пластины, - передаточной системы, регистрирующей части и корпуса. Биметаллическая пластина состоит из двух разнородных металлических пластинок, обладающих различными термическими коэффициентами линейного расширения, которые спаивают или сваривают между собой. При изменении температуры биметаллическая пластина изгибается вследствие различных термических коэффициентов расширения двух ее составляющих. Термограф выпускается в пластмассовом корпусе, на основании которого с помощью винтов крепится плата с вмонтированным в нее механизмом термографа. Биметаллическая пластина через систему рычагов соединяется со стрелкой, оканчивающейся пером. При изменении температуры деформация биметаллической пластины с помощью передаточного механизма преобразуется в перемещение стрелки с пером по диаграммной ленте, закрепленной на барабане часового механизма.

Часовые механизмы выпускаются двух видов: суточные и недельные. Часы могут работать при изменении температуры воздуха в пределах -35° - +45°С, погрешность хода суточного часового механизма составляет ± 5 мин за 24 часа, недельного ± 30 мин за 168 часов. Диаграммная лента термографа разделена по горизонтали линиями с ценой деления 1°С, а по вертикали - дугообразными линиями с ценой деления 15 мин для суточного и 2 ч для недельного. Прибор имеет приспособление, с помощью которого на диаграммной ленте пером стрелки можно делать отметки (засечки) времени записи, не открывая корпуса. Возможные диапазоны регистрации температуры: -45 - +45°С; -25 - +35°С; -35 - +55°С. Допускается погрешность ± 1°С. Начальная установка пера стрелки на требуемом делении диаграммной ленты осуществляется с помощью установочного винта. Термографы устанавливаются на метеорологической площадке в специальной будке для самописцев, аналогичной психрометрической будке по своему устройству. Термограф располагается на нижней полочке будки так, чтобы его чувствительный элемент находился в 2 м от земли.

Влажность воздуха измеряется с помощью психрометров и гигрометров, а для непрерывной записи относительной влажности используется гигрограф. Станционный психрометр состоит из двух ртутных метеорологических термометров, установленных вертикально в психрометрической будке. Резервуар левого термометра должен быть «сухой», а правого - плотно обернут кусочком батиста, конец которого погружают в стеклянный стаканчик с дистиллированной водой, расположенный на 2 см ниже резервуара. При изменении температуры ниже 0°С стаканчик с водой убирают из будки, а батист коротко подрезают. В условиях низких температур (от 0° до -10°С) за 30 мин до измерений производится смачивание батиста, пока его показания не станут выше 0°C, И все частички льда на батисте не растают. Психрометрический метод измерения влажности основан на оценке разности температур «сухого» и «смоченного» термометров. С поверхности резервуара «смоченного» термометра происходит испарение, на которое затрачивается тепло. При этом «сухой» термометр показывает температуру воздуха в данный момент, а «смоченный» показывает свою собственную температуру, которая зависит от интенсивности испарений воды с поверхности резервуара. Чем больше дефицит влажности, тем интенсивнее будет происходить испарение и, следовательно, тем ниже будут показания «смоченного» термометра. При измерениях производится отсчет по «сухому» и «смоченному» термометрам, зимой - предварительно определив состояние воды на батисте (в твердом состоянии -лед, в жидком -переохлажденная вода), что следует учитывать при нахождении характеристик влажности по Психрометрическим таблицам.

Психрометр аспирационный предназначен для определения влажности и температуры воздуха в помещении и на открытом воздухе в полевых условиях, так как в эксплуатации не требует радиационной защиты (будки). Измерение влажности, как и станционным психрометром, основано на психрометрическом методе, т.е. измерении температуры воздуха «сухим» и «смоченным» термометрами. При этом разность показании этих термометров зависит от влажности воздуха. Прибор состоит из двух одинаковых ртутных термометров, закрепленных в специальной оправе, и аспирационной головки. Оправа состоит из трубки, раздваивающейся внизу, и защитной планки. К нижней раздвоенной части трубки с помощью пластмассовых втулок прикреплены два двойных патрубка, являющихся радиационной защитой резервуаров термометров. Верхний конец трубки соединен с аспиратором, который представляет собой заводной механизм и вентилятор, закрытые колпаком. Пружина механизма заводится специальным ключом. В модификациях прибора вращение вентилятора производится электродвигателем. Пластмассовые втулки предохраняют патрубки и резервуары термометров от воздействия прямой солнечной радиации. Весь прибор никелирован и отполирован, вследствие чего хорошо отражает солнечные лучи. Психрометр снабжается крюком-

подвесом для крепления. При скорости ветра более 3 м/с на аспиратор с наветренной стороны одевается специальная ветровая защита. При вращении вентилятора в прибор всасывается воздух, который обтекает резервуары термометров, проходит по воздухопроводной трубке к вентилятору и выбрасывается наружу через прорези в аспирационной головке. Сухой термометр будет показывать температуру воздуха, а показания смоченного термометра будут меньше из-за охлаждения, вызванного испарением воды с поверхности батиста, облегающего резервуар термометра. Установка прибора для измерения на воздухе производится зимой за 30 мин, летом за 15 мин до измерений. Батист на термометре смачивают при помощи резиновой груши с зажимом зимой за 30 мин, а летом за 4 мин до отсчета. После этого заводят механизм, вращающий вентилятор. Зимой (при отрицательных температурах) необходимо определить, что находится на батисте термометра: лед или вода. Рис.9. Психрометр аспирационный. Для определения характеристик влажности при температурах ниже -10°С используют гигрометры.

Волосной гигрометр предназначен для измерения относительной влажности в наземных условиях. Пределы измерения 30-100%. Погрешность измерения относительной влажности в диапазоне 30-90% составляет ±15%, на точке 100% ±5%.

В очень сильный мороз точность измерения падает, вследствие чего ошибка увеличивается до 30%. В теплый период проводятся параллельные наблюдения по гигрометру и психрометру, определяется погрешность гигрометра, которая зимой учитывается при оценке влажности. Прибор рассчитан на работу при температуре воздуха в диапазоне от -50 до +55°С. Действие прибора основано на свойствах обезжиренного человеческого волоса изменять свою длину в зависимости от относительной влажности воздуха (рис.10). Гигрометр состоит из чувствительного элемента (обезжиренный человеческий волос), передаточного механизма, - шкалы, стрелки и металлической рамки, на которой закреплены детали прибора. Обезжиренный волос укреплен на металлической рамке. Верхний конец волоса укреплен на винте регулятора, нижний - на дужке с грузиком. Дужка при помощи стерженька соединена с осью, на которой расположена стрелка. Грузик держит волос в натянутом состоянии. При изменении влажности изменяется и длина волоса, ось поворачивается, и стрелка перемещается по шкале прибора. Цена деления шкалы 1% относительной влажности. Деления шкалы неравномерны: с увеличением влажности они постепенно уменьшаются, что обусловлено тем, что при малой влажности длина волоса изменяется быстрее, чем при большой. Рис. 10. Волосной гигрометр.

Пленочный гигрометр, как и волосной, предназначен для измерения относительной влажности в наземных условиях. Чувствительный элемент - гигроскопическая органическая пленка. Пределы измерения 20-100%, погрешность измерения ±7%, шкала равномерная. Прибор рассчитан на работу при температурах

от -60 до +35°С. Деформация пленки при изменении относительной влажности с помощью передаточного механизма преобразуется в перемещение стрелки относительно шкалы прибора. Начальная установка стрелки прибора осуществляется вращением винтов, крепящих чувствительный элемент к рамке прибора.

Для непрерывной регистрации изменений относительной влажности воздуха используются гигрографы двух типов: суточные и недельные. По чувствительному элементу гигрографы бывают пленочные и волосные.

Пленочный гигрограф состоит из чувствительного элемента, передающего механизма, регистрирующей части и корпуса. Пленочный датчик закреплен в кронштейн. С помощью тяги центр датчика связан с рычагом. Рычаг через ось жестко прикреплен к стрелке, на которую надевается перо. Груз поддерживает пленку датчика в натянутом состоянии. В качестве регистратора используется барабан с часовым механизмом с надетой на него диаграммной лентой. Диаграммная лента разделена горизонтальными параллельными линиями с ценой деления 2% и вертикальными дугообразными линиями с ценой деления 15 мин для суточного и 2 ч для недельного гигрографов. Начальная установка пера стрелки на требуемое деление ленты осуществляется вращением установочного винта. Прибор имеет устройство, позволяющее наносить пером стрелки на ленте отметки (засечки) времени при закрытом корпусе прибора. Изменение размеров органической пленки при изменении влажности с помощью передаточного механизма, в значительной мере увеличивающего изменения приемной части прибора, преобразуется в перемещение стрелки с пером по диаграммной ленте, закрепленной на барабане часового механизма (рис. 11). Погрешность регистрации относительной влажности в диапазоне 30-90% составляет ± 15%, на точке 100 - ± 5%. Пределы измерения 30-90%. Часовой механизм гигрографа может работать при температурах от -35 до + 45°С.

Волосной гигрограф устроен аналогично пленочному. Датчиком является пучок обезжиренных человеческих волос. Волосной гигрограф устанавливается на метеорологической площадке в психрометрической будке вместе с термографом, его датчик должен находиться на высоте 2 м от поверхности земли. Волосной гигрограф не является абсолютным прибором, поэтому для определения по нему относительной влажности необходимо вводить поправки относительно измерений по психрометру и периодически их контролировать.

Электроизмерительные датчики температуры и влажности

Датчик температуры и влажности НМР35Д предназначен для дистанционного измерения температуры воздуха в диапазоне от -40 до +60°С и относительной влажности от 0 до 100%. Погрешность измерения влажности ± 2% (от 0 до 90%) и ± 3% (от 90 до 100%). Напряжение питания от 7 до 35 В постоянного тока. Потребляемый ток < 4 мА. Датчик может быть сопряжен с широким рядом измерительного оборудования, таким, как регистраторы, блоки управления, дисплеи, самописцы.

Датчик температуры ДТS12А фирмы Vaisala водозащищенный, стойкий к погодным изменениям. Может работать как по принципу мостового сопротивления (трехпроводное подключение), так и по принципу постоянного тока (четырехпроводное подключение). Диапазон измерения от -60 до +80°С. Погрешность ±0,08°С. Радиационная защита ДТR 13 (фирма Vaisala) с фибергласовым покрытием служит для защиты датчиков температуры и влажности от солнечной радиации и осадков и крепится на кронштейне для датчиков. Электроизмерительные датчики температуры и влажности находят широкое применение в аэродромных автоматизированных метеостанциях.

Размещено на Allbest.ru