какую физическую величину можно измерить с помощью барометра анероида
Что такое барометр анероид и как им пользоваться
Барометр анероид – бытовое механическое устройство, позволяющее отслеживать разницу в значениях атмосферного давления. Современные модели отличаются высокой чувствительностью и могут регистрировать изменения даже при движении в лифте. Наблюдая за барометром, можно улавливать закономерности в колебаниях давления в разных погодных условиях. Это позволяет предсказывать изменения климата. Перед похолоданием давление падает, перед наступлением ясных дней – растет.
Описание и назначение прибора
Перед тем как читать показания, нужно принять во внимание высоту над уровнем моря. Чем одна больше, тем ниже давление. При подъеме на 12 метров оно падает на 1 мм.рт.ст.
Конструкция и принцип работы
В герметично запаянный корпус помещена гибкая конструкция с гофрированными стенами – капсула. Ее изготавливают из сплава на основе меди. Иногда используются и некоторые виды стальной фольги.
Передаточный механизм соединяет капсулу с пружиной и стрелкой, выведенной на шкалу. Последняя зачастую имеет 2 типа градуировки – мм.рт.ст. и гПа. Это упрощает считывание показаний из-за отсутствия нужды переводить одни единицы измерения в другие. Обычно у устройства есть обозначения цветом или подписями фрагментов шкалы: ясно, дождь и т.п.
Снаружи корпуса (как правило, снизу сзади) есть болт для регулировки. С его помощью можно настроить барометр, подтягивая или расслабляя пружину.
Некоторые модели также оборудованы компенсационным термометром, гигрометром, измерителем высоты.
Чтобы получить точнейшие показания, данные прибора сравнивают с полученными на ртутном барометре. Есть 3 типа поправок:
Для бытовых измерений такие поправки делать нет нужды. Их используют в случаях, когда важна высокая точность данных (в лабораториях и т.д.).
Наличие у модели компенсаторного термометра является плюсом, так как металлические компоненты пружинного механизма реагируют на температуру. При похолодании (при постоянном значении давления) они сужаются, а при потеплении – расширяются. Термометр помогает вносить поправки в показания, если это необходимо.
Разновидности и сфера применения
В продаже можно встретить разные виды устройств, заточенные под различные цели. Их используют в промышленности, лабораториях, учебных заведениях, а также в быту для предсказаний погоды.
Среди популярных моделей можно выделить:
Некоторые умельцы практикуют и изготовление самодельных барометров. Для них используют капсулы из бериллиевой бронзы и стандартные часовые индикаторы на 0,01 мм.
Степень точности барометра
Наибольшей точностью из всех барометров отличаются ртутные модели. Их используют как эталон. Обусловлена эта точность устойчивостью к температурным колебаниям и влажности воздуха. Вещество не испаряется в атмосферу и не замерзает.
Сопоставимой точностью обладают электронные устройства. Анероиды более подвержены действию температур, чем ртутные измерители, а жидкостные модели – еще более.
Современные анероиды имеют высокую точность, регистрируя изменение давления даже при подъеме в лифте. Наилучшие показатели имеют устройства, работающие с 10-12-ступенчатой гофрированной колбой. Точность таких моделей – до 0,05%.
Как читать показания
Некоторые модели измерителей имеют пару стрелок: контрольную и движущуюся. Первая фиксирует показатель давления, имевший место в начале наблюдения, вторая – значение в текущий момент времени. Разница показателей помогает определить, насколько изменился параметр за некоторый период.
В градуировке используются такие единицы измерения:
Шкала прибора может быть одинарной или двойной. Отечественные модели обычно используют варианты с мм.рт.ст. и Па (гПа). Как и другие типы барометров, анероид прогнозирует погоду лишь в краткосрочной перспективе (в пределах суток). Также у всех классов этих устройств неширокий радиус действия – около 30 км (при циклонах он несколько увеличивается).
Чаще всего шкала начинается с 710 мм.рт.ст. (у некоторых моделей значение меньше). Точкой отсчета принимается нормальное давление, характерное для данного региона и высоты в ясную погоду. Его усредненное значение – 760 мм.рт.ст. Для других местностей число будет иным (к примеру, в горах оно меньше). Усредненные данные для той или иной географической точки определяют метеорологические службы. От этого показателя отсчитывается и интерпретируется характер перемещения стрелки. Так отслеживают, падает давление или поднимается, и насколько. Чем быстрее перемещается стрелка и чем значительнее амплитуда, тем точнее прогноз и тем скорее наступят предсказываемые изменения.
Настройка прибора
Чтобы настроить модель, нужно точно знать значение давления в данной местности в текущий момент времени. Его можно выяснить в ближайшей метеостанции или из погодной сводки. Еще один вариант – провести сверку с точным ртутным барометром.
При разнице показаний устройство потребуется откалибровать. Сзади нужно отыскать регулировочный винт и, закручивая или ослабляя его, установить на приборе нужные показания.
Если винта нет, калибровка выполняется поворотом циферблата по отношению к стрелкам. Заглянув в инструкцию по эксплуатации, можно найти детальные указания по регулировке прибора.
О барометрах-анеройдах подробно
Чувствительная часть барометра-анероида — это сильфон с тонкостенной гофрированной мембраной из спецсплавов, реагирующий на изменения атмосферного давления сжиманием/разжиманием, таким способом двигая прикрепленную к нему стрелку по шкале. Прибор полностью механический, в отличие от других типов барографов не содержит ртути, жидкости, датчиков, элементов питания, электросхем. Указанные особенности никак не влияют на эффективность, и даже наоборот, делают изделие самым надежным, стойким, долговечным из подобных измерителей. Рассмотрим, чем отличается анероид, его преимущества и недостатки, элементы, принцип, как настроить. Опишем также основы, как читать и понимать показатели.
Понятие барометров анероидов, чем отличаются от иных типов
Барометры — базовые приборы для измерения атмосферного давления, изменения которого определяются наступлением климатических явлений, осадков, солнечной или пасмурной погоды.
С самого начала атм. давл. измерялось первыми изобретенными барометрами — ртутными, затем появились жидкостные, где столбик вещества при его понижении опускается, при увеличении — поднимается внутри колбы около градуированной шкалы.
Процесс основывается на законе физики, на способности материалов сжиматься/расширяться при разных величинах давления (принцип Торричелли).
Все барографы основываются на описанном выше физическом законе, отличается лишь чувствительная часть и, соответственно, конструктивное исполнение, обеспечивающее вывод показателей на шкалу, табло.
Анероидный барометр изобретен позже, в 1847 г. Люсьеном Види. Прибор основывается на мембране с тонкими стенками (гофра, гармошкой) из специальных, чувствительных к атм. давл. сплавов, которая связанная со стрелкой на градуированной шкале. Кроме указанных видов, существуют также электронные устройства, у которых сенситивная часть — это датчики (термокомпенсированные, тензометрические), микросхема исчисляет показатели, переводит их в электросигнал, выводит на ЖК-табло цифрами.
Анероиды показывают результаты измерений стрелкой на шкале, жидкостные погодомеры — столбцом чувствительного вещества в колбе, электронные — числовыми значениями на дисплее (могут также иметь стрелку).
Принцип механического барографа:
Если рассматривать, для чего еще предназначен анерограф, то по нему можно вычислить высоту. Давление растет на каждые 100 м на 10 мм рт. ст.
Конструкция, механизм работы
Барометр (барограф) анероид — это измерительный прибор для атм. давл., с полностью механическим принципом работы.
Строение барографа анероидного (механического) типа:
Для полного представления, что такое анероид, опишем принцип работы:
В анероидах используют несколько, как правило, максимум 10 шт., а в специальных моделях больше, последовательно зафиксированных гофрированных капсул для расширения диапазона измерений (амплитуды стрелки на шкале).
Внутри анероидного барографа:
Достоинства и недостатки анерографов анероидов
Преимущества анероидного погодника:
Несколько характерных схем внутреннего устройства механических погодников:
Принцип действия анероидов имеет такие недостатки:
Степень точности анероидного барографа
Самым точным барометром традиционно считается ртутный (используемый как эталон) — его рабочее вещество стойкое к влияниям температур (не замерзает, не испаряется), к влаге. В некоторых источниках первенство отдают электронным приборам, и для этого есть основания, так как микросхема сама автоматически делает поправки, исчисления, а цифровое табло покажет до 0.2 мВ/кПа и лучше, что на обычной шкале трудно отследить.
По жидкостным барографам все зависит от используемого вещества в роли сенситивного элемента (масло, химические смеси, дистиллированная H₂O). В некоторых источниках такие устройства позиционируются лучше, чем анероидные. Это не совсем так, например, аппарат с водой измеряет с самыми значительными расхождениями, так как вещество больше подвержено влиянию температуры, испарению. Это спорный вопрос, но по точности мы бы поставили анероиды как минимум в один ряд с жидкостными, и уж конечно, по удобству, надежности конструкции они на первом месте среди всех барографов.
Итак, ртутные изделия — это эталон по точности для всех типов барометров, применение их в этой роли традиционное, это их достоинство. Данное обстоятельство подтверждает тот факт, что классической главной единицей измерений является мм (дюйм) рт. ст.
Плюс цифровых моделей в множестве отображаемых измерений на малом дисплее (влага, высота, температура, часы, может быть GPS и пр.), а также в том, что все поправки аппарат вычисляет и исправляет сам автоматически, а в анероиде это надо делать вручную. Но цифровые аппараты менее стойкие к нагрузкам, для них требуются источники питания.
Точность современных анероидов весьма высокая: даже поднимаясь в лифте с измерителем можно заметить движение его стрелки. Особо точны модели, работающие с 10–12 ступенями гофрированной анероидной колбы — они способны показать точность до 0.05 %.
Важно ли следить за точностью именно по цифровым отметкам шкалы
Атм. давл. имеет стабильную закономерность — оно меняется в разных периодах суток, во время суточного хода:
Особенно ярко выражено описанное явление в тропиках. При возрастании широты (направление на север), диапазон колебаний понижается и на широте 60° амплитуда уже приблизительно в диапазоне 0.3 мбар.
Вопрос о точности касательно идеального совпадения стрелки с делениями шкалы малозначим для не только бытовых, но и большинства любых других потребностей, кроме специальных научных, лабораторных, статистических исследований, на метеостанциях. Там используют метеорологический специальный анерограф с увеличенным количеством ступеней анероидной капсулы, показания корректируют спецприборами для замеров влажности, ветра и прочего.
Первоочередное значение имеет скорость движения указателя, столбца жидкости на шкале и общее положение (глубоко или незначительно вниз/вверх), то есть какие-то доли градуировки, даже целые ее деления не особо важные. Поэтому часто барометр механический, анероид имеет участки шкалы, выделенные разными цветами для ясной погоды, дождя, грозы, шторма на определенных сегментах с делениями, по ним удобно отслеживать явления.
Итак, важно не положение стрелки на конкретных отметках, и даже не текущий показатель, а динамика изменений. Чем резче амплитуда, тем быстрее погода изменится, а прямой ровный график свидетельствует о том, что она на ближайшие несколько часов будет стабильной, на одном уровне.
Пример: на улице солнечно, но стрелка барографа показывает резкое падение, это явно и уверенно свидетельствует о наступлении дождя, как минимум — густой облачности. Если же пасмурно, дождливо, то резкое повышение указателя — признак скорого наступления солнечности.
Поправки для анероидов, нужно ли их делать
Для особо точных измерений барометр (погодник) анероид нуждается в таких поправках:
Поправки надо учитывать, только если требуются особо точные замеры. Впрочем, исчисления можно делать всегда, так как они не особо сложные.
Подготовка для поправок, снятие давления, температуры
Процедура поправок, калибровка анероидных барометров
Как делать поправки к анероиду, описано в аттестате (паспорте, свидетельстве), которым снабжается каждый барометр, так как изделия являются измерительными, проходят поверку перед допуском к продаже.
Поправка добавочная — это таковая присущая анероиду при поверке, всегда прописана в паспорте. Величина сравнительно быстро меняется со временем. Данный изъян — самый существенный недостаток механических барометров.
Для калибровки необходимо сравнивать показатели изделия с ртутным барометром (этот тип устройств во всех случаях служит ориентиром по точности) или эталонным показателем. Сама процедура, осуществляется простым подкручиванием болтика, ослабляющего/усиливающего пружину на сильфоне. Для сравнения не обязательно иметь под рукой указанный барометр-эталон, можно узнать информацию на сайтах метеорологических служб.
Отклонение по шкале имеет инструментальную природу, появляется при изготовлении из-за неравномерности на доли миллиметров делений градуировки. То есть при ней указатель показывает не совсем ту величину, которая отображена шкалой. Данное отклонение чрезвычайно незначительное, даже ничтожное, не меняется со временем.
Пример значений поправок по итогам поверки:
Факты на пользу выбора барометров анероидного типа
Преимущества параметров анероидов:
Как читать и интерпретировать показания барометров анероидов
Опишем правила, как правильно прогнозировать погоду с помощью анероида.
Показания барографа механического типа — это высота рт. ст. на ртутном анерографе в мм. Нормы прочтения одинаковые для всех типов барографов. Рассмотрим их вкратце, но исчерпывающе.
Единицы измерений
Градуировка шкал барометров делается в таких значениях (в физической величине):
Обычно есть двойная шкала (градуировка). На отечественных изделиях популярно указывать мм рт. ст. и соответствие в гПа, Па.
Особенности шкалы механического барографа
Стандартно шкала барометра начинается с 710 мм рт. ст., может быть и меньше. За точку отсчета берут усредненное значение нормального атм. давл. для ясной погоды для конкретной местности — среднестатистически 760 мм рт. ст. (1013 мбар или 1013 гПа). От данной черточки отсчитывают и интерпретируют направление движения стрелки — вверх или вниз, падает или поднимается.
Отметка может быть другой для определенных местностей, например, в горах она будет отличаться. Значение для конкретной географической точки устанавливают соответствующие метеорологические службы.
Итак, нормальным атм. давл. на уровне моря принимают 760 мм рт. ст., но возможны расхождения и иногда они весьма значительные. Так, самое низкое зафиксированное значение — 641 мм рт. ст., самое высокое — 816 мм рт. ст.
Недостатки прогнозирования всех барометров
Минусы всех барометров по прогнозированию:
Правила чтения, интерпретации показаний барометра-анероида
Чем быстрее движение стрелки, чем большая амплитуда, тем значительнее точность прогноза, тем глубже степень климатических явлений (от пасмурной погоды до шторма), а также короче временной отрезок их наступления.
Выше указано общее правило, но также при считывании показателей барометров применяют дополнительные правила, которые в значительной мере меняют поверхностное понимание движения указателя:
Желательно знать характеристики глобальных, основополагающих климатических явлений атмосферы. Циклоны — это низкое давление. При их возникновении появляется теплая часть с малой облачностью, как правило, это верхние области. Наблюдается перистость облаков, перисто-слоистость, осадков нет. При продвижении теплого фронта таковые могут возникать, но слабые. Холодная область грядет следом, дожди усиливаются, ветер становится интенсивным. Давление повышается, послефронтовые осадки могут затянуться надолго, до дней без паузы. Далее, циклон закончился, зафиксировалось высокое атм. давл. — антициклон. При таком явлении возникает пасмурность, холод с осадками, но только по началу, это шлейф от прошедшего циклона, он исчезает через 1–2 дня. Облачность начинает исчезать, соответственно, район этого явления становится прогретым, возникает солнечность в теплой части антициклона. Давление постепенно уменьшается, поэтому после него всегда надо ждать циклона. Таким образом, есть постоянная цикличность с описанными витками.
Еще несколько правил, как пользоваться барометром:
Правила для рыбалки
Для рыбаков барограф всегда нужен, незаменим — рыба меняет свое поведение, клев усиливается/пропадает при разных значениях атм. давл. Тут анероид весьма уместный, так как компактный, устроен полностью механически, с надежной конструкцией, нет особо чувствительных к нагрузкам деталей, прибор можно положить в рюкзак, при падениях, ударах есть больше шансов, что он останется работоспособным.
Есть удобные модели анероидов наподобие карманных часов.
Каждая рыба реагирует по-своему на изменение давления при тех же значениях. Но в общем, если наблюдается рост, — это к отличному клеву. Хотя, если величина держится высоко или чрезмерно интенсивно растет, рыбалка может не дать хороших результатов. При низкой величине (осадки, пасмурно) активируются хищные виды, при высокой — мирные рыбы подплывают к берегу для активного питания.
Самодельные барометры анероиды
По самодельным барометрам есть отдельные статьи, поэтому опишем лишь вкратце, как соорудить такой кустарный прибор.
Берем дешевый манометр или сфигмоманометр (для артериального давления), только механическую модель с цилиндром-сильфоном снизу. Надо нагреть паяльником штуцер, запаять его с полной герметичностью. Далее — подождать охлаждения к комнатной температуре, мембрана сожмется, давление станет равным атмосферному. В дальнейшем при понижении такового анероидная капсула будет сжиматься, при росте – расширяться. Остается лишь переписать шкалу или распечатать картинку с ней из интернета, наклеить на старую градуировку.
Для самоделки можно использовать любые приборы с чувствительными сильфонами, например, таковые из бериллиевой бронзы от высоковакуумных затворов
Примеры моделей
Рассмотрим вкратце популярные типоразмеры и модели. Барометр (анерограф, барограф) анероид мини формата, в форме ручных или карманных часов мы указали выше.
Есть более габаритные устройства, служащие также украшением интерьера. Желательно выбирать модели с термометром, измерителем влажности и прочими дополнительными опциями.
Перечислим популярные отечественные изделия.
БАММ-1 для наземных условий, для помещений. M-110, промышленный. Модели вписаны в Госреестр Средств Измерений РФ, можно применять для аттестаций рабочих мест, для официальных измерений на производстве.
М-67. Точный, неприхотливый. Работает при t° от −10 до +50 °C.
ББ-0.5М. Бытовой, настенный, дешевый часто в корпусе из пластика. БР-52 — для школ, часто там используется как учебное пособие, для опытов.
