ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ Григоров Николай Олегович Кандидат физико-математических наук,

ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ
ИЗМЕРЕНИЯ
Кандидат физико-математических наук,
доцент
Григоров Николай Олегович
ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ
ИЗМЕРЕНИЯ
E-mail: [email protected]
«В контакте» - Николай Григоров
Группа: «Гидромет-ГМИ-набор2008»
Зав. кафедрой ЭФА, доктор физ.-мат. наук, профессор
Кузнецов Анатолий Дмитриевич
Доцент кафедры ЭФА, канд. физ.-мат. наук
Саенко Андрей Геннадьевич
Старший преподаватель кафедры ЭФА
Азимова Нина Дмитриевна
Ассистент кафедры ЭФА
Восканян Карина Левановна
Заведующий лабораторией гидрометеорологических измерений
Александров Виктор Яковлевич
Инженер кафедры ЭФА
Инженер кафедры ЭФА
Машель
Мамедова
Юлия Леонидовна
Любовь Анатольевна
СОДЕРЖАНИЕ КУРСА
Тема 1. ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ
Тема 2. ИЗМЕРЕНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА
Тема 3. ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВЕТРА
Тема 4. ИЗМЕРЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ
Тема 5. ИЗМЕРЕНИЕ АКТИНОМЕТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Тема 6. ДИСТАНЦИОННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ
Тема 7. ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ЦИФРОВЫХ
ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
Тема 8. КОМПЛЕКСНЫЕ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ
Тема 9. УСТРОЙСТВА ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ
ИНФОРМАЦИИ
Тема 10. МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКЕИ ИЗМЕРЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ
ИСКУССТВЕННЫХ СПУТНИКОВ ЗЕМЛИ
Тема 11. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКОЙ
ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
Литература
1. Качурин Л.Г. Методы метеорологических измерений. - Л.;
Гидрометеоиздат, 1985, 456с.
2. Стернзат М.С. Метеорологические приборы и измерения. - Л.;
Гидрометеоиздат, 1978, 392с.
3. Описания лабораторных работ по курсу.
4. Григоров Н.О. Лекции по курсу «Методы и средства
гидрометеорологических измерений». www.nosrshu.narod.ru
(«зона ботвы»).
5. Grigorov N.O. Meteorological measurements. – S-Pb, 2001. 157p.
ВВЕДЕНИЕ
Основное внимание будет уделено метеорологическим
измерениям.
В настоящее время измеритель-метеоролог должен
одновременно измерять довольно много величин. Поэтому
современные метеорологические приборы являются, как
правило, дистанционными.
Будем различать дистанционные приборы первого и второго
рода.
Дистанционные измерения первого рода предполагают, что
датчик прибора находится в контакте с окружающей средой
(на метеоплощадке, на мачте, в воде и т.п.). Он соединен
проводной или другой связью с измерительным пультом,
который как правило, находится в помещении.
Дистанционные приборы второго рода вообще не имеют
датчика, как такового. Измерительный прибор лишь
принимает сигнал, не излучая его. Такие измерения относят к
группе пассивной локации.
ВВЕДЕНИЕ
Группа приборов активной локации предполагает излучение
самим прибором сигнала (электромагнитного, акустического,
светового ) в направлении исследуемого объекта или участка
атмосферы. Отраженный от объекта сигнал несет
информацию о его параметрах.
Измерение метеорологических величин - это лишь часть
задачи, решаемой современными приборами. Часто бывает
необходима запись измеряемых величин - на ленте
самописца, на магнитных носителях, в памяти компьютера и т.
д. На основе записанной информации требуется ее анализ и
принятие решения. Будем называть такие устройства
информационно-измерительными системами ( ИИС ).
Основными метеорологическими величинами являются
температура, влажность воздуха, атмосферное давление и
параметры ветра.
Тема 1. ИЗМЕРЕНИЕ
ТЕМПЕРАТУРЫ
СОДЕРЖАНИЕ ТЕМЫ
1.1. Тепловая инерция термометров.
1.2. Резисторы и термисторы. Зависимость
сопротивления от температуры.
1.3. Мостовые измерительные схемы.
1.4. Уравновешенный термометр сопротивления.
1.5. Следящие системы с отрицательной обратной
связью. Автоматически уравновешивающийся
термометр сопротивления.
1.6. Неуравновешенный термометр сопротивления.
1.7. Дифференциальный термометр сопротивления.
1.8. Термопара и термобатарея.
1.9. Деформационные термометры. Термограф.
1.10. Радиационные термометры.
1.1. Тепловая инерция термометров
Свойство термометра воспринимать температуру
окружающей среды с задержкой во времени,
называется тепловой инерцией термометра.
Тепловая инерция обусловлена конечной скоростью
теплообмена между термометрическим телом и
средой.
Для исследования тепловой инерции рассмотрим
процесс теплообмена термометрического тела с
окружающей средой. Будем в качестве примера
рассматривать резервуар ртутного термометра.

радиация
S’
Q
T; m
S
Рис. 1.1.1
конвекция
Теплообмен между
термометрическим телом и
средой складывается из двух
процессов - конвективного и
радиационного
(рисунок 1.1.1)
1.1. Тепловая инерция термометров
Тогда уравнение теплообмена между термометрическим телом и
средой можно записать в виде:
dQ
   S   T   BS 
d
Конвекция
(1.1.1)
Радиация
где Q - количество тепла, запасенное термометрическим телом;
 - время;
 - коэффициент конвективного теплообмена между
термометрическим телом и средой;
S - площадь поверхности термометрического тела;
 - температура окружающей среды;
Т - температура термометрического тела;
В - алгебраическая сумма радиационных потоков, действующих на
термометрическое тело;
S - та часть поверхности термометрического тела, которая
подвергается воздействию радиационных потоков.
1.1. Тепловая инерция термометров
Учтем известное соотношение между
запасом тепла и температурой:
dQ
   S    T   BS  :   S
d
dQ  mc  dT
где m - масса термометрического тела;
с - удельная теплоемкость вещества, из которого это тело
изготовлено (например, ртуть для ртутного термометра ).
Разделив (1.1.1) почленно на S и подставив выражение для dQ,
получим:
mc dT
BS 

T 
S d
S
Обозначив:
mc

S
и
BS 
R
S
  const
R  const
имеем:

dT
 T  R
d
(1.1.2)
1.1. Тепловая инерция термометров
Решим уравнение (1.1.2), используя следующие
предположения:
—
Температура окружающей среды изменяется по
линейному закону:
  0  
где
o
- температура среды в момент времени, принятый за
нулевой (например, момент установления контакта
термометра со средой),
 - скорость изменения температуры среды.
—
Градиент температуры внутри термометрического тела
отсутствует, температура всех его точек постоянна.
—
Величина В является постоянной в течение времени
установления температуры.
1.1. Тепловая инерция термометров
Начальные условия примем в виде:
T 0  T0
Величины  и R являются константами. Учтем зависимость:
  a  b  V
(1.1.3)
где а и b - константы. В течение малого промежутка времени
плотность воздуха  и скорость ветра V можно считать
постоянными.
Проведем замену переменной в уравнении (1.1.2):
x  T    T   0   
1.1. Тепловая инерция термометров
Тогда:
T  x   0  
x  T   0   
Соответственно:
dT
dx


d
d

Уравнение (1.1.2) перепишется в в виде:
dT
 T  R
d
 dx 
      x  R
 d 
Или:
dx

    x  R
d

dx

  x  R  
d
1.1. Тепловая инерция термометров
Разделяя переменные, получим:
dx
d

xR 

С учетом того, что R,  и  являются константами, можем внести их
под дифференциал:
d  x  R   
xR 

d

(1.1.4)
Проинтегрируем (1.1.4) от нулевого момента времени до
текущего 
x


x0
Получим:
d  x  R   
xR 
d
 

0
x  R  

ln

x0  R   

1.1. Тепловая инерция термометров
Или:
x  R 
e
x0  R   



( x0  R  )



xx RR
  ((xx00  R
R   )e
x  ( x0  R   )e



   R
1.1. Тепловая инерция термометров
Проведя обратную замену переменной от х к T, получим
окончательно:
T     T0   0  R      e



 R
(1.1.5)
Введем дополнительные упрощения. Рассмотрим самый
простой случай.
1.1. Тепловая инерция термометров
Случай 1. Радиационные потоки отсутствуют : В=0, следовательно
R=0; температура среды постоянна, =const, т.е. =0.
Тогда уравнение (1.1.5) запишется в виде:
T    T0     e



(1.1.6)
В правой части стоит экспоненциальная зависимость, что отвечает
поставленному требованию
T
Действительно,
T 



0
1.1. Тепловая инерция термометров
•
Эту зависимость можно выразить графически (рис.1.1.2)
T
T     T0    e
2



1
θ
T0  
e
При
 
:
T0  
T  
e
T0
λ2
λ1
τ
Рис. 1.1.2
Видно, что скорость изменения Т зависит от величины 
(кривые 1 и 2 на рисунке 2).
1.1. Тепловая инерция термометров
•
Назовем  - коэффициентом тепловой инерции
термометра. Он имеет размерность времени. Из
формулы (1.1.6) становится ясен физический смысл
этой величины.
•
Время, в течение которого разность температур между
термометрическим телом и окружающей средой
уменьшается в е раз (при постоянной температуре
среды) называется коэффициентом тепловой инерции
термометра.
1.1. Тепловая инерция термометров
•
Коэффициент тепловой инерции можно выразить
графически (рисунок 1.1.2) отрезком на оси абсцисс –
 1 и  2.
T
2
1
θ
T0  
e
T0
λ2
λ1
τ
Рис. 1.1.3
1.1. Тепловая инерция термометров
Дадим рекомендации по изготовлению термометра с малым
коэффициентом инерции. В соответствии с формулой:
mc

S
термометрическое тело такого термометра должно:
•
обладать малой массой m;
•
быть изготовленным из материала с
малой удельной теплоемкостью c
•
обладать возможно большей
поверхностью S;
•
полезно вводить аспирацию (обдув)
термометра потоком воздуха.
1.1. Тепловая инерция термометров
m1 = m2
R1 = 2R2
λ1 ?
λ1 ?
λ2
λ2
1.1. Тепловая инерция термометров
Случай 2. Радиационные потоки по-прежнему отсутствуют
(R=0), а температуру примем линейно изменяющейся (0).
Тогда основное уравнение (1.1.5) перепишем соответственно:


T    T0   0    e     (1.1.7)

•

Анализ этого уравнения приводит к выводу, что при

 T      
Значит, между температурой среды и показаниями термометра
будет существовать разность, равная по модулю  .
•
Величина   носит название инерционной погрешности или
инерционной поправки к показаниям термометра. Она может
быть как положительной, так и отрицательной. Это легко
иллюстрируется графиками (рисунок 1.1.3).
1.1. Тепловая инерция термометров
T    T0   0     e
 0
Т


Т0
min



 
 0
Т
?
max


а)

б)
Рис. 1.1.3. Изменение показаний термометра в случае линейного
а) увеличения, б) уменьшения температуры среды

1.1. Тепловая инерция термометров
Для того, чтобы инерционная поправка была бы всегда
пренебрежимо малой, значение коэффициента инерции
реальных метеорологических термометров должно
удовлетворять неравенству:
<t.
где t – допустимая погрешность измерений.
Отсюда требование к коэффициенту тепловой инерции:
t


(1.1.8)
При использовании неравенства (1.1.8) в него следует
подставить максимально возможную величину . Все
метеорологические термометры сконструированы с учетом
неравенства (1.1.8). Их реальные коэффициенты инерции
составляют несколько десятков секунд.
1.1. Тепловая инерция термометров
Случай 3. Предположим теперь, что радиационные потоки
В  0, а температуру окружающего воздуха примем
постоянной ( = 0). Тогда из уравнения (1.1.5) следует:
T     T0    R e



R
Видно, что при   разность T    R. Следовательно, даже
по истечении достаточно большого времени термометр будет
показывать температуру с ошибкой, равной R, или BS/S. Эта
величина носит название радиационной погрешности или
радиационной поправки. В отличие от инерционной,
радиационная поправка всегда положительна (рисунок 1.1.4).
А всегда ли?....
1.1. Тепловая инерция термометров
BS 
R
S
Для уменьшения радиационной
погрешности следует:
T
- уменьшить радиационные
потоки, т.е. затенять
термометр,
R
θ
- увеличивать коэффициент
конвекции , для чего лучше
всего применять аспирацию.
T0
τ
Рис. 1.1.4. Изменение показаний термометра
в случае присутствия радиационных
потоков.
1.1. Тепловая инерция термометров
В завершение рассмотрим случай, когда температура окружающей cреды
флуктуирует. Представим себе прямоугольные флуктуации температуры
(рисунок 1.1.5).
Этот случай можно
T


2
1
1
2
3
4
Рисунок 1.1.5. Прямоугольные флуктуации
температуры окружающей cреды ( ) и
показания термометров:
1 - малоинерционного,
2 - со значительной инерцией.

рассматривать как случай
постоянной температуры
среды в отдельных
интервалах времени - от 0 до
1, от 1 до 2 и т.д.
В каждом таком интервале
построим графики для
показаний термометров:
1 - с малым ,
2 - с большим .
Видно, что показания малоинерционного термометра близки к значениям
истинной температуры среды, а термометр с большой инерцией дает
показания, близкие к среднему значению температуры среды .
1.1. Тепловая инерция термометров
Следовательно, если наблюдателя интересует
осредненное значение температуры (без учета
короткопериодических флуктуаций), то целесообразно
пользоваться термометром, имеющим коэффициент
тепловой инерции гораздо больше периода флуктуаций.
  T
Если же желательно изучать именно флуктуации
температуры, то необходимо иметь термометр с
коэффициентом инерции гораздо меньше периода
флуктуаций.
  T