Spis treści:
Barometry – urządzenia wynalezione w XVII wieku – znacząco wyewoluowały w ciągu ostatniego stulecia, stając się niezwykle ważnym przyrządem w rozmaitych aplikacjach.
Barometr – jak sama nazwa sugeruje – jest urządzeniem przeznaczonym do pomiaru ciśnienia atmosferycznego. Pod względem zarówno konstrukcji, jak i sposobu technicznej realizacji pomiaru, znacząco różni się od manometru – przyrządu, pozwalającego na pomiar ciśnienia w zamkniętych zbiornikach, np. dętkach rowerowych, oponach samochodowych czy też instalacjach pneumatycznych i hydraulicznych. W przypadku barometru mamy bowiem do czynienia z pomiarem ciśnienia bezwzględnego, zaś manometry pozwalają na odczyt ciśnienia w systemie względem aktualnego ciśnienia atmosferycznego – takie rozróżnienie jest szczególnie istotne w przypadku barometrów i manometrów elektronicznych, determinuje bowiem rodzaj zastosowanego w nich czujnika.
Co nieco o historii barometrów
W historii technologii pomiarów ciśnienia możemy znaleźć szereg rozmaitych koncepcji, korzystających z różnych zjawisk fizycznych. Bodaj najstarsze – a zarazem najprostsze – były barometry hydrostatyczne, oparte na rurce wypełnionej cieczą (np. rtęcią). Pierwsze takie urządzenie zostało opracowane przez XVII wieku przez Evangelistę Torricellego – barometr rtęciowy składał się z wysokiej, wąskiej rurki szklanej, której jedno zakończenie było zamknięte, a drugie – otwarte i zanurzone w naczyniu z rtęcią. Zasada działania przyrządu była bardzo prosta – kiedy ciśnienie atmosferyczne rosło, wypychało ono rtęć z naczynia do rurki, powodując wzrost poziomu cieczy w kapilarze. Gdy ciśnienie spadało, rtęć opadała z powrotem do naczynia. Długość kolumny rtęci w rurce była zatem miarą ciśnienia atmosferycznego, stąd też historyczna (choć do dziś często wykorzystywana, m.in. w pomiarach ciśnienia krwi) jednostka – milimetry słupa rtęci (mmHg).
Barometry rtęciowe zostały wycofane z użycia głównie za sprawą toksyczności rtęci – w zastosowaniach przemysłowych (i nie tylko) wyparły je bowiem tzw. manometry aneroidowe, których sercem jest metalowa, wypukła komora z cienkiej i elastycznej blachy.
Komora ta, hermetycznie zamknięta i częściowo wypompowana, ma zatem wewnątrz częściową próżnię, stanowiącą niejako odniesienie dla pomiarów ciśnienia otaczającego ją powietrza. Do kapsuły aneroidowej przymocowany jest natomiast delikatny, precyzyjny mechanizm, połączony ze wskaźnikiem typu zegarowego poprzez system dźwigni.
Zmieniające się ciśnienie atmosferyczne powoduje odkształcenie kapsuły aneroidowej – gdy ciśnienie rośnie, kapsuła się zapada (kurczy), podczas gdy spadek ciśnienia powoduje jej rozszerzenie. Te subtelne ruchy kapsuły są następnie przenoszone na wskazówkę urządzenia, przesuwającą się wzdłuż skali barometru.
Barometry godne XXI wieku – cyfrowe czujniki MEMS
Z punktu widzenia elektronika, opisane powyżej konstrukcje mierników ciśnienia atmosferycznego stanowią raczej już tylko ciekawostkę historyczną – dziś miliony urządzeń są wyposażone w miniaturowe, kilkumilimetrowe czujniki ciśnienia, oparte na supernowoczesnej technologii mikromechanicznej (MEMS) i realizujące całość przetwarzania sygnałów pomiarowych na drodze elektronicznej.
Podstawowe zasady jednak pozostały bez zmian – także dzisiejsze sensory półprzewodnikowe są wyposażone w mikroskopijne komory, zawierające swego rodzaju „odniesienie pneumatyczne” (próżnię) – dokładnie tak, jak opisana powyżej komora aneroidowa. Zamiast blaszanej puszki mamy jednak supercienką membranę, zintegrowaną delikatnym systemem czujników. Do odczytu odchyleń membrany mogą być wykorzystywane zarówno techniki pojemnościowe (zmiana pojemności w wyniku zbliżania lub oddalania dwóch okładzin specyficznego kondensatora), jak i piezorezystancyjne (nacisk membrany na sensor powoduje zmianę rezystancji elementów, przypominających nieco klasyczne tensometry).
Całość „ustroju pomiarowego” jest zamknięta w niewielkiej obudowie, razem z układem scalonym odpowiedzialnym za wzmacnianie, digitalizację (konwersję A/C), linearyzację, kompensację temperaturową i wreszcie przeliczenie wyniku na postać użyteczną dla użytkownika.
Większość czujników barometrycznych komunikuje się z mikrokontrolerem za pośrednictwem interfejsu szeregowego I2C lub SPI, a niektóre pozwalają nawet na wybór jednego z tych dwóch rodzajów połączeń za pomocą dodatkowego pinu wejściowego – takie rozwiązanie znacząco ułatwia zastosowanie sensorów w projektach, bazujących na dowolnej platformie sprzętowej. Dobrym przykładem nowoczesnego sensora ciśnienia jest układ BMP280 marki Bosch – ten kompaktowy układ, zamknięty w metalowej obudowie o wymiarach zaledwie 2.0 x 2.5 x 0.95 mm oferuje zakres pomiarowy od 300 do 1100 hPa oraz dokładność względną równą +/-0.12 hPa i bezwzględną na poziomie +/-1 hPa.
Zastosowania czujników barometrycznych
Podstawową grupą zastosowań czujników barometrycznych są rzecz jasna systemy korzystające z pomiaru ciśnienia atmosferycznego – czyli wszelkiego rodzaju stacje pogodowe (zarówno te domowe, jak i profesjonalne) oraz rozproszone systemy monitorowania warunków pogodowych.
Zależność ciśnienia powietrza atmosferycznego od wysokości nad gruntem jest natomiast szeroko stosowana w altimetrach – profesjonalni kolarze, a także amatorzy górskich wycieczek rowerowych, korzystają z pomiaru wysokości do określania sumarycznej wysokości podjazdów.
Warto wspomnieć, że czujniki ciśnienia atmosferycznego są również bardzo cennym narzędziem w rękach projektantów kontrolerów lotu dla dronów – możliwość dokładnego odczytu wysokości nad gruntem pozwala nie tylko na zwiększenie bezpieczeństwa lotu (oraz zachowanie zgodności z wymogami prawnymi dla danej kategorii misji powietrznych), ale także ułatwia wykonywanie niektórych manewrów, np. automatycznego powrotu do bazy czy też samoczynnego lądowania. Czujniki barometryczne mogą w tych przypadkach doskonale wspierać dalmierze laserowe, w przeciwieństwie do tych ostatnich są bowiem nieczułe na obiekty znajdujące się na powierzchni gruntu (np. budynki czy drzewa).
