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Barometer

[472] Barometer (barometer; baromètre; barometro), Instrument zur Ermittlung des an einer Stelle herrschenden Luftdrucks. Da sich aus der Luftdruckdifferenz zweier Punkte ihr Höhenunterschied berechnen läßt, so findet das B. auch zu Höhenmessungen bei Eisenbahnvorarbeiten vielfach Verwendung.

Man unterscheidet Quecksilberbarometer, Siedethermometer und Federbarometer (Aneroide).

I. Quecksilberbarometer.

a) Gefäßbarometer. Die oben geschlossene Barometerröhre taucht in ein bedeutend weiteres, ebenfalls mit Quecksilber gefülltes Gefäß ein. Neben dem Barometerrohr ist ein verschiebbarer Maßstab angebracht, dessen unteres Ende in eine Spitze ausläuft, die vor der Ablesung genau auf den Quecksilberspiegel im Gefäß eingestellt wird. Die Ablesung geschieht mit Hilfe der Unterkante eines Ringes, der das Barometerrohr umschließt und seitlich einen Nonius trägt. Der Ring wird soweit gehoben oder gesenkt, daß die Quecksilberkuppe in die Ebene seiner Unterkante fällt. Mit der Quecksilbermasse befindet sich in möglichst inniger Verbindung ein Thermometer zur Bestimmung der inneren Temperatur. Ein derart eingerichtetes Gefäßbarometer ist nicht transportabel, sondern dient nur zur Vergleichung anderer Instrumente (Standbarometer).

b) Fortinsches Gefäßbarometer. Das Barometerrohr trägt an seinem unteren Ende ein grobes Gewinde, auf das der Deckel des Gefäßes aufgeschraubt ist, wobei die Verschraubung für Luft, nicht aber für Quecksilber durchlässig ist. Durch Drehen des Gefäßes kann mithin letzteres so weit gehoben oder gesenkt werden, daß der Quecksilberspiegel das auch hier in eine Spitze auslaufende Ende des Maßstabes berührt. Die Ablesevorrichtung ist dieselbe wie bei a), ebenso ist ein Thermometer angebracht. Das Barometerrohr ist zum Schutz größtenteils von einem Metallrohr umgeben, das auch den Maßstab trägt. Soll das Barometer transportiert werden, so wird es so weit geneigt, bis das Quecksilber an das obere Ende des Rohrs angeschlagen hat, hierauf das Gefäß so weit heraufgeschraubt, daß sein Boden die Öffnung des Rohres verschließt, dann das Instrument vollständig gestürzt und in dieser Lage getragen. Beim Wiederaufstellen ist das Instrument bis gegen die Horizontale zu neigen, die Schraube zu lüften und dann langsam ganz aufzurichten. Da das Instrument im gestürzten Zustand vollkommen gefahrlos zu transportieren ist, eignet es sich sehr gut als Reisebarometer, ebenso wie

c) Heberbarometer. Das Barometerrohr ist heberartig gebogen, der längere Schenkel oben geschlossen, der kürzere offen. Seitlich ist ein Maßstab befestigt, dessen Bezifferung entweder am unteren Ende beginnt, oder von der Mitte aus nach oben und unten fortschreitet. Die Ablesung geschieht in der oben angegebenen Weise, jedoch an beiden Schenkeln, so daß sich die Höhe der Quecksilbersäule als Differenz oder Summe beider Ablesungen ergibt. Auch hier ist ein Thermometer angebracht. Um zu verhindern, daß kleine Luftblasen in das Vakuum gelangen, ist im Innern des langen Schenkels eine Buntensche Spitze eingesetzt. Zum Transport wird das Instrument so weit geneigt, bis das Quecksilber im langen Schenkel anschlägt, dann in den kurzen Schenkel ein oben und unten einen Korkstöpsel tragender Fischbeinstab bis auf das Quecksilber eingeschoben, endlich das ganze Barometer gestürzt und so getragen. Zum Aufstellen wird in schiefer Lage der Fischbeinstab entfernt, dann das Barometer langsam ganz aufgerichtet.

Bei der Beobachtung mit irgend einem Barometer ist immer zuerst die Temperatur, dann erst die Höhe der Quecksilbersäule abzulesen, nachdem etwas an das Barometerrohr geklopft wurde, um die Reibung des Metalls am Glas überwinden zu helfen.

Die Ablesungen eines Quecksilberbarometers geben nicht unmittelbar die wahren Werte des Luftdruckes; es müssen vielmehr noch mehrere Korrektionen angebracht werden, deren wichtigste die folgenden sind:

α) Temperaturkorrektion. Ihre Größe hängt ab von der abgelesenen Temperatur t des Quecksilbers und des Maßstabs, der Höhe der Quecksilbersäule B und dem Material des Maßstabs; sie beträgt für Millimeterteilung

β) Kapillardepression. Die Oberfläche des Quecksilbers im Barometerrohr ist infolge der Kapillarattraktion keine Ebene, sondern konvex nach oben gekrümmt, u. zw. liegt der Scheitel der Kuppe tiefer als die ebene Oberfläche, die sich ohne Kapillarattraktion[472] bilden würde. Die Größe der Depression hängt ab von der Weite des Barometerrohrs und der Höhe der gebildeten Kuppe. Sie nimmt ab mit zunehmender Weite der Röhre.

γ) Schwerekorrektion ist abhängig von der geographischen Breite φ und der Meereshöhe H des Beobachtungsorts, da das Gewicht des Quecksilbers eine Funktion dieser beiden Größen ist. Gewöhnlich wird der Barometerstand auf 45° Breite reduziert; es ist hierfür die Korrektion, wenn r den Erdhalbmesser = 6370000 m bezeichnet,

δ) Gefäßkorrektion. Ist bei einem Gefäßbarometer die Verschiebung des Maßstabes nicht möglich, so liegt der Nullpunkt der Skala nur bei einem bestimmten Barometerstand B_n in der Quecksilberoberfläche des Gefäßes, während er für alle anderen Barometerstände zu hoch oder zu tief liegt. Ist d der innere, d₁ der äußere Durchmesser der Röhre, D der innere Durchmesser des Gefäßes, so ist die Korrektion für einen Barometerstand B

In neuerer Zeit wird bei Gefäßbarometern mit fester Skala meistens statt der Millimeterskala eine reduzierte Skala angewendet, bei der dann die vorstehende Korrektion wegfällt.

Vorstehende Korrektionskoeffizienten sind entnommen aus Jordan, Handbuch der Vermessungskunde, woselbst sich auch umfassende Tabellen für die Werte der verschiedenen Korrektionen finden.

Für die Brauchbarkeit eines Barometers ist maßgebend, daß der Raum oberhalb des Quecksilbers wirklich luftleer ist (Toricellische Leere), wovon man sich durch Neigen des Instruments überzeugt; es muß dabei das Quecksilber mit hellem Klang an die oben geschlossene Röhre anschlagen und diese ohne Luftblase füllen. Jener Teil des Rohrs, der für die Ablesung verwendet wird, soll wenigstens 6 mm Durchmesser haben; der Maßstab muß richtig geteilt sein (Vergleichung mit Normalmaßstäben) und der Nullpunkt der Teilung muß bei Gefäß- und Fortin-Barometern in der Spitze liegen, was durch Vergleichung mit einem Normalbarometer festgestellt wird, wobei sodann entweder die Spitze richtiggestellt oder die gefundene Differenz als Standkorrektion in Rechnung gezogen wird. Von Zeit zu Zeit ist eine neuerliche Untersuchung des Instruments in bezug auf Luftleere und Stand notwendig, da hierin infolge von Unreinigkeit des Quecksilbers Änderungen eintreten können.

Der mittlere Fehler der Luftdruckbestimmung aus einer Ablesung mit einem Quecksilberbarometer von einer der obigen Konstruktionen ergibt sich nach verschiedenen Autoritäten zu rund ± 0∙2 mm.

II. Siedethermometer. Die Bestimmung des Luftdruckes mit dem Siedethermometer beruht auf der Tatsache, daß die Siedetemperatur des Wassers um so größer ist, je größer der auf dem Wasser lastende Luftdruck ist. Die Abhängigkeit der Siedetemperatur vom Luftdruck ist auf Grund eingehender Versuche festgestellt worden, so daß man aus Tabellen für jeden Luftdruck die dazugehörige Siedetemperatur entnehmen kann. Ist man infolgedessen in der Lage, die Siedetemperatur genau zu messen, so ergibt sich die Möglichkeit, hieraus den Luftdruck zu ermitteln.

Zur Messung der Siedetemperatur sind sehr empfindliche Thermometer erforderlich, an denen man noch hundertstel Grade ablesen kann. Häufig ist statt der Gradeinteilung auf Grund der soeben genannten Tabelle eine Einteilung nach mm des Luftdrucks angebracht, so daß man letzteren unmittelbar ablesen kann. Das Thermometergefäß darf nicht in das siedende Wasser eintauchen, da dessen Temperatur nicht genau der Siedetemperatur entspricht, sondern muß lediglich dem aufsteigenden Wasserdampf ausgesetzt sein. Man benutzt deshalb einen besonderen Siedeapparat, bei dem der Wasserdampf ohne Abkühlung das Thermometer umspült.

Die Genauigkeit der Luftdruckmessung mit dem Siedethermometer kommt jener mit dem Quecksilberbarometer gleich. Da der Siedeapparat sich bequem verpacken und leicht transportieren läßt, so hat dieses Instrument das Quecksilberbarometer bei Beobachtungen im Felde beinahe ganz verdrängt.

Näheres über das Siedethermometer siehe in Jordan, Handbuch der Vermessungskunde.

III. Federbarometer (Aneroide). Der druckmessende Bestandteil ist hier eine luftleer gemachte Metallbüchse, die bei Änderungen des äußeren Drucks infolge ihrer Elastizität die Gestalt ändert.

a) Aneroid von Naudet. Die luftleere, cylindrische Büchse hat einen wellenförmig gebogenen Deckel, dessen Bewegung bei Druckänderung durch mehrfache Hebel und eine Kettenübersetzung stark vergrößert und auf einen Zeiger übertragen wird; die Bewegung wird auf einem geteilten Zifferblatt gemessen. Ein toter Gang des Mechanismus wird verhindert durch eine entsprechend angebrachte Feder und ein Gegengewicht. Letzteres wirkt bei den für Reisen bestimmten Instrumenten nur bei horizontalem Zifferblatt, weshalb nur in dieser Lage und. nachdem zur Überwindung der Reibung im Mechanismus etwas auf das Instrument geklopft wurde, abgelesen werden darf. An den Instrumenten sind ferner zwei Korrektionsschrauben angebracht, von denen die eine gestattet, das Übersetzungsverhältnis der Hebel etwas zu ändern, durch die zweite kann ein Druck auf die federnde Büchse ausgeübt[473] werden, wodurch der Zeiger unabhängig vom Luftdruck verstellt werden kann. In das Zifferblatt ist endlich ein Thermometer zur Bestimmung der Instrumenttemperatur eingelassen. Die Teilung des Zifferblatts ist eine gleichmäßige, die Bezifferung nach mm. Die Größe der Teile ist in der Weise gewählt, daß bei einem mittleren Barometerstand ein Intervall möglichst einer Druckdifferenz von 1 mm Quecksilber entspricht.

b) Goldschmidsches Fühlfederaneroid mißt die Gestaltsänderung der Büchse nicht an einem Zeiger, sondern durch die Umdrehungen einer Mikrometerschraube. Die Bewegung der Büchse wird auf einen einarmigen Hebel nahe an dessen Drehpunkt übertragen. Seitlich an diesem Hebel ist, parallel mit diesem, eine feine Feder (Fühlfeder) an ihrem einen Ende befestigt, während das andere sich neben dem des Hebels an einer Teilung bewegt. Auf diese Fühlfeder drückt die Mikrometerschraube und wird so weit bewegt, bis die scharfen Enden des Hebels und der Feder, die sich längs einer Skala bewegen, in die gleiche Höhenlage kommen. Die nötigen Umdrehungen der Schraube geben das Maß für die Änderung des Luftdrucks. Die ganzen Umdrehungen werden durch die erwähnte Skala gemessen, Teile einer ganzen Umdrehung an der eingeteilten Trommel der Mikrometerschraube. Auch hier ist ein Thermometer in möglichst inniger Verbindung mit dem Instrument angebracht.

c) Aneroide mit mikroskopischer Ablesung (von Reitz-Deutschbein u.a.). Die Größe der Bewegung des Deckels der verschieden geformten elastischen Büchse wird bei den Aneroiden dieser Kategorie, entweder direkt oder durch Hebelübersetzung vergrößert, mittels eines entsprechend konstruierten Mikroskops abgelesen.

Der Vorzug der Aneroide gegenüber den Quecksilberbarometern besteht in dem leichteren Transport, da erstere keine Flüssigkeit enthalten, somit in jeder Lage getragen werden können und sofort zum Gebrauch bereit sind.

Auch die Aneroide erfordern Korrektionen, um aus dem abgelesenen Luftdruck F und Instrumenttemperatur t den auf Normalmaß reduzierten Barometerstand B₀ zu finden. Die allgemeine Korrektionsformel lautet:

B₀ = F + x + yt + z (760 – F).

Hierin heißt:

x Standkorrektion,

yt Temperaturkorrektion,

z (760 – F) Teilungskorrektion.

Die Koeffizienten x, y, z sind für jedes Instrument im allgemeinen verschieden. Für kompensierte Aneroide ist der Temperaturkoeffizient sehr klein, indessen ist es ratsam, auch für solche Instrumente die Koeffizienten zu bestimmen. Dies geschieht allgemein am sichersten durch Vergleichung mit einem Normalbarometer (Quecksilber- oder Siedethermometer oder auch Federbarometer mit bekannten Reduktionskoeffizienten).

α) Temperaturkorrektion yt. Am besten im Winter zu bestimmen. Das zu untersuchende Aneroid wird im geheizten Zimmer abgelesen, und ergibt Luftdruck F, Instrumenttemperatur t; gleichzeitig ergibt das Normalbarometer den auf 0⁰ reduzierten Luftdruck B₀, das Aneroid wird nun ins Freie (in gleicher Höhe) gebracht und ergibt, nachdem es in ein bis zwei Stunden die äußere Lufttemperatur angenommen hat, die Ablesungen F¹, t¹, gleichzeitig das Normalbarometer B₀¹ Es bestehen dann die Gleichungen:

B₀ = F + x + yt + z (760 – F),

B₀¹ = F¹ + x + yt¹ + z (760 – F¹).

z ist erfahrungsgemäß klein (höchstens 0∙05); es sind demnach die letzten Glieder beider Gleichungen nahezu gleich, so daß ihre Differenz gleich 0 gesetzt werden kann. Aus der Subtraktion ergibt sich dann:

Wiederholt man dasselbe Beobachtungsverfahren mehrmals, so ergibt jedes einen Wert für y, das arithmetische Mittel aus all diesen Werten aber den Temperaturkoeffizienten y selbst.

β) Teilungskorrektion und Standkorrektion. Mit Hilfe der vorhin bestimmten Temperaturkorrektion kann nun jede Federbarometerablesung F auf diejenige für 0⁰ Instrumenttemperatur F₀ reduziert werden. Macht man nun wieder Vergleichungen mit dem Normalbarometer bei möglichst verschiedenen Barometerständen (hierzu eignen sich am besten die Monate Dezember, Januar und März, die die größten Luftdruckschwankungen aufweisen), reduziert die Aneroidstände auf F₀, so ergibt sich aus der Differenz F₀–B₀ jener Wert, um den der betreffende Federbarometerstand zu reduzieren ist, um den wahren Luftdruck B₀ zu erhalten. Trägt man F₀ als Abszissen und die zugehörigen F₀–B₀ als Ordinaten auf und legt eine ausgleichende Gerade oder stetige Kurve, so schneidet diese auf der Ordinate von 760 die Standkorrektion x ab, während die trigonometrische Tangente des Neigungswinkels gegen die Abszissenachse den Wert von z angibt. Ist die ausgleichende Linie eine Kurve, so ist ein quadratisches Glied in der Formel erforderlich.

Alle drei Korrektionen können auch mit Hilfe der Methode der kleinsten Quadrate aus einer Beobachtungsreihe gemeinsam bestimmt werden.

Die gewonnenen Resultate für x, y und z gelten streng nur bis zu den äußersten Werten von t und B₀ die zur Bestimmung verwendet wurden; es ist daher notwendig, um auch bei niedrigen Luftdrücken verläßliche Resultate zu erhalten, entweder den Teilungskoeffizienten auch durch Vergleichung mit dem Normalbarometer einer hochgelegenen Station oder durch künstlich unter der Luftpumpe hergestellte größere Druckdifferenzen oder endlich durch Bergbesteigungen zu bestimmen.[474]

Im allgemeinen liegt der Temperaturkoeffizient y bei Naudetschen Instrumenten zwischen – 0∙1 und – 0∙2, der Teilungskoeffizient ist meist erheblich kleiner.

Da die Werte der Korrektionen, besonders die Standkorrektion, durchaus nicht unveränderlich sind, so empfiehlt sich eine Wiederholung der Vergleichungen in nicht zu großen Intervallen.

Die Genauigkeit der Aneroidmessungen wird sehr stark beeinträchtigt durch die elastische Nachwirkung, infolge deren das Instrument den Luftdruckänderungen nicht sofort, sondern erst nach einiger Zeit in vollem Maße folgt. Die Größe der elastischen Nachwirkung ist abhängig von der Größe und der Geschwindigkeit der Luftdruckänderung.

Über Höhenmessung mit B. s. Höhenmessung.

Literatur: s. u. a. Hartl, Praktische Anleitung zum Höhenmessen. Wien 1884. – Jordan, Handbuch der Vermessungskunde. – Hartner-Doležal, Hand- und Lehrbuch der niedern Geodäsie, 9. Aufl.

Eggert.