Barometer là gì? Cấu tạo, hoạt động và ứng dụng

Barometer là một thiết bị được sử dụng từ rất lâu trước đây, tuy nhiên tại Việt Nam chúng không được biết đến rộng rãi, thường chỉ có những người làm việc trong ngành khí tượng, hàng hải hoặc hàng không, biết đến sự tồn tại của thiết bị này.

Tuy nhiên trong vài năm trở lại đây, Barometer được biết đến phổ biến hơn, khi mà nó trở thành một tính năng tích hợp, trên các loại đồng hồ đeo tay thông minh, đồng hồ thể thao. Tuy nhiên chúng ta vẫn có những lầm tưởng về loại thiết bị này.

Nếu bạn đang có ý định tìm hiểu về barometer, bài viết này sẽ cung cấp cho bạn góc nhìn đầy đủ.

Tìm hiểu về barometer

Barometer là thiết bị được sử dụng, để đo áp suất khí quyển (Atmospheric pressure) tại một vị trí cụ thể, nó bao gồm nhiều chủng loại khác nhau, được thiết kế với nhiều hình dạng và kích thước. Đơn vị đo áp suất thường được sử dụng, trên barometer là hPa (hectopascal) và mmHg (milimet thủy ngân).

Nếu bạn chưa biết thì áp suất khí quyển (hay áp suất của không khí xung quanh chúng ta), có vai trò rất quan trọng, nó ảnh hưởng đến mọi hoạt động, diễn ra trong bầu khí quyển, nên việc đo lường áp suất của khí quyển là cần thiết.

Ví dụ: tổng hợp dữ liệu về sự thay đổi áp suất khí quyển tại một khu vực, để dự báo thời tiết tại khu vực đó.

Tại Việt Nam Barometer được biết đến với các tên gọi khác nữa bao gồm:

• Áp kế Barometer.
• Phong vũ kế.
• Đồng hồ đo áp suất khí quyển.
• Phong vũ biểu.

lưu ý: Phong vũ biểu còn được hiểu với một nghĩa khác nữa, theo khía cạnh kinh tế. Tuy nhiên trong bài viết này, phong vũ biểu là thiết bị đo áp suất của khí quyển.

Tìm hiểu về lịch sử của barometer

Có nhiều tài liệu công nhận rằng Evangelista Torricelli, là người đã phát minh ra barometer đầu tiên vào năm 1643, tuy nhiên trong nhiều tài liệu khác cũng đề cập đến Gasparo Berti, đã chế tạo ra một thiết bị với nguyên lý tương tự trước đó. Nó bao gồm một thiết bị giống như một ống nghiệm bây giờ, tuy nhiên dài hơn rất nhiều.

Ống thủy tinh này được đổ đầy nước và được nắp kín, tiếp theo nó được úp ngược vào một chậu nước được chuẩn bị sẵn, rồi sau đó tháo nắp của ống thủy tinh.

Quan sát hiện tượng người ta nhận thấy, mực nước trong ống thủy tinh giảm xuống và giữ ở mức 10,3 mét. Tuy nhiên mục đích của Gasparo Berti lúc này, là có thể tạo ra được một môi trường chân không, ở phần đỉnh ống thủy tinh.

Tuy nhiên phần không gian chân không tạo ra có sự thay đổi, hay nói cách khác mực nước bên trong ống thủy tinh thay đổi, ông tự hỏi điều gì dẫn đến sự thay đổi này, và đã đặt ra nghi vấn về áp suất của không khí tác dụng lên mặt nước chứa trong chậu.

Sau nhiều thực nghiệm Gasparo Berti tin rằng, thiết bị thô sơ trên, không chỉ có thể tạo ra được chân không, mà nó còn hoạt động như một thiết bị kiểm tra áp suất chênh lệch, giữa phần không gian bên trong và áp suất của không khí bên ngoài.

Tuy nhiên vào thời điểm này, khái niệm về áp suất của khí quyển vẫn chưa được biết đến, và lực tác dụng là cho áp mức chất lỏng thay đổi là do chân không, chứ không phải áp suất bên ngoài (ý kiến của Galileo Galilei và nhiều nhà khoa học thời đó).

Sau đó Torricelli thực hiện lại thí nghiệm của Gasparo Berti, những thay vì sử dụng nước, ông ấy dùng thủy ngân một chất có tỉ trọng lớn hơn rất nhiều (nước có tỷ trọng 1 gram/cm³, thủy ngân có tỉ trọng 13,534 gram/cm³), kết quả thu được là cột thủy ngân cao khoảng 760 mm.

Từ đó ta có được một thiết bị nhỏ gọn hơn rất nhiều, ngoài ra nó cũng cố thêm về giả thuyết, trọng lượng là yếu tố quyết định đến chiều cao của mức chất lỏng.

Để chứng minh sự thay đổi của mực chất lỏng không phải do chân không, Evangelista Torricelli đã thực hiện một thí nghiệm tương tự, với biến thể ống thủy tinh có một đầu hình cấu (thể tích lớn hơn, tạo ra một môi trường chân không lớn hơn). Tuy nhiên mực thủy ngân của thí nghiệm vẫn duy trì ở mức 760 mm, qua đây giải thuyết về lực hút của chân không là không đúng.

Sau đó lý thuyết của Evangelista Torricelli, được công nhận bởi Blaise Pascal, bởi ông thực hiện việc thiết bị tương tự lên trên núi cao, và nhận thấy mực thủy ngân giảm xuống.

Thiết bị này sau đó được cái tiến thêm và sử dụng rộng rãi, với tên gọi là Barometer thủy ngân, Evangelista Torricelli được xem là người phát minh ra nó.

Đến năm 1843 nhà khoa học người Pháp Lucien Vidi, chế tạo một loại phong vũ biểu mới, thiết bị mà ngày nay chúng ta biết đến với cái tên (aneroid barometer). Một loại barometer, không sử dụng chất lỏng như thủy ngân, mà dựa vào sự biến đổi hình dạng của bộ phận kim loại, để đo áp suất không khí. Sự biến đổi hình dạng này, được truyền qua các cơ cấu, để đưa ra giá trị áp suất nhờ vào kim đồng hồ.

Tên “aneroid” ám chỉ thiết bị không chứa chất lỏng, ngược lại với barometer thủy ngân truyền thống.

Phân loại phong vũ biểu (Barometer)

Tình từ khi thiết bị phong vũ biểu đầu tiên được chế tạo ra (1643), tính đến nay đã có nhiều biến thể khác nhau của chúng được phát triển, đồng thời cũng những loại không phù hợp, để sử dụng ở hiện tại và đã được lược bỏ trong quá khứ. Sau đây hãy cùng mình, tìm hiểu thêm về chủng loại của Barometer.

Liquid barometers

Liquid barometers hay phong vũ biểu chất lỏng, chúng bao gồm một ống thủy tinh, bên trong có chứa nước, dầu hoặc thủy ngân. Đặc điểm của những thiết bị này là chúng có cấu tạo khá đơn giản, và được ghi nhận là loại phong vũ biểu đầu tiên được chế tạo. Chúng có nhiều đóng góp trong việc dự báo thời tiết, nghiên cứu khoa học và công nghiệp.

Tuy nhiên sau này, khi người ta phát hiện ra sự độc hại của thủy ngân, những thiết bị phong vũ biểu thủy ngân, gần như không được sản xuất nữa. Những biến thể khác sử dụng nước hoặc dầu, do độ chính xác hạn chế. Chúng cũng có thể căn cứ để dự đoán thời tiết, tuy nhiên với sự bùng nổ thông tin ở thời điểm hiện tại, kết hợp với khả năng đo lường áp suất không khí, với độ chính xác cao của các thiết bị sau này. Phong vũ biểu chất lỏng, thường được sử dụng với mục đích trang trí nhiều hơn.

Aneroid barometers

Aneroid barometers còn được gọi là phong vũ biểu không chứa chất lỏng, là loại máy đo áp suất không khí cơ học, được cung cấp với nhiều biến thể, về hình dáng và bộ máy cơ khí bên trong. Những thiết bị này được sử dụng phổ biến, vào khoảng thế kỷ 19 và 20, để đo áp suất không khí, phục vụ trong các lĩnh vực nghiên cứu khí tượng,  dự báo thời tiết, hàng hải, hàng không,…

Trước đó, barometer thủy ngân (liquid barometers) là loại phổ biến được sử dụng. Tuy nhiên, sự xuất hiện của aneroid barometers, đã đánh dấu một bước tiến quan trọng trong công nghệ đo áp suất khí quyển. Có ưu điểm vượt trội như tính chính xác, nhỏ gọn, tính cơ động cao, không sử dụng chất lỏng độc hại như thủy ngân.

Digital barometers

Digital barometer được gọi là phong vũ kế kỹ thuật số hoặc phong vũ kế điện tử, thiết bị sử dụng công nghệ điện tử, để đo và hiển thị áp suất không khí. Thay vì sử dụng cơ chế cơ học như hai loại trên.

Chúng có thể được cung cấp dưới dạng, thiết bị đo lưu lượng chuyên dụng hoặc được thiết kế tích hợp cùng với thiết bị nào đó.

Ví dụ:

• Có nhiều loại đồng hồ đeo tay tích hợp khả năng đo áp suất không khí.
• Thiết bị đo độ cao cũng thường được tích hợp tính năng đo áp suất của không khí.

Hiện tại phong vũ kế điện tử là loại đang được sử phổ biến nhất, tuy nhiên vì nó thường được tích hợp, trong các thiết bị điện tử khác, nên nhiều khi chúng ta không biết đến sự tồn tại của thiết bị này.

Cấu tạo và hoạt động của Barometers

Như đã đề cập ở phần phân loại, Barometer có nhiều chủng loại khác nhau. Vì vậy cấu tạo và nguyên lý hoạt động giữa chúng sẽ khác nhau.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của liquid barometers

Cấu tạo

Liquid Barometer là loại được thiết kế đầu tiên, nó có cấu trúc rất đơn giản và tồn tại nhiều hạn chế, sau này đã có những cải tiến thêm về hình dáng và bộ phận. Tuy nhiên các bộ phận chính cấu thành nên Liquid Barometer, vẫn không thay đổi và chúng bao gồm:

Ống thủy tinh: Một ống thủy tinh không màu và tương đối dài. Đầu một của ống thủy tinh được bịt kín, trong khi đầu kia được kết nối với khay chứa chất lỏng (thường là thủy ngân).

Chất lỏng: Là loại chất ở trạng thái lỏng ổn định, trong điều kiện làm việc mà thiết bị sử dụng để đo áp suất khí quyển, phổ biến nhất là thủy ngân, đôi khi là nước hoặc dầu (tuy nhiên ít gặp hơn). Chất lỏng này được chứa bởi khay và một phần chứa trong ống thủy tinh.

Khay chứa: Một khay chứa chất lỏng, đặt dưới ống thủy tinh một phần của chất lỏng trong ống, sẽ tự động đổ vào khay để duy trì một mức thủy ngân ổn định trong ống. Đáy của khay chứa có thể điều chỉnh được, bằng một ốc vít để điều chỉnh mức thủy ngân.

Vỏ bảo vệ: Bộ phận bao bọc bên ngoài ống thủy tinh có tác dụng bảo vệ do va đập, bộ phận này thường được chế tạo bằng đồng, hoặc hợp kim của đồng.

Thang đo: Thang đo được in trên thân ống thủy tinh hoặc trên phần vỏ bảo vệ, nó bao gồm các con số, vạch chia và đơn vị đo áp suất. Căn cứ vào thang đo ta có thể đánh giá được mức độ thay đổi của thủy ngân, từ đó biết áp suất không khí ở vị trí đó là bao nhiêu.

Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt động của liquid barometer, tiêu biểu là barometer thủy ngân, nó hoạt động dựa vào áp suất không khí, tác động lên bề mặt của thủy ngân trong khay chứa.

Khi áp suất khí quyển tăng lên, điều này đồng nghĩa với tổng lực tác dụng lên mặt thoáng thủy ngân cũng tăng lên, lực này ép vào trong lòng chất lỏng, sau đó đẩy cột thủy ngân bên trong thủy tinh lên cao.

Khi áp suất không khí giảm, tổng lực tác dụng lên bề mặt của thủy ngân trong khay đựng giảm, trọng lực của thủy ngân sẽ làm cho cột chất lỏng giảm xuống.

Dựa vào nguyên lý này ta có thể đánh giá được tăng, hay giảm áp suất của khí quyển ở nhiều vị trí khác nhau, tại nhiều thời điểm.

Ở điều kiện thông thường một thiết bị baromet thủy ngân, được đặt ở độ cao ngang bằng với mặt nước biển, cột thủy ngân sẽ có độ cao 760 mm.

Cấu tạo và hoạt động của Aneroid barometers

Cấu tạo

Aneroid barometers được phát triển về sau, nó được thành từ nhiều chi tiết cơ khí liên kết với nhau.

Thiết bị được cấu thành từ những bộ phận cơ bản sau:

Lớp vỏ: Vỏ được chế tạo từ đồng thau, thép hoặc một loại hợp kim nào đó. Bộ phận này có chức năng bảo vệ, đồng thời liên kết bộ phận máy móc chứa đựng bên trong.

Bộ phận cảm biến áp suất: Là một đĩa tròn được chế tạo từ hợp kim đồng, nó rỗng ở bên trong, phần không gian đó được hút chân không (tuy nhiên nó không đạt trạng thái chân không hoàn toàn, chỉ đủ tạo ra sự chênh lệch nhất định, giữa áp suất của không khí bên ngoài, so với áp suất của không gian bên trong).

Đòn bẩy: Một thanh kim loại với một đầu cố định vào vỏ đồng hồ, vị trí giữa thanh liên kế với bộ phận cảm biến áp suất, đầu còn lại liên kết với bộ phận truyền động.

Trục: Truyền chuyển động quay từ bộ máy đến kim đồng hồ.

Kim chỉ thị: Thường được chế tao từ nhôm hoặc hợp kim nhôm, để giảm thiểu lực quán tính khi quay, là ảnh hưởng đến độ chính xác trong đo lường cũng như độ bền của thiết bị.

Thang đo: Thanh đo được in trên đĩa kim loại, nó thể hiện đơn vị đó áp suất mà thiết bị này sử dụng, phạm vi đo lường,…

Nguyên lý hoạt động

Aneroid barometers hoạt động dựa vào sự biến đổi về kích thước, của bộ phận cảm áp suất, mỗi khi có sự thay đổi về áp suất của khí quyển. Sự biến dạng của bộ phận cảm biến áp suất, được truyền đi thông qua các chi tiết cơ khí liên kết với nhau.

Hoạt động của thiết bị cơ bản sẽ trải qua những bước sau đây:

Những chuyển động cơ học đầu tiên, bắt nguồn từ bộ phận cảm biến áp suất. Do bộ phận này được hút chân không một phần, và kích thước của nó sẽ có xu hướng quay về trạng thái cân bằng, nhờ vào lực đàn hồi của lò xo (như hình ảnh được kí hiệu metal spring).

Khi áp suất không khí của môi trường tăng lên, cảm biến áp suất bị ép nhỏ lại (nó di chuyển xuống dưới), khi áp suất không khí của môi trường giảm xuống nó có xu hướng nở ra (vị trí tâm cảm biến di chuyển lên phía trên).

Sự thay đổi vị trí đó, sẽ kéo theo chuyển động của chi tiết đòn bẩy, tiếp theo đó đòn bẩy được liên kết với các bộ phận và chi tiết như: Thanh kim loại, dây kim loại, trục,…

Tất cả những chi tiết trên liên kết với nhau, và chuyển động được truyền đi lần lượt qua các bộ phận đó. Sau cùng ta được chuyển động quay của kim barometer, sự thay đổi về hình dạng của bộ phận cảm biến càng lớn, góc quay của kim chỉ thị sẽ càng lớn, vị trí mà kim chỉ trên thang đo chính là giá trị áp suất không khí đo được.

Cách đọc chỉ số của phong vũ biểu

Phong vũ biểu (barometer), thể hiện chỉ áp suất khí quyển đo được trên màn hình điện tử, hoặc thông qua giá trị mà kim chỉ vào trên thanh đo của thiết bị đó (tùy và loại cơ học hay loại kỹ thuật số).

Việc đọc hiểu được thông số của barometer, chúng ta có thể suy luận được hai thông tin cơ bản bao gồm:

Độ cao của vị trí hiện tại: Áp suất khí quyển tỉ lệ nghịch với độ cao (càng lên cao áp suất khí quyển càng giảm), nên căn cứ vào thông số của áp suất mà barometer đo được ta có thể xác định sơ bộ về độ cao của vị trí hiện tại.
Cụ thể độ cao ngang bằng mặt nước biển áp suất là 760 mmHg, tương đương 1013,25 hPa (hectopascal). Càng lên cao áp suất càng giảm dần (lên cao 100 m áp suất sẽ giảm đi khoảng 12,5 hPa).

Hiện tượng thời tiết sắp diễn ra: Nếu bạn đã từng sử dụng loại aneroid barometer, bạn có thể bắt gặp, biểu tượng thời tiết in trên mặt đồng hồ (trời mưa, trời nắng đẹp và nắng gắt). Những biểu tượng trên, được đặt ở các mốc áp suất khí quyển khác nhau, và kim chỉ có xu hướng chỉ vào biểu tượng nào, khả năng cao đó sẽ là hiện tượng thời tiết sắp diễn ra. Cần lưu ý do điều kiện địa hình khác nhau, nên những thông số dự báo này sẽ có sai lệch. Ví dụ: Thiết bị được thiết kế để sử dụng tại Anh sẽ sai lệch nếu ta mang về Việt Nam để áp dụng.

Ứng dụng của Barometer

Ở thời điểm hiện tại chúng ta có thể thấy phong vũ biểu không được sử dụng phổ biến như trước, hay nói chính xác hơn là chúng không sử dụng đơn lẻ nhiều như trước, thay vào đó chúng thường được tích hợp, trong một số loại thiết bị và máy móc.

Và tại Việt Nam không có nhiều người biết đến sự tồn tại của thiết bị này. Tuy nhiên, chúng vẫn đóng vai trò hết sức quan trọng trong nhiều lĩnh vực.

Điều đó thể hiện qua các ứng dụng như:

• Dự báo thời tiết: Áp suất của không khí sẽ có sự thay đổi lớn, cùng với các hiện tượng thời tiết như nắng, mưa, bão,… Chính vì vậy thiết bị được dùng để thu thập thông tin về áp suất, từ đó tính toán và đưa ra những dự báo về thời tiết.
• Hàng hải và hàng không: Trong hàng hải và hàng không, barometer là một công cụ quan trọng, để đo áp suất không khí, dữ liệu về áp suất của không khí được sử dụng để đánh giá, và đưa ra những kế hoạch phù hợp cho tàu cũng như máy bay.
• Nghiên cứu khoa học: Do áp suất khí quyển, là yếu tố ảnh hưởng đến mọi hoạt động và hiện tượng diễn ra trên Trái Đất, chính vì để giải quyết những vấn đề phát sinh, hoặc nghiên cứu được những công trình khoa học. Ảnh hưởng của áp suất khí quyển là yếu tố cần phải quan tâm.

Trên đây là một vài ví dụ cơ bản, thể hiện khả năng ứng dụng và tầm quan trọng của barometer, trong thực tế thiết bị này còn được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nữa.

Kết Luận

Trong bài viết ngày hôm nay, chúng ta đã tìm hiểu về barometer, tại Việt Nam chúng có thể được gọi là đồng hồ đo áp suất không khí, phong vũ biểu, phong vũ kế,…

Qua đây ta đã biết được chúng bao gồm những loại nào, lịch sử phát triển, tầm quan trọng, cấu tạo và cách thức hoạt động của từng loại.

Nếu bạn còn vấn đề nào cần trao đổi thêm barometer, cũng những góp ý về bài viết này, mình rất hoan nghênh và sẵn sàng đón nhận. Cách thức phản hồi có thể là để lại bình luận hoặc liên hệ trực tiếp, với tác giả thông qua thông tin cung cấp trên website.

Cuối cùng thay mặt cho đội ngũ của VIVA, xin cảm ơn bạn đã dành thời gian cho bài viết này.