Вид РИД
Изобретение
Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано при измерении атмосферного давления в метеорологии, промышленности, в быту и т.д.
Известно устройство для измерения атмосферного давления, представляющее собой барометр-анероид, содержащий корпус, внутри которого размещен измерительный механизм, и абсолютную шкалу отсчета, т.е. элемент конструкции барометра, на который нанесены деления и цифровые обозначения величины давления (см. Жоховский М.К. Техника измерения давления и разрежения. М., Машгиз, 1952, с.101-102 [1]).
Известно устройство для измерения атмосферного давления, представляющее собой ртутный барометр, содержащий корпус с размещенной в нем измерительной частью и абсолютную шкалу отсчета (см. Жоховский М.К. Техника измерения давления и разрежения. М., Машгиз, 1952, с.41-44 [2]).
В известных барометрах [1] и [2], каждый из которых в равной степени может быть принят в качестве ближайшего аналога заявленного изобретения, для измерения атмосферного давления используется лишь абсолютная шкала. Она дает абсолютное значение давления на высоте установки барометра метеостанции (обычно в миллиметрах ртутного столба - мм рт.ст.). В связи с этим информация об атмосферном давлении, находящемся в интервале 700÷800 мм рт.ст., сообщаемая средствами массовой информации (СМИ) в сводках о погоде безотносительно к значению высоты расположения барометра метеостанции, для пользователей бытовых барометров недостаточно. В этом заключается основной недостаток абсолютной шкалы.
Описанная ситуация является следствием того, что значение атмосферного давления, передаваемого СМИ, приводится к средней высоте региона над уровнем моря. Однако разновысотность региона может достигать значительных величин, тем более с учетом многоэтажности жилых домов. Так, например, по географическому расположению Московский регион (Москва и область) имеет разность высот над уровнем моря величину 200 м (от 100 до 300 м). В Москве разность высот составляет до 150 м. С учетом многоэтажности разновысотность расположения барометров в Московском регионе может достигать 300 м и более. Принимая (см., например, Краткий физико-технический справочник, том 1, Физматгиз, 1960, стр.296), что на 10 м высоты приходится перепад атмосферного давления примерно 1 мм рт.ст., получаем максимальную разность показаний барометров в регионе равной более 30 мм рт.ст.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в упрощении отсчета показаний измеряемого давления за счет приведения показаний всех барометров региона к единому значению, выражаемому однозначным или двузначным числом, уменьшении количества промахов и ошибок при измерении, возможности установки и корректировки пользователями барометров точного значения давления по единому сообщению СМИ, логичности получаемых результатов измерения: отрицательные значения - давление ниже стандартного, положительные - давление выше стандартного.
Для достижения указанного технического результата устройство для измерения атмосферного давления, представляющее собой барометр, содержащий измерительное устройство и абсолютную шкалу отсчета, дополнительно снабжено приведенной шкалой, выполненной с ценой деления, равной цене деления абсолютной шкалы отсчета, при этом нулевое значение приведенной шкалы установлено на значение абсолютной шкалы отсчета, соответствующее значению давления Стандартной Атмосферы (СА) по ГОСТ 4401-81 на высоте барометра. Кроме того, с целью возможности корректировки показаний устройства при изменении его высоты расположения, приведенная шкала может быть выполнена подвижной относительно абсолютной шкалы в направлении движения индикаторного элемента устройства.
Отличительными признаками предлагаемого устройства являются наличие вышеуказанной приведенной шкалы и расположение ее нулевого значения относительно значений абсолютной шкалы, а также, в частных случаях осуществления изобретения, выполнение приведенной шкалы подвижной относительно абсолютной шкалы в направлении движения индикаторного элемента устройства. Благодаря наличию этих признаков при функционировании устройства (барометра) обеспечивается вышеуказанный технический результат.
На фиг.1 представлены схемы установки приведенной шкалы для барометра-анероида с круговой шкалой - а) и для ртутного или жидкостного барометра с линейчатой шкалой - б). На фиг.1 нулевое значение приведенной шкалы установлено на значении 744 мм рт.ст., что соответствует высоте барометра 180 м над уровнем моря по СА. Стрелками показан возможный диапазон установки нулевого значения приведенной шкалы относительно абсолютной шкалы применительно к величине разновысотности Московского региона.
Более пятнадцати лет автор пользуется приведенными шкалами, установленными на барометрах (см. фиг.2, 3 и 4). Такие шкалы легко изготавливаются вручную или с помощью Автокада на плотной чертежной бумаге и крепятся или наклеиваются рядом с абсолютной шкалой, имеющейся в распоряжении барометра. При этом нулевое значение приведенной шкалы совмещается с абсолютным оцененным давлением по СА для конкретного места установки барометра, т.е. в соответствии с его высотой над уровнем моря. В вышеприведенных примерах (фиг.2, 3 и 4) оцененное давление по СА равнялось 740 мм рт.ст.(фиг.2) и 742 мм рт.ст.(фиг.3 и 4), что соответствует высоте расположения барометров над уровнем моря 220 и 200 м соответственно.
Заводам-изготовителям барометров можно рекомендовать при производстве снабжать их такой дополнительной приведенной шкалой. При этом необходимо обеспечить некоторую ее подвижность относительно абсолютной, метрологически оттарированной, шкалы. Для региона Москвы и области возможность настройки при изменении высоты местности и этажности зданий от 100 м до 400 м должна быть в пределах 30 мм рт.ст. С изменением положения барометра относительно высотной отметки требуется скорректировать положение приведенной шкалы.
Определенную сложность в установке и дальнейшей корректировке положения приведенной шкалы представляет хордовая конструкция абсолютной шкалы барометра, показанного на фиг.3. Поскольку хордовую приведенную шкалу приходится переделывать полностью при изменении высоты барометра. В этом случае целесообразно переделать хордовую абсолютную шкалу на круговую.
Апробация применения приведенной шкалы проведена на двух примерах - данных о текущей погоде и данных о прогнозе погоды. Данные взяты с сайта Метеоновостей (http://www.hmn.ru).
В таблице 1 приведено сравнение способов представления данных по атмосферному давлению о фактической погоде в абсолютной и приведенной шкалах для Москвы за 2 дня - 19 и 20 марта 2005 года. В верхней половине таблицы приведены данные в абсолютной шкале, в нижней - в приведенной. Максимальная разность высот метеостанций составляет 91 м.
Как видно из нижней части таблицы, несмотря на разность высот метеостанций, значение (по строкам таблицы) атмосферного давления одинаковое с точность в 1 мм рт.ст. Следует заметить, что все барометры, настроенные по приведенной шкале в Москве и в области, будут также показывать одинаковое давление независимо от высоты их установки. Конечно, это будет в случае спокойного и равномерного барометрического состояния атмосферы в регионе.
При наличии больших градиентов давления (при прохождении циклонов, фронтов и пр.) появится легко различимая разница в показаниях, по которым в принципе можно оценивать векторы и интенсивность атмосферного возмущения.
Аналогичное сравнение способов представления данных по атмосферному давлению о прогнозе погоды, в абсолютной и приведенной шкалах, приведено в таблице 2. Максимальная разность высот использованных метеостанций составляет 107 м.
Анализ таблицы показывает заметно больший разброс прогнозируемых значений давлений. Он достигает величин ±(1-3) мм рт.ст. Возможно это связано с различием методик составления прогнозов на разных метеостанциях, а возможно просто с человеческим фактором. По крайне мере прогноз по городу Раменское явно ошибочен. Кстати, заметить этот промах в массе представленных данных в абсолютной шкале затруднительно. Это свидетельствует о дополнительном положительном свойстве приведенной шкалы - легкость выявления промахов в количественном представлении данных.
Продемонстрируем универсальность приведенной шкалы на более длительном периоде времени еще одним примером . На фиг.5 и 6 показаны фактические данные по атмосферному давлению в приведенной шкале, полученные в результате обработки данных сервера Погода России - Архив погоды. Результаты измерений были взяты с трех метеостанций (Кашира, Москва и Коломна) для двух периодов: летнего (с 13 мая по 16 июня 2004 года) и зимнего (с 1 по 31 января 2004 года). Максимальная разность высот использованных метеостанций 107 м. Как видно из представленных графиков, максимальная разница значений для всех метеостанций в основном лежит в пределах ±(1÷2) мм рт.ст. Таким образом, на весь регион в СМИ можно давать одно значение атмосферного давления приведенной шкалы.
|
|
Проведем анализ систематической погрешности приведенной шкалы при измерении атмосферного давления.
Приведенная шкала по сути дела это разность атмосферного давления, которое существует на момент измерения на высоте барометра в данной местности, и давления Стандартной Атмосферы также для этой высоты.
Основное назначение приведенной шкалы - свести показания всех барометров, используемых в данном регионе и расположенных на разной высоте, к одному значению. При этом решается еще одна задача, упрощающая использование барометра, - результаты измерений выражаются не трехзначным, а однозначным или максимум двухзначным числом.
Систематическая погрешность барометра, оснащенного приведенной шкалой, обусловлена сезонными циклическими годовыми колебаниями барометрической ступени в регионе. Эту погрешность (поправку) удобно искать в виде разности показаний барометров с приведенной шкалой, расположенных на разной высоте. Для Московского региона максимальная разница высот составляет: 300 м над уровнем моря и 100 м над уровнем моря, т.е. 300-100=200 м.
Давление в единицах приведенной шкалы запишем следующим образом:
где Рпр(Н) - приведенное давление на высоте Н, мм рт.ст.;
Р(Н) - измеренное абсолютное давление на высоте Н, мм рт.ст.;
РСА(Н) - давление стандартной атмосферы на высоте Н, мм рт.ст.
Выразим составляющие правой части формулы (1) через параметры на уровне моря и через изменение барометрической ступени от высоты местности. Барометрическая ступень меняется (увеличивается) с увеличением высоты.
где Р0 - измеренное абсолютное давление, приведенное к уровню моря;
БС(Н) - изменение барометрической ступени от высоты в момент измерения.
где БССА(Н) - изменение барометрической ступени стандартной атмосферы.
Для стандартной атмосферы на фиг.7 приведены зависимости давления и БССА от высоты над уровнем моря.
Как видно из фиг.7, в диапазоне высот 0÷500 м эти зависимости хорошо описываются линейными функциями, коэффициент корреляции R близок к 1. Принимая допущение, что характер изменения фактической БС по высоте аналогичен изменению БС стандартной атмосферы по высоте, т.е. коэффициент при Н одинаковый, а различие заключается в величине БС0 на уровне моря, запишем выражение для барометрической ступени в виде:
где БС0 - значение барометрической ступени на уровне моря, м/мм рт.ст.
Зависимость давления СА от высоты барометра:
Зависимость (5) может использоваться для определения нулевого положения приведенной шкалы при известной высоте барометра.
Выражение (1) с учетом (2), (3) и (4):
, или
Перенесем все члены выражения (6), не зависящие от Н, в левую сторону.
Тогда поправка запишется так:
Полученная поправка δ характеризует величину систематической погрешности показаний по приведенной шкале и зависит от высоты над уровнем моря и величины барометрической ступени.
Оценим величины возможных систематических погрешностей применительно к Московскому региону для различных высот расположения барометров и с учетом сезонных колебаний барометрической ступени.
На сервере Погода России - Архив погоды, кроме прочих метеорологических данных, имеются данные о давлении Р на уровне метеостанции и давлении на уровне моря Р0. Поделив высоту расположения метеостанции на разность давлений можно получить среднюю фактическую барометрическую ступень на уровне моря.
Такая обработка была проведена для четырех метеостанций: для двух метеостанций, максимально расположенных на разных высотах и двух промежуточных высотах. Результаты обработки сведены в таблицу 3 (общий массив обработанных данных составил более 50 тысяч результатов измерений атмосферного давления и охватил период времени за последние 4-5,5 лет).
Как можно видеть из таблицы, средние значения барометрической ступени практически одинаковы для разных метеостанций (разница в четвертой значащей цифре). Это понятно, поскольку данные приведены к уровню моря. Сама средняя величина ˜10,8 м/мм рт.ст. отличается от значения барической ступени для Стандартной атмосферы (СА), которая равна ˜11,0 м/мм рт.ст. Это отличие, скорее всего, связано с тем, что среднегодовая температура региона ниже (˜6-8°С), чем для СА (15°С).
|
В качестве граничных условий по изменению БС примем данные таблицы 3
Расчет по формуле (7) проведем для следующих значений барометрических ступеней:
- максимальное значение БС0 в регионе, равное 12,2 м/мм рт.ст,
- минимальное значение БС0 в регионе, равное 9,4 м/мм рт.ст,
- среднее значение БСо в регионе, равное 10,84 м/мм рт.ст,
- стандартное значение БС0 в регионе, равное 11,03 м/мм рт.ст.
Результаты расчетов приведены на фиг.8.
Как видно из фиг.8. систематическая погрешность увеличивается с высотой расположения барометра и с величиной отклонения барометрической ступени от стандартной. Максимальную систематическую погрешность, равную -4,3 мм рт.ст., имеет барометр, расположенный на высоте 300 м над уровнем моря, при максимальном отклонении барометрической ступени от стандартной и равной 9,4 м/мм рт.ст. Для среднегодового значения БСо=10,84 м/мм рт.ст. погрешность не превышает -0,5 мм рт.ст.
Наибольший интерес представляет максимальная величина расхождений показаний барометров, расположенных на предельно разных высотах в регионе:
и ее зависимость от барометрической ступени.
Это расхождение показано на фиг.9. Как видно из графика, максимальная разница показаний барометров с приведенной шкалой в Московском регионе составит 2,8 мм рт.ст. при барометрической ступени в 9,4 м/мм рт.ст. При барометрической ступени в регионе БСо=БС0 СА=11,03 м/мм рт.ст. показания всех барометров будут абсолютно одинаковыми. Асимметричность положительных и отрицательных значений разностей показаний барометров относительно нулевого значения объясняется тем, что средняя величина БС0=10,8 м/мм рт.ст. отличается от значения барометрической ступени для стандартной атмосферы, которая равна БС0 СА=11,03 м/мм рт.ст.
Проанализируем, как в течение года будет изменяться dPмакс - разность в показаниях барометров с приведенной шкалой.
На фиг.10 приведен фрагмент сезонных колебаний барометрической ступени в Московском регионе в течение года.
Сплошной линией показано значение барометрической ступени Стандартной атмосферы. При всех значениях БС, лежащих в непосредственной близи от этой линии, отклонения показаний всех барометров близки к нулю. Пунктирными линиями выделен диапазон изменения барометрической ступени, соответствующий разности показаний барометров с приведенной шкалой в ±0,5 мм рт.ст. Этот диапазон можно принять как достаточный для использования в бытовых целях. Все значения БС, попавшие в этот диапазон, дадут погрешность барометров, не превышающую ±0,5 мм рт.ст.
Статистическое распределение количества дней в году (помесячно) с погрешностью показаний менее ±0,5 мм рт.ст. барометров с приведенной шкалой в Московском регионе приведено на фиг.11. Статистика охватывает период за последние 4-5,5 лет.
Полученные данные могут быть использованы для оценки благоприятных периодов установки приведенной шкалы на опорное или нулевое значение. Эта процедура предусматривает передачу точных значений атмосферного давления в единицах приведенной шкалы в регионе средствами массовой информации в режиме максимально приближенного к прямому эфиру, т.е. по радио или телевидению по данным Росгидромета. В эти периоды расхождения показаний всех барометров по приведенной шкале не превысят ±0,5 мм рт.ст.
Как видно из фиг.11, наиболее благоприятными периодами для установки или поверки приведенной шкалы являются весенний и осенний сезоны, наименее - зимний. Наибольшими поверочными возможностями обладают: месяц май - 27дней и сентябрь - 23 дня, наименьшими: декабрь, январь и февраль (по 3-4 дня).
Общая статистика величины периода установки или поверки приведенной шкалы в течение года в зависимости от погрешности (используя данные фиг.11) приведена на диаграмме фиг.12.
Суммируя последовательно, из нее можно дополнительно видеть, что:
с точностью до ±1 мм рт.ст. показания приведенной шкалы будут одинаковыми в течение 44%+39%=83% годового времени,
с точностью до ±2 мм рт.ст. показания приведенной шкалы будут одинаковыми в течение 83%+16%=99% годового времени и
с точностью до ±3 мм рт.ст. показания приведенной шкалы будут одинаковыми в течение всего года.
Подобный вышеприведенный анализ систематической погрешности можно легко провести для любого другого региона, имеющего свои климатические и высотные характеристики атмосферы.
Относительно климатических норм атмосферного давления.
Это среднее значение давления по месяцам в году за последний многолетний период. наблюдавшееся в данном регионе. Обычно этот период равен 30 годам. Климатические нормы легко могут быть выражены через приведенную шкалу. Причем значения эти будут однозначными числами в отличие от трехзначных для абсолютной шкалы. Так по имеющимся данным (см. газету Комсомольская правда, раздел Ежедневник «КП») для Московского региона (средние значения по данным метеостанции Москва #27612, Н=156 м) колебания климатических норм давления по месяцам в течение года не превысят диапазона -1 мм рт.ст.÷+4 мм рт.ст. приведенной шкалы (см. фиг.13). На этом же графике приведены фактические средние значения давления за последние 6 лет. Обращает на себя внимание тот факт, что в зимний период давление понизилось на 2-3 мм рт.ст., что обусловлено более теплыми последними зимами по сравнению с климатическими нормами.
Осуществление изобретения или внедрение приведенной шкалы состоит из 3-х основных элементов.
1. Перевод измеренного атмосферного давления на метеостанции в единицы приведенной шкалы. Процедура перевода проста и заключается в вычислении разности измеренного абсолютного атмосферного давления и постоянной величины стандартного давления для высоты расположения барометра на данной метеостанции. Последняя хорошо известна и записана в паспорте конкретной метеостанции. Значение приведенного давления передается далее в СМИ с необходимыми комментариями.
2. Передача информации населению через СМИ.
3. Использование полученной информации из СМИ. На начальном этапе, пользователям барометров необходимо своими силами изготовить и установить приведенную шкалу. В дальнейшем, после освоения заводами-изготовителями производства барометров с дополнительной приведенной шкалой, проводить проверку показаний барометров и их подстройку, после возможного изменения местоположения прибора относительно уровня моря.
Что дает внедрение и использование приведенной шкалы атмосферного давления?
1. Возможность получения широкими слоями населения большей информации об атмосферном давлении.
2. Логичность информации - сравнение текущего давления со стандартным значением.
3. Простота чисел измеряемого давления - исчезает постоянный «груз» в 760 мм рт.ст.
4. Легкость отслеживания скорости изменения давления во времени.
5. Независимость измеряемой величины приведенного давления от уровня местности. Возможность проверки и коррекции барометров населением по данным СМИ.
Все это возможно только при одном условии - внедрении приведенной шкалы в практику представления информации метеослужбами и средствами массовой информации.
В этом случае население фактически становится участником большой экспериментальной работы по изучению влияния одного их важнейших метеорологических факторов на многие сферы жизнедеятельности человека, начиная от влияния давления и его динамики на здоровье и до влияния их на интенсивность клева на рыбалке. При этом масштаб участников не ограничен - Москва, Московская область, Российская Федерация, ближнее зарубежье и т.д. В конечном счете внедрение изобретения способствует улучшению качества жизни населения.
1.Устройстводляизмеренияатмосферногодавления,представляющеесобойбарометр,содержащийизмерительноеустройствоиабсолютнуюшкалуотсчетасиндикаторнымэлементом,отличающеесятем,чтоонодополнительноснабженоприведеннойшкалой,выполненнойсценойделения,равнойценеделенияабсолютнойшкалыотсчета,приэтомнулевоезначениеприведеннойшкалыустановленоназначениеабсолютнойшкалыотсчета,соответствующеезначениюдавленияСтандартнойАтмосферынавысотеместарасположениябарометранадуровнемморя.12.Устройстводляизмеренияатмосферногодавленияпоп.1,отличающеесятем,чтоприведеннаяшкалавыполненаподвижнойотносительноабсолютнойшкалывнаправлениидвиженияиндикаторногоэлементаустройства.2