Unterrichts- und Lernmaterial für Mikrocontroller
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Luftdruck

Der atmosphärische Druck ist eine Folge der Schwerkraft, die die Lufthülle an die Erde bindet. Eine Luftsäule von 1m² Querschnitt, die vom Meeresspiegel bis zur Grenze der Atmosphäre reicht, drückt mit einer Gewichtskraft, die einer Masse von rund 10.000 kg entspricht, auf den Erdboden.

Diesen "Druck" nehmen wir nicht wahr oder vielleicht doch. Wenn man mit dem Auto einen Berg hochfährt; dann spüren wir einen Druck auf den Ohren. Gleiches kann auch im Flugzeug nach dem Start und beim Landeanflug passieren.

Wie wird der Luftdruck gemessen?

Kurzinformation

Zwei Verfahren

Im Wesentlichen gibt es zwei Prinzipien, nach denen physikalisch der Luftdruck gemessen wird.

  1. Der zu bestimmende Druck wird mit einem bekannten Druck, wie zum Beispiel dem Gewichtsdruck beim Quecksilberbarometer, verglichen -> mm Hg.
  2. Eine bestimmte physikalische Eigenschaft (Siedetemperatur, piezoelektrische Spannung), deren Druckabhängigkeit bekannt ist, wird gemessen.

Handversuch

Wie stark der Luftdruck ist, lässt sich augenfällig mit einem einfachen Versuch zeigen. Dazu wird ein normales Trinkglas randvoll mit Wasser gefüllt und dann mit einer dünnen Papp- oder Papierscheibe verschlossen. Während man die Pappscheibe festhält, dreht man das gefüllte Wasserglas auf den Kopf und nimmt anschließend die Hand vorsichtig von der Pappscheibe. Die Scheibe haftet am Glas, kein Tropfen Wasser läuft aus.

Abbildung 1 - Handversuch zum Luftdruck mit einem Wasserglas

Nimmt man ein altes Senfglas für den Versuch (Durchmesser: 8 cm), dann ergibt sich eine Grundfläche von ca. 0,005 m². Das ist der ca. 200. Teil von 1 m², dabei wird die Masse des Papiers (gut eignet sich Papier von 130g/m²) vernachlässigt. Daraus folgt:

Normaldruck und Isobaren

Kurzinformation

Zwischen Hochs und Tiefs

  1. Die Einheit des Luftdrucks wird in der Meteorologie mit hPa (Hektopascal) angegeben.
  2. Der Normaldruck auf Meereshöhe ( = mittlere Höhe der Meeresoberfläche) beträgt 1013 hPa oder 760 mm Hg (mm Quecksilbersäule). Bei Sturmtiefs sinkt der Wert auf bis zu ca. 910 hPa, bei ausgeprägten Hochs steigt er auf bis zu 1070 hPa.
  3. Der Luftdruck an einem festen Ort wird durch die Wettervorgänge beeinflusst und verläuft sehr unregelmäßig. Orte mit gleichem Luftdruck (bezogen auf die Zeit t), werden auf Wetterkarten mit Linien (den sog. Isobaren) verbunden.

In der folgenden Übung wird ein Sensor der Fa. Bosch, der BMP180, eingesetzt, der pinkompatibel zum Vorgängermodell BMP085 ist. Mit ihm lassen sich Temperatur und Druck gleichzeitg messen. Der barometrische Druck nimmt mit der Höhe ab, deshalb ist es mit diesem Sensor auch möglich, Höhenbestimmungen vorzunehmen.

Sensor BMP180

Kurzinformationen

Eigenschaften

Versorgungsspannung 3,3 V - 5 V

Logikpegel: 3,3 V - 5 V

Luftdruck: 300 hPa - 1100 hPa (entsprechend: -500m ... 9000m über Meereshöhe)

Auflösung: 0,03 hPa pro 25 cm

Temperaturbereich: -40 °C ... +85 °C

Genauigkeit: +/- 2 °C

Adressierung: I2C-Bus mit 7-Bit Adresse: 0x77

Temperatur und Luftdruck messen

Übung 1

Material

  • 1x  Arduino Uno
  • 1x  Steckernetzteil
  • 1x  Steckbrett
  • 1x  Sensor BMP180
  • div. Steckdrähte

 

Aufgaben

  • Baue die Schaltung nach Skizze auf.
  • Übertrage das Programm BMP_1.ino in den Editor und speichere es ab.
  • Starte das Programm.
  • Überprüfe die im seriellen Monitor ausgegebenen Werte mit den Vergleichsdaten. Diese lassen sich über das Internet einsehen; google dazu unter dem Stichwort "Luftdruck <Ort>" bzw. "Temperatur <Ort>". Bedenke, dass die Lufttemperatur ein außen gemessener Wert ist und nicht die Zimmertemperatur.

 

Schaltskizze und Schaltungsaufbau

Abbildung 2 - Schaltskizze mit BMP180 Sensor und Arduino UNO

Die im Programm BMP_1.ino verwendete Bibliotheksdatei Adafruit_BMP085 kann aus dem Internet bei Github.Inc heruntergeladen werden.

Das Programm BMP180_1.ino

Die gemessenen Werte basieren auf den Einstellungen, die in der benutzten Bibliotheksfunktion Adafruit_BMP085.h hinterlegt sind. Aktuell sind von der Wetterstation für den Messort 1010 hPa oder 1010 mbar angegeben.

Abbildung 3 - Ausgabe der Temperatur und des Luftdrucks im Terminalfenster.

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Kommentare

  • olaf (Sonntag, 10. Dezember 2017 08:35)

    wow...die mit Abstand beste Site, die ich bisher zu diesem Thema gesehen habe :-))
    Vielen Dank dafür. Hilft super beim Erklären!!

  • David Eisenblätter (Sonntag, 11. Februar 2018 13:38)

    Sehr schön erklärt, und zufällig heute, wo ich nochmal nach einer detailierten Gedankenstütze diesbezüglich gesucht habe!

    Vielen vielen Dank!

    David.

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