Все о барометрах

Ртуть является лишь одним из возможных жидкостей, которые могут быть использованы в барометрах, и ее можно заменить различными другими жидкостями, включая воду. Тем не менее, стоит отметить, что вода в 13,5 раз менее плотна, чем ртуть, что влияет на высоту столба, который будет в такой заместительной трубке. В случае использования воды высота столба в трубке составит приблизительно 10 метров. Хотя измерять длину такого столба будет достаточно неудобно, существуют и такие барометры, которые все же функционируют на основе воды.

Атмосферное давление в физике

Понятийный аппарат атмосферного давления важен для множества профессионалов: от медиков до летчиков и исследователей, включая полярников. Это значение служит важнейшим параметром, который напрямую влияет на специфику их рабочих задач и условий. Атмосферное давление выступает не только как физическая величина, но и как инструмент, позволяющий предсказывать погодные изменения. При увеличении атмосферного давления, как правило, следует ожидать солнечную погоду, в то время как снижение давления может сигнализировать о надвигающихся ухудшениях погодных условий, таких как увеличение облачности и появление осадков, в виде дождя, снега или града.

Атмосферное давление представляет собой силу, действующую на единицу площади поверхности. Таким образом, в любой точке атмосферы это давление определяется массой воздуха, находящегося над данной точкой, и площадью, которая принимается за единицу (1 м²).

Паскаль (Па) является основной единицей измерения атмосферного давления. Один Паскаль определяется как сила в 1 Ньютон (Н), действующая на площадь в 1 м², то есть 1 Па = 1 Н/м². В метеорологии атмосферное давление часто выражается в гектопаскалях (гПа), которые принимаются с точностью до 0,1 гПа. Один гектопаскаль равен 100 Паскалям.

Ранее среди единиц измерения атмосферного давления широко применялись миллибары (мбар) и миллиметры ртутного столба (мм рт. ст.). Измерения давления производятся на всех метеорологических станциях, и для подготовки приземных синоптических карт — отображающих текущие погодные условия — значения давления на уровне станций приводятся к уровню моря. Это позволяет вычленить области с повышенным и пониженным атмосферным давлением, известные как антициклоны и циклоны, соответственно, а также выявить атмосферные фронты.

Среднее атмосферное давление на уровне моря, которое измеряется на широте 45 градусов при температуре воздуха в 0 градусов, составляет 1013,2 гПа. Это значение принято за стандартное и названо нормальным давлением.

Измерение атмосферного давления

Многим из нас знакомо незамеченное, но важное свойство воздуха — его вес. На уровне поверхности Земли плотность воздуха равняется 1,29 кг/м³. Еще Галилей подтвердил, что воздух имеет вес, а его ученик Эванджелиста Торричелли продемонстрировал, что атмосфера воздействует на все предметы, которые располагаются на поверхности Земли, и это воздействие мы стали именовать атмосферным давлением.

Важно понимать, что простое уравнение для расчета давления столба жидкости не вместит атмосферное давление, так как для этого необходимо знать высоту столба жидкости и его плотность. Но атмосфера, в отличие от жидкостей, не имеет четкой границы, и с ростом высоты плотность воздушного пространства уменьшается. Поэтому Эванджелиста Торричелли разработал альтернативный способ измерения атмосферного давления.

Торричелли использовал стеклянную трубку длиной около одного метра, один конец которой был запаян, налил в трубку ртуть и опустил открытый конец в сосуд, наполненный ртутью. В результате немного ртути вылилось в сосуд, однако основная масса масла осталась в трубке. Уровень ртути в трубке каждодневно немного колебался. Давление, создаваемое ртутным столпом на определенном уровне, образуется благодаря весу ртутного столба, поскольку в верхней части трубки воздух был удалён, и там образовался вакуум, который стал известен как торричеллиева пустота.

Таким образом, можно вывести, что атмосферное давление эквивалентно давлению ртутного столба в трубке. Измерив высоту этого столба, можно вычислить давление, оказываемое ртутью, которое соответствует атмосферному давлению. Соответственно, если атмосферное давление растет, то высота ртутного столба в трубке Торричелли также увеличивается, и наоборот — при его снижении уровень столба ртути понижается.

Рисунок 1. Измерение атмосферного давления. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Характеристика

Функционирование барометра заключается в определении уровня атмосферного давления. Это прямо отражается в названии устройства, которое имеет свои корни в древнегреческом языке и обозначает «измерять вес». Знаменитый физик Эванджелиста Торричелли сумел разработать первый полноценный барометр. Его изобретение приобрело важное значение приблизительно в первой половине XVII столетия, когда человечество начало более глубоко осознавать природные явления, включая суть атмосферного давления и его влияние на различные объекты.

Необходимо учитывать, что хотя изобретение Торричелли и называется барометром, фактически оно выглядело совершенно иначе, чем современные приборы. Устройство состояло из тарелки, в которую наливалась ртуть, и перевернутой колбы с отверстием, обращенным вниз. При увеличении атмосферного давления, ртутный столб поднимался, а при его снижении — опускался. В таком формате изделия скорее стоит считать датчиком, а не традиционным измерительным инструментом. Эта система лишь позволяет нам видеть изменение уровня давления, но не предоставляет точных значений.

Настроить данное устройство для получения четких показаний было довольно сложно.

Применение устройства Торричелли в реальной жизни считается нецелесообразным, особенно с учетом токсичного характера ртутных паров.

Позднее аналогичное устройство, но уже с замкнутой трубкой, было адаптировано для использования в термометрах, а барометрическое оборудование изменило свой вид. На сегодняшний день различные приборы используют стрелочные индикаторы или цифровые отображения. Современные методы измерения атмосферного давления могут использоваться в единицах, таких как бары; при этом подходы к вычислениям давящего воздушного столба очень разнообразны.

Отечественный ученый Отто фон Герике преодолел ряд недостатков первоначального образца барометра Торричелли, используя не ртуть, а воду для своих изысканий. Однако так как вода имеет меньшую плотность, ему пришлось создавать значительно более масштабные устройства. Тем не менее такая конструкция показала себя эффективной для быстрого определения приближающегося мощного циклона и была использована для предупреждения о потенциальной угрозе. Кроме того, английский ученый Гук работал над улучшением шкалы для барометров.

Но ключевым шагом в эволюции барометров стал вклад Готфрида Лейбница, который предложил инновационные идеи, которые популяризировались несколькими десятилетиями позже благодаря французу Люсьену Види, создавшему эргономичную и безопасную анероидную конструкцию. Эти устройства быстро завоевали популярность, вытеснив многие другие модели, за исключением тех, которые требовали очень высокую точность измерений или находились в специфических условиях. На сегодняшний день практически все барографические устройства проходят проверку на соответствие стандартам ГОСТ.

Стандарты определяют:

• климатические требования;
• режимы работы (суточные или недельные);
• диапазоны измерений;
• точность показаний;
• целевое применение;
• рабочие температурные и влажностные условия;
• используемые материалы и покрытия;
• порядок проведения приемо-сдаточных и поверочных испытаний, а также параметры, оценивающие устойчивость к неблагоприятным воздействиям.

Виды

Ртутные

Как уже было указано, данный тип барометров появился раньше всех остальных разновидностей. Атмосферное давление здесь определяется по высоте столба жидкости. Процесс протекает в специальной колбе. Благодаря своей высокой точности, ртутные барометры считаются незаменимыми в метеорологических наблюдениях и научных исследованиях. Однако в быту, на производстве и в транспортных средствах их использование может быть крайне опасным.

Жидкостные

Это действительно надежные, безртуовые, и, следовательно, абсолютно безопасные устройства. Но водяные приборы, несмотря на свою долговечность, встречаются довольно редко, и, по сути, они остались лишь в музеях. Современные безртутные технологии опираются на специализированные масла или глицерин в качестве рабочего вещества.

Следует отметить, что жидкостные устройства иногда называют чашечными, поскольку они содержат специальную чашку, действующую по принципу сообщающихся сосудов; существуют также сифонные и сифонно-чашечные модели.

Механические

Эти устройства также известны под именем барометры с мембранной коробкой. Внутреннее пространство этих приборов герметично запечатано и заполнено воздухом, разреженным до определенных величин. Изменения в атмосферном давлении приводят к минимальным изменениям в размерах вакуумной коробки, которые теоретически могут быть измерены с высокой точностью. Также эти приборы называются бесжидкостными барометрами или анероидами.

Электронные

Внедрение электронных компонентов обеспечивает высокую степень точности показаний. Основная работа механизмов по-прежнему осуществляется на основе анероида. Однако показания данного устройства преобразуются в электрические сигналы, после чего данные обрабатываются встроенным микропроцессором. У некоторых моделей есть возможность передачи информации через сетевые каналы.

Химические

Химический барометр, также известный как штормгласс, представляет собой другой интересный тип устройства. Он включает в себя стеклянную колбу, заполненную спиртом, в который добавлены камфора, нашатырь и калийная селитра. Несмотря на герметичность ампулы, в ней под воздействием атмосферного давления образуются и исчезают кристаллы. Степень их прозрачности отражает ближайшие изменения погоды:

• полностью прозрачная жидкость — ясный и солнечный день;
• крупные хлопья — значительное облачное покрытие в теплую часть года или снег в зимнее время;
• кристаллы, похожие на иглы — наступление заморозков;
• нитевидные кристаллы на поверхности — усиление ветра.

Также барометры можно классифицировать по следующим основным категориям:

Измерение атмосферного давления с помощью термогигрометра

Измерение атмосферного давления не ограничивается только различными типами барометров. Универсальные цифровые приборы, такие как термогигрометры, также способны проводить эту задачу. Несмотря на то, что основная функция этих устройств заключается в измерении относительной влажности и температуры воздуха, они также предоставляют возможность точно определять атмосферное давление. Поскольку такие многофункциональные приборы предлагают более широкий спектр возможностей, они могут стать более выгодной заменой устаревшим барометрам и психрометрам.

АО ЭКСИС представляет разнообразный ассортимент электронных измерителей давления и других приборов контроля и измерения, все они отличаются высоким качеством и доступными ценами.

Конкретно, в нашей компании можно приобрести следующие модели термогигрометров:

• Термогигрометр ИВТМ-7 М 2-Д-В. Это устройство не только измеряет и записывает температуру и относительную влажность воздуха, но также измеряет атмосферное давление как в миллиметрах ртутного столба, так и в гПа. Оно может сохранять данные в энергонезависимую память, пересчитывать результаты в различные единицы (такие как процент относительной влажности, г/м³), а также одновременно отображать измеряемые параметры. Термогигрометр ИВТМ-7 М 2-Д-В имеет высокий уровень защиты от пыли и влаги (IP65), что позволяет использовать его в помещениях с повышенной влажностью.
• Термогигрометр ИВТМ-7 К-1. Также измеряет атмосферное давление в кПа и способен пересчитывать влажностные значения. Он обеспечивает возможность одновременной индикации измеряемых параметров и регистрации данных на microSD. Также возможна его интеграция с различными типами первичных преобразователей.
• Термогигрометр ИВТМ-7 Р-03-И-Д. Этот прибор оснащен жидкокристаллическим дисплеем для визуального контроля значений влажности, температуры и давления. Его малые размеры и эргономичный дизайн делают его удобным в использовании.
• Термогигрометр ИВТМ-7 М 6-Д (в эргономичном корпусе). Он измеряет атмосферное давление в кПа, может регистрировать данные в энергонезависимой памяти и пересчитывать результаты в различные единицы. Устройство имеет пока удобный и большой дисплей.
• Термогигрометр ИВТМ-7 М 3-Д-В. Подобно предыдущим моделям, этот прибор осуществляет измерение и регистрацию температуры и относительной влажности воздуха, а также атмосферного давления как в миллиметрах ртутного столба, так и в гПа. Он имеет энергонезависимую память для хранения данных, может пересчитывать результаты и одновременно отображать их. Данная модель предназначена для создания измерительной сети, а также надежно защищена от пыли и влаги (IP65).
• Термогигрометр ИВТМ-7 М 6-Д. Прибор измеряет давление в кПа, регистрирует данные на энергонезависимой носителе (microSD) и предоставляет возможность пересчета результатов в различные единицы. Он также осуществляет одновременную индикацию измеряемых значений.

Все перечисленные модели термогигрометров имеют возможность подключения к компьютеру через порты USB или RS-232 и могут быть установлены на стене.

Барометр-анероид

Ртутный барометр является не только простым, но и весьма точным средством для определения атмосферного давления, однако ртуть, будучи ядовитым веществом, обладает свойством медленно испаряться, что делает его использование небезопасным.

В связи с этим был разработан барометр, работающий без ртути, называемый анероидом. Ключевой элемент барометра-анероида представляет собой металлическая гофрированная коробка, из которой удален воздух. Атмосферное давление заставляет коробку немного сжиматься, и это сжатие становится тем сильнее, чем выше давление. Когда давление ослабевает, гофрированная коробка вновь распрямляется. Таким образом, изменения в толщине данной коробочки пропорциональны атмосферному давлению, действующему извне.

К коробочке прикреплена тяга, которая через специальный рычажный механизм передает движение на стрелку, расположенную на шкале, пронумерованной любой удобной нам единицей измерения, будь то миллиметры ртутного столба или стандартные паскали.

Как правило, в таких устройствах есть специальный настроечный винт, с помощью которого можно корректировать положение стрелки. Поскольку изменения в толщине коробочки очень малы, поддержание промышленной точности изготовления является сложной задачей. Поэтому коробочка изготавливается с некоторым допуском, а точная настройка значения атмосферного давления производится с помощью настроечного винта по сравнению с эталонным барометром.

Тем не менее, цифра, показываемая атмосферным давлением, сама по себе может быть не очень информативной. Гораздо более значимой является динамика изменений давления. Многие знают, что если барометр показывает снижение давления, это предвещает ухудшение погодных условий, а увеличение — соответственно, предзнаменует улучшение. Поэтому в большинстве барометров-анероидов есть вторая контрольная стрелка, которую можно выставлять вручную. Эта стрелка служит для ориентира, совмещаясь с основной, что позволяет впоследствии отслеживать изменение давления — растет оно или падает. Иногда в барометры интегрируют и дополнительные элементы, такие как термометры, гигрометры.

Советы по настройке барометра

Настройка барометра — непременная процедура. Вот несколько рекомендаций:

1. Сначала вы можете выяснить текущее значение атмосферного давления.
2. Затем с помощью регулировочного винта, находящегося на задней части устройства, необходимо настроить основные показания.
3. С помощью отвертки установите стрелку на значение, соответствующее атмосферному давлению. Если регулировочный винт не позволяет осуществить этот процесс, может понадобиться осторожно придвинуть шкалу.
4. При необходимости вносите коррективы в показания барометра. Инструкции к прибору помогут в этом процессе.

Такая настройка обязательна до начала использования прибора. После этого следует в течение дня делать записи показаний дважды (в одно и то же время). Если погода нестабильная, рекомендуется проводить замеры чаще — каждые два часа. Перед тем, как определить показатели, желательно слегка постучать по стеклу для снижения трения в механизме, что поможет зафиксировать значение более корректно.

Особенности трактовки данных

Благодаря барометру можно определить уровень атмосферного давления. Его снижение может сигнализировать об ухудшении погодных условий, в то время как его подъем обычно предвещает улучшения. При этом необходимо обращать внимание на динамику изменений:

1. Если атмосферное давление постепенно снижается, то в течение 6-12 часов вероятны дождливые и ветряные погодные условия.
2. Резкое снижение давления может указывать на то, что в ближайшие часы ожидается гроза или шторм.
3. Стабилизация уровня атмосферного давления предвещает, как правило, прекращение дождей, снижение ветров и наступление более благоприятной погоды.

В зимний период высокие значения атмосферного давления могут свидетельствовать о заморозках, тогда как низкие могут указывать на вероятное потепление и дожди. Летом же повышение давления говорит о наступлении жары, а его падение — о приходе прохладной и ненастной погоды. При устойчивых погодных условиях наблюдается, что в 10:00 и 22:00 фиксируется максимум давления, в то время как минимум обычно наблюдается в 04:00 и 16:00.

Современные барометры все еще остаются важными инструментами для людей, поскольку они быстро и удобно позволяют определять текущие погодные условия.