Aneroïde Barometer

Achtergrond

De atmosfeer van de aarde weegt ongeveer 6,5 × 10 ²¹ (5.98 × 10 ²⁴ ). Verspreid over het hele aardoppervlak oefent het een luchtdruk (barometrische) uit van ongeveer 14,7 pond per vierkante inch (psi) (101 kilopascal [kPa]) op zeeniveau. Hoewel dat het gemiddelde is, varieert de werkelijke luchtdruk sterk van plaats tot plaats en van het ene moment op het andere. De luchtdruk op de top van de Mount Everest is een derde van de luchtdruk op zeeniveau. De grootste barometrische druk die ooit op zeeniveau is gemeten, was 15,7 psi (108 kPa) tijdens een zeer koude winter in Siberië en 13,5 psi (87 kPa) gemeten in het oog van een tyfoon in de Stille Oceaan. Luchtdrukverschillen zijn belangrijk omdat ze de basisscheppers van het weer zijn.

De zon is de belangrijkste factor bij het veroorzaken van drukvariaties in de atmosfeer. Hete equatoriale lucht stijgt op en stroomt naar het noorden. Terwijl het beweegt, buigen de Coriolis-krachten op het noordelijk halfrond het naar het westen in de tropen en naar het oosten in de gematigde zones, waardoor cellen van atmosferische stroming met de klok mee en tegen de klok in worden gevormd. De veranderende atmosferische druk die met deze stromen gepaard gaat, kan worden gebruikt om het weer te voorspellen. In feite, vóór de komst van de radio, was het enige gereedschap dat zeilers hadden om het weer te voorspellen de barometer, die hen vertelde op welke manier de luchtdruk veranderde. Een stijgende luchtdruk was een teken van beter weer. Een vallende barometer was een teken om de luiken te sluiten en er het beste van te hopen.

Geschiedenis

Veel mensen realiseren zich niet dat atmosferische druk bestaat, omdat deze niet kan worden gevoeld. Het bestaan ​​ervan werd ontdekt door de Italiaanse wetenschapper Evangelista Torricelli. Torricelli deed zijn ontdekking tijdens een poging om zilvermijnen te helpen, die moeite hadden hun mijnen droog te houden. De enige pomp die beschikbaar was voor de mijnwerkers waren zuigpompen, die het water slechts 32 ft (9,8 m) konden verhogen. Torricelli leidde de reden af ​​waarom de pomp het water niet meer kon verhogen dan dat was omdat het gewicht van de atmosfeer alleen zwaar genoeg was om een ​​waterkolom van 32 ft (9,8 m) hoog te dragen. Torricelli's inzicht was dat als een wip zo zou worden opgesteld dat de helft ervan onder vacuüm staat en de helft onder atmosferische druk, 32 ft (9,8 m) water aan de vacuümzijde van de wip zou moeten worden geplaatst. zag om de atmosferische druk aan de andere kant in evenwicht te brengen. De pompen van de mijnwerkers waren als een wip die probeerde meer dan 32 ft (9,8 m) water in evenwicht te brengen.

Om zijn theorie te testen, nam Torricelli een glazen buis van ongeveer 1,2 m lang, verzegelde deze aan één uiteinde en vulde deze met kwik. Hij hield zijn duim over het open uiteinde en hield de buis ondersteboven in een kom met kwik. Zijn theorie was dat, aangezien kwik 13,5 keer dichter is dan water, de luchtdruk alleen hoog genoeg zou zijn om een ​​kwikkolom van 2,4 ft (0,73 m) hoog te ondersteunen (de maximale hoogte die de zuigpompen water kunnen trekken gedeeld door 13,5). In werkelijkheid ondersteunde de atmosfeer een kwikkolom van 2,5 ft (0,76 m) hoog. De extra afstand was omdat het vacuüm aan de bovenkant van de glazen buis bijna perfect was - Torricelli was ook de eerste persoon die een vacuüm creëerde - en de afdichtingen in de mijnwerkerspompen waren dat niet. Het is niet duidelijk wie heeft opgemerkt dat barometers kunnen worden gebruikt om het weer te voorspellen, hoewel het mogelijk is dat het Ferdinand dei Medici, groothertog van Toscane, was.

Hoewel kwikbarometers tot op de dag van vandaag de meest nauwkeurige barometers zijn, zijn ze niet zonder nadelen. Een kwikbarometer proberen af ​​te lezen aan boord van een schip dat in een orkaan is terechtgekomen, is niet eenvoudig. Het idee voor een kwikvrije barometer (een aneroïde barometer) kwam voor het eerst op bij Gottfried Leibniz (de uitvinder van de calculus) rond 1700. De metallurgie was in 1700 niet voldoende gevorderd om het idee van Leibniz te realiseren. De Franse uitvinder Lucien Vidie ontwikkelde de eerste praktische aneroïde barometer in 1843. Aneroïde barometers zijn tegenwoordig de meest gebruikte barometers. Het zijn ronde, koperen klokachtige instrumenten met een veegindicator die naar de huidige luchtdruk wijst. Ze worden vaak gezien in weerstations en aan boord van boten. Aneroïde barometers werken door de uitzetting en samentrekking van een holle metalen capsule te meten.

Grondstoffen

De enige componenten van een kwikbarometer zijn glas en kwik. Aneroïde barometers zijn daarentegen zeer complexe machines, vergelijkbaar met fijne horloges. De aneroïde capsule, het apparaat dat beweegt met veranderingen in de luchtdruk, is gemaakt van een legering van beryllium en koper. De uurwerken zijn gemaakt van roestvrij staal (bijv. AISI 304L) met lagers met juwelen (synthetische robijnen of saffieren). In de lagers worden juwelen gebruikt omdat ze een zeer lage wrijvingsweerstand hebben. Barometerkasten kunnen van alles worden gemaakt, maar zijn meestal gemaakt van messing (een mengsel van koper en zink). Er zijn veel soorten messing. Een van de meest voorkomende is "klokmessing", een mengsel van 65% koper en 35% lood. Barometerwijzerplaten kunnen van alles zijn:aluminium, staal, messing of papier.

Ontwerp

Productontwerp voor een aneroïde barometer omvat een zorgvuldige analyse van de samentrekkende en uitzettende eigenschappen van de aneroïde capsule, ontwerp van het temperatuurcompensatiesysteem en mechanisch ontwerp van de koppeling tussen de aneroïde capsule en de sweep-indicator.

De aneroïde capsule is erg dun, hol en heeft meestal de vorm van een balg. De meeste lucht wordt uit de capsule verwijderd, zodat het samentrekken en uitzetten van de capsule strikt een functie is van de elasticiteit van de capsule en een van zijn ondersteunende veren. Het laten van lucht in de capsule zou non-lineariteit in de capsulereactie veroorzaken. Als de capsule samentrekt en er nog lucht over is, zal de luchtdruk in de capsule stijgen, waardoor de capsule nog harder wordt samengedrukt. De barometerontwerper berekent hoeveel de aneroïde capsule zal uitzetten of krimpen onder het verwachte drukbereik waaraan de barometer zal worden blootgesteld. Op basis van deze bewegingen specificeert de ontwerper de verbindingen die de beweging van de capsule zullen vertalen in de beweging van een veegindicator op de barometer.

De aneroïde barometer is gevoelig voor temperatuurschommelingen, zowel omdat de capsule en zijn verbindingen zullen uitzetten of samentrekken als de temperatuur verandert en ook omdat de elastische eigenschappen van de capsule (hoeveel de capsule zal doorbuigen onder veranderingen in de buitendruk) ook veranderen met de temperatuur. Er zijn verschillende manieren om temperatuurgeïnduceerde bewegingen van de barometercomponenten te compenseren. Een van de elegantere oplossingen is het gebruik van een bimetalen strip. Een bimetalen strip bestaat uit twee platte stukken metaal, gemaakt van verschillende soorten elementen of legeringen, rug aan rug gelast. Omdat de temperatuurveranderingen in de bimetalen strip en capsule voorspelbaar zijn, kan de bimetalen strip worden gebruikt om de capsulebewegingen te compenseren. Naarmate de temperatuur verandert, proberen de twee componenten van de bimetalen strip met verschillende hoeveelheden uit te zetten. Hierdoor buigt de bimetalen strip naar het onderdeel met de kleinere uitzettingscoëfficiënt. Deze buigbeweging kan worden gebruikt om de indicatorhand te verschuiven of de aneroïde capsule samen te drukken om de temperatuurverandering te compenseren.

De koppeling tussen de aneroïde capsule en de sweep-indicator is bijna net zo complex als de beweging van een fijn Zwitsers horloge. In feite bevat een kwaliteitsbarometerkoppeling veel van dezelfde componenten. Het doel van de koppeling is om de kleine horizontale beweging van een uitzettende balg (enkele duizenden inch of centimeter) om te zetten in de zwaaibeweging van een indicatorarm. De vereiste vergroting van de capsulebeweging kan worden bereikt met behulp van hendels. Een wip is een vorm van hefboom. Het uiteinde van de wip beweegt door een veel grotere boog dan een punt in de buurt van het draaipunt. Door ervoor te zorgen dat de aneroïde capsule op een punt in de buurt van het draaipunt van een wipachtige hefboom duwt of trekt, wordt de beweging van de capsule aan het uiteinde van de hefboom sterk vergroot. Elke niet-lineariteit van de capsulebeweging kan worden gecompenseerd met behulp van een fusee, uitgesproken als FU-zeg. Een fusee, uitgevonden door Leonardo da Vinci, is een spiraalvormige katrol in de vorm van een kegel. Op het nulpunt van de barometer is het uiteinde van de wiphendel via een ketting verbonden met het midden van de fusee. Terwijl de aneroïde capsule samendrukt, roteert de fusee, waardoor de ketting naar een kleinere diameter wordt verschoven. Wat dit bereikt, is dat als de aneroïde capsule hard wordt onder compressie, een kleinere beweging van de ketting dezelfde beweging van de sweep-indicator kan produceren.

Het fabricageproces

De zaak

• 1 Een fijne barometerkast kan worden gegoten uit messing, brons of staal of uit hout worden gesneden. Goedkopere koffers kunnen uit staal of aluminium worden gestanst en vervolgens worden geplateerd met een decoratieve afwerking. Een gietstuk wordt gemaakt door gesmolten metaal in een mal te gieten en het metaal te laten uitharden.
• 2 Nadat het metaal is uitgehard, wordt de mal van de kist geschud. Stempelen houdt in dat een plat stuk metaal onder hoge druk tussen twee matrijzen wordt gedrukt.
• 3 De behuizing wordt afgewerkt door overtollig metaal dat overblijft na het gietproces te verwijderen, eventuele ruwe randen weg te slijpen en de behuizing vervolgens te polijsten tot een glanzende afwerking.
• 4 Sommige koffers worden vervolgens gelakt of gecoat met een doorzichtig plastic om aanslag te voorkomen.

De aneroïde capsule

• 5 Dunne vellen koper/berylliummetaal (ongeveer 0,002 in [0,05 mm] dik) worden in de twee helften van de aneroïde capsule gestanst. De stempelstempels zijn ontworpen om een ​​snijvlak van de mesrand achter te laten waar de twee helften worden samengevoegd.
• 6 De afzonderlijke aneroïde componenten zijn met een elektronenstraal gelast. Elektronenstraallassen vereist dat een geconcentreerde stroom Een aneroïde barometer. van elektronen worden gegenereerd en gericht op de te lassen verbinding. Terwijl de elektronen met het onderdeel botsen, creëert de kinetische energie van de botsing warmte die resulteert in het samensmelten of smelten van de twee te verbinden stukken. Lassen met een elektronenbundel kan alleen in vacuüm worden uitgevoerd (omdat de luchtmoleculen de elektronenbundel zouden onderscheppen), wat erg handig is omdat de aneroïde capsule ook vrij moet zijn van lucht. Elektronenstraallassen wordt uitgevoerd door geautomatiseerde robotlasmachines omdat een menselijke lasser niet de mate van nauwkeurigheid kan bieden die nodig is om de onderdelen samen te voegen zonder ze te beschadigen.

De verbanden

• 7 Hoge kwaliteit koppelingen bestaande uit hefbomen, kettingen, sector tandheugels, rondsels, fusee, etc., zijn vervaardigd uit gereedschapsstaal. Bewerking betekent dat voorraadstaven van metaal worden geslepen en gesneden om het uiteindelijke stuk vorm te geven. Geautomatiseerde freesmachines kunnen gemakkelijk koppelingsonderdelen produceren met een tolerantie van 0,0001 in (0,0025 mm).

De temperatuurcompensator

• 8 De temperatuurcompensator, in kwaliteitsbarometers, is meestal een bimetalen strip. De bimetalen strip wordt bevestigd door het ene uiteinde van de strip te lassen of vast te klinken aan de barometerbehuizing. Lassen omvat het gedeeltelijk smelten van zowel de behuizing als de bimetalen strip, zodat de twee stukken samenvloeien en worden samengevoegd.

Eindmontage

• 9 Het eindproduct wordt bankgemonteerd. Omdat productieruns over het algemeen zeer klein zijn, is er weinig automatisering in het eindassemblageproces. Een monteur bevestigt het uurwerk en de temperatuurcompensator aan de kast.
• 10 Het gezicht van de barometer wordt over de centrale pen van het uurwerk geplaatst.
• 11 De barometerindicator wordt vervolgens met een splitpen of schroef op de centrale pen bevestigd.
• 12 Een glasplaat wordt over het oppervlak van de barometer geplaatst en een ring wordt op de barometer geschroefd om het glas op zijn plaats te houden. Bij veel barometers heeft de voorplaat een gat in het midden, zodat het uurwerk zichtbaar is.

Kwaliteitscontrole

Kwaliteitscontrole vereist dat de voltooide barometer onder verschillende atmosferische omstandigheden wordt getest. Alle aneroïde barometers worden geleverd met een nulstelschroef om de beginpositie van de sweep-indicator aan te passen aan dezelfde barometerdruk als die van een zeer nauwkeurige standaardbarometer die in de fabriek wordt bewaard. De nieuwe barometer wordt vervolgens onderworpen aan variërende barometrische drukken om te beoordelen hoe nauwkeurig hij de werkelijke druk kan registreren. Bij barometers die niet kunnen voldoen aan de vereiste fabriekstoleranties, die van fabrikant tot fabrikant verschillen, wordt het uurwerk vervangen.

Bijproducten/afval

Kwikbarometers bevatten het zeer giftige zware metaal waaraan ze hun naam ontlenen. Veel plaatsen en sommige staten hebben het gebruik van kwik in thermometers, barometers en bloeddrukmeters echter verboden. Het is slechts een kwestie van tijd voordat de kwikbarometer uit het gewone gebruik verdwijnt. Afval dat wordt gegenereerd tijdens de productie van aneroïde barometers is beperkt tot kleine hoeveelheden metaal van de bewerking van de koppeling. Gietafval uit de barometerkasten wordt meestal direct gerecycled in het giethuis.

De Toekomst

De toekomst van de barometer is een digitale versie. Door parallelle stalen platen in de aneroïde capsule te plaatsen en er een stroom over te laten lopen, kan de afstand tussen de twee platen worden bepaald omdat deze evenredig is met de capaciteit van de platen (capaciteit is een maat voor de hoeveelheid elektrische lading die kan worden opgeslagen op het bord). Naarmate de aneroïde capsule krimpt en uitzet, verandert de capaciteit van de twee platen, wat een maatstaf vormt voor de verandering in atmosferische druk die de verandering in plaatpositie aandrijft. Dit elimineert de noodzaak voor lagers met juwelen, fusee en machinaal bewerkte verbindingen, maar produceert een instrument met alle charme van een digitaal horloge. Met de onverzadigbare behoefte van de supercomputers van de weerdienst aan gegevens, zal de toekomst onvermijdelijk een groot aantal zeer goedkope barometers en thermometers met zich meebrengen die over de hele wereld zijn gestationeerd en via het wereldwijde web zijn verbonden.

Waar meer te leren

Boeken

Barry, Roger G. en Richard J. Chorley. Sfeer, weer en klimaat. 6e druk. New York:Routledge, 1998.

Middleton, W.E. Knowles. De geschiedenis van de barometer. Baltimore:The Johns Hopkins Press, 1964.

Overige

Accuweather-webpagina. 20 september 2001. .

Jeff Raines