Види ртутних барометрів.

З моменту винаходу Торрічеллі барометра (1643) його конструкція була значно удосконалена. Як рідинна використовується ртуть, висока густина якої забезпечує можливість створення рідинних барометрів мінімальних габаритів.

Ртутні барометри можуть бути трьох систем. На рис.3.1 наведені їхні схематичні зображення. Принцип дії ртутного барометра легко зрозуміти з рис.3.1 а.

Рис.3.1 Типи ртутних барометрів: а – чашковий; б – сифонний; в - сифонно-чашковий

Якщо скляну трубку довжиною приблизно 90 см, запаяну з одного кінця, заповнити ртуттю, потім, перекривши отвір, перекинути і заглибити незапашним кінцем в ртуть, налиту в чашку, то після відкриття отвору трубки ртуть з неї витече в чашку тільки частково. В трубці залишиться стовп ртуті висотою . Очевидно, що тиск цього стовпа ртуті (припускається, що трубка вертикальна) і тиск повітря , що залишилося всередині трубки, урівноважують атмосферний тиск , який тисне на поверхню ртуті в чашці. Якщо трубка в достатній мірі вакуумована ( мбар), то тиск, надаваний ртутним стовпом висотою , дорівнює атмосферному: , де - густина ртуті, - прискорення вільного падіння. Таким чином, вимірюючи , при відомих значеннях і , визначають атмосферний тиск .

Промисловістю випускаються тільки чашкові і сифонно-чашкові барометри. Вимірювання атмосферного тиску за їх допомогою зводиться до визначення з необхідною точністю висоти стовпа ртуті . Для забезпечення заданої точності вимірювання атмосферного тиску вимірюють з точністю до десятої, а в деяких барометрах до сотої частки міліметра (шкала барометрів частіше градуюється в інших одиницях тиску, точність відліку і в цих випадках близька до вказаної). Така точність забезпечується застосуванням точних шкал і ноніусів, а також строгим додержуванням певних правил вимірювання.

Барометр чашковий станційний з компенсованою шкалою (рис.3.2). Барометрична трубка 6 цього барометру - калібрована скляна, запаяна з верхнього кінця трубка з внутрішнім діаметром 7,2 мм і довжиною приблизно 800 мм, заповнена під вакуумом (тиск не більше мбар) очищеною ртуттю. Вона закріплена нижнім кінцем в кришці пластмасової або чавунної чашки 9 за допомогою шайби-втулки 10 з гвинтовою нарізкою. Чашка 9 складається з трьох частин, які згвинчуються. Середня частина 11 має діафрагму з отворами. Діафрагма виключає різкі коливання ртуті в чашці (під час перевезення), за яких в барометричну трубку може проникнути повітря. Крім того, діафрагма займає деякий об’єм, зменшуючи необхідну кількість ртуті при заданому її рівні в чашці. Барометр сполучається з атмосферою через різьбовий отвір в кришці чашки, який закривається гвинтом 8. При загвинчуванні гвинта 8 шкіряна шайба, що знаходиться під його головкою, притискається до кришки чашки і отвір щільно закривається.

Вимірювання висоти ртутного стовпа проводиться за шкалою, яка нанесена біля краю наскрізного вертикального прорізу у верхній частині оправи 4, за допомогою ноніуса 2. Шкала наноситься в межах, в яких барометром даного типу (на барометрі типу СД-А від 810 до 1070 мбар, типу СР-Б – від 680 до 1070 мбар) проводиться вимірювання атмосферного тиску.

Рис.3.2 Барометр чашковий станційний: а – загальний вигляд; б – чашка барометра; в – шкала і ноніус: 1 – кільце; 2 – ноніус; 3 – захисне скло; 4 – оправа; 5 – рукоятка кремальєри; 6 – барометрична трубка; 7 – термометр; 8 – гвинт; 9 – чашка; 10 – втулка; 11 – середня частина чашки з діафрагмою

Шкала захищена від забруднення скляною трубкою 3. Пластинка ноніуса знаходиться в прорізу. Вона прикріплюється до трубки (кільця), що вставлене всередину оправи і може переміщуватися за допомогою кремальєри. Під час обертання рукоятки 5 кремальєри ноніус переміщується вздовж прорізу по шкалі барометра. Нижній край пластини ноніуса співпадає з нулем шкали ноніуса. При проведенні вимірювань візирна лінія повинна проходити через нуль ноніуса і торкатися вершини меніска ртуті (рис.3.3, а і б).

Десять поділок ноніуса дорівнюють 19 поділкам шкали барометра, що дозволяє робити відліки з точністю до десятої частки ціни поділки шкали (число десятих часток визначається за номером поділки ноніуса, який співпадає з поділкою шкали).

Рис.3.3 Положення ока при відліку по барометру: а – правильне; б - неправильне

Для визначення температури барометра (що необхідно для введення поправки в його показання) служить термометр 7, прикріплений біля прорізу в нижній частині барометра. Ціна поділки термометра 1,0ºС, але відраховувати температуру потрібно з точністю до 0,1ºС.

При вимірюванні тиску за допомогою станційного чашкового барометру достатньо визначити по його шкалі положення меніска ртуті в трубці, не визначаючи рівень ртуті в чашці, хоча при зміні тиску він також змінюється і співпадає з нулем шкали тільки при одному значенні тиску . Зміна рівня ртуті в чашці відносно нуля шкали враховується компенсованою шкалою барометра. Побудова такої шкали основується на таких міркуваннях і розрахунках. При деякому тиску, коли рівень ртуті в чашці співпадає з нулем шкали, висота стовпа , де - відповідний відлік за шкалою; - ціна поділки шкали (рис.3.4)..

Рис.3.4 Схема барометра чашкового з компенсованою шкалою

При деякій зміні тиску висота стовпа ртуті зміниться на за рахунок зміни його рівня в трубці на і в чашці на ; (відмітимо, що і завжди одного знака, а - зворотного їм). Зміна висоти стовпа супроводжується переміщенням деякого об’єму ртуті з чашки в трубку (або навпаки). Зміна рівнів, викликана цим переміщенням об’єму в трубці і чашці, зворотно пропорційна площам їх поперечного перерізу (маса ртуті в барометрі постійна). Для станційних барометрів типа СР співвідношення площ перерізу чашки і трубки дорівнює 1:0,02. На основі цього ; , звідки мм. Якщо шкала градуйована в мм.рт.ст., то і мм; якщо в мбар, то і мм.

На станції барометр поміщують в спеціальну шафу, яка прикріплюється до стінки. В шафі барометр підвішують за кільце 1 (рис.3.2, а) до спеціального гаку з гайкою, який прикладений до барометра. Барометр не повинен зазнавати різких коливань температури, тому шафу з барометром неможна розміщувати поблизу обігрівальних систем та інших джерел тепла, віконних проїмів і дверей; його потрібно також захищати від попадання прямих сонячних променів.

Проведення вимірювань. Вимірювання по станційному барометру проводять в такому порядку.

1. Відчиняють шафу і вмикають освітлення.

2. Відраховують температуру по термометру з точністю до десятих часток градуса, визначаючи останні на око.

3. Злегка постукують пальцем по оправі барометра, перешкоджаючи зціпленню ртуті зі стінками трубки, і надають меніску ртуті (в барометричній трубці) нормальної форми.

4. Підводять ноніус зверху до моменту гаданого доторку його зрізів вершини меніска ртуті в барометричній трубці. При цьому око повинно знаходитися на візирній лінії, що проходить через нуль ноніуса і задній зріз кільця ноніуса (рис.3.3, а).

5. Відраховують показання барометра.

В результаті вимірювання вносять поправки на систематичні похибки. Після відліку ноніус не зміщують. Це дає можливість кожний раз перевіряти результат попереднього вимірювання (і виявити грубі прорахунки, якщо вони мали місце).

Перевезення станційного барометра. При перевезенні або перенесенні барометра потрібно строго додержуватися певних правил. Барометр заздалегідь готують до перевозки, для цього потрібно:

1. Загвинтити гвинт 8 (рис.3.2) в кришку чашки барометра до упора.

2. Зняти барометр з підвісного гака.

3. Плавно нахилити барометр настільки, щоб ртуть заповнила всю барометричну трубку. При цьому відбувається удар ртуті об верхній запаяний кінець барометричної трубки, тому нахиляти барометр потрібно обережно, тому що при різкому ударі трубка може розбитися.

Попутно рекомендується по характеру звука, який супроводжує удар ртуті, визначити збереженість вакууму в барометричній трубці. Якщо звук високий (металевий), вакуум зберігся; якщо звук низький (приглушений), в трубку попало повітря (воно виконує роль амортизатора).

4. Перевернути барометр чашкою вверх, не затримуючи його в горизонтальному положенні.

5. Укласти барометр в футляр, який попередньо розташовують так, щоб при укладенні чашка барометра лежала в ньому на 5 – 10 см вище верхнього кінця барометричної трубки.

Переносити барометр потрібно так, щоб його чашка була завжди вище запаяного кінця барометричної трубки.

При перевозках ртутних барометрів у зібраному вигляді на далеку відстань застосовуються спеціальні м’які подушки, які одягаються на кінці футлярів (рис.3.5). Подушка, що вдягається на кінець футляру, в якому знаходиться чашка барометра, робиться трохи більших розмірів, ніж подушка, що вдягається на інший його кінець.

Рис.3.5 Упаковка барометра для перевезення

Завдяки цьому упакований барометр, покладений на горизонтальну поверхню, виявиться в похилому положенні (чашка вище запаяного кінця барометричної трубки).

Барометр сифонно-чашковий контрольний (рис.3.6). Його барометрична трубка має складну будову. Верхня її частина 12, що складає всієї довжини трубки, має діаметр приблизно 14 мм, а інші - значно тонші. Трубка вигнута в місці звуження в сторону від верхньої частини і спаяна за допомогою скляного балона 13 з другою короткою трубкою 14 таким чином, що верхня широка частина трубки 12 розташована співосно з трубкою 14. Трубка 14 в своїй нижній (робочій) частині має такий же діаметр, як верхня робоча частина трубки 12.

Нижні кінці трубок 12 і 14 вмонтовані в стальний наконечник 15, який вставляється в чашку 16 і прикріплюється в ній. Трубка 12 є довгим коліном барометру, трубка 14 – коротким. Коротке коліно барометра у верхній частині має циліндричний прилив з отвором. На приливі закріплений ніпель, що закривається ковпачком 7 з шкіряною прокладкою.

Рис.3.6 Барометр сифонно-чашковий контрольний: а – загальний вигляд; б – розріз; в – нижній індекс; г – ноніус; 1, 9 і 11 – гвинти; 2 – кільце; 3 – мікромітряне кільце; 4 - рухлива муфта; 5 – оправа; 6 – термометр; 7 – ковпачок; 8 – індекс; 10 – захисний циліндр; 12 і 14 – трубки; 13 – скляний балон; 15 – наконечник; 16 – чашка; 17 – мішок: 18 – корпус.

Обидві скляні трубки вставлені в оправу 5 (латунна трубка), що з’єднується з чашкою 16. В оправі є наскрізні прорізи, через які видні стовпчики ртуті у верхньому і нижньому колінах барометра. На оправі вздовж прорізів нанесені ділянки шкали: у верхньому прорізу – від 850 до 1070 мбар, у нижньому – від 0 до 130 мбар. В нижньому прорізі установлюється індекс 8, з’єднаний з кільцем, яке прикріплюється до оправи гвинтом 9 таким чином, щоб нижній зріз індексу 8 був установлений строго проти нульової поділки шкали (після установки індексу гвинт 9 торкати не можна). Дном чашки 16 служить мішок 17 з м’якої шкіри (лайка). Нижня частина мішка 17 за допомогою гвинта 11, який вгвинчується в дно захисного циліндра 10, може переміщуватися вверх і вниз, змінюючи рівень ртуті в обох колінах барометра.

В середній частині оправи барометра установлений термометр 6. На оправі біля верхнього прорізу є рухлива муфта 4 з прорізом, праворуч якого закріплений ноніус з 20 поділками на шкалі. За допомогою ноніуса відлік за шкалою барометра може проводитися з точністю до 0,05 мбар. Муфта 4 складається з декількох частин, рухомих відносно одна одної. Верхня частина її може бути прикріплена гвинтом 1 на будь-якій ділянці оправи барометра у верхньому прорізі, що дозволяє зробити грубу установку зрізу ноніуса біля меніска ртуті; нижня частина може переміщуватися вверх і вниз відносно верхньої частини муфти за допомогою мікромітряного кільця 3, що дозволяє точно установити зріз кільця (нуль ноніуса) на вершину меніска ртуті.

Барометр підвішується за кільце 2 на спеціальному гаку, який вгвинчується в стіну. Чашка барометра пропускається в кільце, також вгвинчене в стіну. За допомогою трьох гвинтів, які є в кільці, барометр установлюється строго вертикально. Перевірка вертикальності установки барометра здійснюється в двох взаємно перпендикулярних площинах за допомогою виска, який підвішується рядом з барометром; при цьому захисна трубка барометра повинна бути розташована паралельно виску.

Атмосферний тиск за допомогою цього барометра визначається по висоті стовпа ртуті, що дорівнює різниці рівнів ртуті в довгому і короткому колінах барометра.

На точність показань контрольного барометра не впливають не циліндричність трубки і деяка зміна кількості ртуті в чашці. Важливе значення має правильна установка нижнього зрізу індексу 8 (рис.3.6, а, б). Для точної установки індексу 8 на пластиці індексу зроблено три штриха. При співпаданні нижнього зрізу індексу з нулем шкали, яка нанесена на захисній трубці, штрихи повинні розташовуватися так, щоб середній штрих точно співпадав з поділкою шкали, що позначена цифрою 1 (10 мм), а два бокових були б симетрично зміщені відносно штрихів на шкалі, позначених 5 і 15 мм.

Барометр сифонно-чашковий інспекторський (рис.3.7). Цей барометр більше придатний для перевозок, ніж інші ртутні барометри, тому він використовується під час інспекцій станцій.

Рис.3.7 Барометр сифонно-чашковий інспекторський: а – загальний вигляд; б – розріз чашки; в – ноніус; 1 і 14 - трубки барометра; 2 – кран; 3 і 11 - трубки оправи; 4 – термометр; 5 – головка; 6 – ноніус; 7 – мікромітряне кільце; 8 – гвинт; 9 – муфта; 10, 12 і 13 – хомути; 15 – чашка; 16 – мішок; 17 – циліндр; 18 – гвинт; 19 – диск; 20 – діафрагма.

Інспекторський барометр складається з чашки 15 для ртуті, в кришку якої вставлені дві скляні трубки. Права барометрична трубка 14 довга (приблизно 86 см) із запаяним верхнім кінцем, ліва трубка 1 – коротка. У верхньому кінці трубки 1 закріплений металевий кран 2, який відкривається при спостереженнях для сполучення барометра з навколишнім середовищем.

Положення крану визначається по рисці на пробці крану. Якщо риска пробки співпадає з буквою О, що нанесена на корпус крану, значить кран відкритий – барометр сполучається із зовнішнім повітрям; якщо риска співпадає з буквою З, нанесену також на корпус крана, значить кран закритий – барометр не сполучається із зовнішнім повітрям. Трубки 14 і 1 поміщені в металеву оправу. Оправа складається з трубок 11 і 3, які скріплені хомутами 10, 12 і 13, і головкою 5. Трубки-оправи 3 і 11 мають наскрізні прорізи. Вздовж прорізу трубки 11 нанесена мілібарова шкала; нульова поділка шкали знаходиться трохи вище нижнього краю прорізу. Шкала має дві ділянки: нижня ділянка від 0 до 130 мбар і верхня – від 550 до 1070 мбар.

Хомут 13 установлюється так, що його нижній зріз співпадає з нульовою поділкою шкали. Зріз хомута 13 служить при вимірюванні тиску нульовим індексом.

Чашка 15 барометра має діафрагму 20 і еластичне дно у вигляді мішка 16 з м’якої шкіри (лайки). На чашку нагвинчується циліндр 17, через дно якого в різьбовому отворі проходить гвинт 18 з вільно обертальним диском 19. Обертаючи гвинт, піднімають або опускають дно мішка 16, тим самим змінюють рівні ртуті в обох колінах барометра. У верхній частині трубки 3 знаходиться термометр 4. На трубці-оправи 11 біля прорізу переміщується муфта 9, будова якої така ж як і у контрольного барометра. Вона прикріплюється за допомогою гвинта 8, після чого ноніус 6 може в невеликих межах плавно переміщуватися для точної наводки за допомогою мікромітряного кільця 7. Шкала ноніуса має 20 поділок і забезпечує можливість відліку з точністю 0,05 мбар.

Правила установки інспекторського барометру і порядок роботи з ним такий же, як і для контрольного барометра. Інспекторський барометр під час інспекції високогірських метеорологічних станцій дозволяє вимірювати низький атмосферний тиск (для інспекції високогірських станцій випускається спеціальний барометр з шкалою від 440 до 940 мбар). Це забезпечується хомутом 12, яким користуються при визначенні низьких значень атмосферного тиску, підводячи рівень ртуті до його нижнього зрізу, а не до хомута 13. При повірці барометра його інструментальну поправку повинні визначати окремо при установці рівня ртуті по хомуту 13 і по хомуту 12.

Правила проведення вимірювань за допомогою сифонно-чашкових барометрів.

1. Відраховують показання термометра при барометрі (з точністю до 0,1ºС).

2. Відгвинчують на 1-2 обороти ковпачок (або відкривають кран) короткого коліна, сполучаючи його з атмосферою.

3. Плавним обертанням гвинта 11, на яке спирається шкіряне дно чашки барометра, підводять ртуть в короткому коліні до рівня нижнього зрізу індекса (рис.3.3, а). При підведенні ртуті до зрізу індекса необхідно, щоб останній рух гвинта був на підняття ртуті. Якщо при наведенні ртуть буде піднята дуже високо, то її потрібно опустити нижче зрізу і знову підвести до нього знизу вверх. Цим забезпечується постійність форми менісків ртуті (і сил капілярного тиску в барометричній трубці).

4. Підводять зріз індексу рухливого кільця з ноніусом на меніск ртуті у верхньому коліні барометричної трубки (як це робиться при вимірюваннях за допомогою чашкового барометра).

5. Перевіряють правильність установки меніска стовпчика ртуті по нижньому індексу. (Якщо при перевірці виявиться, що установка неправильна – стовпчик ртуті міг зміститися, то необхідно знову почати вимірювання з пункту 2).

6. Відраховують показання по шкалі барометра.

7. Опускають ртуть в короткому коліні настільки, щоб вона не була видна в прорізі (для того, щоб робоча частина барометричної трубки короткого коліна не покривалася окислами ртуті).

8. Закривають ковпачок 7.

Правила перевозки сифонно-чашкового барометра.

1. Відгвинчують і знімають ковпачок 7 короткого коліна барометра (рис.3.6).

2. Плавним обертанням нижнього гвинта 11 піднімають ртуть до тих пір, доки вона на покажеться в отворі ніпеля крана короткого коліна (при цьому необхідно строго слідкувати за тим, щоб не упустити ні однієї краплі ртуті; пролита ртуть забруднює приміщення).

3. При появі краплі ртуті в отворі крану короткого коліна його закривають, впритул нагвинчуючи ковпачок 7.

4. Знімають барометр з підвісу, попередньо опустивши в нижньому кільці кріплення установочні гвинти.

5. Плавно перевертають барометр чашкою доверху, при цьому коротке коліно весь час повинно знаходитися над довгим. Для цього потрібно тримати барометр ковпачком 7 до себе і обертати так, щоб його верхній кінець рухався проти годинникової стрілки. Перевернувши барометр, укладають його в ящик, який повинен попередньо установлений також, як і при укладці чашкового барометра.

6. Уклавши барометр в ящик, потрібно відгвинтити гвинт 11 на півоберта, створивши цим запасний об’єм для ртуті при можливому її розширенні через підвищення температури барометра.

Потрібно мати на увазі, що барометрична трубка контрольного сифонно-чашкового барометра легко ламається при ударі і навіть при різкому переміщенні барометра, тому перевозка барометра потребує особливої обережності.

При перевозці інспекторського барометра потрібно, також як і у контрольного барометра, підняти ртуть в короткому коліні так, щоб крапля її показалася в отворі, що знаходиться на задній стороні крану. При появі ртуті закривають кран 2 (рис.3.7), після чого барометр знімають і перевертають також, як це вказувалося для інших барометрів.

Інспекторський барометр звичайно перевозять в дерев’яному футлярі, який міститься в парусиновому чохлі з ременем для переноски барометра за плечима.

Дата добавления: 2015-10-13