Струнный микробарометр (Теоретические сведения, описание и порядок выполнения лабораторной работы № 9)

Министерство образования Российской Федерации

РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра

экспериментальной физики

атмосферы

ЛАБОРАТОРНАЯ  РАБОТА  № 9

по дисциплине

“Методы и средства гидрометеорологических измерений”.

СТРУННЫЙ МИКРОБАРОМЕТР

Направление - Гидрометеорология

Специальность - Метеорология

 

Санкт - Петербург

2001

УДК 551.508

   Струнный микробарометр. Лабораторная работа  № 9 по курсу “Методы и средства гидрометеорологических измерений”. СПб.: РГГМУ, 2001, 15 с.

   Описание лабораторной работы содержит теоретические сведения, необходимые для работы со струнным микробарометром - прибором для измерения атмосферного давления с высокой степенью точности, и перечень практических операций, выполняемых студентами. Значком (*) отмечены разделы, изучение которых является обязательным только для студентов, специализирующихся в области метеорологических измерений. При составлении работы принимали участие зав. лаб. Глушковский Б.И. и канд. физ.-мат. наук, ассистент Бриедис Т.Е.

Составитель:  В.И. Бекряев, доцент Н.О. Григоров , доцент Редактор: д-р физ.-мат. наук, зав. каф. Кузнецов А.Д.

© Российский государственный гидрометеорологический университет  (РГГМУ), 2001.

   Струнный микробарометр СМБ-1 предназначен для измерения атмосферного давления  и его изменений с высокой степенью точности. Прибор снабжен устройством полуавтоматической регистрации выходного сигнала.

   Целью настоящей работы является изучение принципа действия прибора и его конструкции, приобретение навыков эксплуатации микробарометра,  обработки результатов измерения.

1. Принцип действия струнного микробарометра

 Чувствительным элементом микробарометра являются два сильфона, из которых выкачан воздух. Сильфоны расположены на одной оси и закреплены на противоположных концах рамы (рис.9.1). Между сильфонами (2) натянута вольфрамовая струна (1).

Собственная (резонансная) частота колебаний струны   определяется длиной , массой , и силой натяжения  в соответствии с формулой: .            (9.1)    При изменении атмосферного давления меняется натяжение струны, а следовательно, резонансная частота ее колебаний. Струна устанавливается между полюсами постоянного магнита. При колебаниях струны в ней индуцируется электродвижущая сила (ЭДС). Эта ЭДС является переменной и имеет ту же частоту, что и колебания самой струны. Следовательно, измеряя  частоту сигнала  (ЭДС), можно определить

натяжение струны, а значит, атмосферное давление.

   Однако, в конструкции, изображенной на рис. 9.1, колебания струны могут быть только затухающими. Иными словами, если кто-то потянет за струну и возбудит в ней колебания, то они скоро затухнут. Для того, чтобы колебания были бы незатухающими, собран струнный генератор, изображенный на рис.9.2. Его основой является та же струна, расположенная между полюсами магнитов. Концы струны соединены с усилителем через конденсатор С1.

 

С выхода усилителя часть выходного сигнала снова подается на струну через цепочку обратной связи C2...R2.

   При включении усилителя любой сигнал, возникающий на его входе будет усилен. Так как в любом проводнике - в том числе и в струне - существуют флуктуации электронной плотности (шумовой ток), то этот шумовой ток также усиливается. Через цепочку обратной связи усиленный сигнал снова попадает на струну, по струне течет ток, она отклоняется в магнитном поле. Но при движении струна в магнитном поле возникает наведенный ток, он также усиливается, усиленный сигнал снова попадает на струну и она продолжает отклонение. За счет упругих свойств струны отклонение рано или поздно меняет знак, ток также меняет знак. Таким образом, отклонение вызывает ток, а ток вызывает отклонение. Эта положительная обратная связь работает до тех пор, пока включен усилитель. Значит, струна все время находится в колебательном движении и на выходе все время наблюдается переменный ток с частотой собственных колебаний струны.

   Частота собственных колебаний струны связана с атмосферным давлением следующим соотношением:

,                                  (9.2)

   где  гПа,  Гц,  гПа/Гц^-2. Эту формулу можно для удобства расчетов переписать в виде:

.                   (9.3)

   Достоинством струнных преобразователей давления является малое перемещение подвижных частей по сравнению с теми, которые мог бы иметь сильфон при отсутствии струны. Вертикальная деформация свободного сильфона в диапазоне измерения атмосферного давления составляет несколько миллиметров, а в сочетании со струной линейные размеры сильфона изменяются всего на несколько микрометров. Таким образом, из всей развиваемой сильфоном силы лишь ничтожная часть идет на деформацию самого сильфона, а остальное передается струне. Поэтому погрешности, вызываемые остаточной упругой деформацией материала, из которого изготовлен сильфон - упругий гистерезис и упругая остаточная деформация - уменьшаются в десятки раз.