Анероид — барометр с вакуумной коробкой¶

Анероид — это барометр механического типа, в котором атмосферное давление измеряется по величине деформации герметичной металлической коробки с разреженным воздухом (созданным внутри вакуумом), происходящей под действием внешнего давления воздуха. В отличие от ртутного барометра, анероид не содержит жидкости, что делает его более компактным, безопасным и удобным в эксплуатации. Название прибора происходит от греческих слов «а» (отрицание) и «нерос» (вода, влага), что буквально означает «безжидкостный».

¶Устройство и принцип действия

Основным чувствительным элементом анероида служит тонкостенная гофрированная металлическая коробка (капсула Види), из которой откачан воздух до остаточного давления порядка 50–100 мм ртутного столба, то есть внутри создаётся глубокий вакуум. Гофрированная поверхность (мембрана) придаёт коробке упругость и позволяет ей заметно деформироваться при изменении внешнего давления.

Принцип действия основан на том, что атмосферное давление снаружи стремится сжать коробку, тогда как изнутри ей противодействует лишь упругость металла и остаточное давление газа. При повышении атмосферного давления стенки коробки прогибаются внутрь, при понижении — распрямляются. Величина деформации пропорциональна изменению давления.

Для увеличения чувствительности в приборах часто устанавливают несколько последовательно соединённых коробок (батарею), что позволяет суммировать их деформации. Перемещение центральной точки коробки или батареи передаётся через систему рычагов и зубчато-секторный механизм на стрелку, которая перемещается по круговой шкале, проградуированной в миллиметрах ртутного столба, гектопаскалях или миллибарах.

Важной особенностью конструкции является компенсация температурных погрешностей. Поскольку упругость металла и остаточное давление газа зависят от температуры, в анероиды встраивают биметаллические компенсаторы или используют специальные сплавы с минимальным температурным коэффициентом упругости.

¶История создания

Первый работоспособный анероид был сконструирован французским механиком Люсьеном Види в 1844 году. До этого единственным точным прибором для измерения атмосферного давления являлся ртутный барометр, изобретённый Эванджелистой Торричелли в 1643 году. Ртутные барометры были громоздкими, требовали вертикального расположения и представляли опасность из-за токсичности ртути.

Изобретение Види быстро получило признание. Уже к середине XIX века анероиды стали широко применяться в метеорологии, мореплавании и научных экспедициях. В 1849 году английский физик и метеоролог Джон Уэлш провёл серию сравнительных испытаний анероидов и ртутных барометров, подтвердив достаточную для практических целей точность новых приборов.

¶Классификация и виды

Анероиды классифицируют по назначению и классу точности:

Бытовые анероиды — простые приборы с погрешностью порядка 2–3 гПа, используемые в домашних метеостанциях и в качестве настенных украшений.
Метеорологические анероиды — приборы повышенной точности (погрешность не более 0,5–1 гПа), применяемые на метеостанциях для контроля и поверки самописцев.
Барографы — анероиды, снабжённые механизмом самописца, который непрерывно фиксирует изменения давления на бумажной ленте, намотанной на вращающийся барабан.
Морские анероиды — приборы, устанавливаемые на судах, с компенсацией вибрации и качки, часто в герметичном корпусе.
Авиационные высотомеры (альтиметры) — специализированные анероиды, шкала которых проградуирована не в единицах давления, а в метрах или футах высоты над уровнем моря, поскольку атмосферное давление закономерно убывает с высотой.
Микробарометры — высокочувствительные анероиды для регистрации малых колебаний давления, например, при изучении сейсмических волн или инфразвука.

¶Применение

Анероиды находят применение в различных областях:

Метеорология: измерение атмосферного давления для прогноза погоды, анализ барических полей и циклонов.
Авиация: в качестве высотомеров, а также в барометрических системах выравнивания давления в гермокабинах.
Мореплавание: контроль давления для предсказания штормов.
Геодезия и альпинизм: определение высоты над уровнем моря по разнице давлений.
Научные исследования: изучение атмосферных процессов, включая микробарические колебания при землетрясениях и извержениях вулканов.
Промышленность и лаборатории: контроль технологических процессов, где требуется измерение давления окружающей среды.

¶Достоинства и недостатки

К достоинствам анероидов относятся компактность, отсутствие опасных жидкостей, механическая прочность, пригодность к использованию в полевых условиях и на подвижных объектах. Прибор не требует строго вертикальной ориентации, что делает его незаменимым в экспедициях и на транспорте.

Недостатками являются меньшая по сравнению с ртутными барометрами точность, появление погрешностей из-за упругого последействия металла (гистерезиса), а также необходимость периодической регулировки и сверки с эталонными приборами. Со временем упругие свойства мембраны могут изменяться, что приводит к дрейфу показаний.

¶Современное состояние

В настоящее время классические механические анероиды постепенно вытесняются цифровыми барометрами на основе пьезорезистивных и ёмкостных датчиков давления, которые обеспечивают большую точность, стабильность и возможность электронной обработки сигнала. Тем не менее анероиды до сих пор выпускаются промышленностью и используются там, где требуется автономность, простота и отсутствие источников питания, например, в механических метеостанциях, учебных приборах и резервных высотомерах на летательных аппаратах.