(+18 фото) Барометр-анероид: что это такое и как он работает

Впервые, барометр ☔ был изобретён и описан в сочинении «Opera geometrica» ☀ в 1644 году ученым ☂ из Флоренции (Италия) Эванджелиста Торричелли.

История

Это был жидкостный ртутный барометр, давление по которому измерялось по высоте ртутного (жидкостного) столба в трубке, запаянной сверху, а нижним концом помещенной в сосуд с ртутью (жидкостью). В день, когда Торричели проводил опыт со своим ртутным барометром, выдалась тихая солнечная погода, а столбик ртути остановился на отметке 760 мм. С тех пор, давление в 760 мм ртутного столба является нормальным.

Ртутные и жидкостные барометры являются наиболее точными и до сих пор используются на метеорологических станциях. Их недостатком является хрупкость, небезопасность и большие размеры.

В 1844 г. французский инженер Люсьен Види, используя исследования немецкого математика и физика XVII в. Готфрида Вильгельма Лейбница, сконструировал принципиально новый, безжидкостный барометр, который был назван барометром-анероидом(от греч. “анерос” – не содержащий влаги). Барометры, построенные на основе барометра Л. Види, на данный момент, являются самими распространенными.

Описание и назначение прибора

Перед тем как читать показания, нужно принять во внимание высоту над уровнем моря. Чем одна больше, тем ниже давление. При подъеме на 12 метров оно падает на 1 мм.рт.ст.

Конструкция и принцип работы

В герметично запаянный корпус помещена гибкая конструкция с гофрированными стенами – капсула. Ее изготавливают из сплава на основе меди. Иногда используются и некоторые виды стальной фольги.

Передаточный механизм соединяет капсулу с пружиной и стрелкой, выведенной на шкалу. Последняя зачастую имеет 2 типа градуировки – мм.рт.ст. и гПа. Это упрощает считывание показаний из-за отсутствия нужды переводить одни единицы измерения в другие. Обычно у устройства есть обозначения цветом или подписями фрагментов шкалы: ясно, дождь и т.п.

Снаружи корпуса (как правило, снизу сзади) есть болт для регулировки. С его помощью можно настроить барометр, подтягивая или расслабляя пружину.

Некоторые модели также оборудованы компенсационным термометром, гигрометром, измерителем высоты.

Принцип работы барометра выглядит так: атмосфера внутри корпуса разрежена, капсула в этих условиях становится очень чуткой, сжимаясь или разжимаясь при изменении давления. При этих колебаниях объема передаточная пружинка перемещает указатель по шкале. Когда она сжимается, верхняя стенка делает прогиб и утягивает связанный с ней конец пружины книзу. Когда давление падает, стенка, напротив,  выгибается.

Чтобы получить точнейшие показания, данные прибора сравнивают с полученными на ртутном барометре. Есть 3 типа поправок:

1. по температуре – связана с изменением качеств металла механизмов при колебаниях температуры;
2. по шкале – степень неоднородности реагирования на колебания давления на разных участках шкалы;
3. дополнительная – связанная с постепенным износом компонентов устройства по мере эксплуатации.

Для бытовых измерений такие поправки делать нет нужды. Их используют в случаях, когда важна высокая точность данных (в лабораториях и т.д.).

Наличие у модели компенсаторного термометра является плюсом, так как металлические компоненты пружинного механизма реагируют на температуру. При похолодании (при постоянном значении давления) они сужаются, а при потеплении – расширяются. Термометр помогает вносить поправки в показания, если это необходимо.

Разновидности и сфера применения

БАММ-1

В продаже можно встретить разные виды устройств, заточенные под различные цели. Их используют в промышленности, лабораториях, учебных заведениях, а также в быту для предсказаний погоды.

Среди популярных моделей можно выделить:

• БАММ-1 – используется для измерений на поверхности земли и в помещениях. Используется для проверки рабочих мест.
• БР-52 – устройство для учебных заведений, применяется для демонстраций и опытов в школах.
• М-67 – контрольный прибор высокой точности, способный работать при температурах от -10 до +50 градусов.
• М-110 – используется в промышленности.
• ББ-0.5М – бытовое устройство для домашнего применения. Монтируется на стену.

Некоторые умельцы практикуют и изготовление самодельных барометров. Для них используют капсулы из бериллиевой бронзы и стандартные часовые индикаторы на 0,01 мм.

Плюсы

• Простая конструкция и принцип действия
• Отсутствие хрупкой колбы
• Устойчивость компонентов к механическим и другим воздействиям
• Долговечность
• Нет опасности разлить ртуть
• Компактность
• Полная автономность

Минусы

• Реагирование металла на температурные изменения
• Зависимость от высоты над уровнем моря

Степень точности барометра

Наибольшей точностью из всех барометров отличаются ртутные модели. Их используют как эталон. Обусловлена эта точность устойчивостью к температурным колебаниям и влажности воздуха. Вещество не испаряется в атмосферу и не замерзает.

Сопоставимой точностью обладают электронные устройства. Анероиды более подвержены действию температур, чем ртутные измерители, а жидкостные модели – еще более.

Современные анероиды имеют высокую точность, регистрируя изменение давления даже при подъеме в лифте. Наилучшие показатели имеют устройства, работающие с 10-12-ступенчатой гофрированной колбой. Точность таких моделей – до 0,05%.

Как читать показания

Некоторые модели измерителей имеют пару стрелок: контрольную и движущуюся. Первая фиксирует показатель давления, имевший место в начале наблюдения, вторая – значение в текущий момент времени. Разница показателей помогает определить, насколько изменился параметр за некоторый период.

В градуировке используются такие единицы измерения:

• Миллиметры (или – в некоторых странах – дюймы) ртутного столба. При использовании барометров ориентируются, прежде всего, на эту единицу.
• Паскали (Па), а также гПа и мПа.
• Бары (1 бар = 100 000 Па = 0,1 мПа). В моделях для домашнего пользования часто присутствует шкала миллибар (мбар).

Шкала прибора может быть одинарной или двойной. Отечественные модели обычно используют варианты с мм.рт.ст. и Па (гПа). Как и другие типы барометров, анероид прогнозирует погоду лишь в краткосрочной перспективе (в пределах суток). Также у всех классов этих устройств неширокий радиус действия – около 30 км (при циклонах он несколько увеличивается).

Чаще всего шкала начинается с 710 мм.рт.ст. (у некоторых моделей значение меньше). Точкой отсчета принимается нормальное давление, характерное для данного региона и высоты в ясную погоду. Его усредненное значение – 760 мм.рт.ст. Для других местностей число будет иным (к примеру, в горах оно меньше). Усредненные данные для той или иной географической точки определяют метеорологические службы. От этого показателя отсчитывается и интерпретируется характер перемещения стрелки. Так отслеживают, падает давление или поднимается, и насколько. Чем быстрее перемещается стрелка и чем значительнее амплитуда, тем точнее прогноз и тем скорее наступят предсказываемые изменения.

Настройка прибора

Чтобы настроить модель, нужно точно знать значение давления в данной местности в текущий момент времени. Его можно выяснить в ближайшей метеостанции или из погодной сводки. Еще один вариант – провести сверку с точным ртутным барометром.

При разнице показаний устройство потребуется откалибровать. Сзади нужно отыскать регулировочный винт и, закручивая или ослабляя его, установить на приборе нужные показания.

Если винта нет, калибровка выполняется поворотом циферблата по отношению к стрелкам. Заглянув в инструкцию по эксплуатации, можно найти детальные указания по регулировке прибора.

Самодельные барометры анероиды

По самодельным барометрам есть отдельные статьи, поэтому опишем лишь вкратце, как соорудить такой кустарный прибор.

Берем дешевый манометр или сфигмоманометр (для артериального давления), только механическую модель с цилиндром-сильфоном снизу. Надо нагреть паяльником штуцер, запаять его с полной герметичностью. Далее — подождать охлаждения к комнатной температуре, мембрана сожмется, давление станет равным атмосферному. В дальнейшем при понижении такового анероидная капсула будет сжиматься, при росте – расширяться. Остается лишь переписать шкалу или распечатать картинку с ней из интернета, наклеить на старую градуировку.

Для самоделки можно использовать любые приборы с чувствительными сильфонами, например, таковые из бериллиевой бронзы от высоковакуумных затворов

Примеры моделей

Рассмотрим вкратце популярные типоразмеры и модели. Барометр (анерограф, барограф) анероид мини формата, в форме ручных или карманных часов мы указали выше.

Есть более габаритные устройства, служащие также украшением интерьера. Желательно выбирать модели с термометром, измерителем влажности и прочими дополнительными опциями.

Перечислим популярные отечественные изделия.

• БАММ-1 для наземных условий, для помещений. M-110, промышленный. Модели вписаны в Госреестр Средств Измерений РФ, можно применять для аттестаций рабочих мест, для официальных измерений на производстве.

• М-67. Точный, неприхотливый. Работает при t° от −10 до +50 °C.

• ББ-0.5М. Бытовой, настенный, дешевый часто в корпусе из пластика. БР-52 — для школ, часто там используется как учебное пособие, для опытов.

Барометр

Баро́метр (др.-греч. βάρος — «тяжесть» и μετρέω — «измеряю») — прибор для измерения атмосферного давления. Ртутный барометр был изобретён итальянским математиком и физиком Эванджелисто Торричелли в 1644 году. Это была тарелка с налитой в неё ртутью и пробиркой (колбой), поставленной отверстием вниз (см. опыт Торричелли). Когда атмосферное давление повышалось, ртуть поднималась в пробирке, когда же оно понижалось — ртуть опускалась. Из-за неудобства такая конструкция перестала применяться и уступила место барометру-анероиду, но метод, по которому такой барометр был изготовлен, стал применяться в термометрах.

История

Первым, кто выдвинул идею создания прибора для предсказания погоды, был Галилео Галилей. Но дальше идеи его замыслы не пошли. Только в 1643 году его последователи и ученики Эванджелисто Торричелли и Винченцо Вивиани смогли воплотить в жизнь идею великого ученого. Торричелли стал первым, кто сумел доказать существование атмосферного давления. Он, вместе со своим помощником Вивиани, использовал для опыта запаянную с одного конца трубку, наполнив ее ртутью. Трубку погружали в сосуд, где также находилась ртуть. Сама ртуть поднималась в трубке на определенную высоту, при этом над ней образовывалось пустое пространство. При увеличении атмосферного давления вещество в трубке поднималось вверх, при понижении опускалось. Сконструированный Торричелли прибор стал первым ртутным барометром. Само слово «барометр» с древнегреческого языка переводится как «барос» — тяжесть и «метрос» — мерить. То есть измеритель давления.

Устройство

В жидкостных барометрах давление измеряется высотой столба жидкости (ртути) в трубке, запаянной сверху, а нижним концом опущенным в сосуд с жидкостью (атмосферное давление уравновешивается весом столба жидкости). Ртутные барометры — точнее любых других и поэтому используются на метеостанциях.

В быту обычно используются механические барометры. В анероиде жидкости нет. В переводе с греческого «анероид» — «без воды». Он показывает атмосферное давление, действующее на гофрированную тонкостенную металлическую коробку, в которой создано разрежение. При понижении атмосферного давления коробка слегка расширяется, а при повышении — сжимается и воздействует на прикрепленную к ней пружину. На практике часто используется несколько (до десяти) анероидных коробок, соединенных последовательно, и имеется рычажная передаточная система, которая поворачивает стрелку, движущуюся по круговой шкале, проградуированной по ртутному барометру. а также в настоящее время широкое распространение получили цифровые барометры.

Типы барометров

Барометры принято распределять на жидкостные и механические.

• Жидкостные барометры работают на принципе, замеченным Э.Торричелли (Эванджели́ста Торриче́лли — итальянский математик и физик, ученик Галилея. Известен как автор концепции атмосферного давления и продолжатель дела Галилея в области разработки новой механики.) при проведении опыта, связанного с атмосферным давлением. С изменением атмосферного давления изменяется ртутный столб в барометре. Прикреплённая к трубке с ртутью шкала показывает данные о давлении.
• Механический барометр, который ещё принято называть анероидом, работает следующим образом: с изменением атмосферного давления крышка коробочки, к которой прикреплена пружина с передающим механизмом, деформируется, из-за чего стрелка на шкале показывает соответствующие данные И т. д.

Барограф

Барограф (из др.-греч. βάρος «тяжесть, вес» и γράφω «пишу») или барометрограф — самопишущий прибор для непрерывной записи значений атмосферного давления. Применяется на метеорологических станциях, а также на самолётах и аэростатах для регистрации высоты (по изменению давления).

В зависимости от принципа действия приёмной части барографы разделяют на анероидные барографы и ртутные — весовые и поплавковые. Распространены на практике анероидные барографы, приёмная часть которых состоит из нескольких анероидных коробок, скреплённых вместе. При изменении атмосферного давления коробки сжимаются или растягиваются, в результате чего их крышка перемещается вверх или вниз. Это перемещение передаётся перу, которое чертит кривую на разграфлённой ленте. 1 мм записи по вертикали соответствует около 1 мбар (1 мбар=100 н/м²). По времени полного оборота барабана барографы подразделяются на суточные и недельные. Работа барографа контролируется сравнением его с ртутным барометром.

Барограф с повышенной чувствительностью называется микробарографом, изменение давления в 0,1 мбар соответствует 1-3 мм вертикального перемещения пера.

Анероид

Анероид (греч. a — частица отрицания + nērós — «вода») — прибор для измерения атмосферного давления, в отличие от ртутного барометра, действующий без помощи жидкости.

Устройство прибора

Основной частью анероида служит цилиндрическая металлическая коробка с концентрически-гофрированными (для большей подвижности центра) основаниями, внутри которой создано разрежение (сильфон). При повышении атмосферного давления коробка сжимается и тянет прикреплённую к ней пружину (мембрану), а при понижении давления коробка раздувается, толкая пружину. Перемещение конца пружины через систему рычагов передаётся на стрелку, перемещающуюся по шкале. В последних конструкциях вместо пружины применяют более упругие коробки.

К шкале анероида может быть прикреплён дугообразный термометр-компенсатор, который служит для внесения поправки в показания анероида на температуру.

Возможен другой вид температурного компенсатора, когда один из рычагов, передающий движение от коробки к стрелке, сделан из биметаллического сплава. Такая конструкция разработана и применяется французской фирмой NAUDET. Для получения истинного значения давления показания анероида нуждаются в поправках, которые определяются сравнением с ртутным барометром. Поправок к анероидам три:

• на шкалу — зависит от того, что анероид неодинаково реагирует на изменение давления в различных участках шкалы;
• на температуру — обусловлена зависимостью упругих свойств анероидной коробки и пружины от температуры;
• добавочная, обусловленная изменением упругих свойств коробки и пружины со временем.

Погрешность измерений анероида составляет 1—2,5 мбар. Вследствие своей портативности анероиды широко применяются в экспедициях и быту. Кроме того, анероиды используются также как высотомеры. В этом случае шкалу анероида градуируют в метрах.

Барометр-анероид — один из основных приборов, используемый метеорологами для составления прогнозов погоды на ближайшие дни, так как её изменение зависит от изменения атмосферного давления.

Высотомер

Высотоме́р (или альтиме́тр от лат. altus — высокий) — прибор, предназначенный для измерения высоты.В случае пилотируемого летательного аппарата высотомер является пилотажно-навигационным прибором, указывающим высоту полёта. По принципу устройства высотомеры делятся на барометрические, радиотехнические (в том числе радиовысотомеры), инерциальные, ионизационные и прочие.

В старину, высотомером называли простейший угломерный инструмент для определения высоты светил (планет, звёзд).

Гамма-лучевой высотомер

В конструкции высотомера используется источник гамма-излучения (обычно — изотопы ⁶⁰Со, ¹³⁷Сs). Приёмник фиксирует обратное рассеяние, отражённое от атомов внутри подстилающей поверхности. Гамма-лучевые высотомеры используются на малых высотах (метры, десятки метров от поверхности). Основное применение — формирование исполнительного сигнала для системы мягкой посадки спускаемых аппаратов космических кораблей. В частности, в КК «Союз» гамма-лучевой высотомер (шифр изделия «Кактус») установлен у днища спускаемого аппарата, и место его установки маркировано знаком радиационной опасности.

Заключение

Измерение высоты полёта воздушного судна — чрезвычайно важная и ответственная задача, связанная с обеспечением безопасности полётов. При этом подход к исполнению данной задачи должен быть комплексным, применяющим все известные способы определения истинного положения воздушного судна в пространстве. По этой причине на современных воздушных судах применяются все вышеперечисленные приборы, а экипажи проходят профессиональную подготовку для их грамотного совместного использования. Отказ хотя бы одного прибора, измеряющего высоту полёта, в авиации считается особым случаем и расценивается соответствующими службами как предпосылка к лётному происшествию.