Барометр-анероид

<час />

Фон

Атмосфера Земли весит около 6,5 × 10 ²¹ . (5,98 × 10 ²⁴ ). Распространенный по всей площади поверхности Земли, он оказывает атмосферное давление около 14,7 фунтов на квадратный дюйм (фунт / кв. Дюйм) (101 килопаскаль [кПа]) на уровне моря. Хотя это среднее значение, фактическое атмосферное давление сильно варьируется от места к месту и от одного момента к другому. Атмосферное давление на вершине Эвереста составляет одну треть от атмосферного давления на уровне моря. Наибольшие экстремальные значения атмосферного давления, когда-либо зарегистрированные на уровне моря, составили 15,7 фунтов на квадратный дюйм (108 кПа) во время очень холодной зимы в Сибири и 13,5 фунтов на квадратный дюйм (87 кПа), зафиксированные в месте тайфуна в Тихом океане. Различия атмосферного давления важны, потому что они являются основными факторами погоды.

Солнце является основным фактором, вызывающим колебания давления в атмосфере. Горячий экваториальный воздух поднимается вверх и течет на север. По мере его движения силы Кориолиса в северном полушарии изгибают его на запад в тропиках и на восток в умеренных зонах, создавая ячейки атмосферного потока по часовой стрелке и против часовой стрелки. Изменяющееся атмосферное давление, связанное с этими потоками, можно использовать для предсказания погоды. Фактически, до появления радио единственным инструментом, который моряки должны были предсказывать погоду, был барометр, который показывал им, в какую сторону изменяется давление воздуха. Повышение атмосферного давления было признаком улучшения погоды. Падающий барометр был знаком, чтобы задраить люки и надеяться на лучшее.

История

Многие люди не осознают, что атмосферное давление существует, поскольку его нельзя почувствовать. Его существование обнаружила итальянский ученый Евангелиста Торричелли. Торричелли сделал свое открытие во время попытки помочь добытчикам серебра, у которых были проблемы с сохранением своих рудников сухими. Единственным доступным шахтерам насосом были всасывающие насосы, которые могли поднимать воду только на 32 фута (9,8 м). Торричелли пришел к выводу, что причина, по которой насос не может поднять воду больше, чем это, заключалась в том, что вес атмосферы был достаточно тяжелым, чтобы выдержать столб воды высотой 32 фута (9,8 м). Понимание Торричелли заключалось в том, что если качели расположены так, что половина их находится под вакуумом, а половина - под атмосферным давлением, то на стороне вакуума должно быть 32 фута (9,8 м) воды. пила, чтобы уравновесить атмосферное давление, действующее с другой стороны. Насосы шахтеров походили на качели, пытающиеся уравновесить более 32 футов (9,8 м) воды.

Чтобы проверить свою теорию, Торричелли взял стеклянную трубку длиной около 4 футов (1,2 м), запечатал ее с одного конца и наполнил ртутью. Зажав большим пальцем открытый конец, он перевернул трубку в емкость с ртутью. Его теория заключалась в том, что, поскольку ртуть в 13,5 раз плотнее воды, атмосферное давление будет достаточно высоким, чтобы выдержать столб ртути высотой 2,4 фута (0,73 м) (максимальная высота, на которую всасывающие насосы могут тянуть воду, деленная на 13,5). На самом деле атмосфера поддерживала столб ртути высотой 2,5 фута (0,76 м). Дополнительное расстояние объясняется тем, что вакуум в верхней части стеклянной трубки был почти идеальным - Торричелли был также первым, кто создал вакуум, - а уплотнения в насосах горняков - нет. Неясно, кто заметил, что барометры можно использовать для прогноза погоды, хотя, возможно, это был Фердинанд деи Медичи, великий герцог Тосканы.

Хотя ртутные барометры и по сей день являются самыми точными барометрами, они не лишены недостатков. Пытаться прочитать показания ртутного барометра на борту корабля, пострадавшего от урагана, непросто. Идея безртутного барометра (барометра-анероида) впервые пришла в голову Готфриду Лейбницу (соавтор исчисления) около 1700 года. В 1700 году металлургия была недостаточно развита, чтобы реализовать идею Лейбница. Французский изобретатель Люсьен Види разработал первый практичный барометр-анероид в 1843 году. Барометры-анероиды являются наиболее распространенными барометрами, используемыми сегодня. Это круглые латунные инструменты в форме часов с индикатором развертки, указывающим на текущее атмосферное давление. Их часто можно увидеть на метеостанциях и на борту лодок. Барометры-анероиды измеряют расширение и сжатие полой металлической капсулы.

Сырье

Единственными компонентами ртутного барометра являются стекло и ртуть. С другой стороны, барометры-анероиды - это очень сложные устройства, похожие на точные часы. Капсула-анероид, представляющая собой устройство, которое перемещается при изменении давления воздуха, изготовлена ​​из сплава бериллия и меди. Механизмы изготовлены из нержавеющей стали (например, AISI 304L) с подшипниками с драгоценными камнями (синтетические рубины или сапфиры). В подшипниках используются драгоценные камни, поскольку они обладают очень низким сопротивлением трению. Корпуса барометров могут быть сделаны из чего угодно, но обычно их делают из латуни (смесь меди и цинка). Есть много видов латуни. Одним из наиболее распространенных является «часовая латунь», смесь 65% меди и 35% свинца. Циферблаты барометра могут быть сделаны из чего угодно:алюминия, стали, латуни или бумаги.

Дизайн

Дизайн продукта для анероидного барометра включает в себя тщательный анализ свойств сжатия и расширения анероидной капсулы, конструкцию системы компенсации температуры и механическую конструкцию связи между анероидной капсулой и индикатором развертки.

Капсула анероида очень тонкая, полая и обычно имеет форму сильфона. Большая часть воздуха удаляется из капсулы, так что сжатие и расширение капсулы строго зависит от эластичности капсулы и любой из ее поддерживающих пружин. Оставление воздуха в капсуле вызовет нелинейность реакции капсулы. По мере сжатия капсулы, если бы в ней оставался воздух, давление воздуха в капсуле увеличивалось бы, что затрудняло бы дальнейшее сжатие капсулы. Разработчик барометра рассчитывает, насколько анероидная капсула расширится или сузится в ожидаемом диапазоне давлений, которому будет подвергаться барометр. Основываясь на этих движениях, дизайнер определяет связи, которые будут переводить движение капсулы в движение индикатора развертки на лицевой стороне барометра.

Барометр-анероид чувствителен к колебаниям температуры как потому, что капсула и ее связи будут расширяться или сжиматься при изменении температуры, так и потому, что упругие свойства капсулы (насколько капсула будет отклоняться при изменении внешнего давления) также изменяются с температурой. Есть несколько способов компенсации температурных перемещений компонентов барометра. Одно из наиболее элегантных решений предполагает использование биметаллической планки. Биметаллическая полоса состоит из двух плоских кусков металла, изготовленных из различных типов элементов или сплавов, приваренных друг к другу. Поскольку изменения температуры в биметаллической полосе и капсуле предсказуемы, биметаллическую полосу можно использовать для компенсации перемещений капсулы. При изменении температуры два компонента биметаллической ленты пытаются расшириться на разную величину. Это приводит к изгибу биметаллической ленты в сторону компонента с меньшим коэффициентом расширения. Это изгибающее движение можно использовать для смещения стрелки индикатора или сжатия капсулы анероида для компенсации изменения температуры.

Связь между капсулой-анероидом и индикатором развертки почти такая же сложная, как и механизм прекрасных швейцарских часов. Фактически, качественная связь барометра включает в себя многие из тех же компонентов. Назначение рычажного механизма - преобразовать крошечное горизонтальное движение расширяющегося сильфона (несколько тысяч дюймов или сантиметров) в движение стрелки индикатора. Требуемое увеличение перемещения капсулы можно осуществить с помощью рычагов. Качели - это форма рычага. Самый конец качелей движется по дуге намного большей, чем точка возле оси. За счет того, что капсула-анероид может толкать или тянуть за точку рядом с шарниром рычага, похожего на качели, движение капсулы значительно увеличивается на дальнем конце рычага. Любую нелинейность движения капсулы можно компенсировать с помощью предохранителя, произнесенный ФУ-сай. Фузе, который был изобретен Леонардо да Винчи, представляет собой шкив со спиральной нарезкой, имеющий форму конуса. В нулевой точке барометра конец рычага качелей соединен цепью с серединой предохранителя. По мере сжатия капсулы анероида фузел вращается, смещая цепь вниз до меньшего диаметра. При этом достигается то, что по мере затвердевания анероидной капсулы при сжатии меньшее движение цепи может вызвать такое же движение индикатора развертки.

Производственный
процесс

Дело

• 1 Прекрасный корпус барометра может быть отлит из латуни, бронзы, стали или вырезан из дерева. Менее дорогие корпуса можно штамповать из стали или алюминия, а затем покрыть декоративной отделкой. Отливку производят путем заливки расплавленного металла в форму и его затвердевания.
• 2 После затвердевания металла форму стряхивают с корпуса. Штамповка заключается в прессовании плоского куска металла между двумя штампами под высоким давлением.
• 3 Корпус завершается удалением излишков металла, оставшегося в процессе литья, шлифовкой всех шероховатостей и последующей полировкой корпуса до блеска.
• 4 Некоторые коробки затем покрывают лаком или прозрачным пластиком для предотвращения потускнения.

Капсула анероида

• 5 Тонкие листы металлической меди / бериллия (толщиной около 0,002 дюйма [0,05 мм]) штампуются в двух половинах капсулы анероида. Штамповочные матрицы сконструированы так, чтобы оставлять сопрягаемую поверхность с режущей кромкой, на которой будут соединяться две половинки.
• 6 Отдельные компоненты анероида сварены электронно-лучевой сваркой. Для электронно-лучевой сварки требуется концентрированный поток Барометр-анероид. электронов генерируются и фокусируются на свариваемом соединении. Когда электроны сталкиваются с деталью, кинетическая энергия столкновения создает тепло, что приводит к слиянию или плавлению двух частей, которые необходимо соединить. Электронно-лучевая сварка может выполняться только в вакууме (поскольку молекулы воздуха будут перехватывать электронный луч), что очень удобно, поскольку в капсуле анероида также не должно быть воздуха. Электронно-лучевая сварка выполняется автоматическими роботизированными сварочными аппаратами, поскольку сварщик-человек не может обеспечить необходимую точность для соединения деталей без их повреждения.

Ссылки

• 7 Высококачественные рычаги, состоящие из рычагов, цепей, секторных реек, шестерен, предохранителей и т. д., изготовлены из инструментальной стали. Обработка означает, что заготовки из металла шлифуются и разрезаются для придания окончательной формы конечной детали. Автоматизированные фрезерные станки могут легко изготавливать детали рычажных механизмов с допуском 0,0001 дюйма (0,0025 мм).

Температурный компенсатор

• 8 Температурный компенсатор в качественных барометрах обычно представляет собой биметаллическую полосу. Биметаллическая полоса крепится путем приваривания или приклепки одного конца ленты к корпусу барометра. Сварка включает частичное плавление как корпуса, так и биметаллической полосы, так что две части сливаются и соединяются.

Окончательная сборка

• 9 Готовый продукт собран на станке. Поскольку производственные партии, как правило, очень малы, процесс окончательной сборки очень мало автоматизирован. Сборщик прикрепляет к корпусу механизм и термокомпенсатор.
• 10 Цилиндр барометра находится над центральным штифтом механизма.
• 11 Затем индикатор барометра прикрепляется к центральному штифту с помощью шплинта или винта.
• 12 Стеклянная пластина помещается на лицевую панель барометра, и к барометру привинчивается безель, чтобы удерживать стекло на месте. Во многих барометрах на лицевой панели есть отверстие в центре, чтобы можно было видеть движение.

Контроль качества

Контроль качества требует, чтобы собранный барометр был испытан в различных атмосферных условиях. Все барометры-анероиды поставляются с винтом обнуления, чтобы отрегулировать начальное положение индикатора развертки так, чтобы оно соответствовало барометрическому давлению очень точного стандартного барометра, хранящегося на заводе. Затем новый барометр подвергается воздействию различных атмосферных давлений, чтобы оценить, насколько точно он может регистрировать фактическое давление. Механизмы барометров, которые не могут соответствовать требуемым заводским допускам, которые варьируются от производителя к производителю, подлежат замене.

Побочные продукты / отходы

Ртутные барометры содержат высокотоксичный тяжелый металл, благодаря которому они и получили свое название. Однако во многих населенных пунктах и ​​некоторых штатах запрещено использование ртути в термометрах, барометрах и устройствах для измерения артериального давления. Исчезнет из обихода ртутный барометр - это лишь вопрос времени. Отходы, образующиеся при изготовлении анероидного барометра, ограничиваются незначительным количеством металла от механической обработки рычажного механизма. Отходы от литья корпусов барометров обычно сразу же утилизируются в литейном цехе.

Будущее

Будущее барометра - это цифровая версия. Поместив параллельные стальные пластины внутри капсулы-анероида и пропустив через них ток, можно определить расстояние между двумя пластинами, поскольку оно пропорционально емкости пластин (емкость - это мера количества электрического заряда, который может быть сохранен. на тарелке). По мере того как капсула-анероид сжимается и расширяется, емкость двух пластин изменяется, обеспечивая меру изменения атмосферного давления, вызывающего изменение положения пластины. Это устраняет необходимость в подшипниках с драгоценными камнями, предохранителях и механически обработанных соединениях, но дает инструмент со всем очарованием цифровых часов. Однако, учитывая ненасытную потребность суперкомпьютеров метеорологической службы в данных, будущее неизбежно принесет огромное количество очень недорогих барометров и термометров, размещенных по всему миру и подключенных через всемирную паутину.

Где узнать больше

Книги

Барри, Роджер Г. и Ричард Дж. Чорли. Атмосфера, погода и климат. 6-е изд. Нью-Йорк:Рутледж, 1998.

Миддлтон, У. Э. Ноулз. История барометра. Балтимор:The Johns Hopkins Press, 1964.

Другое

Веб-страница Accuweather. 20 сентября 2001 г. .

Джефф Рейнс