Основные термины и единицы измерения
Атмосферное давление – это давление столба воздуха, простирающегося от земли до верхней границы атмосферы на единицу земной поверхности.
Единицы измерения давления:
1 бар = 1 млн.дин/см2; 1/1000 бара = 10 мб
В системе СИ 1Па = 1Н/м2 = 10-5 = 0,01 мб.
Для практических целей используют следующие единицы измерения:
1 гПА = 100 ПА = 1 мб = 0,75 мм.рт.ст.
1 мм.рт.ст. = 1,33 гПА
Давление величиной 1012 гПА соответствующее массе ртутного столба 760 мм при t = 0ºС на широте 45º и на уровне моря, называется нормальным атмосферным давлением.
Ветром называется горизонтальное движение воздуха относительно земной поверхности. Ветер характеризуется скоростью и направлением. Скорость ветра измеряется в м/с, реже в км/ч или баллах. Направление ветра определяется румбом или азимутом той точки горизонта, откуда дует ветер. При измерении ветра используют 8 основных румбов.
Барометр-анероид БААМ (рисунок 6.1) – служит для измерения атмосферного давления в стационарных и экспедиционных условиях.
Воспринимающей частью анероида является металлическая толстостенная коробка, внутри которой воздух сильно разряжен. При увеличении давления коробка сжимается, а при уменьшении растягивается пружиной. Эти изменения с помощью системы рычагов и цепочки передаются стрелке, перемещающейся по круговой шкале анероида, разделенной на 0,5 мм.рт.ст. На циферблате анероида укреплен термометр со шкалой через 1ºС. Весь механизм анероида заключен в пластмассовом корпусе.
Рисунок 6.1 – Барометр-анероид БАММ
Измерение давления производится в месте, где нет резких изменений температуры воздуха. Постучав пальцем по стеклу снимают отсчет по положению конца стрелки относительно шкалы с точностью до десятой доли деления (0,1 мм.рт.ст. или 0,1 гПа). В показания вводят температурную поправку, предварительно измерив температуру по шкале термометра прибора.
Барограф (рисунок 6.2) служит для непрерывной регистрации изменений атмосферного давления.
Барограф размещен в пластмассовом корпусе. К нижней раме корпуса прикреплена металлическая плага, на которой смонтирован весь механизм прибора.
Чувствительным элементом прибора является бароблок, который системой рычагов связан со стрелкой пера. Положение подвижного винта, имеющего шарнир в кронштейне, фокусируется сверху винтом, а снизу упорной пружиной. Отметки на ленте барографа можно сделать нажимая кнопку.
Рисунок 6.2 – Барограф
Установка прибора производится на отдельной полочке метеостанции вдали от отопительных приборов, оконных проемов и мест, куда могут проникать прямые солнечные лучи.
Обработка и установка лент барографа производится так же, как и у термографа. Ленты барографа разграфлены равными промежутками по горизонтали через 2 мб и офицированы через каждые 10 мб. По вертикальной шкале времени деления между соседними дугами составляют 15 минут для суточного и 2 ч для недельного завода часового механизма.
|
Обозначение единицы |
Соотношение с единицей системы СИ – паскалем (Па) и другими |
|
Миллиметр ртутного столба (мм рт. ст.) |
1 мм. рт. ст. = 133,322 Па |
|
Миллиметр водного столба (мм вод. ст.) |
1 мм вод. ст. = 9,807 Па |
|
Атмосфера техническая (ат) |
1 ат = 9,807 10 4 Па |
|
Атмосфера физическая (атм) |
1 атм = 1,033 ат = 1,013 10 4 Па |
|
1 тор = 1 мм рт. ст. |
|
|
Миллибар (мб) |
1 мб = 0,7501 мм рт. ст. = 100 Па |
Таблица 24
|
мм рт. ст. |
мм вод. ст. |
||||
|
Паскаль, Па | |||||
|
Атмосфера нормальная, атм | |||||
|
Миллиметр ртутного столба, мм рт. ст. | |||||
|
Миллибар, мб | |||||
|
Миллиметр водного столба, мм вод. ст. |
Из приведенных в таблицах 23 и 24 единиц измерения наибольшее распространение в России получили мм. рт. ст. имб . Для удобства пересчетов в необходимых случаях можно использовать следующее соотношение:
760 мм рт. ст. = 1013мб = 101300Па (36)
Более простой способ:
Мб = мм. рт. ст.(37)
Мм рт. ст. = мб(38)
В гигиенических исследованиях применяются два типа барометров :
жидкостные барометры ;
металлические барометры – анероидные .
Принцип работы различных модификаций жидкостных барометров основан на том, что атмосферное давление уравновешивает определенной высоты столб жидкости в запаянной с одного конца (верхнего) трубке. Чем меньше удельный вес жидкости, тем выше столб последней, уравновешиваемый давлением атмосферы.
Наибольшее распространение получили ртутные барометры , так как высокий удельный вес жидкой ртути позволяет сделать прибор более компактным, что объясняется уравновешиванием давления атмосферы менее высоким столбом ртути в трубке.
Используются три системы ртутных барометров:
чашечные ;
сифонные ;
сифонно-чашечные .
Указанные системы ртутных барометров схематически представлены на рисунке 35.
|
Станционные чашечные барометры (рисунок 35). В этих барометрах в чашку, заполненную ртутью, помещается запаянная сверху стеклянная трубка. В трубке над ртутью образуется так называемая торичеллиевая пустота. Воздух в зависимости от состояния обусловливает то или иное давление на ртуть, находящуюся в чашке. Таким образом, уровень ртути устанавливается на ту или иную высоту в стеклянной трубке. Именно данная высота будет уравновешивать давление воздуха на ртуть в чашке, а значит отражать атмосферное давление. Высоту уровня ртути, соответствующую атмосферному давлению, определяют по так называемой компенсированной шкале, имеющейся на металлической оправе барометра. Изготавливаются чашечные барометры со шкалами от 810 до 1110 мб и от 680 до 1110 мб. |
|
Рис. 35. Чашечный барометр (слева) А – шкала барометра; Б – винт; В – термометр; Г – чашечка со ртутью Ртутный сифонный барометр (справа) А – верхнее колено; В – нижнее колено; Д – нижняя шкала; Е – верхняя шкала; Н – термометр; а – отверстие в трубке |
В отдельных модификациях имеются две шкалы – в мм рт. ст. и мб. Десятые доли мм рт. ст. или мб отсчитываются по подвижной шкале – нониусу. Для этого необходимо винтом установить нулевое деление шкалы нониуса на одной линии с вершиной мениска ртутного столба, отсчитать число целых делений миллиметров ртутного столба по шкале барометра и число десятых до-лей миллиметра ртутного столба до первой отметки шкалы нониуса, совпадающей с делением основной шкалы.
Пример. Нулевое деление шкалы нониуса находится между 760 и 761 мм рт. ст. основной шкалы. Следовательно, число целых делений равно 760 мм рт. ст. К этой цифре необходимо прибавить число десятых долей миллиметра ртутного столба, отсчитанных по шкале нониуса. Первым с делением основной шкалы совпадает 4-е деление шкалы нониуса. Барометрическое давление равно 760 + 0,4 = 760,4 мм рт. ст.
Как правило, в чашечные барометры встроен термометр (ртутный или спиртовый в зависимости от предполагаемого диапазона температуры воздуха при исследованиях), так как для получения окончательного результата необходимо специальными расчетами привести давление к стандартным условиям температуры (0С) и барометрического давления (760 мм рт. ст.).
В чашечных экспедиционных барометрах перед наблюдением предварительно с помощью специального винта, расположенного в нижней части прибора, устанавливают уровень ртути в чашке на нулевую отметку.
Сифонные и сифонно-чашечные барометры (рисунок 35). В этих барометрах величина атмосферного давления измеряется по разнице высот ртутного столба в длинном (запаянном) и коротком (открытом) коленах трубки. Данный барометр позволяет производить измерение давления с точностью до 0,05мм рт. ст . При помощи винта в нижней части приборов уровень ртути в коротком (открытом) колене трубки приводят к нулевой точке, а затем отсчитывают показания барометра.
Сифонно-чашечный инспекторский барометр. Данный прибор имеет две шкалы: слева в мб и справа в мм рт. ст. Для определения десятых долей мм рт. ст. служит нониус. Найденные значения атмосферного давления, как и при работе с другими жидкостными барометрами, необходимо с помощью вычислений или специальных таблиц привести к 0С.
На метеорологических станциях в показания барометров вводят не только температурную поправку, но и так называемую постоянную поправку: инструментальную и поправку на силу тяжести.
Устанавливать барометры следует в отдалении или изолированно от источников теплового излучения (солнечное излучение, нагревательные приборы), а также в отдалении от дверей и окон.
Металлический барометр-анероид (рисунок 36). Данный прибор особенно удобен при проведении исследований в экспедиционных условиях. Однако этот барометр перед использованием должен быть выверен по более точному ртутному барометру.
|
Рис. 36. Барометр-анероид |
Рис. 37. Барограф |
Принцип устройства и действия барометра-анероида очень прост. Металлическая подушечка (коробка) с гофрированными (для большей эластичности) стенками, из которой удален воздух до остаточного давления 50-60 мм рт. ст., под воздействием давления воздуха изменяет свой объем и в результате деформируется. Деформация передается по системе рычажков стрелке, которая и указывает на циферблате атмосферное давление. На циферблате барометра анероида вмонтирован изогнутой формы термометр в связи с необходимостью, как указывалось выше, приведения результатов измерения к 0С. Градуировка циферблата может быть в мб или в мм рт. ст. В некоторых модификациях барометра-анероида имеются две шкалы – как в мб, так и в мм рт. ст.
Анероид-высотомер (альтиметр). В измерении высоты по уровню атмосферного давления заложена закономерность, согласно которой между давлением воздуха и высотой имеется зависимость, весьма близкая к линейной. То есть при подъеме на высоту пропорционально снижается атмосферное давление.
Данный прибор предназначен для измерения атмосферного давления именно на высоте и имеет две шкалы. На одной из них нанесены величины давления в мм рт. ст. или мб, на другой – высота в метрах. На летательных аппаратах применяют альтиметры с циферблатом, на котором по шкале определяется высота полета.
Барограф (барометр-самописец). Данный прибор предназначен для непрерывной регистрации атмосферного давления. В гигиенической практике применяются металлические (анероидные) барографы (рисунок 37). Под влиянием изменений атмосферного давления пакет соединенных вместе анероидных коробок в результате деформации оказывает влияние на систему рычажков, а через них на специальное перо с незасыхающими специальными чернилами. При увеличении атмосферного давления анероидные коробки сжимаются и рычажок с пером поднимается кверху. При уменьшении давления анероидные коробки с помощью помещенных внутри их пружин расширяются и перо чертит линию книзу. Запись давления в виде непрерывной линии вычерчивается пером на градуированной в мм рт. ст. или мб бумажной ленте, помещенной на цилиндрический вращающийся с помощью механического завода барабан. Используются барографы с недельным или суточным заводом с соответствующими градуированными лентами в зависимости от цели, задач и характера исследований. Выпускаются барографы с электрическим приводом, вращающим барабан. Однако на практике данная модификация прибора менее удобна, так как ограничивается его использование в экспедиционных условиях. Для устранения температурных влияний на показания барографа в них вставляется биметаллические компенсаторы, автоматически осуществляющие коррекцию (поправку) движения рычажков в зависимости от температуры воздуха. Перед началом работы рычажок с пером с помощью специального винта устанавливается в исходное положение, соответствующее времени, обозначенном на ленте и на уровень давления, измеренный точным ртутным барометром.
Чернила для записи барограмм можно приготовить по следующей прописи:
Приведение объема воздуха к нормальным условиям (760 мм рт. ст., 0 С). Данный аспект измерения барометрического давления весьма важен при измерении концентраций загрязняющих веществ в воздухе. Игнорирование указанного аспекта может обусловить значительные ошибки в расчетах концентраций вредных веществ, которые могут достигать 30 и более процентов.
Приведение объема воздуха к нормальным условиям производится по формуле:
Пример . Для измерения концентрации пыли в воздухе через бумажный фильтр с помощью электрического аспиратора пропущено 200 л воздуха. Температура воздуха в период его аспирации составляла- +26 С, барометрическое давление - 752 мм рт. ст. Необходимо привести объем воздуха к нормальным условиям, то есть к 0С и 760 мм рт. ст.
Подставляем в формулу Х значения соответствующих параметров примера и рассчитываем искомый объем воздуха при нормальных условиях:
Таким образом, при расчете концентрации пыли в воздухе необходимо учитывать объем воздуха именно 180,69 л , а не 200л .
Для упрощения расчетов объема воздуха при нормальных условиях можно пользоваться поправочными коэффициентами на температуру и давление (таблица 25) или рассчитанными готовыми величинами формулы 39 и(таблица 26).
Таблица 25
Поправочные коэффициенты на температуру и давление для приведения объема воздуха к нормальным условиям
(температура 0 о
|
Барометрическое давление, мм рт. ст. |
||||||||
Окончание таблицы 25
|
Барометрическое давление, мм рт. ст. |
||||||||
Таблица 26
Коэффициенты для приведения объемов воздуха к нормальным условиям
(температура 0 о С, барометрическое давление 760 мм рт. ст.)
|
мм рт. ст. |
мм рт. ст. | ||||||
Характеристикой давления является сила, которая равномерно воздействует на единицу площади поверхности тела. Эта сила оказывает влияние на различные технологические процессы. Давление измеряется в паскалях. Один паскаль равен давлению силы в один ньютон на площадь поверхности в 1 м 2 . Применяют приборы для измерения давления.
Приборы, измеряющие давление, называются манометрами . В технике чаще всего приходится определять избыточное давление. Значительный интервал измеряемых величин давлений, особые условия измерения их во всевозможных технологических процессах обуславливает разнообразие видов манометров, которые имеют свои различия по конструктивным особенностям и по принципу работы. Рассмотрим основные из применяемых видов.
Барометром называют прибор, измеряющий давление воздуха в атмосфере. Существует несколько видов барометров.
Ртутный барометр действует на основе перемещения ртути в трубке по определенной шкале.
Жидкостный барометр работает по принципу уравновешивания жидкости давлением атмосферы.
Барометр-анероид работает на изменении размеров металлической герметичной коробки с вакуумом внутри, под действием давления атмосферы.
Электронный барометр является более современным прибором. Он преобразовывает параметры обычного анероида в цифровой сигнал, отображающийся на жидкокристаллическом дисплее.
В этих моделях приборов давление определяется высотой столба жидкости, которое выравнивает это давление. Жидкостные приборы для измерения давления чаще всего выполняют в виде 2-х стеклянных сосудов, соединенных между собой, в которые залита жидкость (вода, ртуть, спирт).
Рис-1
Один конец емкости соединен с измеряемой средой, а второй открыт. Под давлением среды жидкость перетекает из одного сосуда в другой до выравнивания давления. Разность уровней жидкости определяет избыточное давление. Такими приборами замеряют разность давлений и разрежение.
На рисунке 1а изображен 2-х трубный манометр, измеряющий вакуум, избыточное и атмосферное давление. Недостатком является значительная погрешность измерения давлений, имеющих пульсацию. Для таких случаев применяют 1-трубные манометры (рисунок 1б). В них один край сосуда большего размера. Чашка соединена с измеряемой полостью, давление которой передвигает жидкость в узкую часть сосуда.
При замере берется во внимание только высота жидкости в узком колене, так как жидкость изменяет свой уровень в чашке незначительно, и этим пренебрегают. Чтобы произвести замеры малых избыточных давлений используют 1-трубные микроманометры с трубкой, наклоненной под углом (рисунок 1в). Чем больше наклон трубки, тем точнее показания прибора, вследствие увеличения длины уровня жидкости.
Особой группой считаются приборы для измерения давления, в которых движение жидкости в емкости действует на чувствительный элемент – поплавок (1) на рисунке 2а, кольцо (3) (рисунок 2в) или колокол (2) (рисунок 2б), которые связаны со стрелкой, являющейся указателем давления.
Рис-2
Преимуществами таких приборов является дистанционная передача и их регистрация значений.
В технической области приобрели популярность деформационные приборы для измерения давления. Их принцип работы заключается в деформации чувствительного элемента. Эта деформация появляется под действием давления. Упругий компонент связан со считывающим устройством, имеющим шкалу с градуировкой единицами давления. Деформационные манометры делятся на:
Рис-3
В этих приборах чувствительным элементом является пружина, соединенная со стрелкой передаточным механизмом. Давление воздействует внутри трубки, сечение старается принять круглую форму, пружина (1) пытается раскручиваться, в результате стрелка передвигается по шкале (рисунок 3а).
В этих приборах упругим компонентом является мембрана (2). Она прогибается под давлением, и воздействует на стрелку с помощью передаточного механизма. Мембрану изготавливают по типу коробки (3). Это увеличивает точность и чувствительность прибора из-за большего прогиба при равном давлении (рисунок 3б).
В приборах сильфонного типа (рисунок 3в) упругим элементом является сильфон (4), который выполнен в виде гофрированной тонкостенной трубки. В эту трубку воздействует давление. При этом сильфон увеличивается в длину и с помощью механизма передачи передвигает стрелку манометра.
Сильфонные и мембранные виды манометров используют для замеров незначительных избыточных давлений и вакуума, так как упругий компонент имеет небольшую жесткость. При применении таких приборов для измерения вакуума они получили название тягомеров . Прибор, измеряющий избыточное давление, является напоромером , для измерения избыточного давления и вакуума служат тягонапоромеры .
Приборы для измерения давления деформационного типа имеют преимущество в сравнении с жидкостными моделями. Они позволяют производить передачу показаний дистанционно и записывать их в автоматическом режиме.
Это происходит вследствие преобразования деформации упругого компонента в выходной сигнал электрического тока. Сигнал фиксируется приборами измерений, которые имеют градуировку по единицам давления. Такие приборы имеют название деформационно-электрических манометров. Широкое использование нашли тензометрические, дифференциально-трансформаторные и магнитомодуляционные преобразователи.
Рис-4
Принципом работы такого преобразователя является изменение силы тока индукции в зависимости от величины давления.
Приборы с наличием такого преобразователя имеют трубчатую пружину (1), которая передвигает стальной сердечник (2) трансформатора, а не стрелку. В итоге изменяется сила индукционного тока, подающегося через усилитель (4) на измерительный прибор (3).
В таких приборах усилие преобразуется в сигнал электрического тока вследствие передвижения магнита, связанного с упругим компонентом. При движении магнит воздействует на магнитомодуляционный преобразователь.
Электрический сигнал усиливается в полупроводниковом усилителе и поступает на вторичные электроизмерительные устройства.
Преобразователи на основе тензометрического датчика работают на основе зависимости электрического сопротивления тензорезистора от величины деформации.
Тензодатчики (1) (рисунок 5) фиксируются на упругом элементе прибора. Электрический сигнал на выходе возникает вследствие изменения сопротивления тензорезистора, и фиксируется вторичными устройствами измерения.
Упругим компонентом в приборе выступает трубчатая одновитковая пружина. Контакты (1) и (2) выполняются для любых отметок шкалы прибора, вращая винт в головке (3), которая находится на внешней стороне стекла.
При уменьшении давления и достижении его нижнего предела, стрелка (4) с помощью контакта (5) включит цепь лампы соответствующего цвета. При возрастании давления до верхнего предела, который задан контактом (2), стрелка замыкает цепь красной лампы контактом (5).
Образцовые приборы определяют погрешность показаний рабочих приборов, которые участвуют в технологии производства продукции.
Класс точности взаимосвязан с допустимой погрешностью, которая является величиной отклонения манометра от действительных величин. Точность прибора определяется процентным соотношением от максимально допустимой погрешности к номинальному значению. Чем больше процент, тем меньше точность прибора.
Образцовые манометры имеют точность намного выше рабочих моделей, так как они служат для оценки соответствия показаний рабочих моделей приборов. Образцовые манометры применяются в основном в условиях лаборатории, поэтому они изготавливаются без дополнительной защиты от внешней среды.
Пружинные манометры имеют 3 класса точности: 0,16, 0,25 и 0,4. Рабочие модели манометров имеют такие классы точности от 0,5 до 4.
Приборы для измерения давления наиболее популярные приборы в различных отраслях промышленности при работе с жидким или газообразным сырьем.
Прибор для измерения давления называется манометром. Манометры могут быть сифонной или чашечно типов .
Манометр сифонной типа - это U-образная стеклянная трубка, заполненная водой или ртутью (рис. 2.1).
Один из концов манометра запаянный и не имеет доступа воздуха; открытый конец соединен с атмосферным воздухом. Разница уровней жидкости в двух коленях трубки проградуирована в единицах давления.
Манометр чашечно типа содержит вертикальную стеклянную трубку, запаянную сверху и заполненную жидкостью (рис.2.2).
Нижний конец трубки погружен в резервуар, частично заполненный жидкостью. Давление, образуется столбиком жидкости в трубке, уравновешивается атмосферным давлением. Высокая точность измерения манометра чашечно типа (0,1 мм рт ст.) Позволяет использовать его как стандартный прибор для проверки анероидных барометров и высотомеров.
Рис. 2.1. Манометр сифонного типа
Рис. 2.2.
Ртутный барометр является классическим примером манометра чашечно типа. Атмосферное давление, измеряется ртутным барометром, равна:
где - плотность ртути, 13600 кг / м3; g - ускорение свободного падения, м / с2; h - высота ртутного столба, м.
Внешний вид ртутного манометра приведены на рис. 2.3.
Барометр содержит стеклянную трубку, заполненную ртутью, и погруженную в резервуар со ртутью.
Уровень ртути в резервуаре контролируется с помощью конусовидной кости.
Ртутный манометр характеризуется высокой чувствительностью. Точность измерения давления ртутного барометра составляет 0,1 гПа. Его недостаток - это токсичность ртути.
В соответствии с директивой Европейского Союза от 5 июня 2007 года было принято ограничение продажи ртути, практически остановило производство новых ртутных барометров в Европе.
Содержит анероидные капсулу, состоящую из двух тонких (0,2 мм толщиной) металлических гофрированных мембран (рис.2.4). В середине капсулы воздуха откачивают (давление составляет 10-2 гПа) или капсулу заполняют инертным газом при давлении 65 мбар.
Преимуществом барометра-анероида является его компактность, механическая прочность, возможность транспортировки. Эти приборы могут применяться в системах автоматического измерения давления, поскольку механические перемещения анероидных капсул легко превратить в электрический сигнал. Недостатком барометра-анероида является меньше по сравнению с ртутным барометром точность измерений.
Рис. 2.3. Ртутный манометр
Рис. 2.4.
Трубка Бурдона представляет собой плоскую искаженную трубку, которая выпрямляется при изменении атмосферного давления (рис. 2.5).
Эта трубка эллиптического сечения является чувствительным элементом деформационного типа. Один конец трубки открыт для регистрации давления, измеряется, тогда как второй жестко прикреплен к корпусу.
Определение давления по деформации трубчатой пружины было запатентовано в 1849 году французским часовщиком Эженом Бурдоном, фамилией которого и названа эта трубку
Трубку Бурдона применяют для измерений давлений, превышающих 10-2 тор (примерно 1 Па) точность измерений составляет ± 2%.
Рис. 2.5. Трубка Бурдона
Прибор, используемый для непрерывной регистрации давления воздуха. Он состоит из колонки анероидных коробок, соединенного со стрелкой самозаписувача (рис. 2.6).
Рис. 2.6.
Каждая анероидные капсула состоит из двух тонких (0,2 мм толщиной) металлических гофрированных мембран. Внутри капсулы давление воздуха составляет 10"2 гПа. Иногда капсулу заполняют инертным газом при давлении 65 мбар. Количество капсул в современных приборах может достигать 14. Мембраны находятся в напряженном состоянии благодаря гофрированной поверхности и действия пружины.
Известно, что собственная частота натянутой струны увеличивается с напряжением. Математически отношение между резонансной частотой струны и силой натяжения струны определяется по формуле:
где F - основная резонансная частота струны, Гц; L - длина струны, м; Г сила натяжения струны, Η; μ - масса единицы длины струны, кг / м.
Механические перемещения диафрагмы 1 такого прибора под влиянием переменного давления превращаются в электромагнитные колебания катушки индуктивности 2 вследствие движения магнита С, соединенного с проводом 4. Электромагнитные колебания фиксируются системой регистрации 5 (рис. 2.7). Для сенсоров такого типа используют вольфрам, индий или высокоэластическую сталь, а также такие сплавы, как "элинвар".
Рис. 2.7.
Конструкцию одного из таких сенсоров приведены на рис. 2.8. Увеличение давления на диафрагму снижает силу натяжения провода, что приводит к уменьшению резонансной частоты.
Рис. 2.8.
Состоит из тонкой диафрагмы, выполненной из металла или кварца с напыленными металлическими поверхностями. Диафрагма образует с металлическими поверхностями два конденсатора, которые вместе с еще двумя конденсаторами С1 и С2 образуют электрический мост (рис. 2.9).
Рис. 2.9. Емкостный сенсор давления
На диафрагму действует атмосферное давление с одной стороны и опорное давление с другой. Изменения внешнего давления вызывают изгиб диафрагмы и соответствующие изменения емкости конденсаторов, образованных диафрагмой и пластинами, расположенными по обе стороны диафрагмы. Эти изменения емкости (которые могут достигать несколько процентов от начальной емкости) приводят к изменению частоты сигнала системы регистрации, шкала которой проградуирована в единицах давления.
Емкостной сенсор давления характеризуются высокой чувствительностью, малыми размерами, возможностью давать отсчета при температурах до 250 ° С.
Этот прибор, изготовление которого стало возможным благодаря современным технологиям, состоит из двух кремниевых пластинок из сплавов, соединенных между собой прослойкой диоксида кремния (рис. 2.10).
Кремниевые сплавы выполняют функции обкладок конденсатора, в котором толщина диоксида кремния и соответственно емкость конденсатора зависят от приложенного атмосферного давления.
Емкость конденсатора С зависит от расстояния d между обкладками (), которая в свою очередь зависит от атмосферного давления.
Рис. 2.10.
Диапазон измерения давления барометрическим сенсором давления РТВ210 фирмы Vaisala (Финляндия) - 500-1100 гПа; температурный интервал от -40 ° С до + 60 ° С; общая точность ± 0,15 - 0,35 гПа; вес 110 г размеры 122 мм.
Пьезоэлектрический сенсор давления. Кристаллическая вещества, в которых при сжатии или растяжении в определенных направлениях возникает электрическая поляризация даже при отсутствии электрического поля, называются п " езоелектрикамы. Явление возникновения зарядов на поверхности пьезоэлектрика под влиянием механических деформаций называется прямым пьезоэффектом, а появление механических деформаций под воздействием электрического поля - обратным пьезоэффектом. К пьезоэлектриков принадлежат кварц, дигидрофосфат аммония (АДР), сульфат лития, сегнетовая соль, титанат бария и др.
Величина заряда q , возникающее на поверхности кристалла, определяется выражением:
где F - сила, прикладывается к кристаллу, Н; р - давление, Н / м2; S - площадь поверхности кристалла, м2; k - пьезоэлектрическая постоянная, Кл / Н.
Напряжение, которое измеряется на поверхностях кристалла благодаря пьезоэффекта, определяется так:
где U - напряжение, В; v - чувствительность кристалла, В-м / Н; d - толщина кристалла, м; р давление, Н / м2.
пример
Кристалл квариу имеет толщину 0,25 см. Определить напряжение, возникающее на поверхностях кристалла вследствие действия давления 345 Н / м2, если чувствительность кристалла составляет 0,055 В м Н-1.
решение
Используя уравнения (2.4), получаем:
контрольное задание
Определить пьезоэлектрическую постоянную кварца, если под давлением 345 Н / м2 кристалл площадью 1 см2 создает заряд Кл.
ответ:
Схему пьезоэлектрического датчика давления приведены на рис. 2.11.
Рис. 2.11.
Преимуществом пьезоэлектрических сенсоров является компактность, линейная зависимость электрического сигнала от механической нагрузки, способность иметь высокую стабильность в широком температурном диапазоне (до 1000 ° С).
В семнадцатом веке человечеству стал известен и доказан факт, что воздух имеет определённый вес. Предположение его давления на различные предметы было доказано с помощью особого прибора - барометра. О нем пойдет речь в этой статье.
Для начала дадим определение. Барометр - это прибор для измерения определённого давления воздуха на предметы. Его изобретателем стал Э. Торричелли. В 1644 году барометр представлял собой трубку со ртутью и измерительной шкалой. В день, когда проводились испытания барометра, уровень ртути находился на отметке 760 мм, что и послужило поводом считать отметку на этом уровне нормальным давлением. Такие приборы до сих пор используются метеорологическими станциями.
Через два столетия, после изобретения ртутного барометра в результате множества исследований был сконструирован Люсьеном Види принципиально новый безжидкостный вид. Впоследствии названный барометром-анероидом. На протяжении всего времени существования анероиды приобрели большую популярность у многих пользователей, ведь имеют небольшой размер, легки и точны. По сравнению со ртутными барометрами - анероиды полностью безопасны в использовании.
Ртутный - прибор, измеряющий давление. Принцип действия заключается в движении ртути, относительно нанесенной шкалы.
Жидкостный - прибор, с помощью которого уровень давления измеряется уравновешиванием веса столба жидкости атмосферным давлением.
Барометр-анероид - принцип действия и отображение показателей основывается на изменении размеров герметичной металлической коробки, заполненной разрежённым воздухом, под действием на её поверхность атмосферного давления.
Электронный - это современный вид прибора, который преобразовывает линейные показатели классического анероида в электронный сигнал. Обработанные микропроцессором сигналы, отображаются на жидкокристаллическом экране.
Барометр-анероид - это самый распространенный из вышеперечисленных приборов, благодаря своим небольшим размерам и отсутсвию жидкости в механизме. Рассмотрим его более детально.
В собранном виде анероид - это коробка с различными механизмами. Когда из неё откачивают определённое количество воздуха, это создает сильное разряжение возвратной пружины, указательной стрелки и передаточного между ними механизма. Под действием давления стенки «барокамеры» сокращаются или увеличиваются в размерах, а указательная стрелка начинает двигаться относительно измерительной шкалы в сторону повышения или снижения давления, соответственно. В спокойном состоянии стрелка будет находиться на отметке в 760 мм.
Используется для записи метеорологических данных относительно колебаний атмосферного давления. Другими словами, это усовершенствованный барометр-анероид, с добавлением в барокамеру часового механизма, аппарата удерживающего проградуированную бумагу и стрелки-привода, которая наносит на бумагу чернильную линию.
Изображаемый «рисунок» на бумаге прибора называется барограммой. В процессе работы барографа, в соответствии с часовыми показателями, механизм наматывает на своё основание специальную бумагу, по поверхности которой скользит и отмечает показатели отклонений атмосферного давления прикрепленная стрелка с чернилами.
Показатели расхождений давления фиксируются постоянно. Для метеорологов это основной документальный факт изменения погоды в ближайшее время. В зависимости от размеров барабана - продолжительность запечатления записи может составлять от нескольких часов до одной недели. Особая конструкция позволяет снимать показатели и следить за атмосферными показателями в любое время.
Технологии не стоят на месте, и теперь измерить атмосферное давление можно с помощью мобильного устройства. Многие пользователи современных гаджетов, столкнувшись с новой функцией, задаются вопросом - барометр в телефоне, что это? Современная миниатюрная метеостанция позволяет пользователю телефона постоянно проверять в электронном виде уровень атмосферного давления. Отследив показатели давления за определённое время, можно узнать - приближается циклон или антициклон. Эти показатели будут полезны для людей с повышенной чувствительностью к резким перепадам давления.
Возможности мобильного устройства на этом не останавливаются. В электронном виде оно показывает высоту, географическую ширину и долготу, что, в свою очередь, способствует быстрому поиску аппарата и определению точного места его нахождения. Благодаря спутникам GPS процесс быстр и точен. Мобильный барометр - это точный высотомер. Точность определения нахождения пользователя сводятся до радиуса в 3 метра. Именно такими приборами пользуются альпинисты в горах. Но большую популярность они приобрели в авиационной сфере.
Появился сравнительно недавно. Немногие знают, для чего этот прибор, и большинство задаются вопросом - барометр в часах, что это такое?
Постараемся разобраться. Барометр в определённых видах часов представлен в электронном или механическом виде. Электронный вид - ничем не отличается от подачи данных атмосферного давления и их вывода на экран, как на телефоне. Часы с механическим отображением давления являются идеально точной мини-копией анероида. Разница лишь в упрощённой шкале отображения показаний. Стоимость часов-барометров достаточно велика, но, как правило, они противоударные и водонепроницаемые.
Благодаря своим основоположникам его называют Гарвардским. Экономический барометр лежит в основе формирования эконометрики. Предсказывает изменение конъюнктуры, динамики спроса и предложения и т.п. Гарвардский барометр - это описание эмпирических закономерностей и экстраполяции за последние месяцы наблюдения. В их основу включено исследование динамики развития разных показателей экономики.
Прогноз развития отображался в графическом виде. Каждая кривая линия, нанесённая на график, отображала тот или иной показатель. Например, кривая «А» отображала изменения средних биржевых курсов (фондовый рынок); кривая «В» отображала индекс оптовых цен и изменения товарооборота (производства); кривая «С» - отображала рост или падение курса ценных бумаг на денежном рынке. В идеальном состоянии графика - показатели «А» и «С» должны совпадать на уровне максимума первой единицы и минимуме кривой второй единицы.
Благодаря руководству У. Персонса и У. Митчелла - такого рода прибором США пользовались до 1925 года. Гарвардский барометр Митчелла - это первый мощный регулятор и показатель факторов в народном хозяйстве страны. Учитывая популярность и эффективность такого построения и отображения фактов - этот метод приняли на вооружение многие страны по всему земному шару. Но перспектива развития многих стран по этому соотношению показателей в экономике долго не просуществовало, ведь до начала и после Второй Мировой Войны - в процентном соотношении они стали неактуальными. Экономики всех стран, принимавших участие в войне, были в полном упадке, и для решения поднятия «с колен» каждая страна применяла свои методы для стабилизации собственной денежной валюты. Старые методы поднятия показателей (вывода из кризиса) вовсе не применялись, но основы, заложенные Митчеллом, стали прецедентом для мировой экономики.
Стоит отметить еще одно устройство, которое также измеряет давление, только не воздуха, а газов и жидкостей - этот прибор называется манометр. Эти два прибора очень взаимосвязаны. Сумма показаний манометра и барометра - это давление абсолютное, которое имеет больший показатель, чем атмосферное.
В современном мире барометр - это один из главных приборов метеорологии. Отмеченные показатели на бумаге помогают многим людям узнать о предстоящих изменениях атмосферного давления, соответственно, к ним подготовиться. Это в большей степени касается гипертоников. Барометр - это необязательный предмет в доме, но в качестве вспомогательного элемента или вдобавок к интерьеру - желателен. Современное обрамление столь нужного прибора позволяет его вписать в любое интерьерное решение.
