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Federbarometer

[655] Federbarometer, Nivellierbarometer, auch Aneroid, Holosterik, Metallbarometer genannt, dient zur barometrischen Höhenmessung (s. Höhenmessung, barometrische). Der wesentlichste Teil der für Höhenmessungen in Betracht kommenden Instrumente ist eine nahezu luftleer gepumpte, luftdicht verschlossene Büchse B (Fig. 1 und 2), gebildet durch zwei federhart gewalzte, dünne Wellblechplatten, die auf einen kräftigen Ring aufgelötet sind. Die Büchse ruht auf einer Grundplatte G und trägt einen Zapfen a, an dem eine starke Feder F angreift, die den Luftdruck balanciert. Der Durchmesser der kreisförmigen Dosen schwankt zwischen etwa 5–8 cm, dementsprechend der auf beiden Seitenflächen lastende Luftdruck etwa zwischen 40–100 kg (Instrumente ohne Spannfeder haben sich bisher weniger bewährt). – Bei Luftdruckschwankungen erhält durch die elastischen Biegungen des Federsystems der Zapfen a eine Bewegung, die im Mittel etwa 0,005 mm für 1 mm Barometerstandänderung beträgt. Diese kleinen Bewegungen sind ablesbar zu machen. Je nach der Anordnung der Ablesevorrichtungen unterscheidet man verschiedene Konstruktionen der Federbarometer mit Vidischer Büchse und zwar: 1, mechanische Vergrößerung der Bewegung von a durch Hebelwerk; 2. mikrometrische Messung dieser Bewegungen durch Mikrometerschrauben oder durch optische Vergrößerung.

Die zur Zeit gebräuchlichsten Instrumente dieser Art sind: 1. das Zeigerbarometer, System Naudet, Bohne u.s.w., bei welchem die Bewegungen von a durch ein Hebelwerk (eine schematische Zeichnung gibt Fig. 1) auf einen über einem geteilten Kreis K spielenden Zeiger Z übertragen werden. Diese mechanische Vergrößerung, welche für größere Instrumente etwa eine 500fache ist, hat sich in der Technik vortrefflich bewährt. Wegen weiterer Einzelheiten dieser verschiedenen Konstruktionen s. [1]–[4] und [7]. Instrumente dieser Art wurden zuerst von der Firma Naudet, Hulot & Cie. in Paris geliefert, jetzt in Deutschland auch in vorzüglicher Ausführung von Bohne in Berlin (Prinzenstraße 90) und auch von anderen Firmen in ähnlicher Konstruktion. Die Instrumente sind zum Schutz gegen Beschädigungen und plötzliche Temperaturwechsel in besondere mit Tuch ausgefütterte Holz- oder Lederkästen eingeschlossen und dürfen beim Gebrauch, sei es für die Höhenmessung oder Konstantenbestimmung, niemals aus denselben herausgenommen werden. Beim Gebrauch muß das Instrument, um ein richtiges Funktionieren des Hebelwerks zu ermöglichen, horizontal gehalten werden (Gegengewicht g, Fig. 1); um die Trägheit des Mechanismus unschädlich zu machen, ist das Instrument durch leises Klopfen auf den Deckel vorsichtig zu erschüttern, danach unmittelbar die Ablesung vorzunehmen und der Deckel des Schutzkastens sofort wieder zu schließen. Die Ablesungen sind bis auf ¹/₁₀ mm zu machen, z.B. 743,4 mm (¹/₁₀ mm rund im Höhenunterschied). – 2. Das Schrauben- oder Fühlfederbarometer von Goldschmid. Die Ablesevorrichtung wird durch die schematische Zeichnung der Fig. 2 veranschaulicht. Die Bewegungen des Zapfens a werden durch den Hebel h, der einen Kopf mit Index i trägt, an der Skala S roh (in Zehnermillimeter) ablesbar gemacht, die seine Ablesung geschieht beim Index o an der Trommelteilung einer Meßschraube M, die durch Vermittlung einer Fühlfeder φ die Bewegungen von i durch die Koinzidenzen der Indices i und i' mißt. Wegen weiterer Einzelheiten dieser Konstruktion s. [1]–[3], [6] und [7]. Diese Instrumente werden hauptsächlich geliefert von dem Nachfolger Goldschmids, der Firma Hottinger in Zürich. Zum Gebrauch ist zu bemerken, daß die Instrumente in Klappkarten befestigt werden, die für die Ablesung sehr bequem und zweckmäßig angeordnet sind. Bei der Ablesung wird die Schraube zuerst so weit herabgedreht, daß die Fühlfeder von der Spitze gefaßt wird, dann wird durch leises Klopfen das Instrument vorsichtig erschüttert, darauf die Indices i und i' zur Koinzidenz gebracht und die Ablesung ausgeführt. Weitere Regeln für Gebrauch und Behandlung gibt die angeführte Literatur.

Neben diesen gebräuchlichsten Instrumenttypen ist noch zu erwähnen ein von Reitz [14][655] konstruiertes Barometer, bei dem die Bewegungen von a auf eine an einem Hebelarme befestigte Skala sich übertragen, die durch ein festgelagertes Mikroskop beobachtet wird. Dies Instrument, obwohl hoher Genauigkeit fähig, hat in der Praxis wenig Verwendung gefunden. Andre Konstruktionen s. [6], [7], [13]–[18], [28]. Auch werden regulierende Federbarometer (Barographen, s.d.) verwendet, bei denen sich die Büchsenbewegung in entsprechender Vergrößerung auf einen Schreibstift überträgt. Der Preis guter Nivellierbarometer beträgt mindestens 60 ℳ. und steigt je nach Größe und Konstruktion bis zu 150 ℳ; ein größeres, für technische Höhenmessungen geeignetes Instrument kostet etwa 100–120 ℳ. Von billigeren Instrumenten, wie sie zuweilen im Handel angeboten werden, ist eine hinreichende Leistungsfähigkeit für technische Zwecke nicht zu erwarten.

Die Konstanten der Federbarometer. Die je nach dem Federsystem verschiedenartige Bewegung des Zapfens a, die abhängig ist von der Temperatur desselben und den Druckänderungen proportional sein soll, ist, um eine bequeme Verwendung zu gestatten, durch die Ablesevorrichtung in die entsprechenden Angaben des Quecksilberbarometers umzuwandeln. Zu dem Zweck sind der Ablesung eines Federbarometers drei Verbesserungen beizufügen, und zwar: 1. die Temperaturverbesserung (w), d.h. die Reduktion der mit der Temperatur veränderlichen elastischen Kraft der zu dem Federsystem des Instrumentes verwendeten Metalle sowie die Reduktion der Spannkraft der in der Büchse enthaltenen Luft und der in Frage kommenden thermischen Ausdehnungen auf eine Normaltemperatur; 2. die Teilungsverbesserung (i), d.h. die Umwandlung der Einteilung des betreffenden Instrumentes in die Millimeterteilung des Quecksilberbarometers, bezogen auf einen bestimmten Anfangspunkt (bei der physikalisch-technischen Reichsanstalt in Berlin [26] wird wegen der später zu erwähnenden elastischen Nachwirkung diese Korrektion mit der nachstehenden Standverbesserung zusammengefaßt); 3. die sogenannte »Standverbesserung« (s) zur Beseitigung des nach Anbringung der ersten beiden Größen noch bleibenden Unterschiedes. Die Formel zur Umwandlung der unmittelbaren Ablesung F am Federbarometer in die auf 0° reduzierte Angabe B des Quecksilberbarometers ist demnach

B₀ = F + (w) + (i) + (s).

Ohne Berücksichtigung dieser Verbesserungen sind die Instrumente unbrauchbar, höchstens zulässig für ganz rohe Messungen. Die Schwierigkeit einer exakten Bestimmung der Verbesserungen für größere Temperatur- und Teilungsintervalle sowie die Notwendigkeit einer Wiederholung derselben im Laufe der Jahre sind für die Praxis der barometrischen Höhenmessung ein nicht zu vermeidender Uebelstand. – Die Bestimmung der Konstanten geschieht durch Vergleichung mit den gleichzeitigen Angaben eines Quecksilberbarometers. Das letztere muß eine Einstellungs- und Ablesegenauigkeit von mindestens ± 0,1 mm gestatten. Daher sind nur gute Barometer, sogenannte Normalbarometer, von etwa 10–15 mm Rohrweite (mindestens 6 mm) geeignet. Das Quecksilberbarometer kann auch unter Umständen ersetzt werden durch ein sorgfältig geprüftes, unter fortwährender Kontrolle stehendes und als Vergleichsinstrument geeignetes Federbarometer, was in manchen Fällen der Praxis die Vergleichung wesentlich vereinfacht. Die Bestimmung der verschiedenen Verbesserungen geschieht am bellen getrennt.

Die Temperaturverbesserung ist am einfachsten zu bestimmen bei möglichst unveränderlichem Barometerstand durch Benutzung der Temperaturunterschiede zwischen dem geheizten und ungeheizten Zimmer (offene Fenster) bei Winterfrost. Künstliche Temperaturänderung bedarf besonderer Apparate und großer Erfahrung, da der Temperaturunterschied nur ganz allmählich eintreten darf. In beiden Fällen ist der Temperaturunterschied in verschiedener Richtung mehrfach zu durchlaufen und in passenden Intervallen (von 5° zu 5°) Ablesungen vorzunehmen. Die Unterschiede B₀–F (Quecksilberbarometer mit allen Reduktionen – Federbarometer) werden zu den Instrumenttemperaturen (welche sorgfältig an dem inneren Thermometer zu bestimmen sind), als Abszissen graphisch aufgetragen und daraus oder aus einer danach angefertigten Tabelle die Verbesserungen (w) entnommen.

Die Teilungsverbesserung ist zu bestimmen bei möglichst konstanter Temperatur, und zwar: 1. durch Ausnutzung passender Luftdruckschwankungen, die bis zu 30 oder 40 mm betragen können (also nur für Höhenunterschiede von 300–400 m ausreichend), 2. durch Barometervergleichungen bei Bergbesteigungen, 3. durch Benutzung besonderer Apparate mit künstlicher Luftdruckänderung. Die einfachste Vorrichtung dieser Art ist möglich, wenn als Vergleichsinstrument ein Federbarometer zur Verfügung Seht. In diesem Fall genügt ein mit einem Glasdeckel luftdicht verschlossener Karten, in dem die Luft durch vorsichtiges Aussaugen und Zuströmen bis zu einer gewissen Grenze beliebig verdünnt und verdichtet werden kann. Näheres über die Einrichtung dieser Apparate [1], [4], [7], [19]–[21], [24]–[26]. Die Teilungsverbesserung (i) wird wie die Temperaturverbesserung aus den Differenzen B₀–F auf graphischem Wege abgeleitet, wobei, um bequeme Zahlenwerte zu erhalten, irgend ein passender Normalstand, z. B. 700 mm, eingeführt wird. Näheres über die Bestimmung und Berechnung der Verbesserungen [1], [2], [4]–[7], [26].

Die nach Zulegung der Temperatur- und Teilungsverbesserung noch übrig bleibende Standverbesserung bleibt bei der Verwendung der Federbarometer zu Höhenmessungen im allgemeinen außer Betracht, da sie durch das Rechnungsverfahren eliminiert wird; die Standunterschiede verschiedener Instrumente werden durch Reduktion auf ein Vergleichsinstrument (z.B. Standbarometer) beseitigt (vgl. Höhenmessung, barometrische). Wenn erforderlich, kann ein zu groß erscheinender Betrag des Standunterschiedes verschiedener Instrumente durch Aenderung der Spannung der Feder F mit der Regulierschraube r (Fig. 1) beseitigt werden. Diese Regulierung ist jedoch möglichst zu vermeiden.

Betrag und Veränderlichkeit der Verbesserungen. Die Verbesserungen sind nicht nur jeder Konstruktionsart, sondern auch jedem Instrument eigentümlich und innerhalb[656] gewisser Grenzen veränderlich, so daß sie von Zeit zu Zeit (nach Verlauf eines oder mehrerer Jahre) neu bestimmt werden müssen.

a. Die Temperaturverbesserung. Bei Zeigerinstrumenten (Naudet, Bohne) ist die Temperaturlinie in der graphischen Darstellung meistens nahezu geradlinig (entsprechend der mit zunehmender Temperatur abnehmenden elastischen Kraft); die Verbesserung beträgt etwa 0,1–0,2 mm für 1° Temperaturänderung. – Die Instrumente Goldschmidscher Konstruktion haben vielfach mehr oder weniger gekrümmte Teilungslinien ergeben. Die Temperaturverbesserung ist endlich auch abhängig vom Barometerstand und mit der Zeit häufig in erheblicher Weise veränderlich. Wertvolle Erfahrungen darüber s. [5], [26], [27].

Zuweilen werden die Instrumente gegen den Temperatureinfluß »kompensiert«. Die »Kompensation« durch Belassung eines gewissen Luftresiduums in der Büchse, welches bei Zeigender Temperatur die abnehmende Elastizität unterstützen soll, ist nicht empfehlenswert (gekrümmte Temperaturlinien, stark abhängig vom Barometerstand), dagegen scheint sich die nach Art eines Metallthermometers wirkende Zusammensetzung des Armes A bei den Zeigerbarometern (Naudet, Bohne) (Fig. 1) [22], [3], S. 71, zu bewähren. An Stelle der Unsicherheit der Reduktion durch Vermittlung des inneren Quecksilberthermometers tritt die der selbsttätigen Metallthermometerreduktion. Auf keinen Fall macht die Aufschrift »kompensiert« die Bestimmung der Temperaturverbesserung überflüssig. – Es ist möglich, daß die Verwendung von in bezug auf Dehnung und Elastizität temperaturunempfindlichen Nickelstahls (Invar) einen großen Teil des Temperatureinflusses beseitigt. Erfahrungen darüber liegen bis jetzt noch nicht vor. – Auch die Versuche mit andern Materialien, um gleichzeitig die elastische Nachwirkung (s. weiter unten) zu vermindern, haben bisher noch keinen Erfolg gehabt.

b. Die Teilungsverbesserung kann, weil sie abhängig ist von Mechanismus und Ablesevorrichtung, naturgemäß für verschiedene Instrumente beliebig und sehr verschieden sein. Ursächlich des elastischen Systemes sind die Teilungslinien allgemein schwach gekrümmt. Die Krümmung hängt ab vom Anfangsdruck und Betrag des Druckunterschiedes sowie von der Geschwindigkeit, mit der derselbe durchlaufen wird, ist also auch für Druckzu- und -abnahme verschieden [25], [26]. Bei Bestimmung der Teilungsverbesserung muß daher die Geschwindigkeit der Druckänderung derjenigen beim Höhenmessen möglichst entsprechen. Außerdem kann die gleichen Druckunterschieden entsprechende Bewegung des Zapfens a (vgl. die Figuren) im Laufe der Zeit sich um geringe Beträge ändern, so daß, ganz abgesehen von zufälligen und beabsichtigten Veränderungen des Mechanismus (Regulierung) die Teilungsverbesserung variabel ist. Vgl. a. [4]–[12], [25], [26]. Daraus folgt, daß die Teilungsverbesserung von Zeit zu Zeit neu zu bestimmen ist und daß die an manchen Federbarometern angebrachten Höhenskalen zur unmittelbaren Ablesung der Höhen, ganz abgesehen von der in der barometrischen Höhenbestimmung begründeten Näherung, nur für ganz rohe Messungen verwendet werden dürfen.

c. Die Standverbesserung ist in mehrfacher Weise veränderlich, und zwar kommt in Betracht:

1. Eine langsam mit der Zeit fortschreitende Veränderung, veranlaßt durch die allmählich eintretende Formänderung des elastischen Systems; bei neuen Instrumenten ist dieselbe oft recht erheblich, bei älteren guten Instrumenten sehr gering, im äußersten Fall einige Millimeter im Laufe mehrerer Jahre, so daß diese Aenderung auf Höhenmessungen ohne Einfluß ist.

2. Die infolge der elastischen Nachwirkung nach jeder Druckänderung auftretende Standänderung; eine Untersuchung in [25]. Sie ist bei Instrumenten gleicher Konstruktion im allgemeinen gleichartig und abhängig vom Betrag des Druckunterschiedes und dem Tempo, mit dem derselbe eintritt [25]. Bei den normalen Schwankungen des Luftdrucks und bei Nivellierzügen von mehreren hundert Metern Höhenunterschied erreicht sie Beträge von ¹/₄ bis zu ¹/₂ mm, bei Bergbesteigungen mehrere Millimeter und bei Ballonfahrten ganz erhebliche Beträge. – Bei Höhenmessungen sind die Aenderungen durch geeignete Anordnungen der Züge und Anschluß an Festpunkte unschädlich zu machen, vgl. [25], [26].

Zur Vermeidung des Einflusses der elastischen Nachwirkung bei Ueberwindung starker Druck- oder Höhenunterschiede (Hochgebirgsmessungen, Ballonfahrten) ist nach Whymper [28] ein von Watkin angegebenes, von Hicks in London konstruiertes Federbarometer geeignet, dessen Dose nur im Augenblick der Messung in Wirksamkeit tritt, so daß sie jedesmal die ganze Druckänderung gegen eine Ausgangslage zu übernehmen und anzuzeigen hat (vgl. a. S. 658, Berganeroid). – Weiterhin ist für Ballonfahrten neuerdings statt des Federbarometers eine Art Luftdruckaräometer [29] in Vorschlag gebracht.

3. Veränderungen durch Stöße beim Transport u.s.w. sind durch vorsichtige Behandlung zu vermeiden.

Genauigkeit der Instrumentangaben. Federbarometer sind ihrer Natur nach Interpolationsinstrumente und dementsprechend für Höhenmessungen mit gegebenen Anschlußpunkten in erster Linie geeignet. Der Interpolationsfehler ist im allgemeinen proportional der Zeit. Bei geringen Zeitunterschieden bis zu einigen Stunden wie bei technischen Höhenmessungen übersteigt der mittlere Interpolationsfehler nicht ± 0,1–0,2 mm; bei größeren Interpolationszeiten wachsen die Fehler entsprechend den angegebenen Standänderungen, die im Laufe der Monate und Jahre bis zu einigen. Millimetern betragen können, [4], S. 56. Ungünstige Ergebnisse bei Höhenmessungen mit Federbarometern sind stets begründet in ungenügender Bestimmung der Verbesserungen, mangelnder Uebung oder unbrauchbaren (billigen, nicht geprüften) Instrumenten. Es ist empfehlenswert, sich wegen der Bestimmung der Verbesserungen mit einem benachbarten, mit den erforderlichen Prüfungsapparaten ausgerüsteten Institut in Verbindung zu setzen (II. techn. Abteilung der phys.-techn. Reichsanstalt in Berlin, den geodätischen, physikalischen, meteorologischen Instituten u.s.w. der Hochschulen, vgl. [19]–[21], [25]). Weiteres über den Gebrauch zu geodätischen Höhenmessungen s. Höhenmessung, barometrische.[657]

Literatur: Die Instrumente sind eingehend behandelt in einer Reihe geodätischer und sonstiger Lehrbücher z.B.: [1] Jordan, Handbuch der Vermessungskunde, Stuttgart 1904, Bd. 2. – [2] Bauernfeind, Elemente der Vermessungskunde, Stuttgart 1890, Bd. 1. – [3] Handbuch der nautischen Instrumente, Berlin 1890. – Von den zahlreichen speziellen Bearbeitungen, in denen zahlreiche Erfahrungen und weitere Literaturangaben mitgeteilt sind, seien genannt: [4] Hartl, Praktische Anleitung zum Höhenmessen, Wien 1884. – [5] Ders., Temperaturkoeffizient Naudetscher Aneroide, Zeitschr. f. Verm. 1882, S. 458. – [6] Koppe, Die Aneroidbarometer von Goldschmid, Zürich 1877; Ders., Die verbesserten Goldschmidschen Aneroide, »Eisenbahn«, Bd. 16, Nr. 16 u. 17. – [7] Schreiber, Handbuch der barometrischen Höhenmessungen, Weimar 1877. – [8] Ders., Carls Repert., Bd. 9, S. 193. – [9] Bauernfeind, Beobachtungen und Untersuchungen über die Eigenschaften und praktische Verwertung der Naudetschen Barometer, München 1874. – [10] Vogler, Beitrag zu den Erfahrungen über Naudetsche Aneroide, Zeitschr. f. Verm. 1877, S. 475. – [11] Jelinek, Ueber die Konstanten der Aneroide, Carls Rep., Bd. 13, S. 54. – [12] Schmidt, Ueber den praktischen Wert Naudetscher Aneroide, München 1876. – [13] Weilenmann, Ein abgeändertes Aneroidbarometer, Vierteljahrsschr. d. naturf. Ges. in Zürich, Bd. 20. – [14] Reitz, Höhenmessung mit dem Barometer Reitz, Hamburg 1874, desgl. Zeitschr. f. Verm. 1873, S. 363, 1877, S. 507, 1887, S. 20. – [15] Kohlrausch, Variationsbarometer, Pogg. Ann. 150. – [16] Röntgen, Aneroidbarometer mit Spiegelablesung, Wied. Ann., Bd. 4, S. 305. – [17] Schwirkus, Neue Gesichtspunkte zur Konstruktion von Aneroiden, Zeitschr. f. Instr., Bd. 3, S. 89. – [18] Möller, Metallbarometer, Zeitschr. f. Instr., Bd. 1, S. 266. – [19] Schreiber, Zeitschr. f. Instr., Bd. 6, S. 121, Bd. 9, S. 157; Fueß, Bd. 5, S. 297. – [20] Wiebe, Zeitschr. f. Instr., Bd. 10, S. 429. – [21] Koppe, Prüfung von Aneroiden, Zeitschr. f. Instr., Bd. 8, S. 419. – [22] Löwenherz, Wissenschaftliche Instrumente auf der Berliner Gewerbeausstellung, Berlin 1880, S. 122. – [23] Hammer, Zeitschr. f. Verm. 1890, S. 79. – [24] Kröber, Zeitschr. f. Verm. 1881, S. 305. – [25] Reinhertz, Die elastische Nachwirkung beim Federbarometer, Zeitschr. f. Instr., Bd. 7, S. 153. – [26] Hebe, Ueber die Prüfung von Aneroiden, Zeitschr. f. Instr., Bd. 20, S. 253. – [27] Wiebe und Hebe, ebend., Bd. 21, S. 331. – [28] Hammer, Ref. Zeitschr. f. Instr., Bd. 19, S. 318; Zeitschr. f. Verm. 1900, S. 568. – [29] Fischer, Zeitschr. f. Meteorologie 1900, S. 257.

Reinhertz.

Berganeroid (Mountain aneroid) ist in England im Jahre 1898 ein neues Aneroid genannt worden, das den Uebelstand des gewöhnlichen Aneroids, namentlich Naudetscher Konstruktion, nämlich großer elastischer Nachwirkung bei stark veränderten Luftdrücken, denen das Instrument längere Zeit ausgesetzt blieb, dadurch zu verringern sucht, daß das Aneroid stets nur für kurze Zeit dem stark veränderten Druck ausgesetzt wird.

Erfunden ist das Instrument von Oberst Watkin, ausgeführt von J.J. Hicks, die erste öffentliche Nachricht stammt her von Edw. Whymper (Times vom 17. Dez. 1898); Abdruck z.B. auch in [1], Ref. von Hann in [2], von Hammer in [3]–[5]. Notiz über praktische Anwendung z.B. bei Mackinder in dem Bericht über seine Kenia-Expedition [6].

Literatur: [1] Geogr. Journal, London 1899, I, S. 79–83. – [2] Met. Zeitschr. 1899, hiernach Ule in Geogr. Zeitschr. 1899, S. 347–348. – [3] Zeitschr. f. Instr. 1899, S. 318. – [4] Petermanns Mitteilungen, Gotha 1899. – [5] Zeitschr. f. Verm. 1900, S. 568. – [ö] Geogr. Journal, London 1900, I, S. 480–486.

Fig. 1., Fig. 2.