Барометр-анероид – что измеряет, принцип действия и устройство кратко (физика, 7 класс)

Барометр-анероид – что измеряет, принцип действия и устройство кратко (физика, 7 класс) Анемометр

Атмосферное давление и его измерение

Температурные условия на Земле таковы, что некоторые вещества находятся в газообразном состоянии и образуют атмосферную оболочку планеты. Земного притяжения достаточно, чтобы удерживать её от рассеивания в космическом пространстве, в отличие, скажем, от Луны. Кроме того, верхние слои атмосферы давят на нижние, это и является причиной появления атмосферного давления.

Впервые атмосферное давление было измерено Э. Торричелли в XVII в. Для этого была взята запаянная с одного конца стеклянная трубка, наполненная ртутью. Если опустить открытый конец трубки в чашку с ртутью, подняв запаянный конец вверх, ртуть в трубке опустится приблизительно до высоты 760 мм. В запаянном конце трубки над ртутью при этом появится пустота, названная торричеллиевой.

Торричеллиева пустота
Рис. 1. Торричеллиева пустота

Из курса физики 7 класса известно, что ртуть в трубке имеет такую высоту, чтобы уравновешивать давление воздуха, следовательно, давление можно выражать в единицах высоты ртутного столба и измерять с помощью обычной линейки. Такой прибор, состоящий из трубки с ртутью и линейки, называется ртутным барометром.

Водяной барометр
Рис. 2. Водяной барометр

Барометр-анероид. характеристики. виды. | анероид.рф

Барометр – это
измерительный прибор, который предназначается для определения давления
атмосферного воздуха. Помимо метеорологического применения, барометр
используется для экологического контроля (например, для аттестации рабочих
мест) или в авиации (для определения высоты полета над уровнем моря).

Барометр-анероид

Рисунок 1.
Барометр-анероид

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

Вообще, барометры, в
зависимости от принципа действия
могут быть ртутными, жидкостными,
анероидными или электронными.

Жидкостный барометр
– прибор, в котором используется принцип уравновешивания веса столба жидкости
давлением атмосферы.

Ртутный барометр
– атмосферное давление, в котором, можно замерить по высоте ртутного столба на
прикрепленной рядом шкале.

Барометр-анероид
– прибор, принцип действия которого основан на изменении размеров металлической
коробки наполненной разреженным воздухом, под действием атмосферного давления.
Такие барометры надежны и имеют небольшие размеры.

Электронный барометр
– данный вид барометров работает на принципе преобразования линейных размеров
традиционной анероидной барокоробки в электрический сигнал и дальнейшей
обработки этого сигнала микропроцессором. Если же, вместо анероидной коробки
используется тензопреобразователь, то измеряемое давление воспринимается этим
чувствительным элементом, преобразуется через его деформацию, в изменение
электрического сопротивления тензорезисторов тензометрического преобразователя.

Однако, поскольку тема данной статьи «Барометр-Анероид», вернемся к данному
виду приборов для измерения давления и рассмотрим их более подробно.

Итак, Барометр-анероид – это прибор,
который предназначается для измерения атмосферного давления механическим
способом. Конструктивно анероид состоит из круглой металлической (никель-серебряной или из закаленной стали)
коробки с гофрированными (ребристыми) основаниями, в которой, путем откачивания
воздуха, создано сильное разрежение, возвратной пружины, передаточного
механизма и стрелки указателя. Под действием атмосферного давления: его
повышения или понижения, коробка, соответственно, либо сжимается, либо
разгибается. При этом, при сжатии сильфонной коробки верхняя прогибающаяся
поверхность начинает тянуть прикрепленную к ней пружину вниз, а при понижении
атмосферного давления, верхняя часть, наоборот, выгибается и толкает пружину
вверх. К возвратной пружине, при помощи передаточного механизма, прикреплена
стрелка указателя, которая двигается по шкале, проградуированной в соответствии
с показаниями ртутного барометра (Рисунок 2). Стоит отметить, что обычно, на
практике, применяется несколько (до 10 шт.) последовательно соединенных
тонкостенных гофрированных коробок с разряжением, что увеличивает амплитуду
хождения стрелки по шкале.

Про анемометры:  Закваска Даниско (Danisco) ТА 45 - купить в магазине Про Сыр в Ростове-на-Дону

Устройство Барометра-анероида

Рисунок 2. Устройство
Барометра-анероида.

Барометры-анероиды, благодаря малым размерам и отсутствию
жидкости в конструкции, наиболее удобны и портативны; они широко применяются на
практике.

К сожалению, барометры
подвержены влиянию температуры окружающей среды и изменению упругости пружин с
течением времени. Поэтому, современные барометры-анероиды оборудованы
дугообразным термометром, или, так называемым компенсатором, который
предназначается для внесения поправки показаний прибора на температуру.

Вообще, для получения
истинного значения атмосферного давления, показания барометра-анероида
нуждаются в различных поправках, определяемых сравнением с ртутным барометром. Выделяют три поправки к анероидам:

– поправка на шкалу — данная поправка зависит
от того, насколько неравномерно барометр-анероид реагирует на изменение
давления на различных участках шкалы,

– поправка на
температуру — обуславливается зависимостью между температурой и упругостью анероидных
гофрированной коробки и пружины,

– поправка добавочная
– обуславливается изменением, по прошествии времени, упругости анероидных
гофрированной коробки и пружины.

Корпус
барометра-анероида, обычно, изготавливается из ценных пород дерева, таких как:
орех, дуб, бук, вишня или красное дерево. Такие барометры уже не просто
приборы измерения атмосферного давления, а предметы интерьера. Однако, для
удешевления всей конструкции, и придания большей практичности, корпус анероида
может быть изготовлен из пластика или металла.

Барометры-анероиды представлены моделями:

БАММ-1
– барометр, который предназначается для измерения атмосферного давления в
наземных условиях и в помещениях. Внесен в Госреестр Средств Измерений РФ,
поэтому может быть использован для проведения аттестаций рабочих мест.

М-67 – наиболее точный и неприхотливый барометр. Благодаря своим
конструкционным особенностям способен работать при температурах от -10 до 50 оС
(рисунок 3).

М-110
– барометр промышленного применения, внесенный в Госреестр средств измерения.

ББ-0,5М
– бытовой барометр настенного размещения. Прекрасно подходит для
ориентировочных измерений за атмосферным давлением.

БР-52
– школьный барометр-анероид, применяемый в качестве учебного пособия и для
проведения опытов.

Барометр модели М67

Рисунок 3. Барометр
модели М67.

Для проведения более точных или более длительных измерений,
а также для поверки смежных приборов на метеостанциях, метеопостах и
лабораториях используются другие приборы. Они могут быть как цифровыми, так и
механическими. Например, барометр БОП-1М
являясь образцовым переносным барометром, как эталонное средство измерения,
предназначается для поверки барометров различных конструкций и приборов
общепромышленного назначения, измеряющих атмосферное давление.

БРС-1М
– барометр рабочий сетевой, предназначается для точного определения абсолютного
давления воздуха, имеет цифровой интерфейс RS232 для подключения к компьютеру.

Метеорологический барограф М-22А
– прибор, который предназначается для определения и графической регистрации
величин атмосферного давления как внутри, так и снаружи помещения, за
определенный промежуток времени (Рисунок 4.).

Барограф М-22А

Рисунок 4. Барограф
М-22А

Автоматизированный цифровой барометр МД-20
используется на метеостанциях для долговременного измерения
атмосферного давления с возможностью передачи результатов измерения на
компьютер.

Барометры-анероиды и метеорология

Анероиды используют в метеорологических исследованиях: изменение атмосферного давления «предсказывает» погоду на следующие дни. На некоторых анероидах на шкале вы можете увидеть интерпретацию ожидаемых погодных условий (рисунок 4).

Про анемометры:  Измерение скорости воздуха в помещении

При этом анероиды обладают высокой чувствительностью: незначительное изменение высоты (2–3 метра) заставляет стрелку двигаться. То есть барометр-анероид улавливает даже незначительное изменение атмосферного давления. Если же подняться с анероидом в горы, то можно заметить, что каждые 12 метров подъема будут ознаменовываться уменьшением атмосферного давления на 1 мм рт. ст.

Барометры-высотомеры

Мы уже знаем, что атмосферное давление с высотой уменьшается, поэтому анероиды имеют и второе применение — в качестве высотометров. Шкала некоторых анероидов проградуирована в метрах или километрах над уровнем моря. Такие приборы называются альтиметрами или барометрами-высотомерами.

Альтиметр (от латинского «altus» — «высокий») — это прибор для измерения высоты, принцип действия которого основан на уменьшении атмосферного давления с увеличением высоты (работает на барометрическом принципе).

Современный прибор представлен на рисунке 5.

Посмотреть ответ

Скрыть

Изготовление прибора в заводских условиях

Корпус анероидного барометра отливают из латуни, бронзы или стали. Также не исключаются варианты вырезания из дерева. Менее дорогие корпуса — штамповки из стали или алюминия, покрытые декоративной отделкой. Литьё производится путём заливки расплавленного металла в специальную форму с последующим затвердеванием.

АНЕРОИДНЫЙ

Исполнение корпуса анероидных барометров
Исполнение корпусное для приборов измерения давления поддерживается в самых различных вариациях, включая широкое разнообразие отделочных элементов и материалов

После того, как металл затвердел, форма снимается с корпуса. Штамповка включает вдавливание плоского куска металла между двумя штампами при высоких давлениях. Обработка корпуса завершается удалением лишнего металла, оставшегося в процессе литья:

  • шлифовка любых шероховатых краев,
  • полировка до блеска.
  • покрытие лаком или прозрачным пластиком (в отдельных случаях).

Половинки рабочей капсулы измерительного прибора — тонкие листы из меди / бериллия (толщиной около 0,05 мм), штампуют на специальной матрице. Отдельные компоненты сварены электронно-лучевым методом.

Электронно-лучевая сварка выполняется автоматическими роботизированными сварочными машинами, поскольку сварщик-человек не в состоянии обеспечить степень точности, необходимую для соединения таких деталей без повреждения.

Высококачественные рычаги, состоящие из деталей:

  • рычагов,
  • цепей,
  • секторных реек,
  • шестерен,
  • барабанов,

изготовлены на основе инструментальной стали. Механическая обработка предполагает шлифовку и резку заготовок для придания нужной формы конечной детали. Автоматическое фрезерное оборудование производит соединения деталей с допуском 0,0025 мм.

В качестве компенсаторов температуры анероидных барометров обычно выступает биметаллическая полоса. Эта деталь крепится сваркой или клёпкой одного конца полоски к корпусу барометра. Сварка включает частичную плавку, как корпуса, так и биметаллической полосы, так что обе части надёжно соединяются. Окончательно анероидный барометр собирается на стенде.

Как градуируют шкалу барометра-анероида?

Шкалу градуируют по эталону — по показаниям ртутного барометра.

На рисунке 3 стрелка анероида показывает на число 725, что означает, что атмосферное давление равно 725 мм рт. ст. То есть в данный момент в ртутном барометре высота ртутного столба также составляет 725 мм рт. ст.

Как устроен барометр-анероид?

На рисунке 2 изображено внутреннее строение прибора.

Основную внутреннюю часть анероида составляет металлический корпус(1) с гофрированной (ребристойволнистой) поверхностью. Из данного корпуса откачан воздух. Внутри него создается сильное разрежение. Мы помним, что на корпус действует атмосферное давление. Чтобы оно его не раздавило, крышку корпуса оттягивает наверх пружина(2).

Когда атмосферное давление увеличивается, то пружина растягивается, так как крышку продавливает вниз. К пружине с помощью особого передаточного механизма(3) прикреплена стрелка-указатель (4). Она передвигается влево или вправо в зависимости от изменения атмосферного давления. Как вы уже догадались, под стрелкой размещается шкала(5).

Конструкция анероидного барометра

Проектный вариант конструкции любого анероидного барометра включает:

НАСТЕННЫЙ

Анероидный барометр - схематичное исполнение прибора
Схемотехника прибора в упрощённом изложении: 1 – металлическая пружина; 2 – указательная стрелка индикатора; 3 – цепь передачи; 4 – механические связи; 5 – рабочая капсула с вакуумом внутри

Рабочая чувствительная капсула анероидного барометра тонкостенная, полая, имеет форму сильфона. Воздух из капсулы удаляется полностью, поэтому степень сжатия и расширения сосуда строго зависят от упругости материала и поддерживающих пружин.

Разработчики анероидного барометра, как правило, предварительно рассчитывают, насколько анероидная капсула допускает расширение или сжатие относительно расчётного диапазона давлений. Основываясь на движениях сжатия расширения, разработчиками прибора определяются связи преобразования движений капсулы в движение индикатора развертки на шкале анероидного барометра.

Про анемометры:  Инструкция для персонала котельной по обслуживанию водогрейных котлов

Контроль качества анероидного барометра

Контроль качества готового измерительного прибора выполняется в различных атмосферных условиях. Все изготовленные приборы поставляются с установочным винтом-регулятором исходного положения индикатора развёртки. При помощи винта устанавливается барометрическое давление точного стандартного барометра-эталона.

Новый барометр затем подвергается изменению барометрического давления, чтобы оценить, насколько точно прибор способен показывать фактическое давление. Анероидные барометры, не соответствующие требуемым заводским допускам, отправляются для замены механизма движения.

Определение барометра-анероида

Теперь мы можем дать определение.

Барометр-анероид (от греческого слова «анерос» — «без воды») — это прибор для измерения атмосферного давления, в механизме которого отсутствует жидкость (в отличие от ртутного и жидкостных барометров Торричелли).

Перспективы анероидных приборов измерения давления

Перспективное будущее анероидного барометра, конечно же, цифровая версия прибора. Размещая параллельно стальные пластины внутри вакуумной капсулы, пропуская через эти пластины электрический ток, несложно определить расстояние между этими двумя пластинами.

РЫБАЦКИЙ

Измеритель давления воздуха - цифровой
Измеритель давления цифровой – мобильная конфигурация. Примерно такого типа приборы обещают появиться в ближайшей перспективе для нужд глобального применения

Величина расстояния пропорциональна величине ёмкости пластин. По мере того, как вакуумная капсула сжимается и расширяется, ёмкость двух пластин также изменяется, обеспечивая меру изменения атмосферного давления. Этот момент устраняет необходимость применения подшипников на опорах из драгоценных камней, барабанов и механически соединённых звеньев.

Вместе с тем, появляется возможность производства инструмента по аналогу цифровых часов. Существующая потребность метеослужб в супер-компьютерах обработки данных, в будущем неизбежно приведёт к появлению огромного количества недорогих барометров и термометров, соединённых в единую сеть через Интернет.

Преимущества и применение

Барометры-анероиды менее надежны в своих показаниях чем ртутные. Это обусловлено тем, что мембраны и пружины со временем изнашиваются. Тем не менее барометры-анероиды получили широкое применение в жизни. Они обладают рядом преимуществ: они более безопасны, удобны в использовании и компактны (вспомните высоту трубки с ртутью высотой 1 метр).

Принцип действия механизма прибора измерения давления

Анероидный барометр чувствителен к изменениям температуры, поскольку капсула прибора и существующие соединения обладают свойствами расширяться или сжиматься при температурных колебаниях. Кроме того, упругие свойства материала капсулы также изменяются под влиянием температуры.

Существует несколько способов компенсации температурных перемещений компонентов анероидного барометра. Одним из наиболее элегантных решений является использование биметаллической полосы. Биметаллическая полоса состоит из двух плоских кусков металла, изготовленных из различных типов элементов или сплавов, сваренных один с другим.

ЭЛЕКТРОННЫЙ

Анероидный барометр - биметаллическая полоса связи
Упрощённая схема механизма, указывающая на исполнение компенсационную деталь – биметаллическую полосу, в конструкции прибора: 1 – капсула под вакуумом; 2 – биметаллическая полоса; 3 – опорные подшипники; 4 – стрелка указатель

Учитывая предсказуемость изменения температуры биметаллической полосы и капсулы, биметаллическую полосу допустимо использовать для компенсации движений капсулы. По мере изменения температуры, два компонента биметаллической полосы расширяются в разной степени.

Этот фактор заставляет биметаллическую полосу изгибаться относительно компонента с меньшим коэффициентом расширения. Движение изгиба можно использовать для перемещения стрелки индикатора или сжатия вакуумной капсулы барометра для компенсации изменения температуры.

Связь между анероидной капсулой (сильфоном) и разверткой индикатора, по сложности механизма аналогична швейцарским часам. Фактически, качественная барометрическая связь включает массу одинаковых компонентов. Цель этой рычажной связи состоит в том, чтобы передать малое горизонтальное движение расширяющегося сильфона в движение стрелки циферблата. Используется форма рычага в виде качели.

Непосредственно конец качели движется по увеличенной дуге, относительно осевой точки. Благодаря тяге вакуумной капсулы, расположенной рядом с шарниром рычага, похожего на качели, перемещение значительно увеличивается на дальнем конце рычажной системы.

Любая нелинейность движения вакуумной капсулы компенсируется барабаном (улиткой). Барабан (изобретение Леонардо да Винчи) представляет собой шкив, наделённый спиральными зубьями, имеющий форму конуса.

В нулевой точке анероидного барометра конец рычага соединен цепью с серединой барабана. Когда сжимается рабочая капсула, барабан вращается, сдвигая цепь до меньшей длины. Любое незначительное движение цепи вызывает такое же движение стрелки индикатора барометра.

Оцените статью
Анемометры
Добавить комментарий

Adblock
detector