Приборы для измерения атмосферного давления

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 (0°С) 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 0,05 мм 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 0°С.

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 0°С. 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:

(39)

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 0°С и 760 мм рт. ст.

Подставляем в формулу Х значения соответствующих параметров примера и рассчитываем искомый объем воздуха при нормальных условиях:

л.

Таким образом, при расчете концентрации пыли в воздухе необходимо учитывать объем воздуха именно 180,69 л, а не 200 л.

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).