Giáo trình máy KHÍ TƯỢNG

Những yếu tố khí tượng được đo đạc phổ biến và thiết bị đo tương ứng Yếu tố khí tượng Thiết bị đo Nhiệt độ không khí, đất, nước Nhiệt kế, nhiệt kí Lượng và dạng mây Mắt thường Độ cao châ

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

TRƯỜNG CAO ĐẲNG TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI

Nguyễn Bình Phong

GIÁO TRÌNH

MÁY KHÍ TƯỢNG

THÁNG 12/2007

LỜI NÓI ĐẦU

“Máy khí tượng" là giáo trình dùng cho sinh viên chuyên ngành khí

tượng trong các trường có nhóm ngành khí tượng thuỷ văn Nội dung của giáo trình tập trung trình bày các vấn đề cơ bản về máy khí tượng dùng trong các trạm quan trắc như: khí tượng bề mặt, cao không, khí hậu, khí tượng nông nghiệp và các trạm khí tượng hàng không.

Máy khí tượng là một trong những môn chuyên ngành mà sinh viên được học trong chương trình đào tạo Môn học trình bày về cấu tạo, nguyên tắc hoạt động và phương pháp sử dụng về các máy móc và dụng cụ đo đạc các yếu tố khí tượng

Môn học hằm giúp sinh viên có được những kiến thức về nguyên lý cảm

biến với yếu tố khí tượng cần đo, nguyên tắc hoạt động của các thiết bị đo khí tượng

và vận hành của các thiết bị đo khí tượng Đồng thời sinh viên sử dụng được các thiết bị đo này để đo đạc các yếu tố khí tượng theo Quy phạm quan trắc khí tượng

bề mặt của ngành Khí tượng Thuỷ văn một cách thành thạo

Để hoàn thành cuốn giáo trình này, chúng tôi đã nhận được sự giúp

đỡ nhiệt tình và sự góp ý chân thành, hiệu quả của tập thể cán bộ giảng viên Khoa Khí tượng - Trường Cao đẳng Tài nguyên và Môi trường Hà Nội

và của các bạn đồng nghiệp gần xa Xin phép bày tỏ lòng biết ơn của chúng tôi nhân dịp giáo trình này được xuất bản

Cuối cùng, chúng tôi rất mong nhận được sự góp ý kiến của các bạn đồng nghiệp và anh chị em sinh viên sử dụng cuốn giáo trình này.

Hà Nội, tháng 12 năm 2007

7

CHƯƠNG

2

2.1 Nhiệt độ và các thang đo nhiệt độ 112.2 Những nguyên lý cơ bản về hoạt động của các thiết bị đo nhiệt

suất khí quyển

23

3.3 Khí áp kế thuỷ ngân kiểu thang độ bổ chính KEW 233.4 Các khí áp kế thuỷ ngân kiểu Fortin và kiểu thang độ bổ chính 253.5 Hiệu chính số đọc của khí áp kế thuỷ ngân về điều kiện tiêu

4.1 Những nguyên lý cơ bản về hoạt động của các thiết bị đo độ

5.1 Những nguyên lý cơ bản về hoạt động của thiếtbị đo gió 48

5.2 Máy gió Vild 49

CHƯƠN

6.1 Khái quát về giáng thuỷ và đơn vị đo 66

6.5 Dụng cụ ghi cường độ mua Jardi

CHƯƠNG

7.1 Những nguyên lí cơ bản về hoạt động của thiết bị đo bốc hơi 81

CHƯƠNG

8 THIẾT BỊ ĐO THỜI GIAN NẮNG VÀ BỨC XẠ 88

8.2 Thiết bị đo bức xạ

CHƯƠNG

9 THIẾT BỊ ĐO ĐỘ CAO CHÂN MÂY VÀ GIÓ TRÊN CAO 96

9.1 Đo độ cao chan mây bằng cầu buộc 969.2 Đo độ cao chân mây và gió trên cao bằng cầu bay 969.3 Đo độ cao chân mây bằng đèn chiếu mây 979.4 Đo độ cao chân mây bằng vô tuyến điện 99

CHƯƠNG

10

TỰ ĐỘNG HOÁ PHÉP ĐO CÁC ĐẠI LƯỢNG KHÍ QUYỂN 101

10.1 Các khía cạnh kĩ thuật và kinh tế của tự động hoá 10110.2 Phân loại các trạm thời tiết tự động 10210.3 Sơ đồ khối cơ bản của trạm thời tiết tự động 10310.4 Các bộ cảm biến dùng trong trạm thời tiết tự động 10610.5 Bảo dưỡng các trạm thời tiết tự động 10610.6 Độ tin cậy của thiết bị tự động 107

CHƯƠNG 1

ĐẠI CƯƠNG VỀ ĐO ĐẠC CÁC YẾU TỐ KHÍ TƯỢNG

1.1 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

1.2 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 Thiết bị đo

Nhiệt độ không khí, đất, nước Nhiệt kế, nhiệt kí

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,

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 1.1) Theo hình 1.1, 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

Hình 1.1 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 1.2) Từ hình 1.2 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

Bộ cảm biến

Bộ chỉ thị tương tự

Bộ biến đổi tín hiệu

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

Hình 1.2 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 1.3)

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 1.4)

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

Bộ cảm biến Bộ biến đổi tín hiệu tương tự (tín hiệu in ra)Màn hình

Hình 1.3 Khí áp kế hiện số

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 giữa bảng với phương thẳng đứng Góc lệch này tương ứng với vị trí các cung răng 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 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

CHƯƠNG 2

THIẾT BỊ ĐO NHIỆT ĐỘ

2.1 Nhiệt độ và các thang đo nhiệt độ

Nhiệt độ là một thông số trạng thái nhiệt của vật chất Giá trị của thông số này phụ thuộc vào động năng chuyển động trung bình của các phần tử cấu tạo nên vật chất

đó Ta có thể đo được nhiệt độ thông qua sự truyền nhiệt giữa các vật chất

Nhiệt độ của vật chất thường được đo bằng nhiệt kế Khi nhiệt độ thay đổi thì tính chất vật lí của vật chất cũng thay đổi theo Nếu biết được sự phụ thuộc của tính chất vật lí của vật chất vào nhiệt độ, ta sẽ xác định được nhiệt độ của vật chất đó Các tính chất vật lí của vật chất bao gồm: mật độ, thể tích, độ dẫn điện,

Muốn đo nhiệt độ của môi trường nào đó (không khí, đất, nước,…) ta đặt nhiệt kế vào môi trường đó Giữa môi trường và nhiệt kế xảy ra sự trao đổi nhiệt Khi hệ thống môi trường-nhiệt kế ở trạng thái cân bằng thì nhiệt độ của nhiệt kế cũng chính

là nhiệt độ của môi trường đó Nhiệt kế dùng để đo nhiệt độ không khí được Galile chế tạo ra từ năm 1584

Năm 1721, Fahreinheit đã thiết kế nhiệt kế thuỷ ngân để đo đạc khí tượng Ông đã lấy điểm thấp nhất trong thang đo, điểm 00F, là nhiệt độ đã đo được tại Danzig, điểm cao nhất trong thang đo, điểm 960F, là nhiệt độ cơ thể người, nhiệt độ 320F là điểm đóng băng và nhiệt độ 2120F là điểm sôi của nước

Celsius đã thiết lập thang đo bách phân với 00C là điểm sôi và 1000C là điểm đóng băng của nước nguyên chất ở điều kiện tiêu chuẩn Sau đó, Linaeno đã đảo ngược thang độ bách phân và thiết lập thang đó như ngày nay Nó có tên trong hệ thống đo lường (SI) là thang độ Celsius

Trong khí tượng, nhiệt độ thường được đo bằng thang độ Celsius dựa trên 1000 chia của thang độ giữa hai điểm tbăng và thơi Đơn vị này được gọi là “độ Celsius” hay “độ

ở nhiều mực khác nữa

Nhiệt độ đất thường được đo tại những độ sâu tiêu chuẩn là: 5, 10, 15, 20, 50 và 100cm Nơi đặt nhiệt kế để đo nhiệt độ đất thường là nơi không trồng cỏ trong vườn

khí tượng.

2.2 Sự trao đổi nhiệt giữa nhiệt kế và môi trường

2.2.1 Quán tính nhiệt của nhiệt kế

Khi đặt nhiệt kế vào một môi trường nào đó để đo nhiệt độ, nhiệt kế không chỉ đúng được nhiệt độ của môi trường đó ngay lập tức mà phải sau một khoảng thời gian nhất định nhiệt độ của nhiệt kế mới đạt tới trạng thái cân bằng nhiệt với môi trường Khoảng thời gian đó được gọi là quán tính nhiệt của nhiệt kế

Quán tính nhiệt của nhiệt kế τ phụ thuộc vào cường độ trao đổi nhiệt giữa môi trường và nhiệt kế theo công thức:

*

* 0

tt

ttαlnτ

t - t* là độ chính xác cần thiết của phép đo

Hệ số quán tính nhiệt của nhiệt kế α được viết dưới dạng:

VγS

ΔtCm

trong đó, C là nhiệt dung của vật liệu làm nhiệt kế; m là khối lượng của nhiệt kế, S

là diện tích bề mặt của nhiệt kế tiếp xúc với môi trường; V là tốc độ thông gió, ∆t =

t0 - t*; là hiệu nhiệt độ ban đầu của nhiệt kế với môi trường ∆t = t0 - t* và γ là hệ số trao đổi nhiệt của nhiệt kế và môi trường

Từ (2.1) ta thấy, nếu τ = α thì e

tt

tt

2.2.2 Độ nhạy của nhiệt kế

Độ chính xác của số đọc trên thang độ của nhiệt kế phụ thuộc vào độ nhạy của nhiệt

kế Độ nhạy của nhiệt kế càng lớn thì độ chính xác của số đọc càng lớn và ngược lại Độ nhạy của một thiết bị đo bất kì là tỉ số giữa sự thay đổi đầu ra và đầu vào của đại lượng đo Đối với nhiệt kế, độ nhạy là độ dài của một độ trên thang đo

Với nhiệt kế chất lỏng, độ nhạy được xác định theo công thức:

S

βσV

(2.3)

trong đó, V0 là thể tích của bầu nhiệt kế ở nhiệt độ 00C; σ là hệ số dãn nở khối của chất lỏng trong vi quản của nhiệt kế; β là hệ số dãn nở khối của thuỷ tinh làm nhiệt

kế và S là thiết diện vi quản của nhiệt kế

Từ công thức trên ta thấy, muốn làm tăng độ nhạy của nhiệt kế, ta có thể tăng độ lớn của bầu nhiệt kế, hoặc giảm thiết diện vi quản, hoặc dùng chất lỏng có hệ số dãn

nở khối lớn và loại thuỷ tinh có hệ số dãn nở khối nhỏ Tuy nhiên, nếu làm tăng độ lớn của bầu nhiệt kế quá mức sẽ dẫn tới làm tăng quán tính nhiệt, nếu thu hẹp quá mức thiết diện vi quản của nhiệt kế sẽ làm tăng ma sát khi chất lỏng dịch chuyển trong vi quản Mặt khác, nếu làm tăng độ nhạy của nhiệt kế lên quá nhiều, ta phải tăng độ dài của nhiệt kế một cách tương ứng nên cũng bất lợi trong việc sử dụng nhiệt kế

2.3 Nguyên lí hoạt động cơ bản của thiết bị đo nhiệt độ

Nhiệt kế là một thiết bị dùng để đo nhiệt độ Ngày nay, có rất nhiều loại nhiệt kế khác nhau được thiết kế dựa trên những nguyên lí khác nhau đang được dùng trong khí tượng như:

- Nhiệt kế chất lỏng trong ống thuỷ tinh (thuỷ ngân và cồn);

- Nhiệt kế chất lỏng trong kim loại;

- Nhiệt kế lưỡng kim;

- Nhiệt kế điện trở (nhiệt điện trở và điện trở kim loại);

2.3.1 Nhiệt kế thuỷ ngân

Nhiệt kế thuỷ ngân là một loại nhiệt kế được dùng rất phổ biến trong khí tượng Nó thường được cấu tạo chủ yếu bởi một ống thuỷ tinh nhỏ bịt kín (được gọi là ống vi quản), một đầu phình to chứa thuỷ ngân (được gọi là bầu nhiệt kế) và phần lớn các loại nhiệt kế có gắn một bản bằng nhựa được khắc chia thành từng độ nằm phía sau ống vi quản Khoảng không gian phía trên mặt lồi của thuỷ ngân trong ống vi quản được rút hết không khí

Khi nhiệt độ của nhiệt kế thay đổi, thể tích thủy ngân trong bầu nhiệt kế sẽ thay đổi nhiều hơn ống vi quản, gây nên sự thay đổi chiều dài của cột thuỷ ngân trong ống vi

quản Sự thay đổi chiều dài của cột thủy ngân tỉ lệ với sự thay đổi thể tích của bầu thủy ngân Mối quan hệ đó được biểu diễn dưới dạng:

Tuy nhiên, trong thực tế, những thay đổi về kích thước của bầu thủy tinh do nhiệt cũng đáng kể Tính đến ảnh hưởng này, sự thay đổi thể tích thủy ngân ∆v được biểu diễn dưới dạng:

∆v = vo (g1 - g2) ∆t (2.5)trong đó, ∆t là sự thay đổi nhiệt độ; vo là thể tích thuỷ ngân bên trong bầu nhiệt kế ở nhiệt độ tiêu chuẩn; g1 = 0,000181 là hệ số dãn nở của thuỷ ngân; g2 = 0,0000253 là

hệ số dãn nở của thuỷ tinh

Kết hợp công thức (2.4) và (2.5) ta được:

ΔtA

)g(gv

Biểu thức (2.6) biểu thị độ nhạy của nhiệt kế Như vậy, từ công thức này ta thấy, bầu nhiệt kế càng lớn và mặt cắt ngang của ống vi quản thuỷ tinh càng nhỏ thì độ nhạy càng cao Tuy nhiên, nếu bầu nhiệt kế càng lớn thì quán tính của nhiệt kế càng lớn

Thuỷ ngân thường được dùng để làm nhiệt kế bởi nó có những đặc tính ưu việt như: nhiệt dung nhỏ, độ dẫn nhiệt cao, không dính ướt thành ống và điểm sôi cao Tuy nhiên, thủy ngân cũng có nhược điểm là điểm đông kết tương đối cao, tới -380C.Một số kiểu nhiệt kế thuỷ ngân được dùng rộng rãi trong khí tượng như:

a) Nhiệt kế có vỏ làm bằng thuỷ tinh, dài 390 - 430mm, đường kính thân bên ngoài

15 - 17mm, thang độ chia tới là 0,20C với phổ đo từ -30 đến 600C

b) Nhiệt kế tối cao có vỏ làm bằng thuỷ tinh, hình dạng bên ngoài tương tự như nhiệt kế thường, trừ một chỗ eo thắt trên vi quản ở gần bầu nhiệt kế, thang độ chia tới 0,50C Chỗ eo thắt trên vi quản gần bầu nhiệt kế cho phép thuỷ ngân từ bầu nhiệt kế đi vào ống vi quản, nhưng lại ngăn không cho thuỷ ngân quay trở

về được nên nó sẽ lưu lại ở điểm cao nhất đã đạt tới, tính từ lần đặt lại cuối cùng Vì vậy, để chuẩn bị quan trắc cho ngày hôm sau, ta phải vẩy nhẹ nhiệt kế

tối cao để cưỡng bức cột thuỷ ngân trở lại vị trí vốn có của nó.

c) Nhiệt kế của ẩm kế thông gió có vỏ làm bằng thuỷ tinh như hai loại nhiệt kế trên nhưng ngắn hơn, chỉ dài từ 265 đến 275mm và nhỏ hơn, đường kính chỉ có 7-8mm và có thang độ chia tới 0,20

d) Nhiệt kế đo nhiệt độ đất có vỏ làm bằng thuỷ tinh, thân dài uốn cong thành một góc vuông Bầu và một phần thân nhiệt kế cắm vào trong đất, thang đo hướng về phía trên và nằm trên mặt đất để có thể đọc được giá trị nhiệt độ Đối với các độ sâu lớn, người ta dùng loại nhiệt kế thẳng đặt trong bao nhựa có đường kính rộng hơn và cắm xuống những độ sâu cần thiết, bầu nhiệt kế bọc sáp ong để tăng

độ trễ Những loại nhiệt kế này khi quan trắc phải kéo nhiệt kế ra khỏi ống

e) Nhiệt kế thuỷ ngân có vỏ làm bằng kim loại cũng dựa trên nguyên lí về sự dãn

nở vì nhiệt của chất lỏng nhiệt kế như nhiệt kế thuỷ ngân - thuỷ tinh Chúng thường được thiết kế để đọc nhiệt độ từ xa (tới 50m) Bầu nhiệt kế và vi quản thép mỏng được bảo vệ bằng bao chì Vi quản này sẽ nối bầu với một thiết bị hiển thị Thiết bị hiển thị là một ống Bourdon có bộ phận khuếch đại bằng bánh răng nhỏ và đoạn thanh răng để điều khiển đầu kim nhọn hoặc cần ngòi bút ghi

Để trung hoà hiệu ứng của những thay đổi nhiệt độ đối với ống vi quản, người ta lắp một bộ phận bổ chính trong đường nối của ống vi quản Bộ phận bổ chính gồm sợi dây thép không gỉ bên trong đường nối có độ dãn nở nhiệt thích hợp khiến cho độ dãn nở của ống vi quản cùng với độ tăng của nhiệt độ sẽ được bổ chính bằng độ dãn nở tương ứng của dây thép

2.3.2 Nhiệt kế rượu

Rượu là một chất lỏng có nhiệt độ đông kết nhỏ hơn nhiệt độ đông kết của thuỷ ngân nên thường được dùng để chế tạo nhiệt kế đo ở những nơi có nhiệt độ thấp thay thế cho thuỷ ngân, đặc biệt là được dùng để chế tạo nhiệt kế tối thấp thay thế cho thuỷ ngân

Hơn nữa, rượu có đặc tính là nhiệt dung lớn, tính dẫn nhiệt kém, sức căng mặt ngoài nhỏ Cho nên, nhiệt kế tối thấp có vỏ làm bằng thuỷ tinh với cấu tạo đặc biệt, bầu nhiệt kế lớn, diện tích bề mặt bầu lớn, ống vi quản có kích thước lớn hơn những loại nhiệt kế khác và có con trỏ bằng thuỷ tinh di chuyển được

Với cấu tạo như vậy, cho nên, khi nhiệt độ giảm, mặt cong cột rượu đẩy con trỏ thuỷ tinh chạy dọc theo ống vi quản Nhưng khi nhiệt độ tăng, rượu chảy qua con trỏ và để con trỏ nằm nguyên ở vị trí có nhiệt độ thấp nhất đã đạt tới Để con trỏ không bị di chuyển do trọng lượng, người ta đặt nhiệt kế gần như nằm ngang có bầu thấp hơn một chút Trọng lượng của con trỏ nhỏ, hai đầu tròn nên nó không thể chọc thủng màng căng mặt ngoài của cột rượu nên cột rượu dâng lên khi nhiệt độ

tăng mà con trỏ vẫn nằm nguyên chỗ cũ

2.3.3 Nhiệt kế kim loại

Cấu tạo của loại nhiệt kế này gồm hai mảnh kim loại mỏng có hệ số dãn nở vì nhiệt khác nhau, được ép sát vào nhau tạo thành một miếng lưỡng kim Tấm lưỡng kim này, một đầu được kẹp chặt, còn đầu kia để dịch chuyển tự do Khi nhiệt độ tăng lên, tấm lưỡng kim sẽ cong về phía tấm kim loại có hệ số dãn nở vì nhiệt nhỏ hơn

Sự dịch chuyển đầu tự do của tấm lưỡng kim tỉ lệ với sự thay đổi nhiệt độ Những tính toán lí thuyết cho thấy, độ nhạy của bộ cảm biến lưỡng kim tỉ lệ thuận với bình phương độ dài tấm lưỡng kim, với hiệu hệ số dãn nở vì nhiệt của hai tấm kim loạisố

độ và với độ dày của tấm lưỡng kim

Bộ cảm biến nhiệt độ của tấm lưỡng kim có nhiều ứng dụng trong khí tượng Một trong những ứng dụng đó là dùng để chế tạo nhiệt kí

2.3.4 Nhiệt kế điện trở

Hai kiểu nhiệt kế điện trở thường được dùng rộng rãi trong khí tượng là nhiệt kế điện trở kim loại có hệ số nhiệt độ dương đối với điện trở và nhiệt kế điện trở bán dẫn có hệ số nhiệt độ âm đối với điện trở

Việc dùng điện trở kim loại làm bộ cảm biến dựa trên hệ thức sau:

Rt = R0 [1 + a(t – t0) – b(t – t0)2] (2.7)trong đó, Rt là điện trở của bộ cảm biến kim loại ở nhiệt độ t0C; R0 là điện trở của

bộ cảm biến kim loại ở nhiệt độ cố định t0 và a, b là hai hằng số phụ thuộc vào kim loại

Thông thường, người ta sử dụng những kim loại như: platin, đồng, nicken và sắt Trong đó platin và đồng được ứng dụng rỗng rãi nhất Những bộ cảm biến dùng dây platin có độ ổn định rất tốt và biến đổi gần như tuyến tính trong dải nhiệt độ khí tượng

Một mạnh điện tử biến đổi tín hiệu và hiển thị dùng cảm biến nhiệt độ kiểu điện trở kim loại được dẫn ra trong hình 2.1

2.4 Nhiệt kế

2.4.1 Nhiệt kế thường

1 Cấu tạo

Nhiệt kế thường được cấu tạo bởi hai bộ phận chính như sau (hình 2.2):

- Một ống vi quản bằng thuỷ tinh có một đầu được hàn kín, đầu kia là một bầu có hình cầu, hình trụ hoặc hình nón chứa đầy chất lỏng;

- Một thang đo thường được chia theo

0,50C/vạch Thang đo có thể chia ngay

trên ống vi quản hoặc tách rời, được giữ

cố định với ống vi quản

2 Nguyên tắc hoạt động

Khi nhiệt độ tăng lên chất lỏng chứa

trong nhiệt kế (do có hệ số dãn nở khối

của chất lỏng lớn hơn thủy tinh) dãn nở

làm cho cột chất lỏng trong ống vi quản

dài ra; còn khi nhiệt độ giảm xuống chất

lỏng trong nhiệt kế co lại làm cho cột

chất lỏng trong ống vi quản bị ngắn lại

Nhìn trên thang đo ta có thể xác định

được nhiệt độ của vật cần đo

3 Cách sử dụng

Nhiệt kế thường dùng để xác định nhiệt

độ tức thời của không khí, của đất hay

của nước lúc quan trắc Khi đặt nhiệt kế

trong lều khí tượng, cấu tạo của lều đã

bảo đảm cho phép đo được chính xác

Tuy nhiên, chúng ta cũng cần chú ý đến

các nguồn nhiệt dùng thắp sáng lều, thân

nhiệt của quan trắc viên, bức xạ nhiệt từ

những vật lân cận Khi đặt nhiệt kế ở

ngoài lều khí tượng, cần lưu ý sao cho nhiệt kế có khả năng trao đổi nhiệt với môi trường một cách dễ dàng, tránh được bức xạ trực tiếp của Mặt trời, tránh được nguồn nhiệt và nguồn ẩm nhân tạo

Ở vị trí làm việc nhiệt kế phải đặt nằm ngang, khi quan trắc phải xác định chính xác

vị trí đầu mũi của chất lỏng trong ống vi quản Cũng cần lưu ý tới phản ứng của nhiệt kế trong khi đọc nhiệt độ để đọc được giá trị mới nhất, chính xác nhất của môi trường cần đo, bởi vì nhiệt kế luôn có độ trễ

2.4.2 Nhiệt kế tối cao

1 Cấu tạo

Nhiệt kế tối cao là loại nhiệt kế thuỷ ngân có thang độ làm bằng thuỷ tinh trắng Ngoài những bộ phận chung như những nhiệt kế chất lỏng khác, nhiệt kế tối cao còn có thêm đặc điểm riêng là trong bầu nhiệt kế, người ta gắn một thanh thuỷ tinh

Hình 2.2 Nhiệt kế thường dạng không

có ống vi quản và có ống vi quản Hình 2.1 Sơ đồ cầu Uyt-xton

nhỏ có một đầu gắn liền với đáy bầu, đầu còn

lại được luồn vào trong ống vi quản tại điểm

nối tiếp giữa ống này với bầu nhiệt kế Đầu

thanh thuỷ tinh này tạo với thành trong của

ống vi quản một khe hở rất hẹp (hình 2.3)

2 Nguyên tắc hoạt động

Khi nhiệt độ tăng, thuỷ ngân ở trong bầu nhiệt

kế sẽ dãn nở, chảy qua khe hẹp giữa thành

trong của ống vi quản và đầu thanh thuỷ tinh

đi lên Khi nhiệt độ giảm, thuỷ ngân ở trong

bầu nhiệt kế co lại, nhưng thuỷ ngân trên ống

vi quản không trở lại được Bởi vì khi làm

việc, nhiệt kế tối cao được đặt nằm ngang nên

lực duy nhất tác dụng vào thuỷ ngân trong ống

vi quản hướng về phía bầu nhiệt kế là lực hút

phân tử (khoảng không trong ống vi quản là chân không) Lực này nhỏ tới mức không hút được thuỷ ngân đi qua khe hẹp nói trên Do đó cột thuỷ ngân trong ống vi quản được giữ lại, số chỉ của nhiệt kế vẫn được duy trì

3 Cách sử dụng

Thuỷ ngân trong ống vi quản có thể bị xê dịch về phía xa bầu nhiệt kế Vì vậy, để tránh những sai sót có thể xảy ra trong phép đo, người ta thường đặt nhiệt kế tối cao

ở vị trí nằm ngang, nhưng hơi thấp về phía bầu nhiệt kế

Để nhiệt kế đo nhiệt độ tối cao cho kì quan trắc tiếp theo một cách chính xác, người

ta phải vẩy nó để dồn thuỷ ngân trên ống vi quản về bầu nhiệt kế sau khi đọc xong Khi vẩy, tay cầm chắc vào giữa thân nhiệt kế sao cho bầu nhiệt kế hướng xuống dưới, mặt thanh độ trùng với mặt hướng vẩy, rồi vung tay vẩy mạnh vài ba lần Số chỉ nhiệt độ trên thang đo nhiệt kế sau khi vẩy sẽ tương đương với nhiệt độ của môi trường khi đó

2.4.3 Nhiệt kế tối thấp

1 Cấu tạo

Nhiệt kế tối thấp là nhiệt kế rượu cũng có thang độ làm bằng thuỷ tinh trắng, có hình dáng, kích thước giống nhiệt kế tối cao Nhưng khoảng trống trên mặt rượu trong ống vi quản có chứa đầy không khí để chống lại sự bốc hơi của rượu lên khoảng trống đó Trong ống vi quản có một thanh thuỷ tinh mầu thẫm, nhẹ, có hình dáng như quả tạ, được gọi là con trỏ Con trỏ có thể dịch chuyển dễ dàng trong rượu (hình 2.4)

Hình 2.3 Bầu nhiệt kế tối cao

Khe

hở hẹp

Vì lực ma sát nói trên nhỏ hơn lực mà con trỏ phải sinh ra để phá vỡ sức căng mặt ngoài của rượu Do đó con trỏ sẽ nằm yên tại vị trí thấp nhất của mặt rượu trong khoảng thời gian giữa hai kì quan trắc.

3 Cách sử dụng

Nhiệt kế tối thấp được đặt ở vị trí nằm ngang, nhưng hơi thấp về phía bầu nhiệt kế Khi quan trắc phải đọc cả số chỉ của con trỏ và mặt rượu để xác định số hiệu chính phụ cho nhiệt kế tối thấp Số hiệu chính phụ này là sai số trung bình giữa số chỉ trên nhiệt kế thuỷ ngân và số chỉ của mặt rượu nhiệt kế tối thấp Để hiệu chỉnh nhiệt độ tối thấp theo

số chỉ trên con trỏ, cần phải xác định số hiệu chính phụ cho nhiệt kế tối thấp

Để cho nhiệt kế có thể đo được nhiệt độ thấp nhất trong kì quan trắc tiếp theo một cách chính xác, sau khi đọc số chỉ nhiệt độ thấp nhất xong, ta phải nâng bầu nhiệt

kế lên cao để cho con trỏ dịch chuyển tới mặt rượu trong ống vi quản

Trong khí tượng, việc đọc nhiệt độ trên các nhiệt kế chất lỏng luôn luôn phải lấy chính xác tới 0,10C, cho dù độ chia trên thang đo của nhiệt kế như thế nào Để đảm bảo được độ chính xác cao, khi quan trắc cần phải tuân thủ các nguyên tắc sau:

- Đọc đúng số chỉ tại đầu cột chất lỏng trong ống vi quản Vị trí đó đối với nhiệt kế thuỷ ngân là đường tiếp tuyến tưởng tượng với phần lồi của mặt thuỷ ngân, với nhiệt kế rượu thì nó là vị trí phần lõm của mặt rượu

- Khi đọc, mắt phải ở vị trí đúng thang đo, phải xác định số chỉ phần mười của độ trước, phần nguyên sau để tránh sai số trong phép đo

2.4.4 Nhiệt kế cong Savinop

Nhiệt kế cong Savinop là một bộ gồm bốn nhiệt kế thuỷ ngân được dùng để đo nhiệt độ đất tại các lớp đất sâu 5, 10, 15 và 20 cm

Nhiệt kế cong Savinop có cấu tạo và nguyên tắc hoạt động giống như những nhiệt

kế thường Tuy nhiên, do chúng được dùng để đo nhiệt độ trong lòng đất, cho nên chúng có hình dạng khác với nhiệt kế thường (hình 2.5a) Từ hình 2.5a ta thấy, bầu nhiệt kế Savinop được uốn cong và hợp với thân của nó một góc 1350, bên trong vỏ nhiệt kế, chỗ gắn thang độ với

bầu nhiệt kế, được nhồi chặt

bông hoặc bột cách nhiệt để

cách nhiệt giữa lớp đất ở độ sâu

đặt bầu với phần trên của nhiệt

kế Thang độ của nhiệt kế

Savinop thường được chia đến

0,50C

Ở vị trí đo đạc, phần dưới của

nhiệt kế được chôn trong đất,

bầu nhiệt kế nằm ngang, phần

trên nhô lên khỏi mặt đất và

Hình dạng, cấu tạo và nguyên

tắc hoạt động của nhiệt kế ống

cũng giống như nhiệt kế thường,

nhưng thang đo nhiệt độ thường

được chia tới 0,20C (hình 2.6)

Ở vị trí làm việc, nhiệt kế ống

được đặt trong một bao bằng

nhựa cứng Đáy bao được đậy

kín bằng một cái nắp đồng Trên

nắp này còn đặt thêm một lớp

vụn bằng đồng để làm tăng quan

tính giữ nhiệt cho nhiệt kế Đầu

trên bao nhựa được lắp một

chiếc cần bằng gỗ Đầu cần gỗ

lại được gắn với nắp đậy có

vòng xách giúp cho việc quan Hình 2.6 Bao, ống và thang đặt nhiệt kế ống

Hình 2.5 Nhiệt kế cong và cách đặt nhiệt kế

trắc được thuận tiện Cả hệ thống này lại được lồng vào ống nhựa cứng khác, có nắp

ở đáy cũng bằng đồng chôn sâu cố định trong đất

Để không làm thay đổi trạng thái mặt đất nơi đặt nhiệt kế, người ta đặt một thang lật cho quan trắc viên đứng khi quan trắc

2.4.6 Những nguồn sai số của nhiệt kế

Trong các phép đo nhiệt độ dùng nhiệt kế chất lỏng nói chung, cần phải kiểm soát được những nguồn sai số có thể như sau:

- Chất lượng của chất lượng thuỷ ngân: nếu thuỷ ngân tốt sai số không quá 0,050C nhưng nếu thuỷ ngân xấu, sai số có thể lên tới 10C đối với dải đo 1000;

- Bầu nhiệt kế bị co lại theo thời gian: trong năm đầu hiện tượng này dẫn đến sai số khoảng 0,010C, những năm sau sai số ít hơn;

- Độ rộng của ống vi quản không đều;

- Chia thang độ không chính xác;

- Sự co dãn của thuỷ tinh và chất lỏng không đều trên suốt ống vi quản;

- Vạch chia và chữ số trên thang độ không rõ ràng làm cho người đọc không đúng;

- Mắt quan trắc viên để không vuông góc với nhiệt kế tại điểm cuối của chất lỏng;

- Quan trắc viên đến quá gần nhiệt kế nên thân nhiệt của họ ảnh hưởng đến chỉ số trên nhiệt kế;

- Quan trắc xong, quan trắc viên không vẩy cho chất lỏng về đúng vị trí ban đầu;

- Đặt nhiệt kế không đúng kĩ thuật

2.4.7 Những hỏng hóc thông thường và cách khắc phục

1 Cột chất lỏng trong ống vi quản bị đứt đoạn

Nguyên nhân của hiện tượng này là do chất lỏng trong ống vi quản bẩn, đặc biệt là không để thẳng đứng khi vận chuyển nhiệt kế

Cách khắc phục:

- Vẩy giống như vẩy nhiệt kế tối cao khi quan trắc, các đoạn chất lỏng sẽ nối lại với nhau;

- Đặt nhiệt kế trong một túi vải có dây thắt nút miệng túi, tay nắm chắc dây rồi quay

để lực li tâm có thể làm cho các đoạn chất lỏng sẽ nối lại với nhau;

- Hơ bầu nhiệt kế gần mặt nước sôi, hoặc nhúng bầu nhiệt kế trong nước ấm rồi từ

từ rót thêm nước nóng già vào trong nước ấm Cột chất lỏng dâng lên trong ống vi quản có thể làm cho bọt khí dồn lên khoảng trống trong ống, nhấc nhiệt kế ra và đặt

thẳng đứng theo hướng bầu ở phía dưới, chất lỏng sẽ nối lại với nhau;

- Nhúng bầu nhiệt kế trong nước đá đập nhỏ có trộn với muối ăn Do lạnh đi đột ngột, chất lỏng rút nhanh về bầu nhiệt kế, còn bọt khí dồn lên khoảng trống trong ống vi quản

2 Cột rượu bị bốc hơi và đọng lại chỗ phình rộng ra ở đầu ống vi quản

Khi gặp trường hợp này, ta cầm vào giữa thân nhiệt kế sao cho bầu ở phía trong tay cầm, vẩy mạnh vài lần để cho rượu trong ống vi quản bị đứt đoạn ra Một phần rượu nào đó sẽ rơi vào phần bình rộng ra ở đầu ống vi quản và tập hợp được tất cả những giọt rượu có ở đấy Sau đó, cầm nhiệt kế hướng theo chiều ngược trở lại, bầu ở phía dưới, vẩy mạnh để dồn rượu về phía bầu

3 Con trỏ của nhiệt kế tối thấp vượt ra ngoài mặt rượu

Hiện tượng này là do con trỏ bị ma sát nhiều vào thành trong ống vi quản Cho nên, khi nhiệt độ giảm, rượu bị co lại nhưng màng căng mặt ngoài của rượu không kéo được con trỏ dịch chuyển theo

Để khắc phục hiện tượng này ta cũng dùng một trong các cách vẩy hoặc quay

4 Con trỏ của nhiệt kế tối thấp bị kẹt ở chỗ phình rộng ra ở đầu ống vi quản

Để khắc phục hiện tượng này, ta cũng dùng cách vẩy hoặc quay như trên hoặc làm nóng cho rượu trong ống vi quản dâng lên đến 1/3 chỗ phình rộng ra đó Sau đó dùng ngón tay gõ nhẹ vào nhiệt kế để con trỏ rơi vào trong cột rượu

5 Ống vi quản của nhiệt kế thuỷ ngân bị xám

Khi thuỷ ngân trong nhiệt kế không hoàn tinh khiết, bị ôxy hóa hoặc khi chế tạo nhiệt kế, thành trong của ống vi quản không được rửa sạch Để có thể khắc phục được, ta làm nóng lên rồi lại làm lạnh nhiệt kế nhiều lần

2.5 Nhiệt kí

2.5.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

Nhiệt kí được cấu tạo và hoạt động như sau (hình 2.7):

- Bộ cảm biến là một bản lưỡng kim cong (4), một đầu được giữ chặt, còn kia dịch chuyển tự do nên khi nhiệt độ thay đổi bản lưỡng kim sẽ bị cong về phía tấm kim loại có hệ số dãn nở nhỏ hơn Trong nhiệt kí, đầu cố định của bản lưỡng kim được gắn vào giá đỡ (1) ở phía sau thân máy, còn đầu tự do được nối với bộ phận biến đổi tín hiệu cảm ứng ra

- Bộ biến đổi tín hiệu cảm ứng ra là một hệ thống gồm các tay truyền (2) và tay đòn được khớp nối với nhau từ đầu tự do của bản lưỡng kim tới đầu cần kim (3) Bộ phận biến đổi vừa truyền, vừa khuếch đại độ dịch chuyển ở đầu tự do của bản lưỡng

kim theo sự biến thiên của nhiệt độ Kết quả là đầu kim cũng dịch chuyển lên xuống quanh trục nằm ngang, mà trên

đó có gắn cần kim, theo sự tăng

hay giảm của nhiệt độ ứng với

lắp vào đầu dưới của trục chính

trong máy đồng hồ (được gọi là

bánh xe phát động) Khi bánh

xe phát động quay sẽ làm bánh

xe trục chính quay theo Tuỳ

theo tốc độ quay của trụ đồng

hồ mà người ta phân chia ra

nhiệt kí ngày hay nhiệt kí tuần

Thời gian trụ đồng hồ quay trọn

một vòng quanh trục chính của

nhiệt kí ngày là 26 giờ và của

nhiệt kí tuần là 176 giờ Quanh

mặt ngoài trụ đồng hồ người ta

lắp giản đồ bằng một loại giấy đặc biệt Trên giản đồ có các vạch chia thang đo nhiệt độ Khoảng cách giữa hai vạch chia của thang đo là 10C Các cung chạy ngang tới hai mép giản đồ là các cung chỉ thời gian Khoảng cách thời gian giữa hai cung liên tiếp là 15 phút Để đặt đầu ngòi bút ghi vào đúng vị trí số chỉ nhiệt độ trên thang đo của giản đồ tương ứng với số chỉ nhiệt độ không khí lúc quan trắc, ta vặn

ốc điều chỉnh cần kim ở phía sau thân nhiệt kí Muốn điều chỉnh độ nhạy của nhiệt

kí ta vặn ốc điều chỉnh đặt ở cuối cần kim

Khác với các loại nhiệt kế chất lỏng, trong nhiệt kí, khi nhiệt độ tăng lên, bản lưỡng kim sẽ cong nhiều hơn làm cho đầu tự do của nó được nâng lên phía trên Sự nâng lên ở đầu tự do của bản lưỡng kim sẽ được truyền qua tay truyền và khuếch đại lên,

Hình 2.8 Xylanh đồng hồ nhìn từ trên xuống

Hình 2.7 Nhiệt kí

nhờ các tay đòn gắn với trục ngang đặt trong thân máy, làm cho ngòi bút ở đầu kim cũng dịch chuyển lên theo; còn khi nhiệt độ giảm xuống thì ngòi bút cũng hạ xuống theo Song song với sự dịch chuyển lên xuống của kim theo sự biến thiên của nhiệt

độ là sự chuyển động quay của trụ đồng hồ quanh trục chính, ngòi bút sẽ ghi trên giản đồ một đường cong liên tục tương ứng với sự biến thiên của nhiệt độ không khí theo thời gian

2.5.2 Cách sử dụng

Nhiệt kí thường được đặt nằm ngang trên giá máy tự ghi trong lều khí tượng Hàng ngày vào các kì quan trắc 1, 7, 13 và 19 giờ người ta thường đánh mốc giờ và đọc chỉ số của nhiệt độ trên giản đồ nhiệt kí Giản đồ nhiệt kí được thay hàng ngày vào sau kì quan trắc 7 giờ

Việc thay giản đồ thường được tiến hành theo trình tự sau:

- Mở nắp đậy và đánh mốc giờ cuối của đường ghi rồi tháo trụ đồng hồ ra khỏi máy

và ghi lại thời gian đánh mốc giờ cuối;

- Gạt cần tách ngòi bút ra khỏi giản đồ;

- Tháo trụ đồng hồ ra khỏi máy và mở nẹp giữ và tháo giản đồ ra;

- Lên giây cót đồng hồ, điều chỉnh sự nhanh chậm của đồng hồ (nếu cần);

- Lắp giản đồ mới vào trụ đồng hồ sao cho mép dưới của giản đồ sát với vành đáy trụ đồng hồ, vuốt cho giản đồ ôm chặt và đều quanh trụ đồng hồ, đầu các đường chỉ cùng một trị số nhiệt độ trên giản đồ phải trùng nhau;

- Lắp trụ đồng hồ vào máy và quay trụ đồng hồ để ngòi bút ở vào vị trí giờ phút lúc đó;

- Cho thêm mực vào ngòi bút và vặn ốc điều chỉnh (nếu cần) để đưa ngòi bút vào đúng vị trí số chỉ nhiệt độ trên thang đo, tương ứng với nhiệt độ không khí lúc đó;

- Gạt cần kim tì vào giản đồ, đánh mốc giờ lúc bắt đầu có đường ghi vào giản đồ rồi đậy nắp máy lại

Khi thay giản đồ cần chú ý những điểm sau:

- Không lắp giản đồ của máy khác loại hoặc giản đồ không đúng kích cỡ và tiêu chuẩn quy định;

- Không được đổ mực quá đầy vào ngòi bút, không được để mực cạn, kể cả trường hợp khi chưa đến giờ thay giản đồ nhưng nếu thấy mực cạn ta vẫn phải đổ thêm vào;

- Khi làm mốc phải kiểm tra khả năng ghi và độ tì của ngòi bút lên giản đồ Nếu độ

tì quá yếu thì đường ghi có thể bị gián đoạn còn nếu độ tì quá lớn thì đường ghi lại

có hình bậc thang Khi đó ta phải điều chỉnh độ nghiêng của khung giữ cần kim về phía thích hợp Tuyệt đối không được bẻ cong hoặc làm biến dạng cần kim.

2.5.3 Các nguồn sai số

Trong quá trình sử dụng nhiệt kí, cần phải kểm soát được các nguồn sai số thường gặp sau đây:

- Bản lưỡng kim dùng lâu ngày sẽ bị rỉ và biến dạng;

- Ma sát ở cánh tay đòn cơ học do bụi hoặc do hiệu ứng thời tiết đối với kim loại tăng lên;

- Ma sát giữa ngòi bút và giản đồ quá lớn;

- Cần truyền và tay đòn không nằm trong cùng một mặt phẳng;

- Trục ngang mang tay đòn và cần kim có độ rơ;

- Cần kim bị cong hoặc độ tì không thích hợp;

- Nhiệt kí không được lau chùi thường xuyên, ngòi bút không được rửa;

- Trong quá trình thay giản đồ không thực hiện đúng các thao tác, kể cả việc lên giây cót

CHƯƠNG 3

THIẾT BỊ ĐO KHÍ ÁP 3.1 Bản chất của khí áp và các đơn vị đo

Khí quyển là một lớp không khí bao quanh Trái đất Torricelli (1643) đã chứng minh sự tồn tại của khí áp bằng việc ông đã đo được nó nhờ một dụng cụ ông tự chế tạo, được gọi là khí áp kế 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 00C 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);

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

Hình 3.1 Cấu tạo khí áp kế KEW

tinh và chậu khí áp được được đổ đầy thuỷ ngân Khoảng trống trên mặt thuỷ ngân được coi là chân không (10-3-10-4mmHg) 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) 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

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

Hình 3.2 Tủ đựng, móc treo và cột lắp khí áp kế

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 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;

- 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

(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

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

Hình 3.4 Du xích Verniê

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;

- 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 điều kiện tiêu chuẩn

1 Hiệu chính sai số khí cụ

Hiệu chính khí cụ là số hiệu chính gây ra do kĩ thuật chế tạo khí áp kế như: thiết diện của ống thuỷ tinh không đều trên khắp chiều dài của ống, thang độ chia không đều,

Trong khí tượng, để loại trừ sai số này, người ta so sánh chỉ số của khí áp kế đó với khí áp kế mẫu để xác định sai số trung bình của những lần so sánh đó Giá trị hiệu chính được sử dụng trong thời gian giữa hai lần kiểm định

2 Hiệu chỉnh về nhiệt độ

Trong khí áp kế, độ cao cột thuỷ ngân dưới cùng điều kiện khí áp sẽ khác nhau do trọng lượng riêng của thuỷ ngân khác nhau Trọng lượng riêng của cột thuỷ ngân lại phụ thuộc vào nhiệt độ của nó Khi đo khí áp kế theo độ cao cột thuỷ ngân, người ta lấy trọng lượng riêng của nó ở nhiệt độ 00C là 13,595g/cm3

Số hiệu chỉnh Ct tại nhiệt độ t0C được xác định theo công thức:

at1

b)tB(a

trong đó, a là hệ số dãn ở khối của thuỷ ngân; b là hệ số dãn nở dài của thang đo; B

là số đọc của khí áp kế tại nhiệt độ t0C

Thay thế các hệ số dãn nở với giả thiết thang đo làm bằng đồng, ta có:

Ct = 0,000163Bt

3 Hiệu chính về gia tốc trọng trường

Những cột thuỷ ngân có độ cao và khối lượng riêng bằng nhau nhưng nếu đặt tại các vĩ độ khác nhau sẽ có trọng lượng khác nhau Vì vậy, khi đo khí áp bằng khí áp

kế thuỷ ngân, trọng lực ở một vị trí đã cho thường được biểu thị theo trọng lực ở vĩ

độ 450C và độ cao trên mực biển

a) Hiệu chính trị số khí áp về điều kiện gia tốc trọng trường ở vĩ độ 45 0

Gia tốc trọng trường thay đổi theo vĩ độ địa lí vì lực li tâm sinh ra do sự quay của Trái đất thay đổi theo vĩ độ địa lí Lực li tâm luôn luôn hướng ngược chiều với gia tốc trọng trường, ở xích đạo lực li tâm có giá trị lớn nhất nên gia tốc trọng trường có giá trị nhỏ nhất (g0 = 9,7805 m/s2), ở cực lực li tâm bị triệt tiêu cho nên gia tốc trọng trường ở đây có giá trị lớn nhất (g90 = 9,8325m/s2) Còn ở

vĩ độ 450 thì g45 = 0,5(g0 + g90) = 9,8065 m/s2 Tại vĩ độ bất kì, ta có thể biểu thị gia tốc trọng trường qua vĩ độ 450 như sau:

gϕ= g45(1 - 0,00265cos2ϕ)Trong cùng điều kiện khí áp p, gọi Pϕ là độ cao cột thuỷ ngân của khí áp kế đặt tại

vĩ độ ϕ và gọi P45 là độ cao cột thủy ngân của khí áp kế đặt tại vĩ độ 450 Vì độ cao cột thuỷ ngân của khí áp kế tỉ lệ nghịch với trọng lực, tức là:

b) Hiệu chính trị số khí áp về độ cao mực nước biển trung bình

Trong cùng điều kiện khí áp, gọi Ph là độ cao cột thuỷ ngân của khí áp kế đặt tại độ cao h có gia tốc trọng trường là gh và gọi P0 là độ cao cột thủy ngân của khí áp kế đặt tại độ cao mực nước biển trung bình có gia tốc trọng trường là g0 Vì độ cao cột thuỷ ngân của khí áp kế tỉ lệ nghịch với gia tốc trọng trường nên ta có thể viết:

Người ta chứng minh được rằng, gia tốc trọng trường biến đổi theo độ cao theo quy luật:

h314x101

∆Ph = -196 x 10-9hPhCông thức này được sử dụng để hiệu chính khí áp về điều kiện trọng lực ở mực biển Kết quả hiệu chính đó đã được ghi trong “Bảng tính khí tượng thường dùng” tương ứng với các trị số khác nhau của vĩ độ và độ cao

4 Các nguồn sai số chính đối với khí áp kế thuỷ ngân

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 dẫnĐường 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 = 1,56mm0,300 = 7,7mm 0,0230 = 0,73mm0,400 = 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 = Bγcostγtrong đó, B là chỉ số của khí áp kế thẳng đứng; Bγ là chỉ số của khí áp kế để lệch so với phương thẳng đứng; γ là góc lệch thẳng đứng của khí áp kế

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

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

được nối với tay đòn (4) bằng trục

nối (11); độ dài của tay đòn này

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 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);

Hình 3.5 Khí áp kế hộp Anêrôit

- 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

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

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

Hình 3.6 Cấu tạo khí áp kí

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

Hình 3.9: Cần kim mang ngòi bút-

Hình 3.10: Các kiểu ngòi bút tự ghi và trụ đồng hồ

3.4.2 Nguyên tắc hoạt động

Khi khí áp biến thiên, giả sử khí áp tăng lên, áp lực của không khí lên mặt ngoài của hộp rỗng tăng lên, làm cho hộp bị dẹt xuống nhiều hơn và do đó chồng hộp (1) ngắn lại Trụ đỡ (5) sẽ vít cần truyền (6), (7) xuống Cần truyền (7) đẩy đầu tay đòn ngắn (8) xuống Do đó tay đòn dài dịch chuyển lên phía trên, còn khi khí áp giảm xuống,

áp lực của không khí lên mặt hộp cũng giảm xuống, lực đàn hồi của hộp khi đó tăng lên làm cho hộp phồng lên, chồng hộp dài ra, trụ đỡ sẽ nâng cần truyền và tay đòn ngắn lên, khi đó cần kim mang ngòi bút dịch chuyển xuống phía dưới Theo sự tăng giảm của khí áp là sự dịch chuyển lên xuống của ngòi bút, sự dịch chuyển của trụ đồng hồ theo thời gian Kết quả là ngòi bút ghi lại một đường cong liên tục về sự

biến thiên của khí áp theo thời gian.

3.4.3 Cách sử dụng

Ở vị trí làm việc, khí áp kí được đặt ở độ cao 1,5m so với nền nhà của phòng làm việc, trên một giá gỗ gắn vào tủ đặt dụng cụ đo khí áp hoặc trên tường nhà gần nơi đặt khí áp kế thuỷ ngân

Hàng ngày, tới các kì quan trắc, việc đọc trị số khí áp, làm mốc giờ và thay giản đồ được tiến hành tương tự như đối với máy nhiệt kí

3.4.4 Các nguồn sai số

- Chồng hộp rỗng bị méo dẫn đến sự đàn hồi của hộp bị sai lệch, các vòng sóng trên hộp không đồng tâm;

- Độ nhảy vọt của kim lớn hơn 1mb;

- Vì một lí do nào đó mà cần kim bị cong dẫn đến quá trình ghi lên giản đồ bị sai lệch;