barometer

Art Nouveau väggbarometer (rund skala nedan)
Aloys Denoths aneroidbarometer , ritad av Wilhelm Weimar 1894

En barometer (från forntida grekiska βαρύς barýs "tung, pressad" och μέτρον métron " mått , mått") är en mätanordning för att bestämma det statiska absoluta lufttrycket och därmed en speciell form av manometern .

Om den används för meteorologiska ändamål, visar den ett virtuellt värde som skulle motsvara det aerostatiska lufttrycket vid havsnivå. Som specialfall kan den användas indirekt för höjdmätning .

En ytterligare utveckling av barometern är barografen , som registrerar utvecklingen av lufttrycket över tid skriftligt eller elektroniskt. En annan vidareutveckling av barometern är mikrobarometern , som kan mäta även små skillnader i tryck.

etymologi

Termen "barometer" introducerades 1665/1666 av den irländska naturforskaren Robert Boyle . Det härstammar från det grekiska βάρος báros "tyngd, vikt" och μετρεῖν metreín "mått".

Barometerns historia

Georgius Agricola nämner lufttrycket som orsaken till att vatten stiger i sugpumpar.

Grunderna

Justus Sustermans : Galileo Galilei . Porträtt, 1636

Vid Galileos tid , omkring 1635, fick ingenjörerna och brunnbyggarna i Florens i uppdrag att bygga omfattande bevattningssystem i slottsträdgården. De installerade sugpumpar , men blev förvånade över att de inte kunde dra vatten upp till en höjd av cirka 10 meter. Galileo togs in och beskrev problemet i sin Discorsi e dimostrazioni matematiche 1638 , men han dog 1642 utan att ha haft möjlighet att ta fram en lösning på detta problem. Galileo korresponderade om detta med Giovanni Battista Baliani redan 1630 , som byggde en vattenbarometer.

I hans anteckningar, som går tillbaka till 1614, kan vi läsa att även om han tänkte på luftens vikt och bestämde sig för att vara den 660: e delen av vattnets vikt, drog han inga ytterligare slutsatser av detta. Tanken att vätskan inte drogs in i sugpumpen utan snarare drivs in i den av luftens tryck, motsatte sig den uppfattning då vattnet steg eftersom naturen "äcklade tomrummet" (Latin Horror Vacui ).

Uppfinningen av kvicksilverbarometern av Torricelli

Torricelli, uppfinnare av kvicksilverbarometern. Gravyr i böckerna av Camille Flammarion (1923).

Evangelista Torricelli följde Galileo som fysiker vid storhertigen i Toscana efter hans död. Han återupptog sina föregångares studier och genomförde experiment för att bevisa att det var lufttrycket som hindrade röret från att tömmas helt och att en viss kvicksilverkolonn alltid kvarstod. Den var ungefär 76 cm hög, oavsett hur långt han doppade röret i poolen.

Han drog av detta slutsatsen att lufttrycket på ytan på bassängen kompenserar för vikten av kvicksilverkolonnen relaterad till kolonnområdet, och att vattnet i pumparna på samma sätt endast kan pumpas upp till cirka 10 meter om det skapas ett vakuum med pumpen. Han fann också att kvicksilverkolonnen förändrades över tid och att en minskning av höjden föregick en period av dåligt väder. Med detta uppfann Torricelli barometern 1643.

Eftersom den öppna reservoaren var extremt olämplig för transport av mätinstrumentet övervägdes olika andra lösningar. Till exempel tillverkades porösa läderbehållare som fästes på röret och som innehöll en liten mängd kvicksilver.

Barometer med en enkel sifon

Sir Robert Boyle böjde barometerröret uppåt, vilket resulterade i ett " sifonrör " som det fortfarande används idag.

Den franska fysikern René Descartes (1596–1650) förbättrade Torricelli-systemet genom att lägga till en pappersskala. Han är också den första som sprider tanken att lufttrycket minskar med höjden.

Blaise Pascal och lufttrycket

Lufttrycket gör att en kvicksilverkolonn bildas cirka 76 centimeter hög, men det räcker inte för att fylla vakuumet ovan. Omkring 1640 var frågan om luft har någon vikt ett av de mest diskuterade ämnena bland forskare.

Blaise Pascal kunde svara på denna kontroversiella fråga 1647 med sitt berömda experiment vide dans le vide . Pascal upprepade också Torricellis experiment eftersom han, precis som Descartes, var övertygad om att om luften hade en vikt, skulle kvicksilver behöva stiga mindre om experimentet utfördes i högre höjd. Detta bekräftades också, om än med mycket liten noggrannhet, på toppen av det 52 meter höga tornet Saint-Jacques i Paris . Med hjälp av sin svåger Florin Perrier , som bodde vid foten av Puy de Dôme , upprepade han experimentet den 19 september 1648. Han utförde experimentet i olika höjder och fann att kvicksilvers höjd var kolumn minskar faktiskt med ökande havsnivå, med 1 mm per 10,5 m. Följande månad publicerade Pascal sina resultat i avhandlingen Récit de la grande expérience de l'équilibre des liqueurs .

Senare namngavs SI-enheten för trycket efter honom som Pascal , vilket motsvarar en Newton per kvadratmeter .

Halvkulor i Magdeburg

Otto von Guericke kunde bevisa lufttrycket med Magdeburg-halvklotet 1663 och fick därmed berömmelse framför allt i Tyskland. Dessa är två halva ihåliga sfärer som ligger nära varandra, som inte längre kunde separeras från varandra, inte ens av hästlag som drar i motsatta riktningar så snart den sfäriska ihåliga kroppen evakuerades och evakuerades . Detta är principen att vakuumhytter fortfarande fungerar idag .

Senare utveckling

Det var inte förrän i mitten av 1700-talet som instrumenttillverkare, optiker och klocktillverkare började tillverka barometrar, ursprungligen för vetenskapliga ändamål och sedan också för hushållsbruk. Från 1770 tillkom meteorologiska namn till vågen (bra väder , bytbart etc.).

År 1675 gjorde abbot Picard, som bar kvicksilverbarometer på natten, en nyfiken upptäckt. Vid varje rörelse dök ett blåaktigt ljus upp från röret. Detta fenomen har studerats av Francis Hauksbee , en student av Boyle, men ingen tillfredsställande förklaring har hittats vid den tiden. Men från och med nu började de första undersökningarna av elektriska urladdningar i starkt utspädda gaser. Idag vet vi att det är friktionen av kvicksilveratomer på glasväggen som orsakar detta ljusfenomen.

Typer

Flytande barometer

Kvicksilverbarometer
1800-talets barometer

Vätskebarometrar består av ett vertikalt rör fyllt med en vätska , som är hermetiskt tillsluten på toppen. Den nedre änden nedsänks i ett förvaringskärl som också innehåller respektive vätska. På grund av sin egen vikt flyter vätskan ut ur röret och skapar ett undertryck i den övre änden . Lufttrycket motverkar detta så att vätskekolonnen vilar i en viss höjd.

Kvicksilverbarometer

Den vanligaste användningen av kvicksilver är vätskan, som kallas kvicksilverbarometer . Under normala förhållanden når kvicksilver en höjd av 760 millimeter, så att avläsningen måste korrigeras matematiskt till standardförhållandena för exakta resultat , varvid det bör noteras att kvicksilver och glasrör expanderar när temperaturen ökar :

Med

  • : Skriv ut
  • : lästryck
  • : Rumstemperatur i ° C
  • Expansionskoefficient för kvicksilver: 0,000181 / K
  • För exakta mätningar måste den geografiska latituden och höjden beaktas.
  • Relativa höjdskillnader i behållarens bassäng och rör, på grund av deras olika tvärsnitt, beaktas av en lässkala med "reducerad gradering".

Kvicksilver används eftersom röret kan hållas kort på grund av dess höga specifika vikt . Som jämförelse måste röret vara cirka 10 meter långt i vatten . Å andra sidan avdunstar mycket lite kvicksilver trots vakuumet i rörets övre ände och den öppna nedre änden.

Den första kvicksilverbarometern uppfanns av Evangelista Torricelli 1643 . Han konstaterade att kvicksilverkolonnens höjd förändrades dagligen och drog slutsatsen att lufttrycket ändras i enlighet därmed. En enhet för mätning av lufttryck (1 Torr = 1 mm Hg , motsvarar cirka 133,32 Pa ) namngavs efter honom.

Sedan 2009 har tillverkning och försäljning av kvicksilverbarometrar och andra mätanordningar som innehåller kvicksilver i ömtåliga behållare förbjudits i Tyskland som en implementering av en EU-förordning.

Goethe barometer

Goethe barometer
Allmän

Principen för en flytande barometer används också i en lätt modifierad form i en så kallad Goethe-barometer , som också kallas Goethe-glas , Goethe-väderglas , åskglas eller väderglas . Detta är en mestadels dekorativ kärl fylld med en vätska, vars undersida har en näbbhals som är vänd uppåt och är öppen för jordens atmosfär , medan huvudkärlet i sig är avstängt från atmosfärstryck. När lufttrycket är lågt (eller när temperaturen stiger) stiger vätskenivån i näbbhalsen och sjunker därefter när lufttrycket är högt. Även om Goethe hade en sådan barometer i hans ägo, var han inte uppfinnaren av denna typ av barometer. Det är oklart när och av vem det faktiskt utvecklades. Men det borde vara lika gammalt som utseendet på glaskärl med pip. Därför finns det flera tidigare versioner av Goethe-glaset, inklusive det holländska åskan eller väderglaset, som säkrades redan 1619. Goethe-barometern, som är stängd på baksidan, föregås av karaffformade väderglasögon med långa djupgående pipar som varade fram till 1600-talet. De var fortfarande tvungna att förseglas i nacken med en vaxpropp.

Lufttrycksmätningar med Goethe-barometern

Mätningar av det absoluta lufttrycket är inte möjliga med Goethe-barometern, men förändringar i lufttrycket som sker inom några dagar kan mätas. Eftersom den inneslutna luften ändrar volymen även när temperaturen ändras måste förändringen i omgivningstemperaturen mätas under observationsperioden. Dessutom måste tvärsnittsarea A för näbben och volymen av den instängda luften bestämmas. Den förändring av lufttrycket som har inträffat kan sedan beräknas utifrån höjdändringen på vätskenivån med hjälp av följande approximationsformel ( vatten som vätska):

G1:

Här är bara numeriska värden för fysiska kvantiteter som används, som, när du använder enheterna i resultatet i följande tabell:

betydelse Enhet för formel typiska värden
Temperaturförändring sedan mätningens början Grad Celsius -5 till +5
Tvärsnitt av näbben cm² 0,6
Volym av fångad luft cm³ 100
Förändring av höjden på vattenpelaren i näbben sedan mätningens början centimeter -5 till +5
Förändring av lufttrycket sedan mätningens början hPa −20 till +20
Dimensions.jpg

Ekvation G1 är baserad på den termiska tillståndsekvationen för idealgaser , även känd som den allmänna gasekvationen, i form:

Om man, förutom gasens temperaturförändring, också tar hänsyn till volymförändringen hos den inneslutna luften till följd av förändringen i vätskekolonnens höjd i näbben, får man:

G2:

Följande storlekar förekommer också här:

är den omgivande temperaturen i början av mätningen. Den kan användas med 300 K utan större fel. Det måste fortfarande mätas för att du behöver det.

är platsfaktorn. Den kan användas med 10 N / kg.

är densiteten hos vatten.

är det yttre lufttrycket i början av mätningen. Det kan ställas in ungefär detsamma .

är gravitationstrycket för vattenpelaren i näbben i början av mätningen. Han kan försummas i förhållande till.

är storleken på vattenytan i kärlet. Kvoten kan försummas.

Om du placerar dessa värden i G2 och om du vill använda värdena i cm, cm² och cm³ och få resultatet i hPa, leder detta till ekvation G1.

Kan barometer

Kan barometerprincip.png
Kan barometer
Insidan av en burkbarometer

Med burbarometrar , även aneroidbarometrar (från grekiska α-νηρός “a-nerós” ”inte flytande”), deformeras en burkliknande ihålig kropp av tunn plåt av lufttrycket. Burken evakueras helt eller delvis med ett maximalt resttryck på cirka 5 mbar (= 5 hPa = 500 Pa). Med resttrycket kompenserades förändringen i burkmaterialets elastiska modul av temperaturen . Nyare material som burkar av kopparberyllium och andra metoder för temperaturkompensation kräver inte detta resttryck.

En sådan ihålig kropp kallas också Vidie burk efter sin franska uppfinnare Lucien Vidie (1805–1866) . Vidies första patent går tillbaka till 1844, och Vidie började göra barometrar 1848. Han kallade sin uppfinning baromètre anéroïde . År 1849 ansökte Eugene Bourdon om patent för sin rörbarometer. Han kallade det baromètre metallique . Vidie såg det som ett patentintrång och förhandlade i flera år genom flera fall tills han äntligen hade rätt. Efter att Vidies patent upphörde att gälla (1859) uppträdde flera franska tillverkare, som PHBN och Dubois & Casse. PHBN kallade sin barometer barometre holosterique . Vidie letade efter ett företag som skulle utveckla hans livsverk. Han såg klocktillverkaren Breguet som lämplig för detta. Han lämnade företagets produktionsanläggning, alla verktyg och maskiner, nya patenträttigheter och tillstånd att använda namnet “aneroide”. Omkring 1870, efter att cirka 10 000 barometrar hade producerats, slutade Breguet tillverka och produktionsanläggningen övertogs nu av Lion & Guichard.

Från 1872 fanns Gotthilf Lufft, den första tillverkaren av burkbarometrar i Tyskland, som vidareutvecklade Vidieburken och ansökte om patent 1909.

Bättre barometrar eller barografer använder en stapel med upp till åtta sådana "burkar" ovanpå varandra för att öka mätningens känslighet . Denna deformation överförs till en pekare via en mekanism, med ökande lufttryck en kompression och med minskande lufttryck en expansion . Vidie-burkar används också i luftfart för höjdmätare , variometer och lufthastighetsindikator . En tryckmikrofon fungerar också enligt denna princip.

Ett problem är temperaturkänsligheten för ett sådant system: komponenterna i burken uppvisar termisk volymutvidgning . Därför används speciella legeringar för deras konstruktion , där flera komponenter kompenserar varandra beroende på deras temperaturbeteende och därmed minskar den störande effekten av termisk expansion. Ändå finns det temperaturrelaterade mätfel .

Rörbarometer

Rörbarometern ( Bourdon- röret ) använder sig av det faktum att utsidan av ett böjt rör har ett större område än insidan och därmed kraften från utsidan är större när trycket stiger. Deformationen som en funktion av trycket överförs till en pekare.

Microsystems

Digital lufttryckssensor baserad på MEMS

Elektroniska barometrar baserade på mikrosystem (MEMS) har varit utbredda sedan början av 2000-talet. Med tillkomsten av smartphones och drönare produceras dessa lufttryckssensorer i stort antal. Inkluderat höljet har den en storlek på några mm³ och en relativ noggrannhet i området ± 0,06 hPa, vilket motsvarar en höjdskillnad på ± 50 cm. Lufttrycksdata - ofta tillsammans med temperaturdata - kan läsas ut och vidare bearbetas via gränssnitt som I²C eller SPI .

Applikationer

Kardanupphängning av ett skepps barometer

Barometrar används mest i meteorologi och är ett standardinstrument för nästan alla väderstationer . Eftersom lufttrycket minskar med höjden fungerar de också som höjdmätare i flygplan . Om det inte är lufttrycket i jordens atmosfär , utan ett konstgjort genererat övertryck eller undertryck som mäts, talar man om en manometer . En annan relaterad enhet är variometer , som visar en förändring i höjd via förändringen i lufttryck (se även hypsobarometer , höjd inspelare och lufttrycksmätning inom luftfarten ). Förändringen av lufttrycket registreras med en barograf .

Ofta används barometrar, mestadels av dålig kvalitet, på de mellersta breddgraderna som " väderindikatorer ", eftersom förändringar i lufttryck och "dåligt" eller "bra" väder här delvis påverkar varandra. Anledningen till detta är att den främre penetrationen av dynamiska lågtrycksområden resulterar i en typisk förändring av lufttrycket. Stigande lufttryck tolkas som ett tecken på gott väder och fallande lufttryck som ett tecken på dåligt väder. Eftersom dessa tendenser bara kan motiveras meteorologiskt i vissa fall och dåliga väderhändelser också kan åtföljas av ökande lufttryck, representerar dessa endast en mycket grov väderprognos .

Barometern var dock av stor betydelse i sjöfarten; för här spelar den kortsiktiga väderprognosen en större roll. England var ledande inom utvecklingen av marina barometrar. Fartygsbarometrar fungerade enligt Torricellian-principen, var ungefär en meter höga och användes i sjöfarten fram till 1960-talet. Jämfört med konventionella, stationära barometrar var de i huvudsak tvungna att uppfylla ytterligare två krav: å ena sidan var de tvungna att motstå stora vibrationer. När kanoner avfyrades (från ens eget fartyg) bröt kvicksilverkolonnerna regelbundet. Den brittiska amiralen Robert Fitzroy utvecklade därför den så kallade Gun Marine Barometer under andra hälften av 1800-talet. Det utmärktes av det faktum att kvicksilverkolonnen förvarades i mjukt gummi ("Indian Rubber"). Från och med då bröt de inte längre när kanonen avfyrades.

FitzRoy's Gun Marine Barometer

Det andra kravet på fartygets barometer var: det borde förbli vertikalt även när fartyget är krängt (lutat läge) så att barometern också kan användas. Detta påverkade inte bara kriget utan även handelsflottan inklusive fiske. Problemet löstes genom att köra fartygets barometrar. Cardanic säkerställde nu alltid samma, vertikala position. Från 1848 och framåt tillverkades mekaniska barometrar i stort antal och ersatte denna typ av fartygsbarometer. Dessa kunde läsas exakt även i tungt hav, och de visade också små fluktuationer i lufttrycket mer exakt.

I kombination med andra mätanordningar används barometrar i aerografier .

För undervisningsändamål har en tio meter hög vattenbarometer inrättats vid Meteorological Institute of the Ludwig Maximilians University i München. Inverkan av ångtrycket i utrymmet ovanför vattenpelaren kan också visas här.

En mycket intressant tillämpning av de konserverade aneroiderna består i automatisk kompensation av påverkan av det fluktuerande lufttrycket på precisionspendelur . Astronomen professor Bernhard Wanach föreslog för första gången att en burkbarometer skulle användas på pendelstänger på 1800-talet. Arrangemanget av den så kallade aneroidburk kompensationen består av flera seriekopplade burkar, som är laddade med en vikt. Vikten förflyttas längs pendelstången genom burkarna beroende på lufttrycket och därmed förändrar ögonblick av tröghets den pendeln . Än idag uppnås utmärkta resultat med exakt beräknade lufttryckkompensationsinstrument i precisionspendelur.

Bildligt talat

På grund av dess användning för väderprognoser kallas även andra prognosinstrument i allmänhet som "barometrar". Man talar om aktiemarknadsbarometrar (för att förutsäga aktiekurser), valbarometrar (för att förutsäga omröstning) etc.

litteratur

  • FA Hegenberg: Lektioner för att mäta höjder med barometern enligt de senaste upptäckter som gjorts inom fysik och tillhörighet här . Appuns, Bunzlau 1828 Digitaliserad
  • Johann Gottlieb Wiemann: Instruktioner för att mäta höjd med barometern . 2: a upplagan. Arnold, Dresden [a. a.] 1828 digitaliserad
  • Bert Bolle, "Alte Barometer", 1980, ISBN 3-7667-0534-2
  • Edwin Banfield, "The Italian Influence on English Barometers from 1780", 1993, Baros Books, ISBN 0-948382-07-4
  • Philip R. Collins, "Care and Restoration of Barometers," 1990, Baros Books, ISBN 0-948382-05-8
  • Philip R. Collins, "Fitzroy och hans barometrar," 2007, Baros Books, ISBN 978-0-948382-14-7
  • Bear-admiral Fitzroy, "Barometer och väderguide; Handelsnämnden, 1859, tryck på begäran tillgänglig på www.leopoldclassiclibrary.com
  • John H. Morrison, "Finns det ekvivalenta stormar? Utveckling av den marina barometern i amerikanska vatten," 1911, Leopold Classic Library
  • Edwin Banfield, "Antique Barometers", 1976, omtryckt 1996, Baros Books, ISBN 0-948382-04-X

Se även

webb-länkar

Commons : Barometer  - album med bilder, videor och ljudfiler
Wiktionary: Barometer  - förklaringar av betydelser, ordets ursprung, synonymer, översättningar

Individuella bevis

  1. ^ Georgius Agricola : De re metallica. Volym 6. Omkring 1550.
  2. Christian Ucke, Hans-Joachim Schlichting: Goethe-barometern. I: Fysik i vår tid. Volym 24, 1993, sid 91-92.
  3. Gotthilf Lufft, grundare av Mech. Werkstätte G. Lufft, idag G. Lufft Mess- und Regeltechnik .
  4. ^ Webbplats för vänner från gamla väderstationer ( Memento från 1 juni 2014 i internetarkivet ), källa för G. Lufft-företagets historiska bakgrund.
  5. Google Patents , källa för patentansökan för aneroidbarometern.
  6. Willfried Schwarz (red.): Engineering Geodesy. Springer-Verlag, 2018, ISBN 3-662-47188-4 s. 79 ( begränsad förhandsgranskning i Googles boksökning).
  7. BMP280-tryckgivarsajt för Bosch Sensortec, öppnat den 24 januari 2021
  8. ^ Negretti & Zambra: En avhandling om meteorologiska instrument . Red.: Negretti & Zambra, London. 2: a upplagan. Baros Books, Trowbridge, Trowbridge, Wiltshire 1995, ISBN 0-948382-09-0 , pp. 22 (första upplagan: 1884).
  9. ^ Philip R. Collins: Fitzroy och hans barometrar . Baros Books, Trowbridge, Wiltshire 2007, ISBN 978-0-948382-14-7 , pp. 40 .