Барометр

БарометрБАРОМЕТР, прибор для измерения атмосферного давления. Величина давления воздуха зависит от ускорения силы тяжести и от плотности воздуха. Ускорение силы тяжести больше в высших географических широтах, чем в низших, и уменьшается с возвышением места над уровнем моря. Плотность воздуха в высших слоях меньше, чем у поверхности земли; она зависит также от температуры воздуха и заключающихся в нем количеств паров и углекислоты. Вблизи уровня моря и при обычных средних условиях воздушный столб над некоторою поверхностью уравновешивается ртутным столбом примерно 0,76 м высоты и с тем же основанием. Если достаточно длинную стеклянную трубку, с одного конца запаянную и наполненную до верха ртутью, погрузить открытым концом в ртуть, закрыв его только во время переворачивания трубки, то ртутный столб в трубке опустится до указанной высоты; над ртутным столбом образуется в трубке пустое пространство (торричеллиева пустота - vacuum), и посредством масштаба, приставленного к трубке, можно измерять вертикальное расстояние между уровнями ртути в трубке и в сосуде, - получим барометр простейшего устройства. Обе поверхности ртути, вследствие явления капиллярности (ртути и стекла), имеют форму выпуклых менисков; вертикальное расстояние между ними и называется барометрическою высотою.

Атмосферное давление меняется с температурой, поэтому и барометрическая высота зависит от температуры. При отсчетах по барометру температура д. б. поэтому измерена и принята в расчет. Для этой цели рядом с барометрической трубкой помещают термометр, указывающий температуру ртути. Барометрическая высота по упомянутым причинам не только различна в разных местах земной поверхности, но она испытывает изменения и в одном и том же месте. Такие колебания бывают или периодические, наступающие в определенные времена, или случайные. Барометр изобрел Торричелли (1643). Название барометр (1665) приписывают Бойлю; до него прибор назывался торричеллиевой трубкой. Конструкции барометра очень разнообразны. Барометры бывают ртутные и пружинные.

1) Среди ртутных барометров различают: чашечный, сифонный и чашечно-сифонный; по применению их делят на постоянные и переносные.

Виды барометровЧашечный барометр (фиг. 1) представляет фортеновский переносный барометр, видоизмененный Фюсом. Посредством ввинчивания сосуда G ртуть поднимается до прикосновения ее зеркальной поверхности со стальным острием на нижнем крае латунной трубки, заключающей в себе стеклянную барометрическую трубку. На этой латунной трубке нанесен масштаб, нулевая точка которого совпадает с острием. Уровень ртути наблюдается через два противоположных отверстия, прорезанных в латунной трубке. Отсчет производится при помощи нониуса N с приспособлением для установки на верхний уровень ртути. Нониус нанесен на особой подвижной латунной трубке, надетой на масштабную трубку. Точная установка производится винтом S. Воздух сообщается с сосудом посредством узкого отверстия О, которое в случае надобности м. б. закрыто. Нижняя часть стеклянной трубки переходит в бунтеновское острие. В случае переноски прибора закрывают отверстие трубки пружинной кожаной подушкой F, подвинчивая сосуд, и затем переворачивают прибор вверх дном. Другой способ установки нониуса производится посредством зубчатки и кремальерки. В других фортеновских барометрах подобного устройства ртуть заключается в кожаном или в эластичном каучуковом мешке, покрытом кожей; мешок этот может быть приподнят посредством винта (фиг. З). Для переноски всю верхнюю часть сосуда и торричеллиеву пустоту посредством винта заполняют ртутью и затем весь прибор переворачивают вверх дном.

Сифонные барометры более удобны для переноски. Стеклянная трубка имеет вид сифона. Фиг. 2 изображает барометр Дармера. Обе стеклянные трубки соединены между собой резиновою трубкой с двумя зажимами, чтобы ртуть в трубке при переворачивании прибора имела достаточно пространства при расширении от нагревания. Уровни для отсчета м. б. подняты посредством слабого зажатия нижнего зажима. Приспособления у нониусов для установки на уровни передвигаются помощью зубчатки. Масштаб состоит из двух отдельных частей, прикрепленных к деревянному бруску так, чтобы они могли свободно расширяться; расширения их от теплоты одинаковы, вследствие чего влияние расширения на отсчет устраняется отчасти или совсем, смотря по положению уровня. В сифонных барометрах трубки монтируются или на деревянной доске, или в деревянном ящике. Приборы эти при надлежащей укупорке могут быть в обращенном положении удобно переносимы.

Сифонные барометры с чашками. На фиг. 3 показан барометр Вильда-Фюса. Длинное колено находится у С на продолжении короткого колена Е. F не сообщается с наружным воздухом. Давление воздуха на ртуть производится через отверстие S, когда винтовой запор открыт. Ртуть заключена, в кожаном мешке; посредством винта она м. б. поднята в малом колене до нулевого деления масштаба. Весь прибор заключен в латунную трубчатую оправу, поддерживающую и масштаб. Приспособления для установки и отсчета у верхнего уровня подобны тем, которые имеются и у фортеновского барометра; они м. б. применены и к нижнему уровню. Для точных измерений употребляют, однако, особый установочный визир. В случае переноски барометра в собранном виде поднимают ртуть, пока она не заполнит трубки Е, закрывают отверстие S и прибор переворачивают. Для посылки прибора на дальние расстояния его разбирают.

Нормальный барометр. Так называется прибор, сконструированный для очень точных измерений. Служит для проверки и определения поправок в других барометрах.

Специальные барометры. Для измерения небольших изменений атмосферного давления в одном и том же месте изготовляют особые барометры с увеличенными указаниями. В сифонном барометре Гюйгенса над ртутью в коротком колене, сообщающемся с узкой трубкой, вливается подкрашенная легкая жидкость, например, вода или спирт. При незначительных изменениях барометрической высоты подкрашенная жидкость соответственно поднимается или опускается на расстояния во много раз большие. Такое увеличение показаний может быть выражено формулой: m = ns : (2s + n - 1), где n - отношение между поперечными сечениями трубки с ртутью и узкой трубки, a s - отношение плотностей ртути и подкрашенной жидкости.

Поправки.
а) Поправка на температуру ртути. Т. к. объем ртути меняется с изменением температуры, то приводят барометрическую высоту к температуре таяния льда, т. е. к 0°С. Вычисляется приведенная барометрическая высота В0 по барометрической высоте В при температуре t и по коэффициенту расширения ртути а на основании формулы В0 = В : (1 + аt), или же, если пренебречь высшими степенями аt, на основании формулы B0 = B - aBt, где а = 0,00018. Чтобы термометр верно указывал температуру ртути, он д. б. защищен от посторонних влияний;
б) Масштабная поправка. Длина масштаба также меняется от изменения температуры. Поэтому необходимо вводить температурную поправку для масштаба. Она равна bВ (t - tn), где b - коэффициент расширения (линейный) масштаба, В - барометрическая высота при температуре t и tn - установленная температура, при которой масштаб верен. Коэффициенты расширения: для дерева 0,000004, для стекла 0,000008 и для латуни 0,000019. Вследствие применения точных делительных машин, погрешности делений масштаба настолько малы, что их нет надобности принимать в расчет. Но ошибки могут произойти от неправильного положения нулевой точки, если она находится на острие, а также от неправильного положения нулевой точки нониуса относительно отсчетной линии установленного приспособления. В этих случаях требуются постоянные поправки;
в) Поправка на капиллярную депрессию. Ртуть, как жидкость, не смачивающая стеклянных стенок, испытывает в узких сообщающихся трубках депрессию, или понижение относительно нормального положения уровня. Приведенная здесь таблица капиллярных депрессий составлена на основании опытов Менделеева и Гутковского.

Таблица капиллярных депрессий

Депрессия тем меньше, чем меньше высота мениска и чем больше диаметр трубки. В трубках с сечением в 25 мм2 депрессия совсем ничтожна. Поправки таблицы положительны. Их величины не вполне надежны, так как данные различных наблюдателей до сих пор недостаточно согласуются между собой. Для барометров, предназначенных для точных измерений, по данным таблицы д. б. выбраны трубки с большим диаметром. Высота мениска не всегда одна и та же для каждого прибора и также не всегда одинакова для обоих колен сифонного барометра. Причина этого заключается в окислении и загрязнении ртути, находящейся в сообщении с воздухом. Легким постукиванием по стеклянной трубке и подниманием ртути можно достигнуть образования нормального мениска;
г) Поправка на ускорение силы тяжести. От ускорения силы тяжести зависит как величина атмосферного давления, так и величина давления ртути. Т. к. ускорение силы тяжести зависит от географической широты и от высоты над уровнем моря, то за исходную точку принимают некоторое определенное ускорение силы тяжести и именно то, которое соответствует географической широте в 45° и уровню моря. Предполагая одинаковое давление воздуха, мы можем найти следующую зависимость между барометрической высотой В045 в таком положении и барометрической высотой В в другом положении: В045 =В - В (β cos 2ϕ + 2 H: R). Здесь β = 0,002644 (по Гельмерту), ϕ - географическая широта, Н - высота над уровнем моря и R - радиус земного шара, равный около 6 370 000 м. Т. о. поправка на тяжесть равняется - В (β cos 2ϕ + 2 H: R);
д) Поправка на воздух в вакууме. При осторожном наклонении барометра ртуть коснется закрытого конца трубки. Когда в вакууме нет совсем воздуха, тогда при толчке ртуть вызывает резкий звук; если же в вакууме имеется некоторое количество воздуха, то звук получается глухой, тусклый. Воздух собирается при этом в пузырек, который легко заметить, если конец трубки свободен. Упругость заключенного воздуха меняется с величиною вакуума. Это влияние м. б. определено, если имеется возможность подниманием ртути значительно уменьшить вакуум. Определяют для этого барометрические высоты В1 и В2 до и после уменьшения вакуума. Тогда, по Араго, (В1 - В2) : (v - 1) представляет собой поправку для В1; v - отношение первоначального объема к уменьшенному объему вакуума. Проще, однако, можно определить влияние воздуха в вакууме совместно с другими погрешностями посредством сравнения отсчетов с одновременными отсчетами на нормальном барометре при разных температурах;
е) Поправка на упругость ртутных паров очень незначительна. Данные различных наблюдателей относительно величины этой поправки значительно различаются между собой. Результаты упомянутых в (д) сравнений заключают в себе также и ошибки, обусловленные упругостью ртутных паров;
ж) Поправка на нечистоту ртути. Если σr и σ - удельные веса чистой и загрязненной ртути, то исправленная барометрическая высота равна В(σ - σr) : σr. В правильно сконструированных приборах эта поправка отсутствует.

Точность. При использовании барометра средняя ошибка установки на уровень свободной рукой и простым глазом и отсчета по нониусу колеблется в пределах ±0,1—0,05 мм; при измерении с помощью катетометра она может быть доведена до ±0,01 мм и даже менее. Средняя ошибка в определении барометрической высоты больше. Для путевых барометров она сводится к ±0,2—0,15 мм.

Барометр пружинный2) Барометр пружинный (нивелирный, анероид, голостерический металлический) служит главным образ, для барометрического измерения высот. Существенная часть прибора, предназначенного для измерения высот, состоит из герметически закрытой коробки В, воздух из которой по возможности выкачан; образована коробка двумя пружинящими волнообразными пластинками, припаянными к жесткому кольцу. Коробка лежит (фиг. 4 и 5) на пластинке G и поддерживает цапфу а, к которой прилегает пружина F, уравновешивающая давление воздуха. Поперечник круглой коробки ок. 5—8 см, соответственно чему давление воздуха на обе поверхности пластин составляет от 40 до 100 кг (приборы без пружин оказались менее надежными). При изменении атмосферного давления цапфа а перемещается в среднем на 0,005 мм на каждый 1 мм барометрической высоты. Такое малое передвижение измеряется посредством различных приспособлений. Смотря по устройству приспособления для отсчета, различают конструкции пружинных барометров: а) с механическим увеличением передвижения а посредством рычагов и б) с микрометрическим измерением этого передвижения посредством микрометрических винтов или же с помощью оптического увеличения. Барометр пружинныйНаиболее употребительными приборами такого рода являются: а) барометры с указателем системы Ноде, Боне и др., в которых передвижения точки а передаются указательной стрелке Z, поворачивающейся над разделенным кругом К посредством рычажного механизма (схематическое изображение см. на фиг. 4). Такое механическое увеличение, доходящее в больших инструментах до 500, оказалось на практике вполне удовлетворительным. б) барометр винтовой Гольдшмидта с чувствительной пружиной. Приспособление для отсчета см. на фиг. 5. Движения цапфы а передаются на шкалу S посредством рычага h, с указателем i; более точный отсчет делается с помощью указателя О на окружности головкой измерительного винта М, которым измеряется передвижение i’ до совпадения с i посредством чувствительной пружины.

Постоянные (константы) пружинных барометров. Показания пружинных барометров, зависящие также от температуры, д. б. переведены на показания нормального ртутного барометра. Для этой цели необходимо ввести три поправки: а) температурная поправка (w), т. е. приведение к нормальной темепературе показаний, обусловленных упругостью пружины, упругостью воздуха в коробке и расширяемостью различных частей прибора; б) поправка делений (i), т. е. приведение деления данного прибора к миллиметровым делениям ртутного барометр; в) т. н. постоянная поправка (s) для устранения остающейся разницы после введения обеих первых поправок. Формула для приведения непосредственных отсчетов F на пружинном барометре к отнесенным к 0°С показаниям В0 ртутного барометра следующая: B= F + (w) + (i) + (s). Без таких поправок металлический барометр нельзя пользоваться для сколько-нибудь серьезных целей. Трудности точного определения поправок для значительных разниц температуры и шкалы, так же как и необходимость повторять такое определение несколько раз в году, представляют большое неудобство в практике барометрического измерения высот. Определение постоянных производится посредством сравнения с одновременными показаниями ртутного барометра. Последний должен допускать как установку, так и отсчет с точностью до ±0,1 мм. Для этой цели применяются только нормальные барометры с трубками около 10-15 мм2 в сечении. Ртутный барометр в случае необходимости м. б. заменен тщательно проверенным и находящимся под постоянным контролем пружинным барометром, предназначенным для сравнения показаний, что в некоторых случаях практики значительно упрощает сравнение. Правильнее определять различные поправки отдельно. Поправка на температуру проще всего определяется при возможно одинаковом атмосферном давлении посредством установления значительной разности температур натопленной комнаты и охлажденной при открытой форточке во время зимних морозов. Искусственное изменение температуры требует особых приборов и большого навыка, т. к. разница температур должна достигаться только очень постепенно. В обоих случаях надо производить отсчеты в надлежащие промежутки (например, через каждые 5°С) в ту и другую стороны по несколько раз. Разности B0 - F (между показаниями ртутного барометра с искусственными приведениями и пружинного барометра) наносятся затем графически, принимая за абсциссы температуру прибора (тщательно определяемые по внутренним температурам°); отсюда, или из составленных таблиц, определяются затем поправки (w). Поправки делений определяются при возможно постоянной температуре: а) посредством подходящих изменений воздушных давлений в пределах от 30 до 40 мм (соответствующих разностям высот от 300 до 400 м); б) посредством барометрических сравнений во время восхождения на горы; в) с помощью применения особых аппаратов с искусственным изменением давления воздуха. Более простые приспособления такого рода возможны, если контрольным прибором служит также пружинный барометр. В последнем случае достаточно иметь герметически закрываемый стеклянной крышкой ящик, в котором при помощи насоса можно в известных пределах разрежать или сгущать воздух. Остающаяся после поправок на температуру и деления постоянная поправка в случае применения к измерениям высот пружинного барометра обыкновенно не принимается в расчет, так как она исключается при вычислениях сама собой. Постоянные различия отдельных приборов определяются контрольным (нормальным) барометром. Слишком большие различия в постоянных показаниях отдельных приборов устраняются посредством уравнительного винта г, изменяющего натяжение пружины F (фиг. 4). Такой регулировки, однако, нужно по возможности избегать.

Точность показаний прибора. Пружинные барометры по самому своему устройству представляют интерполяционные приборы, и поэтому прежде всего наиболее пригодны для измерения высот. Ошибка интерполяции пропорциональна времени. При малых промежутках времени, в несколько часов, как это бывает при технических измерениях высот, средняя интерполяционная ошибка не превышает ±0,1—0,2 мм; при больших же промежутках возрастают ошибки, и в течение месяцев и лет могут дойти до нескольких мм. Ненадежные результаты измерений высот посредством пружинных барометров обусловливаются всегда ошибками в определении поправок, плохими качествами непроверенных приборов и малой опытностью лиц, пользующихся ими. Для определения поправок посредством контрольного прибора следует обращаться к соответствующему научному институту (техническому, геодезическому, физическому, метеорологическому и др.).

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 2 - 1928 г.

Избранное