Міністерство освіти та науки України

Національний технічний університет України «КПІ»

Інститут енергозбереження та енергоменеджменту

Кафедра інженерної екології

Л а б о р а т о р н а р о б о т а № 1

“Вимірювання атмосферного тиску”

Виконав:

Прийняв:

КИЇВ

Тема: Вимірювання атмосферного тиску.

Мета роботи: вивчити будову та принцип дії приладів, які використовуються в метеорології для вимірювання атмосферного тиску, за допомогою представленого виміряти атмосферний тиск.

Прилади та обладнання: схеми будови ртутних барометрів, анероїда, барографа, гіпсобарометра, барометр анероїд БР-52, барометр гігрометр БМ-2, барометр БК-5.

Хід роботи:

1. Теоретичні відомості.

У метеорологічній практиці для вимірювання атмосферного тиску використовують три види приладів:

1) рідинні барометри, переважно ртутні;

2) металеві барометри або анероїди;

3) гіпсотермометри або термобарометри.

Ртутні барометри. На гідрометеорологічних станціях основні прилади для вимірювання атмосферного тиску - ртутні барометри.

Ртутні барометри бувають трьох систем (рис 1):

• чашкові (рис. 1а),

• сифонні (рис. 1б)

• сифонно-чашкові (рис. 1в).

У метеорології використовуються тільки чашкові і сифонно-чашкові барометри, причому найбільше широко — станційні чашкові барометри.

Станційний чашковий барометр (рис. 2) представляє запаяну зверху скляну трубку 1, що наповнена ртуттю, відкритий її кінець якої занурюється в чавунну або пластмасову чашку 2 із ртуттю. Чашка складається з трьох частин, що згвинчуються, середня з яких має діафрагму з отворами. Діафрагма займає деякий обсяг чашки і тому дає можливість наливати в неї менше ртуті, а також зменшує коливання останньої. У верхній частині чашки мається отвір 3, що закривається гвинтом. Він служить для сповіщання ртуті з зовнішнім повітрям. Скляна трубка укладена в металеву оправу, що пригвинчується до чашки. У верхній частині оправи мається наскрізний подовжній проріз для спостережень за висотою стовпчика ртуті в барометричній трубці. На лівій стороні прорізу нанесена шкала з розподілами, що відповідають міллібарам або міліметрам ртутного стовпчика. У прорізі оправи поміщене кільце з укріпленим на ньому ноніусом, нижній край якого служить індексом для наведення на меніск ртутного стовпа. Кільце може переміщатися нагору і вниз по шкалі за допомогою зубцюватої лінійки і кремальєрного гвинта 4.

Ноніус призначений для підрахунків шкали до десятих часток мілібара. Шкала барометра для захисту від пилу захищена скляною трубкою. У середній частині оправи зроблений проріз. У нього вставлений термометр 5 (що називається «термометром при барометрі» або «термометром аташе»), резервуар якого стикається з барометричною трубкою. Шкала термометра розділена па цілі градуси. На верхній частині оправи барометра мається кільце 6, що служить для підвішування приладу.

Нуль шкали барометра повинний збігатися з рівнем ртуті в чашці. Однак цей рівень при коливаннях тиску міняється. Для виключення зв'язаних з цим помилок у чашковому барометрі застосовується так названа компенсаційна шкала, яку використовують на підставі наступних міркувань. Зміна рівня ртуті в чашці при зміні тиску буде залежати від співвідношення між площею барометричної трубки і площею чашки. Це співвідношення при виготовленні барометра 1:50. Якщо ртуть у трубці при підвищенні тиску піднімається на 1 мм, то рівень ртуті в чашці опуститься на 1/50 мб. Отже, кожен розподіл шкали повинен бути зменшений на 1/50 тобто на 0,02 мб.

Барометр встановлюється в спеціальній шафці, укріпленій на стіні в приміщенні станції. Для установки його вибирають таке місце, де не відбувається швидких змін температури, і на барометр не попадають сонячні промені. Чашка барометра повинна знаходитися на висоті 70—75см див над підлогою. Підвішується прилад на спеціальному гаку.

Для зручності відрахунків треба позаду трубки створити світле фон, наприклад, наклеїти на задній стінці шафки, проти прорізу трубки, білий лист паперу.

Підрахунки за барометром роблять у наступному порядку. Спочатку відраховують показання термометра аташе з точністю до 0,1.° Потім злегка постукують пальцем по скляній оправі барометра з метою приведення меніска в нормальне положення. Далі, обертаючи гвинт 4, установлюють ноніус так, щоб горизонтальна площина, що проходить через нижній зріз ноніуса і задній зріз кільця, стосувалася вершини меніска ртуті.

З обох сторін меніска повинні бути видні просвіти. Після такої установки нижній зріз ноніуса показує на шкалі висоту ртутного стовпа в цілих мілібарах. Десяті частки відраховуються по тій рисці ноніуса, що збігається з одним з розподілів шкали.

Сифонно-чашкові барометри. Сифонно-чашкові барометри відрізняються від чашкових тим, що мають дві трубки (довге і коротке коліно), опущені в чашку з ртуттю. Дно чашки зроблено з м'якої еластичної шкіри (лапки) і може підніматися й опускатися за допомогою спеціального гвинта 7 (див. рис. 3)із широкою голівкою. При цьому ртуть в обох трубках піднімається або опускається на однакову висоту.

На рис. 3 представлена схема сифонно-чашкового барометра. Барометрична трубка 1 у ньому вигнута так, що її верхня частина розташовується над короткою відкритою трубкою, на одній вертикалі з нею. Для міцності обидві трубки спаюються скляним балоном 5 і розміщуються в одній спільній латунній оправі. Повітря проникає в коротке коліно через верхній відкритий його кінець, що може закриватися за допомогою гвинта 2.

На скляні трубки одягнена оправа барометра, що має наскрізні отвори, через які видно рівень ртуті у верхній і нижній трубках. У нижньому прорізі встановлюється з'єднаний з кільцем індекс 3, що кріпиться до оправи таким чином, щоб нижній зріз його збігався з нульовою поділкою шкали. У середній частині оправи барометра поміщений термометр 4. Шкала сифонно-чашкового барометра буває міліметровою або мілібаровою. Підрахунки здійснюються по ноніусу верхнього кільцевого візира 5, що рухається по оправі барометра. Для точності встановлення візира по меніску ртуті маємо мікрометричне кільце 6.

Спостереження по сифонно-чашковому барометру роблять у наступному порядку. Відраховують показання термометра. Потім відгвинчують на 1—2 оберти гвинт 2. Далі плавним обертанням гвинта 7 підводять ртуть у нижнє коліно так, щоб меніск ртуті торкнувся нижнього зрізу індексу. Після цього роблять відлік по шкалі барометра. Для одержання більш точних підрахунків варто перевірити положення меніска в короткому коліні і зробити вторинний відлік по верхньому меніску. Після відліку опускають ртуть і коротке коліно і загвинчують гвинт 2.

За принципом сифонно-чашкового барометра улаштований інспекторський барометр. Барометр такої конструкції відрізняється міцністю і краще інших ртутних барометрів придатний для перевезення. Використовується він для перевірки барометрів на метеорологічних станціях.

Виправлення до підрахунків барометрів. При виготовленні барометра, як і інших приладів, може допускатися ряд невеликих дефектів, що у сумі дають так називане інструментальне виправлення. Визначається воно для кожного барометра з порівнянь його з «нормальним» барометром Головної геофізичної обсерваторії в бюро перевірки приладів. Інструментальне виправлення дається в сертифікаті, що додається до приладу.

На показання барометра впливає температура. З підвищенням температури висота ртутного стовпа при незмінному атмосферному тиску збільшується, при зниженні — зменшується. Для порівнянності спостережень над тиском при різних температурах показання барометрів приводять до температури 0°, тобто знаходять таку висоту ртутного стовпа, що показував би барометр, якби його температура дорівнювала 0°.

З цією метою вводять так назване температурне виправлення, що знаходиться за допомогою спеціальних таблиць, обчислених на підставі наступної формули:

Н0=Нt[1 - (α - ß)],

(1)

де Н₀ і Н_t — висоти ртутного стовпчика при температурі 0 і t⁰; α —коефіцієнт розширення ртуті, рівний 0,000181; ß — коефіцієнт розширення латуні, рівний 0,000018.

Покази барометрів залежать також від сили тяжіння, що змінюється в залежності від широти місця. На полюсі сила тяжіння найбільша, на екваторі — найменша. Крім того, сила тяжіння зменшується з висотою місцевості. При збільшенні сили тяжіння вага ртуті в барометрі стає більшою, і тому атмосферний тиск врівноважується стовпчиком ртуті меншої висоти і навпаки. Отже, при тому самому атмосферному тиску висота ртутного стовпчика в барометрі буде відрізнятися в залежності від широти місцевості і його висоти над рівнем моря.

У метеорології прийнято зводити покази барометрів до показань на широті φ = 45⁰. Це зведення робиться по наступній формулі:

Н45=Нφ(1 - 0,0026·cos2φ),

(2)

де Н₄₅ і Н_φ — висоти ртутного стовпчика в барометрі на широті 45⁰ і φ^0.

Величину цього виправлення знаходять зі спеціальних таблиць. Якщо барометр розташований на широті більше 45⁰, виправлення вводиться з плюсом; якщо широта менше 45°, то з мінусом.

Виправлення на силу тяжіння в залежності від висоти місця спостережень обчислюються по формулі

Н0=Нφ(1—0,000000314h),

(3)

де Н₀ і H_h — покази барометра на рівні моря і на висоті h.

Якщо станція знаходиться вище рівня моря, виправлення буде від’ємним, а якщо нижче — додатнім.

Зазначена формула придатна для обчислення в окремих точках у вільній атмосфері.

Якщо станція розташована на горі, то користуються іншою формулою:

Н0=Нh(1 - 0,000000196h),

(4)

На метеорологічній станції барометр знаходиться постійно на одному місці, тому інструментальне виправлення поєднується з виправленнями на силу тяжіння в залежності від широти і висоти місця над рівнем моря. Це комплексне виправлення називається постійним.

Таким чином, спостерігачеві доводиться вводити два виправлення до підрахунків за барометром: постійну і виправлення на температуру ртутного стовпа.

Анероїд. Для виміру атмосферного тиску в похідних умовах зручно користуватися металевим барометром - анероїдом (рис. 4). Принцип дії його полягає в деформації пружних поверхонь металевої коробки під впливом тиску, який створюється на них. Механізм анероїда представлений на рис. 5.

Приймачем тиску в анероїді є металева циліндрична коробка 1 з гофрованими поверхнями, усередині якої повітря розряджене. Ця коробка укріплена на металевій платі 10. Пружина 2, один кінець якої з'єднаний з верхньою основою коробки, врівноважує атмосферний тиск, що діє на неї. При зміні атмосферного тиску коробка деформується, при цьому пружина розгинається або згинається, переміщаючи укріплений на ній стержень 3.

Переміщення стерженя передається колінчатому важелеві 4. Останній за допомогою шарнірного ланцюжка 7 обертає вісь 5 стрілки 6. До тієї ж осі прикріплений кінець тонкої спіральної пружини 8, що служить для постійного натягу ланцюжка на осі.

Величину атмосферного тиску визначають за показниками стрілки 6 щодо шкали 9, поділки якої відповідають міліметрам ртутного стовпа або мілібарам. Для визначення температури приладу на шкалі укріплений термометр, вигнутий у вигляді дуги.

Виготовляються також безпружинні анероїди, роль пружини в яких виконують пружні мембрани коробки.

Анероїд встановлюється в горизонтальному положенні у футлярі, що відкривають під час спостережень. Прилад поміщають на спеціальній поличці, прикріпленої до стіни біля барометра.

Спостереження по анероїду роблять у наступному порядку. Відкривши футляр, відраховують покази термометра з точністю до 0,1⁰. Потім, постукавши пальцем по склу анероїда і дочекавшись, поки установиться стрілка, відраховують її покази з точністю до 0,1 мм (або мб).

У показаннях анероїда вводяться наступні виправлення: шкалове, температурне і додаткове.

Шкалове виправлення знаходиться шляхом порівняння по всій шкалі показів анероїда з показами точного ртутного манометра. При цьому виправлення для тиску 760 мм прирівнюються до нуля.

Температурне виправлення вводиться тому, що температура впливає на пружні властивості коробки і пружини. З підвищенням температури пружність пружини зменшується, у результаті чого коробки здавлюється більше і покази приладу виявляються завищеними. Таким чином, при незмінному тиску показання анероїда можуть бути різні в залежності від температури.

Для усунення впливу температури на покази анероїда їх приводять до температури 0⁰. Виправлення на температуру обчислюються по формулі:

а = c·t,

(5)

де а - виправлення на температуру,

t - температура анероїда,

с - температурний коефіцієнт анероїда, тобто величина зміни його показань при зміні температури приладу на 1°.

Для зменшення температурного коефіцієнта при виготовленні анероїда його компенсують температурою. У коробці залишають невелику кількість повітря, пружність якого при нагріванні приладу зростає і тим самим компенсує стиск коробки. При охолодженні анероїда відбувається зворотне явище.

Додаткове виправлення залежить від повільних змін пружних властивостей анероїдної коробки і пружини. Це виправлення змінюється згодом внаслідок поступової зміни структури матеріалу пружини коробки. Для визначення величини додаткового виправлення через визначений проміжок часу роблять порівняння показів з показаннями ртутного барометра.

Всі описані виправлення даються в сертифікаті, що додається до приладу.

Барограф. Для безперервної реєстрації атмосферного тиску застосовують барографи. Цей прилад складається з прийомної частини, передавального механізму барабана з годинним механізмом. Усе це знаходиться в корпусі приладу (рис. 6).

Прийомною частиною барографа служать кілька анероїдних коробок 4 (рис. 7), згвинчених одна з іншої у вигляді стовпчика. Звичайно усередині кожної коробки поміщена пружина ресорного типу. Нижня підставка всього стовпчика коробки укріплена на біметалічній пластинці 1, що укріплена на станині приладу. Верхня підставка за допомогою передаточного механізму 2 зв'язана з легким алюмінієвим важелем, на якому закріплене перо.

При збільшенні атмосферного тиску кожна коробка трохи сплющується, весь стовпчик осідає і перо піднімається нагору. При зменшенні тиску відбувається зворотне явище. Коливання самого стовпчика досить малі. Важелева передача збільшує зміщення пера в 80-100 разів більше.

Запис змін атмосферного тиску виконується на стрічці, що надягнута на барабан з годинним механізмом. Стрічка розграфлена горизонтальними рівнобіжними прямими, що виражають тиск у мілібарах, і вертикальними дугами, що відповідають часові. У добовій моделі барографа розподіл між двома сусідніми дугами відповідає 15 хв., у тижневого — 2 години.

Усі частини приладу поміщені в дерев'яному футлярі, що має відкидну кришку зі стеклами. У дні футляра є отвір, у який входить гвинт 3 з чотиригранною голівкою. Обертаючи цей гвинт за допомогою спеціального ключа, можна перемістити стовпчик анероїдних коробок й установити перо на визначеному розподілі.

На показання барографа, як і анероїда, впливає температура. Для зменшення впливу температури на показання барографа застосовуються два види компенсаторів:

1) залишають в одній з анероїдних коробок невелика кількість повітря

2) застосовують біметалічний компенсатор.

Компенсація газом заснована на тому ж принципі, що й в анероїді. Біметалічний компенсатор має наступну конструкцію (рис. 8). Кінець стовпчика 1 анероїдних коробок пропущений вільно через отвір, що мається в станині барографа, і укріплений на кінці біметалічної пластинки 2 у точці 5 (рис. 18). Ця пластинка, зроблена з міді і заліза, укріплена в точках 3 і 4 на іншій пластинці 6. Пластинка 6 укріплена нерухомо в точці 8 і спирається на гвинт 7, за допомогою якого можна змінювати вигин пластинки і тим самим переміщати основу стовпчика коробок.

Принцип дії компенсатора наступний. При підвищенні температури пружність ресорних пружин усередині коробок зменшується, в результаті чого коробки трохи сплющуються і перо піднімається догори. У той же час біметалічна пластинка від нагрівання згинається. Кінець пластинки 2 піднімається догори, піднімаючи стовпчик анероїдних коробок, у результаті чого перо повинне опуститися вниз, тобто дія біметалічної пластинки компенсує вплив температури на роботу приймача приладу.

Барограф встановлюється усередині робочого приміщення, поблизу барометра, на спеціальній полиці. При обробці запису на стрічках підрахунки показання на стрічці порівнюють з показаннями ртутного барометра за відповідні терміни спостережень.

Гіпсотермометр. Для визначення атмосферного тиску можна користуватись гіпсометром або термобарометром. Тут використовується залежність між температурою пари киплячої рідини і величиною зовнішнього тиску. Кипіння рідини настає тоді, коли пружність пари, що утворюється з неї, досягає величини зовнішнього тиску, який діє на поверхню рідини. Пружність насиченої пари залежить від температури, отже, з підвищенням атмосферного тиску температура кипіння рідини підвищується, а при зниженні - зменшується. Знаючи температуру пари киплячої води, по таблицях можна визначити пружність насиченої пари, а разом з тим і тиск атмосфери.

Гіпсотермометр являє собою товстостінний досить точний термометр (рис. 9а і 9б), за допомогою якого визначають температуру пари киплячої води. Ціна поділок його шкали 0,05⁰, а підрахунки роблять з точністю до 0,001⁰. Така точність в підрахунках потрібна тому, що зміна температури на 0,01⁰ відповідає зміні тиску на 0,27 мм. У нових системах гіпсотермометрів шкала наноситься не в градусах, а безпосередньо в міліметрах тиску або в мілібарах. До кожного гіпсотермометра додається посвічення, в якому зазначені його шкалові виправлення.

Для визначення температури пари киплячої води термометр вставляють у спеціальний кип'ятильник (рис. 19в). Останній являє собою металевий сосуд, що складається з двох частин: розсувної трубки 2 з подвійними стінками (внутрішньої і зовнішньої) і сосуду 1, у якому кип'ятять дистильовану воду. У верхній частині внутрішньої стінки трубки мається отвір 3, а в нижній частині зовнішній стінка-отвір 4. Металева сітка 5 у нижній частині циліндра служить для запобігання резервуара гіпсотермометра від бризів киплячої води. На термометр надягають гумове кільце і вставляють його в отвір 6 розсувної трубки.

При кип'ятінні води пара піднімається по внутрішній трубці, через верхній отвір у ній надходить у зовнішню трубку і виходить з неї через нижній отвір. При цьому температура пари біля резервуара термометра залишається незмінною.

Для спостережень на відкритому повітрі гіпсотермометр вставляють у спеціальний захисну шухляду. Гіпсотермометром користуються в експедиційних умовах, особливо для барометричних нівелювань у гірських районах.

Рис. 1 Схема будови основних типів ртутних барометрів

Рис. 2. Зовнішній вигляд станційного чашкового барометра

Рис. 3. Сифонно-чашковий контрольний барометр

Рис. 4. Зовнішній вигляд анероїда

Рис. 5. Механім дії барометра-анероїда

Рис. 6. Станційний барограф

Рис. 7. Схема механізму барографа

Рис. 8. Біметалічний компенсатор барографа

Рис. 19а, б. Гіпсотермометр

Рис. 19в. Кип’ятильник гіпсотермометра