Анероид

Анероид — это механический барометр, предназначенный для измерения атмосферного давления, в котором чувствительным элементом является герметичная металлическая коробка (капсула) с частично откачанным воздухом, деформирующаяся под действием изменений внешнего давления. В отличие от ртутного барометра, анероид не использует жидкость, что делает его более компактным, портативным и безопасным в обращении. Название происходит от греческих слов «a» (отрицание) и «neros» (вода), то есть «безводный».

История

Предпосылки создания

Первые барометры, изобретённые итальянским физиком Эванджелистой Торричелли в 1643 году, были ртутными. Они обеспечивали высокую точность, но имели ряд недостатков: громоздкость, хрупкость стеклянной трубки, токсичность ртути и невозможность использования в условиях качки (на кораблях). Это стимулировало поиск альтернативных конструкций.

Изобретение Люсьена Види

Современный анероид был изобретён французским физиком и инженером Люсьеном Види (Lucien Vidie) в 1843 году. Он запатентовал конструкцию, в которой использовалась гофрированная металлическая коробка, из которой был частично откачан воздух. Для компенсации температурных расширений и повышения чувствительности Види применил тарельчатую пружину и систему рычагов, передающих движение коробки на стрелку. За своё изобретение Види получил премию Французской академии наук.

Дальнейшее развитие

В конце XIX — начале XX века анероиды были значительно усовершенствованы. Появились барографы — самописцы, непрерывно фиксирующие изменения давления на бумажной ленте. В 1930-х годах анероиды стали широко применяться в авиации для определения высоты полёта (барометрические высотомеры). В XX веке были разработаны прецизионные анероиды с компенсацией температуры, используемые в метеорологии.

Устройство и принцип действия

Основные элементы

Основу анероида составляет герметичная гофрированная капсула (или несколько капсул, соединённых последовательно), из которой откачан воздух до остаточного давления. Капсула изготавливается из тонкой упругой металлической ленты (обычно бериллиевой бронзы или специальной стали). Гофрированная форма (сильфон) обеспечивает большую упругость и линейность деформации.

Механизм передачи

Под действием атмосферного давления стенки капсулы прогибаются. При повышении давления капсула сжимается, при понижении — расширяется. Величина деформации крайне мала (доли миллиметра), поэтому для её усиления и преобразования во вращательное движение стрелки используется система рычагов и зубчатых колёс. Ключевым элементом является тарельчатая пружина (или плоская пружина), которая противодействует сжатию капсулы и обеспечивает возврат механизма в исходное положение.

Шкала и индикация

Перемещение стрелки отображается на круговой шкале, проградуированной в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.), гектопаскалях (гПа) или миллибарах (мбар). На шкалу также часто наносятся метеорологические обозначения («Ясно», «Переменно», «Дождь», «Буря»), которые, однако, являются условными и не всегда точными.

Классификация

По назначению

• Метеорологические (лабораторные): Высокоточные приборы, используемые на метеостанциях. Часто имеют компенсацию температурной погрешности и могут быть поверены по ртутному барометру.
• Бытовые: Настенные или настольные приборы для общего контроля давления. Отличаются меньшей точностью, но большей декоративностью.
• Авиационные (высотомеры): Специализированные анероиды, шкала которых проградуирована в метрах или футах. Являются частью пилотажно-навигационных комплексов.
• Геофизические: Используются в геологии и океанологии, часто в составе автономных регистраторов.

По конструктивным особенностям

• Однокапсульные: Простейшие и наименее точные, с одной капсулой.
• Многокапсульные: Содержат несколько последовательно соединённых капсул для увеличения суммарной деформации и повышения чувствительности.
• С компенсацией температуры: В конструкцию введён биметаллический элемент, корректирующий показания при изменении температуры окружающей среды.

Характеристики и точность

Преимущества

• Портативность и компактность: Значительно меньше и легче ртутных барометров.
• Безопасность: Отсутствие токсичной ртути.
• Устойчивость к вибрациям: Может работать на подвижных объектах (кораблях, самолётах, автомобилях).
• Простота считывания: Показания снимаются визуально по стрелке.

Недостатки

• Погрешность: Анероиды уступают в точности ртутным барометрам. Типичная погрешность бытового прибора составляет ±1–2 мм рт. ст., а с учётом старения пружины и капсулы может возрастать.
• Температурная зависимость: Упругость металла меняется с температурой, что требует введения компенсации.
• Гистерезис: Капсула не всегда возвращается в исходное положение после снятия нагрузки, что приводит к остаточной деформации.
• Необходимость в калибровке: Для поддержания точности анероид требует периодической поверки по эталонному ртутному барометру.

Применение

Метеорология

Анероиды являются основным инструментом для измерения атмосферного давления на метеостанциях, в полевых условиях и в быту. Данные о давлении используются для прогнозирования погоды: резкое падение давления обычно предвещает циклоны и ухудшение погоды, а рост — антициклоны и улучшение.

Авиация

Барометрический высотомер, основанный на принципе анероида, — один из важнейших пилотажных приборов. Он определяет высоту полёта по разности между давлением на высоте и давлением, установленным на шкале (давление аэродрома или стандартное давление 1013,25 гПа). В современных самолётах анероидные высотомеры дополняются, но не вытесняются полностью радиовысотомерами и спутниковыми системами.

Геология и геофизика

Анероиды используются для барометрического нивелирования — определения разности высот точек на местности по разности давлений. Этот метод применяется при геологической съёмке и в горном деле.

Спорт и туризм

Компактные анероиды (альтиметры) входят в снаряжение альпинистов, туристов и охотников для оценки высоты и прогноза погоды. В современных условиях они часто вытесняются электронными барометрами-альтиметрами в наручных часах и навигаторах.

Интересные факты

• Рекордная точность: Прецизионные анероиды, используемые в лабораториях, могут достигать точности до 0,1 гПа, что сопоставимо с ртутными барометрами.
• Барограф: Самопишущий анероид, в котором стрелка заменена пером, оставляющим след на вращающемся барабане с бумажной лентой. Такие приборы использовались для непрерывной регистрации давления в течение недели или месяца.
• Анероид в космосе: Механические анероиды устанавливались на первых советских и американских космических аппаратах для измерения давления в гермоотсеках.
• Связь с высотой: Известно, что с подъёмом на 10,5 метров давление падает примерно на 1 мм рт. ст. Это соотношение лежит в основе работы барометрических высотомеров.

Источники

1. Кедроливанский В. Н., Стернзат М. С. Метеорологические приборы. — Л.: Гидрометеоиздат, 1953.
2. Бурцев В. А. Барометры и анероиды. — М.: Машиностроение, 1978.
3. Хромов С. П., Петросянц М. А. Метеорология и климатология. — М.: Изд-во МГУ, 2001.
4. Справочник по гидрометеорологическим приборам и установкам. — Л.: Гидрометеоиздат, 1971.
5. Патент Франции № 15567 от 1843 года на изобретение анероида (Lucien Vidie).