Tài liệu Bài giảng môn nguyên lý máy và quan trắc khí tượng

BÀI GIẢNG MÔN NGUYÊN LÝ MÁY VÀ QUAN TRẮC KHÍ TƯỢNG Người biên soạn: Công Thanh 1 CHƯƠNG I. NHỮNG QUY ĐỊNH CHUNG KHI QUAN TRẮC VÀ VƯỜN KHÍ TƯỢNG 1.1 Nguyên tắc chung Số liệu quan trắc khí tượng phải phản ánh được những đặc trưng của thời tiết và khí hậu ở một vùng. Để đảm bảo tính đặc trưng, tính đồng nhất, tính chính xác, tính lien tục và có thể so sánh được của số liệu, việc quan trắc khí tượng phải tuân theo Quy phạm. 1.2 Kỳ quan trắc Các trạm khí tượng phải thực hiện 4 kỳ quan trắc cơ bản vào các giờ 1, 7, 13, 19 giờ Hà Nội (tức 18, 0, 6,12 giờ GMT) Một số trạm được chỉ định thực hiện 4 kỳ quan trắc phụ vào các giờ: 4,10, 16,22 giờ Hà Nội (tức 21, 3, 9, 15 giờ GMT). Một số trạm được chỉ định thực hiện quan trắc từng giờ phục vụ báo bão hoặc hàng không. 1.3 Nội dung quan trắc 1.3.1 Kỳ quan trắc cơ bản: - Thời tiết hiện tại, thời tiết đã qua; - Gió: hướng gió, tốc độ gió, đặc điểm của gió, gió mạnh nhất, gió giật; - Mây: lượng, loại, dạng, tính mây; mây phụ, mây nguồn gốc, độ cao chân mây. - Tầm nhìn ngang - Nhiệt độ không khí: nhiệt độ lúc quan trắc và nhiệt độ cực trị. - Ẩm độ không khí - Áp suất khí quyển, đặc điểm biến thiên khí áp, biến thiên khí áp 3 giờ và 24 giờ. - Lượng giáng thủy - Trạng thái mặt đất, nhiệt độ mặt đất và nhiệt độ các lớp đất sâu - Lượng bốc hơi 1.3.2 Kỳ quan trắc phụ. Quan trắc đầy đủ các yếu tố như kỳ quan trắc cơ bản trừ các yếu tố: - Nhiệt độ cực trị - Trạng thái mặt đất. - Nhiệt độ mặt đất - Lượng bốc hơi - Có thể có lượng giáng thủy 1.3.3 Quan trắc từng giờ Bao gồm các yếu tố: - Thời tiết - Gió (hướng, tốc độ, đặc điểm của gió và gió mạnh nhất) - Áp suất khí quyển (mực trạm, mực mặt biển) biến thiên khí áp 24 giờ. 2 Mây (lượng mây tổng quan, mây dưới, lượng mây từng loại mây, loại, dạng, độ cao chân mây từng loại mây) - Nhiệt độ không khí tức thời. - Điểm sương. - Tầm nhìn ngang - Ngoài ra còn xác định áp suất thấp nhất, gió mạnh nhất do bão gây ra tại trạm 1.4 Trình tự quan trắc 1.4.1 Trong kỳ quan trắc cơ bản  Trước giờ tròn 30 phút, chuẩn bị: + Kiểm tra máy, chuẩn bị giản đồ, sổ quan trắc, bút mực, dụng cụ chiếu sáng, phương tiện thông tin. + Nêu dự kiến về nhận định và mã hóa một số hạng mục như trạng thái mặt đất, tầm nhìn, mây, đặc điểm gió, thời tiết.  Trước giờ tròn 15 đến 11 phút: + Quan trắc tuyết(nếu có). + Quan trắc hướng gió, tốc độ gió, đặc điểm gió bằng máy EL, máy gió Tavid hoặc máy WRS-91. Trạm có máy Mủno, quan trắc gió trước khi đọc khí áp kế.  Trước giờ tròn 10 phút đến trước giờ tròn 1 phút. Lần lượt làm những việc sau: + Xác định trạng thái mặt đất. + Quan trắc nhiệt độ mặt đất và các lớp đất sâu. + Quan trắc mây: lượng mây tổng quan, lượng mây dưới, lượng tường loại mây, loại, dạng, tính mây, dạng phụ và mây phụ, mây nguồn gốc, độ cao chân mây. + Quan trắc nhiệt độ, độ ẩm không khí, đọc ống bốc hơi Piche, đánh mộc nhiệt ký, ẩm ký. + Đổi thùng đo mưa, đánh dấu vũ ký. + Xác định tầm nhìn ngang, hiện tượng thời tiết đã qua.  Đúng giò tròn + Quan trắc khí áp, kể cả đọc và đánh mốc áp ký, xác định đặc điểm biến thiên khí áp. + Đo lượng giáng thủy(nếu có), hoàn chỉnh số liệu, thảo mã điện để kịp chuyển bản tin không chậm quá phút thứ 4 sau giờ tròn đối với trạm phát báo quốc tế và phút thứ 5 sau giờ tròn đối với trạm phát báo trong nước. + Thay giản đồ và lên giây đồng hồ máy tự ghi sau quan trắc 7h, không chậm quá 7h20phút. + Các hạng mục: tuyết (nếu có), trạng thái mặt đất, lượng bốc hơi, chỉ quan trắc lúc 7 và 19 giờ. Lượng mứ ghi tổng lượng mưa từ 19 giờ đếm 7 giờ vào quan trắc lúc 7 giờ, tổ lượng mưa từ 7 giờ đến 19 giờ vào quan trắc 19 giờ. 1.4.2 Trong kỳ quan trắc phụ + Tuân theo trình tự ở mục 1.4.1 không đảo lộn thứ tự; các hạng mục không quan trắc trọng kỳ quan trắc phụ thì bỏ qua. - 3 + Thời gian không kéo dài hay rút ngắn, khí áp phải đọc đúng giờ tròn. 1.5 Qui định quan trắc. 1.5.1 Quan trắc viên phải tuân thủ các quy định sau: + Trước khi quan trắc phải kiểm tra tình trạng thiết bị, dụng cụ, nếu có sai lệch thì phải chấn chỉnh kịp thời và ghi vào sổ quan trắc. + Dụng cụ hỏng phải thay, không có dự trữ thì phải báo cáo xin thay. + Chỉ ghi những điều quan trắc được, cấm bịa số liệu. Triệt để tuân thủ trình tự quan trắc, thực hiện giờ nào việc ấy, không làm sớm, làm chậm, bỏ sót hoặc làm sai. 1.5.2 Ghi kết quả quan trắc + Kết quả quan trắc phải ghi vào sổ và bảng số liệu theo mẫu của Ngành. + Các sổ quan trắc phải ghi các hạng mục ở đầu trang như tên Trạm, năm, tháng, cấc chỉ dẫn về dụng cụ quan trắc … + Số liệu ghi ngay vào sổ bằng bút chì đen, đúng chỗ quy định, chữ viết rõ rang. Trường hợp cần sửa chữa, không được tẩy xóa, chỉ gạch số cũ đi bằng một gạch thanh, sao cho sau khi gạch vẫn còn đọc được số liệu và gi số chữa lên góc bên phải phía trên. 1.5.3 Quy toán kết quả quan trắc và lập bảng số liệu + Các số liệu vần được tính toán ngay sau quan trắc. Các giản đồ phải quy toán ngay sau khi thay. + Các bảng số liệu phải được ghi cập nhật, đủ số lượng, với chất lượng tin cậy. Trước khi gửi về Đài và Tổng cục, phải kiểm tra kỹ và có ý kiến của Trưởng Trạm. Bảng số liệu sao thành 2 hoặc 3 bản (tùy theo yêu cầu), gửi về Đài vào ngày 5 mỗi tháng, kèm theo sổ quan trắc và giản đồ. + Hàng tháng, Trạm phải gửi BCT-2, riêng tháng 1 và tháng 7 gửi thêm BCT-3 về Đài KTTV khu vực và Cục Mạng lưới. 1.6 Vườn Khí tượng Vườn Khí tượng là nơi “phơi sáng”, dụng cụ và cách bố trí lắp đặt dụng cụ trong vườn có ảnh hưởng lớn đến giá trị số liệu. 1.6.1 Lựa chọn địa điểm và xây dựng vườn khí tượng + Việc lựa chọn địa điểm đặt trạm nói chung, việc đặt vị trí vườn quan trắc và quy hoạch mặt bằng ở trạm nói riêng phải theo đúng những tiêu chuẩn chuyên môn do tổng cục khí tượng thủy văn quy định, trên cơ sở quy định của tổ chức khí tượng quốc tế. + Vườn quan trắc phải đặt ở nơi quang đãng, có tính tiêu biểu cho vùng đặt trạm, gần vườn không được có các chướng ngại vật ảnh hưởng đến dụng cụ quan trắc, từ đó số liệu bị hạn chế tính tiêu biểu. + Cây cối nhà cửa riêng lẻ, phải cách xa vườn quan trắc ít nhất 10 lần chiều cao của chúng. Dãy phố, rừng cây, công trình kiến trúc đồ sộ phải cách vườn it nhất 20 lần chiều cao của chúng. Khoảng cách từ vườn quan trắc đến sông hồ ít nhất là 100m. Vườn không đặt cạnh các nhà máy lớn, cạnh lò gạch, lò vôi, đường cái nhiều xe qua lại, hay gần bến ôtô, hoặc khe, vực sâu. Tuy nhiên, tùy yêu cầu phục vụ của từng trạm, tiêu chuẩn chọn địa điểm có những thay đổi. 4 + Mặt đất vườn phải bằng phẳng, không có hố, rãnh, gò, đống hoặc không thấp hơn xung quanh. Vườn hình vuông hoặc chữ nhật, cạnh vườn nằm đúng hướng đông, tây, nam, bắc. kích thước thông thường là 26 x 26m, bé nhất là 16 x 20m, lớn nhất là 26 x 36m, cá biệt có thể là 16 x 16m. - Vườn có hàng rào thoáng theo mẫu chung, cao 1m đến 1,2m, sơn trắng và thoáng gió. Cửa đặt ở phía bắc vườn. 1.6.2. Bố trí máy móc trong vườn G 1 1. Máy gió 2. Nhiệt và ẩm ký 3. Nhiệt kế khô và ẩm 4. Vũ lượng ký 5. Thùng đo mưa 6. Nhật quang ký 7. Nhiệt kế đo nhiệt độ đất 8. Thiết bị đo bốc hơi 9. Thiết bị đo bức xạ G: cửa vườn 1 2 3 4 5 6 8 8 7 9 Nguyên tắc cơ bản của việc bố trí máy trong vuờn làm sao để các máy không ảnh hưởng lẫn nhau, đồng thời cần chú ý đến điều kiện thuận tiện cho việc quan trắc. + Máy đo gió đặt về phía Bắc, nhật quang ký, nhiệt dế đo nhiệt độ đất đăth ở phía Nam vườn, những máy thường quan trắc nên đặt gần đường đi dọc giữa vườn. + Sơ đồ bố trí máy tại Trạm do Cục Mạng lưới xét duyệt, không được tự động thay đổi. 1.6.3 Bảo quản vườn khí tượng. Vườn khí tượng luôn được giữ sạch sẽ, mặt vườn không được đọng nước. Máy móc và các thiết bị cần được lau chùi sạch sẽ, nếu bị han rit, hư hỏng cần được sửa chữa hoặc thay thế kịp thời. Lều khí tượng, cột gió, hàng rào mỗi năm sơn trắng một lần. 5 - CHƯƠNG 2 ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐO ĐẠC CÁC YẾU TỐ KHÍ TƯỢNG 2.1 Đặc điểm về đo đạc các yếu tố khí tượng Để đo giá trị của một đại lượng vật lí nào đó với một độ chính xác đã được xác định trước, ta phải thực hiện phép đo này trong những điều kiện nhất định. Những điều kiện này bao gồm: sự lắp đặt, kiểm định, khắc độ thang đo,... các thiết bị đo và một phần rất quan trọng là kĩ năng của kĩ thuật viên. Để nghiên cứu các hiện tượng khí tượng trên một vùng rộng lớn của Trái đất, ta không thể chỉ quan trắc tại một điểm riêng lẻ mà cần phải quan trắc đồng thời tại nhiều điểm, tập hợp những điểm quan trắc đó là mạng lưới trạm quan trắc khí tượng. Để các kết quả quan trắc trong toàn mạng lưới trạm khí tượng có thể so sánh được, cùng với sự thống nhất trong quy trình quan trắc, còn phải có những thiết bị đo giống nhau về độ chính xác, đặc tính hoạt động, chế độ bảo dưỡng và sự thống nhất trong kiểm định. Ngoài ra, cần phải tính đến những khoảng biến thiên động lực học của các đại lượng vật lí sao cho các thiết bị đo đạc tại xích đạo và vùng cực đều có độ chính xác như nhau. Tất cả điều này giải thích tại sao toàn mạng lưới trạm quan trắc khí tượng trên Trái đất phải tuân thủ một cách nghiêm ngặt các quy trình, quy phạm trong quan trắc với những thiết bị đo đạc đã quy chuẩn được Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO) ban hành. Việc quan trắc các yếu tố khí tượng ngày càng rộng rãi và thiết bị đo ngày càng phong phú và đa dạng. Tuy nhiên, những yếu tố khí tượng phổ biến cần phải đo và những thiết bị đo tương ứng được dẫn ra trong bảng 1.1. 2.2 Những yêu cầu cơ bản đối với thiết bị đo khí tượng Một trạm khí tượng được đặt ở nơi có thể đại diện được cho khu vực đó. Nghĩa là các đại lượng khí tượng đo được tại trạm đó phải đặc trưng cho một vùng tương đối rộng xung quanh trạm. Vườn khí tượng phải được đặt ở những nơi không có các chướng ngại vật để khỏi ảnh hưởng tới các phép đo. Thông thường, vườn khí tượng phải được đặt trên một mảnh đất bằng phẳng có trồng cỏ ngắn. Trong vườn khí tượng, các thiết bị đo nhiệt độ và độ ẩm phải đặt trong lều khí tượng để tránh ảnh hưởng trực tiếp của bức xạ Mặt trời cũng như những ảnh hưởng bất lợi của môi trường xung quanh. Lều khí tượng phải được thiết kế sao cho giảm thiểu được những ảnh hưởng bất lợi của môi trường tới các thiết bị đo nhưng vẫn đảm bảo được các điều kiện khí tượng giống như không khí bên ngoài. Bảng 1.1. Những yếu tố khí tượng được đo đạc phổ biến và thiết bị đo tương ứng Yếu tố khí tượng Nhiệt độ không khí, đất, nước Thiết bị đo Nhiệt kế, nhiệt kí 6 Độ ẩm không khí Ẩm kế, ẩm kí Giáng thuỷ Vũ kế, vũ kí Bốc hơi Ống, thùng, chậu bốc hơi Bức xạ Mặt trời Trực xạ kế, tổng xạ kế, thụ xạ kế Thời gian Mặt trời chiếu sáng Nhật quang kí Khí áp Áp kế, áp kí Gió Phong kế, phong kí Tầm nhìn xa Mắt thường, quang kế Lượng và dạng mây Mắt thường Độ cao chân mây Cầu buộc, cầu bay, mắt thường Hiện tượng khí tượng Tai và mắt thường Nói chung, lều khí tượng thường được làm bằng gỗ (vật liệu dẫn nhiệt kém), đủ rộng để đặt các thiết bị đo khí tượng và có vách chớp để đảm bảo thông gió tốt mà vẫn giảm đến mức thấp nhất hiệu ứng của nhiệt bức xạ. Mái lều gồm hai lớp gỗ được tách biệt bởi một lớp không khí để cách nhiệt. Sàn lều gồm hai tấm ván gối lên nhau để thông gió. Lều được sơn màu trắng cả bên trong và ngoài. Việc định hướng lều phải đảm bảo để khi mở của lều, Mặt trời không rọi ánh sáng trực tiếp vào các thiết bị đo. 1.3 Các phép đo khí tượng trực tiếp và gián tiếp Có hai phép đo cơ bản thường được dùng rộng rãi trong khí tượng, đó là phép đo trực tiếp và phép đo gián tiếp. 1. Phép đo trực tiếp Đó là những phép đo thông qua những thiết bị đo có bộ cảm biến đặt tại điểm đo để đo các yếu tố khí tượng. Những thiết bị này được gọi là thiết bị đo trực tiếp, chúng bao gồm những thiết bị đo đạc khí tượng bề mặt thông thường như thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm, khí áp, gió,... Ngoài ra, còn có một số thiết bị đo khí tượng trực tiếp từ xa là những thiết bị đo có đầu phát ra số liệu truyền đến quan trắc viên bằng vô tuyến. 2. Phép đo gián tiếp Đó là những phép đo thông qua những thiết bị đo có sử dụng tín hiệu âm thanh hoặc sóng điện từ để đo các yếu tố khí tượng. Những thiết bị sử dụng các tín hiệu này (thông thường là đo từ xa) được gọi là thiết bị khí tượng gián tiếp. Thiết bị loại này bao gồm các loại như radar, bức xạ kế hồng ngoại, vệ tinh khí tượng,... 7 1.4 Sơ đồ cấu trúc và nguyên tắc hoạt động của thiết bị đo khí tượng Trong các thiết bị đo khí tượng trực tiếp, căn cứ vào cách thức hiển thị thông tin, ta có thể chia chúng thành hai loại cơ bản: thiết bị đo kiểu tương tự và thiết bị đo kiểu hiện số. Các thiết bị đo kiểu tương tự sẽ hiển thị giá trị của đại lượng cần đo dưới dạng số đọc liên tục trên một thang chia độ thích hợp của bộ chỉ thị. Nhiệt kế thông thường chính là một thiết bị đo kiểu tương tự rất điển hình. Khi đo bằng những thiết bị này, quan trắc viên sẽ đọc giá trị của nhiệt độ có độ chính xác phụ thuộc chủ yếu vào sự chia thang độ của bộ chỉ thị. Trong thực tế, độ chính xác của phép đo không vượt quá giá trị của nửa vạch trên thang độ được chia. Ngoài ra còn có những thiết bị đo kiểu tương tự cho phép chúng ta ghi giá trị của những đại lượng đo được lên giấy dưới dạng một đồ thị theo thời gian. Thiết bị đo kiểu tương tự có thể được mô tả dưới dạng tổng quát của một sơ đồ khối (hình 2.1). Theo hình 2.1, thiết bị này là sự hợp thành của 3 khối chức năng: bộ cảm biến, bộ biến đổi tín hiệu và bộ chỉ thị tương tự. Bộ cảm biến Bộ biến đổi tín hiệu Bộ chỉ thị tương tự Hình 2.1. Sơ đồ khối của thiết bị đo kiểu tương tự Thiết bị đo kiểu hiện số hiển giá trị của đại lượng đo được dưới dạng chữ số rời rạc trên một màn hình hiện số. Những giá trị này có thể được in lên một băng giấy nhờ máy in. Thiết bị đo kiểu hiện số có thể được mô tả dưới dạng tổng quát của một sơ đồ khối (hình 2.2). Từ hình 2.2 ta thấy, thiết bị này cũng được hợp thành từ 3 khối chức năng: bộ cảm biến, bộ biến đổi tương tự sang chữ số và màn hình. Các bộ phận của hai kiểu thiết bị trên đều có những chức năng như sau: 1. Bộ cảm biến Là bộ phận tiếp xúc với yếu tố khí tượng cần đo. Thông thường, tính chất vật lí của bộ cảm biến thay đổi theo sự biến đổi của yếu tố khí tượng cần đo đó, đồng thời sản ra tín hiệu tại đầu đo của bộ cảm biến. Tín hiệu của bộ cảm biến cơ học đơn giản là sự thay đổi cơ học trạng thái của nó, trong khi tín hiệu của bộ cảm biến điện có thể là sự thay đổi điện trở hoặc một thông số điện khác. Bộ cảm biến Bộ biến đổi tín hiệu tương tự 8 Màn hình (tín hiệu in ra) Hình 2.2. Sơ đồ khối của thiết bị đo kiểu hiện số 2. Bộ biến đổi tín hiệu tương tự Tuỳ theo sự hiển thị bằng thiết bị báo hay thiết bị ghi mà bộ biến đổi tín hiệu tương tự sẽ chuyển tín hiệu từ bộ cảm biến thành những dạng tín hiệu khác nhau một cách thích hợp. Sự biến đổi tín hiệu đôi khi chỉ là sự khuếch đại đơn giản tín hiệu từ bộ cảm biến. Bộ biến đổi tín hiệu tương tự sang chữ số có chức năng tương tự như thiết bị chữ số. Tín hiệu tương tự của bộ cảm biến được đổi sang dạng chữ số thích hợp hiển thị trên màn hình hiện số (hình 2.3). Hình 2.3. Khí áp kế hiện số 3. Tín hiệu đầu ra Tín hiệu thu được từ bộ biến đổi tín hiệu tương tự sẽ được bộ chỉ thị biến đổi tiếp theo sang dạng để quan trắc viên thấy được, màn hình hiển thị chữ số biểu thị giá trị đại lượng cần đo dưới dạng chữ số. Ví dụ, một thiết bị đo kiểu tương tự đo tốc độ gió dùng bộ cảm biến quay chong chóng hình gáo. Bộ biến đổi tín hiệu có thể là một máy phát điện một chiều, điện áp lấy từ các cực của máy phát điện sẽ được đưa vào thiết bị hiển thị (vôn kế - hình 2.4). Trong một số thiết bị kiểu tương tự, bộ cảm biến cũng có chức năng như chức năng của bộ biến đổi tín hiệu. Ví dụ như đối với máy gió Wild, bộ biến đổi tín hiệu của máy này là một bảng kim loại xoay quanh một trục nằm ngang. Khi đó, áp lực của gió tác động lên bảng sẽ được biến đổi thành góc lệch Hình 2.4. Bộ chỉ thị kiểu tương giữa bảng với phương thẳng đứng. Góc lệch này tương ứng với vị trí các cung răng tự của máy đo gió gió được gắn sẵn nên ta đọc trực tiếp được số chỉ tốc độ gió trên cung răng gió. Điều này có nghĩa là bộ cảm biến vừa là bộ biến đổi tín hiệu, vừa là thiết bị hiển thị. Những bộ chỉ thị hiện số có thể hoạt động theo nguyên tắc cơ hoặc nguyên tắc điện. Ví dụ, khí áp kế hiện số cơ đơn giản có bộ cảm biến là chồng hộp rỗng đàn hồi, tín hiệu đầu ra của nó là độ dịch chuyển của mặt hộp. Bộ biến đổi kiểu tương ứng là bộ bánh răng có vai trò biến đổi độ dịch chuyển của mặt hộp thành số vòng quay của trục quay. Trục quay lại gắn với vòng số ở bộ phận hiện thị. Đối với khí áp kế anênôit kiểu cơ học hiện số biến đổi đơn giản, bộ cảm biến là một hộp áp lực, độ lệch cơ học của màng hộp sẽ là tín hiệu của bộ cảm biến. Bộ biến đổi tín hiệu tương tự sang chữ số dựa trên cơ cấu bánh răng điều khiển bằng tay. Cơ cấu này biến đổi độ lệch của màng hộp thành vòng quay của một trục mà màn hình hiện số, ống đếm số vòng kiểu đảo chiều 5 số được ghép vào đó. Một thiết bị báo kiểu 9 tiếp xúc điện sẽ báo có tiếp xúc hay không tiếp xúc giữa màng hộp và các thanh truyền nhỏ của bộ phận biến đổi. Trong khí tượng, người ta thường sử dụng các cách ghi giá trị của những đại lượng cần đo như sau: a) Ghi lên giản đồ bằng giấy: Một ngòi bút chứa mực vạch lên một giản đồ cuộn quanh một tang trống, tang trống quay nhờ đồng hồ điều khiển. Kết quả là giản đồ ghi lại được đồ thị của đại lượng khí tượng cần đo theo thời gian. b) Ghi lên giản đồ bằng giấy phủ sáp ong: Một ngòi bút nhọn vạch lên giản đồ cuộn quanh một tang trống, tang trống quay nhờ đồng hồ điều khiển. Kết quả là giản đồ ghi lại được đồ thị của đại lượng khí tượng cần đo theo thời gian. c) Ghi lên giản đồ bằng giấy cảm ứng điện: Một điện cực đầu nhọn có dòng điện đi qua sẽ vạch lên giản đồ cuộn quanh tang trống, tang trống quay nhờ một đồng hồ điều khiển. Kết quả là giản đồ ghi lại được đồ thị của đại lượng khí tượng cần đo theo thời gian. d) Ghi lên dải ru băng: Một dải ru băng màu sẽ in vị trí đầu kim của thiết bị báo kiểu microampe kế tương tự. Kết quả là ru băng ghi lại được đồ thị của đại lượng khí tượng cần đo theo thời gian. e) Ghi lên băng giấy dưới dạng số: Giá trị của đại lượng cần đo được ghi lên băng giấy vào những thời gian nhất định. Những phương pháp ghi trên thường được sử dụng ở những trạm khí tượng bề mặt có người quan trắc, còn tại những trạm khí tượng tự động, người ta dùng băng giấy đục lỗ kiểu mã điện báo hoặc ghi bằng mã số nhị nguyên trên băng từ. Nhiều thiết bị tự ghi được dùng trong khí tượng là kiểu cảm biến cơ học mà trong đó độ lệch ở đầu tự do của bộ cảm biến sẽ được cánh tay đòn khuếch đại lên và một chiếc cần mang ngòi bút sẽ hoạt động. Ngòi bút chứa mực sẽ ghi lên giản đồ được cuốn quanh tang trống, tang trống quay nhờ một đồng hồ điều khiển. Vì lực của bộ cảm biến rất nhỏ nên những thiết bị này phải hạn chế được ma sát giữa các phần di động cũng như ngòi bút và giấy. Giản đồ làm bằng giấy dùng trong thiết bị đo phải được xử lí đặc biệt, bảo đảm để đường ghi được rõ ràng, không bị nhòe nét. Mực được dùng phải là loại mực lâu khô và không bị đóng băng. Đồng hồ dùng trong thiết bị đo, có trang bị bộ phận điều chỉnh tốc độ, có thể gắn chặt vào phía trong tang trống và quay cùng với nó; hoặc đồng hồ được gắn chặt vào đế thiết bị (trường hợp này chỉ có trống quay), kiểu này có ưu điểm là dễ khử độ rơ của trống cuộn giản đồ. Độ rơ là một sai số về thời gian trong thiết bị ghi. Nói chung kiểu thiết bị này phải được so sánh với thiết bị đọc trực tiếp một cách đều đặn. 10 CHƯƠNG 3 THIẾT BỊ ĐO KHÍ ÁP 3.1 Bản chất của khí áp và các đơn vị đo Khí quyển của Trái đất, nhờ trọng lượng của nó tác động một áp lực lên bề mặt Trái đất; áp lực đó bằng trọng lượng của một cột không khí thẳng đứng có thiết diện ngang là một đơn vị diện tích ở trên bề mặt Trái đất và kéo dài tới giới hạn trên của khí quyển. Nhờ thí nghiệm của Torricelli năm 1643, người ta đã chế tạo khí áp kế thuỷ ngân và về sau, năm 1848, người ta phát minh thêm khí áp kế hộp dùng để đo khí áp. Cột thuỷ ngân của khí áp kế cân bằng với cột không khí. Những thay đổi của khí áp gây nên sự thay đổi về độ cao của cột thuỷ ngân. Đây là cơ sở cho việc khắc thang đo khí áp trên khí áp kế thuỷ ngân. Thông thường, độ cao này được đo bằng milimét hoặc bằng bằng inch (1inch = 2,54cm). Sự thay đổi độ cao cột thuỷ ngân trong các khí áp kế không những phụ thuộc vào khí áp mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ và lực trọng trường. Điều này buộc phải đưa ra định nghĩa về điều kiện tiêu chuẩn của phép đo khí áp, đó là điều kiện nhiệt độ bằng 0 0C và gia tốc trọng trường bằng 9,8065m/s2. Trong khí tượng, đơn vị của khí áp thường được dùng rộng rãi là: mmHg, miliba (mb), Pascal (Pa), hecto Pascal (hPa, 1hPa = 1 mb = 100Pa = 0,750062mmHg = 0,02953 inchHg; 1Pa = 1N/m ), trong đó, Pa là đơn vị đo cơ bản trong hệ thống đơn vị đo quốc tế SI. Trong điều kiện tiêu chuẩn, cột thuỷ ngân cao 760mm sẽ tác động một áp suất 1013,25 hPa, tương đương với 10322,92 kg/m2. 3.2 Nguyên lí hoạt động của thiết bị đo khí áp Như đã đề cập đến khí áp kế thuỷ ngân ở trên, trọng lượng cột không khí có thể cân được trên một chiếc cân đặc biệt hoặc nhờ vào tiết diện ngang của cột đã biết, đọc trực tiếp các đơn vị đo khí áp tương đương trên thang độ chiều dài của cột. Trong khí tượng, để đo khí áp, người ta thường dùng các dụng cụ khác nhau mà hoạt động của chúng dựa trên ba nguyên tắc vật lí cơ bản sau: 1) Khí áp kế thủy ngân hoạt động dựa trên sự cân bằng trọng lượng của cột thuỷ ngân với khí áp (định luật thuỷ tĩnh); 2) Khí áp có thể cân bằng với màng của một hộp kim loại rỗng được làm căng phồng lên bằng lò xo. Khí áp kế hộp rỗng hoạt động dựa trên sự cân bằng giữa lực đàn hồi của hộp kim loại rỗng với khí áp (tính chất đàn hồi của vật rắn). Sự thay đổi của khí áp tạo nên sự dịch chuyển của màng hộp. Độ uốn của màng được khuếch đại thích hợp để có thể đọc trên thang độ khắc độ mb hoặc mmHg; 3) Nhiệt độ sôi của chất lỏng phụ thuộc vào khí áp. Ở một nhiệt độ đã cho, khi áp suất hơi nước của chất lỏng sẽ đạt tới sự cân bằng với khí áp thì chất lỏng bắt đầu sôi. Sự phụ thuộc của nhiệt độ chất lỏng sôi phụ thuộc vào khí áp sẽ trở thành khả năng đo khí áp (nguyên lí sôi kế); 11 Ba nguyên lí cơ bản này là cơ sở để thiết kế các dụng cụ đo khí áp. Trong khuôn khổ cuốn giáo trình này, chúng tôi chỉ trình bày khí áp kế thuỷ ngân, loại khí áp kế phổ biến trong mạng lưới khí tượng hiện nay. 3.3 Khí áp kế thuỷ ngân Khí áp kế thuỷ ngân được cấu tạo chủ yếu bởi một ống thuỷ tinh chứa thuỷ ngân có một đầu hàn kín còn đầu kia để hở cắm vào chậu chứa thuỷ ngân. Khí áp tác động lên bề mặt thuỷ ngân để hở trong chậu sẽ cân bằng với trọng lượng cột thuỷ ngân trong ống. Ống đủ dài để có sự thay đổi về chiều cao của cột thuỷ ngân trong ống theo các biến đổi của khí áp. Chiều cao của cột thuỷ ngân được đo bằng thang độ gắn vào ống. Vì nhiệt độ ảnh hưởng tới cả cột thuỷ ngân lẫn thang đo nên người ta gắn nhiệt kế vào thang đo khí áp kế. Số đọc nhiệt độ được dùng làm số hiệu chính khí áp. Khí áp kế thuỷ ngân thường có những loại cơ bản như khí áp kế KEW, khí áp kế Fortin và khí áp kế hộp. Ta sẽ tiến hành nghiên cứu ba loại khí áp kế này. 3.3.1 Khí áp kế KEW 1. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động Khí áp kế KEW là loại khí áp kế thuỷ ngân kiểu chậu có thang độ bổ chính. Cấu tạo của nó (hình 3.1) bao gồm một ống thuỷ tinh (1) dài khoảng 80cm đầu trên hàn kín, đầu dưới được gắn vào nắp chậu (2) bằng nhựa cứng hoặc gang. Chậu gồm ba phần vặn khớp với nhau, phần giữa có vách ngăn (3), trên vách ngăn có các lỗ thủng (4) để làm giảm mức độ sánh của thuỷ ngân và giữ cho không khí khỏi lọt vào trong ống thuỷ tinh. Ống thuỷ tinh và chậu khí áp được được đổ đầy thuỷ ngân. Khoảng trống trên mặt thuỷ ngân được coi là chân không (10-3-10Hình 3.1. Cấu tạo khí áp kế KEW 4 mmHg). Mặt thuỷ ngân trong chậu được thông với không khí bên ngoài nhờ lỗ nhỏ (5) trên nắp chậu. Lỗ thông khí này luôn được đậy bằng một ốc có vòng đệm bằng da. Việc đo độ cao cột thuỷ ngân trong ống thuỷ tinh được tiến hành theo thang độ (6) khắc trên vỏ bọc (7) bằng thau bao quanh suốt chiều dài của ống. Điểm 0 của thang độ là mực thủy ngân trong chậu của khí áp kế. Ở phần vỏ bọc ghi thang độ có hai khe rộng (8) để nhìn được đầu cột thuỷ ngân trong ống thuỷ tinh. Trên hai khe này có lắp một vòng mang con chạy (9) chuyển dịch lên xuống được nhờ ốc vặn (10). 12 Mép dưới của con chạy là mốc để ngắm đầu cột thuỷ ngân trong ống. Trên con chạy khắc 10 vạch chia, chiều dài của 10 vạch chia này bằng chiều dài của 19 vạch chia trên thang độ. Theo cách chia, ta có thể đọc chính xác tới 0,1 số chỉ khí áp trên thang độ của khí áp kế. Ở phần nửa dưới của vỏ bọc có gắn một nhiệt kế thuỷ ngân (11) để đo nhiệt độ của thuỷ ngân trong khí áp kế. Với việc dùng thang độ bổ chính ở khí áp kế KEW, để đo khí áp, ta chỉ cần xác định vị trí của đầu cột thuỷ ngân trong ống thuỷ tinh mà không cần phải xác định vị trí của mực thuỷ ngân trong chậu. 2. Cách sử dụng Như đã biết, sự thay đổi của khí áp theo theo phương ngang là không lớn, vì vậy, tại trạm khí tượng, trị số khí áp ở trong và ngoài phòng làm việc được coi là như nhau. Vì vậy, khí áp kế được đặt trong phòng làm việc, treo trên một cột gỗ hoặc tường nhà trong một hộp bảo vệ sao cho mực 1000mb trên thang độ ở cao hơn nền nhà từ 1,4-1,5m và chậu khí áp kế ở vị trí tự do không chạm vào thành hộp bảo vệ (hình 3.2). Các ốc vít giữ vòng ôm chậu khí áp kế được vặn vừa chạm tới thành ngoài của chậu. Ở thành hộp bảo vệ, đối diện với khe hở trên vỏ khí áp kế, có gắn một mảnh kính trắng để nhìn thấy rõ đầu cột thuỷ ngân trong ống thủy tinh. Khí áp kế phải được đặt xa cửa sổ, cửa ra vào, nơi không có ánh nắng Mặt trời trực tiếp chiếu vào và phải xa lò sưởi để tránh ảnh hưởng của những tác động do va chạm, những dao động đột ngột của nhiệt độ. Để soi sáng khí áp kế khi quan trắc, ta Hình 3.2. Tủ đựng, móc treo và cột lắp khí áp kế có thể dùng đèn pin hoặc bóng đèn có công suất không quá 25W và chỉ được bật đèn sáng trong khi quan trắc (tuyệt đối không được dùng đèn dầu, nến hoặc diêm để soi). Khi quan trắc cần tiến hành theo trình tự sau: - Đọc nhiệt độ trên nhiệt kế phụ của khí áp kế chính xác tới 0,10C; - Dùng ngón tay gõ nhẹ vào thành ống, khoảng gần đầu cột thuỷ ngân trong ống thuỷ tinh và gần chậu của khí áp kế; - Vặn cho con chạy vượt lên khỏi mặt thuỷ ngân trong ống thuỷ tinh rồi vặn dần cho con chạy dịch chuyển xuống và dừng tại vị trí hai đáy của con chạy tiếp tuyến với đỉnh cột thuỷ ngân; 13 - Đọc trị số khí áp chính xác tới 0,1mb. Phần nguyên đọc trên thang độ, là số chỉ của vạch trùng hoặc ngay sát với mép dưới của con chạy. Phần thập phân đọc trên con chạy, là số chỉ của vạch chia nào trùng nhất với vạch chia bất kì nào đó trên thang độ. 3.3.2 Khí áp kế Fortin 1. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động Khí áp kế Fortin là loại khí áp kế thuỷ ngân kiểu chậu mà thang độ của nó không phải bổ chính về sự thay đổi mực thuỷ ngân trong chậu. Chậu khí áp kế gồm có ba bộ phận chính: túi da phía dưới có vít điều chỉnh mực thủy ngân, vách ngăn là một ống thuỷ tinh và đỉnh chậu có đầu kim ngà dùng làm mực chuẩn chỉ điểm 0 của thang độ khí áp kế. Các phần của chậu được nén lại với nhau bằng các bulông, còn thuỷ ngân trong chậu được cách li với các bộ phận bằng kim loại khác nhờ những nắp bằng gỗ để tránh các phản ứng hoá học có thể xảy ra giữa thuỷ ngân với một số kim loại đó. Một lỗ nhỏ ở đầu chậu lắp vít làm lỗ thông duy nhất cho không khí vào trong chậu. Chậu được gắn vào ống kim loại có khe hở (dọc thành ống). Ống này mang thang độ khí áp kế, nhiệt kế liên kết và giữ vai trò bảo vệ ống khí áp kế thuỷ tinh. Một cách chi tiết, khí áp kế Fortin được dẫn ra trong hình 3.4. Từ hình vẽ ta thấy, khí áp kế này gồm có những bộ phận sau: ống khí áp kế (1); chất gắn (2); nút gỗ hoàng dương (3); lỗ không khí và vít thuỷ ngân (4); mặt trên của chậu bằng đồng thau (5); vòng đệm bằng da (6); ống thuỷ tinh hình trụ (7); màng ngăn bẩn (8); ống lót phía dưới bằng gỗ hoàng dương (9); vòng đệm bằng da (10); chụp bằng đồng (11); bao da (12) và vít điều chỉnh (13). Độ chính xác của cột thuỷ ngân được xác định bằng du xích vernier lắp ở phần khe hở phía trên của ống kim loại. Du xích vernier được di chuyển tỉ lệ với thang độ bằng vít vi kế. Ống kim loại bảo vệ được lắp một chiếc móc kim loại ở phía trên để treo khí áp kế vào tường. Du xích vernier được lắp trên mọi khí áp kế thuỷ ngân (hình 3.4). Về thực chất đó là thang độ phụ thêm, di chuyển được và có khả năng 14 Hình 3.4. Du xích Verniê trượt dọc theo thang độ chính khiến cho gờ dưới của nó sẽ chạm tới mặt khum của thuỷ ngân (nhìn thấy được qua khe hở của ống bảo vệ). Khi đọc khí áp kế, mép dưới của du xích vernier (vạch 0 của thang vernier) được đưa tới sát đỉnh cột thuỷ ngân. Nếu thấy vạch 0 của du xích vernier ở giữa hai độ chia của thang chính, người ta sẽ ghi độ chia nào của thang vernier trùng khớp với độ chia của thang độ chính. Giá trị bằng số của độ chia thang vernier này sẽ biểu thị phân số của một độ chia thang độ chính mà qua đó điểm 0 của vernier sẽ nằm ở trên độ chia của thang độ chính sát ngay dưới điểm 0 đó. Ví dụ, du xích vernier có 10 độ chia với độ dài tổng cộng bằng 9 độ chia của thang độ chính. Nếu điểm 0 của du xích vernier ở giữa 750 và 751mm trên thang độ chính, trong khi độ chia thứ 4 của vernier trùng với độ chia của thang độ chính thì ta đọc khí áp trên thang độ là 750,4mm vì có 4/10 của độ chia thứ 751mm của thang độ chính ở trên 750mm. 2. Cách sử dụng Khí áp kế Fortin được đặt trong hộp bảo vệ treo trên một cột gỗ hoặc tường nhà sao cho mực 1000mb trên thang độ cách nền nhà 1,4-1,5m và chậu khí áp kế ở vị trí tự do, không chạm vào thành hộp bảo vệ. Các ốc vít ở vòng ôm chậu khí áp kế được vặn đến mức vừa chạm tới thành ngoài của chậu. Ở thành hộp bảo vệ, đối diện với khe hở trên vỏ khí áp kế, có gắn một mảnh kính trắng để dễ dàng nhìn thấy rõ đầu cột thuỷ ngân trong ống thủy tinh. Không được đặt khí áp kế gần cửa sổ và cửa ra vào để tránh những tác động do va chạm. Phải đặt khí áp kế cách xa các nguồn nhiệt như nơi có ánh nắng Mặt trời trực tiếp chiếu vào, các lò sưởi để tránh ảnh hưởng tới số chỉ của khí áp kế. Để soi sáng khí áp kế khi quan trắc, có thể dùng đèn pin hoặc bóng đèn công suất không quá 25W và chỉ được bật đèn sáng trong khi quan trắc (tuyệt đối không được dùng đèn dầu, nến hoặc diêm để soi). Trong quá trình quan trắc cần tuân theo các trình tự như sau: - Đọc nhiệt độ trên nhiệt kế phụ của khí áp kế chính xác tới 0,10C; - Dùng ngón tay gõ nhẹ vào thành ống bảo vệ, ở khoảng đầu cột thuỷ ngân trong ống thuỷ tinh và gần chậu khí áp kế; - Vặn ốc điều chỉnh ở đáy chậu để nâng mực thuỷ ngân trong chậu lên vừa chạm tới đầu mũi kim ngà; - Xoay núm vặn ở phía trên để đưa vị trí hai mép dưới của con chạy về tiếp tuyến với đỉnh cột thuỷ ngân trong ống thuỷ tinh để đọc trị số khí áp (cách đọc như đối với khí áp kế KEW); - Cuối cùng nới ốc điều chỉnh ở đáy chậu khí áp kế để đưa mực thuỷ ngân trong chậu xuống thấp hơn đầu mũi kim ngà. 3.3.3 Hiệu chính số đọc của khí áp kế thuỷ ngân về khí áp mực trạm Trị số đọc khí áp kế khi đưa về khí áp mực trạm cần phải làm các hiệu chỉnh: + Hiệu chỉnh sai số khí cụ + Hiệu chỉnh về nhiệt độ 00C 15 + Hiệu chỉnh về vĩ độ 450 + Hiệu chỉnh về độ cao mực 0 mét. Số hiệu chính về vĩ độ 450 và về độ cao 0 mét gọi là số hiệu chính gia tốc trọng trường. Hai số hiệu chính này kết hợp với số hiệu chính về nhiệt độ 00C gọi là số hiệu chính tổng hợp. Số hiệu chính này được tính sẵn, khi quan trắc ở trạm chỉ cần tra bảng. Sau khi quan trắc khí áp kế, làm hiệu chính khí cụ. Lấy trị số nhiệt độ phụ thuộc khí áp kết và số đọc khí áp kế đã hiệu chỉnh khí cụ, tra vản hiệu chính khí áp tổng hợp, làm hiệu chính, sẽ được khí áp mực trạm. Thí dụ: số đọc nhiệt kế phụ thuộc: 21,30C quy thành 21,50C Số đọc khí áp kế: 998,4hPa, số hiệu chính khí cụ -0.1hPa, trị số thực của khí áp kế là (998,4 hPa-0.1 hPa)=998,3hPa, quy thành 1000 hPa. Nhìn ở cột 1000 hPa, dòng 21,5 được số hiệu chính -5,8 Khí áp mực trạm là 998,3 – 5,8 = 992,5 hPa Chú ý: khi tra bảng hiệu chính cần quy các phần mười của nhiệt độ và khí áp kế theo quy tắc sau: * Nhiệt độ có phần mười: 8,9,1,2 quy về nhiệt độ tròn gần nhất Thí dụ: 24,8 quy về 25,0 24,2 quy về 24,0 * Nhiệt độ có phần mười: 3,4,6,7 quy về phần mười 5 Thí dụ: 24,3 quy về 24,5 24,7 quy về 24,5 * Số đọc khí áp kế quy tròn về 10 hPa gần nhất. Thí dụ: 998,5 quy về 1000 1014,0 quy về 1010 3.3.3 Cách tính khí áp về mực biển Trị số khí áp mực trạm muốn đưa về mực mặt biển được tính như sau: a/ Đối với trạm có độ cao < 20 mét, số hiệu chính về mặt biển là hằng số, lấy khí áp mực trạm cộng đại số với số hiệu chính, được khí áp mặt biển. b/ Những trạm có độ cao > 20 mét, dùng nhiệt độ không khí quy về độ nguyên chẵn và khí áp mực trạm quy tròn về đơn vị 5 hPa, để tra bảng hiệu chính khí áp về mực biển, được khí áp mực biển. Thí dụ: Nhiệt độ không khí từ 15,0 đến 16,9 quy về 160C từ 19,0 đến 20,9 quy về 200C Khí áp mực trạm từ 992,5 đến 997,4 quy về 995 hPa từ 997,5 đến 1002,4 quy về 1000 hPa c/ Các trạm có độ cao từ 800m đến 2300 mét so với mực nước biển, không tính khí áp mực biển, mà tính độ cao quy về mực đẳng áp 850 hPa, theo mét địa thế vị. 4. Các nguồn sai số chính đối với khí áp kế thuỷ ngân 16 a) Ảnh hưởng của gió Những cơn gió mạnh và giật có thể gây nên những sai số của phép đo khí áp. Tác động này có thể làm khí áp thay đổi đến khoảng 2-3mb. b) Ảnh hưởng của sự phân tầng nhiệt độ trong phòng đặt khí áp kế Khi trong phòng đặt khí áp kế do không được thông gió hay do một số điều kiện đặc biệt nào đó làm cho nhiệt độ bầu nhiệt kế khí áp kế và phần trên của khí áp kế có thể khác nhau. Để khắc phục, ta dùng một quạt điện nhỏ có thể ngăn ngừa, nhưng trước khi đọc khí áp phải tắt quạt để tránh sự thay đổi có thể có của áp suất động. c) Ảnh hưởng của chất khí và hơi nước trong phần chân không của khí áp kế Trong phần được gọi là chân không ở phía trên cột thuỷ ngân trong ống khí áp luôn tồn tại một lượng chất khí và hơi nước nhỏ. Sự tồn tại của chất khí và hơi nước trong khi áp kế được minh chứng mỗi khi ta nghiêng khí áp kế, tiếng va chạm giữa giữa cột thuỷ ngân với đầu hàn kín của ống thủy tinh không rõ ràng; còn nếu trong đó là chân không tuyệt đối, tiếng va cham sẽ rất đanh. Khi thực hiện việc thử này, ta không được nghiêng quá mạnh để tránh gây vỡ khí áp kế. Khi thấy những sai lệch rõ ràng về chỉ số của khí áp kế, ta cần tiến hành so sánh nó với khí áp kế chuẩn. d) Ảnh hưởng của mao dẫn Đối với những ống khí áp kế cỡ nhỏ, sức căng mặt ngoài có thể gây ra sự giảm áp suất đáng kể của cột thuỷ ngân. Hiệu ứng được biểu thị bằng bảng 3.1. Bảng 3.1. Hiệu ứng của sự giảm áp suất do mao dẫn Đường kính bên trong của ống khí áp kế Giá trị giảm áp suất tuyệt đối (góc tiếp xúc trung bình là 350) 0,200 = 5,1mm 0,0460 = 1,56mm 0,300 = 7,7mm 0,0230 = 0,73mm 0,400 = 10,3mm 0,0110 = 0,37mm 0,500 = 12,9mm 0,0060 = 0,20mm 0,600 = 15,5mm 0,0030 = 0,10mm e) Ảnh hưởng của độ lệch thẳng đứng của khí áp kế Hiệu ứng về độ lệch thẳng đứng của khí áp kế có thể biểu diễn theo công thức sau: B = Bγcostγ trong đó, B là chỉ số của khí áp kế thẳng đứng; B γ là chỉ số của khí áp kế để lệch so với phương thẳng đứng; γ là góc lệch thẳng đứng của khí áp kế. 17 Như vậy, theo phương thẳng đứng, nếu điểm thấp nhất của khí áp kế lệch với điểm cao nhất 12,3mm sẽ gây ra số đọc cao hơn so với thực tế là 0,133mb. Khí áp kế Fortin nhạy cảm hơn với độ lệch thẳng đứng, với điểm chuẩn để so sánh (đầu nhọn kim ngà) ở trong bầu cách xa trục khí áp kế 12mm thì sự xê dịch của bầu so với đường thẳng đứng vào khoảng 1mm, khi đó sai số có thể lên tới 0,666mb. f) Ảnh hưởng của chất bẩn và thuỷ ngân bị ôxy hoá Các chất bẩn hoà tan trong thuỷ ngân của khí áp kế là một nguồn gây sai số trong các phép đo khí áp. Ngoài ra, khi thuỷ ngân bị ôxy hóa, độ mao dẫn sẽ thay đổi và do đó khí áp kế sẽ chỉ các giá trị khác với thực tế. 3.3.4 Khí áp kế hộp 1. Cấu tạo Khí áp kế hộp là dụng cụ dùng để đo khí áp mặt trạm lúc quan trắc, dùng trong khảo sát lưu động hoặc trên tàu thuỷ. Cấu tạo của khí áp kế hộp được dẫn ra trong hình 3.5. Từ hình vẽ ta nhận thấy, các bộ phận của áp kế hộp được bố trí ở giữa hai bản kim loại (1); hai bản kim loại được nối với nhau nhờ các trục thẳng đứng (2); bộ cảm biến của áp kế hộp là các hộp rỗng, đàn hồi (3) được nối với nhau bằng các trục (3); đầu cố định của trục được lắp với trụ thẳng đứng, còn đầu trục tự do của chồng hộp được nối với tay đòn (4) bằng trục nối (11); độ dài của tay đòn này Hình 3.5. Khí áp kế hộp Anêrôit được điều chỉnh bằng ốc vít (5); tay đòn (4) liên kết với tay đòn dài (6) bằng trục chung (7); tay đòn dài (6) liên kết với trục kim bằng vòng dây xoắn (12); trên mặt thang đo (8) của áp kế hộp còn được lắp một nhiệt kế thuỷ ngân hình cung để đo nhiệt độ (9); chồng hộp có thể xê dịch vị trí và do đó làm cho kim chỉ cũng xê dịch nhờ vặn ốc điều chỉnh (10). Cả hệ thống bao gồm bộ cảm biến, bộ biến đổi tín hiệu và bộ chỉ thị số trên được đặt trong một hộp nhựa cứng. Hộp này lại đặt trong một hộp khác có lò xo đệm để giảm bớt sự rung động của khí áp kế hộp khi có những chấn động từ bên ngoài. 2. Nguyên tắc hoạt động Khi khí áp giảm, màng hộp dãn ra, làm chùng bản lò xo và dịch chuyển tay đòn lên phía trên. Tay đòn này nhờ thanh truyền làm quay cần xoay, cần xoay này lại tác động đến dây xích cuốn vào ròng rọc và sẽ làm quay kim chỉ về phía khí áp giảm 18 trên mặt đồng hồ nhờ một lò xo. Dùng vít trên đế có thể điều chỉnh được vị trí của bộ phận quay nên ta có thể thay đổi được vị trí điểm không của kim. 3. Cách sử dụng Ở vị trí làm việc, khí áp kế hộp được đặt nằm ngang (theo mặt thang đo). Khi quan trắc ta tiến hành theo trình tự sau: - Mở nắp hộp, đọc nhiệt độ trên nhiệt kế của khí áp kế hộp; - Dùng ngón tay gõ nhẹ lên mặt hộp của khí áp kế hộp để tránh sự ma sát bên trong bộ phận biến đổi tín hiệu (có thể làm cho kim chỉ sai vị trí); - Đọc trị số khí áp rồi đóng nắp hộp lại. Khi xác định vị trí của kim chỉ, cần đặt mắt vào đúng vị trí của đầu kim. Ở vị trí đúng ta có thể thấy được ảnh con ngươi của mắt được phân đôi bởi đầu chỉ kim. 4) Các nguồn sai số - Sự bổ chính không đầy đủ đối với những thay đổi nhiệt độ: khi nhiệt độ tăng và độ đàn hồi của hộp giảm, dụng cụ có xu hướng chỉ khí áp quá cao. Bộ phận bổ chính lưỡng kim nếu được chế tạo tốt có thể khống chế sai số nhiệt độ trên toàn dải các giá trị khí áp cần đo; - Hiện tượng trễ: nếu khí áp kế hộp phải chịu một sự biến đổi lớn và nhanh của khí áp rồi sau đó lại trở về giá trị ban đầu thì khí áp kế hộp sẽ chỉ một giá trị khác. Khí áp này sẽ thay đổi từ từ cho tới khi đạt tới giá trị ban đầu của nó. Hiện tượng này được gọi là hiện tượng trễ. - Sự thay đổi độ đàn hồi của hộp: Do sử dụng lâu ngày, cấu trúc bên trong của vật liệu bị biến đổi nên độ đàn hồi của hộp kém nhạy. 3.4 Khí áp kí 3.4.1 Cấu tạo Khí áp kí được cấu tạo bởi các bộ phận chính sau (hình 3.6): 1. Bộ phận cảm biến Bộ phận cảm biến là một chồng hộp Hình 3.6. Cấu tạo khí áp kí rỗng (A). Số hộp có thể nhiều hoặc ít tuỳ thuộc vào mục đích của phép đo, số hộp càng nhiều độ nhạy của thiết bị đo càng lớn. Đầu dưới trụ chồng hộp được lắp cố định vào đầu tự do (B) của tấm lưỡng kim (3) của bộ phận bổ chính về nhiệt độ được đặt ở phía dưới của mặt đế khí áp. Đầu trên trụ chồng hộp được nối với bộ phận truyền và biến đổi tín hiệu cảm biến. 2. Bộ phận bổ chính về nhiệt độ 19 Gồm một tấm lưỡng kim (3), một đầu được lắp cố định, đầu tự do nối với trụ dưới của chồng hộp (2), giữa tấm lưỡng kim có nẹp di động (4). Khi vị trí của nẹp thay đổi, nó sẽ làm cho chiều dài thay đổi đáng kể từ vị trí cố định đến đầu tự do trên tấm lưỡng kim. Điều đó cũng làm thay đổi mức độ xê dịch đầu tự do của tấm lưỡng kim theo chiều của trục chồng hộp khi nhiệt độ thay đổi. 3. Bộ phận truyền và biến đổi tín hiệu cảm biến Bộ phận này gồm một hệ thống gồm trụ đỡ (5), cần truyền (6), (7) tay đòn (8) và cần kim (9) mang ngòi bút. Thay đổi độ dài của tay đòn (8) bằng cách vặn ốc điều chỉnh ở tay đòn đó sẽ làm cho độ nhạy của khí áp kế thay đổi. Vặn ốc điều chỉnh (10) trên giá di động sẽ đưa được vị trí của ngòi bút, lắp trên cần kim, tới vị trí trên thang đo, tương ứng với vị trí số của khí áp kí lúc quan trắc. Để cần kim mang ngòi bút tạo được mốc giờ ta ấn nút (11) ở phía sau thân máy. 4. Bộ phận tự ghi Bộ phận tự ghi gồm trụ đồng hồ và ngòi bút ghi giống như các máy nhiệt kí và ẩm ký. Giản đồ được nắp trên trụ đồng hồ có giá trị trên thang đo (1mb/vạch). Hình 3.8: Khí áp kí nhìn theo các phương khác nhau 20