Исследование, проведенное ученым, показало, что изменения в высоте ртутного столба напрямую связаны с колебаниями атмосферного давления, что возможностью эффективно использовать этот инструмент для предсказания изменений в погодных условиях. Это открытие стало первым количественным измерением атмосферного давления и положило начало изучению метеорологии как научной дисциплины.
Что такое барометр, как им пользоваться и кто его изобрел: интересные факты
Барометр — это специализированный прибор, предназначенный для измерения атмосферного давления. Ртутный барометр, который стал известен благодаря своим точным показаниям, был изобретен выдающимся математиком и физиком Эванджелистой Торричелли в 1644 году. Первоначальная конструкция устройства включала в себя тарелку, заполненную ртутью, а также стеклянную трубку, которая была пробиркой. Несмотря на свою простоту, конструкция демонстрировала высокую чувствительность: при увеличении атмосферного давления ртуть поднималась вверх, а при уменьшении — опускалась. В дальнейшем(barометр претерпел изменения, и была создана более современная версия прибора) образец, известный как анероид, который отличается отсутствием жидкости, в нем используется чувствительная внутренняя коробочка с разреженным воздухом.
Исследования для изобретения барометра
В XVII веке итальянский ученый активно проводил эксперименты для создания барометра. В настоящее время прибор был значительно модернизирован и продолжает находить свое применение в метеорологии для составления краткосрочных прогнозов погоды. Измерение атмосферного давления воздуха позволяет с высокой вероятностью предсказать изменчивость погодных условий. Влияние атмосферного давления на климатические изменения подвергалось изучению, что стало основой для разработки ртутного барометра Торричелли, который был основополагающим во многих экспериментах по определению воздействия этого явления на Землю и ее атмосферу.
Для проведения эксперимента использовалась полая стеклянная трубка
В трубке находилось одно отверстие. Она была заполнена ртутью, а потом закрыта с одного конца. Затем трубка была перевернута и помещена в чашку с ртутью, после чего верхнее отверстие было открыто. В результате, ртуть вылилась лишь частично, а оставшийся столбик ртути зафиксировался на уровне 760 мм. В месте, где находилась оставшаяся жидкость, был создан вакуум. Это исследование привело к созданию первой версии барометра. В дальнейшем ученые продолжили разработку, создавая более современные варианты устройства. Принцип работы барометра заключается в том, что атмосферное давление воздействует на поверхность жидкости в колбе, вызывая её движение вверх или вниз.
Старинный чертеж барометра дозволяет понять конструкции ранних моделей.
Устройство барометра-анероида
Основной элемент барометра-анероида — это коробка, имеющая гофрированную (изогнутую) металлическую поверхность (См. рисунок 3). Внутрь коробки откачивается воздух при производстве устройства. Для предотвращения разрушения коробки под воздействием атмосферного давления, ее форм-фактор удерживается с помощью упругой металлической пластины, одна сторона которой крепится к основанию, а другой с помощью механизма соединяется со стрелкой, указывающей показания.
Рис. 3. Устройство барометра-анероида
Изменение атмосферного давления вызывает изменения в силе, сжатия металлической коробки. Мягкие колебания давления реагируют на малейшие изменения, благодаря чему через упругую пластину и механизм даже тщательное изменение толщины коробки приводит к заметному перемещению конца стрелки на шкале.
Зависимость атмосферного давления от высоты
Барометр-анероид отличается высокой чувствительностью, его показания варьируются в зависимости от высоты над уровнем моря. Измерения подчеркивают, что на высоте до 1 километра каждое повышение уровня на 12 метров приводит к снижению атмосферного давления на 1 мм рт. ст. Таким образом, чем выше мы поднимаемся над уровнем моря, тем меньше атмосферное давление. Это означает, что при подъеме на лифте с первого на последний этаж многоэтажного здания барометр-анероид сможет отобразить уменьшение атмосферного давления.
Путем измерения атмосферного давления возможно определить высоту, на которой находится прибор (см. рисунок 4). Устройства, функционирующие по такому принципу, известны как альтиметры и находят обширное применение в авиации.
Рис. 4. Определение высоты по атмосферному давлению
В ясные дни на уровне моря стандартное атмосферное давление составляет 760 мм рт. ст. или 760∙133,3 Па, что соответствует 101,3 кПа. Это давление называется нормальным атмосферным давлением.
Барометр-анероид
Ртутный барометр выделяется своей простотой и высокой точностью, но использование ртути, являющейся токсичным веществом, с возможностью выделения паров, создает определенные риски.
В этом контексте был разработан барометр, в котором отсутствует ртуть (это анероид — безжидкостный вариант). Ключевой компонент устройства барометра-анероида — это запаянная металлическая коробка с гофрированной структурой, из которой удалён воздух. Подходящее атмосферное давление вызывает сжатие этой коробочки; чем выше давление, тем сильнее будет сжатие. Когда давление уменьшается, стенки коробочки распрямляются обратно. Таким образом, величина коробочки всегда соответствует уровню внешнего давления.
К коробочке прикреплена тяга, которая через рычажный механизм взаимодействует со стрелкой на шкале, калиброванной в удобных единицах — как в миллиметрах ртутного столба, так и в стандартных единицах измерения паскалях.
В большинстве барометров-анероидов имеется специальный винт настройки в рычажном механизме, который позволяет регулировать положение стрелки. Изменение размера коробочки происходит в небольших пределах, и соблюсти необходимые точные параметры в процессе массового производства затруднительно. Поэтому коробочка создается с определенным допуском, а точная настройка значений атмосферного давления выполняется с помощью этого винта согласно показаниям эталонного барометра.
Сами показания атмосферного давления в числовом эквиваленте не столь информативны. Более важным является динамика изменений этих показаний. Всех нас учили, что понижение давления предвещает ухудшение погоды, в то время как его повышение может говорить о наступлении улучшения условий. Поэтому многие барометры-анероиды дополнительно располагают второй контрольной стрелкой, которая выставляется вручную. Она позволяет зафиксировать текущее значение, после чего можно видеть, как оно изменяется — увеличивается или уменьшается. Кроме того, в конструкцию барометра часто добавляют дополнительные устройства, например, термометры и гигрометры.
Атмосферное давление
Атмосферное давление измеряется в миллиметрах ртутного столба, а также в Паскалях и гектоПаскалях. Общепринято считать нормальным значение давления, равное 760 мм рт. ст. (или 1013,25 гПа). Как правило, атмосферное давление изменяется в зависимости от метеорологических условий. Обычно наблюдается падение давления перед ухудшением погодных условий и рост при улучшении. Наблюдение за изменениями давления позволяет определить движение циклонов и направление ветров. 
Долгосрочные изменения давления могут не оказывать заметного влияния на здоровье человека, который на протяжении длительного времени находится в одной и той же местности. Однако резкие колебания давления могут привести к головным болям, снижению работоспособности и общему недомоганию даже у совершенно здоровых людей. Кроме того, изменения атмосферного давления могут существенно влиять на технологические процессы в различных отраслях. Например, в нефтепереработке, где контроль давления является важным параметром, а в хлебобулочном производстве — где показатели давления влияют на влажность теста и полуфабрикатов; в авиационной сфере этот параметр также критичен, так как он непосредственно оказывает влияние на условия эксплуатации и безопасность полетов.
- Ртутный сифонный барометр — это У-образная трубка, наполненная ртутью, с одним открытым и другим запаянным концом.
- Ртутный чашечный барометр — состоит из вертикальной трубки, наполненной ртутью, верхний конец которой плотно запаян, в то время как нижний находится в специализированной чашечке с ртутью.
- Барометр-анероид — это прибор, использующий безвоздушную металлическую коробку с гофрированными стенками.
- Барограф — самописящий инструмент, применяемый для наблюдения за динамикой барометрического давления на протяжении определенных промежутков времени.
- Электронный барометр — это цифровой прибор, функционирующий на основе принципов анероида или измеряющий давление воздуха на чувствительный кристалл.
Ртутные барометры показывают более высокую степень точности и надежности по сравнению с анероидами и нередко используются для калибровки других моделей барометров. Их альтернативные значения давления могут быть основаны на высоте столба ртути. Чашечные барометры образуют основу для оборудования метеорологических станций.
Измерение атмосферного давления с помощью термогигрометра
Измерение атмосферного давления может выполняться не только различными типами барометров, но и универсальными устройствами, такими как термогигрометры. Хотя эти приборы предназначены главным образом для оценки относительной влажности и температуры, они также способны точно измерять атмосферное давление, демонстрируя высокую степень точности. Поэтому такие многофункциональные приборы становятся более выгодными по сравнению с традиционными барометрами и психрометрами, которые устаревают.
Компания АО ЭКСИС предлагает вашему вниманию впечатляющий ассортимент электронных приборов для измерения давления, а также других устройств контрольно-измерительного назначения, обладающих высоким качеством и доступными ценами.
Среди доступных моделей термогигрометров в нашем ассортименте можно отметить:
- Термогигрометр ИВТМ-7 М 2-Д-В. Этот прибор, помимо измерения и регистрации температуры, а также относительной влажности воздуха и неагрессивных газов, точно определяет атмосферное давление в миллиметрах ртутного столба и гПа, может регистрировать данные в энергонезависимой памяти, пересчитывая результаты измерений в различные единицы (влажность в процентах, г/м3) и осуществляя одновременную индикацию всех значений. Прибор соответствует высокому уровню защиты от пыли и влаги (IP65), что позволяет использовать его в помещениях с повышенной влажностью.
- Термогигрометр ИВТМ-7 К-1. Данный прибор измеряет атмосферное давление в кПа, способен пересчитывать различные единицы влажности, обеспечивать одновременную индикацию измеряемых значений и регистрировать данные на microSD; также возможно подключение различных типов первичных преобразователей.
- Термогигрометр ИВТМ-7 Р-03-И-Д. Оснащен жидкокристаллическим экраном для визуального отображения значений относительной влажности, температуры и давления. Прибор малых размеров и имеет эргономичный корпус.
- Термогигрометр ИВТМ-7 М 6-Д (в эргономичном корпусе). Прибор осуществляет измерение атмосферного давления в кПа, регистрирует данные на энергонезависимой карте памяти, конвертирует результаты в разные единицы, осуществляет одновременную индикацию параметров. Модель отличается удобным корпусом и большим дисплеем.
- Термогигрометр ИВТМ-7 М 3-Д-В. Кроме измерения температуры и относительной влажности воздуха и других неагрессивных газов, этот прибор также фиксирует атмосферное давление в миллиметрах ртутного столба и гПа, способен регистрировать данные в энергонезависимой памяти, пересчитывать значения в различные единицы (влажность в процентах, г/м3) и осуществлять одновременную индикацию. Модель ИВТМ-7 М 3-Д-В предназначена для формирования сети измерения. Его корпус и сенсоры имеют уровень влагозащиты IP65, что позволяет использовать его в помещениях с высокой влажностью.
- Термогигрометр ИВТМ-7 М 6-Д. Прибор выделяется способностью измерять атмосферное давление в кПа, зарегистрированным на энергонезависимой памяти (microSD), а также пересчитывать значения в различные единицы измерения и одновременно индицировать фиксируемые данные.
Все устройства термогигрометров оснастили интерфейсами связи с компьютером через USB и RS-232, они могут крепиться к стене, что увеличивает их удобство в использовании.
Применение
Барометры находят свое применение во множестве сфер, благодаря своей способности точно измерять атмосферное давление. Вот более подробное описание их различных областей использования:
- Метеорология: Барометры имеют решающее значение в вопросах прогнозирования погоды. Изменения в атмосферном давлении могут сигнализировать о приближении метеорологических фронтов и штормовых условий. Повышение давления, как правило, сопоставлят с ясной погодой, тогда как снижение давления часто предвещает ухудшение погодных условий.
- Авиация: Пилоты используют барометрические высотомеры для точного определения высоты полета. Эти устройства откалиброваны на уровне моря и обеспечивают пилотов важными данными, позволяя поддерживать безопасные расчеты высоты относительно земли и других объектов.
- Подводная деятельность: Барометры необходимы в гражданских и военных подводных операциях для расчета декомпрессии. Это помогает дайверам соблюдать безопасные интервалы при всплытии и избегать декомпрессионной болезни.
- Научные исследования: Специалисты применяют барометры для исследования атмосферного давления в разных условиях и на различных высотах. Это существенно влияет на понимание климатических изменений и атмосферных процессов.
- Промышленность: В ряде промышленных процессов, таких как переработка нефти, барометры используются для контроля давления в резервуарах и технологических системах.
- Повседневная жизнь: Частные лица используют барометры в домашних условиях или в устройствах, таких как смартфоны или домашние погодные станции, для мониторинга погодных условий и планирования повседневных дел.
Это только некоторые из множества способов, которыми барометры могут использоваться. Их точность и надежность делают их незаменимым инструментом в самых различных сферах современной жизни.
Инновации и разработки
Инновационные разработки в области барометров нацелены на улучшение точности, удобства использования и интеграции с другими технологическими решениями. Вот некоторые из последних новшеств в данной области:
- Цифровые барометры: Новейшие устройства часто оснащаются цифровыми дисплеями, которые предлагают более четкие и легко воспринимаемые показания. Они могут включать функции записи данных и предупреждения о предстоящих изменениях погоды.
- Миниатюризация: Благодаря достижениям в микроэлектронике, размеры барометров становятся все меньше, что позволяет интегрировать их в мобильные устройства, такие как смартфоны и умные часы, так что пользователи могут отслеживать атмосферное давление в любом месте.
- Умные дома: Современные интерфейсы позволяют интегрировать приборы в системы умного дома для автоматического регулирования внутренних климатических условий, в зависимости от внешней погоды.
- Беспроводная связь: Новые модели барометров могут передавать данные по беспроводным каналам, что упрощает их интеграцию в сети датчиков и позволяет собирать данные с различных точек без необходимости физического подключения.
- Сенсорные технологии: Прогресс в разработках сенсорных технологий позволяет создавать приборы, имеющие высокую точность и надежность в измерениях даже в экстремальных условиях.
- Экологически безопасные барометры: Новые технологии и материалы помогают создавать приборы, свободные от содержания ртути и других вредных элементов, что делает их более безопасными для природы.
- Интеграция с другими датчиками: Существует тенденция комбинировать барометры с другими датчиками, такими как термометры, гигрометры и анемометры, что приводит к созданию комплексных метеостанций, способных обеспечить полное представление о погоде.
Эти текущие инновации делают барометры более надежными и удобными в использовании, расширяя их сферу применения в самых разнообразных аспектах нашей жизни.
