Влияние параметров атмосферы на измерение длин линий физическими способами. Приборы для определения метеорологических параметров. Вычисление влажности воздуха. Определение поправки за атмосферные условия по номограмме

    Скачать с Depositfiles 

                                         ЛР_1

Тема: Влияние параметров атмосферы на измерение длин линий физическими способами.

Часть 1. Приборы для определения метеорологических параметров. Вычисление влажности воздуха. Определение поправки за атмосферные условия по номограмме

Цель всей ЛРдобиться понимания студентами проблемы влияния атмосферных условий на измерение длин линий с использованием электромагнитных волн.

Задача всей ЛР: Научиться определять поправку за атмосферные условия в длины линий, измеренных светодальномером, графическим способом

Выносимые на изучение вопросы:

1. Приборы для измерения метеорологических параметров.

2. Измерение параметров атмосферы

3. Определение влажности воздуха

4. Графическое определение значения поправки за атмосферные условия на 1 км длины линии для тахеометра Leica TCR405.

Объект изучения: скорость распространения электромагнитных волн в воздухе.

Предметы изучения:

— термометр-пращ;

— барометр-анероид;

— психрометр Ассмана;

— номограмма для определения значения поправки за атмосферные условия на 1 км длины линии для тахеометра Leica TCR405.

Используемые формулы:

— формула для вычисления давления;

— формула для вычисления значения влажности воздуха по показаниям психрометра Ассмана (парциального давления водяных паров).

Список методических указаний и литература:

1. Методические указания к лабораторной работе по курсу «Электрооптические и радиогеодезические измерения» (для студентов специальности 1301). Донецк: ДПИ., 1988 г. – 36 с. – Составитель Ю.Ф. Кругликов. — № 3.11

2. Генике А.А., Афанасьев А.М. Геодезические свето- и радиодальномеры. Уч. для техникумов. – М.: Недра, 1988. – 302 с. – с. 52-58

3. Костецька Я.М. Геодезичні прилади. Частина II. Електронны геодезичны прилади: Підручник. – Львів: ІЗМН, 2000. – 324с. – с. 23-44, 268-272.

4. Пащенков В.З. Радио- и светодальномеры. 2-е изд. М.: Недра, 190. – 333 с. – с. 21-23.

5. Селиханович В.Г. Геодезия. Учебн. Для вузов. Ч. II – М.: Недра, 1980. 540 с. – с. 4-6, 24-28, 36-37, 288, 312..

6. Селиханович В.Г. , Козлов В.П., Логинова Г.П. Практикум по геодезии. – М.: Недра., 1978. 382 с. – с. 6, 20-21.

7. Учет атмосферных влияний на астрономо-геодезические измерения / А.Л. Островский, Б.М. Джуман, Ф.Д. Заболоцкий, Н.И. Кравцов. – М.: Недра, 1990. – 235 с. – с. 18-24, 182-227.

8. Leica TPS 400 Series. Руководство пользователя. Версия 5.0 Русская. – 172 с.

9. Большаков В.Д., Деймлих Ф., Голубев А.Н., Васильев В.П. Радиогеодезические и электрооптические измерения. – М.: Недра, 1985. – 303 с. – с. 68-75, с. 275-279.

Организация лабораторной работы

На лабораторную работу выносится много изучаемых вопросов, поэтому работа должна быть чрезвычайно организованной и напряженной.

Группу/подгруппу студентов в аудитории разбить на бригады из 3-5 человек в зависимости от имеющегося количества метеоприборов. Показания по приборам снимает каждая бригада.

Обратить внимание студентов на то, что хотя приборы и находятся в состоянии, далеком от рабочего, это не мешает выполнению работы. Пояснить, что задача лабораторной работы заключается не в том, чтобы получить, максимально близкие к реальным, значения параметров атмосферы, а в том, чтобы научиться работать с приборами, освоить методику работы. А для этого в данном случае вовсе не обязательно иметь метеоприборы в идеальном состоянии. В качестве примера привести подготовку спортсменов, солдат в армии и др. Там ситуация аналогичная: сначала учатся на макетах, тренажерах, заменителях и т.д.

В аудитории для тренировки студенты используют непосредственно измеренные значения температур и давления для расчета значения влажности и определения поправки по номограмме.

Для написания отчета по лабораторной работе для закрепления полученных знаний каждому студенту необходимо выдать индивидуальные исходные данные, по которым он должен провести все вычисления и сделать соответствующие выводы. Выполнение задания базируется на тех знаниях, которые были получены в аудитории на лабораторной работе.

Порядок проведения лабораторной работы.

  1. Общая постановка проблемы

Проблема: атмосфера влияет на характер прохождения электромагнитных волн в ней. Это проявляется в том, что уменьшается скорость распространения электромагнитных волн. В первую очередь на эту скорость оказывают влияние такие параметры атмосферы, как температура, давление и влажность. Кроме того, скорость распространения электромагнитных волн зависит также и от длины самой волны. Степень замедления скорости распространения электромагнитных волн характеризуется таким физическим параметром, как показатель преломления. Чаще всего этот термин используется при объяснении отклонения хода оптического луча от прямой линии при переходе из одной среды в другую. Но это отклонение вызвано как раз изменением скорости распространения волны. Каждая среда характеризуется своим показателем преломления, т.е. в каждой среде электромагнитная волна имеет свою скорость распространения, зависящую также и от длины самой волны.

В геодезии с указанным явлением приходится сталкиваться в двух случаях.

Первый. Это рефракция атмосферы, т.е. изменение показателя преломления слоев воздуха на пути следования оптического луча.

Второй. Это изменение времени прохождения электромагнитной волны оптического или радиодиапазона между двумя точками, между которыми измеряется расстояние, т.е. между излучателем и отражателем.

Поэтому данное явление требует учета его влияния при выполнении геодезических работ. При выполнении оптических измерений таких, как измерение горизонтальных и вертикальных углов и направлений, либо измерение превышений между точками местности, требуется учет вертикальной и боковой рефракции. При выполнении работ по измерению расстояний между точками местности с использованием светодальномеров и радиодальномеров, необходимо знать степень замедления скорости электромагнитных волн, чтобы учесть потом это замедление в виде поправки в измеренное значение длины линии.

При объяснении необходимо, чтобы студенты активно работали с МУ [1].

1.1. Рассказать, почему при работе со светодальномерами и электронными тахеометрами необходимо знать метеорологические параметры: температуру, влажность и давление воздуха.

1.2. Записать формулу для вычисления расстояния  между двумя точками с использованием свето- или радиодальномера

                                                                 ,

где  — скорость распространения электромагнитных волн в среде,  — время прохождения светового сигнала от излучателя до отражателя и обратно.

1.3. Записать формулу для скорости распространения электромагнитных волн  в среде с показателем 

     ,

где — скорость распространения электромагнитных волн в вакууме.

1.4. Отметить, что для волн оптического диапазона показатель преломления является функцией 4-х параметров: длины волнытемпературыдавления и влажности воздуха,вдоль пути прохождения волны, а, для УКВ волн показатель преломления является функцией только 3-х параметров: температурыдавления и влажности воздуха. И в том и в другом случаях измеренные значения длин линий должны исправляться поправкой из-за влияния указанных факторов.

1.5. Пояснить, в каком месте должны определяться метеопараметры

2. Приборы для измерения метеорологических параметров

Задача: научить студентов определять метеорологические параметры по метеорологическим приборам

2.1. Для выполнения данной части лабораторной работы использовать МУ [1], стр. 3-6.

2.2. Термометр-пращ. Назначение, устройство, цена деления шкалы, точность показаний и отсчетов. Правила измерения температуры на станции (крутить термометр-пращ над головой на высоте ~2 м в течение 1-2 минут; отсюда название «пращ»). Обратить внимание на необходимость введения поправки в показания термометра (если есть паспорт и данные калибровки). [1, 5, 6]

2.3. Барометр-анероид. Назначение, устройство, цена деления шкалы, точность показаний и отсчетов. Сертификат барометра. Правила измерения давления на станции. Поправки в показания барометра (шкаловая, температурная, добавочная). Правила ввода поправок. [1, 5, 6]

2.4. Психрометр Ассмана. Назначение, устройство, цена деления шкал, точность показаний и отсчетов. Поверочные свидетельства на термометры. Правила работы с психрометром. Порядок определения значений температуры сухого и влажного термометров. Определение поправок в показания термометров по поверочным свидетельствам. [1,5, 6]

2.5. Разобрать формулу (1.2) из МУ [1] для вычисления влажности (парциального давления водяных паров). Объяснить, что такое парциальное давление.

Парциальное давление (partialis — частичный) — давление, которое имел бы газ, входящий в состав газовой смеси, если бы он один занимал объём, равный объёму смеси при той же температуре. Общее давление газовой смеси является суммой парциальных давлений каждого газа в смеси.

2.6. Обратить внимание, что постоянная Ассмана может принимать два значения в зависимости от того, положительная или отрицательная температура воздуха. Особо обратить внимание на то, что при отрицательной температуре может быть переохлажденная вода, а может быть лед. Поэтому зимой при отрицательных температурах надо всегда проверять, что находится на батисте мокрого термометра: переохлажденная вода или лед.

2.7. Разобрать правила определения по приведенным в МУ [1] таблицам 1.3 значения парциального давления насыщенного пара  и коэффициента .

2.8. Проконтролировать правильность определения студентами парциального давления водяного пара  (формула Шрунга (1.2)).

Задание 1Пользуясь термометром и барометром-анероидом измерить температуру и давление воздуха, а с помощью психрометра определить влажность воздуха в аудитории. Записать показания в рабочие тетради. Вычислить влажность воздуха.

3. Вывод формулы поправки за атмосферные условия в измеренные длины линий для тахеометра Leica TCR405 с использованием номограммы

Задача: научить студентов выводить общий вид формулы для вычисления поправки за атмосферные условия в измеренные длины

3.1. Для выполнения данной части лабораторной работы использовать увеличенную копию номограммы для определения величины  из руководства пользователя к электронному тахеометру Leica TCR405 [8].

3.2. В современных электронных приборах в измеряемые значения сразу же вводятся необходимые поправки, которые вычисляются по формулам, заложенным в программное обеспечение приборов. Это такие поправки, как поправка за кривизну Земли, поправка за рефракцию, поправка за атмосферные условия. Однако, для того, чтобы поправки были введены правильно, необходимо ввести значения всех необходимых для вычисления поправок величин. Как правило, стандартные значения указанных величин также закладываются в программное обеспечение. И в большинстве случаев эти стандартные значения позволяют получать результаты измерений с необходимой степенью точности. Это относится в первую очередь к поправкам за кривизну Земли и поправкам за рефракцию. Однако атмосферные условия в отличие от первых двух факторов могут значительно отличаться по сравнению с некоторыми «стандартными» условиями, которые заложены в прибор. И поэтому возникает необходимость учета реальных метеорологических параметров и внесения в измерения соответствующих поправок.

3.3. Отметить, что по умолчанию предполагается, что измерение длин линий светодальномерами и современными электронными тахеометрами производится в условиях «стандартной» атмосферы, характеризующейся соответствующими «стандартной» атмосфере значениями метеорологических параметров: температуры, давления и влажности воздуха. Эти «стандартные» жестко не регламентированы и поэтому могут у разных производителей отличаться друг от друга. Например, при выполнении 2-й части данной лабораторной работы в МУ [8] «стандартная» атмосфера предполагается характеризуется следующими параметрами:

— температура окружающего воздуха  или ,

— атмосферное давление ,

— влажность или давление водяных паров 

Для других приборов стандартные значения могут быть другими.

В реальности же измерения выполняются в иных атмосферных условиях. Вследствие этого возникает задача оценки влияния отличия реальных атмосферных условий от «стандартных» условий. Это влияние учитывается поправкой за атмосферные условия , которую необходимо внести в измеренное значение длины линии , чтобы получить реальное значение длины этой же линии , т.е.

Поправку  в измеряемые на станции длины линий в этом случае можно представить как функцию длины линии:

,

где  — длина линии, выраженная в километрах;

 — значение поправки в миллиметрах на 1 км длины линии.

3.4. Объяснить, что  это миллионная часть (parts per million) чего-либо, записанная в виде целого числа. Это общепринятое в западной технической литературе обозначение.

3.5. Обратить внимание, что величину  (в данном случае поправка за атмосферные условия на 1 км длины линии) можно рассчитать аналитически по специальным формулам, либо, как в случае измерения длин линий тахеометром Leica, выбрать графически по специальной номограмме, имеющейся в руководстве пользователя [6] (эта номограмма должна быть предварительно отпечатана на листе формата А4).

В случае электронного тахометра Leica для определения значения достаточно знать температуру воздуха и давление на станции (правильнее было бы вдоль измеряемой линии), либо температуру и отметку станции над уровнем моря. Изменение влажности воздуха по сравнению со стандартным значением влажности, при котором построена номограмма, сказывается на величине поправки в незначительной степени и поэтому определение поправки за атмосферные условия по номограмме производится только по двум переменным – температуре и давлению, а влажность воздуха считается константой. Номограмма построена для стандартного значения относительной влажности воздуха, равного 60%, что является типовым значением для влажности воздуха.

3.6. Объяснить, что поправка  задается в настройках современных тахеометров на каждой станции (при необходимости! Т.е. есть такие работы, при выполнении которых поправки за атмосферу должна вводиться обязательно, а есть такие – при которых ею можно пренебречь. Но последний случай должен быть строго обоснован. Такое обоснование студенты должны сделать при выполнении 2-й части лабораторной работы).

3.7. Отметить, с какой точностью необходимо определять температуру и давление при высокоточных измерениях длин линий.

Для определения значения  с точностью до 1 мм на 1 км длины, надо знать температуру воздуха с точностью до 1ºC, а атмосферное давление — с точностью до 3 мбар.

3.8. Рассмотреть номограмму для определения величины . Пояснить, что есть что на этой номограмме. Обратить внимание на единицы измерения величин на номограмме. Пояснить, что такое миллибары (мбар) и как они связаны с миллиметрами ртутного столба. Привести коэффициенты пересчета:

1 мбар = 0,75 мм рт. ст.

1 мм рт. ст. = 1,33 мбар

Задание 2Пересчитать измеренное в Задании 1 давление из мм. рт. ст. в миллибары и определить по номограмме по измеренной температуре и давлению значение . Записать в общем виде формулу поправки в измеренные значения длин для данных атмосферных условий. Вычислить значение поправки для 5 значений длин линий разного диапазона: 50 м, 250 м, 750 м, 1500 м, 4500 м). Для этих же значений длин линий вычислить среднюю квадратическую погрешность  измерения длины линии. Для этого использовать формулу

.

На основании сравнений сделать соответствующие выводы.

Отчет по ЛР

В отчете отразить следующие вопросы (некоторые из них найти в литературе самостоятельно):

1. Что такое атмосфера? Какими главными метеорологическими параметрами она характеризуется?

1. Для чего необходимо определять метеорологические параметры атмосферы.

2. Приборы, используемые для определения метеорологических параметров. Их описание. Учет поправок.

3. Описать процесс измерения температуры и давления, снятия показаний с психрометра, вычисления влажности воздуха (задание №1).

4. Описать процесс вывода общего вида формулы для вычисления поправки в измеренные значения длин с использованием номограммы и заданных значений температуры и давления воздуха (задание №2).

 

    Скачать с Depositfiles