19.06.2015

Давление воздуха изменяется в широких пределах. Если оно больше 760 миллиметров ртутрного столба, то считается повышенным , если меньше – то пониженным .

Наблюдения за изменением атмосферного давления позволяют предсказывать погоду. Например, при повышении давления в зимний период погода становится морозней, а летом – жаркой. Пониженное атмосферное давление способствует появлению облачности, выпадению осадков. Поэтому постоянно знать величину атмосферного давления и контролировать его изменения необходимо не только ученым, медикам, но и всем нам.

Атмосферное давление

Атмосферное давление измеряется в миллиметрах ртутного столба, а также в Паскалях и гектоПаскалях. Принято считать нормальным давление, которое равно 760 мм рт. ст. (1013,25 гПа) .

Атмосферное давление, как правило, изменяется в зависимости от изменений погодных условий. Зачастую давление падает перед ненастной погодой, повышается – перед хорошей. Ведение учета изменения давления позволяет определить перемещение циклонов и направление ветров.

На самочувствие человека, проживающего долгое время в определенной местности, изменение характерного давления зачастую не влияет. В случаях, когда происходят непериодические колебания атмосферного давления, даже у здоровых людей появляется головная боль, падает работоспособность и ощущается тяжесть тела.

Изменение атмосферного давления также влияет на многие технологические процессы. Например, при переработке нефтепродуктов, где давление является одним из основных контролируемых технических параметров; хлебо-булочное производство, где показания давления сильно влияют на влажность полуфабрикатов из теста; в авиационной промышленности это очень важный параметр, оказывающий влияние на сроки и условия эксплуатации.

Приборы для измерения атмосферного давления

На сегодняшний день существует несколько видов барометров, с помощью которых осуществляют измерение давления воздуха:

• Ртутный сифонный барометр – представляет У-образную, наполненную ртутью трубку с открытым и запаянным концом.
• Ртутный чашечный барометр – состоит из вертикальной, наполненной ртутью трубки, верхний конец которой запаян, а нижний находится в специальной чашечке с ртутью.
• Барометр-анероид – является безвоздушной металлической коробкой с волнообразными стенками.
• Барограф – самопищущий прибор, который применяют для наблюдения за барометрическим давлением в определенные промежутки времени.
• Электронный барометр – цифровой прибор, работающий по принципу обычного анероида или по принципу измерения давления воздуха на чувствительный кристалл.

Ртутные барометры являются более точными и надежными по сравнению с анероидами, по ним проверяют работу других видов барометров. Высота давления в них определяется по высоте столба ртути. Метеорологические станции оборудованы чашечными барометрами.

Измерение атмосферного давления с помощью термогигрометра

Атмосферное давление измеряется не только с помощью различных видов барометров, но и такими универсальными цифровыми приборами, как термогигрометры. Несмотря на то, что основная задача данных устройств – определение относительной влажности и температуры, они прекрасно справляются и с измерением давления воздуха, показывая максимально точные величины. Поэтому такие многофункциональные приборы приобрести намного выгоднее, чем устаревшие барометры и психрометры.

АО «ЭКСИС» предлагает Вашему вниманию огромный ассортимент электронных измерителей давления и других контрольно-измерительных приборов высокого качества и всегда по доступным ценам.

В частности, в нашей копании Вы сможете приобрести следующие модели термогигрометров:

Все модели термогигрометров имеют интерфейс связи с ПК посредством USB, RS-232 и могут крепиться к стене.

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).

Приборы для измерения атмосферного давления называются барометрами. Давление определяется весом столба атмосферного воздуха, давящего на данный участок поверхности Земли. Поскольку на больших высотах над уровнем моря, например, на вершине горы, слой вышележащего воздуха тоньше, атмосферное давление уменьшается с высотой. Атмосферное давление также изменяется при перемещении воздушных масс, образующих холодные и теплые атмосферные фронты. Поэтому можно предсказывать погоду по показаниям барометра.

В настоящее время применяются два основных типа барометров: ртутные и анероиды. В ртутном барометре, изобретенном в 1643 году итальянским ученым Эванжелиста Торричелли (Evangelista Torricelli), основным элементом является стеклянная трубка, заполненная ртутью, столбик которой поднимается и опускается по мере того, как атмосферное давление увеличивается или уменьшается. Барометр-анероид, похожий на тот, что показан на рисунке справа, был изобретен в 1843 году французским ученым Люсьеном Види (Lucien Vidie). Основной частью анероида является небольшая гофрированная металлическая мембранная коробка, из которой практически полностью выкачан воздух (схема внизу). При изменении атмосферного давления мембранная коробка расширяется или сжимается. Чувствительный механизм преобразует перемещение мембран в круговое движение стрелки, показывающей величину давления на шкале прибора.

Внутреннее устройство барометра-анероида

Серия рычагов внутри барометра усиливает небольшие перемещения при расширении и сжатии мембранной коробки. Большинство барометров-анероидов имеет менее 20 см в поперечнике.

(Рисунок вверху статьи)

Тонкое пишущее перо барографа осуществляет непрерывную запись атмосферного давления на вращающемся барабане.

Изменение атмосферного давления заставляет ртуть в трубках подниматься или опускаться. Высота столбиков ртути зависит только от атмосферного давления, диаметр и форма трубок значения не имеют. На уровне моря столбик ртути поднимается на 760 миллиметров.

Два простых металлических полушария демонстрируют существование атмосферного давления. После того как из полушарий выкачан весь воздух и в них образовался вакуум, атмосферное давление делает невозможным их разъединение.

Что такое атмосферное давление? Как называется прибор для измерения атмосферного давления? Расскажите о его строении. Назовите нормальное атмосферное давление. Как и почему изменяется давление при подъеме в горы и при опускании в котловины? Почему давление воздуха на земной поверхности постоянно меняется?

1) =20 мм. рт. ст. 2)20 ×10,5=210 метров Ответ: 210 метров

1) =45 мм рт. ст. 2)45 × 10,5=427,5 м высота Ответ: 427,5 м.

Задолго до того как наука дала точное определение понятию «ветер» и нашла объяснение его возникновению, человек научился использовать силу ветра. По морю ходили парусные корабли. Ветер, наполняя паруса, позволял пересекать океаны и совершать географические открытия. Например, великий путешественник Христофор Колумб на парусных каравеллах пересек Атлантический океан и открыл новый материк –Америку.

Скорость Расстояние, которое проходит воздух за единицу времени. Выражается в м / сек Прибор - анемометр Сила Давление, оказываемое воздухом на площадку площадью в 1 кв. м, расположенную перпендикулярно движению воздуха. Выражается в баллах Направление Направление определяется той стороной горизонта, откуда ветер дует. Направление ветра выражается в румбах. Главные румбы - север, юг, восток и запад. Прибор – флюгер.

Самые сильные ветры на Земле 104 м/с- зарегистрированы г. на горе Вашингтон (горная система Аппалачи) (США). Самое ветреное место на Земле - мыс Денисона (Антарктида), 300 дней в году ветры достигают 89 м/с.

Сила ветра (баллы) Скорость ветра м/с (км/ч) ОбозначениеДействие ветра 0.0,0-0,5 (0)ШтильДым поднимается вертикально. 1.0,6-1,7 (4)ТихийЛегкое движение воздуха 2.1,8-3,3 (9)ЛегкийШелестят листья, лицо ощущает ветер 3.3,4-5,4 (16)СлабыйКолышутся листья и тонкие ветви 4.5,5-7,9УмеренныйГнутся вершины деревьев, поднимается пыль 5.8,0-10,7СвежийКолеблются ветки и тонкие стволы 6.10,8-13,8СильныйКачаются толстые ветви, гудят провода 7.13,9-17,1КрепкийРаскачиваются стволы, тяжело идти против ветра 8.17,2-20,7Очень крепкийЛомаются небольшие ветви, очень тяжело идти 9.20,8-24,4ШтормЛомаются толстые ветви, повреждаются здания 10.24,5-28,4Сильный штормЛомаются деревья, большие повреждения 11.28,5-32,6Жестокий штормБольшие разрушения 12.Более 32,7УраганОпустошительные разрушения

Название ветраРайоны распространения Направление ПассатыТропикиС.-В.,Ю.-В. Ветры зап. переносаУмеренные широтыЗ., С.-З. МуссоныВосточное побережье Евразии и Сев. Америки Летом - с океана на материк, зимой - с материка на океан. Стоковые ветрыАнтарктидаОт центра материка к периферии БризМорские побережьяДнем –с моря на сушу, ночью - с суши на море ФенГорные системы. Особенно Альпы, Памир, Кавказ С гор в долины

Что такое ветер? Назовите причины образования ветра Назовите самое ветреное место на Земле. Какие ветры вы знаете? Как они дуют? Назовите приборы которые измеряют силу, скорость и направление ветра? Каково значение ветра в природе и жизни человека? Параграф 39 стр Постройте розу ветров за февраль по данным своих наблюдений.

Одним из самых точных приборов, применяемых для измерения атмосфер­ного давления на всех метеорологических станциях, является так называемый станционный чашечный барометр. Oн представляет собой стеклянную трубку длиной около 80 см, c поперечным сечением 1 см2. Верхний конец ее запаян, а нижний открытый опущен в чашку со ртутью. Трубка заполнена ртутью; в незаполненной части трубки - безвоз­душное (точнее крайне разреженное) пространство.

Для предохранения трубки от механических повреждений она заключена в металлическую оправу. Принци­пиальная схема устройства морско­го чашечного ба­рометра: с обеих сторон сделаны две продольные прорези, одна против другой, необходимые для определения высоты столба рту­ти в трубке. С левой стороны лицевой прорези нане­сена шкала: в старых барометрах-в миллиметрах, в новых - в миллибарах. Для отсчета давления по шкале пользуются под­вижным кольцом с нониусом. Перемещение нониуса вдоль про­рези производится с помощью винта, находящегося на правой стороне оправы. Перед отсчетом нижний срез нониуса подводит­ся к верхней точке видимого мениска ртути, и затем производится отсчет давления с десятыми долями: целые отсчитываются по нижнему срезу нониуса, а десятые - по делениям нониуса (от 0 до 9). О десятых долях (мм или мб) судят по то­му делению нониуса, которое точно совпадает с каким-либо де­лением на шкале. Для доступа воздуха в чашку со ртутью в ней сделано не­большое отверстие, неплотно запираемое винтовой пробкой.

Станционный чашечный барометр устанавливается в помеще­нии метеостанции в специальном шкафчике в вертикальном по­ложении.

Морской ртутный барометр, как говорит само его наименование, предназначен для измерения атмосферного давления па морских судах. В принципе он устроен так же, как и станционный чашечный барометр, и отличается от него мень­шими размерами и более узкой барометрической трубкой с рас­ширениями на ее концах. Сужение средней части трубки до толщины капилляра сделано для уменьшения колебание ртути в трубке во время качки судна и для предохранения от проникновения воздушных пузырьков в ртуть. Чашка со ртутью сделана более узкой, чем в станционном барометре. Это также в значительной мере устраняет влияние качки судна на состоя­ние и показания барометра.

Морской барометр подвешивается на судне в закрытом поме­щении на кардановом подвесе.

Барометр-анероид, или просто анероид, яв­ляется простым и удобным в обращении прибором, широко при­меняющимся для измерения ат­мосферного давления на судах.

Принцип действия анероида основан на измерении степени деформации стенок пустотелой плоской металлической барокоробки под действием атмосфер­ного давления.

Анероидная коробка, являясь воспринимающей частью прибо­ра, весьма чутко реагирует на из­менение атмосферного давления. Чувствительность барокоробки достигается тем, что воздух в ней очень сильно разряжен. При увеличении давления коробка сжимается, а при уменьшении - расширяется. Чтобы избежать полной деформации коробки, возможной под действием атмо­сферного давления, к ней прикреплена дугообразная пружина, которая, растягивая коробку, уравновешивает действующее на нее атмосферное давление.

Сжатие и растяжение коробки передаются на стрелку-ука­затель барометра через систему тяг и рычагов. Шкала анероида проградуирована либо в миллиметрах, либо в миллиметрах ртутного стоба. Гра­дуировка анероида произведена при условии, что температура барокоробки при всех значениях давления равна 0°. Поэтому для определения поправки па показание анероида, зависящей от температуры, при отсчете давления каждый раз определяют температуру самого прибора. Последняя определяется по термо­метру, вмонтированному в дугообразную прорезь на лицевой поверхности анероида.

Механизм анероида заключен в круглую металлическую или пластмассовую коробку, застекленную с лицевой стороны. При­бор всегда хранится в специальном футляре с открывающейся крышкой.

Барометр-анероид, по сравнению с ртутным барометром, ме­нее точный прибор, но зато почти не чувствительный к качке судна. Это делает его более удобным в пользовании и хранении в корабельных условиях. Основным недостатком анероидов является постепенное снижение их чувствительности и точности показании в связи с возникающей со временем остаточной де­формации анерондиой коробки и пружины. Для устранения этих недостатков анероиды периодически должны подвергаться проверке в специальных учреждениях Гидрометеорологической службы - в бюро поверки. Поверка анероидов должна производиться через каждые полгода.

Барограф предназначен для непрерывной записи изменения атмосферного давления. Его устройство ана­логично устройству термографа. Он также состоит из двух основных частей: воспринимающей и пишущей. В качестве приемника давления служит несколько (5-10) анерондных коро­бочек, соединенных между собой металлическими прокладками. Во избежание полной деформации коробочек, возможной под действием атмосферного давления, внутри каждой из них встроена пружина рессорного типа.

Частичная суммарная деформация в виде небольших верти­кальных смещений всей серии барокоробок, возникающих под действием меняющегося атмосферного давлення, передается че­рез систему рычагов па стрелку, па конце которой насажено перо.

Запись давлення в виде кривой происходит на ба­рабане, медленно вращающемся с помощью часового механиз­ма. На барабан надевается бумажная лента, разграфленная горизонтальными линиями (давлением в мб) и вертикальными дугами (время в часах и минутах.

В зависимости от времени полного оборота барабана, барорифы бывают «суточные» и«недельные».

По барографу можно определить не только конкретную ве­личину атмосферного давления в любой момент времени, по и величину и характер его изменения за любой интервал времени.

Поскольку изменение атмосферного давлення весьма тесно связано с текущей и предстоящей погодой, то для ее предсказа­ния в условиях плавания важно знать не столько абсолютное значение давления, сколько величину и характер ее изменения за последние несколько часов.

Барограф на судне устанавливают в закрытом помещении из пружинящих растяжках или крепят к специальной полке или к столу.