УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ

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 Р_пр(Н) - приведенное давление на высоте Н, мм рт.ст.;

Р(Н) - измеренное абсолютное давление на высоте Н, мм рт.ст.;

Р_СА(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 БС_СА(Н) - изменение барометрической ступени стандартной атмосферы.

Для стандартной атмосферы на фиг.7 приведены зависимости давления и БС_СА 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 БС_о=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 БС_о=БС_{0 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 БС_{0 СА}=11,03 м/мм рт.ст.

Проанализируем, как в течение года будет изменяться dP_макс - 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.