Barometrie_ Technik

(stoe-pr) Die Lufthülle der Erde reicht bis auf eine Höhe von etwa 100 km und wird als Atmosphäre bezeichnet. Dabei lässt sich das Ende der vertikalen Ausdehnung der Atmosphäre nicht exakt beschreiben, weil wir hier keine Oberfläche im Sinne einer Wasseroberfläche vorfinden. Die Lufthülle geht ganz diffus in den Weltraum über. Nur in der untersten, etwa 10 km hohen Schicht der Tropossphäre, spielen sich die Wettervorgänge ab. Hier gilt die allgemeine Temperaturabnahme mit der Höhe, und hier ist auch der gesamte Wasserdampfgehalt der Atmosphäre zu finden. Dies ist eine Grundbedingung für das Wettergeschehen und die Wolkenbildung. Der Luftdruck sowie die Dichte der Luft nehmen in der Tropossphäre exponentiell mit der Höhe ab. Die Dichte der Luft verringert sich um jeweils 10% des Ursprungswertes pro Kilometer Höhenzunahme.

An die Troposphäre schließt sich die Stratosphäre an, die bis etwa 50 km Höhe reicht. In ihr findet keinerlei Wettergeschehen mehr statt. Zu Beginn der Stratosphäre endet auch die Temperaturabnahme. Von etwa 10 bis 20 km Höhe herrscht also Temperaturgleichheit = -56,5 ^oC (Isothermie). Danach nimmt, bedingt durch Absorbtion der Sonnenstrahlung in der Ozonschicht, die Temperatur wieder zu.

Luft befindet sich auf der Erde überall dort, wo sonst kein anderer fester, flüssiger oder gasförmiger Körper den Raum einnimmt. Luft ist ein Gasgemisch mit nahezu einheitlicher Zusammensetzung infolge ständiger Durchmischung. In Volumenprozenten ausgedrückt besteht sie aus 78% Stickstoff, 21% Sauerstoff und einem kleinen Rest von 1% Edelgasen. Zusammen ergeben diese Anteile 100% und gelten für "trockene" Luft, also 0% relative Feuchte.

In Wirklichkeit enthält die Luft aber immer Wasserdampf in örtlich und zeitlich wechselnder Menge, so dass sich die anderen Gasanteile dann proportional ändern.

Trockene Luft ist, wer hätte es vermutet, schwerer als Wasserdampf! Ohne diese Tatsache gäbe es jedenfalls keine Verdunstung.

Die Luft übt im Zustand der Ruhe auf jede beliebig orientierte Fläche einen senkrecht zu ihr gerichteten Druck aus. Dieser auf die Erde ausgeübte statische Druck wird als atmosphärischer Luftdruck bezeichnet und läßt sich als Gewicht einer Luftsäule verstehen, die von der Erdoberfläche bis in die obersten Schichten der Atmosphäre reicht. Der Luftdruck wird mit Barometern gemessen und wurde früher in Millimeter Quecksilbersäule [mmQS = mmHg = Torr] bzw. Millibar [mbar] und heutzutage in Hektopascal [hPa] angegeben. Genaugenommen ist "Torr" die Länge einer Quecksilbersäule bei 0 ^oC.

Die Schwerkraft der Erde ist es, die unsere schützende Lufthülle anzieht und so den Luftdruck bewirkt. Gase besitzen bekanntermaßen die Eigenschaft, sich nach allen Seiten auszudehnen. Somit drückt auch die Luft von allen Seiten. Es ist deshalb völlig unerheblich, wo sich ihr Barometer befindet. Von Bedeutung ist nur die Ortshöhe, auf der es eingesetzt wird. Mit zunehmender Höhe nimmt die darüber liegende Luftschicht und somit auch der Luftdruck ab und umgekehrt.

Mit zunehmender Höhe sinkt der Luftdruck zunächst sehr rasch. Als Faustformel gilt innerhalb der untersten 1000 Höhenmeter: Je 8 Höhenmeter etwa 1 hPa, darüber nimmt er zunächst noch circa alle 11m um 1 hPa ab und beträgt auf 3000m Höhe noch etwa 700 hPa.

Dieser Überschlagsrechnung kann man sich beim Einstellen eines Barometers bedienen. Wird es zum Beispiel von einer Ortshöhe A = 80m nach B = 560m ü.NN gebracht, so bedeutet dies einen Höhenunterschied von +480m. In hPa ausgedrückt eine Druckdifferenz von 480 : 8 = 60 hPa. Wenn Sie das Barometer daher vor Ihrer Abreise um 60 hPa höher einstellen, wird es bei der Ankunft wieder den korrekten Luftdruck anzeigen. Gleiches passiert natürlich, wenn Sie die Erhöhung erst nach der Ankunft vornehmen.

Diese Zu- oder Abnahme läßt sich auch mit einer Formel berechnen. Hierzu kann man sich folgender barometrischer Höhenformel bedienen:

Wobei h[m] = die Ortshöhe, p [hPa] = der untere Luftdruck, p' [hPa] = der obere Luftdruck und t [^oC] = die Temperatur ist. Als barometrische Konstante nennt Prof. Dr. M. Kneissl für Deutschland = 18464, sonst für Mitteleuropa 18400.

Auf Meereshöhe schwankt der Druck zumeist zwischen 950 und 1060 hPa, es wurden aber schon erheblich geringere, aber auch höhere Luftdruckwerte gemessen. Der mittlere Luftdruck beläuft sich, wie wir ja alle wissen, bei Normalnull auf 1013,25hPa..

Die Umrechnung von hPa nach Torr bzw. mmHg geht wie folgt: 760 [Torr] = 1013,25 [hPa]/ 1,333224.

Absoluter Luftdruck, relativer Luftdruck = auf Meereshöhe bezogener Luftdruck

Der absolute oder effektive Luftdruck ist der am Beobachtungsort gemessene Absolutdruck.

Der auf Meereshöhe reduzierte Luftdruck ist der absolute Luftdruck am Beobachtungsort, umgerechnet auf Meereshöhe. Die Umrechnung erfolgt durch die Addition der Druckdifferenz, die durch das Gewicht der Luftsäule zwischen dem Messort und der Meereshöhe entsteht. Dadurch wird erreicht, dass die Luftdrücke unabhängig von der Meereshöhe miteinander verglichen werden können. "Veränderlich" liegt somit z.B. in Hamburg, München oder Düsseldorf immer bei 1013 hPa = 760 mmHg.

Für die Engländer entspricht "Veränderlich" übrigens: 29,53 inch = 750 mmHg = 1000 mbar = 1 bar

Mit dem Pegel auf Meereshöhe = 0 m ü.NN ist in Deutschland der Amsterdamer Pegel, "Normaal Amsterdamer Peil (N.A.P.)" gemeint. Er wurde im 17. Jh. durch den Magistrat der Stadt Amsterdam als Ausgangspunkt für die nationale Höhenmessung festgelegt und später auch als Bezugspunkt für verschiedene Nachbarländer übernommen.

In Deutschland geschah dies durch die preussische Landesaufnahme im Jahre 1878. Am 22. März 1879 wurde hierfür an der Sternwarte in Berlin ein "Normalhöhenpunkt = NHP" eingerichtet, der ausgehend vom Amsterdamer Pegel exakt 37,00m über NN lag und fortan zur Basis aller weiteren Höhenbestimmungen in Deutschland wurde. Dieser NHP 1879 wurde im Jahre 1912 durch einen neuen an der Strasse Berlin - Manschnow bei Hoppegarten ersetzt (NHP 1912).

Vor 1879 galten der Pegel zu Neufahrwasser bzw. des Flutmessers zu Hamburg als Normalnull.

Ein wenig Physik zu den Aneroiddosen

(stoe) Ich habe neulich ein Barometerwerk zerlegt und hatte ganz zum Schluss die Aneroiddose in der Hand. Eine flache,

zylindrische Büchse mit konzentrisch gewelltem Deckel und Boden, den Membranen. Exakt im Mittelpunkt der Grundfläche findet sich ein Gewindebolzen zur Befestigung auf der Grundplatine. Genau gegenüber ein etwas längerer Dorn, meist mit einem Bohrloch für den Federstift, mit dem die beiden Membranen gegenüber dem atmosphärischen Luftdruck, mittels einer Feder gespannt werden können. Umlaufend, als Zylinderwand, dient ein flaches und relativ steifes Metallband, das bei den älteren Dosen den Nippel für die Vakuumdose trägt (siehe Bild).

Nun hatte ich diese Vidi- (auch: Vidie-) bzw. Vakuumdose also in der Hand und sie war intakt, d.h. luftleer, denn die beiden Membranen waren fest aneinander gepresst. Mit der Kraft meiner beiden Hände versuchte ich sie zu trennen, aber natürlich - Fehlanzeige!

In dieser Situation erinnerte ich mich an meinen Physikunterricht. Da gab es doch den bekannten "Magdeburger Versuch" Otto von Guerickes, aus dem Jahre 1663. Acht Pferde auf jeder Seite vermochten die beiden Halbkugeln, mit einem Durchmesser von 57,6cm = 1 Magdeburger Elle, nicht zu trennen!

Im Schnelldurchgang:
Die über uns befindliche Luftschicht (Atmosphäre) drückt auf jeden Quadratzentimeter, im Mittel und auf Meereshöhe, mit der Kraft einer Quecksilbersäule von 76,0cmQs. Da Quecksilber eine Dichte = 13,596p/cm³ hat, errechnet sich daraus eine Gewichtskraft von 1033p/cm². Die Angelsachsen rechnen übrigens den "mittleren Luftdruck" mit 29,53inch= 75,0cmQs und kommen somit auf 1019,7p/cm²= 1000mb= 1bar. Wenn 1019,7p/cm²= 1bar sind, dann sind 1033p/cm²= 1013mb. 1013mb sind aber wiederum 1013hPa= 10,13N. Womit sich der Kreis geschlossen hat!

Die vorgenannten Einheiten Pond [p] bzw. Kilopond [kp] als Einheit für die Masse, bzw. mmQs, torr und bar für den Luftdruck, sind den Älteren unter uns noch bekannt, sie dürfen jedoch seit Januar 1988 endgültig nicht mehr verwendet werden. Sie wurden im SI-Einheitensystem durch das [kg] bzw. [g] und das Pascal [Pa] bzw. Hektopascal [hPa], als Maß für den Luftdruck abgelöst. Hinzu kam als Maß für die Kraft, das Newton [N]. Persönlich finde ich jedoch zur Herleitung der Luftdruckmessung, die Kenntnis der historischen Zusammenhänge äußerst hilfreich. Daher meine Abschweifung.

Da meine Aneroiddose einen Durchmesser von 6,8cm aufweist, ergibt sich mit der Formel für die Kreisfläche rechnerisch eine Gesamtoberfläche von 36,3cm², also multipliziert mit 1033p/cm², einen Gesamtdruck von 37,7kp. Die Umrechnung von Kilopond in Newton geschieht durch Multiplikation mit dem Faktor g= 9,81.

Es muss also zumindest eine Gegenkraft von 37,5kp = 367,75N aufgewendet werden, um die beiden Membranen gerade zu trennen. Um sie um 3mm anzuheben und in eine Gleichgewichtslage zu bringen bedarf es noch etwas mehr.

Dabei ist für mich die benötigte Kraft doch immer wieder erstaunlich!

Werden mehrere Dosen zu einem "Dosensatz" hintereinander geschaltet, so addieren sich die Auslenkungen, die resultierende Gesamt-Federkraft bleibt jedoch die Gleiche.

Wird die Fläche der Dose vergrößert, so hat das keinerlei wertmäßige Auswirkung auf die Auslenkung der Membranen, lediglich die Elastizität und damit die "Hysterese" wird verbessert. Interessant ist noch zu wissen, dass die in die Membran eingepressten Rillen bzw. Wellen zwar rechnerisch eine Flächenvergrößerung von 20-25% bewirken, diese jedoch in die Druckberechnung nicht eingeht. Es ist also eine reine Maßnahme um die Elastizität der Membranen zu erhöhen.

Dose und Feder sind eine Einheit und bei guten Barometern fein aufeinander abgestimmt. Je elastischer beide Elemente sind, umso feinfühliger reagiert der Druckmesser.

Noch zu guter Letzt:

Ein Zurücklassen von Luft oder Gas in der Dose hätte zwar zu Folge, dass die Federkraft geringer ausfallen könnte, da ja ein Teil des Drucks vom Gas übernommen würde. Gleichzeitig verwandelt sich jedoch das "Druckelement" des Barometers in ein "Thermoelement", die ursprüngliche Vakuumdose wird zur Gasdruckdose, das Barometer wandelt sich zum Thermometer! Dabei ist die Auswirkung einer Temperatur-, gegenüber einer Druckänderung ungefähr dreißigmal größer!

Deshalb relativiert sich die Behauptung, es hätte sich in den frühen Barometern eine nennenswerte Menge Gas befunden sehr rasch in den einstelligen Prozentbereich, den man vielleicht treffender als "unvollkommenes Vakuum" bezeichnen sollte. Insofern hat der Bericht von John Dent aus dem Jahre 1849 [Ref. 93], der "ein wenig Gas zur Temperaturkompensation" vorsieht, in den letzten 150 Jahren oftmals für völlig falsche Vorstellungen gesorgt!

Für diejenigen, die es ganz genau wissen möchten, habe ich die angesprochenen Sachverhalte in einer Aufgabe verklausuliert. Die mathematischen Lösungen dazu stammen aus der Feder von Hans Gaab und sind in Form einer pdf.Datei [~30KB] nachzulesen oder auszudrucken.

Quellenverzeichnis - die Umrechnungstabelle stammt aus:
Lothar Kusch - Math. Naturwissenschaftliche Formeln und Tabellen - Essen 1979

(stoe-pr) Manche Taschen- und Reisebarometer besitzen als zusätzliche Funktion eine drehbare Höhenskala, die in Meter oder Feet geteilt ist. Sie können somit auch als Höhenmesser Verwendung finden.

Während Gefäßbarometer immer und Aneroide bei entsprechender Kalibrierung in der Lage sind, absolute Luftdruckwerte anzuzeigen, ist gleiches bei der Höhenmessung nicht möglich. Der Höhenmesser muß immer zuerst vor dem "Start" auf das Ausgangshöhenniveau eingestellt werden und zeigt dann bei Standortänderung die entsprechende Druck- bzw. Höhendifferenz an.

Da aber ein vertikaler Schnitt durch die Troposphäre zu unterschiedlichen Zeiten und/ oder an unterschiedlichen Orten niemals eine homogene Luftmassenverteilung ergibt, der Höhenmesser aber schließlich eine Skaleneinteilung braucht, bedient sich die internationale Höhenmessung einer Modell- oder Standardatmosphäre mit Mittelwerten aus langjährigen Messreihen, die schließlich im Jahr 1924 durch die CINA (Comité International de Navigation Aérienne) als verbindlich genormt wurden. Darin wurde festgelegt:

Luftdruck in Meereshöhe = p₀	760 Torr = 1013,25 hPa
Lufttemperatur in Meereshöhe = t₀	+15 ^oC = 288 ^oK
Temperaturgefälle pro 100m = a	0,65 ^oC/ 100m
Dichte der trockenen Luft =	1,225 kg/ m³
Schwerebeschleunigung = g₀	980,62 cm/sec²

Mit diesen Größen und nachfolgender Formel lässt sich der für Ihre Ortshöhe mittlere Luftdruck (Veränderlichpunkt) entsprechend der CINA-Atmosphäre berechnen (die komplette Luftdrucktabelle bis 1820m ü.NN finden Sie in der pdf-Datei zu unserer Referenz Nr. 201):

Wie wir aus obiger Tabelle sonst noch ersehen können, liegt der Norm-Atmosphäre eine lineare Temperaturverteilung zugrunde. Es wird angenommen, dass, beginnend bei +15 ^oC auf 0 m ü.NN, die Temperatur pro 100m Höhendifferenz um 0,65 ^oC abnimmt.

In der Praxis variiert jedoch das Temperaturgefälle stark. Denken Sie nur an eine Föhnwetterlage. Da man aber bis auf die Temperatur sonst alle Nebeneinflüsse bei der Höhenmessung vernachlässigen kann, bedarf der angezeigte Höhenwert des Instruments für exakte Messungen unbedingt noch einer Temperaturkorrektur, entsprechend der Differenz der realen mittleren Temperatur zu der als "normal errechneten" mittleren CINA-Temperatur!

Die Vorgehensweise dabei ist etwas kompliziert zu erklären und würde hier zu weit führen, daher verweise ich hierzu auf die unten angeführten Quellen. Auf keinen Fall sollte aber diese Temperaturkorrektur mit der Temperaturkompensation des Barometerwerkes verwechselt werden!

Quellenverzeichnis:

Heister H.	Zur Genauigkeit von Taschenhöhenmessern	Onneken - Firmeninfo	o.D.
Karnetzki D.	Luftdruck und Wetter	Buchauszug	1980
Jordan/ Eggert/ Kneissl	Handbuch der Vermessungskunde, Band III	Stuttgart	1956
Kreipl M.W.	Meteo im Unterricht	Nürnberg	1995
Lufft GmbH	Druck - Pression, Manual 1997-98	Firmenkatalog	1997
Reiner J.	Die meteorologischen Instrumente	Pössneck	1949
Revue Thommen AG	Die barometrische Höhenmessung	CH-Waldenburg	1958
Seeberger F.	So wird der Höhenmesser als Barometer verwendet	DAV Mitteilungen Nr.2	1984

Das Paulin - System

(stoe-pr) Obwohl es den Anschein hat, als würden diese Instrumente heutzutage noch in Los Angeles-Kalifornien Abb. 1 und möglicherweise auch in Eskilsturna-Schweden gefertigt, gibt es hier in Deutschland so gut wie keine Informationen über den Hersteller und die Entwicklungsgeschichte dieser Barometer und Höhenmesser. Recherchen über das Internet blieben zum heutigen Zeitpunkt ebenfalls erfolglos. Auch zeichnen sich diese Instrumente durch ein sehr modernes Design aus. Das macht es dem Sammler äußerst schwer, sie zeitlich einzuordnen. Sie sehen sich alle ziemlich ähnlich und dabei recht neuzeitlich aus.

Nun konnte ich dieser Tage erstmals selbst ein solches Barometer erwerben, das sich bei näherer Betrachtung leider als defekt herausstellte (Abb. 1). Ein Grund, um das Gehäuse vorsichtig zu öffnen.

Der Anblick war überraschend (Abb. 2).

Abb. 2 Ich erkannte zwar die beiden Vacuumdosen, aber sonst hat das Werk kaum Gemeinsamkeiten mit einem üblichen Aneroidwerk. Dies war für mich der Auslöser, mich doch zuerst über die Eigenheiten des Paulin-Systems zu informieren. Hierzu fand sich ein kleiner Vermerk bei Middleton [Ref. 78, Seite 421f]. Darüber hinaus fiel mir vor einigen Jahren mal eine schmale Herstellerbroschüre, leider ohne Datumsvermerk und Anschrift, in die Hände [Ref. 208].

Ich werde nun versuchen, für Sie daraus die wichtigsten Passagen zu übersetzen. Dabei werde ich dies nur dem Sinn entsprechend und nicht genau dem Wortlaut nach tun.

Auszug aus: W.E.K. Middleton - History of the barometer

Das Nullpunkt-Prinzip bringt uns zu einer Serie von Patenten von Joshua Gabriel Paulin aus Stockholm, beginnend mit dem Jahre 1916 und erwirkt zum Schutz eines tragbaren Aneroids nach dem Nullpunkt-Prinzip, das möglicherweise über einen Zeitraum von 2-3 Dekaden hinweg zu den bestbekanntesten seiner Klasse gehörte. Es würde zu weit führen, die verschiedenen Stadien der Entwicklung zu beschreiben, aber das generelle Prinzip sieht wie folgt aus:

Die Auslenkung der frei beweglichen Oberfläche einer Aneroiddose ist durch Stopps auf ein ganz kleines Intervall begrenzt, und die Position innerhalb des Intervalls wird über einen langen Zeiger mit einer sehr hohen Vergrößerung angezeigt. Eine Schraubenfeder ist mit dem einen Ende am Oberteil der Dose befestigt, das andere ist verstellbar (durch eine Einstellschraube). Diese Feder nimmt nun die Kraft des Luftdrucks an ihrem beweglichen Ende auf, wenn der Zeiger samt Schraube zur Messung wieder in seine Null-Position zurückgedreht wird.

Die Entwicklung ging nach und nach in Richtung weitergehender Vereinfachung und völliger Vermeidung aller reibenden Teile. In der Konstruktion des Jahres 1916 gab es noch zwei Zapfen mit Lagern und auch zwei Federn, eine große, feste, welche die Hauptlast aufnahm und eine schwächere, deren Auslenkung zur Messung diente. 1926 wurden dann alle Zapfen durch die Verwendung einer elastischen Aufhängung eliminiert.

Es folgt nun eine Erklärung der Funktionsweise, die sich an dieser Stelle erübrigt, da sie später in der Herstellerbroschüre wiederholt wird.

Es ist mit diesen Instrumenten eine Messgenauigkeit von 0,02 mb zu erzielen.

Auszug aus der Broschüre:The Origin and Development of the Barometer and Altimeter,
published by the Educational Division American Paulin System, n.d.

Fehlerquellen der Aneroid-Barometer

Der vorangegangene Absatz beschrieb die über viele Jahre konventionelle Konstruktion der Aneroidbarometerwerke. Die setze ich als bekannt voraus. Aus Gründen der Reibung, der Hysterese und des Lagerspiels ist die Benutzung eines solchen Aneroids zu Messungen, bei denen es um hohe Genauigkeit geht, zumeist unmöglich.

Die Schwierigkeit, all diese Fehlereinflüsse in Griff zu bekommen, wird ersichtlich, wenn wir ein solches Werk betrachten. Jede Verbindung (inklusive der Kette) und die Lager sind eine Quelle der Reibung. Das elastische Nachhinken der Dosenbewegung (Hysterese) und das Lagerspiel rühren von starren Metallblechen her, die sich unter Spannung befinden und dabei bewegen. Die Hauptfehlerquelle liegt dabei in der luftleeren Dose, die sich ausdehnt und kontrahiert, aber aus Metall konstruiert ist, was eigentlich nie perfekt elastisch sein kann. Wenn wir dann noch andere Fehlereinflüsse, wie die Temperatur und die Fertigungstoleranzen, mit einbeziehen, wird es ganz offensichtlich, dass es einer grundsätzlichen Weiterentwicklung bedarf, wenn wirklich exakte Ergebnisse erzielt werden sollen.

American Paulin System entwickelt ein neues Prinzip

Wir sehen, über einen langen Zeitraum hinweg gab es nur unwesentliche Verbesserungen des Aneroid-Prinzips mit nur geringen Fortschritten, die schließlich zu der heute bekannten Konstruktion geführt haben. Fehlerhafte Einflüsse auf die Genauigkeit des Instrumentes, wie es der Reibungswiderstand ist, schienen unvermeidbar. Darüber hinaus hatte man es noch mit den bereits erwähnten Temperatur- und Hysteresefehlern zu tun. Die Frage war nun, wie all diese Probleme zu überwinden wären.

Das American Paulin System aus Los Angeles in Kalifornien hatte eine geniale Idee zur Lösung der Probleme in einer Weise, dass:

1. Alle Lager zwischen der luftleeren Dose und dem Zeiger entfallen konnten.

2. Durch die Nullpunkt-Methode die Vacuumdose zum Ablesen immer exakt in Ausgangsstellung gebracht wird.

3. Begrenzungen vorgesehen sind, welche die Ausdehnung bzw. Kontraktion der Aneroiddose für extreme Auslenkungen zuverlässig verhindern.

Details der Konstruktion des American Paulin Systems (Abb. 3)

Abb. 3

Das Werk des American Paulin Instruments bedient sich zweier luftleerer Aneroiddosen (H), die auf dem Präzisionsrahmen (M) montiert sind und mit Hilfe der großen Spannfeder (G) in Arbeitsposition gehalten werden. Die Ausdehnung bzw. Kontraktion der Dosen (H) ist dabei auf ungefähr 0,5mm durch das Dosenbegrenzungssystem (I) limitiert. Dies verhindert zum einen die Entwicklung einer Hysterese der Dosen und zum anderen die Möglichkeit einer übermäßigen Belastung der Bänder (J), die den Balance-Zeiger (C) bewegen. Auf diese Art werden Extremwerte durch Stoß, Vibrationen oder Luftdruckwerte über- oder unterhalb des Arbeitsbereiches des Instrumentes durch das Dosenbegrenzungssystem (I) sicher aufgefangen. Das Instrument bedarf daher auch keinerlei Arretierung.

Ein Veränderung des Luftdrucks auf die Dosen (H) hat eine unmittelbare Auswirkung auf die extrem empfindlichen Bänder (J) mit der Folge, dass sich der Balance-Zeiger aus seinem Nullpunkt herausbewegt. Ein Drehen an dem Kontrollknopf (A) bewegt die Mikrometerschraube (E). Dies wirkt direkt auf die Federspannung der Schraubenfeder (F) über der Dose. Wird der Kontrollknopf ausreichend gedreht, so wird die veränderte Federspannung die Luftdruckveränderung exakt kompensieren. Dies führt den Balance-Zeiger (C) über die Bänder (J) wieder in seine Null-Stellung zurück.

Zu diesem Zeitpunkt kann der Luftdruck oder die Ortshöhe direkt an dem Zeiger des Kontrollknopfes auf dem Zifferblatt abgelesen werden. Der Dämpfer (K) reduziert dabei Vibrationen auf das federnd aufgehängte Bänder-Zeiger-System (C) auf ein Minimum, was eine leichtere Nullpunkt-Einstellung zur Folge hat.

Die Federn der Aufhängung des Balance-Zeigers (L) in Verbindung mit den Bändern (J) erübrigen den Gebrauch von Hebeln, Zapfen, Lagern, Bohrungen, Rädern und Zahnkränzen, die alle Reibung erzeugen würden, in dem Bereich des Instruments, der automatisch auf Druckänderungen reagieren muss. Da minütliche Schwankungen für eine genaue Messung der Luftsäule wichtig sind, bedeutet der Wegfall all dieser Reibung produzierenden Bauteile einen bedeutenden Fortschritt in der Entwicklung des Aneroids.

Der Rückstellknopf (B) wird dazu benötigt, um die Instrumentenanzeige auf den örtlichen Luftdruck bzw. die Ausgangshöhe einzustellen.

Die manuelle Einstellung des Instrumentes ist dabei frei von Nachhinken oder verlorenem Spiel jeglicher Art. Für den praktischen Feldgebrauch ist das Instrument extrem unempfindlich konstruiert. Diese Art der Konstruktion reduziert Fehlereinflüsse wie die Hysterese und die Drift auf einen vernachlässigbaren Wert, ebenso Teiledefekte und Bruch.

Das Nullpunkt-Prinzip wurde von den Ingenieuren des American Paulin Systems zu einem solch hohen Grad der Perfektion entwickelt, dass führende Autoritäten rund um den Erdball diesen Instrumenten den "Weltstandard in der Messung des atmosphärischen Luftdrucks" zuerkennen.

Anmerkungen für den Sammler:

Die Basiskonstruktion dieser Instrumente ist wirklich äußerst robust ausgeführt. Wenn ein Paulin-Instrument defekt ist, so liegt es fast immer an dem federnd aufgehängten "Bänder-Zeiger-Aufhängungssystem". Die Bänder (J), sind überaus empfindlich. Ist eines gerissen, so sollte eigentlich das gesamte System durch das Originalteil vom Hersteller ersetzt werden. Anschließend müsste dann das Gerät für den professionellen Einsatz wieder in einer Druckkammer neu kalibriert werden.

Dies ist also keine Arbeit für den Laien. Nun - ich habe auch erst einmal meinen allerfeinsten Lötkolben benutzt.

Es wäre für uns aber wichtig, die Service-Adresse des Herstellers herauszufinden! Wer kann dabei helfen?
Gerhard Stoehr 2002.10

Artikel aus der Monatszeitschrift für die gesamten Naturwissenschaften
herausgegeben von Dr. G. Krebs im Verlag Ferdinand Enke Stgt. 1882
Der Artikel wurde uns freundlicherweise von Herrn A. Saupe zur Verfügung gestellt - wir bedanken uns!

Der Wetterkompass nach Klinkerfues

Von den Herren Biernatzki und Comp. in Hamburg wird seit kurzem unter der Bezeichnung "Wetterkompass" ein neuer Wetterzeiger zum Preis von 50 Mark in den Handel gebracht. Wetterkompass nach Klinkerfues Dieser patentierte Apparat ist eine Erfindung vom Prof. Klinkerfues, dem bekannten Direktor der Göttinger Sternwarte, welchem wir schon ein ähnliches Instrument, ein verbessertes Hygrometer, verdanken. Die auf letzteres gesetzten Erwartungen haben sich nicht in vollem Umfang erfüllt, da die von Zeit zu Zeit erforderliche Vergleichung mit einem wirklichen Feuchtigkeitsmesser nicht jedermann möglich und die Wettervorherbestimmung den meisten zu umständlich war, auch bei häufigem Fehlgehen aus mangelhafter Berücksichtigung aller Umstände keine Befriedigung gewährte. Ferner läßt uns dieses Instrument, ebenso wie der neue Wetterzeiger über die Verhältnisse der oberen, sowie der in weiterem Umkreise lagernden Luftschichten im unklaren, während sich die telegraphische Wetterprognose wesentlich hierauf stützt. Dessen ungeachet verspricht das neue Instrument ein für den gewöhlichen Gebrauch geeignetes zu werden und vielfach das alte "Wetterglas", das Barometer, zu verdrängen. Tatsächlich ist es der Hauptsache nach ein solches und zwar ein Bourdonsches Aneroidbarometer, verbunden mit einem Haarhygrometer, welches unanhängig von denselben Zeigern lenkenden Veränderungen des Luftdrucks den Ausschlag je nach dem Wassergehalt der Luft entweder in gleichem Sinne verstärkt oder in entgegengesetztem Sinne abschwächt. Überdies wird der Windrichtung noch besondere Rücksicht geschenkt, indem deren erfahrungsmäßiger Einfluss auf die Himmelbedeckung und die atmosphärischen Niederschläge in Betracht gezogen wird und zwar nach der durch langjährige Beobachtung gemachten Erfahrung, dass der Übergang von West nach Ost die Wetteraussichten durchschnittlich ungefähr so viel verbessert als ein Steigen des Barometers von 9 mm oder eine Abnahme der relativen Feuchtigkeit um 50 Prozent, während der Übergang des Windes von Ost nach West dieselben entsprechend verschlechtert.

Neben dem Hygrometer von Klinkerfues, welches besonders in Bezug auf die in der Nacht wahrscheinliche niedrigste Temperatur nicht unterschätzt werden darf, gibt uns dessen neuer Wetterzeiger auf die einfachste Weise Auskunft über die in 12 bis 24 Stunden zu erwartende Witterung, d.h. darüber, ob klarer oder bedeckter Himmel, trockenes oder nasses Wetter eintreten wird. Das ist aber gerade das Wichtigste, was wir vorher zu wissen begehren. Sei es auch nur annähernd genau und zuverlässig. Unter 100 Wetterprognosen sollen übrigens beiläufig 90 zutreffen. Ferner hat diese Art der Prognose immer den Vorzug, eine ortsgültige zu sein; sie ist daher für den Landwirt von besonderer Bedeutung. Was den Wetterkompass außerdem empfiehlt, ist seine bequeme und einfache Handhabung, so wie seine gediegene und hübsche Ausführung.

Der Wetterkompass kompensiert die Wirkungen des Barometers und des Hygrometers derart, dass Fallen des Barometers und Abnahme der relativen Feuchtigkeit oder Steigen des Barometers und Zunahme der relativen Feuchtigkeit auf den Zeiger entgegengesetzt wirken und in einem gewissen Verhältnis denselben zur Ruhe bringen. Die Basis für die Berechnung der Wetterscheibe des Instrumentes bildet das durch gleichzeitige Beobachtung der Schwankungen des Barometeres und Hygrometers festgestellte Verhältnis zwischen Luftdruck und Luftfeuchtigkeit, nämlich 1 mm Luftdruck ist in seiner Wirkung gleich 6 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit. So werden Luftdruck und Luftfeuchtigkeit, Windrichtung und gegenwärtiges Wetter als Faktoren für die Vorherbestimmung des Wetters gleichzeitig herangezogen und zweckmäßig verwertet.

Aus vorstehenden beiden Ansichten ist die Einrichtung des WetterKompasses leicht ersichtlich. Der von innen bewegte Zeiger tritt gebogen über die äußeren Skalen hervor und erlaubt dadurch ein ungehinderte Drehung der beiden Scheiben für Wettercharakter und Windrichtung. Bei der Einstellung dreht der Beobachter die beiden Scheiben derart, dass der Zeiger auf das Feld der Wetterscheibe zu stehen kommt, welches dem jeweiligen Zustand des Wetters entspricht, während er an der Windscheibe den derzeigen Wind bezeichnet. Diese Einrichtung wurde getroffen, weil offenbar berücksichtigt werden muß, ob eine und dieselbe Änderung zu nassem oder zu trockenem Wetter hinzukommt. Nach 10 bis 12 Stunden wird der Zeiger bei unverändert gebliebenem Winde das kommende Wetter direkt anzeigen. Bei verändertem Winde dreht man einfach den früheren Wettercharakter auf die neue Windrichtung und es wird dann die danach veränderte Angabe des Zeigers das zu erwartende Wetter angeben.

Innenansicht mit Holosterik Werk Die durchbrochenen Scheiben der zweiten Abbildung erlauben einen Einblick in den inneren Mechanismus des Instrumentes. Es sind die Enden eines Bourdonschen Aneroidringes, welcher hier so angeordnet ist, dass das eine Ende fest an einer Fundamentplatte gelagert ist, daher nur das andere Ende den durch die Änderungen des Luftdrucks erzeugten Schwankungen folgen kann. Das schwankende Ende des Ringes trägt einen in einen Metallrahmen eingespannten hygroskopischen Haarstrang, welcher durch das ??? eines Metallhebels hindurch geht.

Dieser Hebel ist mit einem kleinen Übergewicht versehen, um den Haarstrang anzuspannen und greift durch ein Zahnsegment in ein Triebrad der Zeigerachse ein. So werden die Ringschwankungen durch den Haarstrang auf das Segment und dadurch auf den Zeiger übertragen. Unabhängig von diesen seitlichen Verschiebungen des Haarstranges beeinflußt derselbe noch durch seine, den Wechsel der Luftfeuchtigkeit entsprechende Längenänderung den Zeiger. Beide Kräfte sind aber unabhängig voneinander in ihrer Einwirkung auf die Zeigerbewegung, addieren sie sich daher oder gleichen sich aus.

Anmerkung: In dem Artikel wird von einem "Bourdonschen Barometersystem" gesprochen. Der uns zu Verfügung stehende "Wetterkompass" enthält jedoch ein normales "Holosterik Werk". Möglicherweise eine spätere Ausführung!

Gerhard Stöhr 2003.05

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