Spis treści:
Barometry – přístroje vynalezené v 17. století – prošly v uplynulém století významným vývojem a staly se mimořádně důležitým přístrojem pro nejrůznější aplikace.
Barometr – jak název napovídá, je zařízení určené k měření atmosférického tlaku. Z hlediska konstrukce i technického provedení měření se výrazně liší od manometru – přístroje, který umožňuje měřit tlak v uzavřených nádobách, jako jsou například duše jízdních kol, pneumatiky automobilů nebo pneumatické a hydraulické systémy. Barometr měří absolutní tlak, zatímco tlakoměry měří tlak v systému vzhledem k aktuálnímu atmosférickému tlaku – toto rozlišení je důležité zejména v případě barometrů a elektronických tlakoměrů, protože určuje typ použitého snímače.
Něco málo o historii barometrů
V historii technologie měření tlaku se setkáváme s řadou různých koncepcí využívajících různé fyzikální jevy. Snad nejstarší – a také nejjednodušší – byly hydrostatické barometry, jejichž základem byla trubice naplněná kapalinou (např. rtutí). První takové zařízení vyvinul Evangelista Torricelli v 17. století – rtuťový barometr se skládal z vysoké úzké skleněné trubice s jedním koncem uzavřeným a druhým otevřeným a ponořeným do nádoby se rtutí. Princip přístroje byl velmi jednoduchý – když se zvýšil atmosférický tlak, vytlačila se rtuť z nádoby do trubice a hladina kapaliny v kapiláře se zvýšila. Jak tlak klesal, rtuť klesala zpět do nádoby. Délka rtuťového sloupce ve zkumavce byla proto mírou atmosférického tlaku, odtud pochází historická (i když dodnes často používaná, např. při měření krevního tlaku) jednotka – milimetr rtuťového sloupce (mmHg).
Rtuťové barometry přestaly být používány především kvůli toxicitě rtuti – v průmyslových (a jiných) aplikacích je nahradily tzv. aneroidní manometry, jejichž srdcem je vypouklá kovová komora z tenkého a pružného plechu.
V této hermeticky uzavřené a částečně odčerpané komoře je tedy částečné vakuum, které poskytuje jakousi referenční hodnotu pro měření tlaku okolního vzduchu. Místo toho je k aneroidní kapsli připojen jemný přesný mechanismus, který je pomocí pákového systému spojen s číselníkovým indikátorem.
Změna atmosférického tlaku způsobuje deformaci aneroidní kapsle – při zvýšení tlaku se kapsle sbalí (smrští), zatímco pokles tlaku způsobí její rozšíření. Tyto jemné pohyby kapsle se pak přenášejí na ukazatel přístroje, který se pohybuje po barometrické stupnici.
Barometry hodné 21. století - digitální senzory MEMS
Z pohledu elektronika jsou výše popsané konstrukce atmosférických tlakoměrů spíše historickou kuriozitou – dnes jsou miliony zařízení vybaveny miniaturními snímači tlaku o velikosti několika milimetrů, které jsou založeny na nejmodernější mikromechanické technologii (MEMS) a veškeré zpracování měřicího signálu provádějí elektronicky.
Základní principy však zůstaly stejné – i dnešní polovodičové senzory jsou vybaveny mikroskopickými komorami obsahujícími určitý druh “pneumatické reference” (vakua) – přesně jako výše popsaná aneroidní komora. Místo plechovky však máme supertenkou membránu, do které je integrován jemný senzorový systém. Ke snímání odchylek membrány lze použít jak kapacitní techniky (změna kapacity v důsledku přiblížení nebo oddálení dvou ploch určitého kondenzátoru), tak piezorezistivní techniky (tlak membrány na snímač způsobuje změnu odporu prvků, což poněkud připomíná klasické tenzometry).
Celý “měřicí systém” je uzavřen v malém pouzdře spolu s integrovaným obvodem, který je zodpovědný za zesílení, digitalizaci (A/C převod), linearizaci, teplotní kompenzaci a nakonec za převod výsledku do podoby použitelné pro uživatele.
Většina barometrických čidel komunikuje s mikrokontrolérem prostřednictvím sériového rozhraní I2C nebo SPI a některé dokonce umožňují volbu jednoho z těchto dvou typů připojení prostřednictvím přídavného vstupního pinu – takové řešení výrazně usnadňuje použití senzorů v projektech založených na libovolné hardwarové platformě. Dobrým příkladem moderního snímače tlaku je systém BMP280 Značka Bosch – tento kompaktní systém, uzavřený v kovovém pouzdře o rozměrech pouze 2,0 x 2,5 x 0,95 mm nabízí rozsah měření 300 až 1100 hPa a relativní přesností +/-0,12 hPa a absolutní přesností +/-1 hPa.
Aplikace barometrických senzorů
Hlavní skupinou aplikací barometrických senzorů jsou samozřejmě systémy, které využívají měření atmosférického tlaku – tedy všechny druhy meteorologických stanic (domácích i profesionálních) a distribuované systémy monitorování počasí.
Závislost atmosférického tlaku vzduchu na výšce nad zemí se naopak hojně využívá ve výškoměrech – profesionální cyklisté i amatérští jezdci na horských kolech používají měření nadmořské výšky k určení celkové výšky stoupání.
Za zmínku stojí, že snímače atmosférického tlaku jsou také velmi cenným nástrojem v rukou konstruktérů letových řídicích jednotek pro bezpilotní drony – schopnost přesně snímat výšku nad zemí umožňuje nejen zvýšit bezpečnost letu (a dodržování zákonných požadavků pro danou kategorii leteckých misí), ale také usnadňuje některé manévry, jako je automatický návrat na základnu nebo samovolné přistání. Barometrické senzory mohou v těchto případech dokonale podpořit laserové dálkoměryprotože na rozdíl od nich nejsou citlivé na objekty na zemi (např. budovy nebo stromy).
