Анероидный барометр: конструкция прибора, принцип работы, исполнение

Анероидный барометр: конструкция прибора, принцип работы, исполнение

Несмотря на широкое применение ртутных барометров, демонстрирующих наиболее точные показатели давления, эти приборы не лишены недостатков. Так, достаточно проблематично использовать ртутный барометр на борту корабля, попавшего в условия урагана. Поэтому очевидной явилась идея создания барометра, лишённого ртути (анероидный барометр). Эту идею впервые (в 1700 году) выдал Готфрид Лейбниц – немецкий механик. Однако на тот момент времени развитие области механики не позволяло реализовать идею Лейбница. Поэтому изобретение первого в мире анероидного барометра приписали французскому физику — Люсьену Види (1843 год), создавшему работающий прибор.

Что такое анероидный барометр?

На современном этапе жизни анероидные барометры распространены повсеместно. Круглой формы, как правило, медные, похожие на часы инструменты, успешно используются для измерения атмосферного давления. Традиционные места применения – метеостанции, лодки, яхты, катера. Принцип действия анероидного барометра основан на функционале расширения и сжатия полой металлической капсулы.

Если функциональными компонентами ртутного барометра выступают стекло и ртуть, анероидные барометры выгладят достаточно сложными измерительными приборами, где используется механизм, подобный часовому. Капсула анероида представляет устройство движения от изменения давления воздуха.

Обычно чувствительная капсула изготавливается на основе сплава бериллия и меди. Остальной механизм сделан из нержавеющей стали (AISI 304L и т.п.), оснащён подшипниками, сделанными из драгоценного материала (синтетические рубины или сапфиры).

Драгоценный материал используется под изготовление подшипников анероидного барометра с целью получения малого сопротивление на трение. Корпусная часть анероидного барометра допускает исполнение из любых материалов, но обычно сделана из латуни (смесь меди и цинка). Есть много видов латуни. Распространенным корпусом является «часовой вариант», где используется смесь 65% меди + 35% свинца.

Конструкция анероидного барометра

Проектный вариант конструкции любого анероидного барометра включает:

  • тщательный анализ сжимающих и расширяющих свойств вакуумной капсулы,
  • конструкцию системы температурной компенсации,
  • механическую конструкцию связи между вакуумной капсулой и развёрткой индикатора.
Анероидный барометр - схематичное исполнение прибора
Схемотехника прибора в упрощённом изложении: 1 – металлическая пружина; 2 – указательная стрелка индикатора; 3 – цепь передачи; 4 – механические связи; 5 – рабочая капсула с вакуумом внутри

Рабочая чувствительная капсула анероидного барометра тонкостенная, полая, имеет форму сильфона. Воздух из капсулы удаляется полностью, поэтому степень сжатия и расширения сосуда строго зависят от упругости материала и поддерживающих пружин.

Разработчики анероидного барометра, как правило, предварительно рассчитывают, насколько анероидная капсула допускает расширение или сжатие относительно расчётного диапазона давлений. Основываясь на движениях сжатия расширения, разработчиками прибора определяются связи преобразования движений капсулы в движение индикатора развертки на шкале анероидного барометра.

Принцип действия механизма прибора измерения давления

Анероидный барометр чувствителен к изменениям температуры, поскольку капсула прибора и существующие соединения обладают свойствами расширяться или сжиматься при температурных колебаниях. Кроме того, упругие свойства материала капсулы также изменяются под влиянием температуры.

Существует несколько способов компенсации температурных перемещений компонентов анероидного барометра. Одним из наиболее элегантных решений является использование биметаллической полосы. Биметаллическая полоса состоит из двух плоских кусков металла, изготовленных из различных типов элементов или сплавов, сваренных один с другим.

Анероидный барометр - биметаллическая полоса связи
Упрощённая схема механизма, указывающая на исполнение компенсационную деталь – биметаллическую полосу, в конструкции прибора: 1 – капсула под вакуумом; 2 – биметаллическая полоса; 3 – опорные подшипники; 4 – стрелка указатель

Учитывая предсказуемость изменения температуры биметаллической полосы и капсулы, биметаллическую полосу допустимо использовать для компенсации движений капсулы. По мере изменения температуры, два компонента биметаллической полосы расширяются в разной степени.

Этот фактор заставляет биметаллическую полосу изгибаться относительно компонента с меньшим коэффициентом расширения. Движение изгиба можно использовать для перемещения стрелки индикатора или сжатия вакуумной капсулы барометра для компенсации изменения температуры.

Связь между анероидной капсулой (сильфоном) и разверткой индикатора, по сложности механизма аналогична швейцарским часам. Фактически, качественная барометрическая связь включает массу одинаковых компонентов. Цель этой рычажной связи состоит в том, чтобы передать малое горизонтальное движение расширяющегося сильфона в движение стрелки циферблата. Используется форма рычага в виде качели.

Непосредственно конец качели движется по увеличенной дуге, относительно осевой точки. Благодаря тяге вакуумной капсулы, расположенной рядом с шарниром рычага, похожего на качели, перемещение значительно увеличивается на дальнем конце рычажной системы.

Любая нелинейность движения вакуумной капсулы компенсируется барабаном (улиткой). Барабан (изобретение Леонардо да Винчи) представляет собой шкив, наделённый спиральными зубьями, имеющий форму конуса.

В нулевой точке анероидного барометра конец рычага соединен цепью с серединой барабана. Когда сжимается рабочая капсула, барабан вращается, сдвигая цепь до меньшей длины. Любое незначительное движение цепи вызывает такое же движение стрелки индикатора барометра.

Изготовление прибора в заводских условиях

Корпус анероидного барометра отливают из латуни, бронзы или стали. Также не исключаются варианты вырезания из дерева. Менее дорогие корпуса — штамповки из стали или алюминия, покрытые декоративной отделкой. Литьё производится путём заливки расплавленного металла в специальную форму с последующим затвердеванием.

Исполнение корпуса анероидных барометров
Исполнение корпусное для приборов измерения давления поддерживается в самых различных вариациях, включая широкое разнообразие отделочных элементов и материалов

После того, как металл затвердел, форма снимается с корпуса. Штамповка включает вдавливание плоского куска металла между двумя штампами при высоких давлениях. Обработка корпуса завершается удалением лишнего металла, оставшегося в процессе литья:

  • шлифовка любых шероховатых краев,
  • полировка до блеска.
  • покрытие лаком или прозрачным пластиком (в отдельных случаях).

Половинки рабочей капсулы измерительного прибора — тонкие листы из меди / бериллия (толщиной около 0,05 мм), штампуют на специальной матрице. Отдельные компоненты сварены электронно-лучевым методом.

Электронно-лучевая сварка выполняется автоматическими роботизированными сварочными машинами, поскольку сварщик-человек не в состоянии обеспечить степень точности, необходимую для соединения таких деталей без повреждения.

Высококачественные рычаги, состоящие из деталей:

  • рычагов,
  • цепей,
  • секторных реек,
  • шестерен,
  • барабанов,

изготовлены на основе инструментальной стали. Механическая обработка предполагает шлифовку и резку заготовок для придания нужной формы конечной детали. Автоматическое фрезерное оборудование производит соединения деталей с допуском 0,0025 мм.

В качестве компенсаторов температуры анероидных барометров обычно выступает биметаллическая полоса. Эта деталь крепится сваркой или клёпкой одного конца полоски к корпусу барометра. Сварка включает частичную плавку, как корпуса, так и биметаллической полосы, так что обе части надёжно соединяются. Окончательно анероидный барометр собирается на стенде.

Контроль качества анероидного барометра

Контроль качества готового измерительного прибора выполняется в различных атмосферных условиях. Все изготовленные приборы поставляются с установочным винтом-регулятором исходного положения индикатора развёртки. При помощи винта устанавливается барометрическое давление точного стандартного барометра-эталона.

Новый барометр затем подвергается изменению барометрического давления, чтобы оценить, насколько точно прибор способен показывать фактическое давление. Анероидные барометры, не соответствующие требуемым заводским допускам, отправляются для замены механизма движения.

Перспективы анероидных приборов измерения давления

Перспективное будущее анероидного барометра, конечно же, цифровая версия прибора. Размещая параллельно стальные пластины внутри вакуумной капсулы, пропуская через эти пластины электрический ток, несложно определить расстояние между этими двумя пластинами.

Измеритель давления воздуха - цифровой
Измеритель давления цифровой – мобильная конфигурация. Примерно такого типа приборы обещают появиться в ближайшей перспективе для нужд глобального применения

Величина расстояния пропорциональна величине ёмкости пластин. По мере того, как вакуумная капсула сжимается и расширяется, ёмкость двух пластин также изменяется, обеспечивая меру изменения атмосферного давления. Этот момент устраняет необходимость применения подшипников на опорах из драгоценных камней, барабанов и механически соединённых звеньев.

Вместе с тем, появляется возможность производства инструмента по аналогу цифровых часов. Существующая потребность метеослужб в супер-компьютерах обработки данных, в будущем неизбежно приведёт к появлению огромного количества недорогих барометров и термометров, соединённых в единую сеть через Интернет.



Добавить комментарий

Внимание: Спам не пройдёт. Работает фильтрация комментариев. *