아네로이드 기압계

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배경

지구의 대기 무게는 약 6.5 × 10 ²¹ (5.98 × 10 ²⁴ ). 지구의 전체 표면적에 걸쳐 퍼져 있으며 해수면에서 약 14.7파운드/제곱인치(psi)(101킬로파스칼[kPa])의 공기(기압) 압력을 가합니다. 그것이 평균이지만 실제 기압은 장소와 순간에 따라 크게 다릅니다. 에베레스트 산 정상의 기압은 해수면 기압의 1/3입니다. 해수면에서 기록된 최대 기압 극한은 시베리아의 매우 추운 겨울 동안 15.7psi(108kPa)였으며 태평양 태풍의 눈으로 기록된 13.5psi(87kPa)였습니다. 기압차는 날씨의 기본 생성자이기 때문에 중요합니다.

태양은 대기의 압력 변화를 일으키는 주요 요인입니다. 뜨거운 적도 공기가 상승하여 북쪽으로 흐릅니다. 북반구에서 코리올리 힘이 움직일 때 열대 지방에서는 서쪽으로, 온대 지역에서는 동쪽으로 구부러져 시계 방향 및 반시계 방향 대기 흐름의 세포가 형성됩니다. 이러한 흐름과 함께 변화하는 대기압을 사용하여 날씨를 예측할 수 있습니다. 사실, 라디오가 등장하기 전에는 선원들이 날씨를 예측할 수 있는 유일한 도구는 기압이 변하는 방향을 알려주는 기압계였습니다. 상승하는 기압은 날씨가 좋아지고 있다는 신호였습니다. 떨어지는 기압계는 해치를 무너뜨리고 최선을 다하기를 바라는 신호였습니다.

연혁

많은 사람들은 느낄 수 없기 때문에 대기압이 존재한다는 것을 인식하지 못합니다. 그 존재는 이탈리아 과학자 Evangelista Torricelli에 의해 발견되었습니다. Torricelli는 광산을 건조하게 유지하는 데 어려움을 겪고 있는 은 광부들을 도우려다가 발견했습니다. 광부들이 사용할 수 있는 유일한 펌프는 9.8m(32피트)의 물만 올릴 수 있는 흡입 펌프였습니다. Torricelli는 펌프가 그 이상으로 물을 올릴 수 없는 이유는 대기의 무게가 32피트(9.8m) 높이의 물 기둥을 지탱할 만큼만 무거웠기 때문이라고 추론했습니다. Torricelli의 통찰력은 시소가 절반은 진공 상태이고 절반은 대기압 상태가 되도록 배열된 경우 32피트(9.8m)의 물이 시소의 진공 쪽에 배치되어야 한다는 것입니다. 반대편에 작용하는 대기압의 균형을 맞추는 톱. 광부의 펌프는 32피트(9.8m)가 넘는 물의 균형을 맞추려는 시소와 같았습니다.

그의 이론을 테스트하기 위해 Torricelli는 약 1.2m 길이의 유리관을 가져와 한쪽 끝을 밀봉하고 수은으로 채웠습니다. 열린 끝을 엄지손가락으로 잡고 튜브를 수은 그릇에 뒤집었습니다. 그의 이론은 수은이 물보다 13.5배 더 밀도가 높기 때문에 기압은 2.4피트(0.73m) 높이의 수은 기둥을 지탱할 수 있을 만큼만 높다는 것이었습니다(흡입 펌프가 물을 끌어올릴 수 있는 최대 높이를 13.5로 나눈 값). 실제로, 대기는 2.5피트(0.76m) 높이의 수은 기둥을 지지했습니다. 추가 거리는 유리관 상단의 진공이 거의 완벽했기 때문입니다. Torricelli는 진공을 최초로 만든 사람이기도 합니다. 그러나 광부 펌프의 봉인은 그렇지 않았습니다. 기압계가 날씨를 예측하는 데 사용될 수 있다는 사실을 누가 알았는지는 분명하지 않지만 투스카니 대공인 페르디난드 데이 메디치(Ferdinand dei Medici)일 가능성이 있습니다.

오늘날까지도 수은 기압계가 가장 정확한 기압계이지만 단점이 없는 것은 아닙니다. 허리케인에 휩싸인 배에서 수은 기압계를 읽는 것은 쉽지 않습니다. 무수은 기압계(무수은 기압계)에 대한 아이디어는 1700년경 Gottfried Leibniz(미적분학의 공동 발명자)에게 처음 나타났습니다. 야금술은 라이프니츠의 아이디어를 실현할 만큼 1700년에 충분히 발전하지 못했습니다. 프랑스 발명가 Lucien Vidie는 1843년에 최초의 실용적인 아네로이드 기압계를 개발했습니다. 아네로이드 기압계는 오늘날 사용되는 가장 일반적인 기압계입니다. 그들은 현재 기압을 가리키는 스위프 표시기가 있는 원형의 황동 시계 모양의 기구입니다. 기상 관측소와 보트에서 흔히 볼 수 있습니다. 아네로이드 기압계는 속이 빈 금속 캡슐의 팽창과 수축을 측정하여 작동합니다.

원자재

수은 기압계의 유일한 구성 요소는 유리와 수은입니다. 반면에 아네로이드 기압계는 고급 시계와 유사한 매우 복잡한 기계입니다. 기압의 변화에 ​​따라 움직이는 장치인 아네로이드 캡슐은 베릴륨과 구리의 합금으로 만들어졌습니다. 무브먼트는 보석 베어링(합성 루비 또는 사파이어)이 있는 스테인리스 스틸(예:AISI 304L)로 만들어집니다. 베어링은 마찰 저항이 매우 낮기 때문에 보석을 사용합니다. 기압계 케이스는 무엇이든 만들 수 있지만 일반적으로 황동(구리와 아연의 혼합물)으로 만들어집니다. 황동의 종류는 많습니다. 가장 일반적인 것 중 하나는 65% 구리와 35% 납의 혼합물인 "시계 황동"입니다. 기압계 다이얼은 알루미늄, 강철, 황동, 종이 등 무엇이든 만들 수 있습니다.

디자인

아네로이드 기압계를 위한 제품 설계에는 아네로이드 캡슐의 수축 및 팽창 특성에 대한 세심한 분석, 온도 보상 시스템 설계, 아네로이드 캡슐과 스위프 표시기 간의 연결에 대한 기계적 설계가 포함됩니다.

아네로이드 캡슐은 매우 얇고 속이 비어 있으며 일반적으로 풀무 모양입니다. 대부분의 공기는 캡슐에서 제거되어 캡슐의 수축과 팽창은 엄격하게 캡슐과 캡슐을 지지하는 스프링의 탄성의 함수입니다. 캡슐에 공기를 남겨두면 캡슐 응답에 비선형성이 유도됩니다. 캡슐이 수축하면서 공기가 남아 있으면 캡슐의 공기 압력이 상승하여 캡슐을 더 압축하기가 더 어려워집니다. 기압계 설계자는 기압계가 받게 될 예상 압력 범위에서 아네로이드 캡슐이 얼마나 팽창하거나 수축할지 계산합니다. 이러한 움직임을 기반으로 설계자는 캡슐의 움직임을 기압계 면의 스위프 표시기의 움직임으로 변환할 연결을 지정합니다.

아네로이드 기압계는 온도 변화에 따라 캡슐과 연결 장치가 팽창하거나 수축하고 캡슐의 탄성 특성(외부 압력 변화에 따라 캡슐이 휘는 정도)도 온도에 따라 변하기 때문에 온도 변화에 민감합니다. 기압계 구성 요소의 온도 유도 움직임을 보상하는 몇 가지 방법이 있습니다. 보다 우아한 솔루션 중 하나는 바이메탈 스트립을 사용하는 것입니다. 바이메탈 스트립은 서로 다른 유형의 원소 또는 합금으로 만들어진 두 개의 평평한 금속 조각으로 구성되어 있으며 서로 용접되어 있습니다. 바이메탈 스트립과 캡슐의 온도 변화를 예측할 수 있기 때문에 바이메탈 스트립을 사용하여 캡슐 움직임을 보상할 수 있습니다. 온도가 변하면 바이메탈 스트립의 두 구성 요소가 다른 양만큼 팽창하려고 합니다. 이로 인해 바이메탈 스트립이 더 작은 팽창 계수를 가진 구성요소 쪽으로 구부러집니다. 이 굽힘 동작은 표시 바늘을 이동하거나 온도 변화를 보상하기 위해 아네로이드 캡슐을 압축하는 데 사용할 수 있습니다.

아네로이드 캡슐과 스윕 표시기 사이의 연결은 고급 스위스 시계의 무브먼트만큼 복잡합니다. 사실, 품질 기압계 연결 장치에는 동일한 구성 요소가 많이 포함되어 있습니다. 연결 장치의 목적은 팽창하는 벨로우즈(수천 인치 또는 센티미터)의 작은 수평 동작을 표시기 암의 스위프 동작으로 변환하는 것입니다. 캡슐 움직임의 필요한 배율은 레버를 사용하여 수행할 수 있습니다. 시소는 레버의 한 형태입니다. 시소의 맨 끝은 피벗 근처의 한 점보다 훨씬 더 큰 호를 따라 움직입니다. 아네로이드 캡슐이 시소와 같은 레버의 회전축 근처의 한 지점을 밀거나 당기도록 배치함으로써 레버의 맨 끝에서 캡슐의 움직임이 크게 확대됩니다. 캡슐 운동의 비선형성은 퓨즈, 를 사용하여 보정할 수 있습니다. 발음 FU-말. 레오나르도 다빈치(Leonardo da Vinci)가 발명한 퓨즈는 원뿔 모양의 나선형 절단 도르래입니다. 기압계의 영점에서 시소 레버의 끝은 사슬로 퓨즈의 중앙에 연결됩니다. 아네로이드 캡슐이 압축되면 퓨즈가 회전하여 체인을 더 작은 직경으로 이동합니다. 이것이 달성하는 것은 압축하에 아네로이드 캡슐이 단단해짐에 따라 체인의 더 작은 움직임이 스위프 표시기의 동일한 움직임을 생성할 수 있다는 것입니다.

제조
프로세스

케이스

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1 정밀한 기압계 케이스는 황동, 청동 또는 강철로 주조하거나 나무로 조각할 수 있습니다. 덜 비싼 케이스는 강철이나 알루미늄으로 스탬프 처리한 다음 장식 마감으로 도금할 수 있습니다. 주물은 용융 금속을 주형에 붓고 금속을 경화시켜 만듭니다.

2 금속이 경화된 후 틀을 케이스에서 떼어냅니다. 스탬핑은 고압에서 두 다이 사이의 평평한 금속 조각을 누르는 것과 관련됩니다.

3 케이스는 주조 과정에서 남은 금속을 제거하고 거친 모서리를 연마한 다음 케이스를 광택 처리하여 마무리합니다.

4 일부 케이스는 변색을 방지하기 위해 광택 처리되거나 투명한 플라스틱으로 코팅됩니다.

아네로이드 캡슐

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5 구리/베릴륨 금속의 얇은 시트(두께 약 0.002인치[0.05mm])가 아네로이드 캡슐의 두 절반 부분에 찍혀 있습니다. 스탬핑 다이는 두 개의 반쪽이 결합될 나이프 에지 결합 표면을 남기도록 설계되었습니다.

6 개별 아네로이드 부품은 전자빔 용접됩니다. 전자빔 용접에는 집중 스트림이 필요합니다. 아네로이드 기압계. 의 전자가 생성되어 용접될 조인트에 집중됩니다. 전자가 부품과 충돌할 때 충돌의 운동 에너지는 열을 생성하여 결합할 두 조각의 융합 또는 용융을 초래합니다. 전자빔 용접은 진공 상태에서만 수행할 수 있습니다(공기 분자가 전자빔을 차단할 것이기 때문에). 이는 아네로이드 캡슐에도 공기가 없어야 하기 때문에 매우 편리합니다. 전자빔 용접은 인간 용접공이 부품을 손상시키지 않고 결합하는 데 필요한 정도의 정확도를 제공할 수 없기 때문에 자동화된 로봇 용접 기계에 의해 수행됩니다.

연결

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7 레버, 체인, 섹터 랙, 피니언, 퓨즈 등으로 구성된 고품질 링키지는 공구강으로 가공됩니다. 가공이란 금속 스톡 바를 갈고 절단하여 최종 조각을 형성하는 것을 의미합니다. 자동화된 밀링 기계는 0.0001인치(0.0025mm)의 허용 오차로 연결 부품을 쉽게 생산할 수 있습니다.

온도 보정기

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8 품질 기압계에서 온도 보상기는 일반적으로 바이메탈 스트립입니다. 바이메탈 스트립은 스트립의 한쪽 끝을 기압계 케이스에 용접하거나 리벳으로 고정하여 고정됩니다. 용접은 케이싱과 바이메탈 스트립을 부분적으로 녹여서 두 조각이 함께 흐르고 결합되도록 합니다.

최종 조립

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9 완성된 제품은 벤치 조립입니다. 생산 실행은 일반적으로 매우 작기 때문에 최종 조립 프로세스에서 자동화가 거의 없습니다. 조립자가 케이스에 움직임 및 온도 보정 장치를 부착합니다.

10 기압계의 면이 무브먼트의 중앙 핀 위에 놓입니다.

11 기압계 표시기는 분할 핀 또는 나사로 중앙 핀에 고정됩니다.

12 기압계 면 위에 유리판을 놓고 유리를 제자리에 고정하기 위해 베젤을 기압계에 나사로 고정합니다. 많은 기압계에서 페이스 플레이트는 움직임을 볼 수 있도록 중앙에 구멍이 뚫려 있습니다.

품질 관리

품질 관리를 위해서는 완성된 기압계를 다양한 대기 조건에서 테스트해야 합니다. 모든 아네로이드 기압계에는 공장에서 보관되는 매우 정밀한 표준 기압계와 동일한 기압이 되도록 스위프 표시기의 초기 위치를 조정하는 영점 조정 나사가 있습니다. 그런 다음 새 기압계는 실제 압력을 얼마나 정확하게 기록할 수 있는지 평가하기 위해 다양한 기압을 받습니다. 제조업체마다 다른 필수 공장 허용 오차를 충족할 수 없는 기압계는 무브먼트를 교체해야 합니다.

부산물/폐기물

수은 기압계는 그 이름을 따온 고독성 중금속을 함유하고 있습니다. 그러나 많은 지역과 일부 주에서는 온도계, 기압계 및 혈압 기록 장치에 수은 사용을 금지했습니다. 수은 기압계가 일반적인 용도에서 사라지는 것은 시간 문제일 뿐입니다. 아네로이드 기압계 제조 중 발생하는 폐기물은 링키지 가공에서 나오는 소량의 금속으로 제한됩니다. 기압계 케이스의 주조 폐기물은 일반적으로 주조소에서 즉시 재활용됩니다.

미래

기압계의 미래는 디지털 버전입니다. 아네로이드 캡슐 내부에 평행한 강판을 놓고 전류를 흐르게 함으로써 두 판 사이의 거리는 판의 커패시턴스에 비례하므로 결정할 수 있습니다(커패시턴스는 저장할 수 있는 전하량의 척도입니다. 접시에). 아네로이드 캡슐이 수축 및 팽창함에 따라 두 판의 커패시턴스가 변경되어 판 위치의 변화를 주도하는 대기압 변화의 측정값을 제공합니다. 이렇게 하면 보석으로 장식된 베어링, 퓨즈 및 기계 연결 장치가 필요하지 않지만 디지털 시계의 매력을 모두 갖춘 기기가 만들어집니다. 그러나 데이터를 위한 기상 서비스 슈퍼컴퓨터의 끝없는 요구로 인해 미래에는 필연적으로 매우 저렴한 기압계와 온도계가 엄청나게 많이 전 세계에 배치되고 월드 와이드 웹을 통해 연결될 것입니다.

자세히 알아보기

책

Barry, Roger G. 및 Richard J. Chorley. 대기, 날씨 및 기후. 6판. 뉴욕:Routledge, 1998.

미들턴, W. E. 놀스. 기압계의 역사. 볼티모어:The Johns Hopkins Press, 1964.

기타

Accuweather 웹 페이지. 2001년 9월 20일. .

제프 비