Barometer Aneroid

Latar Belakang

Berat atmosfer bumi sekitar 6,5 × 10 ²¹ (5,98 × 10 ²⁴ ). Tersebar di seluruh area permukaan bumi, ia memberikan tekanan udara (barometrik) sekitar 14,7 pon per inci persegi (psi) (101 kilopascal [kPa]) di permukaan laut. Sementara itu rata-rata, tekanan barometrik sebenarnya sangat bervariasi dari satu tempat ke tempat lain dan dari satu saat ke saat berikutnya. Tekanan barometrik di puncak Gunung Everest, adalah sepertiga dari tekanan barometrik di permukaan laut. Tekanan barometrik ekstrem terbesar yang pernah tercatat di permukaan laut adalah 15,7 psi (108 kPa) selama musim dingin yang sangat dingin di Siberia dan 13,5 psi (87 kPa) yang tercatat di mata angin topan Samudra Pasifik. Perbedaan tekanan barometrik penting karena mereka adalah pencipta dasar cuaca.

Matahari adalah faktor utama yang menyebabkan variasi tekanan di atmosfer. Udara khatulistiwa yang panas naik dan mengalir ke utara. Saat bergerak, gaya Coriolis di belahan bumi utara membengkokkannya ke barat di daerah tropis dan ke timur di zona beriklim sedang, membentuk sel-sel aliran atmosfer searah jarum jam dan berlawanan arah jarum jam. Perubahan tekanan atmosfer yang menyertai aliran ini dapat digunakan untuk memprediksi cuaca. Faktanya, sebelum munculnya radio, satu-satunya alat yang harus dimiliki pelaut untuk memprediksi cuaca adalah barometer, yang memberi tahu mereka ke arah mana tekanan udara berubah. Tekanan barometrik yang meningkat adalah tanda membaiknya cuaca. Barometer yang jatuh adalah tanda untuk menutup palka dan berharap yang terbaik.

Sejarah

Banyak orang tidak menyadari bahwa tekanan atmosfer ada karena tidak dapat dirasakan. Keberadaannya ditemukan oleh ilmuwan Italia Evangelista Torricelli. Torricelli membuat penemuannya selama upaya untuk membantu penambang perak, yang mengalami kesulitan menjaga tambang mereka tetap kering. Satu-satunya pompa yang tersedia untuk para penambang adalah pompa hisap, yang hanya bisa menaikkan air 32 kaki (9,8 m). Torricelli menyimpulkan alasan pompa tidak dapat menaikkan air lebih dari itu adalah karena berat atmosfer hanya cukup berat untuk menopang kolom air setinggi 32 kaki (9,8 m). Wawasan Torricelli adalah bahwa jika jungkat-jungkit diatur sedemikian rupa sehingga setengahnya berada di bawah vakum dan setengahnya berada di bawah tekanan atmosfer, 32 ft (9,8 m) air harus ditempatkan di sisi vakum dari jungkat-jungkit tersebut. gergaji untuk menyeimbangkan tekanan atmosfer yang bekerja di sisi lain. Pompa penambang seperti jungkat-jungkit yang mencoba menyeimbangkan lebih dari 32 kaki (9,8 m) air.

Untuk menguji teorinya, Torricelli mengambil tabung kaca dengan panjang sekitar 4 kaki (1,2 m), menyegelnya di salah satu ujungnya, dan mengisinya dengan merkuri. Sambil memegang ibu jarinya di ujung yang terbuka, dia membalikkan tabung itu ke dalam mangkuk berisi air raksa. Teorinya adalah, karena merkuri 13,5 kali lebih padat daripada air, tekanan barometrik hanya akan cukup tinggi untuk menopang kolom merkuri setinggi 2,4 kaki (0,73 m) (ketinggian maksimum yang dapat ditarik oleh pompa hisap dibagi 13,5). Sebenarnya, atmosfer mendukung kolom merkuri setinggi 2,5 kaki (0,76 m). Jarak ekstra itu karena vakum di bagian atas tabung gelas hampir sempurna—Torricelli juga orang pertama yang membuat vakum—dan segel di pompa penambang tidak. Tidak jelas siapa yang memperhatikan bahwa barometer dapat digunakan untuk meramalkan cuaca, meskipun mungkin saja Ferdinand dei Medici, Adipati Agung Tuscany.

Meskipun barometer merkuri, bahkan sampai hari ini, adalah barometer yang paling akurat, bukannya tanpa kekurangan. Mencoba membaca barometer merkuri di atas kapal yang terjebak dalam badai tidaklah mudah. Gagasan untuk barometer bebas merkuri (barometer aneroid) pertama kali muncul di benak Gottfried Leibniz (penemu kalkulus) sekitar tahun 1700. Metalurgi tidak cukup maju pada tahun 1700 untuk mewujudkan gagasan Leibniz. Penemu Prancis Lucien Vidie mengembangkan barometer aneroid praktis pertama pada tahun 1843. Barometer aneroid adalah barometer paling umum yang digunakan saat ini. Mereka adalah instrumen melingkar, kuningan, seperti jam dengan indikator sapuan yang menunjuk ke tekanan barometrik saat ini. Mereka biasanya terlihat di stasiun cuaca dan di atas kapal. Barometer aneroid berfungsi dengan mengukur ekspansi dan kontraksi kapsul logam berongga.

Bahan Baku

Satu-satunya komponen barometer merkuri adalah kaca dan merkuri. Barometer aneroid, di sisi lain, adalah mesin yang sangat kompleks mirip dengan jam tangan halus. Kapsul aneroid, yang merupakan perangkat yang bergerak dengan perubahan tekanan udara, terbuat dari paduan berilium dan tembaga. Mesin jamnya terbuat dari baja tahan karat (misalnya, AISI 304L) dengan bantalan berhias permata (rubi atau safir sintetis). Permata digunakan pada bantalan karena memiliki ketahanan gesekan yang sangat rendah. Kotak barometer dapat dibuat dari apa saja, tetapi biasanya terbuat dari kuningan (campuran tembaga dan seng). Ada banyak jenis kuningan. Salah satu yang paling umum adalah "kuningan jam", campuran 65% tembaga dan 35% timah. Dial barometer dapat dibuat dari apa saja:aluminium, baja, kuningan, atau kertas.

Desain

Desain produk untuk barometer aneroid melibatkan analisis yang cermat terhadap sifat kontraksi dan perluasan kapsul aneroid, desain sistem kompensasi suhu, dan desain mekanis hubungan antara kapsul aneroid dan indikator sapuan.

Kapsul aneroid sangat tipis, berongga, dan biasanya berbentuk seperti bellow. Sebagian besar udara dikeluarkan dari kapsul sehingga kontraksi dan ekspansi kapsul benar-benar merupakan fungsi elastisitas kapsul dan setiap pegas pendukungnya. Membiarkan udara dalam kapsul akan menginduksi non-linearitas ke dalam respon kapsul. Saat kapsul berkontraksi, jika ada udara yang tersisa, tekanan udara di dalam kapsul akan naik, yang akan membuat kompresi kapsul lebih keras. Perancang barometer menghitung berapa banyak kapsul aneroid akan mengembang atau berkontraksi di bawah kisaran tekanan yang diharapkan yang akan dialami barometer. Berdasarkan gerakan-gerakan ini, perancang menentukan hubungan yang akan menerjemahkan gerakan kapsul menjadi gerakan indikator sapuan pada permukaan barometer.

Barometer aneroid sensitif terhadap variasi suhu baik karena kapsul dan hubungan-hubungannya akan mengembang atau mengerut saat suhu berubah dan juga karena sifat elastis kapsul (seberapa besar kapsul akan membelok di bawah perubahan tekanan luar) juga berubah dengan suhu. Ada beberapa cara untuk mengkompensasi pergerakan komponen barometer yang diinduksi suhu. Salah satu solusi yang lebih elegan melibatkan penggunaan strip bimetal. Sebuah strip bimetal terdiri dari dua potongan logam datar, terbuat dari berbagai jenis elemen atau paduan, dilas dari belakang ke belakang. Karena perubahan suhu pada strip bimetal dan kapsul dapat diprediksi, strip bimetal dapat digunakan untuk mengkompensasi pergerakan kapsul. Saat suhu berubah, dua komponen strip bimetalik mencoba memuai dengan jumlah yang berbeda. Hal ini menyebabkan strip bimetal membengkok ke arah komponen dengan koefisien muai yang lebih kecil. Gerakan membungkuk ini dapat digunakan untuk menggeser tangan indikator atau mengompres kapsul aneroid untuk mengkompensasi perubahan suhu.

Hubungan antara kapsul aneroid dan indikator sapuan hampir serumit pergerakan jam tangan Swiss yang bagus. Faktanya, hubungan barometer berkualitas menggabungkan banyak komponen yang sama. Tujuan linkage adalah untuk menerjemahkan gerakan horizontal kecil dari bellow yang mengembang (beberapa ribu inci atau sentimeter) menjadi gerakan menyapu lengan indikator. Perbesaran yang diperlukan dari gerakan kapsul dapat dicapai dengan menggunakan tuas. See-saw adalah bentuk tuas. Ujung jungkat-jungkit bergerak melalui busur yang jauh lebih besar daripada titik di dekat poros. Dengan mengatur kapsul aneroid untuk mendorong atau menarik pada titik dekat poros tuas seperti gergaji, pergerakan kapsul sangat diperbesar di ujung tuas. Setiap gerakan kapsul yang tidak linier dapat dikompensasikan dengan menggunakan fusee, diucapkan FU-katakan. Sekering, yang ditemukan oleh Leonardo da Vinci, adalah katrol berpotongan spiral yang berbentuk seperti kerucut. Pada titik nol barometer, ujung tuas jungkat-jungkit dihubungkan ke bagian tengah sekering dengan rantai. Saat kapsul aneroid terkompresi, fusee berputar, menggeser rantai ke bawah ke diameter yang lebih kecil. Apa yang dicapai adalah bahwa ketika kapsul aneroid mengeras di bawah kompresi, gerakan rantai yang lebih kecil dapat menghasilkan gerakan indikator sapuan yang sama.

Manufaktur
Proses

Kasus

• 1 Kotak barometer halus dapat dibuat dari kuningan, perunggu, atau baja atau diukir dari kayu. Kasing yang lebih murah dapat dicap dari baja atau aluminium dan kemudian dilapisi dengan lapisan dekoratif. Pengecoran dilakukan dengan menuangkan logam cair ke dalam cetakan dan membiarkan logam mengeras.
• 2 Setelah logam mengeras, cetakan dilepaskan dari casing. Stamping melibatkan menekan sepotong datar logam antara dua mati pada tekanan tinggi.
• 3 Casing ini diselesaikan dengan membuang sisa logam yang tersisa dari proses pengecoran, menggiling tepi yang kasar, dan kemudian memoles casing hingga hasil akhir yang cerah.
• 4 Beberapa casing kemudian dipernis atau dilapisi dengan plastik bening untuk mencegah noda.

Kapsul aneroid

• 5 Lembaran tipis logam tembaga/berilium (tebal sekitar 0,002 dalam [0,05 mm]) dicap ke dalam dua bagian kapsul aneroid. Cetakan stamping dirancang untuk meninggalkan permukaan kawin tepi pisau di mana kedua bagian akan bergabung.
• 6 Komponen aneroid individu dilas berkas elektron. Pengelasan berkas elektron membutuhkan aliran terkonsentrasi Barometer aneroid. elektron akan dihasilkan dan difokuskan pada sambungan yang akan dilas. Saat elektron bertabrakan dengan bagian tersebut, energi kinetik tumbukan menciptakan panas yang mengakibatkan peleburan atau peleburan kedua bagian yang akan digabungkan. Pengelasan berkas elektron hanya dapat dilakukan dalam ruang hampa (karena molekul udara akan mencegat berkas elektron) yang sangat nyaman karena kapsul aneroid juga harus bebas dari udara. Pengelasan berkas elektron dilakukan oleh mesin las robot otomatis karena tukang las manusia tidak dapat memberikan tingkat akurasi yang diperlukan untuk menyambung bagian-bagian tanpa merusaknya.

Hubungan

• 7 Linkage berkualitas tinggi yang terdiri dari tuas, rantai, rak sektor, pinion, sekering, dll., dikerjakan dari baja perkakas. Pemesinan berarti bahwa batangan logam digiling dan dipotong untuk membentuk bagian akhir. Mesin penggilingan otomatis dapat dengan mudah menghasilkan bagian penghubung dengan toleransi 0,0001 in (0,0025 mm).

Kompensator suhu

• 8 Kompensator suhu, dalam barometer kualitas, biasanya berupa strip bimetal. Strip bimetal dipasang dengan mengelas atau menempelkan salah satu ujung strip ke kotak barometer. Pengelasan melibatkan sebagian peleburan baik casing dan strip bimetal sehingga kedua bagian mengalir bersama dan bergabung.

Perakitan akhir

• 9 Produk jadi dirakit di bangku. Karena proses produksi umumnya sangat kecil, hanya ada sedikit otomatisasi dalam proses perakitan akhir. Assembler menempelkan kompensator gerakan dan suhu ke kasing.
• 10 Muka barometer ditempatkan di atas pin pusat mesin jam.
• 11 Indikator barometer kemudian dipasang ke pin tengah dengan pasak atau sekrup.
• 12 Pelat kaca ditempatkan di atas permukaan barometer dan bezel disekrup ke barometer untuk menahan kaca pada tempatnya. Pada banyak barometer, pelat muka memiliki lubang yang dipotong di tengahnya sehingga pergerakannya dapat terlihat.

Kontrol Kualitas

Kontrol kualitas mengharuskan barometer yang telah selesai diuji di bawah kondisi atmosfer yang berbeda. Semua barometer aneroid dilengkapi dengan sekrup zeroing untuk menyesuaikan posisi awal indikator sapuan agar menjadi tekanan barometrik yang sama dengan barometer standar yang sangat presisi yang disimpan di pabrik. Barometer baru kemudian dikenai tekanan barometrik yang bervariasi untuk menilai seberapa akuratnya dapat merekam tekanan yang sebenarnya. Barometer yang tidak dapat memenuhi toleransi pabrik yang disyaratkan, yang bervariasi dari pabrikan ke pabrikan, akan diganti gerakannya.

Produk Sampingan/Limbah

Barometer merkuri mengandung logam berat yang sangat beracun yang memberi mereka nama mereka. Namun, banyak daerah dan beberapa negara bagian telah melarang penggunaan merkuri dalam termometer, barometer, dan alat perekam tekanan darah. Hanya masalah waktu sebelum barometer merkuri menghilang dari penggunaan umum. Limbah yang dihasilkan selama pembuatan barometer aneroid terbatas pada sejumlah kecil logam dari pemesinan linkage. Limbah pengecoran dari kotak barometer biasanya langsung didaur ulang di rumah pengecoran.

Masa Depan

Masa depan barometer adalah versi digital. Dengan menempatkan pelat baja paralel di dalam kapsul aneroid dan mengalirkan arus melintasinya, jarak antara dua pelat dapat ditentukan karena sebanding dengan kapasitansi pelat (kapasitansi adalah ukuran jumlah muatan listrik yang dapat disimpan Diatas piring). Saat kapsul aneroid menyusut dan mengembang, kapasitansi kedua pelat berubah, memberikan ukuran perubahan tekanan atmosfer yang mendorong perubahan posisi pelat. Ini meniadakan kebutuhan akan bantalan berhiaskan permata, sekering, dan hubungan mesin, tetapi menghasilkan instrumen dengan semua pesona jam tangan digital. Namun, dengan kebutuhan yang tak terpuaskan dari superkomputer layanan cuaca untuk data, masa depan pasti akan membawa sejumlah besar barometer dan termometer yang sangat murah yang ditempatkan di seluruh dunia dan terhubung melalui world wide web.

Tempat Belajar Lebih Lanjut

Buku

Barry, Roger G., dan Richard J. Chorley. Atmosfer, Cuaca, dan Iklim. edisi ke-6 New York:Routledge, 1998.

Middleton, W.E. Knowles. Sejarah Barometer. Baltimore:The Johns Hopkins Press, 1964.

Lainnya

Halaman Web Accuweather. 20 September 2001. .

Jeff Hujan