1.3. Приборы и методы измерения атмосферного давления
, (1.4)
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 стрелкиС, 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.
Рис. 1.3 – Барометр-анероид
Согласно барометрической формуле
(1.5)
то есть значение атмосферного давления зависит от высоты над поверхностью Земли, потому шкалу барометра-анероида можно проградуировать в метрах согласно распределения давления по высоте. Анероид, имеющий шкалу, по которой можно определить высоту подъёма над Землей, называют альтиметром (высотомером). Их широко используют в авиации, парашютном спорте, альпинизме.
1.4. Приборы и методы измерения влажности воздуха
Атмосферный воздух всегда содержит определенное количество водяного пара, поэтому по сути является механической смесью сухого воздуха и водяного пара, соответствующей законам идеальных газов. Для характеристики степени влажности воздуха используют абсолютную и относительную влажность.
Абсолютная влажность – количество водяного пара, содержащегося в 1 м 3 воздуха, измеряется в кг/м 3 (г/см 3 ).
Относительная влажность– отношение действительной плотности (давления) воздуха, к максимально возможной при данной температуре:
(1.6)
Относительная влажность воздуха выражается в процентах и является одной из главных метеорологических величин. Для определения влажности воздуха используют психрометрические и волосяные гигрометры.
Психрометр бытовой служит для измерения температуры и влажности воздуха. Он состоит из двух термометров (рис. 1.4, а), причем резервуар правого термометра завернут в ткань, смоченную водой. Левый термометр сухой и служит для измерения температуры воздуха. Отсчеты по правому и левому термометрам одновременно служат для вычисления относительной влажности воздуха.
Клочок ткани, окутывающей шарик термометра, должен быть чистым, в случае загрязнения его необходимо заменить новым. При постоянной эксплуатации заменять ткань следует раз в две недели.
Вблизи прибора не должно быть никаких предметов, имеющих температуру, отличную от температуры воздуха, которые могут повлиять на показания прибора.
Влажность определяют с помощью психрометричних таблиц и графиков (Приложения А и В), методика определения приведена в лабораторной работе 1.
Рис. 1.4 – Приборы измерения влажности: а — психрометр бытовой; б – волосяной гигрометр
Волосяной гигрометр (рис. 1.4, б) также предназначен для измерения относительной влажности воздуха. Действие прибора основано на свойстве обезжиренного человеческого волоса изменять свою длину при изменении относительной влажности окружающего воздуха. Основное назначение волосяного гигрометра – измерять влажность в морозное время, когда по психрометру влажность не определяется. Но поскольку отсчеты по гигрометру требуют поправок, получаемых через сравнение с психрометром, то наблюдения по гигрометру ведут на протяжении всего года. Если при отсчете окажется, что конец стрелки вышел за сотое деление, то надо примерно оценить, на каком делении оказалась бы стрелка, если бы шкала была продлена на 110 и записать «экстраполированный» отсчет. Температура воздуха отсчитывается по сухому термометру психрометра.
Основные сведения об устройстве барометра анероида
Атмосферное давление — это сила, с которой атмосфера давит на все предметы, находящиеся в ней, на единицу площади поверхности.
Само слово «Атмосфера» означает пар и шар, то есть это газовая оболочка, окружающая нашу планету Земля. Атмосферное давление с увеличением высоты уменьшается, так как над точкой располагается столбец воздуха с меньшей высотой и воздух начинается разряжаться. Примечание
За единицу измерения величины атмосферного давления, согласно общепринятым нормам, принято брать миллиметры ртутного столба (сокращенно — мм. рт. ст.).
Единицей измерения в Международной системе единиц (СИ) является паскаль (обозначается как Па), в Российской Федерации допущены к использованию метр водяного столба, миллиметр водяного столба или, самые распространенные, бар и миллиметр ртутного столба. Атмосферное давление называется нормальным, если при температуре 0 °C высота столба ртути равна значению 760 мм. Для определения атмосферного давления используют прибор под названием барометр. Их подразделяют на ртутные, жидкостные и безжидкостные — механические и электронные. Ртутный барометр представлен стеклянной трубкой, запаянной с одной стороны. Внутри данной трубки находится ртуть. Во время эксперимента открытый конец трубки опускают в сосуд, который не полностью заполнен ртутью. В зависимости от того, происходит рост или упадок давления, ртуть в трубке начинает расти, и наоборот. Безжидкостный барометр (барометр-анероид или механический барометр, как его называют сегодня) представляет собой металлическую круглую коробку, изготовленную из закаленной стали. При воздействии атмосферного давления на стенки коробки происходит их сужение или расширение.
Описание и назначение барометра анероида
Барометр-анероид — это механический прибор, предназначенный для отслеживания разницы в значениях атмосферного давления. Такой барометр очень чувствителен и способен показывать изменение атмосферного давления при смене погоды и даже при подъеме на лифте.
Физической измеряемой величиной у данного барометра является атмосферное давление в паскалях и в мм рт. ст. Принято градуировать шкалу барометра-анероида в гПа и в мм рт. ст., сравнивая с показаниями ртутного барометра. При измерении значения атмосферного давления необходимо учитывать высоту нахождения барометра-анероида над уровнем моря. У барометра-анероида имеется недостаток, связанный с воздействием температуры на пружину. Металл, в зависимости от температуры, начинает сужаться или расширяться, что может повлиять на результат измерения атмосферного давления. Для поправки на температуру современные приборы оснащаются термометрами-компенсаторами. Пользоваться таким барометром можно в промышленности, в учебных заведениях, в лабораториях. Также прибор применяют в быту для предсказания погоды. Технические характеристики данного прибора:
3. Барометр-анероид
До середины \(XIX\) в. жидкостные барометры Торричелли были единственными приборами для измерения атмосферного давления.
Барометр-анероид (от греческого слова «анерос» — «без воды») — прибор для измерения атмосферного давления, в механизме которого отсутствует жидкость (в отличие от ртутного и жидкостных барометров Торричелли).
Анероид изобретён Люсьеном Види в \(1844\) г.
Рис. \(1\). Барометр-анероид
В его конструкции использован круглый металлический корпус \(1\) с волнистыми (гофрированными) основаниями.
Из корпуса выкачан воздух либо до полного вакуума, либо до большого разрежения. Когда повышается давление снаружи корпуса, то есть атмосферное давление, то гофрированные основания корпуса прогибаются внутрь и тянут прикреплённую к ним пружину \(2\). Уменьшение атмосферного давления возвращает гофрированное основание в исходное положение, при дальнейшем уменьшении выпячивается вверх. Стрелка барометра \(4\) с помощью передаточного механизма \(3\) опускается по шкале против часовой стрелки, показывая уменьшение давления.
Первоначальную градуировку шкалы производят по эталонному ртутному барометру. Преимуществом анероида является высокая чувствительность: стрелка реагирует на изменение высоты даже величиной \(2\)–\(3\) м. Точное значение давления необходимо для наблюдения физических процессов и эффективной работы многих приборов.
Анероиды, имеющие механическую систему, изнашиваются и подвержены коррозии. В отличие от ртутных, они безопасны, поэтому более распространены в эксплуатации.
Пропорциональная зависимость атмосферного давления от высоты над уровнем моря используется в методиках градуирования приборов для измерения высоты.
Альтиметр (от лат. altus — «высокий») — прибор для измерения высоты.
Виды высотомеров (альтиметров):
- барометрические;
- радиотехнические;
- инерциальные;
- ионизационные.
Принцип действия барометрического высотометра основан на уменьшении атмосферного давления с увеличением высоты.
Прибор для измерения атмосферного давления
Кто первым изобрел способ измерения атмосферного давления
Несмотря на то, что мы не можем видеть воздух, он реален и имеет давление. Давление атмосферы меняется. Оно выше на уровне моря и уменьшается по мере того, как мы поднимаемся выше в атмосферу. Некоторые погодные системы имеют несколько более высокое давление, чем другие, например, существуют погодные системы высокого давления и низкого давления. Определение 1
Барометр — это прибор для измерения атмосферного давления. Двумя распространенными типами являются анероидный барометр и ртутный барометр (изобретенный первым). Евангелиста Торричелли изобрел первый барометр, известный как «трубка Торричелли».
Фактически, 21% атмосферы Земли состоит из живительного кислорода (78% состоит из азота, а оставшийся 1% — из ряда других газов). И доля этого 21% практически одинакова как на уровне моря, так и на высокогорных высотах. Примечание 1
Большая разница заключается не в количестве присутствующего кислорода, а скорее в плотности и давлении.
Как измерялось атмосферное давление
Полная теория того, как работает барометр, была разработана французским ученым Блезом Паскалем. Он понял, что если бы воздух имел вертикальный вес, то на больших высотах давление было бы ниже. В 1646 году он попросил родственника отнести барометр на гору и по пути записать высоту ртутного столба. И действительно, уровень ртути упал по мере того, как его родственник поднимался все выше. Это доказало, что давление воздуха вызвано вертикальным весом воздуха.
Барометр Евангелиста Торричелли
В 1648 году французский физик Блез Паскаль измеряет давление воздуха во время восхождения на вулканическую гору Пюи-де-Дом во Франции с помощью раннего барометра, изобретенного итальянским физиком Евангелистой Торричелли в 1643 году. Блез Паскаль и Флорин Перьеподнялись на Пюи-де-Купол — небольшой, покрытый травой потухший вулкан в центральной Франции с высотой вершины 1464 метра. Они несли с собой стеклянную колонну высотой в метр, наполненную ртутью. Высокий столбик ртути стоял в луже ртути у основания. Прибором для измерения атмосферного давления был стеклянный столбик ртути — первый барометр. Он был огромным и тяжелым. Ртуть более чем в десять раз тяжелее воды. Ношение этого инструмента, должно быть, сделало поход непростым испытанием. Источник: история-вещей.рф Когда давление воздуха было выше, ртуть в бассейне заполняла пространство в колонке, повышая уровень внутри стакана. Когда давление воздуха было ниже, ртуть в бассейне распространялась, извлекая часть ртути из колонки и понижая уровень в стакане. Паскаль и Перье измерили высоту ртутного столба в стеклянном столбе на трех высотах горы. Они обнаружили, что на более высоких высотах со стороны Пюи-де-Купол уровень ртути в стеклянной колонне был ниже, чем на более низких высотах. Они пришли к выводу, что различия в высоте ртути были вызваны различиями в весе воздуха над ними. Когда они поднимались в гору, над ними было меньше атмосферы, и, следовательно, меньше веса воздуха для сжатия ртути. Основываясь на этом открытии, Паскаль пришел к выводу, что над атмосферой существует вакуум. Именно Галилей предложил Евангелисту Торричелли использовать ртуть в своих вакуумных экспериментах. Торричелли наполнил ртутью стеклянную пробирку длиной 1,2 метра и перевернул пробирку в тарелку. Часть ртути не вытекла из трубки, и Торричелли наблюдал за создавшимся вакуумом. Он стал первым ученым, создавшим устойчивый вакуум и открывшим принцип барометра. Торричелли понял, что изменение высоты ртутного столба изо дня в день было вызвано изменениями атмосферного давления. Торричелли построил первый ртутный барометр около 1644 года.
Люсьен Види — Анероидный барометр
Источник: questions-physics.ru В 1843 году французский ученый Люсьен Види изобрел анероидный барометр. Барометр-анероид регистрирует изменение формы вакуумированной металлической ячейки для измерения изменений атмосферного давления. Примечание 2
Анероид означает отсутствие жидкости, жидкости не используются, металлическая ячейка обычно изготавливается из люминофорной бронзы или бериллиевой меди.
В 1787 году Гораций Бенедикт де Соссюр поднялся на вершину Монблана, чтобы исследовать атмосферу. Всего за год до этого впервые было успешно совершено восхождение на эту скалистую вершину в Альпах. Это самая высокая точка в Европе с высотой вершины 4810 метров над уровнем моря. Соссюр добрался до вершины, неся с собой барометр и термометр и делая измерения по пути. К этому времени были доступны меньшие и более портативные приборы, чем громоздкий барометр, который Паскаль и Перье носили с собой в 1648 году. Даже несмотря на то, что ему пришлось немного сократить время, проведенное на горе, из-за того, что он был ослаблен горной болезнью, измерения, сделанные Соссюром, были очень ценными. Они продемонстрировали, что температура воздуха снижается с высотой в атмосфере примерно на 0,7°C на 100 метров. Обладая этой информацией, Герман фон Гельмгольц и другие пришли к выводу, что на высоте около 30 км в атмосфере температура будет составлять -273°C. При такой температуре тепла не остается. Он известен как абсолютный ноль. Примечание 3
Абсолютный ноль считается самой низкой возможной температурой. Его никогда не находили даже с помощью современных технологий, хотя ученые XXI века подошли очень близко. В XVIII веке, когда Гельмгольц проводил свои расчеты, температура такого холода была зашкаливающей. Прошло бы около 60 лет, прежде чем лорд Кельвин изобрел температурную шкалу, в которой в качестве нулевого значения использовался абсолютный ноль.
Таким образом, когда Гельмгольц объявил, что абсолютный ноль может быть где-то там, ученые проявили большой интерес к исследованию этой высоты в атмосфере, чтобы найти абсолютный ноль. Французские братья Жозеф-Мишель и Жак-Этьен Монгольфье изобрели воздушный шар с горячим воздухом в 1783 году. Он был сделан из мешковины с тонкими слоями бумаги внутри, скрепленными 1800 пуговицами. 3 июня 1783 года они летели 10 минут и поднялись, возможно, на высоту 2000 метров. С помощью воздушных шаров ученые смогли начать исследования выше, чем когда-либо прежде. Через год после исторического полета братьев Монгольфье Гайтон де Моро и преподобный Бертран отправились в атмосферу над Дижоном, Франция, на воздушном шаре с приборами для измерения температуры и давления. Они поднялись в атмосфере на высоту более 3000 метров, делая по пути измерения.
Какие приборы служат для измерения атмосферного давления
- анероидный барометр;
- ртутный барометр.
В анероидных барометрах используются ячейки, которые расширяются и сжимаются при изменении давления воздуха. Давление воздуха измеряется путем введения иглы в эти ячейки. Ртутный барометр, с другой стороны, использует ртуть, которая поднимается и опускается в ответ на изменения давления воздуха.
В течение долгого времени атмосферное давление измерялось ртутным барометром. Он имеет участок ртути, подверженный воздействию атмосферы. Атмосфера давит вниз на ртуть. Если происходит повышение давления, это заставляет ртуть подниматься внутри стеклянной трубки, и отображается более высокое значение измерения. Если атмосферное давление уменьшается, сила, направленная вниз на ртуть, уменьшается, и высота ртути внутри трубки уменьшается. Будет показано более низкое измерение. Этот тип прибора можно использовать в лаборатории или на метеостанции, но его нелегко перемещать. Измерения с помощью ртутного барометра обычно производятся в метрах ртутного столба.
Для постоянного измерения атмосферного давления можно настроить либо ртутный барометр, либо барометр-анероид. Тогда это называется барографом.
Барограф — это барометр, который регистрирует атмосферное давление с течением времени в графической форме. Этот прибор также используется для непрерывной регистрации атмосферного давления.
Чувствительный к давлению элемент, частично вакуумированный металлический цилиндр, соединен с рукояткой пера таким образом, что вертикальное смещение пера пропорционально изменениям атмосферного давления.
Барограф может постоянно регистрировать давление на бумаге или фольге, обернутой вокруг барабана, который совершает один оборот в день, в неделю или в месяц. В настоящее время многие механические метеорологические приборы были заменены электронными приборами, которые записывают атмосферное давление на компьютер.
Устройство барографа
Устройство имеет небольшую гибкую металлическую капсулу, известную как анероидная ячейка. Конструкция этого прибора создает вакуум, так что небольшие изменения давления воздуха могут вызвать сжатие или расширение ячейки. Затем выполняется калибровка анероидной ячейки, и изменения объема передаются рычагами и пружинами на рычаг, который перемещается соответствующим образом. Барографы имеют указатель, расположенный на боковой стороне цилиндра, который вращается вместе с графической бумагой. Указатель перемещается по бумаге при вращении цилиндра. Эти следы указывают на увеличение и уменьшение давления.
Простой барометр, похожий на часы, — это еще один тип анероидного барометра. Он функционирует так же, как барограф, за исключением того, что использует указатель, который перемещается слева направо полукруглым движением по циферблату для индикации низкого и высокого давления.
Ртутный барометр имеет длинную стеклянную трубку, наполненную ртутью, перевернутую вверх дном в чаше с ртутью, известной как цистерна. Когда ртуть вытекает из трубки и попадает в резервуар, в верхней части трубки создается вакуум. Естественно, вакуум оказывает очень незначительное или вообще не оказывает давления на окружающую среду. Давление воздуха отвечает за поддержание столбика ртути на высоком уровне. Когда давление воздуха выталкивает ртуть вниз в резервуар, ртуть в свою очередь выталкивается вверх с таким же давлением на ртуть внутри стеклянной трубки. Высота ртутного столба внутри трубки указывает на общее давление, оказываемое окружающей средой.
Принципы измерения атмосферного давления и погрешность измерений
Атмосферное давление измеряется барометром, в котором используется кремниевый емкостный датчик давления, обладающий отличной повторяемостью и характеристиками долговременной стабильности.
Точное измерение атмосферного давления имеет фундаментальное значение в метеорологии и имеет особое значение для безопасности посадки воздушных судов в аэропортах. Чтобы свести любые ошибки к абсолютному минимуму, прибор содержит три отдельных датчика давления, а внутреннее программное обеспечение прибора проверяет наличие любых различий между тремя независимыми измерениями.
Установка датчика давления в полевых условиях должна осуществляться с большой осторожностью. Любое движение воздуха через вентиляционное отверстие, соединяющее датчик с окружающей средой, вызовет падение давления, вызванное простым динамическим эффектом, описываемым принципом Бернулли. Аналогичным образом, на давление неподвижного воздуха внутри здания будет влиять поток воздуха вокруг здания или даже система кондиционирования воздуха.
Напор статического давления
Чтобы избежать ошибочных измерений, датчик давления подвергается воздействию через напор статического давления, устройство, разработанное таким образом, чтобы динамические эффекты ветра были сведены к минимуму.
Как используются наблюдения за давлением
Атмосферное давление сильно меняется с высотой, снижаясь вблизи поверхности примерно на 1 ГПа (или 1 миллибар) на каждые 10 м по вертикали. Чтобы понять показания давления сети барометров по всей Великобритании, каждый из которых находится на разной высоте над уровнем моря, все значения давления на уровне станции преобразуются в оценку давления на среднем уровне моря с использованием формулы, учитывающей температуру воздуха. Среднее давление на уровне моря, давление на уровне станции и тенденция давления в течение предыдущих трех часов сообщаются со всех синоптических станций каждый час. Тенденция определяется одной из десяти категорий: устойчивая, растущая, падающая, растущая, затем падающая и т. д.
Статическое давление или гидростатическое давление — это давление, оказываемое жидкостью в состоянии покоя. Жидкость — это любое вещество, которое не соответствует фиксированной форме. Это может быть жидкость или газ. Поскольку жидкость не движется, статическое давление является результатом веса жидкости или силы тяжести, действующей на частицы в жидкости.
Существует два различных способа измерения статического давления.
- Первая (и наиболее распространенная) мера состоит в том, чтобы взять силу, действующую на жидкость, и разделить ее на площадь, на которую она действует.
- Второй распространенный метод вычисления статического давления заключается в вычислении напора давления, который иногда называют напором, и того, что вы можете видеть на изображении.
Напор давления — это то, насколько высоко поднимется жидкость, если убрать силы, сдерживающие жидкость.
В метеорологических целях атмосферное давление обычно измеряется с помощью электронных барометров, ртутных барометров, анероидных барометров или гипсометров.
Последний класс приборов, который зависит от соотношения между температурой кипения жидкости и атмосферным давлением, до сих пор имел лишь ограниченное применение.
Метеорологические приборы для измерения давления (барометры) подходят для использования в качестве рабочих приборов для измерения атмосферного давления, если они отвечают следующим требованиям:
- Приборы должны регулярно калиброваться или контролироваться по (рабочему) стандартному барометру с использованием утвержденных процедур. Период между двумя калибровками должен быть достаточно коротким, чтобы гарантировать, что общая абсолютная погрешность измерения будет соответствовать требованиям точности.
- Любые отклонения в точности (долгосрочные и краткосрочные) должны быть намного меньше, чем допуски. Если у некоторых приборов были отклонения в
калибровке, они будут пригодны для эксплуатации только в том случае, если период между калибровками достаточно короткий, чтобы обеспечить требуемую точность измерений в любое время. - Колебания температуры не должны влиять на показания прибора. Инструменты подходят только в том случае, если: процедуры корректировки показаний с учетом влияния температуры обеспечат требуемую точность; и/или датчик давления помещается в среду, где температура стабилизируется таким образом, чтобы была достигнута требуемая точность.
Единицы измерения
Атмосферное давление может быть записано и представлено во многих различных единицах измерения. Ртутный барометр производит измерения в метрах ртутного столба.
Фунты на квадратный дюйм (сокращенно p.s.i.) распространены в английской системе единиц, а паскаль (сокращенно Pa) является стандартом в метрической системе (СИ). Поскольку давление, оказываемое атмосферой Земли, имеет большое значение, давление иногда выражается в терминах «атмосфер» (сокращенно атм). В зависимости от погоды бар и миллибар (мб) описывают давление. Миллибар используется метеорологами при описании погодных систем с низким или высоким давлением.
Таким образом, на уровне моря при температуре 0:
°C 1 атмосфера = 75,9 см ртутного столба = 14,7 фунтов на квадратный дюйм = 101 325 Па = 1013,25 мб = 1,013 бар.