无液气压计

背景

地球大气层重约 6.5 × 10 ²¹ (5.98 × 10 ²⁴ ）。它分布在地球的整个表面区域，在海平面上施加大约 14.7 磅/平方英寸 (psi) (101 千帕 [kPa]) 的空气（气压）压力。虽然这是平均值，但实际气压因地而异，从一个时刻到下一个时刻变化很大。珠穆朗玛峰顶峰的气压是海平面气压的三分之一。有史以来在海平面记录的最大气压极端值是在西伯利亚非常寒冷的冬天 15.7 psi (108 kPa) 和在太平洋台风眼中记录的 13.5 psi (87 kPa)。气压差很重要，因为它们是天气的基本创造者。

太阳是造成大气压力变化的主要因素。赤道热空气上升并向北流动。当它移动北半球的科里奥利力时，它会在热带地区向西弯曲，在温带向东弯曲，形成顺时针和逆时针大气流动的单元。这些流动带来的不断变化的大气压力可用于预测天气。事实上，在无线电出现之前，水手们预测天气的唯一工具是气压计，它告诉他们气压的变化方向。气压上升是天气改善的迹象。下降的晴雨表是一个信号，可以敲定舱门并希望最好。

历史

许多人没有意识到大气压的存在，因为它无法感觉到。它的存在是由意大利科学家 Evangelista Torricelli 发现的。托里切利在试图帮助银矿矿工时发现了他的发现，他们在保持矿山干燥方面遇到了困难。矿工唯一可用的泵是抽吸泵，它只能将水提升 32 英尺（9.8 米）。托里切利推断泵无法将水吸得更多的原因是大气的重量仅足以支撑 32 英尺 (9.8 m) 高的水柱。 Torricelli 的见解是，如果将跷跷板布置成一半在真空下，一半在大气压下，则必须将 32 英尺（9.8 m）的水放置在跷跷板的真空侧。锯来平衡作用在另一侧的大气压力。矿工的泵就像跷跷板，试图平衡超过 32 英尺（9.8 m）的水。

为了验证他的理论，托里切利拿了一根约 4 英尺（1.2 米）长的玻璃管，将其一端密封，并在其中注入水银。他用拇指按住开口端，将管子倒进一碗水银里。他的理论是，由于水银的密度是水的 13.5 倍，大气压仅足以支撑 2.4 英尺（0.73 米）高的水银柱（抽吸泵可以抽水的最大高度除以 13.5）。实际上，大气层支撑着一根 2.5 英尺（0.76 米）高的水银柱。额外的距离是因为玻璃管顶部的真空几乎是完美的——托里切利也是第一个创造真空的人——而矿工泵中的密封则不是。目前尚不清楚谁注意到气压计可用于预测天气，但有可能是托斯卡纳大公费迪南德·德·美第奇 (Ferdinand dei Medici)。

尽管时至今日，水银气压计仍是最准确的气压计，但它们并非没有缺点。试图读取被飓风袭击的船上的水银气压计并不容易。 1700 年左右，戈特弗里德·莱布尼茨（微积分的共同发明者）首先想到了无汞气压计（无液气压计）的想法。1700 年冶金学还不够先进，无法实现莱布尼茨的想法。法国发明家 Lucien Vidie 于 1843 年开发出第一台实用的无液气压计。无液气压计是当今最常用的气压计。它们是圆形的、黄铜的、类似时钟的仪器，带有指向当前气压的扫描指示器。它们常见于气象站和船上。无液气压计通过测量中空金属胶囊的膨胀和收缩来发挥作用。

原材料

水银气压计的唯一组件是玻璃和水银。另一方面，无液气压计是非常复杂的机器，类似于高级手表。无液胶囊是一种随气压变化而移动的装置，由铍铜合金制成。机芯由不锈钢（例如 AISI 304L）制成，带有宝石轴承（合成红宝石或蓝宝石）。轴承中使用宝石是因为它们具有非常低的摩擦阻力。气压计外壳可以由任何材料制成，但通常由黄铜（铜和锌的混合物）制成。黄铜的种类很多。最常见的一种是“clockbrass”，它是由 65% 的铜和 35% 的铅混合而成。气压计表盘可以由任何材料制成：铝、钢、黄铜或纸。

设计

无液气压计的产品设计包括对无液胶囊的收缩和膨胀特性的仔细分析、温度补偿系统的设计以及无液胶囊与扫描指示器之间联动装置的机械设计。

无液胶囊非常薄、中空，通常形状像一个波纹管。大多数空气从胶囊中排出，因此胶囊的收缩和膨胀严格取决于胶囊及其任何支撑弹簧的弹性。将空气留在胶囊中会导致胶囊响应非线性。随着胶囊的收缩，如果有空气残留，胶囊内的气压就会升高，这会使胶囊进一步压缩变得更加困难。气压计设计者计算在气压计将承受的预期压力范围内无液胶囊将膨胀或收缩的程度。基于这些运动，设计者指定了将胶囊的运动转化为气压计表面上扫描指示器运动的连杆。

无液气压计对温度变化很敏感，因为胶囊及其连接件会随着温度的变化而膨胀或收缩，还因为胶囊的弹性特性（在外部压力变化下胶囊会偏转多少）也随温度变化。有多种方法可以补偿气压计组件的温度引起的运动。更优雅的解决方案之一涉及使用双金属条。双金属条由两块金属片组成，由不同类型的元素或合金制成，背对背焊接。因为双金属片和胶囊中的温度变化是可预测的，所以双金属片可用于补偿胶囊运动。随着温度的变化，双金属片的两个组件会尝试以不同的量膨胀。这导致双金属片向膨胀系数较小的部件弯曲。这种弯曲运动可用于移动指示器指针或压缩无液胶囊以补偿温度变化。

无液胶囊和扫描指示器之间的联系几乎与精美瑞士手表的机芯一样复杂。事实上，优质的气压计联动装置包含许多相同的组件。连杆的目的是将膨胀波纹管的微小水平运动（几千英寸或几厘米）转化为指示器臂的扫掠运动。可以使用杠杆来实现胶囊运动所需的放大倍数。跷跷板是杠杆的一种形式。跷跷板的最末端通过比枢轴附近的点大得多的弧线。通过安排无液胶囊在跷跷板状杠杆的枢轴附近的点上推动或拉动，胶囊的运动在杠杆的远端被极大地放大。胶囊运动的任何非线性都可以通过使用 保险丝来补偿， 发音为 FU-say。由列奥纳多·达·芬奇 (Leonardo da Vinci) 发明的保险丝是一种形状像锥形的螺旋切割滑轮。在气压计的零点处，跷跷板的末端通过链条与引信的中间相连。随着无液胶囊压缩，引信旋转，将链条向下移动到更小的直径。这样做的结果是，随着无液胶囊在压缩下变硬，链条的较小运动可以产生扫描指示器的相同运动。

制造
过程

案例

• 1 精美的气压计外壳可以用黄铜、青铜或钢铸造，也可以用木头雕刻而成。较便宜的表壳可以用钢或铝冲压而成，然后镀上装饰性饰面。铸件是通过将熔融金属倒入模具中并使金属硬化而制成的。
• 2 金属硬化后，将模具从外壳上抖落。冲压涉及在高压下在两个模具之间压制一块平坦的金属。
• 3 通过去除铸造过程中剩余的任何多余金属，打磨任何粗糙边缘，然后将表壳抛光至光亮，即可完成表壳的制作。
• 4 一些箱子会被涂上清漆或涂上透明塑料以防止变色。

无液胶囊

• 5 片铜/铍金属薄片（约 0.002 英寸 [0.05 毫米] 厚）被冲压到无液胶囊的两半中。冲压模具设计为在刀刃配合表面上留下两个半部将被连接在一起。
• 6 各个无液组件均采用电子束焊接。电子束焊接要求集中流 无液气压计。产生的电子集中在要焊接的接头上。当电子与零件碰撞时，碰撞的动能会产生热量，导致要连接的两个零件融合或熔化。电子束焊接只能在真空中进行（因为空气分子会拦截电子束），这非常方便，因为无液胶囊也必须没有空气。电子束焊接由自动机器人焊接机执行，因为人工焊工无法在不损坏零件的情况下提供连接零件所需的精度。

链接

• 7 由杠杆、链条、扇形齿条、小齿轮、引信等组成的高质量连杆由工具钢加工而成。机加工意味着对金属棒材进行研磨和切割，以形成最终部件。自动化铣削机械可以轻松生产公差为 0.0001 英寸（0.0025 毫米）的连杆零件。

温度补偿器

• 8 质量气压计中的温度补偿器通常是双金属片。双金属片的一端通过焊接或铆接固定在气压计外壳上。焊接包括部分熔化外壳和双金属条，使这两个部件流动在一起并连接在一起。

总装

• 9 成品是台式组装的。由于生产运行通常非常小，因此最终装配过程中的自动化程度非常低。装配工将机芯和温度补偿器安装到表壳上。
• 10 气压计的表面放置在机芯的中心销上。
• 11 然后用开口销或螺钉将气压计指示器固定到中心销上。
• 12 将一块玻璃板放在气压计的表面上，然后将一个挡板拧到气压计上以将玻璃固定到位。在许多气压计中，面板中央有一个孔，以便可以看到机芯。

质量控制

质量控制要求完成的气压计在不同的大气条件下进行测试。所有无液气压计都配有一个调零螺丝，用于将扫描指示器的初始位置调整为与出厂时非常精确的标准气压计相同的气压。然后，新气压计会承受不同的气压，以评估其记录实际压力的准确程度。无法满足要求的工厂公差（因制造商而异）的气压计将更换其机芯。

副产品/废物

水银气压计含有剧毒的重金属，因此得名。然而，许多地方和一些州已经禁止在温度计、气压计和血压记录设备中使用汞。水银气压计从普遍使用中消失只是时间问题。无液气压计制造过程中产生的废物仅限于连杆加工产生的少量金属。来自气压计外壳的铸造废料通常会立即在铸造厂回收。

未来

晴雨表的未来是数字版本。通过在无液胶囊内放置平行的钢板并在其上运行电流，可以确定两个板之间的距离，因为它与板的电容成正比（电容是可以存储的电荷量的量度）在盘子上）。随着无液胶囊收缩和膨胀，两个极板的电容发生变化，提供了驱动极板位置变化的大气压力变化的度量。这消除了对宝石轴承、引信和机械连接的需要，但生产出具有数字手表所有魅力的仪器。然而，随着气象服务超级计算机对数据的永无止境的需求，未来将不可避免地带来大量非常廉价的气压计和温度计，它们驻扎在世界各地并通过万维网连接。

哪里可以了解更多

书籍

Barry、Roger G. 和 Richard J. Chorley。 大气、天气和气候。 第 6 版。纽约：劳特利奇，1998 年。

米德尔顿，W. E. 诺尔斯。 晴雨表的历史。 巴尔的摩：约翰霍普金斯出版社，1964 年。

其他

Accuweather 网页。 2001 年 9 月 20 日。。

杰夫 雷恩斯