Baromètre anéroïde

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Contexte

L'atmosphère terrestre pèse environ 6,5 × 10 ²¹ (5,98 × 10 ²⁴ ). Réparti sur toute la surface de la Terre, il exerce une pression atmosphérique (barométrique) d'environ 14,7 livres par pouce carré (psi) (101 kilopascals [kPa]) au niveau de la mer. Bien que ce soit la moyenne, la pression barométrique réelle varie considérablement d'un endroit à l'autre et d'un moment à l'autre. La pression barométrique au sommet du mont Everest, est un tiers de la pression barométrique au niveau de la mer. Les plus grands extrêmes de pression barométrique jamais enregistrés au niveau de la mer étaient de 15,7 psi (108 kPa) pendant un hiver très froid en Sibérie et de 13,5 psi (87 kPa) enregistrés dans l'œil d'un typhon de l'océan Pacifique. Les différences de pression barométrique sont importantes car elles sont à la base des créateurs de la météo.

Le soleil est le principal facteur à l'origine des variations de pression dans l'atmosphère. L'air chaud équatorial monte et s'écoule vers le nord. Au fur et à mesure qu'il se déplace, les forces de Coriolis dans l'hémisphère nord le courbent vers l'ouest dans les tropiques et vers l'est dans les zones tempérées, créant des cellules de flux atmosphérique dans le sens horaire et antihoraire. Les pressions atmosphériques changeantes qui accompagnent ces débits peuvent être utilisées pour prédire le temps. En fait, avant l'avènement de la radio, le seul outil dont disposaient les marins pour prédire la météo était le baromètre, qui leur indiquait de quel côté la pression atmosphérique changeait. Une augmentation de la pression barométrique était un signe d'amélioration des conditions météorologiques. Un baromètre en chute était un signe pour fermer les écoutilles et espérer le meilleur.

Historique

Beaucoup de gens ne réalisent pas que la pression atmosphérique existe car elle ne peut pas être ressentie. Son existence a été découverte par le scientifique italien Evangelista Torricelli. Torricelli a fait sa découverte lors d'une tentative pour aider les mineurs d'argent, qui avaient du mal à garder leurs mines sèches. Les seules pompes disponibles pour les mineurs étaient des pompes d'aspiration, qui ne pouvaient élever l'eau que de 32 pieds (9,8 m). Torricelli a déduit que la raison pour laquelle la pompe ne pouvait pas élever l'eau plus que cela était que le poids de l'atmosphère était juste assez lourd pour supporter une colonne d'eau de 9,8 m de haut. L'idée de Torricelli était que si une balançoire était disposée de telle sorte que la moitié soit sous vide et la moitié sous pression atmosphérique, il faudrait placer 32 pi (9,8 m) d'eau du côté sous vide de la balançoire. vu pour équilibrer la pression atmosphérique agissant de l'autre côté. Les pompes des mineurs étaient comme une balançoire essayant d'équilibrer plus de 9,8 m (32 pi) d'eau.

Pour tester sa théorie, Torricelli a pris un tube de verre d'environ 1,2 m de long, l'a scellé à une extrémité et l'a rempli de mercure. Tenant son pouce sur l'extrémité ouverte, il renversa le tube dans un bol de mercure. Sa théorie était que, puisque le mercure est 13,5 fois plus dense que l'eau, la pression barométrique ne serait assez élevée que pour supporter une colonne de mercure de 2,4 pi (0,73 m) de haut (la hauteur maximale que les pompes aspirantes pourraient tirer de l'eau divisée par 13,5). En réalité, l'atmosphère supportait une colonne de mercure de 2,5 pi (0,76 m) de haut. La distance supplémentaire était due au fait que le vide au sommet du tube de verre était presque parfait - Torricelli était également la première personne à créer un vide - et les joints des pompes des mineurs ne l'étaient pas. On ne sait pas qui a remarqué que les baromètres pouvaient être utilisés pour prévoir le temps, bien qu'il soit possible que ce soit Ferdinand dei Medici, grand-duc de Toscane.

Alors que les baromètres à mercure, même à ce jour, sont les baromètres les plus précis, ils ne sont pas sans inconvénients. Essayer de lire un baromètre à mercure à bord d'un navire pris dans un ouragan n'est pas facile. L'idée d'un baromètre sans mercure (un baromètre anéroïde) est venue pour la première fois à Gottfried Leibniz (coinventeur du calcul) vers 1700. La métallurgie n'était pas suffisamment avancée en 1700 pour réaliser l'idée de Leibniz. L'inventeur français Lucien Vidie a développé le premier baromètre anéroïde pratique en 1843. Les baromètres anéroïdes sont les baromètres les plus couramment utilisés aujourd'hui. Ce sont des instruments circulaires en laiton ressemblant à des horloges avec un indicateur de balayage pointant vers la pression barométrique actuelle. Ils sont couramment observés dans les stations météorologiques et à bord des bateaux. Les baromètres anéroïdes fonctionnent en mesurant l'expansion et la contraction d'une capsule métallique creuse.

Matières premières

Les seuls composants d'un baromètre à mercure sont le verre et le mercure. Les baromètres anéroïdes, en revanche, sont des machines très complexes similaires aux belles montres. La capsule anéroïde, qui est l'appareil qui se déplace avec les changements de pression de l'air, est fabriquée à partir d'un alliage de béryllium et de cuivre. Les mouvements sont fabriqués en acier inoxydable (par exemple, AISI 304L) avec des roulements en pierres précieuses (rubis ou saphirs synthétiques). Des bijoux sont utilisés dans les roulements car ils ont une très faible résistance au frottement. Les boîtiers de baromètre peuvent être faits de n'importe quoi, mais sont généralement faits de laiton (un mélange de cuivre et de zinc). Il existe plusieurs types de laiton. L'un des plus courants est le « clockbrass », un mélange de 65 % de cuivre et de 35 % de plomb. Les cadrans de baromètre peuvent être faits de n'importe quoi :aluminium, acier, laiton ou papier.

Conception

La conception du produit d'un baromètre anéroïde implique une analyse minutieuse des propriétés de contraction et d'expansion de la capsule anéroïde, la conception du système de compensation de température et la conception mécanique de la liaison entre la capsule anéroïde et l'indicateur de balayage.

La capsule anéroïde est très mince, creuse et généralement en forme de soufflet. La majeure partie de l'air est retirée de la capsule de sorte que la contraction et l'expansion de la capsule sont strictement fonction de l'élasticité de la capsule et de l'un quelconque de ses ressorts de support. Laisser de l'air dans la capsule induirait une non-linéarité dans la réponse de la capsule. Au fur et à mesure que la capsule se contractait, s'il restait de l'air, la pression de l'air dans la capsule augmenterait, ce qui rendrait plus difficile la compression de la capsule. Le concepteur du baromètre calcule de combien la capsule anéroïde se dilatera ou se contractera dans la plage de pressions attendue à laquelle le baromètre sera soumis. Sur la base de ces mouvements, le concepteur précise les liaisons qui traduiront le mouvement de la capsule en mouvement d'un indicateur de balayage sur la face du baromètre.

Le baromètre anéroïde est sensible aux variations de température à la fois parce que la capsule et ses liaisons se dilateront ou se contracteront au fur et à mesure que la température change et aussi parce que les propriétés élastiques de la capsule (combien la capsule fléchira sous les changements de pression extérieure) changent également avec la température. Il existe plusieurs façons de compenser les mouvements induits par la température des composants du baromètre. L'une des solutions les plus élégantes consiste à utiliser un bilame. Un bilame est constitué de deux pièces plates en métal, constituées de différents types d'éléments ou d'alliages, soudées dos à dos. Étant donné que les changements de température dans le bilame et la capsule sont prévisibles, le bilame peut être utilisé pour compenser les mouvements de la capsule. Lorsque les températures changent, les deux composants du bilame tentent de se dilater de quantités différentes. Cela provoque la flexion du bilame vers le composant avec le plus petit coefficient de dilatation. Ce mouvement de flexion peut être utilisé pour déplacer l'aiguille de l'indicateur ou comprimer la capsule anéroïde pour compenser le changement de température.

La liaison entre la capsule anéroïde et l'indicateur de balayage est presque aussi complexe que le mouvement d'une belle montre suisse. En fait, une liaison de baromètre de qualité intègre bon nombre des mêmes composants. Le but de la tringlerie est de traduire le petit mouvement horizontal d'un soufflet en expansion (quelques milliers de pouces ou de centimètre) en le mouvement de balayage d'un bras indicateur. Le grossissement requis du mouvement de la capsule peut être obtenu à l'aide de leviers. Une balançoire est une forme de levier. La toute fin de la balançoire se déplace sur un arc beaucoup plus grand qu'un point près du pivot. En faisant en sorte que la capsule anéroïde pousse ou tire sur un point près du pivot d'un levier en forme de balançoire, le mouvement de la capsule est considérablement amplifié à l'extrémité du levier. Toute non-linéarité du mouvement de la capsule peut être compensée à l'aide d'une fusée, prononcé FU-dire. Une fusée, qui a été inventée par Léonard de Vinci, est une poulie coupée en spirale en forme de cône. Au point zéro du baromètre, l'extrémité du levier à bascule est reliée au milieu de la fusée par une chaîne. Au fur et à mesure que la capsule anéroïde se comprime, la fusée tourne, déplaçant la chaîne vers un diamètre plus petit. Ce que cela accomplit, c'est que lorsque la capsule anéroïde durcit sous compression, un mouvement plus petit de la chaîne peut produire le même mouvement de l'indicateur de balayage.

Le processus de fabrication

Le cas

• 1 Un beau boîtier de baromètre peut être coulé en laiton, en bronze ou en acier ou sculpté dans du bois. Les boîtiers moins chers peuvent être estampés en acier ou en aluminium, puis plaqués avec une finition décorative. Un moulage est réalisé en versant du métal en fusion dans un moule et en laissant le métal durcir.
• 2 Une fois le métal durci, le moule est secoué du boîtier. L'emboutissage consiste à presser un morceau de métal plat entre deux matrices à haute pression.
• 3 Le boîtier est fini en enlevant tout excès de métal laissé par le processus de moulage, en meulant les bords rugueux, puis en polissant le boîtier pour obtenir une finition brillante.
• 4 Certains boîtiers sont ensuite vernis ou recouverts d'un plastique transparent pour éviter le ternissement.

La capsule anéroïde

• 5 De fines feuilles de métal cuivre/béryllium (environ 0,002 in [0,05 mm] d'épaisseur) sont estampées dans les deux moitiés de la capsule anéroïde. Les matrices d'estampage sont conçues pour laisser une surface d'accouplement en lame de couteau où les deux moitiés seront jointes.
• 6 Les composants anéroïdes individuels sont soudés par faisceau d'électrons. Le soudage par faisceau d'électrons nécessite qu'un flux concentré Un baromètre anéroïde. d'électrons soient générés et focalisés sur le joint à souder. Lorsque les électrons entrent en collision avec la pièce, l'énergie cinétique de la collision crée de la chaleur entraînant la fusion ou la fusion des deux pièces à joindre. Le soudage par faisceau d'électrons ne peut être effectué que sous vide (car les molécules d'air intercepteraient le faisceau d'électrons) ce qui est très pratique car la capsule anéroïde doit également être exempte d'air. Le soudage par faisceau d'électrons est effectué par des machines de soudage robotisées automatisées, car un soudeur humain ne pourrait pas fournir le degré de précision nécessaire pour assembler les pièces sans les endommager.

Les liens

• 7 Les tringleries de haute qualité composées de leviers, chaînes, crémaillères sectorielles, pignons, fusée, etc., sont usinées à partir d'acier à outils. L'usinage signifie que les barres de métal sont broyées et coupées pour façonner la pièce finale. Les fraiseuses automatisées peuvent facilement produire des pièces de liaison avec une tolérance de 0,0001 po (0,0025 mm).

Le compensateur de température

• 8 Le compensateur de température, dans les baromètres de qualité, est généralement un bilame. Le bilame est fixé par soudage ou rivetage d'une extrémité de la bande sur le boîtier du baromètre. Le soudage consiste à faire fondre partiellement à la fois le boîtier et le bilame de sorte que les deux pièces s'écoulent ensemble et soient jointes.

Assemblage final

• 9 Le produit fini est assemblé au banc. Parce que les séries de production sont généralement très petites, il y a très peu d'automatisation dans le processus d'assemblage final. Un assembleur fixe le mouvement et le compensateur de température au boîtier.
• 10 La face du baromètre est placée sur l'axe central du mouvement.
• 11 L'indicateur du baromètre est ensuite fixé à la goupille centrale avec une goupille fendue ou une vis.
• 12 Une plaque de verre est placée sur la face du baromètre et une lunette est vissée sur le baromètre pour maintenir le verre en place. Dans de nombreux baromètres, la plaque frontale a un trou découpé au centre afin que le mouvement puisse être vu.

Contrôle qualité

Le contrôle de la qualité exige que le baromètre terminé soit testé dans différentes conditions atmosphériques. Tous les baromètres anéroïdes sont livrés avec une vis de mise à zéro pour ajuster la position initiale de l'indicateur de balayage à la même pression barométrique que celle d'un baromètre standard très précis conservé en usine. Le nouveau baromètre est ensuite soumis à différentes pressions barométriques pour évaluer avec quelle précision il peut enregistrer la pression réelle. Les baromètres qui ne peuvent pas respecter les tolérances d'usine requises, qui varient d'un fabricant à l'autre, voient leurs mouvements remplacés.

Sous-produits/Déchets

Les baromètres à mercure contiennent le métal lourd hautement toxique qui leur donne leur nom. Cependant, de nombreuses localités et certains États ont interdit l'utilisation de mercure dans les thermomètres, les baromètres et les appareils d'enregistrement de la pression artérielle. Ce n'est qu'une question de temps avant que le baromètre à mercure ne disparaisse de l'usage courant. Les déchets générés lors de la fabrication du baromètre anéroïde sont limités à des quantités mineures de métal provenant de l'usinage de la tringlerie. Les déchets de coulée des boîtiers du baromètre sont généralement immédiatement recyclés dans la fonderie.

Le futur

L'avenir du baromètre est une version numérique. En plaçant des plaques d'acier parallèles à l'intérieur de la capsule anéroïde et en faisant passer un courant à travers elles, la distance entre les deux plaques peut être déterminée car elle est proportionnelle à la capacité des plaques (la capacité est une mesure de la quantité de charge électrique qui peut être stockée dans l'assiette). Au fur et à mesure que la capsule anéroïde se rétrécit et se dilate, la capacité des deux plaques change, fournissant une mesure du changement de pression atmosphérique entraînant le changement de position de la plaque. Cela évite le besoin de roulements, de fusées et de liaisons usinées, mais produit un instrument avec tout le charme d'une montre numérique. Cependant, avec le besoin insatiable des superordinateurs des services météorologiques de données, l'avenir apportera inévitablement un grand nombre de baromètres et de thermomètres très bon marché stationnés dans le monde entier et connectés via le World Wide Web.

Où en savoir plus

Livres

Barry, Roger G. et Richard J. Chorley. Atmosphère, météo et climat. 6e éd. New York :Routledge, 1998.

Middleton, W.E. Knowles. L'histoire du baromètre. Baltimore :The Johns Hopkins Press, 1964.

Autre

Page Web d'Accuweather. 20 septembre 2001. .

Jeff Raines