Bài 3
THIẾT BỊ ĐO KHÍ ÁP


I Bản chất của khí áp
và các đơn vị đo
Khái niệm
Khí quyển là một lớp không khí bao quanh Trái đất.
Khí quyển của Trái đất, nhờ trọng lượng của nó tác động một áp lực lên bề
mặt Trái đất
Áp lực đó bằng trọng lượng của một cột không khí thẳng đứng có thiết
diện ngang là một đơn vị diện tích ở trên bề mặt Trái đất và kéo dài tới
giới hạn trên của khí quyển.


I Bản chất của khí áp
và các đơn vị đo
Lịch sử phát triển
Torricelli (1643) đã chứng minh sự tồn tại của khí áp bằng việc ông đã đo
được nó nhờ một dụng cụ ông tự chế tạo, được gọi là khí áp kế.
Năm 1848, người ta phát minh thêm khí áp kế hộp dùng để đo khí áp.
Đơn vị đo
Điều kiện tiêu chuẩn của phép đo khí áp, đó là điều kiện nhiệt độ bằng 0 0C
và gia tốc trọng trường bằng 9,8065m/s2.
Đơn vị của khí áp thường được dùng rộng rãi là: mmHg, miliba (mb),
Pascal (Pa), hecto Pascal (hPa)
(1hPa = 1 mb = 100Pa = 0,750062mmHg = 0,02953 inchHg; 1Pa = 1N/m2 )


II Nguyên lí hoạt động của thiết
bị đo khí áp

Thường dùng các dụng cụ khác nhau, hoạt động của chúng dựa trên ba
nguyên tắc vật lí cơ bản sau:
1. Khí áp kế thủy ngân hoạt động dựa trên sự cân bằng trọng lượng của
cột thuỷ ngân với khí áp (định luật thuỷ tĩnh);
2. Khí áp có thể cân bằng với màng của một hộp kim loại rỗng được làm
căng phồng lên bằng lò xo.
3. Nhiệt độ sôi của chất lỏng phụ thuộc vào khí áp.


III Khí áp kế Thủy ngân
Gồm các loại sau:
• Khí áp kế KEW
• Khí áp kế Fortin


III Khí áp kế Thủy ngân
1 Khí áp kế KEW
a. Cấu tạo
Chậu gồm ba phần vặn khớp với nhau,
+ Phần đáy chậu: Nơi chứa thủy ngân
+ Phần giữa có vách ngăn (3), trên vách ngăn
có các lỗ thủng (4) để làm giảm mức độ sánh
của thuỷ ngân và giữ cho không khí khỏi lọt vào
trong ống thuỷ tinh.
+ Phần mặt trên của chậu:
• Khoảng trống trên mặt thuỷ ngân được coi là
chân không (10-3-10-4mmHg)
• Mặt thuỷ ngân trong chậu được thông với
không khí bên ngoài nhờ lỗ nhỏ (5) trên nắp
chậu. Lỗ thông khí này luôn được đậy bằng một

ốc có vòng đệm bằng da.
Điểm 0 của thang độ là mực thủy ngân trong
chậu của khí áp kế.


III Khí áp kế Thủy ngân
1 Khí áp kế KEW
a. Cấu tạo
ống thuỷ tinh (1) dài khoảng 80cm đầu trên hàn
kín, Đầu dưới được gắn vào nắp chậu (2) bằng
nhựa cứng hoặc gang. Thang độ (6) khắc trên vỏ
bọc (7) bằng thau bao quanh suốt chiều dài của
ống.
Ở phần vỏ bọc ghi thang độ có hai khe rộng (8)
để nhìn được đầu cột thuỷ ngân trong ống thuỷ
tinh. Trên hai khe này có lắp một vòng mang con
chạy (9) (Trên con chạy khắc 10 vạch chia)
chuyển dịch lên xuống được nhờ ốc vặn (10).
Ở phần nửa dưới của vỏ bọc có gắn một nhiệt
kế thuỷ ngân (11) để đo nhiệt độ của thuỷ ngân
trong khí áp kế.


III Khí áp kế Thủy ngân
1 Khí áp kế KEW
b. Nguyên tắc hoạt động
Khí áp kế thủy ngân hoạt động dựa trên sự cân
bằng trọng lượng của cột thuỷ ngân với khí áp:
Áp suất khí quyển tác động lên bề mặt thủy ngân
để hở trong chậu sẽ cân bằng với trọng lượng cột

thỷ ngân trong ống khí áp kế


III Khí áp kế Thủy ngân
1 Khí áp kế KEW
c. Cách sử dụng
Sự thay đổi của khí áp theo theo phương ngang là không lớn, vì vậy, tại
trạm khí tượng, trị số khí áp ở trong và ngoài phòng làm việc được coi là
như nhau. Vì vậy, khí áp kế được đặt trong phòng làm việc
Không được đặt khí áp kế gần cửa sổ và cửa ra vào để tránh những tác động
do va chạm.
Phải đặt khí áp kế cách xa các nguồn nhiệt như nơi có ánh nắng Mặt trời trực
tiếp chiếu vào, các lò sưởi để tránh ảnh hưởng tới số chỉ của khí áp kế.
Để soi sáng khí áp kế khi quan trắc, có thể dùng đèn pin hoặc bóng đèn công
suất không quá 25W và chỉ được bật đèn sáng trong khi quan trắc


III Khí áp kế Thủy ngân
1 Khí áp kế KEW
d. Trình tự quan trắc :
- Đọc nhiệt độ trên nhiệt kế phụ của khí áp kế chính xác tới 0,1 0C;
- Dùng ngón tay gõ nhẹ vào thành ống để cho lượng
thuỷ ngân dồn hết xuống dưới đáy
- Vặn cho con chạy vượt lên khỏi mặt thuỷ ngân trong
ống thuỷ tinh rồi vặn dần cho con chạy dịch chuyển
xuống và dừng tại vị trí hai đáy của con chạy tiếp tuyến
với đỉnh cột thuỷ ngân;
- Đọc trị số khí áp chính xác tới 0,1mb.



III Khí áp kế Thủy ngân
2 Khí áp kế Fortin
a. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động


2 Khí áp kế Fortin
a. Cấu tạo
Khí áp kế Fortin là loại khí áp kế thuỷ ngân kiểu chậu
Chậu khí áp kế gồm có ba bộ phận chính:
• Túi da phía dưới có vít điều chỉnh mực thủy ngân(12)
• Vách ngăn là một ống thuỷ tinh (7)
• Đỉnh chậu có đầu kim ngà (1) dùng làm mực chuẩn chỉ điểm 0 của thang độ
khí áp kế.
Các phần của chậu được nén lại với nhau bằng các bulông
Thuỷ ngân trong chậu được cách li với các bộ phận bằng kim loại khác nhờ
những nắp bằng gỗ để tránh các phản ứng hoá học


III Khí áp kế Thủy ngân
2 Khí áp kế Fortin
a. Cấu tạo
Chậu được gắn vào ống kim loại có khe hở (dọc thành ống). Ống này mang
thang độ khí áp kế, nhiệt kế
Độ chính xác của cột thuỷ ngân được xác định bằng du xích vernier lắp ở
phần khe hở phía trên của ống kim loại.
Du xích vernier được lắp trên mọi khí áp kế thuỷ
ngân

Hình 3.4. Du xích Verniê



III Khí áp kế Thủy ngân
2 Khí áp kế Fortin
a. Cấu tạo
Khi đọc khí áp kế, mép dưới của du xích vernier (vạch 0 của thang vernier)
được đưa tới sát đỉnh cột thuỷ ngân.
Nếu thấy vạch 0 của du xích vernier ở giữa hai độ
chia của thang chính, người ta sẽ ghi độ chia nào
của thang vernier trùng khớp với độ chia của
thang độ chính.

Hình 3.4. Du xích Verniê


III Khí áp kế Thủy ngân
1 Khí áp kế Fortin
b. Nguyên tắc hoạt động
Khí áp kế thủy ngân hoạt động dựa trên sự cân bằng trọng lượng của cột
thuỷ ngân với khí áp:
Áp suất khí quyển tác động lên bề mặt thủy ngân để hở trong chậu sẽ cân
bằng với trọng lượng cột thỷ ngân trong ống khí áp kế


III Khí áp kế Thủy ngân
2 Khí áp kế Fortin
c. Cách sử dụng
Khí áp kế Fortin được đặt trong hộp bảo vệ treo trên một cột gỗ hoặc tường
nhà sao cho mực 1000mb trên thang độ cách nền nhà 1,4-1,5m
Chậu khí áp kế ở vị trí tự do, không chạm vào thành hộp bảo vệ.
Các ốc vít ở vòng ôm chậu khí áp kế được vặn đến mức vừa chạm tới thành

ngoài của chậu.
Không được đặt khí áp kế gần cửa sổ và cửa ra vào để tránh những tác động
do va chạm.
Phải đặt khí áp kế cách xa các nguồn nhiệt như nơi có ánh nắng Mặt trời trực
tiếp chiếu vào, các lò sưởi để tránh ảnh hưởng tới số chỉ của khí áp kế.
Để soi sáng khí áp kế khi quan trắc, có thể dùng đèn pin hoặc bóng đèn
công suất không quá 25W và chỉ được bật đèn sáng trong khi quan trắc


III Khí áp kế Thủy ngân
2 Khí áp kế Fortin
d. Trình tự quan trắc :
- Đọc nhiệt độ trên nhiệt kế phụ của khí áp kế;
- Dùng ngón tay gõ nhẹ vào thành ống bảo vệ
- Vặn ốc điều chỉnh ở đáy chậu để nâng mực thuỷ ngân trong chậu lên vừa
chạm tới đầu mũi kim ngà;
- Xoay núm vặn ở phía trên để đưa vị trí hai mép dưới của con chạy về tiếp
tuyến với đỉnh cột thuỷ ngân trong ống thuỷ tinh để đọc trị số khí áp (cách
đọc như đối với khí áp kế KEW);
- Cuối cùng nới ốc điều chỉnh ở đáy chậu khí áp kế để đưa mực thuỷ ngân
trong chậu xuống thấp hơn đầu mũi kim ngà.


III Khí áp kế Thủy ngân


III Khí áp kế
3 Hiệu chính số đọc của khí áp kế thuỷ ngân về điều kiện tiêu chuẩn
3.1. Hiệu chính sai số khí cụ
Hiệu chính khí cụ là số hiệu chính gây ra do kĩ thuật chế tạo khí áp kế

Ví dụ: thiết diện của ống thuỷ tinh không đều trên khắp chiều dài của ống,
thang độ chia không đều,...


III Khí áp kế Thủy ngân
3 Hiệu chính số đọc của khí áp kế thuỷ ngân về điều kiện tiêu chuẩn
3.2. Hiệu chỉnh về nhiệt độ
- Vạch chia độ của khí áp kế thủy ngân được làm trong đktc thực tế khí áp
dùng trong mt tự nhiên ko phải ở đktc  Sai số do nhiệt độ gây ra do tác
động co dãn
Khi đo khí áp kế theo độ cao cột thuỷ ngân, người ta lấy trọng lượng riêng của
nó ở nhiệt độ 00C là 13,595g/cm3.
Số hiệu chỉnh Ct tại nhiệt độ t0C được xác định theo công thức:

− B(a − b)t
Ct =
1 + at

a là hệ số dãn ở khối của thuỷ ngân; b là hệ số dãn nở dài của thang đo; B là
số đọc của khí áp kế tại nhiệt độ t0C.
Hiện tại: ΔP(t) = -P (0.000163t/(1+0.0001818t))
P: Trị số khí áp đọc trên khí áp kế
T : Nhiệt độ trên khí áp kế


III Khí áp kế Thủy ngân


III Khí áp kế Thủy ngân
3 Hiệu chính số đọc của khí áp kế thuỷ ngân về điều kiện tiêu chuẩn

3.3 Hiệu chính về gia tốc trọng trường
Cột thủy ngân trong khí áp kế chịu tác dụng của trọng lực trái đất. Lực này
phụ thuộc vào vĩ độ và độ cao  hiệu chỉnh trọng lực trái đất gồm 2 phần
a) Hiệu chính trị số khí áp về điều kiện gia tốc trọng trường ở vĩ độ 450
b) Hiệu chính trị số khí áp về độ cao


III Khí áp kế Thủy ngân
3 Hiệu chính số đọc của khí áp kế thuỷ ngân về điều kiện tiêu chuẩn
3.3 Hiệu chính về gia tốc trọng trường
a) Hiệu chính trị số khí áp về điều kiện gia tốc trọng trường ở vĩ độ 450
Gia tốc trọng trường thay đổi theo vĩ độ địa lí vì lực li tâm sinh ra do sự quay
của Trái đất thay đổi theo vĩ độ địa lí.
Lực li tâm luôn luôn hướng ngược chiều với gia tốc trọng trường
+ ở xích đạo lực li tâm có giá trị lớn nhất nên gia tốc trọng trường có giá trị nhỏ
nhất (g0 = 9,7805 m/s2),
+ ở cực lực li tâm bị triệt tiêu cho nên gia tốc trọng trường ở đây có giá trị lớn
nhất (g90 = 9,8325m/s2).
+ ở vĩ độ 450 thì g45 = 0,5(g0 + g90) = 9,8065 m/s2.
+ Tại vĩ độ bất kì, gϕ = g45(1 - 0,00265cos2ϕ)


III Khí áp kế Thủy ngân
4 Hiệu chính số đọc của khí áp kế thuỷ ngân về điều kiện tiêu chuẩn
3. Hiệu chính về gia tốc trọng trường
a) Hiệu chính trị số khí áp về điều kiện gia tốc trọng trường ở vĩ độ 450
Trong cùng điều kiện khí áp p, gọi Pϕ là độ cao cột thuỷ ngân của khí áp kế đặt
tại vĩ độ ϕ
Gọi P45 là độ cao cột thủy ngân của khí áp kế đặt tại vĩ độ 45 0.
P45 = Pϕ (1 - 0,00265 cos2ϕ)

Số hiệu chính khí áp về điều kiện trọng lực ở vĩ độ 45 0 là:
∆Pϕ = P45 - Pϕ
Thay P45 vào phương trình:
∆Pϕ = - Pϕ 0,00265 cos2ϕ
Đây là công thức tính hiệu chính khí áp ∆Pϕ trong thực tế.


III Khí áp kế Thủy ngân
4 Hiệu chính số đọc của khí áp kế thuỷ ngân về điều kiện tiêu chuẩn
3. Hiệu chính về gia tốc trọng trường
b) Hiệu chính trị số khí áp về độ cao trạm
Trong cùng điều kiện khí áp, gọi Ph là số đọc đã đưa về nhiệt độ tc và hiệu đính
sai số khí cụ; gia tốc trọng trường tại trạm là gh (cm.s-2)
Gọi Pn là số đọc khí áp kế đã đưa về trọng lực tiêu chuẩn và hiệu đính sai số khí
cụ; gia tốc trọng trường là gn=980.665cm.s-2.
độ cao cột thuỷ ngân của khí áp kế tỉ lệ nghịch với gia tốc trọng trường nên:
Pn g h
=
Ph g n

Người ta chứng minh được Pn = Ph (1 - 196x10-9h)
∆ Ph = Ph- Pn = 196x10-9hPh

∆Ph = 196 x 10-9hPh