Barometrie_ Technik

Die Luft- oder Gasbarometer lassen sich in zwei Hauptgruppen unterteilen. Das sind einmal die Thermobarometer und zum anderen die Sympiesometer. W.E.K. Middleton macht da zwar keinen Unterschied, aber Sie werden gleich sehen, man kann sie ganz leicht unterscheiden und eine Trennung ist sinnvoll. Dies zumal es die Thermobarometer bereits 100 Jahre vor den Sympies gab und bei beiden unterschiedliche Prinzipien zu Grunde liegen.

Thermometer sind ihrem Ursprung nach zur Messung der Wärmeverhältnisse gedacht, - eine Banalität.

Doch schon in der 1.Hälfte des 17.Jh. hatte man bemerkt, dass die damals noch "offenen Luftthermoskope" durch „Einflüsse von außen“ unkontrollierbar beeinflusst wurden. Sie wurden in ihrer Anzeige nicht nur durch eine thermometrische, sondern auch durch eine barometrische Komponente bestimmt. Ferdinand II. der Toskana bzw. die Accademia del Cimento (1657-67) waren es, die die Ursache richtig im Luftdruck erkannten und daraufhin die Kapillaren der Thermometer oben zuschmolzen. Bei den solchermaßen „geschlossenen Thermometern“ war fortan dessen Einfluss eliminiert. Der Weg zum Thermobarometer war nun nicht mehr weit.

Bereits im Januar 1668 erläuterte Robert Hooke (1635-1703) der Royal Society in London seine Möglichkeit, die barometrische Komponente in der Anzeige, durch den direkten Vergleich zweier "gleich gehender" Thermometer darzustellen. Vergleicht man ein "geschlossenes Thermometer" und ein "offenes Luftthermometer“ vom Typ A, bei konstanter Temperatur miteinander, so gerät Letzteres unter dem Einfluss des Luftdrucks „außer Takt“. Die Temperaturdifferenzen hängen dabei von der Höhe der Luftdruckschwankungen ab.

Es ist dies also eine Möglichkeit thermometrisch den Luftdruck zu bestimmen!

Bild 2, Shipsbarometer, 2. Werbeblatt von John Patrick, um 1710

In London nahm man Hooke’s Bericht zur Kenntnis und ließ ihn auch ein Modell davon bauen. Dabei blieb es aber für lange Zeit. Edmund Halley (1656-1742) war es dann, der etwa 30 Jahre später sich an die Geschichte erinnerte und John Patrick (1686-1722) um die Jahrhundertwende herum bat, einen Prototypen davon anzufertigen. Sie nannten es „Schiffsbarometer“, weil sie dessen Einsatzgebiet in erste Linie an Bord eines Schiffes sahen. Hier als Ersatz für die ungeliebten, empfindlichen Quecksilberbarometer. Halley nahm auf seine nächste Expedition dann auch gleich selbst eines mit. Siehe John Patricks 2. Flugblatt, um 1710 (Bild 2).

Ein solch frühes Instrument wird im „Museum of the History of Science“ in Oxford unter der Inventar Nr. 26619 aufbewahrt und ist in Ref. 80, p.151 (Bild 1) abgebildet. Der Korpus ist mit Walnussholz furniert und 86cm lang. Eines der beiden Thermometer ist mit Quecksilber, das offene mit Weingeist gefüllt und nach der „Royal Society Skala“ graduiert. Es ist leider nicht signiert und nicht datiert. Es ist mir auch nicht gelungen aus Oxford ein aktuelles Farbfoto zu bekommen.

Beim offenen Luftthermometer ist es bekanntlich nicht die Thermometerflüssigkeit die sich mehrheitlich ausdehnt, sondern die Luft die sich mit im Gefäß befindet, daher kommt ja auch der Name „Luftthermometer“. Gase sind aber nicht nur stark temperaturabhängig, sondern auch stark flüchtig, deshalb bedarf ihre Anwendung in den Thermobarometern eines Kniffs.

Man benötigt ein so genanntes „Siphon“ dazu, siehe meine Skizzen Typ A-F . Dieses soll verhindern, dass sich das Gas allein durch den Auftrieb verflüchtigen kann. Mein Typ A ist daher „reine Theorie“ und lässt sich natürlich so niemals realisieren!

Ein Siphon erhält man auf einfachste Art dadurch, dass man die Thermometerkapillare an ihrem unteren Ende u-förmig nach oben hin abknickt, sodass das Ausdehnungsgefäß aufrecht steht. Die Gasblase wird dann etwa die obere Hälfte des Gefäßes einnehmen (Typ B).

Eines unserer ältesten Thermobarometer das wir Ihnen zeigen können, ist dann auch ein solch einfaches Instrument und wurde von Joseph Betali etwa in der Mitte des 18.Jh. in Paris gefertigt. An diesem „Thermo-Baromètre“ ist das geschlossene Thermometer nach Reaumur skaliert und das rechte, offene Thermometer trägt unmittelbar die Wetterbemerkungen. Dieses Barometer bzw. Thermometer (!) verfügt noch über keine Temperaturkompensation, sodass es nur bei „Eichtemperatur“ zuverlässig anzeigen kann (Bild 3).

Die zweite Möglichkeit ist für den Glasbläser sicher die Anspruchsvollere. Er muss im Ausdehnungsgefäß selbst eine Möglichkeit schaffen, dass sich das Gas in einem Hohlraum und gleichzeitig unterhalb der Thermometerflüssigkeit sammeln kann. Dazu ist es notwendig die Thermometerkapillare bis nahezu an den Grund des Gefäßes zu führen (Typ C). Siehe hierzu auch die Arbeit von Herrn Schmiegel (Bild 4).

Ein Vertreter dieses Typs ist ein Thermo-Baromètre von Bodeur, um 1800, Ing. de Roi - Fournisseur des écoles et collèges scientifiques, Place Dauphine Nr. 294, das vor vielen Jahren einmal in einer Ebay-Auktion verkauft wurde. So wie es das Foto allerdings zeigt, konnte es schwerlich funktionieren. Es fehlt die Gasblase am rechten, offenen Thermometer. Die Ablesung ist denkbar einfach. Man überträgt die Temperaturdifferenz auf die Rechenscheibe aus Messing und kann dann den „Barometerstand“ unmittelbar ablesen. Eine Temperaturkompensation gab es auch in jener Zeit noch nicht (Bild 5).

Zeigen beide Thermometer identische Temperaturen an, so haben wir es mit einem „mittleren Luftdruck = Veränderlich“ zu tun. Je nach dem, wie weit das „offene Thermometer“ vom anderen abweicht, umso ausgeprägter ist die Hoch- bzw. Tiefdruckwetterlage. Eine Hilfsskala übernimmt die barometrische Ablesung. Dabei ist allen Thermobarometern eigen, dass ihre Anzeige „kontra“ verläuft. Bei schönen Wetter fällt also das Barometer und umgekehrt (Bild 6).

Der Typ D ist eine spezielle Variante des Typ B. Er geht auf eine Erfindung von Ronketti aus dem Jahre 1839 zurück und wurde, im nachfolgenden Jahrzehnt u.a. auch für Carpenter & Westley und Braham & Co. als Reise-Thermobarometer gebaut. Es ist schon eines mit Temperaturkompensation.

Das geschlossene Thermometer taucht luftdicht in die „Gasblase“ des 2. Thermometers ein, so dass beide Thermometer ( mit Hg-Füllung ) eine Einheit bilden. Dadurch soll eine noch genauere Temperaturmessung und damit bessere Kompensation erreicht werden. Mit einem zusätzlichen Glashahn lässt sich bei Nichtgebrauch oder zum Transport, die Thermometerflüssigkeit fixieren und eine Verflüchtigung des Gases zumindest etwas vermindern.

Wir waren jedoch sehr verwundert, als wir dieser Tage ein solches Exemplar in der Hand hielten und daran eine ganz normal übliche Luftdruckskala vorfanden. Diese war für uns völlig überraschend mit „sehr trocken“ oben, ausgeführt. Das Thermobarometer ging aber natürlich „kontra“ (Bild 7).

Die Erklärung hierfür fand sich, nach einigem Nachdenken, im besonderen Handling des Instrumentes.

Es verfügt über eine Temperaturkompensation, daher muss auch jeder Ablesung eine solche vorausgehen. Der Benutzer dieses Instrumentes muss zuerst „Veränderlich“ auf gleiche Höhe zur Kuppe der Quecksilberskapillare ausrichten, zweitens den Zeiger des „Nonius“ auf die aktuelle Temperatur einstellen, damit er dann schließlich drittens, bei der „Null“ den aktuellen Barometerstand ablesen kann! Dieser Umstand ist eine Besonderheit und hat eine ganz „normale Barometerskala“ zur Folge.

Jacob B. Currier und Andrew J. Simpson, aus Lowell in Middlesex/ Massachusetts, ließen sich im Jahre 1860, in den USA ebenfalls ein Thermobarometer patentieren [USA Pat.Nr.26.989]. Sie nannten es Union-Barometer. Es ist vom Typ E und ebenfalls mit einer Temperaturkompensation ausgestattet. Hier ist, im Gegensatz zu Typ B, das geschlossene Thermometer auf einem „Schlitten“ montiert und über eine Gewindestange in der Höhe justierbar, als Thermometerflüssigkeit kommt abermals Quecksilber zum Einsatz (Bild 8).

Zur Temperaturkompensation werden nun mittels der Einstellschraube (unten), die Enden beider Kapillaren auf gleiche Höhe eingestellt und der Barometerstand über einen teilweise verdeckten Zeiger auf die Skala rechts daneben übertragen. Diese ist, wie erwartet, „kontra“ ausgeführt. Eine recht elegante Lösung.

So tauchten im Laufe des 19.Jh. mit schöner Regelmäßigkeit immer mal wieder verwandte Konstruktionen auf. So auch in Frankreich im Juli des Jahres 1873. Zu diesem Zeitpunkt stellten M.M. Hans und Hermary, zwei Wissenschaftsoffiziere der Artillerie, der Akademie der Wissenschaften zu Paris, ein besonders bemerkenswertes Thermobarometer vor. Sie nannten es „Baromètre absolue“. Ich habe darüber einen Extra-Bericht in Vorbereitung!

Alle die bisher vorgestellten Thermobarometer verfügen über keine „Höhenkorrektur“, weil sie wie gesagt im Dienste der Marine, hauptsächlich auf Meereshöhe eingesetzt wurden. Natürlich konnte ein geschickter Thermometerbläser sie auf Wunsch auf jede andere Ortshöhe einrichten. Sie waren dann allerdings nicht „sowohl als auch“ einsetzbar.

Eine solch mobile Konstruktion vom Typ F, mit einer Korrektur für wechselnde Gebrauchshöhen, finden wir erst an einem deutschen Exemplar aus dem beginnenden 20. Jahrhundert. Es trägt die Bezeichnung „Barothermo“ und lässt sich mit einer Hilfe einer Höhenskala bei Bedarf auf veränderte Ortshöhen umstellen (Bild 12).

Wollte man ein Flüssigkeitsbarometer verkürzen, so gab es bis Ende des 18.Jh. nur die bekannte Methode „nach Amontons“.

Da es kein schwereres Medium als Quecksilber gibt, das bei Raumtemperatur flüssig ist, blieb hierzu letztlich nur eine Möglichkeit übrig. Es musste die „Gewichtskraft“ der Quecksilbersäule durch eine gleichgroße „Federkraft“ ersetzt werden. Damit war man vom Quecksilber unabhängig und zugleich frei in der Wahl der „Trennflüssigkeit“. Aber wie sollte das geschehen?

Erstmals ließ sich Alexander Adie aus Edinburgh (1775-1858) eine solche Möglichkeit im Jahre 1818 patentieren. Er nannte sein Instrument „Improved Sympiesometer“, was so viel bedeutet wie „verbessertes, komprimiertes Maß“. Ich möchte es gerne als „längenreduziertes Barometer“ bezeichnen.

Das Grundprinzip hierei basiert wie gesagt auf einem verkürzten Gefäßbarometer, das an der Stelle des Vakuums ein Gasvolumen benutzt. Die Sympiesometer sind daher eindeutig der barometrischen Luftdruckmessung zuzuordnen.

Physikalisch sieht das so aus, dass die Gewichtskraft des Quecksilbers von im Mittel 1,033 kp/cm², jetzt durch 2 Teilkräfte, nämlich dem Gasdruck p¹ und die Gewichtskraft der restl. Flüssigkeitssäule p², erbracht werden. Die Dimensionierung der beiden Gefäße ist dabei vom Messbereich abhängig.

Je kürzer die Flüssigkeitssäule, respektive je kürzer die Baulänge des Sympiesometers werden soll, umso größer muss die Federkraft der Gasblase p¹ werden. Nun ist es aber leider so, dass Gase die Eigenschaft haben sich in Flüssigkeiten zu lösen, ja sogar hindurch zu diffundieren, ganz besonders dann, wenn sie unter Druck stehen. Daher dürfte die richtige Auswahl der Kombination Gas/ Trennflüssigkeit/ Luft, unter Beachtung der Baulänge, entscheidend für die längerfristige Funktion des Instrumentes gewesen sein.

Alexander Adie hatte sich ursprünglich für Wasserstoff und gefärbtes Mandelöl entschieden. In den späteren Jahren findet man aber wieder verstärkt die Kombination Luft/ Quecksilber/ Luft in den Instrumenten.

Charles Cummins schlägt 1840 Wasserstoff/ Schwefelsäure/ Luft vor und A.O. Harris um 1850 Kohlenstoffdioxyd/ Quecksilber/ Luft.

Fragt man sich warum Adie auf diese ungewöhnliche Kombination verfiel, so stellt man fest, dass er offensichtlich ein besonders leichtes Gas mit einer Dichte von 0,089 g/cm³, mit einer öligen Flüssigkeit kombinieren wollte. Er versprach sich davon besonders lang anhaltende, konstante Druckverhältnisse. Dies gilt auch für Luft mit 1,293g/cm³ und Quecksilber mit 13,55g/cm³.

Bei längerem Gebrauch lässt sich jedoch aus den vorgenannten Gründen eine Nullpunktschwankung trotzdem nicht vermeiden. Sympiesometer müssen deshalb in festen Abständen mit Hilfe eines Referenz-Quecksilberbarometers nachkalibriert werden.

Alexander Adie fertigte nicht nur für sich selbst, sondern auch für die verschiedensten Händleradressen und nummerierte seine Instrumente fortlaufend durch. Nach Ablauf des Patentes wurden sie auch von anderen Herstellern nachgebaut. Dabei blieben sie überwiegend eine rein britische Angelegenheit.

Dort wurden sie in den ersten beiden Dritteln des 19.Jh. im Bereich der Seefahrt eingesetzt, manches mal auch gleich zusammen mit einem kardanisch aufgehängten Hg-Marinebarometer als Referenz. Deshalb gab es sie auch in den unterschiedlichsten Größen. Eine Höhenkorrektur war daran nicht vorgesehen.

Es sind Gase mit im Spiel, daher muss jeder Ablesung zuerst eine Temperaturkompensation vorausgehen. Dazu ist das Thermometer (Th) links abzulesen, der „Zeiger“ der mittleren, beweglichen Luftdruck-Baroskala (B) auf den korrespondierenden Temperaturwert der rechten Skala (T) einzustellen und schließlich kann dann wieder auf der Barometerskala (B) der aktuelle Barometerstand abgelesen werden.

Da die Skalen der Sympies jeweils zu Ende der Fertigung individuell und empirisch kalibriert wurden, gerät der Ersatz einer zerbrochenen Kapillarröhre, unter der Maßgabe einer totalen Übereinstimmung zur vorhanden Luftdruckskala, für den Reparateur zu einer kaum lösbaren Aufgabe.

Betrachtet man heute die Entwicklungsgeschichte der Barometrie rückblickend, so ist das Sympiesometer ein wichtiger und logischer Schritt von der Flüssigkeitsbarometrie hin zu den Aneroidbarometern, die mit Lucien Vidie, in den Jahren nach 1844 erstmals in Erscheinung traten.

Weitere Informationen zu den Sympiesometern erhalten Sie hier:

Me1172	Fontijn M.	The sympiesometer designed by Alexander Adie	2003
Me1395	Edwin Ch.	Sympiesometer by Hennessy of Swansea	2005

2.2 Das Davis - Barometer

Dieses außergewöhnliche Instrument basiert auf einem Patent von Arthur Sladen Davis aus Roundhay (Leeds, Grafsch. York), patentiert am 12.03.1901, u.a. in Deutschland unter der Patentnummer 132349. Es wurde in damaliger Zeit von der Firma F. Darton & Co. in London unter der Bezeichnung "Piesmic-Barometer" gefertigt. Vom Prinzip her ein geschlossenes Manometer, benützt es in seinem Gasgefäß immer den aktuellen atmosphärischen. Luftdruck .

Abb. 8 Abb. 14 Die Besonderheit liegt in der Konstruktion des u-förmigen Kapillarrohres (siehe Zeichnung - Abb. 8!). Dieses ist so konstruiert, dass bei waagrechter Ausrichtung (Nullstellung!), das Quecksilber aus der Kapillare (1) in das Hg-Gefäß (3) zurück laufen kann. Gleichzeitig kann atmosphäriche Außenluft über eine Schleuse (11) in das Rohr und Gasgefäß (2) vordringen. Die Temperatur sollte ursprünglich durch einen Wassermantel (8) stabilisiert werden.

Zur Messung selbst, wird die Röhre in oder an einer enstprechenden Vorrichtung, aus der Nullstellung heraus senkrecht gestellt. Das Quecksilbergefäß entleert sich dabei in das Kapillarrohr zurück und komprimiert das Gasvolumen dabei soweit, als es der Luftdruck zulässt (Abb.14).

Der aktuelle Luftdruck lässt sich dann an einer Skala abgelesen, die mit Hilfe eines Referenz-Barometers individuell kalibriert wurde. Ein nachträglicher Ersatz gestaltet sich daher äußerst schwierig. Eine Temperaturkompensation kann völlig entfallen.

Das Piesmic-Barometer oder Riesmir-Barometer (Abb. 9-13), wie es auch gelegentlich gelesen wurde, eignet sich nicht für kontinuierliche Beobachtungen! Ganz so unbekannt wie immer vermutet ist es jedoch auch wieder nicht, denn soeben stellte ich fest, dass W.E.K. Middleton es in seinem Buch [Ref.72, p.386ff] bereits beschrieben hat. Allerdings unter der korrekten Bezeichnung "Davis-Barometer".

Das Prinzip des Davis-Barometers ist eigentlich sehr einleuchtend,

so dass uns beim studieren der Konstruktionszeichnungen spontan die Idee kam, ein solches Instrument nachzubauen. Seine geringen Abmessungen von ca. 24cm Länge, die wir am Piesmic-Barometer abgenommen haben, machen es für ein Flüssigkeitsbarometer äußerst handlich und mobil.

Wir erhofften uns damit das ultimative Barometer.

Leider aber weit gefehlt. Herr Schmiegel fertigte mehrere solcher Instrumente mit unterschiedlichen Kapillarinnendurchmessern (Abb. 15, unten). Aber mit der extrem kurzen Bauform funktionierte es leider nicht so, wie wir uns das vorgestellt hatten. Ist der Kapillardurchmesser zu eng (=1,8 mm), so gleitet das Hg nur schwerlich hinab, ist er zu weit (>2,5 mm), so diffundiert Luft an der Säule vorbei. Jedenfalls ergeben rasch aufeinander folgende Einzelmessungen, stark voneinander abweichende Ergebnisse. Dabei ist die Anzeige äußerst unruhig, die Hg-Säule "hüpft".

Es ist zu vermuten, dass es die Reibung des Quecksilbers an der Kapillarwandung ist, die von Messung zu Messung etwas anders ausfällt und so zu den nicht akzeptablen Differenzen führt. Schade, - ein interessantes Prinzip, aber scheinbar wenig praktikabel.

Improved Davis-Kippbarometer by Gerhard Schmiegel

Herr Schmiegel ließ das Problem jedoch keine Ruhe. Er fertigte das Instrument versuchsweise doppelt so lang (48cm), was für ein Quecksilberbarometer immer noch eine deutliche Verkürzung bedeutet und siehe da, - es arbeitete fortan einwandfrei (Abb. 15, oben). Offensichtlich führte die ursprünglich, extrem kurze Bauform, zu einem besonders ungünstigen Kräfteverhältnis von p¹ und p². Dabei scheint die vergleichsweise hohe Federkraft des Gasvolumens p² für die unruhig, hüpfende Anzeige verantwortlich.

Die Verdoppelung der Baulänge stabilisiert die Verhältnisse grundlegend. Die Anzeige steht nun ruhig. Alle Einzelmessungen führen zu nahezu identischen Ergebnissen.

Auch die Bedienung ist recht einfach. Das Barometer wird üblicherweise flach gelagert (gehängt). So läuft das Quecksilber aus der Kapillare zurück ins Reservoir und lässt Außenluft über eine Schleuse ins System eindringen. Dieser Druckausgleich kann 2-3 min. dauern Zur Messung wird das Barometer dann senkrecht gestellt, das Hg läuft zurück und komprimiert das immer konstante Luftvolumen bis p¹ = p². Die Messgenauigkeit liegt dabei bei +/- 1 mmQs.

Quellenverzeichnis: Ref. 69/ 72/ 80/ 97/ Patentschrift

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