Основные термины и единицы измерения

Атмосферное давление – это давление столба воздуха, простирающегося от земли до верхней границы атмосферы на единицу земной поверхности.

Единицы измерения давления:

1 бар = 1 млн.дин/см2; 1/1000 бара = 10 мб

В системе СИ 1Па = 1Н/м2 = 10-5 = 0,01 мб.

Для практических целей используют следующие единицы измерения:

1 гПА = 100 ПА = 1 мб = 0,75 мм.рт.ст.

1 мм.рт.ст. = 1,33 гПА

Давление величиной 1012 гПА соответствующее массе ртутного столба 760 мм при t = 0ºС на широте 45º и на уровне моря, называется нормальным атмосферным давлением.

Ветром называется горизонтальное движение воздуха относительно земной поверхности. Ветер характеризуется скоростью и направлением. Скорость ветра измеряется в м/с, реже в км/ч или баллах. Направление ветра определяется румбом или азимутом той точки горизонта, откуда дует ветер. При измерении ветра используют 8 основных румбов.

Барометр-анероид БААМ (рисунок 6.1) – служит для измерения атмосферного давления в стационарных и экспедиционных условиях.

Воспринимающей частью анероида является металлическая толстостенная коробка, внутри которой воздух сильно разряжен. При увеличении давления коробка сжимается, а при уменьшении растягивается пружиной. Эти изменения с помощью системы рычагов и цепочки передаются стрелке, перемещающейся по круговой шкале анероида, разделенной на 0,5 мм.рт.ст. На циферблате анероида укреплен термометр со шкалой через 1ºС. Весь механизм анероида заключен в пластмассовом корпусе.

Рисунок 6.1 – Барометр-анероид БАММ

Измерение давления производится в месте, где нет резких изменений температуры воздуха. Постучав пальцем по стеклу снимают отсчет по положению конца стрелки относительно шкалы с точностью до десятой доли деления (0,1 мм.рт.ст. или 0,1 гПа). В показания вводят температурную поправку, предварительно измерив температуру по шкале термометра прибора.

Барограф (рисунок 6.2) служит для непрерывной регистрации изменений атмосферного давления.

Барограф размещен в пластмассовом корпусе. К нижней раме корпуса прикреплена металлическая плага, на которой смонтирован весь механизм прибора.

Чувствительным элементом прибора является бароблок, который системой рычагов связан со стрелкой пера. Положение подвижного винта, имеющего шарнир в кронштейне, фокусируется сверху винтом, а снизу упорной пружиной. Отметки на ленте барографа можно сделать нажимая кнопку.

Рисунок 6.2 – Барограф

Установка прибора производится на отдельной полочке метеостанции вдали от отопительных приборов, оконных проемов и мест, куда могут проникать прямые солнечные лучи.

Обработка и установка лент барографа производится так же, как и у термографа. Ленты барографа разграфлены равными промежутками по горизонтали через 2 мб и офицированы через каждые 10 мб. По вертикальной шкале времени деления между соседними дугами составляют 15 минут для суточного и 2 ч для недельного завода часового механизма.

Домашний уют

Барометр - что это такое? Прибор для измерения атмосферного давления

28 октября 2016

Барометр, что это такое? Это приспособление для учета колебаний атмосферного давления. Надземный слой нашей планеты имеет толщину в десятки километров. Концентрация смешанных газов в нем отличается небольшой массой, однако в таких значимых объемах оказывает на поверхность существенную нагрузку. Фактически, человек редко его ощущает, так как имеет приспособленность к воздействию этого фактора. Тем не менее, эту величину вполне реально измерить.

Принцип действия простейших устройств

Простейший прибор для измерения атмосферного давления (АД) представляет собой нехитрое устройство, состоящее из тонкостенной стеклянной трубки и ртутного наполнителя. Один из стандартных размеров такого приспособления: трубка толщиной 1 миллиметр и длинной в сто сантиметров.

Если перевернуть емкость закрытым концом вверх, а открытой частью вниз, то некий объем ртути удалится, а определенная часть останется внутри. Содержание жидкого металла будет снижаться до стабилизации внутреннего и наружного давления.

Анероидный и ртутный прибор

Анероид-барометр, что это такое? В принципе работы этого устройства учитываются колебания через круглый металлический корпус с волнистыми стенками, из которого выкачан воздух.

Эластические боковины короба при увеличении давления прогибаются, а при снижении - выпираются. Специальным механизмом рабочие камеры связаны со стрелкой. Она показывает на величину атмосферного давления по шкале, градуированной в миллиметрах столба ртутного.

Прибор для измерения атмосферного давления представляет собой U-образно изогнутую стеклянную колбу с ртутным наполнителем. Показания определяются по разности содержимого в увеличенном и малом отрезке колбы.

При помощи барографов вариации АД регистрируются на ленте, находящейся в действующем блоке барабанного типа. Измеряемые показатели регистрируются в миллиметрах (мм рт. ст.) или миллибарах (мбар).

Барограф

Далее представлен барограф. На вопрос - барометр, что это такое в данной конфигурации, можно ответить - это агрегат-самописец для постоянной фиксации атмосферного давления. Его действие основано на колебаниях АД. В итоге деформация передается системой на устройство. При повышении показаний происходит сжимание коробок, рычаг с пером идет вверх, а в случае снижения давления камеры под действием контрольной пружины становятся шире, и самописец проводит нижнюю линию. Фиксированные показания давления вычитаются на специальной градуированной бумажной ленте, которая размещена на вращающемся барабане.

Для устранения температурных колебаний, влияющих на точность показаний, в устройства монтируют конденсаторы из биметалла. Приспособления устанавливаются вдали от нагревательных приборов и должны быть защищены от прямого воздействия солнечных лучей. Заводной механизм рассчитан на сутки либо на недельный режим.

Особенности использования

Показания барометра фиксируют с учетом изменения климатических условий в разных регионах, поскольку давление воздуха - величина непостоянная, о чем известно еще со школьных уроков природоведения.

При хорошей, теплой и безветренной погоде барометр настенный или настольный показывает высокие значения. Соответственно, при снижении данных в ближайшее время ожидается похолодание либо осадки.

Приспособление, расположенное внутри дома работает точно так, как и в пространстве, не ограниченном оградами, стенами и заборами. Слегка видоизменяет показания прибора высота здания, поскольку давление будет более низким на 9-м этаже и выше, чем на меньших уровнях одного строения.

Приспособление с учетом высоты

Чем выше подъем вверх, тем ниже показатели давления атмосферного столбика. Выявленная закономерность применяется в авиационных приборах, определяющих высоту полета. Подобные устройства называются альтиметрами.

Безусловно, результаты первых, не совсем совершенных приборов, существенно варьировались от погодных факторов, ведь негативные метеоусловия сопровождались падением давления, соответственно, показания прибора высвечивали данные, которые объективно больше реальной отметки. Для снятия правильных показаний требуется корректировка исходящих параметров. Принцип работы современных альтиметров иной - они не используют для измерения высоты давление атмосферы.

Как пользоваться?

Часы с барометром и другие виды устройств - это стрелочный прибор с круглой или овальной шкалой, на которой имеются деления. Величина измерения берется в миллиметрах ртутного столба.

При значениях 750-760 мм рт. ст. в перспективе ожидается замечательный погожий день, который не помешает прогулке, поездке на природу, дачу. При снижении указателя барометра ниже отметки 750 имеется вероятность дальнейшего падения, значит - стоит ожидать ненастную погоду, внезапное похолодание и обильное выпадение осадков.

Слежение за АД жизненно важно для тех, кто страдает повышенным давлением крови. В периоды критического изменения этого показателя такие люди подвержены ухудшению состояния здоровья. Информация о погодных переменах существенна для них по причине своевременного принятия лекарства, сохранения своей работоспособности и здоровья.

Современные экземпляры

Сейчас чаще всего используются барометры чашечного типа или сифонные виды. В стационарных устройствах, которые оборудованы компенсированной шкалой, атмосферное давление высчитывается непосредственно по положению ртути в стеклянной емкости.

В экземплярах для экспедиций перед началом наблюдений предварительно корректируют уровень ртути в чаше на нулевой отметке, используя регулирующий винт. В сифонно-чашечных приспособлениях величина АД измеряется по разнице высот столба в длинном и открытом участке. Такое приспособление отсчитывает показания с точностью до пяти сотых. Для определения десятых долей столба используется подвижной металлический шаблон.

Полученные числовые результаты атмосферного давления приводятся по специальной таблице к нулю градусов по Цельсию. Температурные корректировки показаний могут быть весьма существенными. Невзирая на виды барометров, они устанавливаются вдали от источников тепла (печей, обогревателей, прямого солнечного воздействия), а также подальше от дверных и оконных проемов.

Особенности

Рассматриваемое приспособление может применяться в удобном и компактном исполнении. Например, часы с барометром имеют следующую функциональность:

• Непроницаемость для воды, вплоть до 50-100 метров.
• Устойчивость к ударам и механическим воздействиям, что немаловажно для рыбаков, охотников и любителей экстремального отдыха.
• Барометр позволяет спрогнозировать изменения атмосферного давления и погоды в целом.
• Кроме того, часы могут оснащаться термометром, подсветкой, компасом и даже навигатором, что существенно облегчает пребывание в не совсем знакомой местности.

На вопрос "Барометр, что это такое?" однозначно можно ответить - приспособление особенно важное для путешественников, рыбаков, охотников и мореплавателей. Кроме того, эта штука в бытовом использовании позволяет довольно точно предугадать колебания погоды, что актуально для людей с заболеваниями сердечно-сосудистой и нервной системы.

Сила веса воздушного столба высотой 10 км, действующая на единицу земной поверхности, называется атмосферным давлением. В системе СИ за единицу давления принят Паскаль (Па)

Однако, 1 Па – очень малая величина давления, поэтому при измерении атмосферного давления пользуются кратными единицами: кПа = 1000 Па и МПа = 10 6 Па = 1000 кПа.

Кроме Паскаля для измерения атмосферного давления также используются внесистемные единицы – миллиметры ртутного (водяного) столба и бары, причем

1 бар = 101,3 кПа = 760 мм. рт. ст.,

именно такое значение имеет атмосферное давление на уровне моря.

Прибор для измерения атмосферного давления называется барометром. Наиболее распространенным типом является металлический барометр-анероид, конструкция которого показана на рис. 1.2. Основу анероида составляет цилиндрическая камера К , из которой откачан воздух. Камера герметично закрыта тонкой гофрированной (волнистой) мембраной М . Чтобы атмосферное давление не сплющило мембрану, она с помощью тяги Т соединена с пружиной П , закрепленной на корпусе прибора. К пружине шарнирно прикреплен нижний конец стрелки С , которая может вращаться вокруг оси О . Для измерения показаний прибора служит шкала Ш . При изменении атмосферного давления мембрана прогибается внутрь или наружу и перемещает стрелку по шкале, показывая значение давления (шкалу барометра-анероида градуируют и поверяют по показаниям ртутного барометра).

Рис. 1.2 – Принципиальная схема барометра-анероида

Анероиды очень удобны в работе, прочны, малогабаритны, но менее точные, чем ртутные барометры. Внешний вид барометра-анероида показан на рис. 1.3.

Прибор для измерения давления называется манометром. Манометры могут быть сифонной или чашечно типов .

Манометр сифонной типа - это U-образная стеклянная трубка, заполненная водой или ртутью (рис. 2.1).

Один из концов манометра запаянный и не имеет доступа воздуха; открытый конец соединен с атмосферным воздухом. Разница уровней жидкости в двух коленях трубки проградуирована в единицах давления.

Манометр чашечно типа содержит вертикальную стеклянную трубку, запаянную сверху и заполненную жидкостью (рис.2.2).

Нижний конец трубки погружен в резервуар, частично заполненный жидкостью. Давление, образуется столбиком жидкости в трубке, уравновешивается атмосферным давлением. Высокая точность измерения манометра чашечно типа (0,1 мм рт ст.) Позволяет использовать его как стандартный прибор для проверки анероидных барометров и высотомеров.

Рис. 2.1. Манометр сифонного типа

Рис. 2.2.

Ртутный барометр является классическим примером манометра чашечно типа. Атмосферное давление, измеряется ртутным барометром, равна:

где - плотность ртути, 13600 кг / м3; g - ускорение свободного падения, м / с2; h - высота ртутного столба, м.

Внешний вид ртутного манометра приведены на рис. 2.3.

Барометр содержит стеклянную трубку, заполненную ртутью, и погруженную в резервуар со ртутью.

Уровень ртути в резервуаре контролируется с помощью конусовидной кости.

Ртутный манометр характеризуется высокой чувствительностью. Точность измерения давления ртутного барометра составляет 0,1 гПа. Его недостаток - это токсичность ртути.

В соответствии с директивой Европейского Союза от 5 июня 2007 года было принято ограничение продажи ртути, практически остановило производство новых ртутных барометров в Европе.

Содержит анероидные капсулу, состоящую из двух тонких (0,2 мм толщиной) металлических гофрированных мембран (рис.2.4). В середине капсулы воздуха откачивают (давление составляет 10-2 гПа) или капсулу заполняют инертным газом при давлении 65 мбар.

Преимуществом барометра-анероида является его компактность, механическая прочность, возможность транспортировки. Эти приборы могут применяться в системах автоматического измерения давления, поскольку механические перемещения анероидных капсул легко превратить в электрический сигнал. Недостатком барометра-анероида является меньше по сравнению с ртутным барометром точность измерений.

Рис. 2.3. Ртутный манометр

Рис. 2.4.

Трубка Бурдона представляет собой плоскую искаженную трубку, которая выпрямляется при изменении атмосферного давления (рис. 2.5).

Эта трубка эллиптического сечения является чувствительным элементом деформационного типа. Один конец трубки открыт для регистрации давления, измеряется, тогда как второй жестко прикреплен к корпусу.

Определение давления по деформации трубчатой пружины было запатентовано в 1849 году французским часовщиком Эженом Бурдоном, фамилией которого и названа эта трубку

Трубку Бурдона применяют для измерений давлений, превышающих 10-2 тор (примерно 1 Па) точность измерений составляет ± 2%.

Рис. 2.5. Трубка Бурдона

Методы автоматизированного измерения атмосферного давления

Прибор, используемый для непрерывной регистрации давления воздуха. Он состоит из колонки анероидных коробок, соединенного со стрелкой самозаписувача (рис. 2.6).

Рис. 2.6.

Каждая анероидные капсула состоит из двух тонких (0,2 мм толщиной) металлических гофрированных мембран. Внутри капсулы давление воздуха составляет 10"2 гПа. Иногда капсулу заполняют инертным газом при давлении 65 мбар. Количество капсул в современных приборах может достигать 14. Мембраны находятся в напряженном состоянии благодаря гофрированной поверхности и действия пружины.

Известно, что собственная частота натянутой струны увеличивается с напряжением. Математически отношение между резонансной частотой струны и силой натяжения струны определяется по формуле:

где F - основная резонансная частота струны, Гц; L - длина струны, м; Г сила натяжения струны, Η; μ - масса единицы длины струны, кг / м.

Механические перемещения диафрагмы 1 такого прибора под влиянием переменного давления превращаются в электромагнитные колебания катушки индуктивности 2 вследствие движения магнита С, соединенного с проводом 4. Электромагнитные колебания фиксируются системой регистрации 5 (рис. 2.7). Для сенсоров такого типа используют вольфрам, индий или высокоэластическую сталь, а также такие сплавы, как "элинвар".

Рис. 2.7.

Конструкцию одного из таких сенсоров приведены на рис. 2.8. Увеличение давления на диафрагму снижает силу натяжения провода, что приводит к уменьшению резонансной частоты.

Рис. 2.8.

Состоит из тонкой диафрагмы, выполненной из металла или кварца с напыленными металлическими поверхностями. Диафрагма образует с металлическими поверхностями два конденсатора, которые вместе с еще двумя конденсаторами С1 и С2 образуют электрический мост (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Емкостный сенсор давления

На диафрагму действует атмосферное давление с одной стороны и опорное давление с другой. Изменения внешнего давления вызывают изгиб диафрагмы и соответствующие изменения емкости конденсаторов, образованных диафрагмой и пластинами, расположенными по обе стороны диафрагмы. Эти изменения емкости (которые могут достигать несколько процентов от начальной емкости) приводят к изменению частоты сигнала системы регистрации, шкала которой проградуирована в единицах давления.

Емкостной сенсор давления характеризуются высокой чувствительностью, малыми размерами, возможностью давать отсчета при температурах до 250 ° С.

Этот прибор, изготовление которого стало возможным благодаря современным технологиям, состоит из двух кремниевых пластинок из сплавов, соединенных между собой прослойкой диоксида кремния (рис. 2.10).

Кремниевые сплавы выполняют функции обкладок конденсатора, в котором толщина диоксида кремния и соответственно емкость конденсатора зависят от приложенного атмосферного давления.

Емкость конденсатора С зависит от расстояния d между обкладками (), которая в свою очередь зависит от атмосферного давления.

Рис. 2.10.

Диапазон измерения давления барометрическим сенсором давления РТВ210 фирмы Vaisala (Финляндия) - 500-1100 гПа; температурный интервал от -40 ° С до + 60 ° С; общая точность ± 0,15 - 0,35 гПа; вес 110 г размеры 122 мм.

Пьезоэлектрический сенсор давления. Кристаллическая вещества, в которых при сжатии или растяжении в определенных направлениях возникает электрическая поляризация даже при отсутствии электрического поля, называются п " езоелектрикамы. Явление возникновения зарядов на поверхности пьезоэлектрика под влиянием механических деформаций называется прямым пьезоэффектом, а появление механических деформаций под воздействием электрического поля - обратным пьезоэффектом. К пьезоэлектриков принадлежат кварц, дигидрофосфат аммония (АДР), сульфат лития, сегнетовая соль, титанат бария и др.

Величина заряда q , возникающее на поверхности кристалла, определяется выражением:

где F - сила, прикладывается к кристаллу, Н; р - давление, Н / м2; S - площадь поверхности кристалла, м2; k - пьезоэлектрическая постоянная, Кл / Н.

Напряжение, которое измеряется на поверхностях кристалла благодаря пьезоэффекта, определяется так:

где U - напряжение, В; v - чувствительность кристалла, В-м / Н; d - толщина кристалла, м; р давление, Н / м2.

пример

Кристалл квариу имеет толщину 0,25 см. Определить напряжение, возникающее на поверхностях кристалла вследствие действия давления 345 Н / м2, если чувствительность кристалла составляет 0,055 В м Н-1.

решение

Используя уравнения (2.4), получаем:

контрольное задание

Определить пьезоэлектрическую постоянную кварца, если под давлением 345 Н / м2 кристалл площадью 1 см2 создает заряд Кл.

ответ:

Схему пьезоэлектрического датчика давления приведены на рис. 2.11.

Рис. 2.11.

Преимуществом пьезоэлектрических сенсоров является компактность, линейная зависимость электрического сигнала от механической нагрузки, способность иметь высокую стабильность в широком температурном диапазоне (до 1000 ° С).

Барометр - прибор, измеряющий показания давления воздуха на окружающие предметы, был изобретен в 17 веке выдающимся итальянским ученным Э. Торричелли. Первоначально выглядел как стеклянная трубка с отметками, внутри её наполняла ртуть. В момент проведения исследования столбик ртути находился на 760 мм, теперь этот показатель принято считать уровнем нормального давления, по которому судят, повышается давление или наоборот понижается. Прибор такого вида благодаря высокой степени точности и сейчас применяются на различных метеостанциях и в научных лабораториях.

Спустя 2 века, проведя огромное количество испытаний и пользуясь наработками выдающегося немецкого ученого Якова Лейбница, инженер-изобретатель из Франции Люсьен Види явил миру свое «детище» - усовершенствованный барометр-анероид (от греческого «анерос» - «без влаги»), который был намного безопаснее в использовании и имел более легкий вес.

На сегодняшний день существуют такие разновидности:

• Жидкостные барометры;
• Ртутные;
• Барометры- анероиды;
• Электронные.

Принцип работы барометра

Внешне жидкостный барометр имеет вид стеклянных трубок, взаимодействующих друг с другом как сообщающиеся сосуды в соответствии с гидростатическими законами. Заполняет их ртуть или другие легкие по весу жидкости (глицерин, масло).

Чашечный барометр

Чашечный - стеклянная трубка с закрытым концом и чашкой, показания давления определяют, замеряя высоту столбика жидкости, который начинается от уровня чашки и заканчивается отметкой верхнего мениска.

Сифонный барометр

Сифонный - трубка с закрытым длинным концом, сифонно-чашечный - две трубки, одна в открытом виде, другая в закрытом + чашка, в них показания давления воздуха устанавливают с помощью определения разности уровней столбика жидкости в первой и второй трубке.

Ртутный барометр

Ртутный барометр - пара сообщающихся сосудов, внутри - ртуть, верх одной стеклянной трубки, длиной примерно в 90 см, закрыт, там нет воздуха. В зависимости от изменений в давлении ртуть под воздействием воздуха поднимается либо опускается в стеклянной трубке, а небольшой поплавок показывает движение ртутной массы и останавливается на отметке, показывающей её уровень в миллиметрах. Норма - ртуть на отметке 760 мм рт. ст., показания выше этого значения - идет процесс повышения давления, ниже - понижения. Барометры такого типа практически не используются в обычном обиходе, ведь ртуть является опасным ядовитым веществом, конструкция барометра довольно громоздка и требует острожного отношения. Поэтому они широко применяются только в лабораторных условиях, на различных научных метеорологических станциях и в промышленности, там, где важная абсолютная точность передачи данных.

Классический барометр-анероид

(1 - корпус; 2 - гофрированная пустотелая металлическая коробочка; 3 - стекло; 4 - шкала; 5- металлическая плоская пружина; 6 - спиральная пружина; 7 - нить; 8 - передаточный механизм; 9 - стрелка-указатель )

Система работы механического барометр-анероида, в котором отсутствует какая-либо жидкость, основан на принципе воздействия давления воздуха на металл. В середине прибора располагается коробка с тонкими гофрированными стенками из металла, под силой действия воздуха стенки сжимаются или разжимаются, рычажок поворачивает стрелку в ту или иную строну. Бывают настенного и настольного типа, очень удобны и практичны в использовании, поэтому их очень часто используют в домашних условия, в офисах и различных учреждениях.

Электронный барометр

Электронный (или цифровой) барометр - современная разновидность данного прибора, линейные показатели обычного барометра-анероида преобразовываются в электронный сигнал, который обрабатывается микропроцессором и выводится на жидкокристаллический экран. Имеет компактные размеры, прост и удобен в использовании, например, для рыбалки, туризма или как дачный вариант.

На данный момент уже существует цифровой вариант барометров, которые встроены как дополнительная функция в мобильное устройство или в часы-барометры.