О барометрах-анеройдах подробно

Чувствительная часть барометра-анероида — это сильфон с тонкостенной гофрированной мембраной из спецсплавов, реагирующий на изменения атмосферного давления сжиманием/разжиманием, таким способом двигая прикрепленную к нему стрелку по шкале. Прибор полностью механический, в отличие от других типов барографов не содержит ртути, жидкости, датчиков, элементов питания, электросхем. Указанные особенности никак не влияют на эффективность, и даже наоборот, делают изделие самым надежным, стойким, долговечным из подобных измерителей. Рассмотрим, чем отличается анероид, его преимущества и недостатки, элементы, принцип, как настроить. Опишем также основы, как читать и понимать показатели.

Понятие барометров анероидов, чем отличаются от иных типов

Барометры — базовые приборы для измерения атмосферного давления, изменения которого определяются наступлением климатических явлений, осадков, солнечной или пасмурной погоды.

С самого начала атм. давл. измерялось первыми изобретенными барометрами — ртутными, затем появились жидкостные, где столбик вещества при его понижении опускается, при увеличении — поднимается внутри колбы около градуированной шкалы.

Процесс основывается на законе физики, на способности материалов сжиматься/расширяться при разных величинах давления (принцип Торричелли).

Все барографы основываются на описанном выше физическом законе, отличается лишь чувствительная часть и, соответственно, конструктивное исполнение, обеспечивающее вывод показателей на шкалу, табло.

Анероидный барометр изобретен позже, в 1847 г. Люсьеном Види. Прибор основывается на мембране с тонкими стенками (гофра, гармошкой) из специальных, чувствительных к атм. давл. сплавов, которая связанная со стрелкой на градуированной шкале. Кроме указанных видов, существуют также электронные устройства, у которых сенситивная часть — это датчики (термокомпенсированные, тензометрические), микросхема исчисляет показатели, переводит их в электросигнал, выводит на ЖК-табло цифрами.

Анероиды показывают результаты измерений стрелкой на шкале, жидкостные погодомеры — столбцом чувствительного вещества в колбе, электронные — числовыми значениями на дисплее (могут также иметь стрелку).

Названия-синонимы барометров:

Принцип механического барографа:

Если рассматривать, для чего еще предназначен анерограф, то по нему можно вычислить высоту. Давление растет на каждые 100 м на 10 мм рт. ст.

Конструкция, механизм работы

Барометр (барограф) анероид — это измерительный прибор для атм. давл., с полностью механическим принципом работы.

Строение барографа анероидного (механического) типа:

• внутри герметичного корпуса находится сильфон — гибкая коробочка с тонкими стенками гармошкой (гофрированная). Другое название данной части — анероидная капсула. Изготовлена из сплава меди и берилла, никель-серебра, может быть из фольги из закаленной стали;
• сильфон связан посредством передаточного механизма с возвратной пружинной частью со стрелкой, выводящейся на градуированную шкалу;
• у некоторых изделий внутри корпуса также интегрирован компенсационный термометр, высотомер, измеритель влажности;
• шкала, обычно двойная с градуировкой в мм рт. ст. и/или в мбарах, гПа, что удобно, так как нет необходимости в ручном переводе одних единиц измерений в другие. Как правило, всегда есть надписи или выделенные цветом сегменты около делений: солнечно, дождь и так далее. (это связанно со спецификой прочтения, ниже мы опишем данный нюанс);
• регулировочный болтик на внешней части корпуса (обычно снизу, на обратной стороне) для подтягивания отпускания пружины при калибровке.

Для полного представления, что такое анероид, опишем принцип работы:

• внутри герметичного корпуса, где находится сильфон, создано разряжение. Анероидная капсула (aneroid capsule) приобретает чрезвычайную сенситивность: при колебаниях наружного давления сжимается-разжимается;
• аппарат также состоит из передаточного механизма, пружина которого при трансформациях сильфонной коробки двигает стрелку на шкале: при ее сжатии верхняя стенка, прогибаясь, тянет зафиксированный на ней конец пружины вниз, при понижении атм. давл., наоборот, эта поверхность выгибается, осуществляя толкание вверх.

В анероидах используют несколько, как правило, максимум 10 шт., а в специальных моделях больше, последовательно зафиксированных гофрированных капсул для расширения диапазона измерений (амплитуды стрелки на шкале).

Внутри анероидного барографа:

Достоинства и недостатки анерографов анероидов

Преимущества анероидного погодника:

• конструкция простая, хотя несколько сложнее, чем у жидкостных, ртутных вариантов. Но у последних есть чувствительные части — хрупкая колба, вещество может испариться, вытечь. У анероидов устройство надежнее, конструкция более основательная, части устойчивее к механическим, иным влияниям, поэтому ими наиболее часто пользуются не только в быту, но и, например, в туристических походах, на производстве. Данный плюс не касается утраты со временем мембраной сильфона чувствительности, но это решаемая проблема (особенность опишем ниже как недостаток);
• по указанным выше причинам долговечнее;
• не требуют источников питания, батареек, чем выгодно отличаются от электронных приборов;
• компактность. Этот параметр несколько хуже, чем у электронных типов, но вполне достаточный для того, чтобы изготовить изделие в форме ручных, карманных часов.

Несколько характерных схем внутреннего устройства механических погодников:

Принцип действия анероидов имеет такие недостатки:

• металл мембраны реагирует:
  • на температуру: при плюсовой расширяется, при минусовой — сжимается. Поэтому часто у анероидов есть встроенный дугообразный термометр-компенсатор (качественное изделие должно иметь его) для вычисления поправки. Значения рт. ст. и температуры могут находиться на одном табло. Такой же недостаток присущ и жидкостным вариантам, но у них данное явление выражено значительнее. Ртутные изделия меньше всего чувствительные к t°, поэтому считаются наиболее точными. Электронные приборы также имеет данный минус, но поправки на t° делаются микросхемой автоматически;
  • на высоту.  Например, если человек с измерителем находится на гористой местности, то надо точку отсчета брать иную (именно для такой конкретной локации), которая отличается от таковой на равнине. Если же пользователь часто меняет высоту своего местоположения и нужна точность, то вместе с анероидом надо применять высотомер (альтиметр), есть модели со встроенным таким прибором (в авиации они называются барометрическими высотомерами);
• мембрана измерителя со временем утрачивает упругость, поэтому надо делать поправку, калибровку (но это скорее не минус, а особенность эксплуатации).

Степень точности анероидного барографа

Самым точным барометром традиционно считается ртутный (используемый как эталон) — его рабочее вещество стойкое к влияниям температур (не замерзает, не испаряется), к влаге. В некоторых источниках первенство отдают электронным приборам, и для этого есть основания, так как микросхема сама автоматически делает поправки, исчисления, а цифровое табло покажет до 0.2 мВ/кПа и лучше, что на обычной шкале трудно отследить.

По жидкостным барографам все зависит от используемого вещества в роли сенситивного элемента (масло, химические смеси, дистиллированная H₂O). В некоторых источниках такие устройства позиционируются лучше, чем анероидные. Это не совсем так, например, аппарат с водой измеряет с самыми значительными расхождениями, так как вещество больше подвержено влиянию температуры, испарению. Это спорный вопрос, но по точности мы бы поставили анероиды как минимум в один ряд с жидкостными, и уж конечно, по удобству, надежности конструкции они на первом месте среди всех барографов.

Итак, ртутные изделия — это эталон по точности для всех типов барометров, применение их в этой роли традиционное, это их достоинство. Данное обстоятельство подтверждает тот факт, что классической главной единицей измерений является мм (дюйм) рт. ст.

Плюс цифровых моделей в множестве отображаемых измерений на малом дисплее (влага, высота, температура, часы, может быть GPS и пр.), а также в том, что все поправки аппарат вычисляет и исправляет сам автоматически, а в анероиде это надо делать вручную. Но цифровые аппараты менее стойкие к нагрузкам, для них требуются источники питания.

Точность современных анероидов весьма высокая: даже поднимаясь в лифте с измерителем можно заметить движение его стрелки. Особо точны модели, работающие с 10–12 ступенями гофрированной анероидной колбы — они способны показать точность до 0.05 %.

Важно ли следить за точностью именно по цифровым отметкам шкалы

Атм. давл. имеет стабильную закономерность — оно меняется в разных периодах суток, во время суточного хода:

• 2 максимума: 10.00, 22.00;
• 2 минимума: 04.00, 16.00.

Особенно ярко выражено описанное явление в тропиках. При возрастании широты (направление на север), диапазон колебаний понижается и на широте 60° амплитуда уже приблизительно в диапазоне 0.3 мбар.

Вопрос о точности касательно идеального совпадения стрелки с делениями шкалы малозначим для не только бытовых, но и большинства любых других потребностей, кроме специальных научных, лабораторных, статистических исследований, на метеостанциях. Там используют метеорологический специальный анерограф с увеличенным количеством ступеней анероидной капсулы, показания корректируют спецприборами для замеров влажности, ветра и прочего.

Первоочередное значение имеет скорость движения указателя, столбца жидкости на шкале и общее положение (глубоко или незначительно вниз/вверх), то есть какие-то доли градуировки, даже целые ее деления не особо важные. Поэтому часто барометр механический, анероид имеет участки шкалы, выделенные разными цветами для ясной погоды, дождя, грозы, шторма на определенных сегментах с делениями, по ним удобно отслеживать явления.

Итак, важно не положение стрелки на конкретных отметках, и даже не текущий показатель, а динамика изменений. Чем резче амплитуда, тем быстрее погода изменится, а прямой ровный график свидетельствует о том, что она на ближайшие несколько часов будет стабильной, на одном уровне.

Пример: на улице солнечно, но стрелка барографа показывает резкое падение, это явно и уверенно свидетельствует о наступлении дождя, как минимум — густой облачности. Если же пасмурно, дождливо, то резкое повышение указателя — признак скорого наступления солнечности.

Поправки для анероидов, нужно ли их делать

Для особо точных измерений барометр (погодник) анероид нуждается в таких поправках:

• на шкалу — зависит от уровня неравномерности реагирования на изменения атм. давл. на разных участках части с градуировкой;
• на температуру. Обусловлена зависимостью между температурой и упругостью частей гофрированной чувствительной и пружинной;
• добавочная — обуславливается утратой со временем (износом) упругости вышеуказанных частей.

Поправки надо учитывать, только если требуются особо точные замеры. Впрочем, исчисления можно делать всегда, так как они не особо сложные.

Подготовка для поправок, снятие давления, температуры

Этапы:

1. Замерить, записать t° среды, в которой находится прибор с точностью до 0.1°.
2. Постучать без чрезмерной силы по стеклу шкалы, чтобы удостовериться, что указатель двигается свободно.
3. Зафиксировать, записать значения стрелки с точностью до 0.1 мм рт. ст. (или мбар). Десятые доли можно определить приблизительно, на глаз. Органы зрения надо держать прямо перпендикулярно к циферблату, зрение должно проходить через ось стрелки — так будет меньше погрешностей.

Процедура поправок, калибровка анероидных барометров

Как делать поправки к анероиду, описано в аттестате (паспорте, свидетельстве), которым снабжается каждый барометр, так как изделия являются измерительными, проходят поверку перед допуском к продаже.

Порядок:

1. Выбираем из паспорта 3 поправки: шкалы, t°, добавочную. Заносим их в графу «поправки», то есть имеем 3 числовых значения со знаками величин:
   1. Исправление шкалы смотрят в аттестате (свидетельстве) изделия по отсчитанному значению давления, если нужно, делают интерполяцию. Данная поправка бывает «+» или «–».
   2. Температурная. Надо привести значения к 0°. Поправку получаем умножением температуры изделия на множитель из аттестата. Результат округляем до десятых долей.
   3. Добавочная. Берется из паспорта, может быть минусовой или плюсовой.
2. Дальше делаем поправку на высоту (она не указано в перечне, так как имеет фиксированные значения). Атмосферное давление с увеличением данного параметра растет, к уровню моря его приводят прибавлением к исправленному отсчету 0.1 мм рт. ст. на каждый метр возрастания высоты над ватерлинией.

Поправка добавочная — это таковая присущая анероиду при поверке, всегда прописана в паспорте. Величина сравнительно быстро меняется со временем. Данный изъян — самый существенный недостаток механических барометров.

Для калибровки необходимо сравнивать показатели изделия с ртутным барометром (этот тип устройств во всех случаях служит ориентиром по точности) или эталонным показателем. Сама процедура, осуществляется простым подкручиванием болтика, ослабляющего/усиливающего пружину на сильфоне. Для сравнения не обязательно иметь под рукой указанный барометр-эталон, можно узнать информацию на сайтах метеорологических служб.

Отклонение по шкале имеет инструментальную природу, появляется при изготовлении из-за неравномерности на доли миллиметров делений градуировки. То есть при ней указатель показывает не совсем ту величину, которая отображена шкалой. Данное отклонение чрезвычайно незначительное, даже ничтожное, не меняется со временем.

Пример значений поправок по итогам поверки:

Факты на пользу выбора барометров анероидного типа

Преимущества параметров анероидов:

• нет жидкости, хрупкой колбы. Конструкция более надежная, устойчивая, что подойдет для использования в сложных условиях (туристические походы, производство) — риск разбития колбы, испарения ртути, иного вещества будет исключен;
• возможны малые размеры, портативные модели несколько больше карманных часов или наподобие небольшого манометра. Конструкция удобная, компактная — это не жидкостный/ртутный измеритель с хрупкой длинной частью с делениями, который надо раскладывать и обращаться с ним осторожно;
• нет необходимости в источниках питания, батарейках, как у электронных приборов. Даже намокнув, анероид будет работать.

По статистике использование барометров-анероидов наиболее популярное — это недорогой добротный, долговечный прибор. Необходимость делать поправку на утрату упругости мембраны сильфона можно рассматривать не как недостаток, а особенность эксплуатации, тем более что она легко осуществляется. Надо всего лишь посмотреть паспорт прибора или сравнить с показаниями ртутного анерографа и откалибровать простым подкручиванием регулировочного болтика.

Как читать и интерпретировать показания барометров анероидов

Опишем правила, как правильно прогнозировать погоду с помощью анероида.

Показания барографа механического типа — это высота рт. ст. на ртутном анерографе в мм. Нормы прочтения одинаковые для всех типов барографов. Рассмотрим их вкратце, но исчерпывающе.

Единицы измерений

Градуировка шкал барометров делается в таких значениях (в физической величине):

• мм рт. ст. (mmHg) или дюйм рт. ст. в странах с соответствующим стандартом. Это главная ед. измерений, для замеров атм. давл. барометрами в большинстве случаев ориентируются на нее;
• в международных ед.: 1 Па (1 Н/м²), гПа, мПа;
• бары (1 бар = 100 000 Па или 0,1 мПа). Шкалы бытовых моделей часто в миллибарах (мбары).

 

Обычно есть двойная шкала (градуировка). На отечественных изделиях популярно указывать мм рт. ст. и соответствие в гПа, Па.

• 100 000 Па = 100 кПа — 1 бар = 1 000 мбар = 1 000 гПа.
• 1 гПа (гектопаскаль) = 1 мбар
• 1 мм рт. ст. = 133.3 Па

Особенности шкалы механического барографа

Стандартно шкала барометра начинается с 710 мм рт. ст., может быть и меньше. За точку отсчета берут усредненное значение нормального атм. давл. для ясной погоды для конкретной местности — среднестатистически 760 мм рт. ст. (1013 мбар или 1013 гПа). От данной черточки отсчитывают и интерпретируют направление движения стрелки — вверх или вниз, падает или поднимается.

Отметка может быть другой для определенных местностей, например, в горах она будет отличаться. Значение для конкретной географической точки устанавливают соответствующие метеорологические службы.

Итак, нормальным атм. давл.  на уровне моря принимают 760 мм рт. ст., но возможны расхождения и иногда они весьма значительные. Так, самое низкое зафиксированное значение — 641 мм рт. ст., самое высокое — 816 мм рт. ст.

Недостатки прогнозирования всех барометров

Минусы всех барометров по прогнозированию:

• невозможность на 100 % спрогнозировать, какие именно конкретно изменения произойдут (осадки или просто пасмурная погода) и время их наступления. На погоду влияет много факторов: влажность, ветер, высота, рельеф локации. Но если барометр показывает осадки, то почти всегда изменение климата в их сторону будет (как минимум пасмурная погода);
• краткосрочная перспектива прогнозов — охват по времени приблизительно от 8–12 ч. до 24 ч., то есть на ближайший период;
• ограниченный радиус по радиусу действия — около 30 км, при циклонах несколько больше.

Правила чтения, интерпретации показаний барометра-анероида

Чем быстрее движение стрелки, чем большая амплитуда, тем значительнее точность прогноза, тем глубже степень климатических явлений (от пасмурной погоды до шторма), а также короче временной отрезок их наступления.

Выше указано общее правило, но также при считывании показателей барометров применяют дополнительные правила, которые в значительной мере меняют поверхностное понимание движения указателя:

• давление растет, то есть именно в процессе такого изменения — дожди, грозы; когда рост остановится, и оно будет держаться на определенной высокой отметке стабильно — осадки прекращаются, начинает устанавливаться ясная погода;
• длится процесс понижения — самая отличная погода; держится стабильно низким — начинаются осадки, но небольшие, их период краткий, интенсивные возникнут с начала роста (пред. пункт);
• то есть мы видим определенную нерушимую цикличность — после падения всегда идет рост и наоборот, временные отрезки удерживания стабильности давления в низкой или верхней точке могут быть разными;
• иногда делает погоду именно ветер: в зависимости от его направления рост давления может сопровождаться похолоданием или потеплением. Северный ветер чаще предвестник прохлады на локациях, удаленных от океана;
• зимой высокое атмосферное давление означает заморозки, низкое — потепление, которое может инициировать осадки. Летом, наоборот: при росте жара, сухость, при падении — холода, дожди;
• для каждого конкретного прибрежного региона прогноз разный, тут особо значимы сезоны;
• для гористых местностей прогноз особо сложен, погода там меняется чрезвычайно быстро (горы задерживают облака, вносят иные поправки, несмотря на любое давление) в границах крайне небольших территорий

Желательно знать характеристики глобальных, основополагающих климатических явлений атмосферы. Циклоны — это низкое давление. При их возникновении появляется теплая часть с малой облачностью, как правило, это верхние области. Наблюдается перистость облаков, перисто-слоистость, осадков нет. При продвижении теплого фронта таковые могут возникать, но слабые. Холодная область грядет следом, дожди усиливаются, ветер становится интенсивным. Давление повышается, послефронтовые осадки могут затянуться надолго, до дней без паузы. Далее, циклон закончился, зафиксировалось высокое атм. давл. — антициклон. При таком явлении возникает пасмурность, холод с осадками, но только по началу, это шлейф от прошедшего циклона, он исчезает через 1–2 дня. Облачность начинает исчезать, соответственно, район этого явления становится прогретым, возникает солнечность в теплой части антициклона. Давление постепенно уменьшается, поэтому после него всегда надо ждать циклона. Таким образом, есть постоянная цикличность с описанными витками.

Еще несколько правил, как пользоваться барометром:

• погода становится плохой, когда предшествует падение атм. давл. Если оно на протяжении 6–12 ч. и больше понижается без перерыва, ожидаем циклон — ветреность с осадками;
• интенсивное, ускоренное падение, 2–3 мбар и больше за 3 ч. — приближается центральная область циклона или таковой очень глубокий. Ожидаем шторма — чем быстрее движется стрелка на меньшие отметки, тем оперативно ухудшается климат;
• показания растут или на месте — сохраняется антициклон, ясность, без осадков;
• постепенный, длительный и стабильный (несколько суток) рост — продолжительная антициклональность: летом жарко, сухо, зимой — морозы (для двух вариантов погода будет ясной).

Правила для рыбалки

Для рыбаков барограф всегда нужен, незаменим — рыба меняет свое поведение, клев усиливается/пропадает при разных значениях атм. давл. Тут анероид весьма уместный, так как компактный, устроен полностью механически, с надежной конструкцией, нет особо чувствительных к нагрузкам деталей, прибор можно положить в рюкзак, при падениях, ударах есть больше шансов, что он останется работоспособным.

Есть удобные модели анероидов наподобие карманных часов.

Каждая рыба реагирует по-своему на изменение давления при тех же значениях. Но в общем, если наблюдается рост, — это к отличному клеву. Хотя, если величина держится высоко или чрезмерно интенсивно растет, рыбалка может не дать хороших результатов. При низкой величине (осадки, пасмурно) активируются хищные виды, при высокой — мирные рыбы подплывают к берегу для активного питания.

Самодельные барометры анероиды

По самодельным барометрам есть отдельные статьи, поэтому опишем лишь вкратце, как соорудить такой кустарный прибор.

Берем дешевый манометр или сфигмоманометр (для артериального давления), только механическую модель с цилиндром-сильфоном снизу. Надо нагреть паяльником штуцер, запаять его с полной герметичностью. Далее — подождать охлаждения к комнатной температуре, мембрана сожмется, давление станет равным атмосферному. В дальнейшем при понижении такового анероидная капсула будет сжиматься, при росте – расширяться. Остается лишь переписать шкалу или распечатать картинку с ней из интернета, наклеить на старую градуировку.

Для самоделки можно использовать любые приборы с чувствительными сильфонами, например, таковые из бериллиевой бронзы от высоковакуумных затворов

Примеры моделей

Рассмотрим вкратце популярные типоразмеры и модели. Барометр (анерограф, барограф) анероид мини формата, в форме ручных или карманных часов мы указали выше.

Есть более габаритные устройства, служащие также украшением интерьера. Желательно выбирать модели с термометром, измерителем влажности и прочими дополнительными опциями.

Перечислим популярные отечественные изделия.

БАММ-1 для наземных условий, для помещений. M-110, промышленный. Модели вписаны в Госреестр Средств Измерений РФ, можно применять для аттестаций рабочих мест, для официальных измерений на производстве.

М-67. Точный, неприхотливый. Работает при t° от −10 до +50 °C.

ББ-0.5М. Бытовой, настенный, дешевый часто в корпусе из пластика. БР-52 — для школ, часто там используется как учебное пособие, для опытов.

Видео по теме