Всем известно, что формула для расчёта давления жидкости выглядит следующим образом: р=ρgh, где р - давление жидкости на дно сосуда, ρ - плотность воды, g - сила тяжести, действующая на 1кг, h - высота столба жидкости.

Но чтобы рассчитать по этой формуле атмосферное давление, нам нужно знать высоту атмосферы и плотность воздуха. Поскольку, у атмосферы определённой границы не существует, расчёт атмосферного давления по этой формуле невозможен.

Как измерить атмосферное давление? Опыт Торичелли

Но как же его тогда измерить? В этом нам помог итальянский учёный, который учился у Галилея, Эванджелиста Торричелли. Он провёл опыт, где взял стеклянную, запаянную с одного конца, трубку длиной примерно 1м и заполнил её ртутью. Другой конец трубки заткнули.

Трубку опустили заткнутым концом в чашу и открыли её, вследствие чего часть ртути вылилась в чашу. Высота столба ртути получилась примерно 760 мм. В промежутке между вершиной столба ртути и концом трубки безвоздушное пространство.

Но казалось бы, при чём тут атмосферное давление? А вот при чём: атмосфера давит на поверхность ртути, в то время как ртуть находится в равновесии. Из этого следует, что давление ртути в трубке на уровне поверхности ртути в чаше равняется атмосферному.

Если оного больше, то ртуть будет выливаться из трубки, если меньше - то ртуть из чаши будет переходить в трубку. из этого опыта следует, что атмосферное давление равняется давлению ртути в трубке (р атм = р ртути).

Теперь, измерив высоту столба ртути, мы можем посчитать атмосферное давление, которое будет равно: плотность ртути умноженную на силу тяжести, действующая на 1кг умноженную на высоту столба ртути. Это и будет атмосферное давление.

Атмосферное давление в миллиметрах ртутного столба

Так как в опыте Торричелли чем выше атмосферное давление, тем выше столб ртути в трубке, стало принято измерять атмосферное давление в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.). Если давление будет 760 мм рт. ст., то высота столба ртути в трубке будет равна 760мм соответственно.

Проведём параллель с известной нам единицей измерения давления - паскалем (Па). Итак, давление 1 мм рт. ст. равняется...

р = gρh, p = 9,8 Н/кг * 13600 кг/м^3 * 0,001м ≈ 133,3 Па.

Равняется 133,3 Па, где 9,8 Н/кг - сила тяжести, действующая на 1кг 13600 кг/м^3 - плотность (ρ) ртути, а 0,001 м - 1 миллиметр ртутного столба.

В сводках погоды можно услышать, что атмосферное давление равно 1030 гектопаскалям (1030 гПа). Это то же самое, что и 760 мм рт. ст. и является нормальным атмосферным давлением.

Не секрет, что атмосферное давление нестабильно и меняется на протяжение дня. Зачастую, это происходит от изменения погоды.

Сейчас никто не измеряет линейкой высоту столба ртути в трубке. Для измерения атмосферного давления используют ртутный барометр (от греч. барос - тяжесть и метро - измерять). Самый простейший ртутный барометр получится, если к трубке с ртутью, которая использовалась в опыте Торричелли, прикрепить вертикальную измерительную шкалу.

Приспособление для учета колебаний атмосферного давления. Надземный слой нашей планеты имеет толщину в десятки километров. Концентрация смешанных газов в нем отличается небольшой массой, однако в таких значимых объемах оказывает на поверхность существенную нагрузку. Фактически, человек редко его ощущает, так как имеет приспособленность к воздействию этого фактора. Тем не менее, эту величину вполне реально измерить.

Принцип действия простейших устройств

Простейший прибор для измерения атмосферного давления (АД) представляет собой нехитрое устройство, состоящее из тонкостенной стеклянной трубки и ртутного наполнителя. Один из стандартных размеров такого приспособления: трубка толщиной 1 миллиметр и длинной в сто сантиметров.

Если перевернуть емкость закрытым концом вверх, а открытой частью вниз, то некий объем ртути удалится, а определенная часть останется внутри. Содержание жидкого металла будет снижаться до стабилизации внутреннего и наружного давления.

Анероидный и ртутный прибор

Анероид-барометр, что это такое? В принципе работы этого устройства учитываются колебания через круглый металлический корпус с волнистыми стенками, из которого выкачан воздух.

Эластические боковины короба при увеличении давления прогибаются, а при снижении - выпираются. Специальным механизмом рабочие камеры связаны со стрелкой. Она показывает на величину атмосферного давления по шкале, градуированной в миллиметрах столба ртутного.

Прибор для измерения атмосферного давления представляет собой U-образно изогнутую стеклянную колбу с ртутным наполнителем. Показания определяются по разности содержимого в увеличенном и малом отрезке колбы.

При помощи барографов вариации АД регистрируются на ленте, находящейся в действующем блоке барабанного типа. Измеряемые показатели регистрируются в миллиметрах (мм рт. ст.) или миллибарах (мбар).

Барограф

Далее представлен барограф. На вопрос - барометр, что это такое в данной конфигурации, можно ответить - это агрегат-самописец для постоянной фиксации атмосферного давления. Его действие основано на колебаниях АД. В итоге деформация передается системой на устройство. При повышении показаний происходит сжимание коробок, рычаг с пером идет вверх, а в случае снижения давления камеры под действием контрольной пружины становятся шире, и самописец проводит нижнюю линию. Фиксированные показания давления вычитаются на специальной градуированной бумажной ленте, которая размещена на вращающемся барабане.

Для устранения температурных колебаний, влияющих на точность показаний, в устройства монтируют конденсаторы из биметалла. Приспособления устанавливаются вдали от нагревательных приборов и должны быть защищены от прямого воздействия солнечных лучей. Заводной механизм рассчитан на сутки либо на недельный режим.

Особенности использования

Показания барометра фиксируют с учетом изменения климатических условий в разных регионах, поскольку давление воздуха - величина непостоянная, о чем известно еще со школьных уроков природоведения.

При хорошей, теплой и безветренной погоде барометр настенный или настольный показывает высокие значения. Соответственно, при снижении данных в ближайшее время ожидается похолодание либо осадки.

Приспособление, расположенное внутри дома работает точно так, как и в пространстве, не ограниченном оградами, стенами и заборами. Слегка видоизменяет показания прибора высота здания, поскольку давление будет более низким на 9-м этаже и выше, чем на меньших уровнях одного строения.

Приспособление с учетом высоты

Чем выше подъем вверх, тем ниже показатели давления атмосферного столбика. Выявленная закономерность применяется в авиационных приборах, определяющих высоту полета. Подобные устройства называются альтиметрами.

Безусловно, результаты первых, не совсем совершенных приборов, существенно варьировались от погодных факторов, ведь негативные метеоусловия сопровождались падением давления, соответственно, показания прибора высвечивали данные, которые объективно больше реальной отметки. Для снятия правильных показаний требуется корректировка исходящих параметров. Принцип работы современных альтиметров иной - они не используют для измерения высоты давление атмосферы.

Как пользоваться?

Часы с барометром и другие виды устройств - это стрелочный прибор с круглой или овальной шкалой, на которой имеются деления. Величина измерения берется в миллиметрах ртутного столба.

При значениях 750-760 мм рт. ст. в перспективе ожидается замечательный погожий день, который не помешает прогулке, поездке на природу, дачу. При снижении указателя барометра ниже отметки 750 имеется вероятность дальнейшего падения, значит - стоит ожидать ненастную погоду, внезапное похолодание и обильное выпадение осадков.

Слежение за АД жизненно важно для тех, кто страдает повышенным давлением крови. В периоды критического изменения этого показателя такие люди подвержены ухудшению состояния здоровья. Информация о погодных переменах существенна для них по причине своевременного принятия лекарства, сохранения своей работоспособности и здоровья.

Современные экземпляры

Сейчас чаще всего используются барометры чашечного типа или сифонные виды. В стационарных устройствах, которые оборудованы компенсированной шкалой, атмосферное давление высчитывается непосредственно по положению ртути в стеклянной емкости.

В экземплярах для экспедиций перед началом наблюдений предварительно корректируют уровень ртути в чаше на нулевой отметке, используя регулирующий винт. В сифонно-чашечных приспособлениях величина АД измеряется по разнице высот столба в длинном и открытом участке. Такое приспособление отсчитывает показания с точностью до пяти сотых. Для определения десятых долей столба используется подвижной металлический шаблон.

Полученные числовые результаты атмосферного давления приводятся по специальной таблице к нулю градусов по Цельсию. Температурные корректировки показаний могут быть весьма существенными. Невзирая на виды барометров, они устанавливаются вдали от источников тепла (печей, обогревателей, прямого солнечного воздействия), а также подальше от дверных и оконных проемов.

Особенности

Рассматриваемое приспособление может применяться в удобном и компактном исполнении. Например, часы с барометром имеют следующую функциональность:

• Непроницаемость для воды, вплоть до 50-100 метров.
• Устойчивость к ударам и механическим воздействиям, что немаловажно для рыбаков, охотников и любителей экстремального отдыха.
• Барометр позволяет спрогнозировать изменения атмосферного давления и погоды в целом.
• Кроме того, часы могут оснащаться термометром, подсветкой, компасом и даже навигатором, что существенно облегчает пребывание в не совсем знакомой местности.

На вопрос "Барометр, что это такое?" однозначно можно ответить - приспособление особенно важное для путешественников, рыбаков, охотников и мореплавателей. Кроме того, эта штука в бытовом использовании позволяет довольно точно предугадать колебания погоды, что актуально для людей с заболеваниями сердечно-сосудистой и нервной системы.

В метеорологии атмосферное давление принято выражать в милли-

барах (мб):

1 мб = 10-3 бар = 103 дин/см2 = 102 Н/м2 .

Часто атмосферное давление выражают в миллиметрах высоты ртутного столба, создающего давление, равное атмосферному:

1 мм рт. ст. =1 торр=1,33 мб (точнее 1,3332 мб), 1 мб = 0,75 мм (точнее 0,7506 мм).

Для измерения атмосферного давления в метеорологии используют главным образом барометры с жидкостями (ртутные барометры), действующие на основании законов гидростатики, и анероиды, или металлические барометры, основанные на упругих свойствах твердых тел; изредка используются также гипсотермометры (термобарометры), основанные на зависимости точки кипения жидкости от внешнего давления.

Барометр был изобретен в 1643 г. итальянским математиком и физиком Эванджелиста Торричелли (1608-1647 гг.). Это изобретение было связано с опытами, которые он проводил для доказательства существования атмосферного давления. Сущность этого опыта состояла в том, что он брал стеклянную трубку длиной около 90 см, запаянную с одного конца и наполненную ртутью, и погружал ее открытым концом в чашку с ртутью, ртуть в трубке опускалась, но в ней оставался столб ртути длиной около 76 см.

Очевидно, что оставшийся в трубке столб ртути уравновешивал давление атмосферного воздуха. Действительно, на поверхность ртути а -б в чашке (рис. 8.1) давит атмосферный воздух, а на равную ей поверхность а 1 -б 1 , прикрытую запаянной вверху трубкой, давит только столб ртути, так как над ним при его опускании образовался вакуум, а атмосферное давление сверху воспринимает запаянный конец трубки

(рис. 8.1, 8.2).

Ртутные барометры могут быть трех систем: чашечные, сифонные и сифонно-чашечные. На рис. 8.2 схематически изображены все три системы барометров. Практически изготовляются только чашечные и си- фонно-чашечные барометры.

В любом барометре измерение атмосферного давления сводится к определению высоты (длины) столба жидкости Н с точностью до десятых, а в некоторых барометрах до сотых долей миллиметра (шкала барометра чаще градуируется в миллибарах). Такая точность измерения обеспечивается применением точных шкал и нониусов, а также путем строгого соблюдения определенных правил измерения.

Стационарный чашечный барометр с компенсированной шка-

лой представлен на рис. 8.3. Стеклянная запаянная с верхнего конца трубка4 с внутренним диаметром 7,2 мм и длиной около 800 мм укреплена нижним открытым концом в крышке пластмассовой или чугунной чашки8 при помощи шайбы9 с винтовой нарезкой. Чашка8 (рис. 8.3,б ) состоит их трех свинчивающихся частей. Средняя часть имеет диафрагму10 с отверстиями. Диафрагма служит для исключения возможности резких колебаний ртути, при которых в барометрическую трубку может попадать воздух. Кроме того, диафрагма занимает некоторый объем в чашке, тем самым уменьшая необходимое количество ртути. Трубка и чашка наполняются дистиллированной ртутью. Воздух из трубки до заполнения ее ртутью откачивается до 10-3 …10-4 мб. Барометр сообщается с окружающим атмосферным воздухом через отверстие в крышке чашки, закрывающееся винтом7 с кожаной шайбой.

Измерение высоты ртутного столба в стеклянной трубке производится по шкале, нанесенной с левой стороны на латунной защитной оправе 6 (рис. 8.3,а, в). Шкала нанесена не вдоль всей барометрической трубки, а лишь в ее верхней части, причем нуль шкалы совпадает с уровнем ртути в чашке. Шкала наносится вдоль края у сквозного вертикального прореза защитной оправы барометра. Сквозной прорез позволяет видеть мениск ртутного столба в стеклянной трубке. В этом же прорезе при помощи кремальеры3 движется кольцо с укрепленным на нем нониусом2, нижний край которого служит индексом для наводки на мениск ртутного столба. Такое приспособление дает возможность

при отсчетах правильно установить глаз – так, чтобы он находился на одной линии со срезами передней и задней частей кольца (рис. 8.3, а ).

Нониус станционного чашечного барометра (рис. 8.3, в ) устроен так, что 10 его делений равны 19 делениям шкалы барометра. Это позволяет производить отсчеты с точностью до десятых долей деления шкалы (миллибара или миллиметра); номер деления нониуса, совпадающего с каким-либо делением шкалы, дает число десятых долей деления шкалы.

Рис. 8.3. Стационарный чашечный барометр

Для определения температуры барометра служит термометр 5 (рис. 8.3,а ), укрепленный в прорези защитной оправы барометра. Цена деления термометра 1,0°, но отсчитывать температуру следует с точностью до 0,1°.

При измерении атмосферного давления барометр подвешивают на крюке с винтом, прилагаемом к каждому барометру. Для подвешивания барометра в верхней части оправы имеется кольцо 1 .

Измерение давления с помощью барометров этой системы позволяет ограничиваться лишь отсчетом положения столбика ртути в стеклянной трубке, не делая отсчета положения ртути в чашке, несмотря на то, что уровень ртути в чашке при изменении давления меняется.

Такое упрощение производства измерений возможно потому, что в чашечном барометре применена компенсированная шкала. Расчет такой шкалы сделан на основании следующих соображений. При изменении давления в барометре происходит изменение уровней ртути в трубке и чашке и связанное с этим перемещение некоторого количества ртути из

трубки в чашку (или наоборот). Соотношение изменений уровней ртути в трубке и чашке (исходя из равенства переместившихся объемов) будет обратно пропорционально соотношению площадей их поперечного сечения. Для барометров, выпускаемых отечественными заводами, это соотношение равно 0,02. Таким образом, при изменении атмосферного давления на единицу длина столба ртути в барометре изменится на величину Н 1 Н 2 (рис. 8.5) за счет изменения в трубке на

величину у и в чашке нах, т. е.х + у = Н 1 Н 2 = 1; так какх = 0,02у, то 0,02у + у = 1 и с достаточной точ-

ностью у = 0,98.

2) слегка постукивают пальцем по защитной трубке барометра, чтобы нарушить сцепление ртути со стенками трубки и чтобы мениск ртути в барометрической трубке принял бы нормальную форму;

3) подводят нониус сверху до момента кажущегося касания его срезов вершины мениска ртути в барометрической трубке. При этом глаз должен находиться на линии, проходящей через передний и задний срезы кольца нониуса (рис. 8.4);

4) отсчитывают показания барометра.

Рис. 8.5. Положение глаза при отсчете по барометру: а правильное, б низкое, в высокое

При систематических наблюдениях полезно после отсчета не сбивать положение нониуса. Это дает возможность проверить предыдущие измерения и тем самым исключить грубые просчеты.

Правила перевозки станционного барометра следующие:

1. На крышке чашки барометра завинтить винт 7 (рис. 8.3, б ).

2. Осторожно снять барометр с подвесного крюка.

3. Плавно наклонить барометр настолько, чтобы ртуть заполнила всю барометрическую трубку. При этом необходимо прислушиваться к звуку, который получается при ударе ртути о верхний запаянный конец барометрической трубки. Если звук резкий, высокий, металлический, это значит, что в трубке барометра нет воздуха. В противном случае звук будет приглушенный, низкий, потому что воздух в трубке служит амортизатором. Наклонять барометр следует осторожно, так как при резком ударе ртути в запаянный конец трубки барометрическая трубка может разбиться.

4. Перевернуть барометр чашкой вверх, не задерживая его в горизонтальном положении.

5. Уложить барометр в футляр, кото-

рый предварительно располагается так, чтобы при укладке чашка барометра лежала на 5-10 см выше верхнего конца барометрической трубки.

рый укладывается барометр (рис. 8.6). Подушка, надеваемая на конец футляра, в котором находится чашка барометра, делается несколько больших размеров, чем подушка, надеваемая на другой конец футляра, благодаря чему упакованный барометр, положенный на горизонтальную поверхность, окажется в наклонном положении и его чашка будет находиться выше запаянного конца барометрической трубки.

В показания станционного чашечного барометра вводят три поправки: инструментальную, на температуру и силу тяжести в зависимости от широты и высоты места наблюдений. Инструментальная поправка указана в поверочном свидетельстве прибора, а поправки на температуру и силу тяжести определяют по таблицам (прил. 6-8).

Пример. Барометр установлен на широте 60° с. и на высоте 500 м. Отсчет по термомерту 20,0°, по барометру 950,0 мб. Определите исправленное значение давленияp .

Инструментальная поправка равна 0,2 мб. Поправка на температуру равна 3,1 мб (прил. 6). Поправка на широту места равна +1,2 мб (прил. 7). Поправка на высоту места равна 0,09 мб (прил. 8).

Величина атмосферного давления с учетом всех поправок p = 950,0 0,2 3,1+1,2 0,09 = 947,8 мб.

Устройство сифонно-чашечного барометра контрольногопока-

зано на рис. 8.7.

Стеклянная барометрическая трубка 12 (рис. 8.7,б ) в верхней своей части имеет диаметр около 14 мм. Эта часть составляет 1/3 всей длины трубки1; остальные 2/3 значительно тоньше. Тонкая часть трубки изогнута в месте сужения в сторону от верхней части и спаяна при помощи стеклянного баллона13 со второй короткой трубкой14 таким образом, что верхняя широкая часть трубки12 расположена соосно с трубкой14. Трубка14 в своей нижней рабочей части должна иметь такой же диаметр, как рабочая часть трубки12, поэтому их делают из одного и того же отрезка трубки. Нижние концы трубок12 и14 вмонтированы в железный конус15, который вставляется в чашку16 и закрепляется в ней. Трубка12 является длинным коленом барометра, трубка14 - коротким. Короткое колено барометра в верхней своей части имеет цилиндрический прилив с отверстием. На приливе укреплен ниппель, закрывающийся колпачком7 , с кожаной прокладкой. Обе стеклянные трубки вставлены в оправу барометра5 (латунная трубка), соединяющуюся с чашкой16 . В оправе имеются сквозные прорези, через которые видны столбики ртути в верхнем и нижнем коленах барометра. На правом крае прорезей оправы нанесена шкала. Деления шкалы нанесены внизу у нижней прорези от 0 до 130 мб, у верхней прорези от 850 до 1070 мб. В нижней прорези устанавливается индекс 8 (рис. 8.7,в ), соединенный с кольцом, которое крепится к оправе винтом9 таким образом, чтобы нижний срез индекса 8 был установлен строго против нулевого деления шкалы. Поэтому после установки индекса винт9 трогать нельзя, так как это может привести к смещению индекса 8 и изменить инструментальную поправку барометра. Дном чашки16 служит мешок17 из лайки, нижняя часть мешка17 с помощью винта11 , ввинчивающегося в дно защитного цилиндра10 , может перемещаться вверх и вниз, меняя уровень ртути в обоих коленах барометра. В средней части оправы барометра установлен термометр6 (рис. 8.7,а ). На оправе у верхней прорези имеется подвижная муфта4 с прорезью, у правого края которой укреплен нониус с 20 делениями на шкале. С помощью нониуса отсчет по шкале барометра может производиться с точностью до 0,05 мб. Муфта4 состоит из нескольких частей, подвижных относительно друг друга. Верхняя часть муфты может быть закреплена винтом1 на любом участке оправы барометра у верхней

Рис. 8.7. Контрольный барометр

прорези, что позволяет произвести грубую установку среза нониуса у мениска ртути; нижняя часть может перемещаться вверх и вниз относительно верхней части муфты при помощи микрометренного кольца 3 , что позволяет точно установить срез кольца (нуль нониуса) на вершину мениска ртути.

Барометр подвешивается за кольцо 2 на особом крюке, который ввинчивается в стену (рис. 8.8,б ). Чашка барометра пропускается в кольцо, также ввинченное в стену. При помощи трех винтов, имеющихся в кольце (рис. 8.8,а ), барометр устанавливается строго вертикально. Проверка вертикальности установки барометра осуществляется с помощью отвеса, подвешиваемого рядом с барометром, в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. При этом защитная трубка барометра должна быть расположена параллельно отвесу.

Значение атмосферного давления с помощью этого барометра определяется по высоте столба ртути, равной разности уровней ртути в

обозначенным цифрой 1 (10 мм), а два боковых штриха были бы одинаково смещены относительно штрихов на шкале, обозначенных 5 и 15 мм.

На метеорологических станциях для измерения давления анероиды не используются, однако их применяют, например, в экспедициях, на постах и т. д. В обращении имеются анероиды двух образцов: барометр-анероид метеорологический и беспружинный барометр-анероид метеорологический (БАМ). Приемником давления у анероидов является мембранная анероидная коробка. Она состоит из двух спаянных между собой гофрированных круглых мембран1 с жесткими центрами2 и ножками3, служащими для крепления мембраны. Внутренняя полость коробки герметична и находится под вакуумом (внутреннее давление менее 10-2 мм).

Мембранные коробки изготовляются из стали или нейзильбера, фосфористой бронзы, бериллиевой бронзы и др.

Внешнее давление (давление атмосферы), стремящееся сдавить коробку, уравновешивается пружиной. Измерительная пружина может

находиться вне коробки или внутри нее. Роль этой пружины могут выполнять также сами мембраны в случае их достаточной упругости.

При изменении атмосферного давления мембранные коробки деформируются, меняя натяжение пружины. По величине этого натяжения (или величине деформации коробок) определяют атмосферное давление.

На рис. 8.9, а приведен внешний вид барометра-анероида и схема его механизма. Ножка нижней мембранной коробки9 укреплена на металлической плите10, ножка верхней мембранной коробки при помощи колонки и штифта соединена с пружиной8. Пружина, растягивая коробку, уравновешивает атмосферное давление, действующее на коробку.

Рис. 8.9. Анероид

При изменении атмосферного давления пружина сгибается или разгибается, перемещая укрепленный на ней стержень 3. Перемещение стержня3 передается коленчатому рычагу2, который при помощи шарнирной цепочки или тонкой металлической нити4 вращает ось5 стрелки6. Для создания постоянного натяжения цепочки на оси5 прикреплена спиральная пружина1 . По положению конца стрелки6 относительно делений шкалы7 , введя соответствующие поправки, определяют величину атмосферного давления.

К шкале анероида с обратной стороны против специальной прорези прикреплен термометр. На дне кожуха анероида имеется отверстие для доступа к винту, регулирующему положение стрелки (необходимо иметь в виду, что после поверки анероида этот винт трогать нельзя, так как от его перестановки изменяются поправки прибора).

Чтобы анероид не подвергался резким колебаниям температуры, его помещают в особый закрытый футляр, открываемый только во время измерений.

При наблюдениях по анероиду вначале отсчитывают температуру по термометру при анероиде с точностью до 0,1°. После этого, слегка постучав по стеклу анероида для преодоления трения в передающей части, отсчитывают положение стрелки относительно шкалы с точностью до 0,1 мм.

Поправки к барометру-анероиду. В показания анероида вводятся три поправки: на шкалу, на температуру, добавочная. Все поправки указываются в поверочном свидетельстве, которое прилагается к каждому прибору.

Поправка на шкалу учитывает инструментальные неточности и особенности в передаточном механизме. В поверочном свидетельстве поправка на шкалу приведена через 10 мм. Промежуточные значения поправок определяются путем интерполяции.

При одном и том же атмосферном давлении, но разной температуре показания анероида могут быть разными, так как с изменением температуры упругость пружины и мембранной коробки не остается постоянной. Поэтому показания анероидов приводятся к температуре 0°. В поверочном свидетельстве дается величина поправки при изменении температуры на 1°. Для приведения показаний анероидов к 0° необходимо указанную поправку умножить на температуру прибора.

Добавочной поправкой учитывается остаточная деформация коробки и пружины. Эта поправка меняется во времени. Поэтому в поправочном свидетельстве указывается дата ее определения.

Для введения добавочной поправки необходимо произвести серию (5-6) одновременных отсчетов по ртутному чашечному барометру и анероиду. Средняя разница между показаниями барометра с учетом всех поправок и анероида с двумя поправками (на температуру и шкалу) и будет добавочной поправкой к анероиду.

Для определения атмосферного давления также используется гипсотермометр (термобарометр). Сущность этого метода заключается в использовании зависимости между температурой пара кипящей жидкости и его давлением.

Кипение жидкости наступает тогда, когда упругость насыщающего пара становится равной внешнему атмосферному давлению.

Зная температуру пара кипящей воды, можно по специальным таблицам найти величину его упругости, а так как она равна внешнему давлению, то, следовательно, определить и величину атмосферного давления.

Для давления от 715 до 775 мм температура пара кипящей воды приближенно рассчитывается с помощью эмпирической формулы

t = 100° + 0,0375(р 760),

где t температура пара кипящей воды при давлениир.

Зная температуру кипящей воды, можно определить величину атмосферного давления р :

p 760t 100 . 0,0375

Таким образом, определение атмосферного давления при помощи гипсотермометра сводится к измерению температуры пара кипящей воды.

Устройство гипсотермометра. Гипсотермометр представляет собой термометр большой чувствительности с делениями, позволяющими отсчитывать температуру с точностью до 0,01° (его шкала имеет деление ценой 0,05°).

Отсчет производится с помощью лупы с точностью до 0,2 и даже 0,1 деления шкалы, т. е. до 0,01-0,005°. Изготовляются гипсотермометры и более высокой точности, имеющие цену деления шкалы 0,01° или 0,02°. Для обеспечения высокой точности в отсчетах показаний гипсотермометра и возможности поверки изменения его реперных точек необходимо, чтобы его шкала имела точки 0 и 100°, а деления шкалы были достаточной величины. Для этого следовало бы изготовлять гипсотермометры очень длинными, что было бы чрезвычайно неудобно для пользования. Поэтому в капиллярной трубке термометра немного выше нулевого деления сделано расширение длиной около 1-2 см. Расширение заполняется ртутью при температуре около 80°, при дальнейшем повышении температуры начинает заполняться верхняя часть капилляра.

Гипсотермометры выпускаются со шкалами, на которых деления наносятся в единицах давления (в миллиметрах или миллибарах). Это дает возможность после введения соответствующих шкаловых поправок непосредственно получать значение атмосферного давления (рис. 8.10).

Каждый гипсотермометр должен быть поверен и иметь поверочное свидетельство, в котором даются поправки по шкале для каждого десятка миллиметров или миллибаров, указываются время поверки и отсчет показаний гипсотермометра в тающем снеге после получасового пребывания его до этого при температуре кипения воды, а также атмосферное давление, при котором кипение происходило. При повторных поверках точки нуля гипсотермометра отсчет, приведенный в поверочном свидетельстве, дает возможность определить изменение положения точки нуля, которое произошло за время, прошедшее между двумя поверками.

Рис. 8.10. Гипсотермометр Рис. 8.11. Кипятильник гипсотермометра

Кипятильник для гипсотермометра. Температура пара кипящей во-

ды с помощью гипсотермометра определяется в специальном кипятильнике (рис. 8.11), состоящем из металлического сосуда 6 и раздвижной трубки2 с двойными стенками. В верхней части внутренней стенки трубки2 имеются отверстия4, а в нижней части наружной стенки - отверстия5.

В нижней части трубки 2 имеется металлическая сетка1 , которая предохраняет резервуар гипсотермометра от брызг воды. На гипсотермометр надевают резиновое кольцо и помещают его в отверстие3 раздвижной трубки.

Резиновое кольцо надевается так, чтобы ртутный столбик при кипении воды в сосуде 6 выдавался над резиновым кольцом лишь на 1-2 мм, так как выступающий над резиновым кольцом столбик ртути находится под влиянием окружающего воздуха, температура которого значительно отличается от температуры пара кипящей воды.

Чтобы (по возможности) весь ртутный столбик гипсотермометра находился при температуре пара кипящей воды, двойная трубка сделана раздвижной. Пар кипящей воды, поднявшись по внутренней трубке, через верхние отверстия в ней поступает в наружную и выходит из нее через нижние отверстия 5. В кипятильнике следует применять только дистиллированную воду.

При измерениях на открытом воздухе гипсотермометр вместе с кипятильником вставляется в защитный ящик (рис. 8.12).

Встречаются также конструкции кипятильников гипсотермометра, отличающиеся от описанной.

Относительно небольшие габариты и вес гипсотермометра делают этот прибор удобным для использования в экспедициях; гипсотермометр можно проверить на любой метеорологической станции, сравнив его показания с показаниями ртутного барометра, после чего им можно во время экспедиции пользоваться для проверки анероидов.

Рис. 8.12. Гипсотермометр и кипятильник в защитном футляре

Для непрерывной регистрации изменений атмосферного давления применяется барографы. Широкое распространение имеют только ба-

рографы, у которых в качестве чувствительного элемента применены мембранные коробки.

Барограф (рис. 8.13) размещен в пластмассовом корпусе (таком же, как термограф и гигрограф) К основанию корпуса с помощью четырех винтов прикреплена металлическая плата 14 (рис. 8.14), на которой смонтирован весь механизм прибора. Блок барокоробок13 нижним концом с помощью биметаллического компенсатора крепится к пла-

те 14. Верхний конец блокаРис. 8.13. Барограф барокоробок с помощью упо-

ра 6 и системы рычагов связан со стрелкой1 , на конец которой надевается перо. Рычажная система состоит из рычага5 с шарниром, расположенным в подвижном кронштейне3, тяги7 и регулируемого рычага8, имеющего общую ось со стрелкой1 и закрепляемого винтом. Меняя с помощью винта длину рычага8, можно регулировать чувствительность барографа. Положение подвижного кронштейна3, имеющего шарнир в кронштейне2, фиксируется сверху винтом4 и снизу упорной пружиной. С помощью винта4, расположенного в верхней части кронштейна2, можно перемещать подвижной кронштейн3 вокруг его шарнира, тем самым перемещая всю систему рычагов (не деформируя коробки) и устанавливая конец стрелки1 с пером в нужном положении относительно делений на ленте (надетой на барабан часового механизма) в соответствии с атмосферным давлением.

Рис. 8.14. Механизм барографа

Часовой механизм с барабаном для ленты надевается на ось 15.

При повышении атмосферного давления барокоробки сжимаются и через рычажную систему поворачивают стрелку, перемещая ее кверху (перо перемещается вверх). При понижении, атмосферного давления коробки под воздействием упругих сил мембран расширяются и стрелка перемещается вниз. Перемещение пера примерно в 80 раз больше, чем деформация блока барокоробок. Чувствительность барокоробок (мм/мб) имеет температурную зависимость, так как упругие свойства мембран зависят от температуры. Для компенсации деформаций барокоробок, вызванных изменениями температуры, в барографах применяется термокомпенсатор.

Биметаллический компенсатор (рис. 8.15) крепится к нижней стороне платы 14. К биметаллической пластине19 компенсатора, которая закреплена одним концом винтом16 к плате, винтом20 прикреплены барокоробки. Передвижной скобой18 с помощью винта17 пластина19 скрепляется с корпусом.

Меняя место закрепления скобы, изменяют длину свободного конца биметалла и, следовательно, величину перемещения барокоробок биметаллом при изменении температуры. При перемещении скобы 18 назад (в сторону барокоробки) свободный конец биметалла укорачивается и перемещение барокоробки уменьшается. При перемещении скобы вперед к неподвижному концу биметалла свободный конец его удлиняется перемещение барокоробок биметаллом при изменении температуры увеличивается. Слегка пере-

мещая хомут в ту или иную сторону, добиваются возможно лучшей температурной компенсации. Регистрация давления производится на специальных, накладываемых на барабан часового механизма лентах. При установке и снятии барабана с лентой приходится отводить стрелку 1 (рис. 8.14). Для отвода стрелки 1 служит рукоятка11, связанная с упором12. Пластмассовая крышка прибора соединяется с корпусом шарниром, а при закрывании крышка автоматически запирается пружинным замком. Открывают крышку за рукоятку в ее верхней части при одновременном нажатии кнопки, отпирающей пружинный замок.

Чтобы барограф работал на станции бесперебойно, необходимо строго выполнять правила по уходу за ним.

Барограф следует устанавливать на отдельной полочке, укрепленной на стене недалеко от ртутного барометра. Его не следует подвергать сильным температурным колебаниям, так как, несмотря на температурную компенсацию, это может сказаться на его записях. Поэтому барограф нельзя устанавливать вблизи отопительных батарей, оконных проемов, в местах, куда могут попасть лучи солнца.

Уход за часовым механизмом барографа осуществляется так же, как за часовым механизмом термографа.

Барографы в зависимости от подкладной шестерни (у оси 15) и приданного им часового механизма могут быть суточными и недельными. Ленты барографа (рис. 8.16) разграфлены через равные промежутки горизонтальными линиями и по вертикали через равные промежутки дугами. Горизонтальными линиями нанесена шкала давления в миллибарах, вертикальными дугами шкала времени. Шкала давления на ленте имеет пределы от 960 до 1050 мб, деления нанесены через каждые 2 мб и оцифрованы через каждые 10 мб. По шкале времени цена делений между соседними дугами 15 минут для суточного барографа и 2 часа для недельного.

Рис. 8.16. Лента барографа

Смена ленты на барографе производится совершенно так же, как на термографе. Контрольные отметки на барографе делаются при производстве измерений давления по барометру в основные сроки наблюдений. Исправленные показания барометра являются исходными при обработке лент для введения поправок к данным по записи барографа. В остальном обработка лент барографа не отличается от обработки лент термографа.

Измеритель атмосферного давления относится к новому поколе-

нию метеорологических измерительных приборов для измерения и долговременной (более 1 месяца) регистрации атмосферного давления на метеостанциях и метеопостах.

Принцип действия прибора основан на прецизионном преобразовании линейных размеров традиционной анероидной барокоробки в электрический сигнал и дальнейшей обработке его микропроцессорным устройством. Вид получаемой информации соответствует принятым в метеорологии стандартам, включая графическую. Точность измерения сохраняется при изменении внешних температурных условий.

Съем информации осуществляется с помощью микрокомпьютера PALM Hie, входящего в комплект поставки, по ИК-каналу связи. Предусмотрена возможность трансляции и дальнейшей обработки полученной информации в ПК.

Технические характеристики измерителя атмосферного давления следующие:

диапазон измеряемого давления 1050,0-600,0 мб; погрешность измерения 0,5 мб; температура внешних условий от 10 до +45 С;

источник питания 4 элемента типа АА; продолжительность работы от одного комплекта элементов не ме-

нее 1 года; дискретность измерения каждые 10 мин;

период массивов измерений 6 часов, сутки, неделя, месяц; вывод графика на экран за 6 часов, сутки, неделю, месяц;

вывод на экран экстремальных значений, массивов часовых измерений и величины барической тенденции;

габаритные размеры 70 x 180 мм; масса менее 0,5 кг.

Прибор состоит из измерителя атмосферного давления и микроком-

пьютера PALM TTTe.

Контрольные вопросы

1. Почему в кипятильник обязательно наливается дистиллированная вода?

2. Почему шкала у гипсотермометра наносится не полностью?

3. Для чего в основном применяется гипсотермометр?

4. Произведите отсчет поверенного анероида, введите все три поправки в полученное показание и найдите исправленное значение давления.

5. Объясните, почему в показание анероида вводятся три поправки. Укажите смысл каждой из них.

6. Можно ли переводить стрелку анероида после поверки?

Атмосферным давлением называют силу, с которой окружающий нас воздух давит на земную поверхность. Первым, кто смог его измерить, был ученик Галилео Галилея Эванжелиста Торричелли. В 1643 году вместе со своим коллегой Винченцо Вивиани он провёл простой опыт.

Опыт Торричелли

Как он смог определить атмосферное давление? Взяв метровую трубку, запаянную с одного конца, Торричелли налил в неё ртуть, закрыл пальцем отверстие и, перевернув, опустил в чашу, также наполненную ртутью. При этом часть ртути вылилась из трубки. Ртутный столбик остановился на отметке 760 мм. от уровня поверхности ртути в чаше.

Интересно, что результат опыта не зависел от диаметра, наклона и даже формы трубки - ртуть всегда останавливалась на одном уровне. Впрочем, если погода вдруг менялась (и атмосферное давление падало или повышалось), столбик ртути опускался или поднимался на несколько миллиметров.

С тех пор атмосферное давление измеряют в миллиметрах ртутного столба, а давление 760 мм. рт. ст. считают равным 1 атмосфере и называют нормальным давлением. Так был создан первый барометр - прибор для измерения атмосферного давления.

Другие способы измерения атмосферного давления

Ртуть - не единственная жидкость, которую можно использовать для измерения атмосферного давления. Многие учёные в разное время сооружали водяные барометры, но поскольку вода намного легче ртути, их трубки поднимались на высоту до 10 м. К тому же, вода уже при 0°С превращалась в лёд, что создавало определённые неудобства.

Современные ртутные барометры используют принцип Торричелли, но устроены несколько сложнее. Например, сифонный барометр представляет собой длинную стеклянную трубку, изогнутую в сифон и наполненную ртутью. Длинный конец трубки запаян, короткий открыт. На открытой поверхности ртути плавает небольшой грузик, уравновешенный противовесом. При изменении атмосферного давления ртуть движется, увлекая за собой поплавок, а тот, в свою очередь, приводит в движение противовес, связанный со стрелкой.

Ртутные барометры используются в стационарных лабораториях и на метеорологических станциях. Они очень точны, но довольно громоздки, поэтому в домашних или полевых условиях атмосферное давление измеряют с помощью безжидкостного барометра или барометра-анероида.

Как работает барометр-анероид

В безжидкостном барометре колебания атмосферного давления воспринимаются небольшой круглой металлической коробочкой с разреженным воздухом внутри. Анероидная коробка имеет тонкую гофрированную стенку-мембрану, которую оттягивает небольшая пружина. Мембрана выгибается наружу, когда атмосферное давление падает, и вдавливается внутрь, если оно растёт. Эти движения вызывают отклонения стрелки, движущейся по специальной шкале. Шкала барометра-анероида выровнена по ртутному барометру, но всё равно он считается менее точным прибором, так как с течением времени пружина и мембрана утрачивают свою упругость.

Как измерить атмосферное давление?

Опыт Торричелли. В 1643 году по предложению итальянского физика Эванжелиста Торричелли (1608–1647) был произведён следующий опыт. Стеклянную трубку длиной около 1 м, запаянную с одного конца, наполняют ртутью. Отверстие трубки закрывают пальцем, чтобы ртуть не вылилась, и трубку опускают в вертикальном положении отверстием вниз в сосуд с ртутью. Если теперь отнять па­лец от отверстия, то столб ртути упадёт до высоты около 760 мм над уровнем ртути в сосуде (рис. 28.6).

Почему же вся ртуть не вылилась из трубки? Поскольку НАД ртутью в трубке так называемая торричеллиева пустота, то есть вакуум, то давление столба ртути уравновешивается атмосферным давлением, которое действует на открытую поверхность ртути.

Читатель: ...Меня немного смущает тот факт, что атмосферный «столб» давит сверху вниз, и ртутный столб тоже давит сверху вниз. Как же они при этом уравновешивают друг друга? Вот если бы они действовали в противоположные стороны, тогда понятно.

В две смежные труб­ки, широкую и узкую (рис. 28.7), налита жидкость. В широкую трубку вставлен поршень, плотно прилегающий к её стенкам. Если на­чать давить на поршень сверху вниз, то вода в узкой трубке начнёт подниматься, точно так же, как ртуть в опыте Торричелли. При этом давление столба воды в узкой трубке уравновесит давление, создаваемое силой в широкой трубке.

Замечу, что опыт Торричелли вызывает некоторое недоумение потому, что твёрдые тела не обладают свойством жид­кости передавать оказываемое на них давление во все точки одинаково. Если в опыте, показанном на рис. 28.7, вместо жидкости насыпать в трубки песок, то ничего не получится: песок не будет подниматься в узкой трубке, какое бы давление мы ни прикладывали в широкой трубке.

Вернёмся к опыту Торричелли. Итак, давление столба ртути должно быть таким, чтобы уравновесить атмосферное давление. По­этому высота столба ртути позволяет нам судить о величине атмос­ферного давления, и даже измерять его непосредственно в милли­метрах ртутного столба (мм рт. ст.).

Опыт показывает, что при 0° С на уровне моря атмосферное давление составляет около 760 мм рт. ст. Это давление называется нормальным атмосферным давлением. Прибор, позволяющий измерять атмосферное давление таким способом, называется ртутным барометром (рис. 28.8).

СТОП! Решите самостоятельно: В11–В15, С10–С12.

Задача 28.3 . Измерения, произведенные советской автоматической станцией «Венера-7», показали, что атмосферное давление у поверхности планеты составляет около 10,3 МПа. Сила тяжести на Венере почти в 1,2 раза меньше, чем на Земле. Какова была бы высота ртутного столба в опыте Торричелли, проведенном на Венере?