アネロイドバロメーター

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背景

地球の大気の重さは約6.5×10 ²¹ （5.98×10 ²⁴ ）。地球の全表面積に広がり、海面で約14.7ポンド/平方インチ（psi）（101キロパスカル[kPa]）の空気（気圧）圧力をかけます。これは平均ですが、実際の気圧は場所によって、また瞬間ごとに大きく異なります。エベレスト山頂の気圧は、海面気圧の3分の1です。海面でこれまでに記録された最大の気圧は、シベリアの非常に寒い冬の間に15.7 psi（108 kPa）であり、太平洋の台風の目に記録された13.5 psi（87 kPa）でした。気圧差は、気象の基本的な作成者であるため重要です。

太陽は、大気の圧力変動を引き起こす主な要因です。熱い赤道気団が上昇し、北に流れます。北半球のコリオリの力が動くと、熱帯では西に、温帯では東に曲がり、時計回りと反時計回りの大気の流れのセルができます。これらの流れに伴う大気圧の変化は、天気を予測するために使用できます。実際、ラジオが登場する前は、船員が天気を予測しなければならなかったのは気圧計だけでした。気圧計は気圧がどちらの方向に変化しているかを知らせていました。気圧の上昇は、天候が改善した兆候でした。落下する気圧計は、ハッチを打ち破り、最高のものを期待するための兆候でした。

歴史

大気圧は感じられないので、多くの人は大気圧が存在することに気づいていません。その存在は、イタリアの科学者エヴァンジェリスタトリチェッリによって発見されました。トリチェリは、鉱山を乾いた状態に保つのに苦労していた銀鉱山労働者を助けようとしたときに発見しました。鉱山労働者が利用できる唯一のポンプは吸引ポンプであり、水を32フィート（9.8 m）しか上げることができませんでした。 Torricelliは、ポンプがそれ以上水を上げることができなかった理由を推測しました。これは、大気の重量が32フィート（9.8 m）の高さの水柱を支えるのに十分なだけの重さだったためです。トリチェリーの洞察は、シーソーの半分が真空下にあり、半分が大気圧下にあるようにシーソーを配置した場合、32フィート（9.8 m）の水をシーソーの真空側に配置する必要があるというものでした。反対側に作用する大気圧のバランスをとるのを見た。鉱山労働者のポンプは、32フィート（9.8 m）以上の水のバランスをとろうとしているシーソーのようなものでした。

彼の理論をテストするために、トリチェリは長さ約4フィート（1.2 m）のガラス管を取り、一端を密閉し、水銀を充填しました。親指を開いた端にかざして、彼はチューブを水銀のボウルにひっくり返しました。彼の理論は、水銀は水より13.5倍密度が高いため、気圧は2.4フィート（0.73 m）の高さの水銀柱を支えるのに十分な高さしかありません（吸引ポンプが水を引くことができる最大の高さを13.5で割ったもの）。実際には、大気は高さ2.5フィート（0.76 m）の水銀柱を支えていました。余分な距離は、ガラス管の上部の真空がほぼ完璧だったためであり、トリチェリは真空を作成した最初の人物でもあり、鉱山労働者のポンプのシールはそうではありませんでした。トスカーナの大公であるFerdinanddei Mediciであった可能性はありますが、気圧計を使用して天気を予測できることに誰が気付いたかは明らかではありません。

水銀気圧計は、今日でも最も正確な気圧計ですが、欠点がないわけではありません。ハリケーンに襲われた船に乗って水銀気圧計を読み取ろうとするのは簡単ではありません。水銀を含まない気圧計（アネロイド気圧計）のアイデアは、1700年頃にゴットフリートライプニッツ（微積分の共同発明者）に最初に思い浮かびました。1700年に冶金学はライプニッツのアイデアを実現するのに十分に進歩しませんでした。フランスの発明家LucienVidieは、1843年に最初の実用的な真空計を開発しました。真空計は、今日使用されている最も一般的な気圧計です。それらは、現在の気圧を指すスイープインジケーターを備えた円形の真ちゅう製の時計のような計器です。それらは、気象観測所や船上でよく見られます。アネロイド気圧計は、中空の金属カプセルの膨張と収縮を測定することによって機能します。

原材料

水銀気圧計の唯一の成分はガラスと水銀です。一方、真空計は、高級時計に似た非常に複雑な機械です。気圧の変化に応じて動く装置である真空計カプセルは、ベリリウムと銅の合金でできています。ムーブメントは、ジュエルベアリング（合成ルビーまたはサファイア）を備えたステンレス鋼（AISI 304Lなど）で作られています。ジュエルは摩擦抵抗が非常に低いため、ベアリングに使用されています。気圧計のケースは何でも作ることができますが、通常は真ちゅう（銅と亜鉛の混合物）で作られています。真鍮には多くの種類があります。最も一般的なものの1つは、65％の銅と35％の鉛の混合物である「クロックブラス」です。気圧計の文字盤は、アルミニウム、鋼、真ちゅう、紙など、何でも作ることができます。

デザイン

アネロイド気圧計の製品設計には、アネロイドカプセルの収縮および膨張特性の注意深い分析、温度補償システムの設計、およびアネロイドカプセルとスイープインジケーター間のリンクの機械的設計が含まれます。

アネロイドカプセルは非常に薄く、中空で、通常はベローズのような形をしています。カプセルから空気の大部分が除去されるため、カプセルの収縮と膨張は、カプセルとその支持ばねの弾性の関数に厳密に依存します。カプセル内に空気を残すと、カプセルの応答に非線形性が生じます。カプセルが収縮するにつれて、空気が残っていると、カプセル内の空気圧が上昇し、カプセルのさらなる圧縮が困難になります。気圧計の設計者は、気圧計が受けると予想される圧力範囲の下で、アネロイドカプセルがどれだけ膨張または収縮するかを計算します。これらの動きに基づいて、設計者はカプセルの動きを気圧計面のスイープインジケーターの動きに変換するリンケージを指定します。

アネロイド気圧計は、温度の変化に応じてカプセルとそのリンケージが膨張または収縮するため、またカプセルの弾性特性（外圧の変化に応じてカプセルがどれだけたわむか）も温度とともに変化するため、温度変化に敏感です。気圧計コンポーネントの温度による動きを補正する方法はいくつかあります。より洗練されたソリューションの1つは、バイメタルストリップの使用です。バイメタルストリップは、さまざまな種類の元素または合金で作られた2つの平らな金属片で構成され、背中合わせに溶接されています。バイメタルストリップとカプセルの温度変化は予測可能であるため、バイメタルストリップを使用してカプセルの動きを補正できます。温度が変化すると、バイメタルストリップの2つのコンポーネントが異なる量だけ膨張しようとします。これにより、バイメタルストリップは、膨張係数が小さいコンポーネントに向かって曲がります。この曲げ動作を使用して、インジケーターの手をシフトしたり、アネロイドカプセルを圧縮して温度変化を補正したりできます。

アネロイドカプセルとスイープインジケーターのリンクは、スイスの高級時計の動きとほぼ同じくらい複雑です。実際、高品質の気圧計リンケージには、同じコンポーネントの多くが組み込まれています。リンケージの目的は、拡張ベローズの小さな水平方向の動き（数千インチまたはセンチメートル）をインジケーターアームのスイープモーションに変換することです。カプセルの動きの必要な拡大は、レバーを使用して達成することができます。シーソーはレバーの一種です。シーソーの一番端は、ピボットの近くのポイントよりもはるかに大きな弧を描いて移動します。シーソーのようなレバーのピボットの近くのポイントでアネロイドカプセルを押したり引いたりするように配置することにより、カプセルの動きはレバーの遠端で大幅に拡大されます。カプセルの動きの非線形性は、ヒューズを使用して補正できます。 FU-sayと発音します。レオナルドダヴィンチによって発明されたヒューズは、円錐形のスパイラルカットプーリーです。気圧計のゼロ点で、シーソーレバーの端がチェーンによってヒューズの中央に接続されています。アネロイドカプセルが圧縮されると、ヒューズが回転し、チェーンがより小さな直径にシフトダウンします。これが達成することは、アネロイドカプセルが圧縮下で硬化するにつれて、チェーンの小さな動きがスイープインジケーターの同じ動きを生み出すことができるということです。

製造
プロセス

ケース

• 1細かい気圧計のケースは、真ちゅう、青銅、または鋼から鋳造するか、木から彫ることができます。より安価なケースは、スチールまたはアルミニウムから打ち抜いてから、装飾仕上げでメッキすることができます。鋳物は、溶融金属を型に流し込み、金属を硬化させることによって作られます。
• 2金属が硬化した後、型をケースから振り落とします。スタンピングでは、2つのダイの間に平らな金属片を高圧で押し付けます。
• 3ケースは、鋳造プロセスで残った余分な金属を取り除き、粗いエッジを削り、ケースを磨いて明るい仕上げにすることで仕上げられます。
• 4場合によっては、変色を防ぐために、ニスを塗ったり、透明なプラスチックでコーティングしたりします。

アネロイドカプセル

• 5枚の銅/ベリリウム金属の薄いシート（厚さ約0.002インチ[0.05 mm]）が、真空計カプセルの2つの半分に刻印されています。スタンピングダイは、2つの半分が結合されるナイフエッジの合わせ面を残すように設計されています。
• 6個々のアネロイドコンポーネントは電子ビーム溶接されています。電子ビーム溶接では、集中ストリームが必要です アネロイド気圧計。の電子が生成され、溶接される接合部に集束されます。電子が部品と衝突すると、衝突の運動エネルギーによって熱が発生し、結合する2つの部品が融合または溶融します。電子ビーム溶接は、真空中でのみ実行できます（空気分子が電子ビームを遮断するため）。これは、真空カプセルにも空気がない必要があるため、非常に便利です。電子ビーム溶接は、人間の溶接工が部品を損傷せずに接合するのに必要な精度を提供できなかったため、自動ロボット溶接機によって実行されます。

リンケージ

• 7レバー、チェーン、セクターラック、ピニオン、ヒューズなどで構成される高品質のリンケージは、工具鋼から機械加工されています。機械加工とは、金属のストックバーを研磨して切断し、最終的な部品を成形することを意味します。自動フライス盤は、0.0001インチ（0.0025 mm）の公差でリンケージ部品を簡単に製造できます。

温度補償器

• 8高品質の気圧計の温度補償器は、通常、バイメタルストリップです。バイメタルストリップは、ストリップの一端を気圧計ケースに溶接またはリベットで留めることによって固定されます。溶接では、ケーシングとバイメタルストリップの両方を部分的に溶かして、2つの部品が一緒に流れて接合されるようにします。

最終組み立て

• 9完成品はベンチで組み立てられます。生産工程は一般的に非常に小さいため、最終的な組み立てプロセスの自動化はほとんどありません。アセンブラーは、ムーブメントと温度補償器をケースに取り付けます。
• 10気圧計の面は、ムーブメントの中央のピンの上に配置されます。
• 11次に、気圧計インジケーターを割りピンまたはネジで中央のピンに固定します。
• 12ガラス板を気圧計の面に置き、ベゼルを気圧計にねじ込んでガラスを所定の位置に保持します。多くの気圧計では、フェースプレートの中央に動きが見えるように穴が開いています。

品質管理

品質管理では、完成した気圧計をさまざまな大気条件下でテストする必要があります。すべてのアネロイド気圧計には、スイープインジケーターの初期位置を、工場で保管されている非常に正確な標準気圧計と同じ気圧になるように調整するためのゼロ調整ネジが付属しています。次に、新しい気圧計にさまざまな気圧をかけ、実際の気圧をどれだけ正確に記録できるかを評価します。メーカーごとに異なる、必要な工場公差を満たすことができない気圧計は、ムーブメントが交換されています。

副産物/廃棄物

水銀気圧計には、その名前の由来となる毒性の高い重金属が含まれています。ただし、多くの地域および一部の州では、体温計、気圧計、および血圧記録装置での水銀の使用が禁止されています。水銀気圧計が一般的な使用から消えるのは時間の問題です。アネロイド気圧計の製造中に発生する廃棄物は、リンケージ加工からの少量の金属に限定されます。気圧計ケースからの鋳造廃棄物は、通常、鋳造所ですぐにリサイクルされます。

未来

バロメーターの未来はデジタル版です。アネロイドカプセル内に平行な鋼板を配置し、それらに電流を流すことにより、2つのプレート間の距離は、プレートの静電容量に比例するため、決定できます（静電容量は、蓄積できる電荷量の尺度です）。その皿の上に）。アネロイドカプセルが収縮および拡張すると、2つのプレートの静電容量が変化し、プレート位置の変化を促進する大気圧の変化の測定値を提供します。これにより、宝石で飾られたベアリング、ヒューズ、機械加工されたリンケージが不要になりますが、デジタル時計の魅力をすべて備えた楽器が製造されます。しかし、データ用の気象サービススーパーコンピューターの飽くなきニーズにより、将来的には、世界中に配置され、ワー​​ルドワイドウェブを介して接続された非常に安価な気圧計と温度計が必然的にもたらされるでしょう。

詳細情報

本

バリー、ロジャーG.、リチャードJ.チョーリー。 大気、天気、気候。 第6版ニューヨーク：ラウトレッジ、1998年。

ミドルトン、W。E。ノウルズ。 バロメーターの歴史。 ボルチモア：ジョンズホプキンスプレス、1964年。

その他

AccuweatherWebページ。 2001年9月20日。。

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