Bài giảng nguyên lý máy và quan trắc khí tượng

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.

BÀI GIẢNG MÔN NGUYÊN LÝ MÁY VÀ QUAN TRẮC KHÍ TƯỢNG

Người biên soạn: Công Thanh

- 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 chânmây

- Lượng giáng thủy

- Trạng thái mặt đất, nhiệt độ mặt đất và nhiệt độ các lớp đất sâu

- 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

- 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

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

+ 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

+ Thay giản đồ và lên giây đồng hồ máy tự ghi sau quan trắc 7h, không chậm quá7h20phút

+ 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 7giờ, 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 quantrắc trọng kỳ quan trắc phụ thì bỏ qua

+ 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 thìphải 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 tựquan trắc, thực hiện giờ nào việc ấy, không làm sớm, làm chậm, bỏ sót hoặc làmsai

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 gạchthanh, sao cho sau khi gạch vẫn còn đọc được số liệu và gi số chữa lên góc bên phảiphía 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 toánngay 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 mỗitháng, 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 vềĐài 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 trongvườn 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 quyhoạch mặt bằng ở trạm nói riêng phải theo đúng những tiêu chuẩn chuyên môn dotổng cục khí tượng thủy văn quy định, trên cơ sở quy định của tổ chức khí tượngquốc 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 củachúng Dãy phố, rừng cây, công trình kiến trúc đồ sộ phải cách vườn it nhất 20 lầnchiều 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 qualại, hay gần bến ôtô, hoặc khe, vực sâu Tuy nhiên, tùy yêu cầu phục vụ của từngtrạm, tiêu chuẩn chọn địa điểm có những thay đổi

+ Mặt đất vườn phải bằng phẳng, không có hố, rãnh, gò, đống hoặc không thấp hơnxung 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 thoánggió Cửa đặt ở phía bắc vườn

1.6.2 Bố trí máy móc trong vườn

Nguyên tắc cơ bản của việc bố trí máy trong vuờn làm sao để các máy không ảnhhưởng 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 phíaNam 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 thayđổi

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 chữahoặc thay thế kịp thời Lều khí tượng, cột gió, hàng rào mỗi năm sơn trắng một lần

7 Nhiệt kế đo nhiệt độ đất

8 Thiết bị đo bốc hơi

9 Thiết bị đo bức xạ G: cửa vườn

- 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 địnhtrước, ta phải thực hiện phép đo này trong những điều kiện nhất định Những điềukiện này bao gồm: sự lắp đặt, kiểm định, khắc độ thang đo, các thiết bị đo và mộtphần 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, takhông thể chỉ quan trắc tại một điểm riêng lẻ mà cần phải quan trắc đồng thời tạinhiều điểm, tập hợp những điểm quan trắc đó là mạng lưới trạm quan trắc khítượng Để các kết quả quan trắc trong toàn mạng lưới trạm khí tượng có thể so sánhđược, 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 thốngnhất trong kiểm định Ngoài ra, cần phải tính đến những khoảng biến thiên động lựchọc 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 Tráiđất phải tuân thủ một cách nghiêm ngặt các quy trình, quy phạm trong quan trắc vớinhững thiết bị đo đạc đã quy chuẩn được Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO) banhành

Việc quan trắc các yếu tố khí tượng ngày càng rộng rãi và thiết bị đo ngày càngphong phú và đa dạng Tuy nhiên, những yếu tố khí tượng phổ biến cần phải đo vànhững 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 làcác đại lượng khí tượng đo được tại trạm đó phải đặc trưng cho một vùng tương đốirộng xung quanh trạm Vườn khí tượng phải được đặt ở những nơi không có cácchướng ngại vật để khỏi ảnh hưởng tới các phép đo Thông thường, vườn khí tượngphải 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 khítượng để tránh ảnh hưởng trực tiếp của bức xạ Mặt trời cũng như những ảnh hưởngbất lợi của môi trường xung quanh

Lều khí tượng phải được thiết kế sao cho giảm thiểu được những ảnh hưởng bất lợicủa môi trường tới các thiết bị đo nhưng vẫn đảm bảo được các điều kiện khí tượnggiống như không khí bên ngoài

Bảng 1.1 Những yếu tố khí tượng được đo đạc phổ biến và thiết bị đo tương ứng

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

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), đủrộng để đặt các thiết bị đo khí tượng và có vách chớp để đảm bảo thông gió tốt màvẫn giảm đến mức thấp nhất hiệu ứng của nhiệt bức xạ Mái lều gồm hai lớp gỗđược tách biệt bởi một lớp không khí để cách nhiệt Sàn lều gồm hai tấm ván gốilên nhau để thông gió Lều được sơn màu trắng cả bên trong và ngoài Việc địnhhướng lều phải đảm bảo để khi mở của lều, Mặt trời không rọi ánh sáng trực tiếpvào 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 đotrực 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, chúngbao 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 hoặcsóng 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 nàybao 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 kiểuhiện số

Các thiết bị đo kiểu tương tự sẽ hiển thị giá trị của đại lượng cần đo dưới dạng sốđọc liên tục trên một thang chia độ thích hợp của bộ chỉ thị Nhiệt kế thông thườngchính 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 sựchia thang độ của bộ chỉ thị Trong thực tế, độ chính xác của phép đo không vượtquá 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 củanhững 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 cảmbiến, bộ biến đổi tín hiệu và 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 rạctrên một màn hình hiện số Những giá trị này có thể được in lên một băng giấy nhờmáy 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 chứcnăng: 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

Màn hình(tín hiệu in ra)

Bộ cảm biến

Bộ chỉ thị tương tự

Bộ biến đổi tín hiệu

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 cáchthích hợp Sự biến đổi tín hiệu đôi khi chỉ là sự khuếch đại đơn giản tín hiệu từ bộcảm 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)

3 Tín hiệu đầu ra

Tín hiệu thu được từ bộ biến đổi tín hiệu tương tự sẽ được bộ chỉ thị biến đổi tiếptheo sang dạng để quan trắc viên thấy được, màn hình hiển thị chữ số biểu thị giá trịđại 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

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 bộbiến 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, tínhiệu đầu ra của nó là độ dịch chuyển của mặt hộp Bộ biến đổi kiểu tương ứng là bộbánh răng có vai trò biến đổi độ dịch chuyển của mặt hộp thành số vòng quay củatrục 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 mộthộp áp lực, độ lệch cơ học của màng hộp sẽ là tín hiệu của bộ cảm biến Bộ biến đổitín hiệu tương tự sang chữ số dựa trên cơ cấu bánh răng điều khiển bằng tay Cơ cấunày 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

Hình 2.3 Khí áp kế hiện số

Hình 2.4 Bộ chỉ thị kiểu tương

tự của máy đo gió

tiếp xúc điện sẽ báo có tiếp xúc hay không tiếp xúc giữa màng hộp và các thanhtruyền nhỏ của bộ phận biến đổi.

Trong khí tượng, người ta thường sử dụng các cách ghi giá trị của những đại lượngcần 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 đồghi 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 làgiản 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 hồđiều khiển Kết quả là giản đồ ghi lại được đồ thị của đại lượng khí tượng cần đotheo 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 lượngkhí 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 giấyđục 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 mộtchiếc cần mang ngòi bút sẽ hoạt động Ngòi bút chứa mực sẽ ghi lên giản đồ đượccuốn quanh tang trống, tang trống quay nhờ một đồng hồ điều khiển Vì lực của bộcảm biến rất nhỏ nên những thiết bị này phải hạn chế được ma sát giữa các phần diđộng cũng như ngòi bút và giấy

Giản đồ làm bằng giấy dùng trong thiết bị đo phải được xử lí đặc biệt, bảo đảm đểđường ghi được rõ ràng, không bị nhòe nét Mực được dùng phải là loại mực lâukhô và không bị đóng băng

Đồng hồ dùng trong thiết bị đo, có trang bị bộ phận điều chỉnh tốc độ, có thể gắnchặt vào phía trong tang trống và quay cùng với nó; hoặc đồng hồ được gắn chặtvào 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 Nóichung kiểu thiết bị này phải được so sánh với thiết bị đọc trực tiếp một cách đềuđặn

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 Tráiđất; áp lực đó bằng trọng lượng của một cột không khí thẳng đứng có thiết diệnngang là một đơn vị diện tích ở trên bề mặt Trái đất và kéo dài tới giới hạn trên củakhí quyển Nhờ thí nghiệm của Torricelli năm 1643, người ta đã chế tạo khí áp kếthuỷ ngân và về sau, năm 1848, người ta phát minh thêm khí áp kế hộp dùng để đokhí áp

Cột thuỷ ngân của khí áp kế cân bằng với cột không khí Những thay đổi của khí ápgây 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 miliméthoặc bằng bằng inch (1inch = 2,54cm) Sự thay đổi độ cao cột thuỷ ngân trong cáckhí áp kế không những phụ thuộc vào khí áp mà còn phụ thuộc vào nhiệt độ và lựctrọng trường Điều này buộc phải đưa ra định nghĩa về điều kiện tiêu chuẩn củaphép đo khí áp, đó là điều kiện nhiệt độ bằng 00C và gia tốc trọng trường bằng9,8065m/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 bảntrong hệ thống đơn vị đo quốc tế SI

Trong điều kiện tiêu chuẩn, cột thuỷ ngân cao 760mm sẽ tác động một áp suất1013,25 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 cânđược trên một chiếc cân đặc biệt hoặc nhờ vào tiết diện ngang của cột đã biết, đọctrực tiếp các đơn vị đo khí áp tương đương trên thang độ chiều dài của cột Trongkhí tượng, để đo khí áp, người ta thường dùng các dụng cụ khác nhau mà hoạt độngcủa 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 thuỷngân với khí áp (định luật thuỷ tĩnh);

2) Khí áp có thể cân bằng với màng của một hộp kim loại rỗng được làm căngphồng lên bằng lò xo Khí áp kế hộp rỗng hoạt động dựa trên sự cân bằng giữalực đàn hồi của hộp kim loại rỗng với khí áp (tính chất đàn hồi của vật rắn) Sựthay đổi của khí áp tạo nên sự dịch chuyển của màng hộp Độ uốn của màngđược 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 ápsuất hơi nước của chất lỏng sẽ đạt tới sự cân bằng với khí áp thì chất lỏng bắtđầu sôi Sự phụ thuộc của nhiệt độ chất lỏng sôi phụ thuộc vào khí áp sẽ trởthành 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 khuônkhổ cuốn giáo trình này, chúng tôi chỉ trình bày khí áp kế thuỷ ngân, loại khí áp kếphổ 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 cómột đầu hàn kín còn đầu kia để hở cắm vào chậu chứa thuỷ ngân Khí áp tác độnglên bề mặt thuỷ ngân để hở trong chậu sẽ cân bằng với trọng lượng cột thuỷ ngântrong ống Ống đủ dài để có sự thay đổi về chiều cao của cột thuỷ ngân trong ốngtheo các biến đổi của khí áp Chiều cao của cột thuỷ ngân được đo bằng thang độgắn vào ống Vì nhiệt độ ảnh hưởng tới cả cột thuỷ ngân lẫn thang đo nên người tagắn nhiệt kế vào thang đo khí áp kế Số đọc nhiệt độ được dùng làm số hiệu chínhkhí 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 (10-3-10

-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 bằngmột 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 haikhe 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)

Hình 3.1 Cấu tạo khí áp kế KEW

Mép dưới của con chạy là mốc để ngắm đầu cột thuỷ ngân trong ống Trên con chạykhắc 10 vạch chia, chiều dài của 10 vạch chia này bằng chiều dài của 19 vạch chiatrên thang độ Theo cách chia, ta có thể đọc chính xác tới 0,1 số chỉ khí áp trênthang 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 trícủa mực thuỷ ngân trong chậu

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

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 ốngthuỷ 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 chocon chạy dịch chuyển xuống và dừng tại vị trí hai đáy của con chạy tiếp tuyến vớiđỉnh cột thuỷ ngân;

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

- Đọc trị số khí áp chính xác tới 0,1mb Phần nguyên đọc trên thang độ, là số chỉcủa vạch trùng hoặc ngay sát với mép dưới của con chạy Phần thập phân đọc trêncon chạy, là số chỉ của vạch chia nào trùng nhất với vạch chia bất kì nào đó trênthang 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 khôngphải 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 mộtống 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

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 độbằng 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

trượt dọc theo thang độ chính khiến cho gờ dưới của nó sẽ chạm tới mặt khum củathuỷ 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) đượcđưa tới sát đỉnh cột thuỷ ngân Nếu thấy vạch 0 của du xích vernier ở giữa hai độchia 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 thịphân 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 độchính, trong khi độ chia thứ 4 của vernier trùng với độ chia của thang độ chính thì tađọc khí áp trên thang độ là 750,4mm vì có 4/10 của độ chia thứ 751mm của thang

số chỉ của khí áp kế Để soi sáng khí áp kế khi quan trắc, có thể dùng đèn pin hoặcbóng 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 trongống 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 tớiđầu mũi kim ngà;

- Xoay núm vặn ở phía trên để đưa vị trí hai mép dưới của con chạy về tiếp tuyếnvới đỉnh cột thuỷ ngân trong ống thuỷ tinh để đọc trị số khí áp (cách đọc như đốivới khí áp kế KEW);

- Cuối cùng nới ốc điều chỉnh ở đáy chậu khí áp kế để đưa mực thuỷ ngân trongchậu 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

+ 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 trọngtrường Hai số hiệu chính này kết hợp với số hiệu chính về nhiệt độ 00C gọi là sốhiệu chính tổng hợp Số hiệu chính này được tính sẵn, khi quan trắc ở trạm chỉ cầntra bảng Sau khi quan trắc khí áp kế, làm hiệu chính khí cụ Lấy trị số nhiệt độ phụthuộc khí áp kết và số đọc khí áp kế đã hiệu chỉnh khí cụ, tra vản hiệu chính khí áptổng 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

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 ápmực 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 mựcbiển, 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 hPac/ 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

a) Ảnh hưởng của gió

Những cơn gió mạnh và giật có thể gây nên những sai số của phép đo khí áp Tácđộng 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 kiệnđặc 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 suấtđộng

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 luôntồn tại một lượng chất khí và hơi nước nhỏ Sự tồn tại của chất khí và hơi nướctrong khi áp kế được minh chứng mỗi khi ta nghiêng khí áp kế, tiếng va chạm giữagiữa 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, takhông 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 nóvới 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 ápsuất 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

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 sovới 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 điểmcao 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 trongcác phép đo khí áp Ngoài ra, khi thuỷ ngân bị ôxy hóa, độ mao dẫn sẽ thay đổi và

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 dâyxoắn (12); trên mặt thang đo (8) của áp kế hộp còn được lắp một nhiệt kế thuỷ ngânhình cung để đo nhiệt độ (9); chồng hộp có thể xê dịch vị trí và do đó làm cho kimchỉ 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 đượcđặt trong một hộp nhựa cứng Hộp này lại đặt trong một hộp khác có lò xo đệm đểgiảm 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 lênphía trên Tay đòn này nhờ thanh truyền làm quay cần xoay, cần xoay này lại tácđộng đến dây xích cuốn vào ròng rọc và sẽ làm quay kim chỉ về phía khí áp giảm

Hình 3.5 Khí áp kế hộp Anêrôit

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 quantrắc 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 bêntrong 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 đặtmắt vào đúng vị trí của đầu kim Ở vị trí đúng ta có thể thấy được ảnh con ngươicủa 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 bổchính lưỡng kim nếu được chế tạo tốt có thể khống chế sai số nhiệt độ trên toàndải các giá trị khí áp cần đo;

- Hiện tượng trễ: nếu khí áp kế hộp phải chịu một sự biến đổi lớn và nhanh củakhí áp rồi sau đó lại trở về giá trị ban đầu thì khí áp kế hộp sẽ chỉ một giá trịkhác Khí áp này sẽ thay đổi từ từ cho tới khi đạt tới giá trị ban đầu của nó Hiệntượng 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

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 cànglớn 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 trụchồng hộp được nối với bộ phận truyền và biến đổi tín hiệu cảm biến

2 Bộ phận bổ chính về nhiệt độ

Hình 3.6 Cấu tạo khí áp kí

Gồm một tấm lưỡng kim (3), một đầu được lắp cố định, đầu tự do nối với trụ dướicủa chồng hộp (2), giữa tấm lưỡng kim có nẹp di động (4) Khi vị trí của nẹp thayđổi, nó sẽ làm cho chiều dài thay đổi đáng kể từ vị trí cố định đến đầu tự do trên tấmlưỡng kim Điều đó cũng làm thay đổi mức độ xê dịch đầu tự do của tấm lưỡng kimtheo 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) vàcần kim (9) mang ngòi bút Thay đổi độ dài của tay đòn (8) bằng cách vặn ốc điềuchỉnh 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 trênthang đo, tương ứng với vị trí số của khí áp kí lúc quan trắc Để cần kim mang ngòibút 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 củahộp rỗng tăng lên, làm cho hộp bị dẹt xuống nhiều hơn và do đó chồng hộp (1) ngắnlại 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 tănglên làm cho hộp phồng lên, chồng hộp dài ra, trụ đỡ sẽ nâng cần truyền và tay đònngắn lên, khi đó cần kim mang ngòi bút dịch chuyển xuống phía dưới Theo sự tănggiảm của khí áp là sự dịch chuyển lên xuống của ngòi bút, sự dịch chuyển của trụđồng 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 làmviệc, trên một giá gỗ gắn vào tủ đặt dụng cụ đo khí áp hoặc trên tường nhà gần nơiđặt khí áp kế thuỷ ngân

Hàng ngày, tới các kì quan trắc, việc đọc trị số khí áp, làm mốc giờ và thay giản đồđược 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 sóngtrên 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 sailệch;

- Ngòi bút bị gai làm cho mực ra không đều

3.4.5 Những hỏng hóc thông thường ở bộ phận ghi và cách khắc phục

- Hai đỉnh của ngòi bút không đều nhau, không so le hay không có khe hở để mựcxuống đều: khi đó phải sửa lại cho ngòi bút đều nhau

- Ngòi bút phải đảm bảo nét mực thanh, mảnh, không đậm quá 0,5mm Khôngđụng chạm vào kim đang làm việc tốt Trong quá trình làm việc thường xảy rahiện tượng kim đầy mực mà không ghi được khi đó ta dùng một bìa cứng tì vàođầu ngòi bút và dịch chuyển tờ bìa để mực ghi trên bìa, không để khô mực

- Sau một thời gian sử dụng ngòi bút thường hay bị gai, khi đó ta có thể tháo ngòibút ra và mài vào giấy giáp mịn hoặc vào mặt đánh lửa của bao diêm để bảo đảmngòi bút phải luôn luôn trơn, mực ra đều Khi cần kim bị cong vì một lí do nào

đó thì phải làm thẳng lại bằng cách tháo cần kim ra và uốn lại cho thẳng

- Cần chú ý thường xuyên bảo dưỡng rửa ngòi bút bằng cồn: đối với ngòi bútbằng thủy tinh hoặc kim loại dạng xy phông thì rửa bằng cồn và luồn dây thôngngòi

4.1.1 Tốc độ gió là quãng đường các phần tử không khí di chuyển được trong một

đơn vị thời gian Tốc độ gió tính bằng mét/giây (m/s); kilomet/giờ (km/h); knot (kt)

4.1.2 Hướng gió là hướng phương trời từ đó gió thổi tới Hướng gió tính theo la bàn

16 hướng (Bảng hướng gió) Bảng này còn dùng để chuyển hướng gió tính theo độgóc của máy gió Tavid, sang hướng gió tính theo la bàn 16 hướng

sao quả đối trọng luôn luôn

quay về phía hướng gió thổi tới

Nón gió là một túi bằng vải

hình nón cụt, có miệng rộng và

được căng bởi một vòng kim

loại Vòng này được gắn vào

một ống kim loại quay tự do

quanh trục thẳng đứng Hình

nón được căng phồng lên khi có

gió thổi tới

4.1.2 Bộ phận cảm ứng về tốc

độ gió

Trong các thiết bị đo gió, bộ

phận cảm ứng về tốc độ gió thường được sử dụng một trong các kiểu sau:

- Một bản chịu áp lực gió quay được xung quanh một trục nằm ngang Dưới tácdụng của áp lực gió, bản đó sẽ quay quanh trục nằm ngang và tạo với phương thẳngđứng một góc nào đó Tốc độ gió được xác định theo độ lớn của góc lệch đó;

Hình 4.1 Các kiểu phong tiêu

- Một chong chóng, cánh gồm vài ba gáo (hình bán cầu) quay xung quanh một trụcthẳng đứng; hoặc vài ba cánh (những bản phẳng hoặc hơi cong) quay xung quanhtrục nằm ngang Dưới tác dụng của áp lực gió, những chiếc gáo hoặc cánh này (đềuđược sắp xếp theo cùng một chiều) quay xung quanh trục của nó Tốc độ gió đượcxác định theo tốc độ quay của chong chóng;

- Một hệ thống gồm hai ống khí động học, dùng để xác định hiệu số giữa áp suấttoàn phần (áp suất động) và áp suất tĩnh của gió Tốc độ gió được xác định theo độlớn của hiệu số giữa hai giá trị áp suất đó

4.3 Máy gió đơn giản (truyền thống)

4.3.1 Máy gió Vild

1 Cấu tạo

Máy gió Vild gồm các bộ phận chính là: trục thẳng đứng, phong tiêu chỉ hướng và

bộ phận chỉ tốc độ gió Cấu tạo chi tiết của máy gió Vild được dẫn ra trong hình4.2

phong tiêu là vòng đai (3) mang 8

thanh chỉ hướng (4 thanh dài và 4

thanh ngắn); một trong những thanh

đó mang chữ N (hoặc B, C), theo vị

trí của đối trọng (4), cân bằng với

đuôi phong tiêu, trên các thanh chỉ

hướng ta xác định được hướng gió

Tốc độ gió được xác định theo vị trí

nghiêng của bản gió (5) trên cung răng

gió (7) Kích thước của bản là

15x30cm2, trọng lượng của bản là 200

gam (máy gió Vild bản nhẹ) hoặc 800

gam (máy gió Vild bản nặng)

2) Nguyên tắc hoạt động

Khi có gió, bản gió sẽ quay quanh trục nằm ngang (6) ở phía trên Trục ngang nàyluôn luôn vuông góc với phong tiêu, do vậy khi có gió nhờ tác dụng của phong tiêu

mà trục quay của bản luôn thẳng góc với hướng gió

Cung xác định tốc độ gió có 8 răng, bắt đầu từ răng số 0 (răng thẳng đứng) đếnrăng số 7 Răng số lẻ ngắn hơn những răng số chẵn Cung mang các răng luônđược cân bằng với đối trọng (8) cùng được lắp đặt trên trục quay của bản Dướitác dụng của áp lực gió, phong tiêu sẽ nằm ở vị trí sao cho đối trọng của nó ở vềphía đón gió, còn bản gió nằm thẳng góc với gió và nghiêng một góc nào đó tuỳthuộc vào tốc độ gió

Hình 4.2 Phong kế kiểu bảng áp lực gió

Bảng 5.3 Tốc độ gió (m/s) theo vị trí của bản gió trên cung răng gió

Vị trí của bản gió Tốc độ gió (m/s)

24

3 Cách sử dụng

Để xác định được đúng hướng và tốc độ

gió, nơi đặt máy gió phải quang đãng

trên một cột sắt trong vườn khí tượng,

có độ cao 10-12m trên mặt đất và phải

cách xa các chướng ngại vật cao ít nhất

10-20 lần chiều cao của chúng Nếu đặt

trên mái nhà thì phải cao hơn mái ít nhất

là 4 mét Thanh kim loại mang chữ N

(hoặc B, C) phải ở đúng hướng bắc

Trục máy gió và cột gió phải được giữ

thẳng đứng một cách chắc chắn nhờ 6

dây cáp (hình 4.3) Trên suốt chiều dài

của cột gió phải có những bậc thang để

có thể trèo lên kiểm tra và bảo quản máy

gió Để thuận tiện quan sát máy gió khi

trời tối, có thể mắc một bóng đèn vào

phần trên của cột gió

Hình 4.3 Cột máy gió Vild

Khi quan trắc gió, quan trắc viên phải đứng sát chân cột gió, phía dưới quả đối trọngcủa phong tiêu và quan sát vị trí trung bình của phong tiêu để xác định hướng gió.Sau đó đứng xa chân cột gió một chút về phía thẳng góc với phong tiêu để quan sát

vị trí trung bình của bản gió trên cung răng để xác định tốc độ gió

Tại những trạm khí tượng có cả máy gió Vild bản nhẹ và bản nặng thì khi tốc độ giónhỏ hơn hoặc bằng 10m/s thì quan trắc gió bằng máy gió Vild bản nhẹ, nhưng khitốc độ gió lớn hơn 10 m/s thì phải quan trắc gió bằng máy gió Vild bản nặng

4 Các nguồn sai số

Sử dụng máy gió Vild để đo gió thường gặp phải những sai số do những nguyênnhân sau:

- Trục quay của bản gió không vuông góc với phong tiêu;

- Bản gió bị cong, biến dạng hay bản gió và trục quay bị hoen rỉ nên bản gió daođộng khó;

- Hệ thống quay (phong tiêu, trục ngang mang bản gió và cung răng gió) không cânbằng trên trục máy gió Đầu trục máy gió bị vẹt nên sự cảm ứng về hướng gió bị sailệch;

- Các thanh chỉ hướng bị cong và không nằm trong cùng một mặt phẳng nằm ngang.Thanh chỉ hướng bắc của gió sai lệch quá 50 so với chính hướng chuẩn (bắc địa lí)

- Răng số 0 không ở vị trí thẳng đứng và không song song với trục máy gió

- Các dây cáp căng không đều (dây cáp đạt yêu cầu là phải căng đều tạo thành 3cạnh của tam giác đều và lấy cột gió làm tâm)

4.3.2 Máy gió cầm tay

Máy gió cầm tay dùng để đo tốc độ gió yếu và trung bình Nó thường được dùngtrong khảo sát lưu động hay trong những quan trắc chuyên đề nào đó

1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

Máy gió cầm tay có gồm có hai bộ phận chính sau (hình 4.4):

- Bộ phận cảm biến tốc độ gió là một chong chóng thường có 3-4 gáo nhỏ hình báncầu (1) quay mặt lõm về cùng một phía, được gắn vào trục thẳng đứng (2); hai đầutrục tựa lên các nồi trục, nồi phía trên nằm trong ốc vặn vào cổ của vành che (3);nồi phía dưới nằm trong thân máy (4); đầu phía dưới của trục quay có một ốc vớinhững đường rãnh khớp với trục của bộ phận đếm vòng đặt trong thân máy

- Bộ phận đếm vòng quay là một

bộ phận gồm 3 bánh xe răng Trên

đầu trục, phía mặt chỉ số, mỗi bánh

xe răng có lắp một kim chỉ Khi

chong chóng quay, những kim chỉ

này sẽ dịch chuyển trên các vòng

tròn chia độ Kim dài dịch chuyển

trên vòng chia độ lớn nhất, mỗi

vạch chia độ tương ứng với 3 vòng

quay của chong chóng, kim ngắn

dịch chuyển trên vòng chia độ nhỏ

ở phía trái có 10 vạch chia độ Mỗi

độ chia của vòng chia độ này tương

ứng với 100 độ chia của kim dịch

chuyển trên vòng chia độ lớn nhất

Kim ngắn thứ hai dịch chuyển trên

vòng chia độ nhỏ ở phía bên phải

cũng có 10 vạch chia độ Mỗi độ

chia của vòng chia độ này tương

ứng với 10 độ chia của kim dịch

chuyển trên vòng chia độ nhỏ phía

bên trái, tức là tương ứng với 1000

độ chia của kim dịch chuyển trên

vòng chia độ lớn nhất Ở phía bên

trong của vỏ máy có một chốt (6) để mở hoặc khoá bộ phận đếm vòng Ở một sốmáy còn có thêm một nút bấm để đưa tất cả các kim loại chỉ cùng trở về vị trí số 0trước khi cho bộ phận đếm vòng hoạt động

2 Cách sử dụng

Khi đo tốc độ gió, máy gió cầm tay được lắp vào đầu một cột bằng gỗ, độ dài củacột tuỳ thuộc vào độ cao cần đo tốc độ gió Trường hợp không có cột gỗ, máy gió

có thể được cầm trong tay giơ thẳng, sao cho máy gió ở vị trí thẳng đứng Mặt chia

độ ở về phía người làm quan trắc và trùng với mặt phẳng hướng gió

Quan trắc tốc độ gió bằng máy gió cầm tay là xác định số độ chia mà các kim dịchchuyển được trong một khoảng thời gian nhất định nào đó, thường là 100-120 giây.Căn cứ vào số độ chia mà kim dịch chuyển được trong thời gian đó để tính ra tốc độgió trung bình trong quá trình quan trắc

Trước khi quan trắc phải khoá bộ phận đếm vòng và ghi số chỉ của các kim trênvòng chia độ Sau khi đặt máy được 1-2 phút để cho tốc độ quay của chong chóng

ổn định mới mở khoá hãm để cho bộ phận đếm vòng hoạt động Sau khoảng thờigian đã định phải khoá bộ phận đếm vòng và đọc số chỉ mới của các kim loại trênvòng chia độ

3 Các nguồn sai số

Hình 4.4 Máy gió cầm tay

Máy gió cầm tay rất tiện lợi và đơn giản, tuy nhiên nó cũng thường có những sai sốnhất định do:

- Chong chóng quay không đều hoặc chao đảo;

- Miệng gáo không nằm trong cùng một mặt phẳng hoặc cán gáo không thẳng;

- Vít hãm ở đầu trục xiết không chặt nên khi có gió mạnh, chong chóng bị lung lay;

- Các kim chỉ sát vào mặt chia độ và va chạm vào nhau;

4.4 Máy gió tự ghi, tự báo

4.4.1 Máy gió MUNRO

1 Cấu tạo

Máy gió MUNRO gồm các bộ phận chính sau (hình 4.5):

- Ống áp suất và phong tiêu (1, 2, 3);

- Hệ thống dẫn áp lực và truyền hướng chuyển dịch của phong tiêu (4, 5, 6, 7, 13);

- Bộ phận tự ghi (8, 9, 10, 11, 12, và 14);

Hình 4.5 Bộ phân ghi tốc độ và hướng gió

Phong tiêu luôn quay về hướng gió thổi nên áp suất toàn phần của gió sẽ tác dụngvuông góc với đầu ống áp suất (3) Áp suất này được truyền qua ống dẫn áp lực (13)

để vào lòng phao hình chuông (9) đặt úp xuống trong bình phao chứa nước cất (8)

Áp suất tĩnh tại điểm hút (2) trên thân phong tiêu được đưa đến khoảng trống trongbình phao qua ống hút (7)

Khi lặng gió thì áp suất động Pđ =

0 do đó áp suất toàn phần P = Pt

và phao ở vị trí điểm 0 Khi có

gió thì Pđ > 0 và P > Pt nên P >

0 và phao nổi lên Gió càng mạnh

thì phao nổi càng cao, gió yếu đi

thì phao hạ thấp xuống, gió

ngừng thổi thì phao trở về điểm

0 Căn cứ vào độ cao mực kim

chỉ gắn trên trục thẳng đứng lắp ở

phao ta sẽ xác định được tốc độ

gió

Phao được thiết kế có dạng hình

chuông để việc dịch chuyển lên

xuống của phao là hàm tuyến tính

của căn P Vì vậy, thang đo tốc

độ gió được chia đều trên dải đo

tốc độ

2) Nguyên tắc hoạt động

Khi có gió phong tiêu quay về

hướng gió làm cho trục hướng

dẫn và trục quay của các rãnh

xoắn (trục cam) cũng quay theo

Các rãnh xoắn quay sẽ làm cho

cần kim tựa trên nó dịch chuyển

theo chiều thẳng đứng, hướng gió

được xác định thông qua vị trí

của cần kim

Hướng và tốc độ gió được ghi

trên cùng một giản đồ cuốn quanh

trục đồng hồ, hướng ghi ở phía

dưới, tốc độ ghi phía trên giản đồ

Thang độ hướng chia theo chiều

thẳng đứng (0-3600) tương ứng

với các hướng N, E, S, W, N

Trong hai kim được dùng để ghi

hướng sẽ luôn có một kim hoạt

động, còn kim kia nằm ở đường

bắc của giản đồ Kim phía dưới

ghi hướng gió từ N qua E đến S,

kim phía trên ghi từ S qua W đến N Thang đo tốc độ có giới hạn 0-100 miles/hhoặc 0-51m/s

Máy gió ghi tốc độ theo sự biến thiên của áp suất cho nên, khi áp suất thấp và nhiệt

độ không khí cao, mật độ không khí giảm thì cần tính hiệu chính (sai số của phép

Hình 4.6 Sơ đồ nguyên lí hoạt động đo tốc

độ gió của máy gió Munro 1-đuôi phong tiêu; 2-điểm hút trên ống áp; 3-đầu ống áp suất; 4-trục dẫn hướng; 5&13-ống dẫn áp suất; 6&7-ống hút; 8-bình phao chứa nước; 9&13-phao hình chuông; 10-trục phao; 11-kim ghi tốc độ gió và 12-trục đồng hồ

Hình 5.7 Đĩa mã gắn với trục quay phong tiêu

đo) Dựa trên cơ sở là nhiệt độ không khí giảm theo chiều cao, hiệu chính sai số sẽbằng 1,5% số chỉ tốc độ cho từng 300m một.

3) Cách sử dụng

Máy gió MUNRO đặt cố định ở nơi thoáng gió trên nóc nhà, phần tự ghi đặt trongnhà Cũng có thể đặt máy gió trên tháp hoặc trên cột Cột gió gồm các ống dài đượcnối vào nhau để chiều cao tổng cộng của cột gió cao từ 10-15m

Vào các kì quan trắc 1, 7, 13 và 19 giờ, quan trắc viên đọc trị số (hướng và tốc độ)

và làm mốc giờ trên giản đồ Sau quan trắc 7 giờ, cần thay giản đồ, việc thay giản

đồ được tiến hành theo trình tự sau:

- Khoá van các ống áp và ống hút;

- Làm mốc giờ cuối đường ghi trên giản đồ;

- Gạt kim ra khỏi giản đồ;

- Tháo giản đồ ra khỏi trụ cuốn và ghi giờ làm mốc cuối Lắp giản đồ mới, lêndây cót đồng hồ, điều chỉnh sự nhanh chậm của đồng hồ (nếu cần);

- Đưa các kim vào vị trí tì lên giản đồ và làm mốc giờ đầu tiên trên giản đồ

4) Cách bảo quản

Để máy hoạt động tốt và bền, cần thường xuyên làm tốt công việc sau:

- Giữ cho các bộ phận ghi hướng và tốc độ gió luôn sạch sẽ, máy thường xuyênđược lau chùi bằng khăn hoặc vải mềm;

- Các kim ghi hướng và tốc độ gió phải thẳng hàng với nhau;

- Hàng tuần phải kiểm tra dải hoạt động của các kim hướng có đúng với các vạchchia trên giản đồ không (khoảng cách từ vạch Bắc đến vạch Bắc dưới) Kiểm tramực nước trong bình phao, nếu thấy có sai lệch cần điều chỉnh lại ngay

- Hàng tháng cho một vài giọt dầu nhờn vào các điểm, các lỗ phía trên rãnh xoắn,trục cam và trục kim, dùng khăn tẩm dầu lau nhẹ bề mặt các rãnh xoắn Đối vớitrục phao, cần lau bằng khăn ướt có tẩm chất tẩy lỏng rồi đánh bóng bằng khănmềm và bột đánh bóng Kiểm tra độ nổi của phao bằng cách đóng các van ống

áp và ống hút, kéo nhẹ nhàng phao lên và thả phao xuống thì phao phải chìmxuống đều đặn, không phập phồng hoặc có biểu hiện kẹt vướng Lấy bớt ra hoặccho thêm viên nạp vào ống thả bình để cân bằng phao Phao được cân bằng thì

nó phải ở vị trí chuẩn bị nâng lên khỏi đáy bình phao Khi tiến hành cân bằngphao, kim tốc độ phải được nắp vào vị trí của nó Kiểm tra xong phải chú ý mởcác van ống áp và ống hút

- Hàng năm phải lau chùi và kiểm tra phần lắp cố định và bộ phận quay của máygió để tránh ma sát giữa hai bộ phận đó

4) Các nguồn sai số

Cũng như mọi máy gió khác, máy gió Munro thường có những sai số nhất định do:

- Bộ phận quay của máy gió bị lỏng lẻo và quay không đều;

- Cột gió bị xiêu vẹo, han rỉ;

- Các kim chỉ hướng và tốc độ gió không thẳng hàng với nhau;

- Các bộ phận ghi hướng và tốc độ gió không được lau chùi nên bị tắc kẹt khôngghi được đúng giá trị thực

4.4.2 Máy gió EL

1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

Máy gió EL gồm hai bộ phận chính được nối với nhau bằng một cáp điện 12 dây đólà: bộ phận cảm biến và bộ phận chỉ báo Bộ phận cảm biến gồm có cảm biến tố độ

và cảm biến hướng gió

a) Bộ phận cảm biến

Bộ cảm biến được dẫn ra trong hình 5.8 với những chi tiết sau:

3- ốc cố định gáo 11- Bộ tiếp xúc đo hướng

4- Bộ phát báo tốc độ 12- Nắp cao su che hướng

6- Bệ phong tiêu 14- Thanh chỉ hướng bắc

7- Đối trọng phong tiêu 15- Bệ đáy

8- ốc cố định thanh hướng bắc 16- ốc cố định bệ máy

b) Bộ phận cảm biến tốc độ gió

Bộ cảm biến tốc độ gió của máy gió EL (hình 4.9) gồm một chong chóng gáo quay(11) và bộ phát báo (4); trục gáo (5) khi quay sẽ làm chuyển động sắt từ (5); rôtotrong cuộn dây (10); stato sẽ sinh ra một suất điện động Trị số này biến thiên tỉ lệthuận với tốc độ v của gió Lúc v = 40m/s thì điện áp sinh ra ở hai đầu cuộn dâykhoảng 10V Đầu cuộn dây này được nối với dây cáp tới bộ chỉ thị

Hình 4.8 Bộ cảm biến của máy gió EL

Hình 4.9 Bộ cảm biến tốc độ gió

c) Bộ phận cảm biến hướng gió

Bộ cảm biến hướng gió gồm phong tiêu (6) và bộ tiếp xúc hướng gió (1-5) Bộ tiếpxúc hướng gió gồm một vòng dẫn điện trong (3); một vòng dẫn điện ngoài (2) vàtấm tiếp nối (4) Vòng dẫn điện trong được chia thành 8 phần cách điện với nhau vàluôn nối với cực dương của nguồn điện Trên tấm tiếp nối (4) có 3 tấm tiếp điểm:một tiếp điểm ở vòng ngoài trượt trên vòng dẫn điện ngoài (cực âm), 2 tiếp điểm ởvòng trong trượt trên vòng dẫn điện trong (cực dương) Khoảng cách giữa hai tiếp

điểm ở vòng trong bằng một nửa chiều dài của bản dẫn điện vòng trong Vì vậy,ứng với mỗi vị trí khác nhau của phong tiêu, 2 tiếp điểm trong lại được nối với cựcdương của nguồn hoặc tại một bản dẫn điện tương ứng, hoặc tại hai bản dẫn điệncủa vòng dẫn điện trong.

Đầu dây của các vòng dẫn điện (cực âm hoặc cực dương) tương ứng với các hướnggió được nối với các chân tương ứng ra cáp điện để tới bộ chỉ thị

Khi hệ thống gáo (1) quay, ở hai đầu cuộn dây- stato (2) sinh ra dòng điện truyềntheo dây dẫn (3) tới bộ chỉ báo M sẽ đi qua các điện trở R5 và R6 và đi-ốt B2 Bộ chỉbáo (M ) là một đồng hồ đo điện một chiều Trên mặt đồng hồ các vạch chia đượckhắc trực tiếp theo thang tốc độ gió, thang độ có hai hàng: hàng trong thang đo ứngvới dải tốc độ gió từ 0 - 20m/s, hàng ngoài ứng với dải từ 0 - 40m/s Khi công tắc S

ở vị trí trên (S2) thì cả hai điện trở R5 và R6 cùng được đưa vào mạch, khi đó sử dụngtheo thang đo từ 0 - 40m/s Khi công tắc S ở vị trí dưới (S1) thì chỉ có điện trở R6

được đưa vào mạch, khi đó dùng theo thang đo từ 0 - 20m/s Khi công tắc ở vị trígiữa (S0) thì mạch điện bị ngắt, bộ chỉ báo tốc độ không hoạt động

d) Bộ chỉ báo hướng gió (hình 4.11)

Từng bản dẫn điện của vòng trong được mắc nối tiếp với từng bóng đèn của bộ chỉbáo hướng gió (M) Khi công tắc S ở vị trí trên (S1), mạch điện được nối với cựcdương của nguồn điện, tuỳ theo vị trí của phong tiêu (1) mà có một hay hai bóngđèn kề nhau ở bộ chỉ báo M sẽ sáng, nhờ các mạch đó được nối với cực âm củanguồn qua tấm tiếp nối mạch hướng gió tương ứng với vị trí của phong tiêu Khicông tắc ở vị trí giữa (S0) hoặc dưới (S2) thì mạch điện bị ngắt, đèn sẽ tắt Để máy

đo được hướng gió, cần phải có nguồn điện nuôi Nguồn điện nuôi có thể là nguồnđiện xoay chiều 220V-50HZ hoặc nguồn điện một chiều 12V

Hình 4.10 Mặt đồng hồ chỉ báo tốc độ và hướng gió

Vì bộ chỉ báo (và bộ ghi nếu có) của máy gió EL cùng nối với bộ cảm biến qua cápđiện 12 dây cho nên để tránh chúng gây nhiễu lẫn nhau khi máy làm việc, trongmạch người ta mắc các đi-ốt cách li (B2 hình 54 và B3 hình 55) Các đi-ốt mắc ở đènchỉ hướng gió được đặt dưới đáy bộ chỉ báo (và bộ ghi nếu có)

Hình 4.10 Sơ đồ mạch điện chỉ báo hướng gió của máy gió EL

Khi tiến hành quan trắc, trước tiên phải đưa công tắc hướng và tốc độ ở bộ chỉ báovào vị trí đóng mạch, đồng thời quan sát sự dao động của kim chỉ báo trên mặt đồng

hồ, hướng và tốc độ gió trong 2 phút rồi xác định giá trị trung bình của chúng, quantrắc xong phải đưa ngay công tắc về vị trí ngắt mạch Chỉ số về hướng gió được xácđịnh theo tên hướng đã in sẵn trên mặt đồng hồ của bộ chỉ báo tương ứng với vị trícủa đèn sáng Nếu thấy đèn chỉ sáng ở một ô nào đó thì đọc theo tên hướng gió ở ô

đó, nếu đèn sáng ở hai ô liên tiếp thì đọc hướng gió ở giữa hai ô đó còn nếu đènsáng ở nhiều ô thì đọc theo tên hướng gió ở ô nào được chiếu sáng nhiều nhất, nếuthấy đèn hướng có sáng nhưng tốc độ gió là 0m/s (lặng gió) thì không xác địnhhướng gió

Chỉ số về tốc độ gió được xác định theo số nguyên của m/s Nếu vị trí kim chỉ ởgiữa hai vạch chia thì xác định tốc độ gió theo số chỉ của vạch chia lớn

Chú ý: Khi công tắc tốc độ ở vị trí dưới (S1) thì xác định tốc độ gió theo thang đodưới (0-20m/s), còn ở vị trí trên (S2) thì xác định theo thang đo trên (0-40m/s)

5.4.3 Máy gió TAVID

1) Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

Máy gió Tavid được cấu tạo bởi hai khối riêng biệt là khối đo hướng gió và khối đotốc độ gió (hình 4.11).

a) Khối đo hướng gió

- Bộ phận cảm ứng hướng gió gồm có phong tiêu (1) và một hộp kim loại hình trụchứa các mạch điện trở chuẩn đối chiếu để phát báo về vị trí của phong tiêu tươngứng với góc hướng gió Dải đo của bộ phận này là 3600 được chia thành 36 phần, độphân giải là 100; điện trở đầu ra là 0-194524

Hình 4.11 Cấu tạo máy gió TavidTrục quay của phong tiêu được gắn với con chạy (chổi quét) Khi phong tiêu quay,con chạy sẽ quay theo và đưa vào mạch một lượng điện trở tương ứng Cuộn điệntrở được nuôi bằng nguồn điện 12V Vị trí đuôi của phong tiêu tương ứng với điệntrở R đã được xác định trước Sự biến đổi của điện trở theo hướng gió sẽ sinh radòng điện tương ứng

- Bộ phận khuếch đại tín hiệu dòng điện từ bộ phận cảm ứng gồm có: tín hiệu đầu ra

từ 0-5mA; điện trở tải tối đa là 3000; điện trở dây dẫn giữa bộ phát báo tới bộphận chuyển đổi tối đa là 250; nguồn nuôi là dòng xoay chiều có điện thế là220V

- Bộ phận hiện thị và tự ghi gồm một điện kế, kim ghi và đồng hồ Cần kim đượcgắn vào khung quay của điện kế Khung này được đặt trong từ trường của một namchâm vĩnh cửu Bộ phận này có kim dịch chuyển từ 0-2500; thang đo từ 1-36 phần.Khung và nam châm vĩnh cửu trong khi tương tác với nhau sẽ xác định vị trí củakhung quay, tương ứng với độ lớn của cường độ dòng điện ở bộ phận phát báo saukhi đã đi qua bộ phận chuyển đổi Ở phần ghi hướng, ngòi bút được lắp vào đầucần kim gắn với khung quay sẽ tì lên giản đồ được cuộn qua dây lò xo ở bộ phận tựghi Chuyển động của giản đồ được điều khiển bằng một mô tơ xung Mô tơ xungnày lại được điều khiển bằng đồng hồ thạch anh chuẩn thời gian, qua bộ cấp điệnmột chiều Tốc độ dịch chuyển của giản đồ có thể ở một trong các mức: 15, 30, 60,

120 và 240mm/giờ

b) Khối đo tốc độ hướng gió

- Bộ phận phát báo tín hiệu cảm ứng tốc độ gió gồm một chong chóng 3 gáo và hộpkim loại hình trụ chứa bộ máy phát xung Máy phát xung liên kết với chong chóngtạo ra các tín hiệu điện có tần số thay đổi tuyến tính với tốc độ gió.

Hình 4.12 Bộ cảm biến tốc độ gióThông số kĩ thuật chính của bộ phận cảm ứng tốc độ gió gồm: dải đo từ 0-70 m/s;

độ phân dải là 0,5m/s; tín hiệu ra la 10Hz theo mỗi m/s; nguồn điện nuôi một chiều

là 12V

- Bộ phận chuyển đổi: tín hiệu điện cảm ứng tốc độ được tạo ra từ bộ phát báo vàđược chuyển đổi thành tín hiệu điện áp tỉ lệ với tần số của chúng (tỉ lệ với tốc độgió)

Thông số kĩ thuật chính của bộ phận chuyển đổi: tín hiệu đầu ra là 0-5mA ; điện trởtải tối đa là 3000; điện trở dây dẫn giữa bộ phận phát báo đến bộ phận chuyển đổitối đa là 100 và nguồn điện xoay chiều nuôi là 220V

- Bộ phận hiển thị tốc độ gió là một điện kế có phần cảm ứng điện từ, điện trở trong

là 5,8, góc dịch chuyển của kim là 0-2500, thang đo đơn từ 0-70m/s; thang đo kép

từ 0-60 m/s (có màu đỏ) và từ 0-120m/s (cómàu đen)

- Bộ phận tự ghi tốc độ gió là bộ ghi thông dụng nhất thuộc kiểu thế hiệu kế Thếhiệu kế được lắp trong mạch cầu có nguồn nuôi ổn định 220V Tín hiệu từ đầu racủa bộ phận chuyển đổi Ex sau khi đã được khuếch đại thành Ey được so với tínhiệu hồi tiếp của thế hiệu kế E Thế hiệu xuất phát từ việc so sánh đó làm quay mô

tơ thừa hành Con chạy sẽ dịch chuyển cho tới khi cầu cân bằng ta được trị số tốc độgió tức thời Giản đồ lắp trong bộ phận tự ghi là loại giản đồ vạn năng với độ chia

từ 0 đến 100 ứng với tốc độ gió từ 0-70m/s trên thước chia độ Giản đồ được tráicuốn theo hệ bánh răng ở các mức: 15, 20, 40, 60, 120, 200, 400, 600 và 1200mm/h

2) Cách sử dụng

Bộ phận cảm biến và phát báo (phong tiêu, gáo và hộp kim loại hình trụ) được đặttrên đầu cột gió ở độ cao 10-12m Bộ phận chuyển đổi, chỉ báo và tự ghi đặt trong

phòng làm việc Dây dẫn từ bộ phát báo đến bộ chuyển đổi và chỉ báo là loại cápđiện 5 sợi có chiều dài khoảng 100m.

Khi quan trắc, hướng và tốc độ gió được xác định trung bình trong khoảng thời gian

2 phút (xác định theo phần chỉ báo) hoặc 10 phút (theo phần tự ghi) Đọc xong, ghimốc giờ vào giản đồ bằng bút chì đen Mốc giờ trên giản đồ hướng phải trên cùngmột cung giờ với mũi kim ghi hướng, còn trên giản đồ tốc độ phải trên cùng vạchchia giờ với mũi kim ghi tốc độ Khi hướng gió thuộc phần nam (S) có thể ghi mốcgiờ bằng cách ngắt công tắc nguồn bên ghi hướng trong nháy mắt Khi đó kim ghihướng sẽ vạch thành một cung tới tận điểm 0 trên giản đồ

3) Các nguồn sai số

Máy gió Tavid thường gặp phải sai số do những nguyên nhân sau:

- Thế điện kế chóng hỏng và mô men quay của hệ stato, nam châm vĩnh cửu tươngđối yếu;

- Khoảng cách cáp nối giữa dụng cụ báo và phong tiêu tạo ra điện trở, gây sai số(khoảng cách tối đa là 1500m);

- Cần chú ý không để các chỗ nối cáp chéo nhau tại phong tiêu hoặc bộ phận báo.Các chỗ nối bị chéo nhau sẽ gây ra sai số lớn trong việc báo hướng gió

CHƯƠNG 5

THIẾT BỊ ĐO BỐC HƠI 5.1 Nguyên lí hoạt động của các thiết bị đo bốc hơi

Bốc hơi là quá trình nước ở thể lỏng hay thể rắn biến thành nước ở thể hơi Trong

đó, quá trình nước ở thể rắn biến thành nước ở thể hơi còn được gọi là quá trìnhthăng hoa Sự bốc hơi diễn ra không những từ những mặt nước tự do mà còn từ bềmặt đất và thảm thực vật

Về bản chất, quá trình bốc hơi được hiểu như sau: các phân tử nước ở trong nướcluôn luôn ở trạng thái chuyển động hỗn loạn với những tốc độ khác nhau Ở mộtnhiệt độ nào đó, một số phần tử chuyển động gần bề mặt nước có tốc độ đủ lớnthắng được lực dính và sức căng bề mặt để bay vào không khí Đồng thời, một sốphần tử nước ở thể hơi trong không khí lại quay trở lại bề mặt bốc hơi và đi vàotrong nước Nếu số lượng phần tử hơi nước thoát ra khỏi bề mặt bốc hơi lớn hơn sốlượng phần tử hơi nước trở lại thì hiện tượng bốc hơi xảy ra

Khi lượng hơi nước trong khí quyển đủ lớn dẫn đến số phần tử hơi nước từ khíquyển trở lại mặt bốc hơi bằng số phần tử đi khỏi bề mặt này thì trạng thái cân bằngđộng xảy ra, sự bốc hơi ngừng lại và không khí trở nên bão hoà hơi nước

Nếu như không khí tiếp giáp với bề mặt bốc hơi quá bão hoà hơi nước thì số cácphần tử hơi nước trở lại bề mặt bốc hơi lớn hơn số phần tử hơi nước đi khỏi bề mặtbốc hơi, khi đó sẽ xảy ra quá trình ngưng kết hơi nước

Như vậy, sự bốc hơi chỉ có thể xảy ra trong trường hợp hơi nước trong lớp khôngkhí ở ngay trên bề mặt bốc hơi không đủ để làm bão hoà không khí xung quanh bềmặt đó Cho nên, khi nghiên cứu điều kiện bốc hơi cần nghiên cứu điều kiện bãohoà hơi nước

Sự bốc hơi từ bề mặt bị ảnh hưỏng bởi các yếu tố sau:

- Bức xạ Mặt trời và Trái đất;

- Gradient áp suất hơi nước giữa bề mặt bốc hơi và môi trường;

- Nhiệt độ bề mặt bốc hơi;

- Tốc độ gió trên bề mặt bốc hơi;

- Sự biến thiên của khí áp;

- Trạng thái bề mặt bốc hơi;

- Các dung dịch và các ion trong nước

Ngoài ra, sự bốc thoát hơi còn bị ảnh hưởng bởi các yếu tố:

- Loại thực vật;

- Độ sâu vùng hoạt động của rễ cây;

- Bề mặt lá và bề mặt các khí khổng trên tán lá

Tốc độ bốc hơi là lượng nước hao hụt từ một đơn vị bề mặt trong một đơn vị thờigian Nó có thể được xác định bằng độ dày của lớp nước dạng thể lỏng bị giảm đi

do bốc hơi trên một đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian

Các thiết bị đo bốc hơi chính bao gồm:

- Bay hơi kế: là thiết bị dùng các bề mặt ẩm xốp để xác định sự bốc hơi

- Các thiết bị đo bốc hơi dạng thùng hoặc bể

- Các thiết bị đo bốc - thoát hơi: là các thùng chôn chìm xuống đất và có cùng lớpphủ thực vật như bề mặt kế cận xung quanh Sự hao hụt của nước do bốc hơi được

đo bằng cách cân

- Ly-si-mét: là thiết bị đo sự bốc hơi cũng như đo độ hao hụt của nước do sự tiêunước trong đất

5.2 Một số thiết bị đo bốc hơi thông dụng

5.2.1 Ống đo bốc hơi Piche

1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động

Ống đo bốc hơi Piche (hình 5.1) gồm một ống thuỷ tinh

dài xấp xỉ 22,5cm, đường kính bên trong ống xấp xỉ

1,1cm và độ dày của thành thuỷ tinh khoảng 3mm được

khắc vạch chia độ để đọc số chỉ mực nước trong ống

Một vạch trên ống tương ứng với lượng bốc hơi là 0,1

hoặc 0,2mm, tuỳ theo từng loại Ống Piche có một đầu

kín, còn đầu kia hở được đậy bằng một miếng giấy xốp

tròn có đường kính 3cm có khả năng thấm nước tốt

Miếng giấy này được giữ bằng một vòng kẹp kim loại

Khi sử dụng, ống được đổ đầy nước, đậy bằng khoanh

giấy thấm và kẹp vòng kẹp lại rồi đặt ở tư thế lật ngược

trong lều khí tượng

Lượng nước chứa trong ống sẽ bốc hơi qua các lỗ của

miếng giấy xốp Diện tích bốc hơi, kể cả hai mặt của

miếng giấy xốp, là S = 13cm2

2 Cách sử dụng

Trong khi tiến hành quan trắc ống Piche phải luôn được

đặt vuông góc, khoanh giấy bốc hơi phải được quấn đều quanh ống, nẹp giữ giấybốc hơi được làm bằng đồng và hàn chắc chắn ôm sát vào ống thuỷ tinh Trước khicho giấy vào phải kiểm tra chất lượng của giấy; yêu cầu giấy phải xốp có độ hútnước cao, khi thấm nước không bị cụp xuống, giấy màu trắng hoặc xanh da trời.Thân ống khắc vạch chia theo đơn vị mm, mỗi vạch chia tương ứng với lượng nướcnhất định

Nước được dùng trong ống là nước cất hoặc nước mưa đã được lọc sạch Hàng ngàythường xuyên cọ rửa ống Thay nước và thay giấy sau khi quan trắc 19 giờ , ở vùngbụi bẩn thay thêm một lần nữa sau quan trắc 7 giờ

Hình 5.1: Ống đo bốc hơi Piche