気圧の変化でベローズが変形するのを確認した

２０１９／０９／２９（日曜日）　晴れ



ベローズの動作を確認してみたい・・・と前々から思っていた。
通常の状態では気圧の変化を待たなくてはならず、なかなか確認ができなかった。

ふと、こんな考えが浮かんできた。
手元には高感度の電子秤がある。
これはプリンタのインクタンクにインクを補充するときに使うもので、０.０１ｇ～５００ｇまで
測ることができる。
手のひらに乗るほどの大きさだ。
これなら手ごろな「気密箱」を作って実験ができるかもしれない。

有り合わせの材料を使って工作を始めた。



固定したベローズの突起を電子秤の受皿に押し当てる。



それを気密にできるケースに収めてケース内の圧力を変化させ観測する。



作業デスクに戻って観測を始めた。
自作圧力計の戻しバネを調節して１気圧を中心に正圧、負圧が見られるようにした。（絶対値はわからない）





気密ケースに息を吹き込んで圧力を上げてみる。
ベローズはこの圧力に押し込まれてさっきよりは縮むはずだ。
ベローズが縮むと突起も引き込まれ秤の皿を押す力が弱まる。




気密ケースの中の空気を吸い出して圧力を下げてみる。
ベローズ内部の空気圧力が勝って膨らむ。
ベローズが膨らむと突起も外に動き、秤の皿を強く押すようになる。





気密ケース内の空気を吸い出したり、逆に吹込んだりすると、圧力の変化で
ベローズが膨らんだり縮んだりする。
その動きで秤の皿に加わる力（重さ？）が変化し表示数値が変わる。


そんなテストの様子を動画でご覧ください。





このベローズは周囲の圧力変化に応じて膨らんだり縮んだりをする。

普通、こういう缶体の内部を真空にすれば（1平方メートル当たり１０ｔ（トン））という
大気の重さで押しつぶされてしまうはずだ。
ごの大気圧に対抗するために缶体を強力なバネで引っ張ってつぶされないようにしているはずだが
このベローズにはそれが無い。
もしかすると缶体の内部に押しつぶされないような仕組みがあるのかもしれない。

いや、もしかすると内部はいくらか低圧にする程度のものかもしれない。
（これだと登山に持って行ったお菓子の袋が頂上でパンパンに膨らみ、下山すると元に戻るという
現象と同じだ。）
これだと気圧の変化に対する感度は低いのではないだろうか？

気密ケースの中を低圧にした時に表示された「１３９２」という数値は何なんだろう？

実はこの電子秤は自動的に「風袋引き」をする機能があって「風袋引き」を完了する前に大きな
重さを乗せるとエラーになってしまう。
（風袋と思われる重さよりも重いものを乗せて電源を入れるとエラーになってしまうのだ。）

そのため今回の実験（常にベローズの突起が重さになって皿に乗っている）では重さは測れないので
やむを得ず「ＰＣＳ」というメニューで動作させた。
このため表示されている数値が何を示しているのかがわからないのだ。





秤を外に出して皿に硬貨を乗せて同じ数値に合わせていった。



数値に合わせるために乗せた硬貨。　




硬貨は全部で１１５.５ｇあった。
これはベローズが１１５.５ｇの力？で秤の皿を押したということだろうか？

何が何だかわからないが、まぁ圧力の変化でベローズが変形することだけは確認できた。

大昔の光センサーを使ってみた － ベローズを使った気圧計工作 －

２０１９／０９／２７（金曜日）　晴れ


気圧の変化で変形するベローズの状態を検出するセンサーにＣｄＳ光センサーを使ってみた。
このＣｄＳ光センサーは高感度で外部の明るさの変化にも敏感に反応してしまう。
そこでＣｄＳ光センサーを箱で囲って小穴を開けてＬＥＤの光線だけに反応するようにした。
この結果、ベローズの変動に追従する絞りの動きが前より安定に検出できるようになった。
しかし、センサー出力が微小に振れる状況は改善されなかった。
もしかするとこれはＣｄＳセンサーが発するノイズかもしれない。
ＣｄＳセンサーを他のセンサーに変えて確認してみることにした。

もう何十年も前のこと、マイコン（Ｍｙ　Ｃｏｎｐｕｔｅｒ　当時流行っていた。）の
プログラム読み込み装置を作ろうとしたが完成させられなかった。
その残骸の光センサーがあるはずだ。
ジャンク箱をかきか回して探した。



これがそのセンサーだ。
テープに穿孔された穴の直径ぐらいの細長いセンサーだ。



形状からフォトダイオードかフォトトランジスタかと思って極性を調べてみた。

テスターで導通を測ってみたが導通無しだった。　＋　－　を入れ替えても導通無しだ。　？？？



もしかするとこれもＣｄＳかも知れない。


光を当てると導通する。



消灯すると高抵抗になる。



なぁーんだ、これもＣｄＳ光センサーだった。

でも、これを使えばうまくいくかも知れない。
ボール紙で小箱を作って中に収めた。





小箱には小さな孔を開けてＬＥＤからの光線だけが入るようにした。



段ボール製テスト台に乗せてテストしてみた。
これも前にテストしたものと大差なかった。

絞りを調節してＣｄＳ出力を１気圧相当の電圧にして様子をみてみた。
やっぱり出力は一気圧出力（１０１３ｈＰａ）を中心にして上下に細かく振れている。

そんなテストの結果を動画でご覧ください。





考えてみればこの振れている出力はｍＶのオーダーだ。
このくらいはしょうがないのかもしれない。

さて、次はベローズの動作確認をしてみようか・・・・・

外部の光線が問題だった

２０１９／０９／２５（水曜日）　晴れ


もう一度、ＣｄＳ受光素子の出力の測定をしてみた。


測定を始めたのだが・・・・・



部屋のカーテンが揺れるたびに出力波形が大きく変化してしまう。


測定中、絞りを一定にしているのに波形が大きく変化する。　どうもカーテンの動きに同期しているみたいだ。



カーテンの様子を撮影してみた。




雨戸を閉めてみたが・・・



外の光が変化すると波形が変わってしまう。





ＣｄＳ受光素子を箱に入れて小さな孔からＬＥＤの光を取り込むようにして実験してみる。



ＣｄＳ受光素子を遮光する小箱。





テストの様子。



１気圧（１０１３ｈＰａ）の基準線を中心に細かく上下する出力が得られた。



これなら出力を平均すれば正確？な気圧が測定できるかもしれない。

でも何で細かく振動するんだろう？
ＣｄＳ受光素子はノイズが出るのかな？
それろもＬＥＤの光線が細かく変化しているのかな？

やっぱりフォトトランジスタにしなくっちゃダメなのかな？

ＯＰアンプ増幅回路の再確認 － ベローズを使った気圧計工作 －

２０１９／０９／２３（月曜日）　曇りのち晴れ　（台風１７号が日本海を北上中）


ベローズで大気圧を測定する気圧計を工作しているのだが思うようにいかない。
大気圧の変動でベローズが変形するのを機械的なリンクで拡大して光センサーの遮光シャッタを
動作せて出力を得ようとしているのだが、その出力が安定しない。

ベローズに原因があるのか、光センサーに問題があるのか、ＯＰアンプ回路が問題なのか・・・
仕方がない。　　また、一つづつつぶしていこうかなぁ・・・


先ずＯＰアンプ回路を確認してみよう。
ＯＰアンプのパッケージには回路が２つ入っているが一つだけで充分なゲインが得られるので
片方しか使わない。


ゲインは（Ｒ１＋Ｒ２）／Ｒ１になる（・・・んだそうです）。　この場合は約５０倍だ。








入力電圧は半固定可変抵抗器で調節する。
細かい設定ができるように多回転型（ＴＲＩＭＰＯＴ）を使った。




入力電圧５０ｍＶ（０.０５Ｖ）、出力は２.５６９Ｖ。　増幅度は５０倍（約３４ｄＢ）だ。




入力電圧を増減すると出力電圧は素直に追従する。
入力電圧を一定にすれば出力も一定値を安定して表示している。
この動きならアンプとしては問題無しだ。

そんなテストの様子を動画でご覧ください。






次は光センサーを確認してみるか・・・・・

測定結果も乱れてる － ベローズを使った気圧計工作 －

２０１９／０９／２２（日曜日）　曇り



ベローズを使った気圧計の工作をしているのだが、得られた気圧データが安定せず、
いくら調整してもすぐに大きく狂ってしまう。
まぁ、こんな状態でもマイコンでデータを読み込んでグラフにしてみれば何か
解決の手助けになるかと思って簡単な動作確認プログラムを組み込んでテストしてみた。



ベローズ気圧計の出力をマイコン（ＥＳＰ-ＷＲＯＯＭｰ３２）に入力（アナログ入力）して
そのデジタル出力をパソコンの Ａｒｄｕｉｎｏ ＩＤＥ シリアルプロッタ に波形を表示させる。　








ＢＡＲＩＧＯやなんちゃって小型気象台のデータでは気圧は一定しているのにベローズ気圧計の
それはこんなに乱れている。





このベローズは中が本当に真空なのかどうかが気になる。

ＢＡＲＩＧＯのベローズや参考資料の説明などでは中身が真空のベローズを
強力そうなスプリングで引っ張って膨らませて大気圧とバランスを取っている
ように見える。
（そうしないとベローズは大気圧（１平方センチ当たり１Ｋｇの圧力）で
押しつぶされてしまう。）はずだ。）

ところがこのベローズには引張スプリングはない。
ただの薄い金属でできた密閉された空き缶かな？
これでは高山では膨らんで平地に降りたときに縮んでしまう風船と同じようなものだ。

気圧の変化でベローズがどのように変形するのか調べてみたい。

ちょっとは改善されたかな？ － ベローズを使った気圧計工作 －

２０１９／０９／２１（土曜日）　曇り


気圧（大気圧）の変化を連続して観測してみたい、というだけの理由で気圧計の工作を始めた。
温湿度、気圧を測るセンサーをマイコン（ＥＳＰ８２６６）に接続して動作させる工作では
サンプルプログラムを利用してなんとかうまくいって観測ができた。
でも、このセンサーは高機能すぎてどうやって動作させているのかオイらのぼんくら頭では
理解できない。

昔の気圧計（アネロイド気圧計）は「ベローズ」という蛇腹型の空き缶の中を真空にして
スプリングなどで大気圧とバランスを取っておき、大気圧の変動にともなってベローズが変形
する量を測って気圧として表示するようになっている。
この仕組みはオイらにも理解はできる。

そこで単純な機構の気圧計を作ってその出力をマイコンで読み取って表示するプログラムを
作ってみることにした。

　　　（以上前書き）

工作する気圧計の心臓部は「ベローズ」だ。
これは自作するのは不可能だろう。
どこかで購入するしかない・・・・・・・・・
なんとか電子部品を売る店で購入することできた。
部品を組み立てて実験を始めた。
ところがアンプ出力が大きく変動して安定に動作してくれない。
何でだろう？

ＣｄＳ受光素子の出力やＤＣアンプ（ＯＰアンプ）の出力をオシロスコープで観測してみた。


ＤＣアンプの出力（黄色ラスター）に規則性のある出力が乗っている。



オシロスコープのプローブ先端を短絡すれば規則性のある波形は消える。



この規則性のある波形の周波数は１００Ｈｚだった。
電源からの波形かな？
回路への電源を乾電池（ニッケル水素充電池４本：　約５Ｖ）に変更してみた。
そして各部品への配線も極力短く接近して接続した。
オシロのＣＨ１（アンプ入力）も外してＣＨ２（アンプ出力）だけを観測した。

規則性のある波形は消えた。
（ＡＣモード（最高感度２０ｍＶ／ｄｅｖ）にして交流成分だけを観測）



別途工作した「なんちゃって小型気象台」の測定気圧に合わせてアンプ出力を設定した。



前よりは安定に出力されるようになったが、まだ出力は大きく変動するときがある。
ひょっとするとベローズの動きがおかしいのかな？

まぁ、その前にプログラムを作ってこの装置のデータ記録ができるようにしておこう。

ＣｄＳ受光素子との接続をシールド線にしてみた

２０１９／０９／２０（金曜日）　晴れ


大気圧の変動で変形するベローズの動きをリンク機構で増幅してシャッターを駆動し、
ＬＥＤが発する光線を増減させる。
その光線の変化をＣｄＳ受光素子で検出して出力を気圧の変化として取り出す、という
わけだが、それがうまくいかない。

出力電圧を調整するためにＯＰアンプの半固定抵抗器のネジを回す。
目的の値に設定して半固定抵抗器から手を離していくと出力電圧が変化してしまう。
何度も調整を繰り返したがどうしてもダメだ・・・・

回路付近から手や腕が離れることが影響するんだろうか？



ＣｄＳ受光素子からの配線を普通の銅線（撚線）で配線していた。



その配線に手を触れるとオシロスコープに表示された波形が大きく変化した。
その様子を動画でご覧ください。




ＣｄＳ受光素子からの配線をシールド線（３φ同軸ケーブル）に変更してみた。




この状態でシールド線に手を触れて出力波形の変化を確認した。



ＣｄＳ受光素子からの配線をシールド線に変更したら前よりも安定度は増したと思う。
シールド線に手を触れても出力波形は変動しなくなった。
でも波形には規則的な出力が乗っているのが見える。

そんな観測の様子を動画でご覧ください。





波形に見られる規則的な信号の周期は大体１００Ｈｚぐらいだった。
１００Ｈｚっていうと５０Ｈｚの２倍だ。
交流電源の回り込みかな？
これが不安定の要素だろうか？
調べてみよう・・・・・・

出力が不安定で調整できない

２０１９／０９／１９（木曜日）　晴れ



今日は高気圧帯に覆われてさわやかな秋晴れの一日だった。

（なんちゃって）小型気象台で気圧を測りながらベ工作中のべローズ気圧計の調整実験をしてみた。
ところがベローズ気圧計はアンプ（ＯＰアンプを利用したＤＣアンプ）の出力が安定せず、
何度も調整を繰り返したがどうしても設定することができなかった。
何でだろう？




（なんちゃって）小型気象台の大気圧データ。
大体１０２０ｈＰａを示して安定している。



ＶＡＲＩＧＯの気圧計も１０１８ｈＰａだから大体合ってる。



この１０２０ｈＰａに合わせて工作中のベローズ気圧計のテストをした。
１０２０ｈＰａに合わせてＯＰアンプの出力を１.０２０Ｖにしてみた。
ところがいくら設定してもずぐ狂ってしまう。
ＯＰアンプが２段ではゲインが大きすぎるのか？と思って１段目の出力で調整してみた。

電圧計１はセンサ出力電圧、電圧計２はＯＰアンプの出力電圧を測る。





ゲインの調整は多回転可変抵抗器（１０ＫΩ）を変化させて行った。
ゲインの増減はできるが手を放して観測をするとフラフラと大きく変化して安定しない。
何度やってもダメだ。


そんなテストの様子を動画でご覧ください。




何だか手（腕）がアンプやセンサー（ベローズ）に近づくと出力がフラフラとするみたいだ。
配線が何か誘導を受けるんだろうか？

今度はそれを調べてみよう。

ベローズを入手した

２０１９／０９／１５（日曜日）　晴れ


いつも部品を購入する店の商品カタログに「超アナログお天気センサーキット」というものが
載っていた。
説明書を読んでみるといわゆる「気圧計」とは異なって、長時間の測定を行い大気圧の上昇、
下降を検出して何時間か後の天候（晴れとか曇りとか雨）を予測する装置だとか。

ふーん、超アナログっていうんだから多分ベローズで気圧の変化を検出しているんだろう。
値段は１３００円。　まぁ、ちょっと高い気もするがベローズが入手できればＯＫだ。
ネット通販で注文した。

早い！　翌日には配達されてきた。

早速開梱。



説明書を読むとやっぱりベローズが取り付けてある。



ケースの蓋を開けて中を見てみた。　ふーん、これがベローズか・・・・・



まぁ、分解する前に一応組み立てて動作させてみた。



説明書には装置は垂直に立てて使用するように書いてある。
段ボールで装置置台を作って動作させた。
気圧が上昇中、気圧が低下中、晴れ、曇り、雨を表示するＬＥＤが点滅するようになっている。
ふーん、なかなかうまくできてるな・・・
でも外は天気なのに「雨」のＬＥＤが点灯している。
説明書によると

　　　半径２０Ｋｍ以内のこれから９時間＋－３時間後の天気傾向を表示する。

とあるから今の天候表示ではないのだ。
まぁ、机の上に飾って置くのも面白いかもしれない。

置台をきれいに作って本棚に置いてみた。
何だか分解するのが惜しくなった・・・・・・・



いや、いや、初心貫徹！
ベローズを取り出そう！

分解開始。　　気圧の上昇・下降の検出や１２時間後の気象変化予測はマイコンで行っているんだな。


取り出したベローズ。





中央に尖がったピンが立っている。　ベローズが膨らんだり縮んだりするとこのピンがアームを上下させる。



ＬＥＤとＣｄＳを取り付けた基板を取り付けた。



装置は垂直に立てる必要がある。　平らに置くとリンクとかアームとかの重量がピンに掛かってしまうからだろう。



ちょっと測定をしてみた・・・・・・


手持ちの気圧計（ＢＡＲＩＧＯ）の測定値を参考にしてＣｄＳの出力を調整した。
しかし、調整してもすぐに狂ってしまう。
何度やってもダメだ。
ひょっとするとオペアンプの増幅度が大き過ぎるのかもしれない。
アンプのゲインを小さくして、その代わりにアームの動きを大きくすると良いかもしれない。

まぁ、それはこれからの検討課題にして、先ずは実験の様子を動画でご覧ください。

トランジスタＤＣアンプをＯＰアンプに変更した

２０１９／０９／１４（土曜日）　晴れ


単純な構造の気圧計を作ってみようと工作を始めた。
単純な構造の気圧計というとアネロイド気圧計が思い浮かぶ。
これは「ベローズ」という蛇腹の形をした（小田原提灯のような感じの）伸び縮みする容器の
中を真空にして大気圧の高い、低いによって伸び縮みした量を指針によって表示するように
なっている。
全て機械仕掛けで電池とかそういうものは一切ないので仕組みはすぐ理解できる。



スチームエンジン工作で使用しているプラスチック製のスポイト。
廃油とか釜に残った水などを吸い上げるためにつかっている。
これも蛇腹なのでベローズといえるかもしれない。



それを使えばこういうのが作れるかも・・・
でも、ベローズはプラスチック製だから完全な真空状態にはできないだろう。
（引き延ばすとつぶれてしまうかもしれない）
そこで弱めの真空（準真空・・・なんちゃって）にする。
だから感度は低くなるかもしれない。



まぁ、何とか本物のベローズを入手しなくてはならないが・・・・・


その前にベローズの変形を検出するアンプの実験をしよう。
先日のトランジスタＤＣアンプはヘヤドライヤの温風を当てただけで増幅度が変化してしまう。
これでは使うことはできない。
そこでメーカー製のオペアンプ（ＩＣ）を使うことにした。

低電圧（１.８Ｖ～６Ｖ）で使用できる。　片電源でＯＫだ。
本当はこれだけで良いのだが、壊すこともあるので予備として複数を購入した。
（だから部品が増えてしまう。）



回路図はこんなもの。　増幅度は１段目は１０倍、２段目は５倍。　合計５０倍だ。



動作状況の確認。





最低出力と最高出力のときのシャッター移動距離をマークした。
その幅は約１.５ｍｍだった。




目盛を指す指針とシャッターを取り付けたアームとは約３対８の比率で取り付けてある。
シャッターの移動距離は目盛距離の３／８になる。　（１.５ｍｍ　ｘ　３／８　＝　０．５６ｍｍ）



シャッターが０.６ｍｍ動くとメータは０Ｖ～３.２Ｖ変化する。

これから入手するベローズがどのくらいの感度（気圧の変化で変形する量）なのかはわからないが、
リンクの比率を１対１０にした場合は０.０６ｍｍ動けばいいんだから何とかなるだろう。

気になっていた温度による増幅度の変化はトランジスタアンプに比べると格段の差で安定だった。

その実験の様子を動画でご覧ください。