Aneroidbarometer

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Hintergrund

Die Erdatmosphäre wiegt etwa 6,5 ​​× 10 ²¹ (5,98 × 10 ²⁴ ). Über die gesamte Erdoberfläche verteilt, übt es auf Meereshöhe einen (barometrischen) Luftdruck von etwa 14,7 Pfund pro Quadratzoll (psi) (101 Kilopascal [kPa]) aus. Dies ist zwar der Durchschnitt, der tatsächliche Luftdruck variiert jedoch stark von Ort zu Ort und von einem Moment zum anderen. Der Luftdruck auf dem Gipfel des Mount Everest beträgt ein Drittel des Luftdrucks auf Meereshöhe. Die größten Luftdruckextreme, die jemals auf Meereshöhe gemessen wurden, betrugen 15,7 psi (108 kPa) während eines sehr kalten Winters in Sibirien und 13,5 psi (87 kPa) im Auge eines Taifuns im Pazifischen Ozean. Luftdruckunterschiede sind wichtig, weil sie die grundlegenden Schöpfer des Wetters sind.

Die Sonne ist der Hauptfaktor für Druckschwankungen in der Atmosphäre. Heiße äquatoriale Luft steigt auf und strömt nach Norden. Während es sich bewegt, biegen Corioliskräfte auf der Nordhalbkugel es in den Tropen nach Westen und in den gemäßigten Zonen nach Osten, wodurch Zellen der atmosphärischen Strömung im und gegen den Uhrzeigersinn entstehen. Die sich ändernden Atmosphärendrücke, die mit diesen Strömungen einhergehen, können verwendet werden, um das Wetter vorherzusagen. Tatsächlich war vor dem Aufkommen des Radios das einzige Werkzeug, das Segler das Wetter vorhersagen mussten, das Barometer, das ihnen anzeigte, in welche Richtung sich der Luftdruck änderte. Ein steigender Luftdruck war ein Zeichen für eine Wetterbesserung. Ein fallendes Barometer war ein Zeichen, die Luken zu schließen und das Beste zu hoffen.

Verlauf

Viele Menschen wissen nicht, dass atmosphärischer Druck existiert, da er nicht gefühlt werden kann. Seine Existenz wurde von dem italienischen Wissenschaftler Evangelista Torricelli entdeckt. Torricelli machte seine Entdeckung, als er versuchte, Silberbergleuten zu helfen, die Schwierigkeiten hatten, ihre Minen trocken zu halten. Die einzige Pumpe, die den Bergleuten zur Verfügung stand, waren Saugpumpen, die nur 9,8 m Wasser fördern konnten. Torricelli leitete den Grund dafür ein, dass die Pumpe kein Wasser mehr fördern konnte, weil das Gewicht der Atmosphäre nur schwer genug war, um eine 32 Fuß (9,8 m) hohe Wassersäule zu tragen. Torricellis Erkenntnis war, dass, wenn eine Wippe so angeordnet wäre, dass die Hälfte davon unter Vakuum und die andere unter atmosphärischem Druck stand, 32 Fuß (9,8 m) Wasser auf der Vakuumseite der Wippe platziert werden müssten. sah, um den atmosphärischen Druck auf der anderen Seite auszugleichen. Die Pumpen der Bergleute waren wie eine Wippe, die versuchten, mehr als 9,8 m Wasser auszugleichen.

Um seine Theorie zu überprüfen, nahm Torricelli ein etwa 1,2 m langes Glasrohr, versiegelte es an einem Ende und füllte es mit Quecksilber. Er hielt seinen Daumen über das offene Ende und drehte das Röhrchen in eine Schüssel mit Quecksilber. Seine Theorie war, dass, da Quecksilber 13,5-mal dichter ist als Wasser, der Luftdruck nur hoch genug wäre, um eine Quecksilbersäule von 2,4 Fuß (0,73 m) Höhe zu tragen (die maximale Höhe, die die Saugpumpen Wasser ziehen können geteilt durch 13,5). Tatsächlich trug die Atmosphäre eine 0,76 m hohe Quecksilbersäule. Der zusätzliche Abstand lag daran, dass das Vakuum an der Spitze der Glasröhre fast perfekt war – Torricelli war auch der erste Mensch, der ein Vakuum erzeugte – und die Dichtungen in den Pumpen der Bergleute waren es nicht. Es ist nicht klar, wer bemerkt hat, dass Barometer verwendet werden können, um das Wetter vorherzusagen, obwohl es möglicherweise Ferdinand dei Medici, Großherzog der Toskana, war.

Obwohl Quecksilberbarometer bis heute die genauesten Barometer sind, sind sie nicht ohne Nachteile. Der Versuch, an Bord eines von einem Hurrikan erfassten Schiffes ein Quecksilberbarometer abzulesen, ist nicht einfach. Die Idee zu einem quecksilberfreien Barometer (einem Aneroidbarometer) kam Gottfried Leibniz (Miterfinder der Infinitesimalrechnung) um 1700 zum ersten Mal. Die Metallurgie war 1700 noch nicht weit genug fortgeschritten, um die Idee von Leibniz zu verwirklichen. Der französische Erfinder Lucien Vidie entwickelte 1843 das erste praktische Aneroidbarometer. Aneroidbarometer sind die heute am häufigsten verwendeten Barometer. Sie sind die kreisförmigen, uhrenähnlichen Instrumente aus Messing mit einer Sweep-Anzeige, die auf den aktuellen Luftdruck zeigt. Sie werden häufig in Wetterstationen und an Bord von Booten gesehen. Aneroidbarometer funktionieren durch Messen der Ausdehnung und Kontraktion einer hohlen Metallkapsel.

Rohstoffe

Die einzigen Bestandteile eines Quecksilberbarometers sind Glas und Quecksilber. Aneroidbarometer hingegen sind sehr komplexe Maschinen ähnlich feinen Uhren. Die Aneroidkapsel, die sich bei Luftdruckänderungen bewegt, besteht aus einer Beryllium-Kupfer-Legierung. Die Uhrwerke sind aus Edelstahl (z. B. AISI 304L) mit steinbesetzten Lagern (synthetische Rubine oder Saphire) gefertigt. In den Lagern werden Juwelen verwendet, da sie einen sehr geringen Reibungswiderstand haben. Barometergehäuse können aus allem hergestellt werden, bestehen jedoch normalerweise aus Messing (einer Mischung aus Kupfer und Zink). Es gibt viele Arten von Messing. Eines der gebräuchlichsten ist "Clockbrass", eine Mischung aus 65 % Kupfer und 35 % Blei. Barometer-Zifferblätter können aus allem hergestellt werden:Aluminium, Stahl, Messing oder Papier.

Design

Das Produktdesign für ein Aneroidbarometer beinhaltet eine sorgfältige Analyse der Kontraktions- und Ausdehnungseigenschaften der Aneroidkapsel, des Designs des Temperaturkompensationssystems und des mechanischen Designs der Verbindung zwischen der Aneroidkapsel und dem Sweep-Indikator.

Die Aneroidkapsel ist sehr dünn, hohl und hat normalerweise die Form eines Blasebalgs. Der größte Teil der Luft wird aus der Kapsel entfernt, so dass die Kontraktion und Expansion der Kapsel streng eine Funktion der Elastizität der Kapsel und einer ihrer Stützfedern ist. Das Belassen von Luft in der Kapsel würde eine Nichtlinearität in der Kapselantwort induzieren. Wenn sich die Kapsel zusammenzieht und noch Luft übrig ist, würde der Luftdruck in der Kapsel steigen, was die weitere Kompression der Kapsel erschweren würde. Der Barometer-Designer berechnet, wie stark sich die Aneroidkapsel unter dem erwarteten Druckbereich ausdehnt oder zusammenzieht, dem das Barometer ausgesetzt ist. Basierend auf diesen Bewegungen spezifiziert der Designer die Gestänge, die die Bewegung der Kapsel in die Bewegung eines Sweep-Indikators auf der Barometerfläche umwandeln.

Das Aneroidbarometer reagiert empfindlich auf Temperaturschwankungen, sowohl weil sich die Kapsel und ihre Verbindungen bei Temperaturänderungen ausdehnen oder zusammenziehen, als auch weil sich die elastischen Eigenschaften der Kapsel (wie stark sich die Kapsel bei Änderungen des Außendrucks verformt) auch mit der Temperatur ändern. Es gibt mehrere Möglichkeiten, temperaturbedingte Bewegungen der Barometerkomponenten zu kompensieren. Eine der eleganteren Lösungen beinhaltet die Verwendung eines Bimetallstreifens. Ein Bimetallstreifen besteht aus zwei flachen Metallstücken aus unterschiedlichen Elementen oder Legierungen, die Rücken an Rücken verschweißt sind. Da die Temperaturänderungen im Bimetallstreifen und in der Kapsel vorhersehbar sind, kann der Bimetallstreifen verwendet werden, um die Kapselbewegungen zu kompensieren. Bei Temperaturänderungen versuchen die beiden Komponenten des Bimetallstreifens sich unterschiedlich stark auszudehnen. Dadurch biegt sich der Bimetallstreifen zum Bauteil mit dem kleineren Ausdehnungskoeffizienten hin. Diese Biegebewegung kann verwendet werden, um den Zeiger zu verschieben oder die Aneroidkapsel zu komprimieren, um die Temperaturänderung auszugleichen.

Die Verbindung zwischen der Aneroidkapsel und dem Sweep-Indikator ist fast so komplex wie das Uhrwerk einer feinen Schweizer Uhr. Tatsächlich enthält ein hochwertiges Barometergestänge viele der gleichen Komponenten. Der Zweck des Gestänges besteht darin, die winzige horizontale Bewegung eines sich ausdehnenden Balgs (einige Tausend Zoll oder Zentimeter) in die Schwenkbewegung eines Anzeigearms zu übersetzen. Die erforderliche Vergrößerung der Kapselbewegung kann mit Hebeln bewerkstelligt werden. Eine Wippe ist eine Art Hebel. Das äußerste Ende der Wippe bewegt sich durch einen viel größeren Bogen als ein Punkt in der Nähe des Drehpunkts. Indem dafür gesorgt wird, dass die Aneroidkapsel an einem Punkt nahe dem Drehpunkt eines wippenähnlichen Hebels drückt oder zieht, wird die Bewegung der Kapsel am entfernten Ende des Hebels stark vergrößert. Jede Nichtlinearität der Kapselbewegung kann mit einer Sicherung ausgeglichen werden ausgeprägte FU-Sagen. Eine Schnecke, die von Leonardo da Vinci erfunden wurde, ist eine spiralförmige Riemenscheibe in Form eines Kegels. Am Nullpunkt des Barometers ist das Ende des Wipphebels durch eine Kette mit der Mitte der Schnecke verbunden. Wenn sich die Aneroidkapsel zusammendrückt, dreht sich die Schnecke und verschiebt die Kette auf einen kleineren Durchmesser. Dadurch wird erreicht, dass beim Aushärten der Aneroidkapsel unter Kompression eine kleinere Bewegung der Kette die gleiche Bewegung des Sweep-Indikators erzeugen kann.

Der Herstellungsprozess
Prozess

Der Fall

• 1 Ein feines Barometergehäuse kann aus Messing, Bronze oder Stahl gegossen oder aus Holz geschnitzt werden. Günstigere Gehäuse können aus Stahl oder Aluminium gestanzt und anschließend mit einem dekorativen Finish beschichtet werden. Ein Guss wird hergestellt, indem geschmolzenes Metall in eine Form gegossen wird und das Metall aushärten lässt.
• 2 Nachdem das Metall ausgehärtet ist, wird die Form vom Gehäuse geschüttelt. Beim Stanzen wird ein flaches Metallstück mit hohem Druck zwischen zwei Matrizen gepresst.
• 3 Das Gehäuse wird fertiggestellt, indem überschüssiges Metall, das vom Gussprozess übriggeblieben ist, entfernt, alle rauen Kanten abgeschliffen und dann das Gehäuse auf Hochglanz poliert wird.
• 4 Einige Gehäuse werden dann lackiert oder mit einem durchsichtigen Kunststoff beschichtet, um ein Anlaufen zu verhindern.

Die Aneroidkapsel

• 5 In die beiden Hälften der Aneroidkapsel werden dünne Bleche aus Kupfer/Beryllium-Metall (ca. 0,002 Zoll [0,05 mm] dick) gestanzt. Die Stanzwerkzeuge sind so konstruiert, dass sie eine Schneidkantenpassfläche hinterlassen, wo die beiden Hälften verbunden werden.
• 6 Die einzelnen Aneroidkomponenten sind elektronenstrahlgeschweißt. Das Elektronenstrahlschweißen erfordert einen konzentrierten Strahl Ein Aneroidbarometer. von Elektronen erzeugt und auf die zu schweißende Verbindung fokussiert werden. Wenn die Elektronen mit dem Teil kollidieren, erzeugt die kinetische Energie der Kollision Wärme, die zum Verschmelzen oder Schmelzen der beiden zu verbindenden Teile führt. Das Elektronenstrahlschweißen kann nur im Vakuum durchgeführt werden (da die Luftmoleküle den Elektronenstrahl abfangen würden), was sehr praktisch ist, da auch die Aneroidkapsel luftfrei sein muss. Das Elektronenstrahlschweißen wird von automatisierten Roboterschweißmaschinen durchgeführt, da ein menschlicher Schweißer nicht den Grad an Genauigkeit bereitstellen kann, der zum Verbinden der Teile erforderlich ist, ohne sie zu beschädigen.

Die Verbindungen

• 7 Hochwertige Gestänge bestehend aus Hebeln, Ketten, Zahnstangen, Ritzel, Schnecke etc. werden aus Werkzeugstahl gefertigt. Bearbeitung bedeutet, dass Stangen aus Metall geschliffen und geschnitten werden, um das endgültige Stück zu formen. Automatisierte Fräsmaschinen können problemlos Verbindungsteile mit einer Toleranz von 0,0001 Zoll (0,0025 mm) herstellen.

Der Temperaturkompensator

• 8 Der Temperaturkompensator bei Qualitätsbarometern ist normalerweise ein Bimetallstreifen. Der Bimetallstreifen wird durch Schweißen oder Nieten eines Endes des Streifens am Barometergehäuse befestigt. Beim Schweißen werden sowohl das Gehäuse als auch der Bimetallstreifen teilweise geschmolzen, so dass die beiden Teile zusammenfließen und verbunden werden.

Endmontage

• 9 Das fertige Produkt wird auf der Werkbank montiert. Da die Produktionsmengen in der Regel sehr klein sind, gibt es im Endmontageprozess nur sehr wenig Automatisierung. Ein Monteur befestigt das Uhrwerk und die Temperaturkompensation am Gehäuse.
• 10 Das Gesicht des Barometers wird über den zentralen Stift des Uhrwerks gelegt.
• 11 Die Barometeranzeige wird dann mit einem Splint oder einer Schraube am Zentralstift befestigt.
• 12 Eine Glasplatte wird über das Barometer gelegt und eine Lünette wird auf das Barometer geschraubt, um das Glas in Position zu halten. Bei vielen Barometern hat die Frontplatte ein Loch in der Mitte, damit das Uhrwerk sichtbar ist.

Qualitätskontrolle

Die Qualitätskontrolle erfordert, dass das fertige Barometer unter verschiedenen atmosphärischen Bedingungen getestet wird. Alle Aneroidbarometer werden mit einer Nullstellschraube geliefert, um die Anfangsposition des Sweep-Indikators auf den gleichen Luftdruck wie bei einem sehr präzisen Standardbarometer aus der Fabrik einzustellen. Das neue Barometer wird dann unterschiedlichen barometrischen Drücken ausgesetzt, um zu beurteilen, wie genau es den tatsächlichen Druck aufzeichnen kann. Barometer, die die geforderten Werkstoleranzen, die von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich sind, nicht einhalten können, werden im Werk ausgetauscht.

Nebenprodukte/Abfälle

Quecksilberbarometer enthalten das hochgiftige Schwermetall, das ihnen ihren Namen gibt. Viele Ortschaften und einige Bundesstaaten haben jedoch die Verwendung von Quecksilber in Thermometern, Barometern und Blutdruckmessgeräten verboten. Es ist nur eine Frage der Zeit, bis das Quecksilberbarometer aus dem allgemeinen Gebrauch verschwindet. Abfälle, die bei der Herstellung von Aneroidbarometern anfallen, sind auf geringe Metallmengen aus der Gestängebearbeitung beschränkt. Gussabfälle aus den Barometergehäusen werden in der Regel sofort in der Gießerei recycelt.

Die Zukunft

Die Zukunft des Barometers ist eine digitale Version. Indem parallele Stahlplatten in die Aneroidkapsel gelegt und ein Strom über sie geleitet wird, kann der Abstand zwischen den beiden Platten bestimmt werden, da er proportional zur Kapazität der Platten ist (Kapazität ist ein Maß für die Menge an elektrischer Ladung, die gespeichert werden kann auf dem Teller). Wenn die aneroide Kapsel schrumpft und sich ausdehnt, ändert sich die Kapazität der beiden Platten und liefert ein Maß für die Änderung des Atmosphärendrucks, die die Änderung der Plattenposition antreibt. Dies macht steinbesetzte Lager, Schnecke und maschinell bearbeitete Gestänge überflüssig, sondern erzeugt ein Instrument mit dem ganzen Charme einer Digitaluhr. Mit dem unersättlichen Bedarf der Supercomputer des Wetterdienstes an Daten wird die Zukunft jedoch unweigerlich eine große Anzahl sehr billiger Barometer und Thermometer auf der ganzen Welt stationiert und über das World Wide Web verbunden haben.

Weitere Informationen

Bücher

Barry, Roger G. und Richard J. Chorley. Atmosphäre, Wetter und Klima. 6. Aufl. New York:Routledge, 1998.

Middleton, W.E. Knowles. Die Geschichte des Barometers. Baltimore:The Johns Hopkins Press, 1964.

Andere

Accuweather-Webseite. 20. September 2001. .

Jeff Raines