Przyrządy do pomiaru ciśnienia atmosferycznego - barometry

W pomiarach ciśnienia atmosferycznego używane są przyrządy działające na różnych zasadach. Są to barometry cieczowe, deformacyjne i hipsometry.

W barometrach cieczowych ciśnienie atmosferyczne jest równoważone ciśnieniem hydrostatycznym słupa rtęci, który może być ważony za pomocą specjalnej wagi lub też jest mierzona jego wysokość. W pomiarach meteorologicznych najczęściej mierzy się wysokość słupa rtęci. Rtęć jest cieczą używaną w barometrach ze względu na jej dużą gęstość (ponad 13-krotnie większą niż gęstość wody), dzięki czemu ciśnienie atmosferyczne jest równoważone słupem rtęci stosunkowo niskim.

Barometry cieczowe można podzielić na naczyniowe i lewarowe. Do barometrów naczyniowych należy powszechnie stosowany baro­metr stacyjny.

Barometr naczyniowy stacyjny

1. Dokładna charakterystyka.

W polskiej sieci stacji meteorologicznych są używane są rtęciowe barometry naczyniowe, zwane w skrócie "barometrami stacyjnymi". Barometr umieszcza się w pokoju obserwatora. Głównym elementem tego przyrządu jest szklana rurka, długości ok. 900 mm i średnicy 10 mm, wypełniona rtęcią. Górny koniec rurki jest zamknięty, a dolny zanurzony w metalowym zbiorniczku wypełnionym rtęcią. W rurce ponad rtęcią jest próżnia. Z boku słupka rtęci znajdującego się w rurce jest skala barometru w hektopaskalach lub milimetrach. Gdy ciśnienie powietrza wzrasta, słupek rtęci się wydłuża. Część rtęci z naczynia przechodzi do rurki. Gdy ciśnienie atmosferyczne się zmniejsza, rtęć przemieszcza się w odwrotnym kierunku.

2. Pełna nazwa przyrządu.

Barometr naczyniowy stacyjny.

3. Dokładna budowa przyrządu.

Barometr naczyniowy stacyjny składa się z metalowego naczynka, w którym jest zanurzona szklana rurka (długości około 90 cm), zatopiona u góry. Rurka i naczynie są wypełnione rtęcią. W pokrywie naczynka jest otwór za­kręcany śrubą. Jej częściowe odkręcenie powoduje dopływ powietrza do rtęci, co umożliwia pomiar ciśnienia. W rurce ponad rtęcią jest próżnia, zwana próżnią Torricellego. Pod wpływem ciśnienia powietrza działającego na powierzchnie rtęci w naczyniu, rtęć w rurce osiąga pewną wysokość, którą można obliczyć z zależności:

gdzie:

h - wysokość słupka rtęci,

p_a - ciśnienie atmosferyczne,

g - przyśpieszenie ziemskie,

ρ - gęstość rtęci.

Ciśnienie hydrostatyczne słupka rtęci równoważy ciśnienie wywierane przez powietrze, dlatego wysokość h może być trakto­wana jako miara ciśnienia atmosferycznego.

Rurka jest umieszczona w metalowej obudowie, a całość przymocowana do deski, którą zawiesza się na ścianie. W metalowej obudowie rurki znajdu­ją się dwa podłużne otwory. Przez otwór zewnętrzny obserwuje się poziom rtęci, a za otworem od strony deski jest założone oświetlenie. Na przednim wycięciu znajduje się skala (w hPa i mm Hg) z noniuszem, umożliwiająca pomiar z dokładnością 0,1 hPa (0,1 mm Hg). W dolnej części obudowy jest zamontowany termometr, którego zbiorniczek jest we wnętrzu obudowy. Termometr wskazuje temperaturę barometru.

4. Zasada działania.

Podczas wzrostu ciśnienia część rtęci ze zbiorniczka przemieszcza się do rurki, wydłużając w ten sposób słup rtęci, podczas spadku ciśnienia zaś słup rtęci opada, a poziom rtęci w naczynku podnosi się. Pomiar wysokości słupa rtęci odbywa się więc nie od stałego jego poziomu w naczyniu, lecz podlegającego wahaniom. Wpływ tych wahań jest wyeliminowany przez zastosowanie tzw. skali zredukowanej, tzn. z jednostkami o odpowiednio mniejszych wymiarach liniowych niż w przypadku stałego poziomu rtęci. Stopień redukcji skali wynika z proporcji promienia rurki barometru i na­czynie z rtęcią. Zredukowana jednostka w podziałce milimetrowej wynosi 0,98 mm, w hektopaskalach 0,735 mm.

5. Kontrola i przygotowanie do pracy.

Barometr stacyjny umieszcza się w pokoju obserwatora, z dala od źró­deł ciepła, światła i wstrząsów, na takiej wysokości, aby poziom rtęci był na poziomie oczu obserwatora.

W celu przygotowania barometru do pracy należy:

- wyjąć barometr ze skrzynki,

- zawiesić barometr na uchwycie,

- zluzować nakrętkę uchwytu górnego oraz wkręty obejmy, a następnie sprawdzić czy zbiornik barometru nie dotyka żadnego z tych wkrętów,

- odkręcić nieco wkręt odpowietrzenia zbiornika rtęci.

6. Metodologia pomiaru i miejsce pomiaru.

Podczas pomiaru noniusz powinien być ustawiony tak, aby jego dolny brzeg optycznie stykał się z górnym brzegiem menisku wypukłego rtęci. Podczas każdego pomiaru należy też zanotować temperaturę wskazaną przez termometr na barometrze.

Barometry naczyniowe, szczególnie stacyjne, muszą być w czasie pomiarów umieszczone w odpowiednim pomieszczeniu, zapewniają­cym jednakową i w miarę stałą temperaturę, dobre oświetlenie, sztywne pionowe zawieszenie. Barometry są przyrządami dostosowanymi do wyznaczania ciśnienia powietrza znajdującego się w stanie spoczynku. Dlatego w ich otoczeniu nie mogą występować przeciągi. Ponieważ barometry nie będą wskazywać rzeczywistego ciśnienia statycznego, gdy podda się je na działanie porywistego wiatru, dlatego nie są one umieszczane bezpośrednio w ogródku meteorologicznym, ale w budyn­ku znajdującym się w jego pobliżu.

7. Opracowania klimatologiczne.

Na wskazania barometru wpływa nie tylko rzeczywiście występujące ciśnienie atmosferyczne. Długość słupa rtęci zależy bowiem w pewnym stopniu także od innych czynników: ilości rtęci i dokładno­ści budowy barometru, siły ciężkości i temperatury barometru (rtęci i obudowy) w czasie pomiaru. Oddzia­ływanie tych czynników powoduje, że każdy indywidu­alny pomiar ciśnienia nie jest bezpośrednio porówny­walny z innym takim pomiarem. W celu uczynienia wszystkich pomiarów porównywalnymi, wprowadza­ do nich poprawki.

- Poprawka instrumentalna (C_instr) - ustalana indywidualnie dla każdego barometru, eliminująca błędy wynikające z niedokładności konstrukcji. Wielkość tej poprawki jest stała dla danego barometru.

- Poprawka na ciężkość normalną, składająca się z sumy dwóch poprawek: na szerokość geograficzną (C_φ) i wysokość n.p.m. (C_h­). Siła ciężkości wzrasta od równika ku biegu­nom, a za normalną przyjmuje się występującą na szerokości geograficz­nej 45°. Zatem dla punktów położonych powyżej 45° C_φ jest dodatnia, po­niżej 45° ujemna. Jednocześnie siła ciężkości maleje wraz z wysokością. Pomiar ciśnienia sprowadza się do ciężkości na poziomie morza, a więc po­prawka ta jest praktycznie zawsze ujemna. Stosuje się ją bowiem przy po­miarach ciśnienia na poziomach powyżej 400 m nad lub pod poziomem morza.

W danym miejscu pomiaru C_φ i C_h są stałe. Wraz z C_instr (tzn. C_instr. + C_φ + C_h ) stanowią one tzw. poprawkę stałą, tzn. o stałej wartości dla da­nego barometru znajdującego się w danym miejscu.

- Poprawka na temperaturę (C_t) ma na celu wyeliminowanie różnic wskazań barometru wywołanych różną temperaturą, w jakiej odbywa się pomiar. Części stałe barometru, a zwłaszcza rtęć, powiększają swoją objętość przy wzroście temperatury, co wywiera istotny wpływ na wskazania przyrządu. Pomiar ciśnienia sprowadzany jest do temperatury 0°C, zatem w temperaturze ujemnej C_t jest dodatnia, w dodatniej ujemna. Ponadto za­leży ona od wielkości ciśnienia atmosferycznego, nieznacznie zwiększają swą wartość z jego wzrostem.

Poprawki na temperaturę są zestawione w tabelach, załączonych w in­strukcji dla stacji meteorologicznych. Po każdym pomiarze ciśnienia, biorąc pod uwagę temperaturę na barometrze oraz wielkość odczytanego ciśnie­nia z uwzględnieniem poprawki stałej, wyszukujemy w tabelach wartość poprawki na temperaturę. Dopiero po dodaniu (z jej znakiem) tej ostatniej uzyskujemy porównywalną wartość zmierzonego ciśnienia.

Inne rodzaje barometrów:

Barometry lewarowe w przeciwieństwie do naczyniowych nie mają zbiornika z rtęcią. Rurka barometryczna w tym przyrządzie ma kształt litery U, o ramionach różnej długości. Dłuższe z ramion, około 90-centymetrowe, ma zatopioną końcówkę, natomiast końcówka krótszego, długości około 20 cm, jest otwarta. Miarą ciśnienia atmosferycznego jest różnica poziomów rtęci w obu ramionach. Pomiar ciś­nienia atmosferycznego polega na odczycie za pomocą noniusza i podziałki wysokości tych poziomów. Przykładowe dane meteorologiczne barometru lewarowego są nastę­pujące:

• zakres pomiarowy od 900 do 1080 hPa, .

• dokładność pomiaru: +/- 0,3 hPa,

• dokładność odczytu: 0, l hPa,

• zakres temperatur: od -15 do 50 °C.

Barometry deformacyjne działają na zasadzie równoważeniu ciśnienia atmosferycznego przez siły sprężystości materiałów, z których jest wykonany przyrząd. Barometry deformacyjne to przede wszystkim aneroidy. Podstawową ich częścią jest płaska puszka wykonana ze sprężystej blachy (odpo­wiedniego stopu metali), pra­ktycznie pozbawiona powie­trza (ciśnienie poniżej l hPa), o koncentrycznie pofalowa­nych powierzchniach (puszka Vidiego). Gdy ciś­nienie maleje, puszka się roz­pręża, gdy zaś ciśnienie wzra­sta, puszka ulega spłaszcze­niu. Największym odkształ­ceniom podlega środek po­wierzchni puszki. Odkształcenia te są przekazywane po­przez sprężynę i układ dźwig­ni do strzałki wskazującej war­tość ciśnienia na skali. Ponieważ wartość ci­śnienia należy sprowadzić do temperatury 0°C, nowe typy aneroidów są zaopatrzone w specjalne mechanizmy kompensujące zmiany temperatury, co uwalnia od konieczności wprowadzenia poprawek na temperaturę. Aneroidy są przyrządami mniej dokładnymi niż barometry rtęciowe, ale ze względu na mniejsze rozmiary i ciężar oraz większą odporność na wstrząsy są szczególnie przydatne w pomiarach terenowych i na morzu.

Nowszym i znacznie dokładniejszym typem barometru deformacyj­nego jest barometr z cylindrem rezonatorowym. Częścią reagującą na zmiany ciśnienia jest cienkościenny cylinder ze specjalnego stopu, osadzo­ny w grubościennej, sztywnej osłonie, otwarty z jednego końca. Pomiędzy ściankami cylindra i osłony jest próżnia, a powietrze dostaje się do cylindra z otwartej strony. Odkształcenia ścianek cylindra pod wpływem zmian ci­śnienia przekształcane są przez przetworniki piezoelektryczne w drgania. Te są przekazywane do mikroprocesora, gdzie są przeliczane na jednostki ciśnienia.

Hipsometry służą do pomiaru ciśnienia atmosferycznego na podstawie temperatury wrzenia wody. Im niższe ciśnienie, tym niższa jest także temperatura wrzenia. Hipsometr składa się z naczynia podgrzewanego elektrycznie, wypełnionego czystą wodą. Temperaturę wody mierzy się termometrem o dużej czułości (z podziałką o dokładności 0,02°C). Zmiana ci­śnienia o 1 hPa powoduje zmianę temperatury wrzenia wody o 0,03°C. Hipsometry szczególnie dobrze się nadają do pomiarów ciśnienia przy ma­łych jego wartościach, a więc na dużych wysokościach. Dlatego też metoda hipsometryczna znalazła zastosowanie w sondażu aerologicznym. Używa się wówczas innych cieczy, których temperatura wrzenia jest niższa od temperatury otoczenia, co eliminuje konieczność ich podgrzewania.

Barograf

1. Dokładna charakterystyka.

Barografy stosowane w stacjach meteorologicznych są to urządzenia mające na celu rejestrowanie zmian ciśnienia w czasie. Barograf umieszczany jest w stacji meteorologicznej w pokoju obserwatora gdzie rejestruje on zmiany ciśnienia. Działanie tego urządzenia polega na własnościach odkształcania się metali oraz działaniu ciśnienia atmosferycznego i próżni. Pomiar ciśnienia zapisywany jest na bębnie obwiniętym barogramem obracającym się na którym nanoszone są zmiany ciśnienia za pomocą pisaka.

2. Pełna nazwa przyrządu.

Barograf meteorologiczny

3. Dokładna budowa przyrządu.

Barograf jest przyrządem mierzącym i rejestrującym przebieg ciśnienia atmosferycznego. Elementem reagującym na zmiany ciśnienia atmosferycznego w tym przyrządzie jest kilka (zazwyczaj 4-6) puszek Vidiego połączonych szeregowo (bateria), tak, aby uzyskać odpowiednio dużą amplitudę deformacji i odpowiednio dużą siłę, pozwalającą na pokonanie oporów tarcia pisaka o papier. Deformacje elementu pomiarowego przenoszone są poprzez system dzwigni (przekładnię) na wskazówkę zakończoną pisakiem. Pisak przylega do bębna napędzanego mechanizmem zegarowym, który porusza się (obraca) ruchem jednostajnym. Na bęben nałożony jest pasek papieru na którym nadrukowane są skale czasowa (w postaci fragmentów łuków; co 2 godziny, grubsze linie co 6 godzin) i ciśnienia (linie poziome; co 2 hPa cieńsze i co 10 hPa - grubsze). Pisak kreśli na tym pasku przebieg ciśnienia; taki pasek nazywa się barogramem (mian. liczba pojedyncza - barogram; patrz rys. 5). W zależności od czasu pełnego obrotu bębna barografy dzieli się na barografy dobowe (pełny obrót bębna w ciągu 24 godzin) i tygodniowe (pełny obrót bębna w ciągu 168 godzin). Na statkach korzysta się zazwyczaj z barografów tygodniowych.

4. Zasada działania.

Podczas zmian ciśnienia atmosferycznego szeregowo połączone (zazwyczaj 4-6) puszek Vidiego w środku których znajduje się próżnia odkształca się i przenosi te odkształcenie za pomocą systemu bardziej lub mniej skomplikowanych dźwigni na ramię na końcu którego umieszczony jest pisak. Pisak ten dotyka cienką końcówką barogramu nawiniętego na bęben barografu. Bęben ten obraca się ruchem jednostajnym jednak w zależności od tego jaki czas rejestruje ( dobę tydzień) z różną prędkością. Na barogramie pisak zostawia ślad graficzny który pracownik posterunku stacji meteorologicznej analizuje i odczytuje zmiany ciśnienia atmosferycznego. Bęben barografu może być napędzany elektrycznie za pomocą silniczka krokowego lub sprężynowo. W przypadku drugiego rodzaju należy pamiętać o ścisłej procedurze nakręcania.

5. Kontrola i przygotowanie do pracy.

Barograf umieszcza się w pokoju obserwatora, z dala od źró­deł ciepła, światła i wstrząsów gdyż rozszczelnienie puszek Vidiego spowodowałoby zepsucie urządzenia.

W celu przygotowania barometru do pracy należy:

- nałożyć na bęben barogram,

- ustawić czas pomiaru (doba tydzień),

- nakręcić sprężynę bębna w przypadku napędu sprężynowego,

- sprawdzić stan pisaka.

6. Metodologia pomiaru i miejsce pomiaru.

Podczas pomiaru noniusz powinien być ustawiony tak, aby jego dolny brzeg optycznie stykał się z górnym brzegiem menisku wypukłego rtęci. Podczas każdego pomiaru należy też zanotować temperaturę wskazaną przez termometr na barometrze.

Barografy muszą być w czasie pomiarów umieszczone w odpowiednim pomieszczeniu, zapewniają­cym jednakową i w miarę stałą temperaturę, dobre oświetlenie, podstawę nie przenosząca drgań. Barografy są przyrządami dostosowanymi do wyznaczania ciśnienia powietrza znajdującego się w stanie spoczynku. Dlatego w ich otoczeniu nie mogą występować przeciągi. Ponieważ barografy nie będą wskazywać rzeczywistego ciśnienia statycznego, gdy podda się je na działanie porywistego wiatru, dlatego nie są one umieszczane bezpośrednio w ogródku meteorologicznym, ale w budyn­ku znajdującym się w jego pobliżu.

Aneroid - to czujnik ciśnieniomierza, głównie barometru.

Składa się ze szczelnie zamkniętego naczynia z nieznacznie rozrzedzonym powietrzem oraz wskazówki mechanicznie połączonej ze ścianą tego pojemnika. Przy wahaniach ciśnienia atmosferycznego powierzchnia ścianki wygina się i tym samym porusza wskazówką.Jego zasadniczą częścią jest próżniowa puszka membranowa (tzw. puszka Vidiego), której odkształcenia - spowodowane zmiennością ciśnienia atmosf. - są przenoszone na wskazówkę; wykorzystywany w barometrach, barografach i wysokościomierzach lotniczych, np. statoskopie.

Vidiego puszka, puszka membranowa, metal. puszka o pofałdowanym elastycznym wieczku, z której usunięto powietrze;

wieczko odkształca się sprężyście pod wpływem zmian ciśnień zewn.; stosowana jako aneroid.

---