Методы и средства ГМИ. Григоров Н.О

разпополам,свойствобудетсохранятьсядлякаждой изполовин половины и т. д.

Кодеры углового положения – компактные и надёжные устройства. Они обеспечивают измерениеотносительных и абсолютных значений углов и угловых скоростей свысокой точностью. Разрешениеугловых кодеров зависит от количества дорожек на круге и, соответственно, от количества пар «светодиод - фотодиод» на каждой дорожке.

131

Глава 4. ИЗМЕРЕНИЕ АТМОСФЕРНОГО ДАВЛЕНИЯ

Приборы для измерения атмосферного давленияполучили название барометров. В метеорологических измерениях применяются барометры двухтипов:жидкостныеидеформационные.Деформационныебарометры иногданазывают барометрами-анероидами. Далеемырассмотримосновныепринципыихдействия,нопреждечемэтосделать,приведёмосновные единицы для измерения атмосферного давления.

1.Паскаль(Па). Какизвестно, один паскаль равен одномуньютону на квадратный метр. В метеорологии обычноиспользуется гектопаскаль (гПа) – величина, равная 100 паскалей.

2.Миллиметр ртутного столба – эта мера давления появилась послеизобретения ртутных барометров. Нормальноеатмосферноедавлениена уровнеморяприняторавным 1013 гПа или 760 мм рт.ст. Нетрудно рассчитать, что

3.Миллибар – устаревшая единица измерения давления, равная одной тысячной части бара. Один бар равен 1000 гПа, следовательно, 1 мбар численно равен 1 гПа.

4.Тор – единица, названная в честь Торичелли, изобретателя ртутного барометра. Один тор численно равен 1 мм ртутного столба. Эта единица употребляется для измерения малого давления, в основном, в вакуумной технике.

4.1. Жидкостные барометры

Жидкостныебарометрыоснованына известномопытеТоричелли.Если взять трубку, запаянную с одного конца, заполнить еёртутью и поставить вертикально открытым концом в чашку со ртутью (рис. 4.1), то уровень ртути в трубкебудет зависеть от атмосферного давленияи может быть рассчитан по формуле:

где h – высота ртутного столба; p – атмосферное давление;

ρ – плотность используемой жидкости (ртути); g – ускорение силы тяжести.

132

Как видно из формулы (4.3), чувствительность ртутного барометра является постоянной величиной и не может быть изменена в процессе изготовления прибора. В связи с этим возникает вопрос: почему в жидкостных барометрах применяется самая плотная жидкость – ртуть? Чувствительность ртутных барометров минимальна по сравнению с барометрами, в которых использовалась бы любая другая жидкость! Студентам предлагается самим ответить на этот вопрос.

При изменении уровня ртути в трубке происходит неизбежное изменение уровня ртути в самой чашке, например, при увеличении атмосферного давления уровень ртути в трубке увеличивается, а в чашке, соответственно, уменьшается. Это нежелательное обстоятельство, поскольку уровень ртути в чашке является точкой отсчёта показаний барометра. Изменение уровня ртути в чашке может быть рассчитано по формуле:

где h – изменение уровня ртути в трубке; h0 – изменение уровня ртути в чашке;

s – площадь сечения трубки;

s0 – соответствующее изменение уровня ртути в чашке.

Длякомпенсации измененияуровня ртутив чашкеприменяетсяскомпенсированнаяшкала, цена деления которой равна 0,98 мм (вместо 1,00 мм).

133

Перечислим погрешности ртутных барометров.

1. Погрешности, связанные с изменением ускорения силы тяжести g. Их две:

-погрешность, связаннаясизменением высоты места. Какизвестно, сила тяжести уменьшается с высотой. Хотя это очень незначительное уменьшение, но его необходимо учитывать при измерении давления. Поэтому вводится поправка на высоту места:

где l – высота ртутного столба, отсчитанная по барометру; z – высота места, м;

γ= 1,96 10-7 м-1.

-погрешность, связанная с изменением широты места. Эта погрешность обязана своим происхождениевращению Земли и появлением центробежнойсилы,направленнойпротив силытяжести. Наэкватореуменьшение силы тяжести максимально (хотя совершенно незаметно без использованияспециальныхприборов!),наполюсецентробежнаясиларавна нулю и уменьшение силы тяжести не происходит. В качестве эталонной широты условились принимать широту450. Поэтомуна болеенизкихширотах поправка отрицательна, а на более высоких – положительна. Поправка на широту места определяется по формуле:

где l – высота ртутного столба, отсчитанная по барометру; φ – широта места в градусах;

β= 2,65 10-3.

2.Погрешность, связанная с изменением плотности ртути при изменениитемпературы.Заэталоннуютемпературуусловилисьпринимать00С. Строго говоря, следует учитывать также изменение линейных размеров латунной шкалы барометра при изменении температуры. Поэтомув формуле(4.7)длярасчёта температурной погрешности коэффициентαравен разностикоэффициентовлинейногорасширенияртутиилатуни.Поправка на температуру определяется формулой:

где l – высота ртутного столба, отсчитанная по барометру; t – температура, измеренная по шкале Цельсия;

α = 1,63 10-4 K-1.

134

135

4.2. Деформационные барометры

Деформационныебарометры измеряют силу, с которой атмосферное давление действует на деформируемую поверхность барометрической коробки (барокоробки). Барометрическая коробка в разрезе изображена на рис. 4.3. Она выполнена в видеполого диска, стенки которогоизготовленыизсталистойбронзы,материала,обладающегобольшойупругостью. Нижняя и верхняя поверхность коробки сделана гофрированной, что увеличивает еёспособность деформироваться. При изменении атмосферного давления коробка деформируется, причём степень деформации зависитот давления.Деформацияизмеряетсяспомощьюстрелки,соединённой споверхностьюбарокоробки системой рычагов дляувеличенияперемещения стрелки. Другая поверхность (на рис.4.3 – нижняя) закреплена неподвижно.

Шкала

Рис. 4.3. Барометрическая коробка в разрезе

Такимобразом, подвижнаястрелкаперемещаетсяоколошкалы,показывая атмосферное давление. Часто вместо одной применяют несколько барокоробок, соединенных друг с другом, что увеличивает перемещение стрелки, а следовательно, чувствительность барометра. Такая конструкция получила название сильфон.

Барометр, датчиком которого является сильфон, обычно называют ба- рометром-анероидом (рис. 4.4). Такиебарометры болееудобны в использовании, чем ртутные. Они болеекомпактны, следовательно, применимы в экспедиционных условиях, в них отсутствует ртуть – как известно, ядовитоевещество,требующееособыхправил обращенияихранения.Однако деформационные барометры-анероиды обладают серьезными погрешностями. Перечислим их и дадим рекомендации по их устранению.

1. Температурная погрешность. Как известно, упругость металла сильно зависит от температуры. Следовательно, например, при увеличении температуры упругость стенок сильфона уменьшается, он сильнее деформируется, соответственно, показывает завышенное давление. При

136

Рис. 4.4. Барометр-анероид

уменьшении температуры – наоборот, заниженное. Для ликвидации температурной погрешности применяют два способа.

Первый способ заключается в том, что сильфон вместе со стрелкой помещают на биметаллическую пластинку, которая перемещается при изменении температуры (раздел 1.9). Схема соответствующей установки представлена на рис. 4.5. При изменениитемпературысильфон деформируется, стрелка перемещается, но в то же время пластинка перемещает всю конструкцию вместе со стрелкой в противоположном направлении. Если активнаячасть пластинки отрегулирована так, чтосуммарноеперемещениеравнонулю,топроисходит полнаякомпенсацияи температурная погрешность исчезает.

Второй способ ликвидации температурной погрешности – газовая компенсация. Она заключаетсяв том, чтовнутри сильфона остаетсянекоторое количество газа. Тогда можно говорить о том, что давление газа внутри сильфона также является функцией температуры. Как известно, при повышении температуры давление газа внутри замкнутого объёма возрастает. Можнотакотрегулировать количествои состав газа внутрисиль-

Рис. 4.5. Биметаллическийкомпенсатор.

(1)– сильфон, (2)–биметаллическая пластинка, (3)– винт, перемещением которого можно регулировать активную часть пластинки l

137

фона, что увеличение внутреннего давления компенсирует потерю упругости стенками сильфона. Тогда, следовательно, температурная погрешность исчезнет.

Упругий гистерезис сильфона. Эта погрешность связана с тем, что стенки сильфона имеют остаточнуюдеформацию. Из-за этогоони сохраняют «память» о предыдущем состоянии. Иначеговоря, показания барометраприповышении давлениянесовпадают споказаниями при понижении давления.Этопоказанона рис.4.6. При повышениидавленияпоказания барометра оказываются заниженными, а при понижении – завышенными(графикнарис.4.6сильноутрирован). Дляликвидациипогрешности, связанной с упругим гистерезисом, следует уничтожить остаточную деформацию. Этов значительной степени удается сделать, если встряхнуть сильфон легким постукиванием побарометру,чтои рекомендуетсяделать перед снятием показаний.

Pизм.

P

Рис. 4.6. Гистерезиссильфона. Pизм. –показаниясильфона, Р– атмосферное давление

Однако такой приём не может быть использован в автоматических системах. Поэтому для ликвидации остаточной деформации рекомендуется метод силовой компенсации. Это означает, что сильфон удерживается неподвижным (и, следовательно, упругий гистерезис исчезает!), а измеряется сила, препятствующая сжатию сильфона.

Силокомпенсационный метод может быть реализован, по крайней мере, двумя способами. Первый способ заключается в том, что сильфон соединяется с коротким плечом (1) рычага (рис. 4.7). На длинном плече рычага помещается подвижный груз (2). При изменении атмосферного давления сильфон деформируется, равновесие рычага нарушается и для его восстановления груз (2) перемещается по рычагу в ту или иную сторону. Этот процесс можно автоматизировать (глава 8, раздел 8.1, датчик

138

висит от атмосферного давления. Частоту измеряют электронным частотомером.

Упругий гистерезис в данном случае исчезает, так как сильфоны остаются неподвижными – их удерживает нерастяжимая струна.

4.3.Барометр БРС

В80-х гг. ХХ в. был изобретен барометр БРС-1 (барометр рабочий сетевой) (рис. 4.9, а). Предполагалось, что этот барометр полностью вытеснит ртутные барометры, применяемые на метеорологической сети.

Вдействительности, этого не произошло, по причинам, скорее экономического характера. Тем неменее, эти барометры применяютсяи имеют весьма привлекательные особенности.

1

Рис. 4.9. Барометр рабочийсетевой а)внешнийвид; б)датчикбарометра БРС в разрезе

Рассмотрим устройстводатчика барометра БРС (рис. 4.9, б). Датчик представляет собой электрический конденсатор, т. е. две металлические пластины, изолированныедруг от друга кольцом издиэлектрика (1). Пластины выполнены из сталистой бронзы, т. е. по сути дела, этот датчик представляет собой тужебарометрическую коробку. При изменении давленияпластины сжимаютсяили, наоборот,раздвигаются, таким образом, ёмкость конденсатора изменяется. Следовательно, она зависит от атмосферного давления. Измерить ёмкость конденсатора можно с помощью электронной схемы. В барометре БРС-1 имеется цифровая индикация атмосферного давления.

Преимуществом барометра БРС является отсутствие ядовитого вещества – ртути, а также преобразование атмосферного давления в электрический сигнал. Это даёт возможность автоматизировать измерения, записывать данные, например, в память компьютера и использовать прибор в более сложных измерительных комплексах.

140