Πώς λειτουργούν τα μανόμετρο ελαστικών με μολύβι

 Συνειδητοποίησα ότι για πολύ καιρό, αναρωτιόμουν πώς λειτουργούν τα μετρητές πίεσης των ελαστικών που έχουν κάτι που ξεπροβάλλει. Κάνοντας κλικ στο Διαδίκτυο, έμαθα τώρα ποια είναι η κοινή ονομασία για αυτό το είδος μετρητή πίεσης ελαστικών. Ονομάζεται «μετρητής μολυβιού». Και έχω μάθει πώς λειτουργούν.

Το επόμενο πράγμα που πρέπει να περιγράψουμε είναι μια ράβδος ένδειξης. Έχει το λευκό καπάκι στην εικόνα. Η ράβδος ένδειξης είναι περισσότερο ή λιγότερο ελεύθερη σε σχέση με όλα τα πράγματα που βρίσκονται γύρω της. Μεταξύ άλλων, εάν επρόκειτο να πιάσετε την εκτεθειμένη άκρη της ράβδου ένδειξης (το δεξί άκρο της στην εικόνα) και να την τραβήξετε, θα μπορούσατε να τραβήξετε σχεδόν όλη τη ράβδο ένδειξης προς τα έξω. Σε αυτό το σημείο συνειδητοποιούμε γιατί το λευκό καπάκι είναι τόσο μεγάλο όσο είναι. Το λευκό καπάκι είναι τόσο μεγάλο ώστε η ράβδος ένδειξης να μην βγαίνει μέχρι το τέλος και να χαθεί ή κάτι τέτοιο.

Τώρα λοιπόν μπορούμε να μιλήσουμε για το τι συμβαίνει όταν πιέζετε το μετρητή πάνω στο ελαστικό. Λίγος αέρας ρέει έξω από το ελαστικό και τελικά υπάρχει μια κατάσταση σταθερής κατάστασης όπου η πίεση μέσα στο μανόμετρο (μεταξύ του μπλε και του ορειχάλκινου εμβόλου) ταιριάζει με την πίεση μέσα στο ελαστικό. Έτσι, αυτό δεν εξαρτάται από τυχόν «βιασύνη» αέρα που βγαίνει από το ελαστικό. Ο αέρας θα μπορούσε να βγει από το ελαστικό τόσο γρήγορα ή τόσο αργά όσο θα ήθελε κανείς - μόνο που τελικά επιτυγχάνεται μια ισορροπία με την ίδια πίεση σε καθένα από τα δύο σημεία. Οι δύο θέσεις, πάλι, είναι μια πρώτη θέση εντός του εύρους, μεταξύ των μπλε και ορειχάλκινων αντικειμένων, και μια δεύτερη θέση είναι το εσωτερικό του ελαστικού.

Κατά τη διάρκεια αυτής της χρονικής περιόδου κατά την οποία υπάρχει αυτή η σταθερή κατάσταση πίεσης στα δύο σημεία, υπάρχει μια τάση η πίεση του αέρα να ωθεί το έμβολο προς τα δεξιά στην εικόνα. Αυτό σημαίνει ότι το έμβολο ωθείται έτσι, ενάντια στην πίεση του ελατηρίου. Υπενθυμίζεται ότι η συμπεριφορά του ελατηρίου μοντελοποιείται σύμφωνα με το νόμο του Hooke, που σημαίνει ότι υποθέτουμε ότι πιέζεται περισσότερο ή λιγότερο γραμμικά ως απόκριση στη δύναμη. Αυτό που περιμένουμε λοιπόν είναι ότι κατά τη διάρκεια αυτής της χρονικής περιόδου σταθερής κατάστασης, μια χρονική περίοδο κατά την οποία η πίεση μέσα στο κύριο σώμα του μετρητή είναι ίδια με την πίεση μέσα στο ελαστικό, το έμβολο κινείται προς τα δεξιά στην εικόνα κατά κάποια απόσταση που σχετίζεται γραμμικά με την πίεση του αέρα. Αυτό σπρώχνει τη ράβδο ένδειξης προς τα έξω με την ίδια απόσταση.

Τότε μπορεί να συμβεί ένα ενδιαφέρον πράγμα. Μπορούμε να τραβήξουμε το μανόμετρο μακριά από το ελαστικό, οπότε η πίεση του αέρα ρέει έξω από το μανόμετρο και το ελατήριο ωθεί το έμβολο πίσω στη θέση ηρεμίας που βρίσκεται στα αριστερά της εικόνας. Φυσικά, αν χρησιμοποιούσαμε με κάποιο τρόπο τα μάτια μας με ακτίνες Χ για να δούμε πού βρίσκεται τώρα το έμβολο, η θέση του δεν θα μας έλεγε πλέον τίποτα για την πίεση των ελαστικών (και είναι). Αλλά το διασκεδαστικό μέρος είναι ότι η ράβδος ένδειξης είναι ανοιχτή και προεξέχει κατά ένα ποσό που σχετίζεται γραμμικά με την πίεση των ελαστικών. Τα σημάδια στη ράβδο μας επιτρέπουν να διαβάσουμε έναν αριθμό που μας λέει την πίεση των ελαστικών. Στη συνέχεια, όταν είμαστε αρκετά σίγουροι ότι διαβάσαμε με επιτυχία τον αριθμό και τον δεσμευτήκαμε στη μνήμη, μπορούμε να πιέσουμε τη ράβδο ένδειξης και να τον επαναφέρουμε στη θέση ηρεμίας μέσα στο μετρητή.

Φυσικά, για να λειτουργήσει όλο αυτό το πράγμα, πολλά πράγματα πρέπει να είναι σωστά. Εάν κάτι από αυτά τα πράγματα δεν είναι σωστά, τότε το μανόμετρο θα αποτύχει να δώσει μια σωστή απάντηση σχετικά με την πίεση των ελαστικών.

Αρκετά καλή στεγανοποίηση αέρα μεταξύ του εμβόλου και του κυλίνδρου. Η σφραγίδα πρέπει να είναι σφραγίδα Goldilocks. Εάν έχει πολύ διαρροή, τότε αυτό μπορεί να οδηγήσει στο να μην καταγράψει όλη την πίεση του ελαστικού ο μετρητής λόγω διαρροής αέρα πέρα ​​από το έμβολο και το μανόμετρο να δείχνει πολύ χαμηλά. Αλλά η σφράγιση δεν μπορεί να είναι πολύ καλή. Εάν η τσιμούχα είναι πολύ καλή, τότε ίσως το έμβολο να μην πάει όσο πιο δεξιά θα έπρεπε, λόγω τριβής με τον κύλινδρο. Άρα πρέπει να είναι «ακριβώς σωστά».

• Τριβή. Η τριβή που μόλις αναφέρθηκε είναι συνδεδεμένη με την απαίτηση ότι η τσιμούχα αέρα να είναι "ακριβώς σωστή". Εάν υπήρχε πολύ μεγάλη τριβή μεταξύ του εμβόλου και του κυλίνδρου, τότε υπάρχουν στην πραγματικότητα δύο πράγματα που θα μπορούσαν να πάνε στραβά. Ναι, το έμβολο μπορεί να αποτύχει να πάει όσο πιο δεξιά θα έπρεπε, οδηγώντας σε πολύ χαμηλή ένδειξη στο μετρητή. Αλλά ένα άλλο πράγμα που θα μπορούσε να πάει στραβά είναι το έμβολο να μην επιστρέφει εντελώς στην αρχική του θέση όταν τελειώσουμε με τη χρήση του μετρητή.
• Μια άλλη απαίτηση Goldilocks. Η ράβδος ένδειξης και το λευκό της καπάκι πρέπει να είναι πολύ ελαφρύ σε βάρος, ώστε η μάζα τους να μην κάνει τα πράγματα υποτονικά. Και η σχέση τους με τα πράγματα γύρω τους πρέπει να είναι σχεδόν απαλλαγμένη από τριβές. Αλλά περίμενε! Δεν μπορεί να είναι εντελώς απαλλαγμένο από τριβές γιατί θέλουμε η ράβδος ένδειξης να παραμένει εκεί που είναι όταν δείχνει την πίεση. Επομένως, αυτή η ποσότητα τριβής μεταξύ της ράβδου ένδειξης και του περιβάλλοντός της πρέπει να είναι μια ποσότητα τριβής Goldilocks. Όχι πολύ τριβή, όχι πολύ λίγη, αλλά "ακριβώς".
• Πιθανοί ρυπαντές. Υπάρχει επίσης το γεγονός ότι ολόκληρος αυτός ο μηχανικός σχεδιασμός μπορεί να απορριφθεί εάν εισέλθει κάποιος ρύπος στον κύλινδρο, όπως σκόνη ή βρωμιά ή λάδι. Ο προβληματισμός μιας στιγμής αποκαλύπτει ότι δεν υπάρχουν ένα αλλά δύο μονοπάτια εισόδου για τέτοιους ρύπους.
• Πρώτη διαδρομή εισόδου ρύπων. Κάθε μεμονωμένος κύκλος μέτρησης με το μετρητή εισάγει κάποια μη μηδενική ποσότητα αέρα υψηλής πίεσης στο μετρητή και κάθε τέτοιος όγκος αέρα μπορεί να έχει σκόνη ή βρωμιά. Ας υποθέσουμε για παράδειγμα ότι το στέλεχος της βαλβίδας του ελαστικού είχε λίγη λάσπη ή βρωμιά στο άνοιγμα και πιέζουμε αυτό το μετρητή στη θέση του στο στέλεχος της βαλβίδας. Καθώς η νύχτα ακολουθεί την ημέρα, αυτό θα φυσήξει λίγη από αυτή τη λάσπη ή τη βρωμιά στο σώμα του μετρητή. Αυτή η λάσπη ή η βρωμιά μπορεί στη συνέχεια να εισχωρήσει στο διάκενο Goldilocks μεταξύ του εμβόλου και του κυλίνδρου. Αυτό θα μπορούσε να απορρίψει μια μεμονωμένη ανάγνωση. Αλλά αυτό θα μπορούσε επίσης να οδηγήσει σε διάβρωση της λείας εσωτερικής όψης του κυλίνδρου ή της λείας εξωτερικής επιφάνειας του εμβόλου και η διάβρωση θα μπορούσε να εκτινάξει τις μελλοντικές μετρήσεις.
• Δεύτερη διαδρομή εισόδου ρύπων. Κάθε μεμονωμένος κύκλος μέτρησης με το μετρητή οδηγεί σε κάποια χρονική περίοδο κατά την οποία η ράβδος ένδειξης είναι ανοιχτή. Μπορεί να παραμείνει ανοιχτό για μερικά λεπτά ή περισσότερο, έως ότου ο άνθρωπος χρήστης αποφασίσει να πιέσει τη ράβδο ένδειξης για να το επαναφέρει στην αρχική του θέση. Όσο η ράβδος ένδειξης είναι έξω στην ύπαιθρο, δεν μπορεί να αποκλειστεί ότι μπορεί να έχει λάδι ή νερό ή λάσπη. Αργότερα, όταν η ράβδος σπρώχνεται στο σπίτι, ο ρύπος μπορεί να καταλήξει στον κύλινδρο, εναποτιθέμενος στη λεία εσωτερική επιφάνεια του κυλίνδρου. Αυτό θα μπορούσε να απορρίψει την επόμενη μεμονωμένη ένδειξη ή θα μπορούσε να οδηγήσει σε διάβρωση του εμβόλου και του κυλίνδρου. Ή θα μπορούσε να οδηγήσει σε κολλώδη ή τριβή για το έμβολο ή θα μπορούσε να διαβρώσει το ελατήριο.
• Ανακρίβεια τελικού σημείου. Εάν χρησιμοποιήσουμε ένα γράφημα για να περιγράψουμε την παρατηρούμενη φυσική κίνηση της ράβδου ένδειξης καθώς σχετίζεται με την πίεση των ελαστικών, μπορούμε να μαντέψουμε ότι θα είναι αρκετά κοντά σε μια ευθεία γραμμή (νόμος του Hooke όπως αναφέρθηκε προηγουμένως). Και πολύ πιθανόν ο νόμος του Χουκ να λειτουργήσει. Τα περισσότερα ελατήρια της πραγματικής ζωής συμπεριφέρονται πραγματικά γραμμικά μέσα σε κάποιο αρκετά προβλέψιμο εύρος κίνησης. Είναι εύκολο να σχεδιάσετε ένα φυσικό πράγμα όπως μια ζυγαριά ή ένα μανόμετρο έτσι ώστε το εμπλεκόμενο ελατήριο να μην παραμορφώνεται ποτέ, σε κανονική χρήση, πέρα ​​από το γραμμικό του εύρος. Τι γίνεται όμως με τα τελικά σημεία; Αυτό είναι σαν να ρωτάς "στο γράφημα, η γραμμή διέρχεται από την αρχή X-Y;" Με μια ζυγαριά ελατηρίου, είναι εύκολο να παρέχετε ένα μικρό κουμπί ρύθμισης για να το κάνετε έτσι ώστε η βελόνα να δείχνει στο μηδέν τη στιγμή που η λεκάνη ζύγισης είναι άδεια. Αλλά με αυτόν τον μετρητή μολυβιού, δεν βλέπω κανένα φυσικό τρόπο που ο άνθρωπος χρήστης θα είχε την ευκαιρία να «διορθώσει για το μηδέν». Μου φαίνεται λοιπόν ότι η έλλειψη τρόπου διόρθωσης για το μηδέν είναι μια πηγή πιθανού σφάλματος μέτρησης που δεν μπορεί να αγνοηθεί.

Ο μετρητής σωλήνα Bourdon δεν έχει διαδρομή εισόδου ρύπων έξω από το μετρητή (όπως η διαδρομή στη ράβδο ένδειξης). Και αν ένας ρύπος επρόκειτο να εισέλθει στο σωλήνα, από το ελαστικό, θα είχε ελάχιστη ή καθόλου ευκαιρία να προκαλέσει προβλήματα. πιθανότατα απλώς θα κουδουνίζει γύρω ή θα επιπλέει ακίνδυνα μέσα στο σωλήνα.

Ναι, ο μετρητής σωλήνα Bourdon έχει πιθανούς τρόπους αστοχίας και έχει τρόπους με τους οποίους μπορεί να μην είναι ακριβής. Οι μετρητές σωλήνων Bourdon που μου αρέσουν περισσότερο είναι αυτοί που είναι γεμάτοι με ένα διαυγές λάδι. Το διαυγές λάδι τείνει να κρατά το ακατέργαστο υλικό μακριά από τα κινούμενα μέρη όπως ο σύνδεσμος και ο άξονας και η βάση και το πινιόν, και λιπαίνει τα δόντια του γραναζιού.

Μόνο τα τελευταία χρόνια βρέθηκα συχνά να δίνω σημασία όχι τόσο στο «ποιοι είναι οι τρόποι αποτυχίας;» για κάποια συσκευή ή συσκευή ή "ποια είναι η πιθανότητα αποτυχίας;" για τη συγκεκριμένη συσκευή ή συσκευή, αλλά αντ' αυτού σε «πόσο ο σχεδιασμός του αντικειμένου είναι πιθανό να οδηγήσει στο να καταλάβει ο χρήστης αμέσως και αναμφισβήτητα ότι συνέβη μια αστοχία;»

Ενώ έγραφα αυτό το εκτενές δοκίμιο, συνειδητοποίησα ότι υπάρχουν στην πραγματικότητα κάποιοι λόγοι να πιστεύουμε ότι ο μετρητής μολυβιού μπορεί να κατατάσσεται καλύτερα σε αυτήν την τελευταία μέτρηση από τον μετρητή Boudon. Με το μετρητή μολυβιού, ο ειδοποιητικός χρήστης μπορεί να παρατηρήσει αμέσως εάν η ενδεικτική ράβδος απέτυχε να αναδυθεί καθόλου, όπως αναμενόταν, ή αν η ράβδος ένδειξης κάπως βγήκε στη θέση της αντί να βγει γρήγορα. Έτσι, οι τρόποι αστοχίας που περιλαμβάνουν τριβή και ακατέργαστο στον κύλινδρο έχουν κάποια ευκαιρία να γίνουν αντιληπτοί. Όχι μόνο αυτό, αλλά η ίδια η πράξη του χτυπήματος της ράβδου ένδειξης πίσω στο σπίτι μπορεί στην πραγματικότητα μερικές φορές να έχει την καλή τύχη να παρέχει ένα ωφέλιμο αποτέλεσμα «αυτοκαθαρισμού» για κάθε ωμό ή σκόνη που είχε βρει τον δρόμο του στον κύλινδρο.

Αντίθετα, με το μετρητή Bourdon, εάν η ακατέργαστη μορφή ή η διάβρωση θα μπλοκάρουν τα δόντια του γραναζιού, αυτό μπορεί να συμβεί σε μια στιγμή που κανείς δεν κοιτάζει το μετρητή. Η ενδεικτική βελόνα μπορεί να κολλήσει στη θέση της, αλλά μπορεί να μην υπάρχει τίποτα σε αυτό που να τραβήξει την προσοχή του ανθρώπινου παρατηρητή. Μπορεί να περάσουν μέρες ή εβδομάδες κατά τις οποίες ο ανθρώπινος παρατηρητής κοιτάζει τη βελόνα, βλέπει ότι φαίνεται φυσιολογική και μετά προχωρά σε κάποια άλλη δραστηριότητα.

Υπάρχουν βέβαια και εκείνες οι φορές που ο άνθρωπος χρήστης χτυπά το μετρητή, μόνο και μόνο για να το σπάσει αν με κάποιο τρόπο είχε κολλήσει. Αλλά για να κάνει αυτό τη διαφορά στα πράγματα, ο άνθρωπος χρήστης πρέπει να έχει καταλάβει με κάποιο τρόπο την ιδέα ότι απαιτούνταν το πάτημα.