Анероидный барометр: конструкция, история и будущее измерения давления

История

Атмосфера Земли весит примерно 6.5 × 10²¹ кг (5.98 × 10²⁴ г). Распределенная по поверхности планеты, она оказывает среднее барометрическое давление около 14.7 psi (101 кПа) на уровне моря. Однако давление драматически варьируется с высотой и погодными системами: на вершине Эвереста давление примерно треть от приморского, а экстремумы варьируют от рекорда 15.7 psi (108 кПа) в сибирские zimние холода до 13.5 psi (87 кПа) в глазу тихоокеанского тайфуна. Эти флуктуации движут атмосферной циркуляцией и погодными паттернами.

Солнечный нагрев создает разности давления; теплый экваториальный воздух поднимается, движется к полюсам и отклоняется Кориолисом, устанавливая крупномасштабные циркуляционные ячейки. Исторически моряки использовали барометры для обнаружения тенденций давления — повышение давления указывало на улучшение погоды, падение — предупреждало о бурях.

История изобретения

Концепция атмосферного давления возникла с итальянским ученым Евангелисто Торричелли в 17 веке, который исследовал, почему насосы для серебряных рудников могли поднимать воду только до 32 футов (9.8 м). Он понял, что вес атмосферы поддерживает ртутный столб этой высоты. Запечатав стеклянную трубу, наполненную ртутью, и перевернув ее над резервуаром, Торричелли наблюдал максимальный столб 2.5 фута (0.76 м), подтверждая роль атмосферного давления и вводя первый практический барометр.

Ртутные барометры остаются золотым стандартом точности, но их объем и опасность привели к разработке анероидного барометра. Готфрид Лейбниц зачел идею около 1700 года, но только в 1843 году французский изобретатель Люсьен Види произвел практическое, безртутное устройство. Анероидные барометры — круглые латунные приборы со стрелочным индикатором — теперь повсеместны на метеостанциях и в морской навигации.

Сырье

• Ртутные барометры: стеклянная труба + ртуть.
• Анероидные барометры: анероидная капсула (бериллий-медный сплав), нержавеющая сталь механика с ювелирными (синтетический рубин или сапфир) подшипниками, латунный корпус (обычно часовой латунь, 65% Cu / 35% Zn), циферблат (алюминий, сталь, латунь или бумага).

Конструкция

Анероидные барометры полагаются на эластичное расширение и сжатие тонкой, вакуумно-заполненной капсулы. Капсула — балагановидный сплав, деформирующийся только в ответ на изменения внешнего давления. Ее движение передается через изощренную систему связей — рычажные системы, биметаллические температурные компенсаторы и иногда фюзе — к точной стрелке.

Температурная компенсация критична. Биметаллическая полоска, составленная из двух разных металлов, склеенных вместе, изгибается предсказуемо с изменением температуры, противодействуя термическим эффектам на капсулу и связи.

Процесс производства

Корпус

• Литой из латуни, бронзы, стали или вырезанный из дерева.
• Финиш шлифовкой, полировкой и опциональной платировкой или лаком для предотвращения потемнения.

Анероидная капсула

• Штампована из 0.002-дюймовых (0.05 мм) листов медный-бериллий.
• Электронно-лучевая сварка в вакууме для точного соединения половинок.

Связи

• Обработаны из высокопрочной стали с допусками 0.0001 дюйма (0.0025 мм).

Температурный компенсатор

• Биметаллическая полоска, припаянная или прибитая к корпусу.

Финальная сборка

• Механика и компенсатор монтируются в корпусе.
• Стрелка закреплена на центральном штифте; стеклянное лицевое стекло добавлено с ободком.
• Нулевой винт позволяет выравнивание с эталонным стандартом.

Контроль качества

Каждый барометр проходит калибровку против эталонного прибора по диапазону давлений. Если отклонения превышают заводские допуски, механизм заменяется. Нулевой винт обеспечивает долгосрочную точность.

Побочные продукты / Отходы

Ртутные барометры создают экологические опасности из-за токсичной ртути. Многие юрисдикции теперь запрещают ртуть в таких устройствах. Отходы от анероидного производства минимальны: металлическая стружка от обработки и литейные отходы, обычно перерабатываемые на месте.

Будущее

Цифровые анероидные барометры появляются, использующие емкостные датчики между параллельными стальными пластинами внутри капсулы. Изменения разделения пластин меняют емкость, предоставляя прямое электрическое измерение давления. Эти устройства устраняют механические связи, предлагая большую долговечность и легкость интеграции с беспроводными сетями. Распространение дешевых, сетевых датчиков обещает плотную глобальную сетку метеоданных.

Где узнать больше

Книги

• Barry, Roger G., & Chorley, Richard J. Atmosphere, Weather, and Climate. 6th ed., New York: Routledge, 1998.
• Middleton, W. E. Knowles. The History of the Barometer. Baltimore: The Johns Hopkins Press, 1964.

Другие ресурсы

• AccuWeather Web Page (accessed 20 Sep 2001). https://www.accuweather.com
• Jeff Raines