Bài giảng thiết bị đo trên cao

• Phương pháp dùng bóng bay đưa các thiết bị quan trắc lên cao đo trực tiếp các yếu tố khí tượng nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, gió, ..., nhờ có độ chính xác cao được sử dụng một cách có hệ t

Bài 13: Thiết bị đo trên cao

• Phương pháp dùng bóng bay đưa các thiết bị quan trắc lên cao đo trực tiếp các yếu tố khí tượng (nhiệt độ, áp suất, độ ẩm, gió, ), nhờ có độ chính xác cao được sử dụng một cách có hệ thống và rộng rãi nhất tại các đài, trạm Cao không trên toàn thế giới

Vị trí các trạm mặt đất và cao không

Một số khái niệm về thám không vô tuyến

• Thám không vô tuyến (radiosonde): là

quan trắc các yếu tố khí tượng trên cao

– Thường là áp suất (p), nhiệt độ (T), độ ẩm tương đối (U) bằng máy thám không vô tuyến – Tốc độ và hướng gió trên cao cũng được quan trắc bằng cách xác định vị trí máy thám không ở các thời điểm liên tiếp khác nhau trong khí quyển bằng phương pháp vô tuyến (Các quan trắc như vậy còn được gọi là quan trắc thám không vô tuyến “nhiệt-gió”)

Một số khái niệm về thám không vô tuyến

- Máy thám không vô tuyến (máy TKVT) là:

+ Thiết bị được đưa lên cao, được trang bị những bộ phận để đo một hay vài yếu tố khí tượng (áp suất, nhiệt độ, độ ẩm tương đối…)

+ Bộ phát sóng vô tuyến để gửi những thông tin đó về trạm quan trắc (thiết bị mặt đất)

+ Máy thám không vô tuyến có thể được buộc vào bóng bay hoặc được thả xuống (có đeo dù) từ máy bay hay tên lửa (dropsonde).

- Các thiết bị mặt đất trong các thập kỉ qua:

+ Thường là các trạm ra đa (kèm các bộ xử lí)

+ Những năm gần đây các thiết bị dùng phương pháp định vị nhờ các trạm đạo hàng (dẫn đường)

• Các thiết bị mặt đất này được gọi chung là các trạm TKVT

• Chúng được đặt ở các trạm cao không hoặc synốp cao không

Một số khái niệm về thám không vô tuyến

- Máy thám không vô tuyến kết hợp với thiết bị TKVT tương ứng ở mặt

đất tạo thành hệ TKVT Hệ TKVT thường làm hai nhiệm vụ:

+ Quan trắc nhiệt độ (T), áp suất (p), độ ẩm tương đối (U) và có thể cả các yếu tố khác nữa (bằng các đầu đo trực tiếp trong máy TKVT rồi gửi kết quả về trạm mặt đất)

+ Xác định vị trí của máy TKVT trong khí quyển ở các thời điểm liên tiếp (để xác định vận tốc gió trên cao)

- Các hệ TKVT ở các trạm cao không trên khắp thế giới thường quan

trắc các yếu tố khí tượng là nhiệt độ, áp suất, độ ẩm tương đối và gió trên cao

+ Các trạm này cần được đặt theo một qui hoạch không gian cách nhau

đủ xa để tránh dư thừa lãng phí, nhưng cũng phải đủ gần để không thiếu số liệu phục vụ cho dự báo thời tiết, khí hậu và các mục đích kinh

tế, khoa học khác

+ Điểm đặt trạm TKVT phải tiêu biểu cho một khu vực rộng lớn có bán kính vài trăm kilômét mà trạm là trung tâm và đạt các yêu cầu khác như thoáng đãng v.v (theo qui phạm).

Các hệ máy TKVT và đơn vị sử dụng

trong quan trắc cao không ở Việt Nam

• Trước đây dùng các trạm TKVT của ta đều dùng

ra đa,

• Vài năm gần đây (Hà Nội từ 1996, Đà Nẵng từ

1997, TP HCM từ 1994) đã chuyển sang dùng máy thu vô tuyến kết hợp với các trạm đạo hàng (thời kì đầu dùng hệ thống các trạm đạo hàng mặt đất OMEGA, sau chuyển sang hệ vệ tinh đạo hàng GPS của Hoa Kì)

• Các máy thu vô tuyến không xác định được vị trí của bóng trong không gian như ra đa, do vậy phải nhờ các trạm đạo hàng để xác định

Các hệ máy TKVT và đơn vị sử dụng trong quan trắc cao không ở Việt Nam

MALAKHIT (kinh vĩ vô

METOKS (ra đa, ở miền

Đơn vị sử dụng trong quan trắc cao không ở

Yêu cầu về độ chính xác

• Các quan trắc TKVT thường được tiến hành đến

độ cao 35km Tuy nhiên nhiều quan trắc trên thế giới chỉ thực hiện đến 25km vì bóng và khí nhẹ cần cho việc đưa thiết bị đến những độ cao có

áp suất càng nhỏ sẽ càng đắt hơn Sai số đo T của một số loại máy TKVT không thích hợp đối với quan trắc ở những vùng áp suất thấp

• Đầu đo ẩm có độ nhạy kém trong điều kiện T và

p thấp vì thế, người ta chỉ hạn chế sử dụng số liệu đo U trong tầng đối lưu.

Yêu cầu về độ chính xác

Những yêu cầu đối với máy TKVT

Yêu cầu lắp đặt, bố trí các đầu đo:

• Do các đầu cảm ứng nhiệt được đặt trên nắp

của máy TKVT không được bảo vệ dẫn đến ảnh hưởng trực tiếp của bức xạ mặt trời tới

số đo Nên các máy TKVT hiện đại người ta

sử dụng tấm phủ bên ngoài để hạn chế ảnh hưởng của đốt nóng do bức xạ Phần mềm hiệu chỉnh bức xạ mặt trời được ứng dụng trong quá trình xử lí số liệu

Những yêu cầu đối với máy TKVT

Yêu cầu lắp đặt, bố trí các đầu đo:

Các yêu cầu chung đối với máy TKVT:

• Phải thực thi, tự động, nhẹ và gọn Máy có độ nhạy cao

vì thường là phải đo mỗi lần (tất cả các yếu tố) sau 2s, nghĩa là khoảng 10m chiều cao.

• Dễ và ổn định trong hiệu chuẩn máy

• Máy TKVT phải có khả năng truyền tín hiệu thông tin về máy thu ở mặt đất trên một khoảng cách (độ xa nghiêng)

ít nhất là 200km Điện thế của pin trong máy TKVT thay đổi theo thời gian và nhiệt độ

ƯU VIỆT CỦA PHƯƠNG PHÁP TKVT

• Máy thám không có thể đo các đại lượng vật lí đặc trưng cho

trạng thái khí quyển trên các độ cao khác nhau và truyền các thông tin đo từ xa đến các trạm quan sát trên mặt đất

• Đo đại lượng khí tượng quan trọng như nhiệt độ và độ ẩm không khí, áp suất khí quyển và mây

• Phương pháp nghiên cứu khí quyển nhờ máy thám không hiện nay được phổ biến rộng rãi nhất, đó là nhờ những ưu việt sau đây:

– Ngoài đo trực tiếp các đại lượng khí tượng nêu trên, theo các số liệu về quỹ đạo bay của máy thám không có khả năng xác định tốc độ và hướng gió.

– Thực tế, trong thời tiết bất kì (như khi trời tối, nhiều mây che khuất

máy TKVT), việc thăm dò vô tuyến là phương pháp rẻ tiền và nhận được các thông tin về trạng thái khí quyển trên cao, tới những độ cao

và độ xa lớn.

– Máy thám không là thiết bị đo chính xác nhất (so với các phương pháp như đo từ xa sử dụng sóng âm, sóng điện từ, ) đồng thời an toàn cho người quan trắc (ví dụ như khi yêu cầu nghiên cứu mây dông, bức xạ cực tím, )

ƯU VIỆT CỦA PHƯƠNG PHÁP TKVT

• Các máy thám không với cơ cấu không phức tạp lắm có thể hoạt động liên tục được trong các điều kiện “khắc nghiệt” như:

– Chênh lệch nhiệt độ không khí trong lớp thăm dò vô tuyến là 100oC và thậm chí lớn hơn,

– Áp suất giảm 100 ÷ 200 lần (từ 1000 hPa ở mặt đất đến 5 hPa ở độ cao 35km),

– Độ ẩm biến đổi từ 100% đến 0%, khi đi qua mây hoặc vùng mưa, nước, tuyết và băng có thể lọt vào thiết bị (máy) quá nhiều

• Sai số đo phải ở trong giới hạn sau: đối với áp suất ± 1hPa, đối với nhiệt độ ± 0,5oC, đối với ẩm

độ ± 5%.

CẤU TRÚC MÁY TKVT

• Có hơn 100 cấu trúc khác nhau của máy thám không đã được khai thác, song thực tế trong thăm dò vô tuyến hiện nay chỉ có một số được

sử dụng, số còn lại chỉ mang ý nghĩa lịch sử

• Thiết kế cơ bản của máy TKVT gồm 3 phần chính:

I BÓNG CAO SU SỬ DỤNG TRONG QUAN

TRẮC CAO KHÔNG

1 Giới thiệu chung

• Bóng thám không ngày nay được sản xuất

từ mủ cao su tự nhiên hoặc tổng hợp (polychlozopzen tổng hợp)

• Đường kính tối thiểu của bóng có thể đạt

độ cao vỡ bóng bằng 35km là 150cm trong trường hợp bóng không có lưu trọng thực (không tải trọng)

I BÓNG CAO SU SỬ DỤNG TRONG QUAN

TRẮC CAO KHÔNG

2 Độ cao cân bằng và độ cao vỡ bóng

• Sự vỡ bóng xảy ra vào lúc chênh lệch áp suất giữa hyđrô và không khí vượt quá lực đàn hồi của bóng

– Về lí thuyết bóng phải đạt độ cao cân bằng, tức là mức tại đó áp suất khí quyển bên ngoài gần bằng siêu áp

– Song thật ra sự vỡ của bóng pilot thám không xảy ra sớm hơn so với khi chúng đạt độ cao cân bằng

– Các thông số cơ bản ảnh hưởng đến độ cao vỡ là kích thước ban đầu của bóng, độ dãn đứt của vật liệu bóng ở nhiệt độ thấp và hệ số chất lượng (M) là chỉ số đặc trưng cho mức độ hoàn thiện của quá trình kĩ thuật sản xuất bóng.

• Đường kính tối thiểu của bóng có thể đạt độ cao vỡ bóng bằng 35km là 150cm khi M = 1 trong trường hợp bóng không có lưu trọng thực (không tải trọng) Hệ số chất lượng càng nhỏ thì độ cao bay thực tế càng nhỏ xa so với độ cao tính toán Ví dụ khi M = 0,6 độ cao giảm đi 10km.

I BÓNG CAO SU SỬ DỤNG TRONG QUAN

TRẮC CAO KHÔNG

2 Độ cao cân bằng và độ cao vỡ bóng

• Độ cao bay của bóng phụ thuộc vào:

– Vĩ độ địa lí của nơi thả,

– Các yếu tố khí hậu và trước hết là vào nhiệt độ (Ở các vĩ độ nhiệt đới có nhiệt độ trong tầng bình lưu rất thấp, bóng thường không vượt qua đỉnh tầng đối lưu ở độ cao 16 - 18km)

– Yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến độ cao vỡ bóng là vật liệu chế tạo bóng cũng như quá trình kĩ thuật sản xuất Ví dụ vào thời kì

từ 1955 đến 1966 đã cho phép tăng độ cao bay trung bình trên mạng lưới gần đạt tới 11km Những bóng sử dụng ở Việt Nam trong những năm gần đây đã nâng độ cao thám sát trung bình lên tới khoảng 29km.

I BÓNG CAO SU SỬ DỤNG TRONG QUAN

I BÓNG CAO SU SỬ DỤNG TRONG QUAN

• Trước khi dùng cần tiến hành kiểm tra bên ngoài của bóng.

– Bề mặt của bóng phải phẳng phiu, không phồng ra và không bị tác động cơ học, không có bọt, vá, và nếp gẫy

– Mẫu của bóng phải đồng nhất, không được có các đốm vàng

I BÓNG CAO SU SỬ DỤNG TRONG QUAN

TRẮC CAO KHÔNG

4 HƠI (CHẤT KHÍ) DÙNG ĐỂ BƠM BÓNG THÁM KHÔNG

Người ta dùng các hơi nhẹ nhất là hêli và hyđrô

• 4.1 Hêli

– Hêli là chất khí tiện lợi nhất cho các mục đích của cao không, vì nó không tham gia hợp chất với chất nào cả, nó không cháy, không phá hoại cao su và không độc Mật độ của hêli bằng 0,1785 kg/m3; còn sức chở riêng là 1,1143kg/m3

– Hêli tự nhiên tương đối ít gặp Hoa Kì là nước duy nhất có một lượng hêli gần như vô hạn trong lòng đất trên một diện tích rất lớn

– Song có những điều kiện tiến hành quan trắc cao không mà việc sử dụng hyđrô không đảm bảo an toàn, mà buộc phải dùng hêli, ví dụ như trên các tầu thuỷ thời tiết nghiên cứu khoa học hoặc khi làm việc với các bóng nilon (do bóng nilon và khí cầu có tính chất nhiễm điện mạnh khi bị cọ sát, nên có thể dẫn đến làm cháy hyđrô trong bóng)

• 4.2 Hyđrô

– Hyđrô là chất khí nhẹ nhất trong các khí khí quyển Mật độ hyđrô bằng 0,0899 kg/m3, còn sức chở riêng là 1,2029 kg/m3

– Do độ bay hơi lớn nên hyđrô ít gặp trong trạng thái tự do, nhưng khác với hêli,

nó có khối lượng trong thiên nhiên như thành phần của nhiều hợp chất hoá học, – Cần chú ý rằng hyđrô, đặc biệt trong hỗn hợp với không khí, là chất nổ nguy hiểm Để đảm bảo an toàn, người ta đặt ra những qui tắc nghiêm ngặt buộc những người làm việc với hyđrô phải tuân thủ

II ĐO NHIỆT ĐỘ TRÊN CAO

1 Những yêu cầu chung

• Một đầu cảm ứng nhiệt lí tưởng cần có tốc độ

cảm ứng sự thay đổi của nhiệt độ đủ nhanh

(sai số nhiệt độ trong khi chuyển động đi lên sẽ nhỏ hơn 0,10K) qua bất kì lớp nào với bề dày khoảng 1km Điều này chỉ có thể thực hiện được khi đầu cảm ứng có hệ số thời gian cảm ứng nhanh hơn 1s.

• Đầu cảm ứng nhiệt phải được thiết kế sao cho:

– Ít chịu sai số do ảnh hưởng của bức xạ Mặt Trời

– Đặc biệt là bức xạ cực tím

II ĐO NHIỆT ĐỘ TRÊN CAO

1 Những yêu cầu chung

• Bộ cảm nhiệt được thiết kế chắc chắn để chịu đựng sự rung lắc trong khi thả và ổn định để đảm bảo hiệu chuẩn chính xác sau vài năm lưu kho.

• Loại cảm ứng nhiệt thường được sử dụng đó là:

– thermistors (bán dẫn thạch anh),

– Điện trở dây

– cảm ứng capacitive (nhiệt dung),

– cảm ứng lưỡng kim (bimetalic sensors)

– cảm ứng cặp (đôi) nhiệt (thermocouples)

• Tốc độ cảm ứng của bộ cảm ứng thường được đo bằng thời gian cảm ứng τ (tài liệu cao không)

• Thời gian cảm ứng của đầu cảm ứng nhiệt độ làm từ một chất liệu

II ĐO NHIỆT ĐỘ TRÊN CAO

Các loại đầu đo nhiệt độ

Bán dẫn thạch anh Điện dung Điện trở dây Cặp nhiệt điện Lưỡng kim

II ĐO NHIỆT ĐỘ TRÊN CAO

2 Các loại đầu đo nhiệt độ

a Đầu cảm nhiệt bán dẫn thạch anh

• Cấu tạo: Bộ cảm biến được làm bằng thạch anh

• Nguyên lý hoạt động: Sự biến đổi của điện trở điện trở bán dẫn phụ thuộc vào

nhiệt độ Điện trở tăng lên rõ rệt theo sự giảm nhiệt độ theo quy luật hàm số mũ

• Nhiệt điện trở vẫn được dùng làm cảm biến nhiệt độ trong nhiều máy thám không

chẳng hạn như ở Liên xô (cũ) và Hoa Kì

b Bộ cảm ứng nhiệt điện dung

• Cấu tạo: Bộ cảm ứng nhiệt dung thường được chế tạo từ vật liệu gốm (thạch anh)

có hằng số điện môi thay đổi với nhiệt độ

– Hằng số điện môi của nó có hệ số nhiệt độ khoảng 10 -2 / o C

– Hệ số nhiệt sẽ dương ở nhiệt độ thấp hơn điểm Curie (một nhiệt độ đặc biệt đặc trưng

cho vật liệu) – Âm khi nhiệt độ cao hơn điểm Curie

• Nguyên lý hoạt động: Sự biến đổi của điện trở điện trở bán dẫn phụ thuộc vào

nhiệt độ Các đầu cảm ứng này thường phần lớn có đường kính khoảng 1,2mm Các đầu cảm ứng mới được thiết kế với D ~ 0,1mm Đầu cảm ứng nhỏ này có tốc

độ cảm ứng cao hơn và sai số do đốt nóng bức xạ sẽ nhỏ hơn nhiều so với các đầu cảm ứng có kích thước lớn hơn

II ĐO NHIỆT ĐỘ TRÊN CAO

2 Các loại đầu đo nhiệt độ

c Điện trở dây

• Cấu tạo: Được làm từ dây kim loại

• Nguyên tắc hoạt động: của nhiệt kế điện trở dựa trên cơ sở tính chất của kim loại biến đổi điện trở (R) khi biến đổi nhiệt độ (t) Đối với đa số các kim loại Khi tăng t(0C) thì điện trở R(ôm) cũng tăng lên

• Đầu đo loại này có ưu điểm là:

– Độ ổn định hiệu chuẩn cao và cảm ứng tuyến tính với thay đổi nhiệt độ

– Đầu cảm ứng mỏng có thể cảm ứng rất nhanh

– sai số bức xạ nhỏ nếu hấp thụ bức xạ mặt trời của dây điện trở thấp

– Đầu cảm ứng bằng sợi tungsten với đường kính 13,5 µ m có thể làm việc hiệu quả trong 10 năm

• Đầu đo loại này có Nhược điểm là:

– các đầu cảm ứng mỏng sẽ gặp khó khăn trong những điều kiện thả phức tạp

– Do quá trình đốt nóng do bức xạ mặt trời trong tầng bình lưu khá mạnh làm cho sợi tungsten hấp thụ bức xạ nhiều hơn, dẫn đến sai số.

II ĐO NHIỆT ĐỘ TRÊN CAO

2 Các loại đầu đo nhiệt độ

d Bộ cảm ứng cặp nhiệt điện (thermocouples)

• Cấu tạo: trong bộ cảm ứng này các dây với đường kính

0,05mm được sử dụng để tạo nên mối nối cặp nhiệt ngoài và điều đó cho phép đầu cảm ứng có tốc độ cảm ứng rất nhanh

• Bộ chuẩn cặp nhiệt điện được đặt trong máy thám không trong môi trường nhiệt độ khá ổn định Một điện trở bọc đồng được sử dụng để đo nhiệt độ chuẩn

• Nguyên tắc hoạt động: của bộ cảm ứng loại này là sử

dụng hiệu ứng pin nhiệt điện để đo nhiệt độ thông qua việc đo dòng nhiệt điện.

II ĐO NHIỆT ĐỘ TRÊN CAO

2 Các loại đầu đo nhiệt độ

e Bộ cảm ứng lưỡng kim

• Cấu tạo: Lưỡng kim là một tấm gồm hai lớp kim loại hoặc hợp kim khác nhau có hệ số dẫn nhiệt khác nhau cơ bản

• Nguyên lý hoạt động: Tấm lưỡng kim bị cong đi khi thay đổi nhiệt độ và

có dạng mặt trụ Nếu nhiệt độ tăng, lớp có hệ số dẫn nhiệt nhỏ sẽ ở bên trong mặt trụ Sự thay đổi độ cong của lưỡng kim chính là thước đo nhiệt

độ Người ta dùng hợp kim niken, sắt và đồng để làm cảm biến lưỡng kim.

• Bộ cảm ứng lưỡng kim chuẩn vẫn được sử dụng có dạng xoắn (có độ dày 0,1 – 0,5mm) đặt trong ống bảo vệ ở một bên của máy thả Bộ cảm ứng loại này được sử dụng trong các máy thám không truyền mã với bộ nối cơ học từ bộ xoắn lưỡng kim sang trống tín hiệu

• Loại cảm ứng nhiệt và máy thả này được sử dụng rộng rãi trước đây ở nhiều nước Nó được thay phần lớn do có độ nhạy cảm ứng chậm và sai

số bức xạ lớn đặc biệt ở các mức áp suất thấp hơn 20hPa Sai số nhiệt độ

do độ trễ nhiệt của cảm ứng lưỡng kim thường rất lớn để có thể bỏ qua (>0,30K) ngay cả trong tầng đối lưu.