Meteorologia doświadczalnaMeteorologia doświadczalnaWykład 4Wykład 4

Pomiary ciśnienia Pomiary ciśnienia atmosferycznego atmosferycznego

Krzysztof MarkowiczKrzysztof Markowicz

kmark@igf.fuw.edu.plkmark@igf.fuw.edu.pl

Przestrzenny rozkład ciśnienia determinuje cyrkulacje Przestrzenny rozkład ciśnienia determinuje cyrkulacje atmosfery dlatego pomiary ciśnienia są kluczowymi atmosfery dlatego pomiary ciśnienia są kluczowymi pomiarami meteorologicznymi.pomiarami meteorologicznymi.Pionowe różnice ciśnienia są znacznie większe niż Pionowe różnice ciśnienia są znacznie większe niż różnice poziome wywołujące przepływ powietrza różnice poziome wywołujące przepływ powietrza Pionowy rozkład ciśnienia dany jest wzorem Pionowy rozkład ciśnienia dany jest wzorem barometrycznymbarometrycznym

z

0

o RT

gdzexpp)z(p

g

100

pg

RT100z

Stopień barometryczny – zmiana wysokości przy jakiej ciśnienie zmienia się o 1 hPa. Jest miarą aktualnej gęstości powietrza i zależy również od temperatury i wilgotności powietrza. Wynosi dla t=0oC: 8.0 m zaś dla t=30oC: 8.9 m

•500 hPa około 5 km

•250 hPa około 10 km

•125 hPa około 15 km

Atmosfera standardowaAtmosfera standardowa

Określona dla szerokości geograficznej 45 Określona dla szerokości geograficznej 45 o o , zerowej , zerowej wysokości nad poziom morza i zerowej temperaturze wysokości nad poziom morza i zerowej temperaturze powietrza.powietrza.

Średnie ciśnienie powietrza dla tych warunków wynosi Średnie ciśnienie powietrza dla tych warunków wynosi 1013.25 hPa.1013.25 hPa.

Gęstość powietrza zaś 1.293 kg/mGęstość powietrza zaś 1.293 kg/m33

Odpowiada to jednorodnej atmosferze o wysokości Odpowiada to jednorodnej atmosferze o wysokości (lokalna wysokość atmosfery) H=7692 m.(lokalna wysokość atmosfery) H=7692 m.

Gęstość podobnie jak ciśnienie maleje z wysokością i na Gęstość podobnie jak ciśnienie maleje z wysokością i na wysokości około 5 km znajduje się już połowa masy wysokości około 5 km znajduje się już połowa masy atmosfery.atmosfery.

Wiatr geostroficzny a gradient ciśnieniaWiatr geostroficzny a gradient ciśnienia

sin2

vg

km100

hPaPoziomy gradient ciśnienia

9.6vgDla szerokości 50o wynosi

Barometry - Barometry - przyrządy do pomiaru ciśnienia przyrządy do pomiaru ciśnienia atmosferycznego. atmosferycznego.

W zależności od zasady działania rozróżnia się W zależności od zasady działania rozróżnia się barometry cieczowe, barometry ze sprężystym barometry cieczowe, barometry ze sprężystym elementem pomiarowym (np. aneroidem), które elementem pomiarowym (np. aneroidem), które stanowią podstawę barografu, i termobarometry.stanowią podstawę barografu, i termobarometry.

Ciśnienie standardowo doczytuje co 0.1 hPaCiśnienie standardowo doczytuje co 0.1 hPa

Jednostki: Jednostki:

1 hPa=1mbar1 hPa=1mbar

1 mmHg=0.75 hPa1 mmHg=0.75 hPa

Typy barometrówTypy barometrów

CieczoweCieczowe1.1. LewaroweLewarowe2.2. Lewarowo-NaczynioweLewarowo-Naczyniowe3.3. Naczyniowe Naczyniowe DeformacyjneDeformacyjne1.1. AneroidAneroid2.2. Barograf, mikrobarografBarograf, mikrobarograf3.3. Cylindry rezonatorowe (piezoceramiczne)Cylindry rezonatorowe (piezoceramiczne)

HipsometryHipsometry1. Precyzyjne termometry rtęciowe1. Precyzyjne termometry rtęciowe

Barometr cieczowyBarometr cieczowy

W 1643 B. Torricelli opracował zasadę działania W 1643 B. Torricelli opracował zasadę działania barometru rtęciowegobarometru rtęciowego

Barometr taki składa się z otwartego zbiornika z rtęcią i Barometr taki składa się z otwartego zbiornika z rtęcią i wstawionej do niego pionowej, zaślepionej w górnym wstawionej do niego pionowej, zaślepionej w górnym końcu i pozbawionej powietrza rurki szklanej o długości. końcu i pozbawionej powietrza rurki szklanej o długości. 80-90 cm. 80-90 cm. 

gHp

g

pH Dla rtęci =13600 kgm-3 H=0.76 m

Dla wody =1000 kgm-3 H=10.3 m

Zatem barometr wodny jest bardzo niewygodny ze względu na jego długość

Najprostszy barometr rtęciowyNajprostszy barometr rtęciowy

Noniusz w barometrach rtęciowychNoniusz w barometrach rtęciowych

Poprawki dla barometru cieczowegoPoprawki dla barometru cieczowego

o

akt

o

too g

ggHgHp

),z(gg

1. Poprawka temperaturowa

2. Poprawka grawitacyjna na szerokość geograficzna i wysokości nad poziom morza

3. Skala barometru uwzględnia korekcje na zmianę wysokości rtęci w zbiorniku i 1 mm odpowiada 0.98 mm wysokości

Redukcja ciśnienia do poziomu morzaRedukcja ciśnienia do poziomu morza

Porównywanie wskazań z różnych stacji Porównywanie wskazań z różnych stacji meteorologicznych wymaga sprowadzenia odczytów meteorologicznych wymaga sprowadzenia odczytów do poziomu morza.do poziomu morza.

Korekcja ta opiera się o wartość stopnia Korekcja ta opiera się o wartość stopnia barometrycznego, który zależy od:barometrycznego, który zależy od:

1.1. Temperatury powietrzaTemperatury powietrza

2.2. Ciśnienia atmosferycznegoCiśnienia atmosferycznego

3.3. Wilgotności powietrza Wilgotności powietrza

AneroidAneroidZbudowany jest z puszki Vidie’go z częściowo wypompowanym Zbudowany jest z puszki Vidie’go z częściowo wypompowanym powietrzem odkształcająca się pod wpływem zmian ciśnienia powietrzem odkształcająca się pod wpływem zmian ciśnienia powietrza.powietrza.

Czułość tego barometru określona jest przez zmianę grubości Czułość tego barometru określona jest przez zmianę grubości puszki wywołanej zmianą nacisku powietrza.puszki wywołanej zmianą nacisku powietrza.

Eh

Rc

p

z3

4

E jest modułem Jounga

Charakterystyka puszki nie jest liniowa dlatego stosuje się rożnego rodzaju wygięcia puszki w celu jej linearyzacji.

Aneroid wykazuje histerezę mechaniczną dlatego w czasie pomiaru delikatnie „opukuje” się w barometr w celu zminimalizowania naprężeń wewnętrznych.

Aneroid wykazuje duże błędy na dużych wysokościach związane z histerezą.

Barometry deformacyjneBarometry deformacyjne

BarocapyBarocapy

Wykorzystują zmiany Wykorzystują zmiany pojemności dielektryka pod pojemności dielektryka pod wpływem zmian ciśnienia wpływem zmian ciśnienia atmosferycznegoatmosferycznego

Właścicielem patentu jest Właścicielem patentu jest forma Vaisala, która nie podaje forma Vaisala, która nie podaje szczegółowych parametrów szczegółowych parametrów tego czujnikatego czujnika

AccuracyAccuracy     Class A 500 ... 1100 hPa     Class A 500 ... 1100 hPa     Class B 500 ... 1100 hPa     Class B 500 ... 1100 hPa     Class C 50 ... 1100 Pa     Class C 50 ... 1100 Pa

Temperature dependenceTemperature dependence     Class A 500 ... 1100 hPa     Class A 500 ... 1100 hPa     Class B 500 ... 1100 hPa     Class B 500 ... 1100 hPa     Class C 50 ... 1100 hPa     Class C 50 ... 1100 hPa

Total accuracy  (-40...+60 °C)Total accuracy  (-40...+60 °C)     Class A 500 ... 1100 hPa     Class A 500 ... 1100 hPa     Class B 500 ... 1100 hPa     Class B 500 ... 1100 hPa     Class C 50 ... 1100 hPa     Class C 50 ... 1100 hPa

Long-term stabilityLong-term stability     Class A 500 ... 1100 hPa     Class A 500 ... 1100 hPa     Class B 500 ... 1100 hPa     Class B 500 ... 1100 hPa     Class C 50 ... 1100 hPa     Class C 50 ... 1100 hPa

±0.10 hPa±0.10 hPa±0.20 hPa±0.20 hPa±0.30 hPa±0.30 hPa

± 0.10 hPa± 0.10 hPa±0.10 hPa±0.10 hPa±0.30 hPa±0.30 hPa

± 0.15 hPa± 0.15 hPa± 0.25 hPa± 0.25 hPa± 0.45 hPa± 0.45 hPa

± 0.1 hPa± 0.1 hPa± 0.1 hPa± 0.1 hPa± 0.2 hPa± 0.2 hPa

Dokładność czujników Vaisalowskich

Hipsometry - termobarometryHipsometry - termobarometry

Wykorzystują zależność wrzenia cieczy np. freonu od Wykorzystują zależność wrzenia cieczy np. freonu od ciśnienia atmosferycznego.ciśnienia atmosferycznego.

W przypadku wody zmiana ciśnienia o 1.3 hPa powoduje W przypadku wody zmiana ciśnienia o 1.3 hPa powoduje zmianę temperatury wrzenia o 1/25 zmianę temperatury wrzenia o 1/25 ooC. C.

Dokładność pomiarów hipsometrycznych zmienia się od Dokładność pomiarów hipsometrycznych zmienia się od 0.02 do 3.6 hPa i wzrasta z malejącym ciśnieniem 0.02 do 3.6 hPa i wzrasta z malejącym ciśnieniem atmosferycznymatmosferycznym

Krzemowy czujnik ciśnienia MPX411AKrzemowy czujnik ciśnienia MPX411A

Czujnik piezoelektrycznyCzujnik piezoelektryczny

Zawiera kompensacje temperaturową w zakresie temperatur -40 do Zawiera kompensacje temperaturową w zakresie temperatur -40 do 125125ooCC

Wyjście analogowe (napięcie w przedziale 0.2-4.8V)Wyjście analogowe (napięcie w przedziale 0.2-4.8V)

Maksymalny błąd ciśnienia 1.5%Maksymalny błąd ciśnienia 1.5%

Moduły cyfrowe do pomiaru ciśnieniaModuły cyfrowe do pomiaru ciśnienianp. MS5534A (Intersema)np. MS5534A (Intersema)

Piezoelektryczny czujnik ciśnieniaPiezoelektryczny czujnik ciśnienia

Zakres pomiaru ciśnienia 300-1100 mbarZakres pomiaru ciśnienia 300-1100 mbar

Kompensacja temperaturowa za pomocą Kompensacja temperaturowa za pomocą wielomianu 5-go rzędu (sześć współczynników)wielomianu 5-go rzędu (sześć współczynników)

3 przewodowy interface szeregowy3 przewodowy interface szeregowy

Zasilanie 2.2-3.6VZasilanie 2.2-3.6V

Przetwornik A/D 15 bitowy – rozdzielczość 0.025 Przetwornik A/D 15 bitowy – rozdzielczość 0.025 hPa.hPa.