Вимірювання і реєстрація температури повітря і ґрунту на метеорологічних станціях.

Вимірювання температури повітря. На метеорологічних станціях вимірюють середні значення температури (період осереднення декількох хвилин) невеликого шару повітря (товщиною 10 – 20 см), середина якого розташована на висоті 2 м від поверхні землі.

Автономні прилади і датчики, які застосовуються для вимірювання температури повітря, повинні мати радіаційний захист, в достатній мірі послаблений вплив прямої сонячної радіації на їхні чутливі елементи, або міститися в захисних пристроях. На метеорологічних станціях прилади, призначені для вимірювання і реєстрації температури повітря, установлюють на метеорологічній площадці в захисних будках.

Термометри установлюють в захисній (психрометричній) будці (рис.2.21). Три стінки і дверцята будки зроблені з подвійних жалюзі. Пластинки жалюзі закріплюються на відстані 25 мм одна від іншої під кутом 45° до вертикалі стінки. Жалюзі захищають термометри, установлені в будці, від попадання на них прямих сонячних променів і разом з тим забезпечують вільний доступ повітря. Стеля будки зроблена суцільною, дно складається з трьох дощок; середня дощечка закріплена трохи вище двох інших і перекриває зазор між ними. Над стелею будки для зменшення її нагрівання закріплена стріха, що має невеликий скат. Внутрішні розміри будки: висота 525 мм, ширина 160 мм, глибина 290 мм. Всередині будки до середньої дощечки полу закріплений залізний штатив, на якому установлюються два психрометричних термометра (сухий – ліворуч і змочений – праворуч) і між ними за допомогою гвинтів закріплюється волосяний гігрометр. В нижній частині штатива на залізних лапках лежать максимальний і мінімальний термометри. На нижній перекладині штатива є кільце, в яке вставляється психрометричний стаканчик з водою. Для зменшення нагрівання будку фарбують в білий колір.

Рис.2.21 Прилади в захисній психрометричній будці

Будка установлюється на дерев’янних або металевих стойках (рис.2.22) і прикріплюється залізними косинцями або планками.

Для вимірювання температури повітря суворо на одній і тій же висоті (2 м) будку установлюють так, щоб резервуари термометрів були на висоті 2 м від поверхні ґрунту.

Взимку в місцях, де сніговий покрив досягає висоти більше 1 м, потрібно мати запасну підставку висотою 2,75 м і драбинку відповідних розмірів. На цій підставці установлюють будку, коли висота снігового покриву буде приблизно 1 м. Влітку необхідно слідкувати за тим, щоб трава під будкою підрізалася.

Будка орієнтується дверцятами на північ, з тим щоб під час проведення вимірів сонячні промені не могли попасти на термометри.

Рис.2.22 Захисна будка на метеорологічній площадці

На полярних станціях, де сонце може знаходитися і в північній частині неба, ці заходи не завжди дійові. В цих випадках спостерігачам при проведенні вимірювань потрібно стати так, щоб затінювати термометри.

Біля будки установлюється драбинка, з якої спостерігачу зручно робити відліки. Стойки і драбинка установлюються на закопаних в землю стовпчиках.

Для освітлення приладів під час вимірювань на стелі будки (поблизу дверці) установлена лампочка (з екраном до спостерігача). Для уникнення нагрівання повітря в будці і приладів, які знаходяться всередині будки, допускається застосування лампочок потужністю не більше 25 Вт, а вмикати їх потрібно тільки на час відліку.

В другій захисній будці (рис.2.23) на метеорологічній площадці (рис. 1.3) установлюється термограф і гігрограф. Ця захисна будка відрізняється від психометричної тільки трохи більшими розмірами (внутрішні розміри 605 × 460 × 460 мм); їх конструкція, спосіб установки і орієнтування відносно сторін світу аналогічні. Всередині будки закріплюються дві полки. Нижня, на якій установлений термограф, розташована так, що чутливий елемент (біметал) термографа знаходиться на висоті 2 м від поверхні землі (на верхній полці установлений гігрометр).

Рис.2.23 Самописи в захисній будці

Деякий запас стрічок для термографа потрібно зберігати в будці біля приладу, з тим щоб стрічка знаходилась в однакових умовах з ним і не деформувалася при нагріванні її на барабан.

Зміна стрічок на термографі відбувається в такому порядку.

Відкривають кришку термографа, відводять стрілку з пером і знімають барабан з осі. У верхньому куті кінця знятої стрічки записують час (з точністю до однієї хвилини), коли зроблена остання відмітка. Вивільнюючи стрічку, знімають її з барабану. Беруть нову стрічку, на зворотній стороні якої повинно бути надписано пункт спостережень і дата, коли ставиться стрічка, і накладають її на барабан так, щоб вона щільно до нього дотикалася, а нижній обріз стрічки впритул упирався у виступ барабана. Лівий край стрічки накладають на правий. Горизонтальні лінії на обох кінцях стрічки повинні співпасти. У верхньому лівому куті нової стрічки відмічають час початку запису (з точністю до однієї хвилини) і одягають барабан на вісь.

Барабан установлюють так, щоб положення пера відносно шкали стрічки відповідало часу установки. Барабан при цьому можна обертати в будь-якому напрямку, але останній поворот при остаточній установці барабана в потрібному положенні повинен робитися проти годинникової стрілки (для вибірки люфтів).

Присувають аретир так, щоб перо доторкнулося до стрічки, одягнутій на барабан. При цьому від пера на стрічці повинен залишитися слід. Потім закривають кришку термографа.

При погіршенні якості запису перо потрібно зняти, промити спиртом або водою, добре обтерти і, прочистити кусочком щільного паперу розщіп пера, знову насадити на стрілку і наповнити перо чорнилами. У випадку необхідності перо замінюють.

Перо повинне бути насаджено на стрілку так, щоб відстань від осі обертання важеля до кінчика пера (радіус обертання пера) дорівнювала б радіусу вертикальних кривих на стрічці. Для перевірки правильності насадки пера стрілку з пером за допомогою регульованого ключа (або гвинта) переміщують по всій шкалі стрічки. Описана пером дуга повинна бути паралельна дугам шкали стрічки. Після такої перевірки перо за допомогою ключа установлюють відносно шкали стрічки в положення, яке відповідає практичному значенню температури повітря (за показаннями сухого термометра психрометра). Періодично потрібно контролювати ступінь притиску пера до барабану. При дуже великому притиску виникає велике тертя між пером і стрічкою; при зміні температури переміщення пера по вертикалі відбувається скачкоподібно і запис виходить ступінчастим. При недостатньому притиску стрілки з пером вона може відключитися від барабану – запис перерветься. Ступінь притиску визначають, нахиляючи термограф на 30 - 40°С в ту сторону, де розташоване перо. При правильному притиску пера воно повинне при цьому відходити від стрічки. Якщо притиск дуже великий (неостаточний), його потрібно зменшити (збільшити).

Для обробки запису на стрічці самописа необхідно розрахувати поправки, які отримують на основі одночасних визначень температури повітря по психрометричному термометру в будці і за записом термографа вісім разів на добу і під час установки, і зняття стрічки. Моменти вимірювання температури в строки відмічаються на стрічці рисками, які перетинають температурну криву. Ці відмітки робляться натиском кнопки, яка знаходиться на задній стінці (або з лицьової сторони) термографа.

На рис.2.24 наведений відрізок стрічки термографа з обробленим записом.

Рис.2.24 Зразок запису на стрічці термографа

Обробка запису проводиться таким чином. Для кожної години з точністю до 0,1°С, записують їх в нижній частині стрічки у відповідних годинних ординат (верхній рядок). Потім для термінових годин виписують на стрічку значення виправлених показань психрометричного термометра і обчислюють різницю між ними і температурою в термінові години за записом на стрічці. Ці різниці є поправками до значень температури в термінові години, отримані за записом на стрічці.

За значеннями цих поправок та їх зміні (різниці) за відрізок часу між кожними сусідніми терміновими годинами обчислюють поправки для значень температури, отриманих за записом на стрічці в кожну цілу годину. Ці поправки записуються на стрічці (середній рядок) і потім добавляються до значень температури, раніше отриманих за записом на стрічці (верхній рядок). Отримані таким чином виправлені значення температури для кожного часу записуються в нижній рядок.

На станціях обчислення поправок в міжстрокові години роблять за допомогою таблиць поправок.

Вимірювання температури ґрунту. На метеорологічних станціях проводять вимірювання температури поверхні ґрунту і на глибинах до 3,2 м. Температуру ґрунту на поверхні визначають за допомогою лежачих на ній рідинних термометрів: термінового, максимального і мінімального. Термометри кладуть на незатіненій оголеній площадці розміром 4 × 6 м. Весною площадка перекопується на глибину 25 – 30 см, вирівнюється і розрихлюється; надалі систематично прополюється. В теплий час року термометри установлюються в центрі площадки так, щоб резервуар і зовнішня оболонка їх заглиблювались наполовину в ґрунт. Установлювати термометри потрібно резервуарами на схід на відстані 5 – 6 см один від одного: перший - з півночі, терміновий, а потім мінімальний і за ним максимальний.

При наявності снігового покрову всі три термометри кладуть таким же чином на поверхню снігу. В ясні літні дні мінімальний термометр після строку 07 год убирають в тінь і знову установлюють за півгодини до строку 19 год. Це обумовлено тим, що при сильному нагріванні сонячними променями і наступним охолодженням, через дистиляцію спирту у верхню частину капіляру, термометр почне давати заниженні показання.

Прийнятий метод визначення температури поверхні ґрунту не досконалий, тому проводяться роботи з покращання методики цих спостережень.

Вимірювання температури ґрунту проводиться в окремих точках на глибинах 2, 5, 10, 15, 20, 40, 80, 120 і 240 або 320 см термометрами опору або ж на глибинах 5, 10, 15 і 20 см колінчатими термометрами (Савінова), а на глибинах 20 см і більше - витяжними ртутними термометрами (установка ТПВ-50) або термометрами опору (установка Т-54-2).

Колінчаті термометри (Савінова) установлюються на теплий період року (після сходу снігового покрову до зниження температури ґрунту на глибині 5 см нижче 0°С) на тій же площадці, де установлюються термометри для спостережень за температурою поверхні ґрунту. Їх установлюють в середині площадки на 20 см до заходу від термометрів, які лежать на поверхні ґрунту. Частини колінчатих термометрів, що виступають із землі, повинні розташовуватися в ряд по наростаючих глибинах (5, 10, 15, 20 см) в напрямку із сходу на захід, причому резервуари їх повинні бути звернені на північ. Відстань між термометрами повинна бути приблизно 10 см.

При установці термометрів в ґрунті робиться канавка (виїмка) довжиною 40 см і шириною 25 – 30 см з однією вертикальною стінкою (на північ). Канавка напрямляється не точно по лінії схід – захід, а з відхиленням від цієї лінії до півночі приблизно на 30° (рис.2.25).

Вздовж виїмки кладуть пряму рейку, відмічають від нижньої її поверхні глибину, на якій повинен бути установлений термометр, і роблять в стрімкій стінці горизонтальне заглиблення самим резервуаром термометра. Кожний термометр всувають резервуаром в ґрунт до самого вигину (при цьому слідкують, щоб ґрунт щільно прилягав до резервуару термометра) і частково засипають його землею. Після установки всіх термометрів канавку засипають врівень з поверхнею ділянки. Для стійкості термометрів їхні виступаючі частини над ґрунтом підпирають рогаткою.

Рис. 2.25 Установка колінчатих термометрів в ґрунт

Установка ТПВ-50 розміщується на відкритій площадці з природним покривом. Труби розташовуються в один ряд на відстані 50 см одна від іншої по зростаючій глибині в напрямку зі сходу на захід. (рис.2.26).

Рис.2.26 Розміщення установки ТВП-5 на метеорологічній площадці

Установка труб в ґрунті робиться у вертикальних шпарах відповідної глибини, проритих за допомогою бура. Частину труби, що знаходиться над ґрунтом, закріплюють за допомогою дротових відтягнень. Наземна частина труб в районах з висотою снігового покрову більше 50 см повинна бути 1 м і 40 см в районах з висотою снігового покрову мене 50 см.

Щоб при спостереженнях по витяжних термометрах не порушувати навколо них стан поверхні ґрунту, робиться відкидний міст, з якого проводять вимірювання. Цей поміст установлюють з північної сторони ряду витяжних термометрів, на відстані 30 см від них, на одному рівні з верхніми кінцями труб витяжних термометрів або трохи нижче їх (між вимірюваннями дошка помосту повинна знаходитися у вертикальному положенні).

Необхідно слідкувати, щоб в труби не попадала вода. Для контролю термометр в нижній частині обертають куском промокального паперу і прив’язують його ниткою. Потім, опустивши на деякий час термометр в трубу, виймають його, дивляться, чи нема води на промокальному папері. У випадку появи тріщин в трубі необхідно їх замазати або замінити трубу новою.

З часом мідні ошурки, які оточують резервуар витяжного термометра, поступово злежуються, ущільнюються і тиснуть на резервуар термометра. Внаслідок цього точка нуля витяжного термометра може зміщуватися (підвищуватися) більше, ніж у інших термометрів. При перевірці точки нуля термометри не винімають з оправ, а тільки знімають з палок. Витяжні термометри разом з оправою заглиблюють в сніг (лід, який тане), закриваючи снігом і оправу. Через годину, не вині маючи термометр із снігу, очищують частину шкали біля 0° і роблять відлік точки нуля.

Монтаж установки М-54-2 на метеорологічній площадці. Датчики установлюють на площадці з природним покровом. Для установки термометрів на глибинах 5, 10, 15, 20 і 40 см на ділянці робиться виїмка ґрунту довжиною 40 см, шириною 25 – 30 см і глибиною 40 см з однієї строго вертикальної стінки, зверненої на південь. У виїмці за допомогою стриженька підготовлюють шість горизонтальних отворів, в які вставляються датчики. З’єднувальний кабель від кожного датчика повинен укладатися горизонтально на одній глибині з ним на протязі не менше 30 см. Межа виїмки відмічається кілочками, і виїмка засипається раніше вибраним з неї ґрунтом. На глибинах 80, 120, 160 і 320 см датчики установлюються вертикально в скважинах, підготовлених ґрунтовим буром. Для кожного датчика робиться окрема скважинах. Скважини повинні розташовуватися по лінії схід – захід на відстані 50 см одна від одної. Кожний датчик опускається в скважину на відповідну глибину. Після його заглиблення вільний простір скважини засипається землею.

Кабель на всьому протязі до місця вводу його в приміщення потрібно зарити в землю на глибину не менше 20 см. Вимірювальний пульт установлюється в приміщенні на столі, в добре освітленому місці.

При виході з ладу одного з датчиків його потрібно замінити запасним. Кабель датчика, який вийшов з ладу, відрізують в 10 – 20 см від місця його розгалуження від з’єднувального кабелю і до місця відрізу приєднують кабель нового датчика (припаюючи їх кінці). Місце пайки необхідно ретельно обернути ізоляційною стрічкою, а зверху додатково промазати резиновим клеєм. Оболонку кабелю в місці пайки також необхідно обмотати ізоляційною стрічкою і два-три рази промазати резиновим клеєм, просушуючи після кожного разу. Потім новий датчик поміщають в ґрунт замість вибулого з ладу. Надалі при обчисленні температури в цій точці потрібно користуватися паспортними даними заново установленого датчика.

Контроль справності окремих термометрів здійснюється тільки шляхом аналізу розподілу температури по глибинам на основі середніх декадних і середніх місячних значень. Повторні повірки датчиків важко здійснені (важко виймати їх з ґрунту), але у кожному випадку при вилучені датчиків їх потрібно перевірити в точці 0°, помістивши в лід, який тане, або сніг.

Мерзлотомір АМ-21 (рис.2.17). Мерзлотомір служить для визначення глибини промерзання ґрунту. Він випускається в декількох модифікаціях, призначених для різних районів (в залежності від глибини промерзання ґрунту).

Рис.2.27 Мерзлотомір: 1 – захисна труба; 2 – ковпачок з кільцем; 3 – резинова трубка; 4 – шнур; 5 і 6 - пробки

Основними частинами мерзлотоміра є водонепроникна, закрита з нижнього кінця пластмасова труба 1, вертикально установлена на деякій глибині в ґрунті, і резинова трубка 3, що знаходиться всередині її. На трубі 1 і трубці 3 нанесені шкали з ціною поділки 1 см. На трубі 1 шкала нанесена у верхній частині з нулем на 40-м або 100-м см від верхнього кінці, на трубці 3 – по всій її довжині з нулем у верхнього кінця.

Труба 1 установлюється в ґрунт, в заздалегідь підготовлену скважину (як це роблять при установці труб ТПВ-50), закритим кінцем вниз на глибину, при якій нуль шкали співпадає з поверхнею ґрунту. По цій шкалі визначають висоту шару снігу біля мерзлотоміра. Резинова трубка 3 заповнюється водою і з обох кінців закривається капроновими пробками, в яких закріплений шнур 4, що проходить через всю трубку. На шнурі всередині трубки є вузли, перешкоджаючі переміщенню вздовж трубки утвореного в ній стовпчика льоду. Верхній кінець трубки за допомогою шнура прикріплюється до ковпачка 2 з кільцем. Ковпачок щільно закриває трубу 1 і охороняє її від попадання опадів. На шнурі закріплені також теплоізоляційні пробки 5. Ковпачок і пробки перешкоджають теплообміну трубки 3 з повітрям. Трубка 3 може також скріплюватися ковпачком за допомогою стержня з пластмаси або дерева (подібно витяжним термометрам).

По довжині шнур між ковпачком і верхнім кінцем трубки дорівнює верхній частині труби 1, що виступає над поверхнею ґрунту. Тому, коли мерзлотомір правильно зібраний і установлений, верхній кінець трубки 3 знаходиться на рівні поверхні ґрунту.

Спостереження за мерзлотоміром починають з момента початку заморозків і проводять на протязі всієї зими до повного відтанення ґрунту. При визначенні глибини промерзання ґрунту резинову трубку 3 витягують за кільце ковпачка 2 з труби 1 і двома пальцями прощупують трубку зверху вниз, визначаючи межі стовпчика льоду в трубці. По поділкам шкали на поверхні трубки, які співпадають з цими межами, визначають глибину залягання і товщину шару мерзлоти в ґрунті. При цьому, природно, передбачається, що розподіл температури в ґрунті такий же, як в мерзлотомірі, і що точка замерзання ґрунтової води і води в мерзлотомірі одна і та ж (тому і рекомендується заповняти трубку мерзлотоміра ґрунтовою водою). Для більшості ґрунтів вимірювання глибини промерзання цим мерзлотоміром дають цілком задовільні результати.

Контрольні запитання:

1. Які бувають температурні шкали?

2. Від чого залежить коефіцієнт інерції?

3. Які бувають види термометрів?

4. З яких основних частин складаються скляні рідинні термометри?

5. Дайте поняття біметалевих термометрів.

6. В чому полягає принцип дії термометрів опору?

7. Яким приладом вимірюють температуру ґрунту?

8. Що собою являють термоелектричні термометри?

9. Які термометри і як розміщені на метеоплощадці?

10. Для чого потрібний термограф?

11. Як проводиться обробка стрічок термографа?

12. На яких глибинах вимірюють температуру ґрунту?

13. Для чого служить мерзлотомір?

14. В чому полягає перевага термометрів опору перед рідинними термометрами?

15. Яким термометром вимірюють температуру повітря, якщо вона нижче -50°С і чому ним?

Дата добавления: 2015-10-13