Приборы для измерения давления. Барометр-анероид. Манометр

1. Почему мы так говорим?

О длине или массе при­ня­то го­во­рить, что они боль­шие или ма­лень­кие, уве­ли­чи­ва­ют­ся или умень­ша­ют­ся. А об ат­мо­сфер­ном дав­ле­нии го­во­рят, что оно вы­со­кое или низ­кое, по­вы­ша­ет­ся или по­ни­жа­ет­ся. Эта тра­ди­ция уста­но­ви­лась еще со вре­мен Эван­дже­ли­ста Тор­ри­чел­ли в 17 веке. Тогда ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние из­ме­ря­ли с по­мо­щью жид­кост­но­го ба­ро­мет­ра, где ос­нов­ную роль играл столб ртути, ко­то­рый, со­от­вет­ствен­но, по­вы­шал­ся или по­ни­жал­ся (см. рис. 1).

Рис. 1. Ртут­ный ба­ро­метр

Се­год­ня ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние при­ня­то из­ме­рять с по­мо­щью ба­ро­мет­ров-ане­ро­и­дов – без­жид­кост­ных ба­ро­мет­ров (см. рис. 2).

Рис. 2. Ба­ро­метр-ане­ро­ид

2. Устройство барометра-анероида

Ос­но­ву ба­ро­мет­ра-ане­ро­и­да со­став­ля­ет гоф­ри­ро­ван­ная (вол­ни­стая) ме­тал­ли­че­ская ко­роб­ка А (см. рис. 3). Внут­ри ко­роб­ки воз­ду­ха нет, его от­ка­чи­ва­ют при из­го­тов­ле­нии ба­ро­мет­ра. Чтобы ко­роб­ку не рас­плю­щи­ло ат­мо­сфер­ным дав­ле­ни­ем, ее удер­жи­ва­ет упру­гая ме­тал­ли­че­ская пла­сти­на, один конец ко­то­рой со­еди­нен с ос­но­ва­ни­ем ба­ро­мет­ра. Вто­рой конец упру­гой пла­сти­ны спе­ци­аль­ным ме­ха­низ­мом со­еди­нен со стрел­кой ба­ро­мет­ра В.

Рис. 3. Устрой­ство ба­ро­мет­ра-ане­ро­и­да

Если ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние будет из­ме­нять­ся, со­от­вет­ствен­но, будет из­ме­нять­ся и сила, сдав­ли­ва­ю­щая ме­тал­ли­че­скую ко­роб­ку. Тогда через пла­сти­ну и ме­ха­низм даже неболь­шое из­ме­не­ние тол­щи­ны ко­роб­ки вы­зо­вет за­мет­ное пе­ре­ме­ще­ние конца стрел­ки на фоне шкалы С.

3. Зависимость атмосферного давления от высоты

Ба­ро­метр-ане­ро­ид – очень чув­стви­тель­ный при­бор. Его по­ка­за­ния из­ме­ня­ют­ся в за­ви­си­мо­сти от вы­со­ты над уров­нем моря. Из­ме­ре­ния по­ка­за­ли, что если вы­со­та неболь­шая (до 1 км), то уве­ли­че­ние вы­со­ты на 12 м при­во­дит к умень­ше­нию ат­мо­сфер­но­го дав­ле­ния на 1 мм рт. ст. Чем выше мы будем под­ни­мать­ся над уров­нем моря, тем ниже будет ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние. Даже если с ба­ро­мет­ром в руках под­нять­ся на лифте с пер­во­го этажа на по­след­ний этаж мно­го­этаж­но­го дома, ба­ро­метр-ане­ро­ид за­фик­си­ру­ет умень­ше­ние ат­мо­сфер­но­го дав­ле­ния.

Из­ме­ряя ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние, можно опре­де­лить вы­со­ту, на ко­то­рой на­хо­дит­ся ба­ро­метр (см. рис. 4). При­бо­ры, ра­бо­та­ю­щие на этом прин­ци­пе, на­зы­ва­ют­ся аль­ти­мет­ра­ми. Они ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся в авиа­ции.

Рис. 4. Опре­де­ле­ние вы­со­ты по ат­мо­сфер­но­му дав­ле­нию

В ясную по­го­ду на уровне моря ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние со­став­ля­ет 760 мм рт. ст. или 760∙133,3 Па = 101,3 кПа. Это так на­зы­ва­е­мое нор­маль­ное ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние.

4. Манометры

Часто бы­ва­ет необ­хо­ди­мо знать не ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние, а так на­зы­ва­е­мое от­но­си­тель­ное дав­ле­ние. Это раз­ни­ца между ат­мо­сфер­ным дав­ле­ни­ем и дав­ле­ни­ем в ка­ком-ли­бо со­су­де. Для этого при­ме­ня­ют при­бо­ры, ко­то­рые на­зы­ва­ют­ся ма­но­мет­ра­ми.

Рас­смот­рим устрой­ство жид­кост­но­го ма­но­мет­ра. Его ос­но­ву со­став­ля­ет стек­лян­ная U-об­раз­ная труб­ка, за­пол­нен­ная жид­ко­стью (обыч­но водой). Пра­вое ко­ле­но со­об­ща­ет­ся с ат­мо­сфе­рой. При по­мо­щи шлан­га к ма­но­мет­ру при­со­еди­нен сосуд, ко­то­рый в на­ча­ле опыта тоже со­об­ща­ет­ся с ат­мо­сфе­рой. При этом уров­ни воды в ма­но­мет­ре на­хо­дят­ся у от­мет­ки 0 см. Затем, от­ка­чи­вая на­со­сом воз­дух, мы умень­ша­ем его дав­ле­ние в со­су­де. При этом вода в ма­но­мет­ре сме­ща­ет­ся влево, и по раз­ни­це уров­ней воды в ко­ле­нах ма­но­мет­ра можно су­дить о том, на­сколь­ко дав­ле­ние в левом ко­лене (дав­ле­ние воз­ду­ха в со­су­де) мень­ше, чем ат­мо­сфер­ное. На­при­мер, на рис. 5 раз­ни­ца уров­ней воды в ко­ле­нах со­став­ля­ет 40 см. Можно ска­зать, что дав­ле­ние в со­су­де мень­ше ат­мо­сфер­но­го на 40 сан­ти­мет­ров во­дя­но­го стол­ба (см вод. ст.)

Рис. 5. Жид­кост­ный ма­но­метр

Пе­ре­ве­дем 40 см вод. ст. в пас­ка­ли с по­мо­щью из­вест­ной фор­му­лы для рас­че­та дав­ле­ния на дно и стен­ки со­су­да:

При­ме­не­ние жид­кост­ных ма­но­мет­ров не все­гда удоб­но. Для по­лу­че­ния дав­ле­ния необ­хо­ди­мо пе­ре­во­дить сан­ти­мет­ры вод­но­го стол­ба в пас­ка­ли, жид­кост­ные ма­но­мет­ры не могут ра­бо­тать в усло­ви­ях тряс­ки (на­при­мер, на транс­пор­те). По­это­му на прак­ти­ке ши­ро­кое при­ме­не­ние по­лу­чи­ли так на­зы­ва­е­мые де­фор­ма­ци­он­ные ме­тал­ли­че­ские ма­но­мет­ры, на шкале ко­то­рых сразу по­ка­за­ны зна­че­ния дав­ле­ния в пас­ка­лях (точ­нее, стро­го го­во­ря, пре­вы­ше­ние дав­ле­ния над ат­мо­сфер­ным).

В ос­но­ве ра­бо­ты ме­тал­ли­че­ско­го де­фор­ма­ци­он­но­го ма­но­мет­ра лежит, как сле­ду­ет из на­зва­ния, де­фор­ма­ция ме­тал­ли­че­ской ду­го­об­раз­ной труб­ки. Внут­ри труб­ки со­дер­жит­ся газ, дав­ле­ние ко­то­ро­го необ­хо­ди­мо из­ме­рить. При по­мо­щи двух тяг дви­же­ние труб­ки пе­ре­да­ет­ся стрел­ке (см. рис. 6), ко­то­рая вра­ща­ет­ся на оси. Конец стрел­ки пе­ре­дви­га­ет­ся по шкале. Труб­ка, стрел­ка, шкала по­ме­ще­ны внутрь кор­пу­са, за­кры­то­го стек­лом.

При уве­ли­че­нии дав­ле­ния газа внут­ри труб­ки она немно­го рас­прям­ля­ет­ся, ее концы уда­ля­ют­ся друг от друга, и это дви­же­ние тя­га­ми пе­ре­да­ет­ся стрел­ке, конец ко­то­рой сме­ща­ет­ся впра­во по шкале. При умень­ше­нии дав­ле­ния стрел­ка сме­стит­ся в об­рат­ном на­прав­ле­нии под дей­стви­ем сил упру­го­сти в труб­ке.

Рис. 6. Ме­тал­ли­че­ский ма­но­метр

5. Заключение

В за­клю­че­ние необ­хо­ди­мо еще раз об­ра­тить вни­ма­ние на то, что ат­мо­сфер­ное дав­ле­ние из­ме­ря­ют с по­мо­щью ба­ро­мет­ров-ане­ро­и­дов. А дав­ле­ние, ко­то­рое боль­ше или мень­ше ат­мо­сфер­но­го, из­ме­ря­ют с по­мо­щью ма­но­мет­ров той или иной кон­струк­ции.