第3章 大气压的测量郑Word格式.docx
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920-1080hPa适合于工作在海平面或海平面附近的仪器；
对于在海拔较高地方使用的仪器、在其气压较低部分可以扩展相当的量程。
要求的目标准确度：
0.1hPa
报告分辨率：
传感器时间常数：
20s
输出平均时间：
1分钟
可以认为，在严格控制的环境中，比如正常装备的实验室，新的气压表是能够达到上述要求的。
这些要求为气压表规定了在其安装在工作环境中之前必须符合的目标准确度。
对于安装在工作环境中的气压表，实际情况的限制使气象部门难以保持仪器的目标准确度。
然而，业务站网用的气压表经过标准气压表的校准之后，其器差可知并容许其性能不低于下列标准：
在1000hPa点的最大允许误差：
0.3hPa
在气压表测量范围内其他气压的最大允许误差：
（a）测量范围不低于800hPa的部份：
0.5hPa
（b）测量范围扩展低于800hPa的部份：
0.8hPa
间隔等于或小于100hPa的两个气压值的误差之差值：
0.3hpa
用户对大气压信息的要求是不同的。
正如WMO（1990）以及本指南第Ⅱ编第2章描述的那样，航空界要求QNH和/或QFE高度表拨定。
对气压测量的总要求已概括在WMO（1981）和美国气象局（1963）的文献中。
3.1.4测量方法和观测方法
气象上通常使用水银气压表、电子气压表或沸点气压表测量气压。
沸点气压表是利用液体沸点与气压之间的关系制成的仪器，已很少应用，故本指南对此不作深入讨论。
WMO（1992）对数字气压表（大部份是电子读出式仪器）的性能进行了很有益的讨论。
如果符合下列要求，气象用压强仪器（即气压表）可作为测量气压的业务用仪器。
（a）仪器必须定期使用经批准的方法、用（工作）标准气压表校准。
两次校准之间的周期必须足够短，以确保总的测量误差的绝对值符合本章定义的准确度要求；
（b）准确度的任何变化（长期或短期）必须比3.1.3节概述的允差小。
如果有些仪器在校准中发现有漂移变化，那么只有在校准周期足够短以确保在任何时候仪器能具有所要求的准确度，这些仪器才能适合业务使用；
（c）仪器读数不应该受温度变化的影响。
只有当满足下列条件时，仪器才是适用的：
（i）读数的温度影响修正步骤能保证所要求的准确度；
（ii）把气压传感器放置在温度稳定的环境中，就能保证所要求的准确度。
为了补偿温度的影响，有些仪器需要测量气压传感器的温度。
必需对温度补偿功能进行控制和校准，并作为整个校准工作的一部份；
（d）必须把仪器置于外部影响不会引起测量误差的环境中。
这些影响包括：
风、辐射/温度、冲击和振动、电源的波动以及压力冲击。
要非常仔细地选择仪器特别是水银气压表的安装场所。
重要的是，每个气象观测员要充分了解这些影响，并能确定是否有哪些影响对使用中的气压表读数的准确度起作用；
（e）仪器读数要快捷、方便。
仪器必须设计成使其读数的标准偏差小于所述的绝对准确度的三分之一；
（f）当仪器必须远离使用地点进行校准时，采取的运输方法一定不能影响到气压表的稳定性或准确度。
能改变校准状态的影响有：
机械冲击和振动，在飞机运输过程中可能遇到的垂直的大的气压变化。
最新设计的大多数气压表采用了把敏感元件的响应转换成气压相关量的转换器。
其信号随后由适当的集成电路或具有适当平滑算法的数据采集系统进行处理。
对于大多数用于天气分析的气压表来说，合理的时间常数是10秒（一定不要大于20秒）。
对于水银气压表来说时间常数不重要。
以下各节概要地介绍几种常用的测量大气压的方法。
历史上，最广泛采用的测量大气压的方法是使液柱重量与大气压力平衡。
如果使用的液体是水银，那么有多种原因可以方便地获得所要求的准确度。
一般认为，水银有好的长期稳定性和准确度，但现在人们正转向具有相同准确度和非常容易读数的电子气压表。
一个周边固定的弹性膜片，当加到膜片一面的压力比另一面的大时，膜片会变形。
实际情况是用一个全部或部分抽真空的密封金属膜盒（为防止被外面的大气压压坏，膜盒内有一个强力金属弹簧）来获得这种形变，使用机械方法或电子方法测出膜盒内外压力差引起的形变。
这就是众所周知的空盒气压表的原理。
现在，人们开发出了一种由其周围抽成真空的薄壁镍合金圆筒构成的气压传感器。
这种传感器的固有谐振频率是筒内外压差（筒内为环境大气压，筒外保持真空）的函数。
使用石英晶体元件的绝对气压转换器正得到更加普遍的使用。
通过柔性波纹管施加于晶体表面的压力对晶体引起一个压缩力，根据晶体的压阻特性，加压改变了灵敏的惠斯登电桥的平衡，电桥重新平衡就实现了压力的准确测量。
这种气压转换器实际上是没有滞后效应的。
液体的沸点是沸腾液体所受气压的函数。
当这种函数关系确立后，液体沸腾时的温度就可以用来测量大气压。
3.2水银气压表
3.2.1构造要求
水银柱的重量与大气压力相平衡是水银气压表的基本原理。
有些水银气压表就采用称量水银柱重量的方法，但气象上常用的水银气压表都是用刻有气压单位的标尺来测量水银柱高度。
气象站使用的水银气压表有几种型式，其中以定槽式水银气压表和动槽式*水银气压表最为常用。
水银柱高度，是指水银柱顶到槽部水银面之间的距离。
当然，水银柱高度的变化同时就伴随着槽部水银面位置的变化。
在动槽式水银气压表中，槽部水银面的位置可以调整，使之恰好与象牙针尖接触，这个象牙针尖就是气压表标尺的零位。
而在定槽式气压表（常称为寇乌式气压表）中，其槽部水银面不需要调整，因为刻在气压表上的标尺已经考虑到槽内水银面的变化而加以缩小。
3.2.2一般要求
良好的气象站用水银气压表的主要要求如下：
（a）仪器准确度应能长期保持不变，特别要保持小的滞后影响；
（b）读数迅速、方便；
对读数应进行所有已知影响量的修正；
进行这些修正的观测员必须了解每顶修正的重要性，以确保所施加的修正是正确的，不会导致读数准确度变坏；
（c）应能移运而不会降低其准确度；
（d）气压表玻璃管的内径最好为9mm，不应小于7mm；
（e）内管的准备和灌充水银应在真空状态下进行。
水银的纯度非常重要，要进行两次蒸馏、脱脂、反复清洗和过滤；
（f）应当在水银气压表上刻上标尺能给出正确读数（在标准重力下）的实际温度。
标尺最好经过校准，使之能给出在0℃的正确读数；
（g）弯月面不应是平坦的，除非内管的内径很大（＞20mm）；
（h）对于船舶用水银气压表，任意点的误差不应超过±
0.5hPa。
与船舶用水银气压表相比，与测量温度、湿度、风的仪器相比，陆地气象站使用的水银气压表的响应时间通常是很小的。
3.2.3标准状态
由于水银气压表的水银柱高度除了取决于大气压外，还取决于其他因素，特别是温度和重力。
因此，必须规定标准状态。
在此标准状态下，气压表在理论上应取得真实的气压读数。
在国际气压表会议上，制定了如下标准。
3.2.3.1标准温度和标准水银密度
标准温度定为0℃，水银气压表的读数都要换算到这个标准温度时的读数。
这是为了去除由温度导致的水银密度变化引起的误差。
0℃时水银标准密度值为1.35951×
104kgm-3。
用流体静力学公式计算绝对气压时，水银柱中的水银可视为不可压缩的液体。
不纯净的水银密度与纯净的水银密度不同。
使用不纯净的水银的气压表读数会发生误差，因为气压表示值与水银的密度是成比例的。
3.2.3.2标准重力
水银气压表的读数，必须从当地重力换算到标准重力。
标准重力值（gn）是个约定常数，gn=9.80665ms-2。
注：
WMO（1973）解释了需要采纳一个指定的重力加速度值作为标准值。
这个值与特定条件下（例如纬度45°
海平面）实测的或理论的重力加速度值没有确切的关系，因为这种数值会随着新的实险数据被采纳而改变。
3.2.4水银气压表的读数
当用水银气压表进行观测时，必须先读附属温度表，而且要读得越快越好，因为温度表的温度会由于观测者的出现而上升。
必须用手指在弯月面附近和靠近槽部两处轻叩几下，目的是使水银面保持稳定状态。
如果所用的水银气压表不是定槽式水银气压表，那么就必须从下向上调整槽部水银面的位置，使之与象牙针尖恰好接触。
最后调整标尺的游标，使之对准水银柱弯月面并读数。
当游标的下缘与弯月面最高端相切时，就是游标正确地调整好的状态。
如果用一个放大镜来观察，应当可以看到在游标下缘与水银面顶部之间有一条极窄的透光缝隙。
决不允许游标下缘“切去”弯月面的顶部。
观测时，应当使眼睛与游标前部的下缘和后部的下缘都在同一条视线上。
3.2.4.1读数的准确度
读数必须取最靠近的0.1hPa。
通常，游标不可能读出更高的准确度了。
已经研制出光学装置和数字化装置以改进水银气压表的读数。
然而这些装置虽然容易读数，但也引入新的误差源，除非这些装置是精心设计并经过校准的。
3.2.4.2器差的变化
在气象站检查期间发现的器差的任何变化都值得重视。
要进一步了解下列情况：
（a）气压表的历史状况；
（b）检察员在仪器比对工作方面的经验；
（c）被发现的器差变化的幅度；
（d）差值的标准偏差；
（e）气象站的备用气压表（已知修正值及其准确度）是否适用；
（f）移动式标准器在旅行中的情况；
（g）如果器差的变化可以接受，那么，在每日天气图上该站的气压读数与邻近站的气压是否能吻合；
（h）在比对之前，仪器是否清洗过。
引起气象站气压表器差变化（或称漂移）的能原因是：
（a）由于水银污染导致水银表面毛细压缩的变化。
在工业地区的严重大气污染和水银污染会造成严重问题，需要频繁地清洁水银及其槽部；
（b）有气泡逸入并通过水银柱上升到达了管顶的真空部分。
这些变化可能是不稳定的，也可能是持续的正的变化或负变化，取决于其成因。
器差的变化还可能是由于：
（a）观测者的错误（在读数之前没有轻叩气压表），游标和象牙针尖的调整不正确；
（b）气象站气压表或移运式标准器的温度未达到平衡；
（c）气压迅速变化和不同时读数所致。
这种变化还有可能是由于偶然移动了可调标尺，或动槽表的象牙针尖松动了。
3.2.4.3器差的允许变化量
对器差变化应作如下处理：
（a）如果不是持久性的变化，当器差的变化在±
0.1hPa之内，可忽略不计：
（b）如果器差的变化超过±
0.1hPa，但不超过±
0.3hPa时，可以暂时接受，随后至少再作一次检查予以证实；
（c）当器差的变化超过了±
0.3hPa，只有在气压表已被清洗、而且又没有一支已知修正值的备用表的情况下，可以暂时接受。
一旦有了经过正确校准的气压表，应立即将这支表换下来。
对上述（b）、（c）两种器差已变化的气压表必须密切注意。
要尽可能快地将它重新校准或更换。
上述规定同样适用于移运式标准器的器差的变化。
器差变化小于±
0.1hPa时可以忽略，除非是固定不变的。
对于较大的器差变化，应该求得证实，只有在重复比对之后才可以接受。
在旅行的“前”“后”，移运式标准器器差之间的差值不应大于±
0.1hPa。
所以，只有器差长期不变的气压表才可以作为移运式标准器使用。
3.2.5气压表读数修正到标准状态
为了使不同时间、不同地点的水银气压表读数转换成可用的大气压值，应作下列修正：
（a）器差修正
（b）重力修正
（c）温度修正
对大量气象业务应用来说，只需按照气压表生产者的说明书去做，就可以获得满意的测量结果。
如果不够满意、或者要求有更高的准确性，就必须按照附录3.A所述的具体步骤对上述因素进行修正。
3.2.6水银气压表的误差和缺陷
3.2.6.1气压表温度的不确定度
附属温度表所指示的温度，通常不能代表水银、标尺和槽部的平均温度。
如果仪器安装比较恰当、观测操作比较合理，那么这种温度误差就可减小。
值得注意的是，室内经常会有较大的稳定的垂直温度梯度，使得水银气压表的上部和下部有较大的温度差。
如果室内安装一个风扇，就可以消除这种温度差异。
但是，风扇的运转又会使室内大气压产生波动。
因此，在观测气压之前必须关掉风扇。
在采取了上述各种措施之后，正常情况下温度修正值中的误差就不会超过±
3.2.6.2真空不良
当仪器校准时，通常假定其水银柱上部空间是完全真空，或只有可忽略的微量气体。
但是，真空状态的任何变化都会使气压读数产生误差。
比较简单的检查方法是，将水银气压表倾斜并倾听水银柱撞击玻璃管顶时是否有“卡嗒”声音；
或将水银气压表倾斜，检查玻璃管内顶部气泡的直径是否大于1.5mm.，但是用这种方法不能测出存在的水汽，因为当空腔的容积缩小时水汽会凝结。
根据波义耳（Boyle）定律，空腔内空气和不饱和水汽所造成的误差与水银柱上部空腔的容积成反比。
唯一解决办法是将此水银气压表进行全刻度范围的再校准，如果误差太大则应将气压表内管重新灌装或更换。
3.2.6.3水银面的毛细下降
对一定的内管，水银柱弯月面的高度和毛细下降可以随水银受污染的状况、气压倾向和水银在管中的位置而变化。
因此在气压表初次校准期间，应尽可能测定其弯月面高度的平均值并记录在检定证书上。
然而，当弯月面高度与原记载不同时，可以不进行任何修正，而这种资料只能作为衡量水银气压表是否需要大检修或再校准的一种指标。
对于8mm的玻璃管，其弯月面高度变化1mm（从1.8mm变为0.8mm）会引起气压读数约0.5hPa的误差。
3.2.6.4悬挂不垂直
一支正常长度（约90cm）的具有对称性的气压表自由悬挂时，若其底部偏离垂直位置约6mm，则气压示值将偏高0.02hPa。
这种气压表，通常能悬挂得更接近垂直。
然而对于不对称的气压表，这项误差来源就严重得多。
例如：
如果槽内象牙针尖距中轴线约12mm，槽部只偏离垂直位置1mm，就会产生0.02hPa的误差。
3.2.6.5气压表读数修正后的准确度
在一个普通气象站上，经过各种修正后的单次气压表读数的标准偏差应在±
0.1hPa以内。
这一误差，主要是由不可避免的仪器修正值的不确定度、仪器温度的不确定度以及水银液面受“抽吸”作用的误差等原因造成的。
3.2.7水银使用的安全操作
水银气压表需要使用相当大量的水银，而水银是有毒的，必须非常小心地操作。
在地球表面所经受的温度和气压范围内，水银元素是液体。
只要有液体水银存在，空气中就有水银蒸汽。
通过皮肤可以吸收液态或气态的水银，通过呼吸可以吸入水银蒸汽。
Sax（1975）描述了水银的性质。
在许多国家的关于危险物品操作管理的规定中都有水银的安全使用说明。
大剂量的水银会造成急性中毒；
水银也可以在人体的硬组织和软组织中积累，所以长期处在即使是小剂量的环境中也会对器官造成长期毒害、甚至死亡。
水银主要影响中枢神经系统、口腔和黏膜，引起的主要症状包括疼痛、牙齿松动、过敏、颤抖以及精神失常。
使用水银气压表的主要风险发生在频繁倒出水银和灌装水银的实验室内。
在气象站，也可能存在问题。
例如若有大量水银从打破的的水银气压表洒落在地上、未经清除，水银会不断地蒸发，进入密闭的人们工作的房间。
如果把水银妥善地装在容器内，如果在偶然事故之后立即进行清除，但危险仍然存在。
在使用水银时必须考虑以下各点：
（a）盛水银的容器必须良好密封、不渗漏、不易破碎，必须定期检查；
（b）大量储存或使用水银的房间地面必须有密封的、无渗漏的、无裂缝的覆盖材料，例如PVC。
地面小的裂缝，比如地板砖之间的缝，会滞留细小的水银滴。
最好把地板材料弯向墙壁、高出地面10mm左右，在地面与墙壁的连接处不应留有接缝；
（c）不能用金属容器盛水银，因为除铁以外，几乎所有金属都与水银起化学反应，还可能生成有毒的汞齐。
水银也不能与其他金属物品接触；
（d）水银绝不能与其他的化学物质（特别是胺、氨水以及乙炔）储藏在一起；
（e）应在有良好通风的房间里储存和处理大量水银，应在高质量的熏蒸柜内处理原汞。
（f）绝不能将水银储存在靠近任何种类热源的地方。
特别是因为水银的沸点较低（357℃），尤其是遇到火时会产生很浓的有毒蒸汽；
（g）使用水银的人员和工作室应定期体检和测试，以便确定是否达到了受水银危害的程度。
3.2.7.1洒落和处理
有两种普通的清除洒落水银的方法：
一种是采用合适的抽气收集系统（下面将概要介绍），另一种是使水银被吸附/汞齐化于粉末上。
洒落的水银应立即清除掉。
操作员应戴上PVC手套或防护手套、防护镜，如果洒落的量很大，还应戴上有水银蒸汽滤芯的防毒面具。
根据洒落汞滴的大小，大的可以用真空系统收集；
然后用吸附工具除掉小的水银滴。
用吸附工具是绝对必要的。
因为在洒落过程中，有大量直径小于0.02mm的小水银滴粘在表面、不能用真空系统有效地去掉。
在抽气收集系统中，有一个长颈玻璃瓶，瓶里放约3cm深的水，用一根细塑料管插入玻璃瓶内、直插到水面下，水银就是通过这根管子吸掉的。
另一直径较粗的塑料管一头插入瓶中水面的上方，另一头接真空吸尘器或真空泵。
瓶中的水可以防止水银蒸汽或水银滴被吸入真空吸尘器或真空泵中。
然后，将这些含水银的脏物装入一个贴有标签的塑料容器内待处理。
吸附材料有各种可用来吸附水银或使之汞齐化的化合物，其中包括锌粉、硫华以及活性炭。
市场上可以买到清除洒落水银的配套工具。
把粉撒在洒落的水银上，以便吸附水银或成为汞齐。
把用过的粉扫起来，并放入贴有标签的塑料容器内，以待处理。
收集起来的水银可以清除掉或回收。
如何处理水银的详细方法可以咨询当地管理部门或供应商。
供应商还会提出回收和提纯方面的建议。
3.2.7.2火灾
水银不能燃烧，但可产生大量有毒浓烟。
着火后，水银蒸汽会凝结在最靠近的冷的物体表面上，污染大片区域，吸附到敞开的表面上，如炭化的木材。
火灾发生时，要撤离污染区，待在烟雾的上风方向。
要向当地消防部门报告并说明水银的数量。
3.2.7.3运输
国际航空运输协会（IATA）对水银或含水银仪器的航空运输问题有规定。
各国铁路和公路运输中对危险物品的管理一般也都有规定。
大体上，金属汞必须包装在玻璃或塑料的、容量小于2.5kg的容器内。
容器必须有有效防止破裂的软垫包装，容器上应有清楚的标签。
含有水银的仪器应包装在有很好防震能力的盒子里，盒子要防破裂和不会渗漏水银。
3.3电子气压表
最新设计的大多数气压表都使用转换器，转换器把敏感元件的响应转换为与压力相应的电气量，用两种形式的模拟信号，例如电压信号（直流电压DC、或频率与实际压力相关的交流电压AC）；
或数字信号，例如脉冲频率；
或使用标准数据通信协议，诸如RS232、RS422或IEEE488。
模拟信号可以用多种电子显示方式。
如同在自动气象站中使用的那样，监视器和数据采集器经常用于显示数字输出或经数模转换的模拟量输出。
流行的数字气压表采用了多层次的冗余技术，以便改善测量的长期稳定性和准确度。
有一种技术是在中央微处理器的控制下使用3个完全独立的工作传感器。
甚至用3个完全独立的气压表，把3套气压传感器和微处理器结合在一起，能获得更高的稳定性和可靠性。
每一种构型均有内装温度传感器进行自动温度补偿。
3重冗余技术，即使是在最挑剔的应用中，也能确保有非常好的长期稳定性和测量准确度。
这些方法都可进行连续监视和单个传感器性能的检验。
数字气压表的应用，特别是当它们用于自动气象站时，提出了一些特殊的业务要求。
为了保证有良好的实际效果，CIMO提出了正式的建议（见CIMO第11届会议简报的附件VII，1994）。
气象部门必须：
（a）在数字气压表到货后，要核对或重新调整仪器的校准参数，要定时地重复这样的操作；
（b）保证定时校准数字气压表，为此目的要调查使用国家级校准设备的可能性；
（c）考虑把某种类型的数字气压表作为移运式标准器使用；
（d）考虑在选择具体型号的电子气压表时不仅要根据所述的技术规格，还要考虑环境条件和维护设备。
制造者必须：
（a）改进数字气压表的温度不相关性和长期稳定性；
（b）采用标准化的通信接口和数据传输协议；
（c）数字气压表应能使用宽范围的直流电源电压（例如5到28VDC）。
3.3.1空盒位移传感器
膜盒位移的非接触式测量考虑作为气象用的精密气压测量仪器，是很有必要的。
已在使用的这类转换器有很多种，包括电容式位移探测器、电位器式探测器、安装在传感器关键点上的应变片和能保持传感器的大小不随压力变化的力平衡伺服系统。
所有敏感组件都必须装在一个铸件盒子里，这个盒子必须用电子控制的加热器保持恒温。
考虑必须完全防止水的凝结，有效的措施是在盒子里放除湿剂，比如硅胶，然后再用一根内径等于或小于2mm的细长塑料管（25m）连到盒子上，以防止水汽扩散到盒子里。
装气压敏感元件的盒子必须有气密性，只允许从外部连通到需要测量压力的分隔空间。
3.3.2数字压阻气压表
利用压电（压阻）效应的大气压力测量已成为可能。
通常的构型是在整块硅基板的柔性表面上形成4个电阻，互连成惠斯登电桥电路。
轴向负载的石英晶体元件用于数字压阻气压表，成为一种绝对气压转换器。
选择石英晶体是由于它的压阻特性、稳定的频率特性、小的温度影响及精确的频率复现性。
经柔性传压管加到输入口上的压力引起轴向力，形成施加在石英晶体元件上的压缩力。
因为晶体元件本质上是一个刚性薄片，整个机械结构限制在很小的偏移量之内，从而切实地消除了机械滞后。
上述非常灵敏的惠斯登电桥或者是由半导体应变片，或者由压阻元件构成。
应变片或者是贴在一个薄的圆形膜片上，膜片环绕在应变片的周围，或者是原子直接扩散到硅膜片上。
在用扩散法制作的应变片元件中，硅集成片本身就是感应压力的膜片。
所加的压力分散地作用在膜片上，进而，由膜片提供弯曲应力以及应变片产生的应变电阻。
这种应力产生与所加压力成正比的应变电阻，应变电阻导致电桥失衡。
于是电桥输出正比于加在膜片上的净压差。
这种工作模式的原理是，大气压作用在敏感元件所覆盖的抽空的小盒上，通过小盒使电阻受到压缩或拉伸应力的作用，由压电效应，电阻值的变化与大气压成正比。
为了消除温度误差，这种
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