26 слайд 26
Барометрический высотомер.
Шкала высотомера имеет цена деления равную 20 метров.
Прибор комплектуется барометрической шкалой, которая размечена в миллибарах.
1 бар = 100 000 паскалей (Па)
1 мбар = 0.001 бар = 100 Па
Барометр-анероид: что это такое и как он работает?
С детских лет мы слышим термины «высокое» и «низкое» атмосферное давление, однако зачастую не понимаем, каким образом оно измеряется, а также что приводит к его изменениям. В данной статье мы рассмотрим прибор, основная задача которого – определение этих параметров с помощью механических средств.
Особенности
Барометр-анероид – это инструмент, предназначенный для слежения за изменениями атмосферного давления без использования жидкости. Данный прибор обладает высокой чувствительностью и способен реагировать на малейшие колебания давления, вплоть до изменений, происходящих при подъёме на лифте. Наблюдая за его показателями, можно заметить изменения, указывающие на смену погоды: в преддверии ухудшения погодных условий атмосферное давление понижается, а в период ясной погоды – повышается.
Прежде чем снять показания с устройства, важно учитывать его высоту над уровнем моря. Чем выше расположение прибора, тем ниже будет атмосферное давление. Для примера, при подъёме на небольшую высоту (до 1 км) показания снижаются на 1 мм рт. ст. примерно каждые 12 метров.
К сожалению, у барометра-анероида есть один недостаток – влияние температуры на пружину устройства. Изменения температурных условий заставляют металл либо сжиматься при понижении температуры, либо расширяться при нагревании, не оказывая при этом влияния на атмосферное давление. Для корректировки показаний в зависимости от температуры современные модели часто оснащаются термометрами-компенсаторами.
Эти устройства позволяют внести необходимые поправки в показания прибора, улучшая их точность.
Атмосферное давление и его измерение
Температурные условия на нашей планете способствуют существованию газообразных веществ, формирующих атмосферу. Сила земного притяжения удерживает атмосферу от рассеивания в космосе, в отличие от таких небесных тел, как Луна. При этом верхние слои атмосферы создают давление на нижние, что и приводит к возникновению атмосферного давления.
Впервые атмосферное давление было измерено Э. Торричелли в XVII веке, воспользовавшись запаянной с одного конца стеклянной трубкой, наполненной ртутью. Когда открытый конец трубки опустили в чашу с ртутью, а запаянный конец подняли вверх, уровень ртути в трубке опустился примерно до отметки 760 мм. При этом образовалась вакуумная область в запаянном конце, которая была названа торричеллиевой пустотой.
Из курса физики 7 класса известно, что высота ртутного столба в трубке равна той, которая уравновешивает атмосферное давление. Это позволяет измерять давление в единицах высоты ртутного столба с помощью обычной линейки. Таким образом, устройство, состоящее из ртутной трубки и линейки, называется ртутным барометром.
Хотя ртуть и является наиболее распространённой жидкостью, её можно заменить и другими, например, водой. Однако поскольку вода в 13.5 раз легче ртути, её столб в трубке будет значительно выше – примерно 10 метров, что делает измерения менее удобными, хоть такие барометры тоже существуют.
Барометр-анероид
Хоть ртутный барометр и обладает высокой точностью, ртуть является ядовитым веществом, которое может медленно испаряться, образуя токсичные пары. Поэтому был создан барометр, не использующий ртуть (анероид – что значит «без жидкости»). Ключевым элементом барометра-анероида является металлическая гофрированная коробочка, из которой воздух выкачан. Под воздействием атмосферного давления эта коробочка немного сжимается, причем степень сжатия зависит от силы давления. Когда давление падает, гофрированная часть коробочки распрямляется. Таким образом, толщина коробочки всегда пропорциональна внешнему давлению.
К коробочке прикреплена тяга, которая передает движение на стрелку через специальный рычажный механизм. Эта шкала может быть проградуирована в удобных единицах – например, миллиметрах ртутного столба или в стандартных единицах системы СИ – паскалях.
Обычно в таких барометрах имеются специальные регулирующие винты в рычажном механизме, которые позволяют точно выставлять положение стрелки. Из-за минимальной релаксации гофрированной коробочки, поддерживать необходимую точность на производстве нелегко. Поэтому коробочка изготавливается с некоторыми допусками, а правильное выставление атмосферного давления производится с помощью регулирующего винта, ссылаясь на эталонный барометр.
Значение атмосферного давления само по себе не всегда интуитивно понятно. Гораздо более информативно наблюдать за его изменениями. Многие знают, что если показания барометра падают, то это предвещает ухудшение погоды. А наоборот, повышение давления предвещает хорошую погоду. В большинстве барометров-анероидов присутствует вторая контрольная стрелка, которую можно выставлять вручную. Эта стрелка совмещается с основной, и в дальнейшем позволяет наблюдать, растет давление или уменьшается. Также нередко в такие устройства встроены дополнительные приборы, такие как термометры и гигрометры.
Зависимость атмосферного давления от высоты
Барометр-анероид – это высокочувствительный прибор, показания которого изменяются в зависимости от высоты над уровнем моря. Практические измерения показали, что на высоте до 1 км каждый 12-метровый подъём приводит к снижению атмосферного давления примерно на 1 мм рт. ст. Чем выше мы поднимаемся, тем ниже наблюдаемое атмосферное давление. Даже небольшие изменения высоты на лифте заметны при использовании барометра-анероида.
С помощью измерений атмосферного давления можно определить высоту расположения самого барометра. Устройства, которые используют этот принцип, называются альтиметрами и широко применяются в авиации.
Рис. 4. Определение высоты по атмосферному давлению
В ясную погоду стандартное атмосферное давление на уровне моря составляет 760 мм рт. ст., что соответствует 760×133,3 Па = 101,3 кПа, и называется нормальным атмосферным давлением.
Манометры
Иногда возникает необходимость измерять не атмосферное давление, а то, что называется относительным давлением. Это разнице между атмосферным давлением и давлением в определённом сосуде. Для этих случаев используют приборы, именуемые манометрами.
Рассмотрим устройство жидкостного манометра, который состоит из U-образной стеклянной трубки, наполненной жидкостью (чаще всего водой). Правое колено этой трубки открыто для атмосферного давления. Методом подключения шланга к манометру, также имеющему доступ к атмосферному давлению, можно фиксировать начальные уровни жидкости на отметке 0 см. При откачке воздуха из сосуда давление в нем уменьшается, и уровень воды в манометре смещается влево. Разница уровней в коленах манометра показывает, насколько давление в левом колене (в сосуде) ниже атмосферного. Например, если разница составляет 40 см, это означает, что давление в сосуде ниже атмосферного на 40 см водяного столба (см вод. ст.).
Рис. 5. Жидкостный манометр
Для перевода 40 см водяного столба в паскали используется известная формула, применяемая для расчета давления на грани и стенках сосуда:
Применение жидкостных манометров не всегда удобно, так как для получения давления необходимо переводить сантиметры водяного столба в паскали, да и такие манометры не устойчивы к тряске (например, в условиях транспортировки). Таким образом, на практике часто используются деформационные металлические манометры, на шкале которых сразу видны значения давления в паскалях (точнее, превышение давления над атмосферным).
Работа металлического деформационного манометра основана на деформации металлической трубочки. Внутри трубки находится газ, давление которого необходимо измерить. Через две тяговые системы движение трубки передается стрелке (см. рис. 6), которая вращается на общей оси, перемещаясь по шкале. Трубка, шкала и стрелка помещены в защищённый корпус, закрытый стеклом.
При увеличении давления газа внутри трубки она расправляется, что приводит к удалению концов трубки друг от друга, и это движение передаётся стрелке. При понижении давления стрелка смещается в обратном направлении благодаря силам упругости, действующим на трубку.
Организация деятельности библиотекаря в профессиональном образовании
Дополнительная скидка: 10% (только до 28 октября)
К данной скидке мы можем добавить скидку Вашего образовательного учреждения (она зависит от количества коллег, завершивших курсы «Инфоурок»).
На данный момент дополнительные накопительные скидки (от 2% до 25%) предоставляются 66 674 образовательным учреждениям. Чтобы узнать, какая скидка действует для всех сотрудников Вашего образовательного учреждения, войдите в свой личный кабинет «Инфоурок».
- В данный момент обучается 413 человека из 68 регионов.
- Этот курс уже прошли 941 человек.
Методические разработки к Вашему уроку:
Как читать показания
Некоторые модели измерительных барометров имеют две стрелки: контрольную и движущуюся. Первая фиксирует начальное значение давления в начале наблюдений, вторая – текущее значение. Разница между ними позволяет определить, насколько изменилось давление за определённый период.
В градуировке используются такие единицы измерения:
- Миллиметры (или, в некоторых странах, дюймы) ртутного столба. При использовании барометров именно эта единица измерения является основной.
- Паскали (Па), а также гПа и мПа.
- Бары (где 1 бар равен 100 000 Па и 0,1 мПа). В бытовых моделях часто присутствует шкала в миллибарах (мбар).
Шкала прибора может быть как одинарной, так и двойной. В России наиболее часто используются варианты с мм рт. ст. и Па (гПа). Как и другие типы барометров, анероид предсказывает изменения погоды преимущественно в краткосрочной перспективе (до 24 часов). Также все эти устройства обладают невысоким радиусом действия – около 30 км (хотя при циклонах радиус немного увеличивается).
Шкала обычно начинается с 710 мм рт. ст. (в некоторых моделях её значение может быть ниже). Точка отсчета принимается как нормальное давление, характерное для данного региона и высоты в ясную погоду. Его усреднённое значение составляет 760 мм рт. ст., однако для других местностей это значение может варьироваться (например, в горах оно ниже). Усреднённые значения для той или иной географической точки определяются метеорологическими службами. Исходя из этого показателя, интерпретируется движение стрелки. На основании этого отслеживается, повышается или понижается давление, и насколько именно. Чем быстрее двигается стрелка и больше амплитуда её колебаний, тем точнее прогноз и скорее наступит предсказанное изменение.
Настройка прибора
Для корректной настройки модели необходимо точно знать значение текущего атмосферного давления в данной местности. Эти данные можно получить в ближайшей метеостанции или же воспользоваться прогнозом погоды. Альтернативный вариант – сверить показания с точным ртутным барометром.
Если наблюдается разница в показаниях, то прибор потребуется откалибровать. На задней панели устройства нужно найти регулировочный винт и, поворачивая его, установить нужное значение давления.
Если регулирующего винта нет, калибровка выполняется поворотом циферблата относительно стрелок. В инструкции по эксплуатации можно найти подробные указания по настройке устройства.
