Датчики давления

Практическое использование датчиков атмосферного давления

Датчики атмосферного давления, например MPL115A, применяются не только для целей непосредственного измерения давления. С их помощью можно реализовать целое семейство приборов, в которых показания давления становятся основой расчета некоторых величин. Среди подобных устройств можно выделить альтиметры и метеостанции. Некоторые моменты реализации этих приборов описаны далее. Информация основана на документе Application Note AN3914 «Modern Altimeter and Barometer System using the MPL115A», author John B. Young, распространяемом Freescale Semiconductor

Измерение высоты

Датчики абсолютного атмосферного давления могут быть использованы для определения высоты над уровнем моря. Возможность такого измерения основана на физической модели атмосферного давления. Принято считать, что давление на поверхность Земли, или произвольного предмета, зависит от высоты воздушного столба. Чем больше этот столб, тем значительнее давление. Соответственно в низменностях высота столба и давление будут иметь большие значения, чем например, на горных вершинах. Примеры значений давления приведены в таблице:

Зависимость давления от высоты выражена экспоненциальной функцией.

Для расчета высоты в метрах эта формула преобразуется в:

Где P₀- давление на уровне моря. По умолчанию принимается равным 101.3кПа

P_h – давление на искомой высоте в кПа.

Примеры значений давления и высоты.

Измеряя текущее барометрическое давление можно определить высоту положения датчика над уровнем моря. Необходимо только учесть, что атмосферное давление, кроме высоты, зависит еще от многих факторов. Поэтому измерения, проведенные, например, в различных погодных условиях будут давать разный результат. В табличных данных обычно используются средние значения давления, определенные для сухой погоды с переменной облачностью.

Точность измерения высоты зависит от разрешения АЦП датчика. Для цифрового датчика MPL115A2 такое разрешение составляет 1024, что в диапазоне измерений 50-115кПа даст цену одного отсчета в 0,064кПа. В размерности высоты, с учетом нелинейности характеристики давления, это составит 5.24м/отсчет на уровне моря и 10.55м/отсчет в горах. Для данного датчика, производители рекомендуют использовать иную величину минимального разрешения, составляющую 0.15кПа или 2.34 отсчета АЦП, что несколько увеличивает дискретность измерения высоты над уровнем моря.

Для повышения точности измерения высоты рекомендуется использовать датчик MPL3115A, имеющий повышенную разрядность АЦП.

Предсказание погоды

Датчики давления могут использоваться не только для определения высоты над уровнем моря, но и для предсказания погоды. Хорошо известно, что изменение давления предшествует смене погодных условий. Соответственно показания датчика давления, снимаемые в течение некоторого периода времени, могут являться основой погодных прогнозов. При этом имеется множество особенностей проведения подобных измерений.

Одним из важнейших моментов использования датчиков давления является место и способ установки. Для качественных измерений, корпус датчика должен быть установлен стационарно, в месте, защищенном от вертикальных потоков воздуха. В течение всего цикла измерений, составляющего несколько часов, положение датчика меняться не должно. Также необходимо учитывать изменение температуры в течение периода измерений, и производить необходимую коррекцию.

Сам принцип прогноза погоды, на основе тренда давления, достаточно прост. Направление изменения давления соответствует изменению погоды. Так понижение атмосферного давления обычно происходит перед ухудшением погоды, а повышение предшествует улучшению. Объясняет сущность этих явлений молекулярная модель воздуха. Для стандартных условий принято, что воздух состоит из смеси газов: 21% кислорода и 78% азота. Оставшийся процент отведен под другие газы. Молекулярная масса кислорода O₂ равна 32, азота N₂ - 28. Но в атмосфере кроме воздуха, присутствует большое количество водяного пара. Молекулярная масса H₂O равна 18, то есть пар существенно легче компонентов воздуха.

Молекулярная модель показывает, что при наличии большого количества водяного пара в атмосфере, давление должно быть низким. При этом большое количество влаги, как правило, свидетельствует о наличии облачности и возможности выпадения осадков. И наоборот, сухой воздух имеет более высокую массу, что приводит к увеличению давления. Снижение влаги в атмосфере становится признаком наступления хорошей погоды.

Изменение атмосферного давления достаточно медленный процесс. Соответственно проводить измерения следует через большие интервалы времени, например 2-3 часа. Сравнение начальных и конечных показаний на нескольких интервалах позволит определить, что происходит с давлением: рост или падение. На основании этих данных и формируется прогноз на ближайшие часы.

Пример прогноза по давлению

Существует еще один метод, предсказания погоды на основе измеренного давления. Этот метод более прост, но при этом позволяет получить краткосрочный прогноз, с не самой высокой вероятностью. Заключается он в определении текущего давления и сравнения его с погодной шкалой. Подобный способ раньше использовался в барометрах-анероидах, в которых шкала давления часто сопровождалась такими показателями как «дождь», «облачность», «ясно» и т.п. Средней величиной погодной шкалы принимается сухая погода с переменной облачностью, соответствующая на уровне моря давлению, равному 101.3 кПа или 760мм ртутного столба. Если измеренное значение ниже 101.3кПа, то в ближайшее время погода будет пасмурной. Даже если это не так, можно ожидать быстрого изменения метеорологических условий. И наоборот, если измеренное значение выше 101.3кПа, следует надеяться на солнечную погоду. Чем больше отклонение от средней точки, тем более ярко проявляются погодные явления, соответствующие текущей части шкалы. При использовании подобного метода прогнозирования следует учесть, что большинство населенных пунктов находятся выше уровня моря, поэтому использование в качестве среднего значения 101.3кПа приведет к погрешности прогноза, по высотным факторам. Чтобы устранить подобную погрешность, используется приведение давления в месте установки датчика к давлению на уровне моря и использование стандартной шкалы.

Здесь P(h) – текущее давление на высоте h, P(0) – давление, приведенное к уровню моря.

Прогноз погоды, основанный только на давлении или его тренде, не является абсолютным. В формировании метеорологических условий участвует огромное число факторов и явлений. Например, наличие тумана может привести к изменениям значения давления и искажениям тренда. Использование таких данных, в свою очередь, приведет к формированию не верного прогноза, особенно в областях, где туманы являются обычным делом. Также к ошибкам могут приводить восходящие и нисходящие потоки воздуха, что часто встречается в горной местности. Повысить точность прогнозирования в этих районах может создание сети метеостанций, либо использование дополнительных данных, например спутниковых метеоснимков.