Самопишущие приборы. — При изучении различных явлений природы приходится иногда встречать такие случаи, которые не могут быть вполне охарактеризованы какими-либо отдельными моментами; такие явления приходится изучать непрерывно в течение некоторого более или менее продолжительного промежутка времени, приходится исследовать их ход, т. е. непрерывный порядок их изменений. Таковы некоторые процессы физиологические — напр. явления дыхания, кровообращения и т. п.; таковы явления метеорологические — погода и все те элементы, из которых она слагается. Сама жизнь, затем, в своей технической практике иногда требует, чтобы известные технические процесы были нами, поскольку это возможно, прослежены в течение всей их продолжительности, чтобы их ход или течение нам было ясны во всей их непрерывности и часто до мелких подробностей. Подобные требования превращали наблюдательность человека в чисто механический процесс непрерывного наблюдения и записывания наблюденного, процесс, требующий огромного напряжения внимания, а при очень частых наблюдениях — прямо и невыполнимый. Явилась мысль заменить наблюдателя таким механизмом, который, будучи пущен в ход, чисто механическим путем непрерывно записывал бы или зачерчивал наблюдаемое явление. Механизмы, осуществляющие на практике эту идею, получили название С., или регистрирующих приборов, и постепенно приобрели широкое распространение как в науке, так и в технике. Приборы, употребляемые в физиологии, были описаны в соответственных статьях. Приборы, употребляемые в технике, уже были или будут описаны в своих местах. В настоящей статье рассматриваются исключительно С. приборы, применяемые в метеорологии. Погода — объект метеорологии — есть явление, слагающееся из непрерывного ряда изменений в ходе отдельных метеорологических элементов. Все эти изменения распадаются при этом на две налегающие одна на другую группы: изменений периодических и непериодических. В какой мере и как именно влияют одни из этих изменений на другие, каков будет результат их взаимодействия для отдельных элементов — это можно изучить только при условии настолько частых наблюдений, чтобы ни одно из существенных изменений, как бы малопродолжительно оно ни было, не могло ускользнуть от внимания наблюдателя. Обычные метеорологические наблюдения, промежуток между которыми колеблется от 6 до 10 часов, позволяя достаточно подробно изучить периодические изменения, особенно совершающиеся в течение более длинных периодов, не дают нам никакого понятия о том, как изменялась погода в промежутке между ними. Немного более пригодными для этой последней цели оказываются и более частые, напр. ежечасные, наблюдения: прохождение гроз, ливней, кратковременных шквалов и бурь даже и при таких сравнительно частых наблюдениях нередко ускользает от наблюдателя, так как подобные явления продолжаются всего какие-нибудь десятки минут. А между тем на погоду эти кратковременные явления влияют очень существенно, заставляя иногда температуру, влажность, ветер, осадки меняться в огромных пределах. Для изучения подобных-то явлений С. приборы и оказывают незаменимые услуги. В настоящее время лучшие метеорологические обсерватории пользуются С. приборами и только немногими срочными наблюдениями, необходимыми для их контроля. Обойтись совершенно без наблюдений, делаемых в определенные сроки, метеорологическая практика не может, и причины этого совершенно понятны. Не говоря уже о том, что есть все-таки элементы, которые (как, напр., облачность) записи совершенно не поддаются, С. приборы, как и всякий механизм, с течением времени способны прийти в расстройство, а потому оставить их без надзора нельзя. Затем — как бы хорошо мы ни регулировали тот механизм, который предназначается для непрерывной записи, — в механизме этом в силу несовершенства материала, взятого для его устройства (недостаточная упругость металлов, упругое последействие, трение и т. п.), всегда возможны некоторые отставания, запаздывания записи относительно действительного хода записываемого элемента. Наконец, для того чтобы пользоваться записями С. прибора, необходимо определить значение его записи для любого момента в определенных единицах или же, если это уже делается самим прибором, то суметь найти разности между его отметками и действительными значениями записываемого элемента. Соединяя сравнительно редкие срочные наблюдения с употреблением С. приборов, мы получаем возможность составить себе о погоде ясное понятие в любой момент, проследить все малейшие ее изменения.
Соответственно тем методам, которые применены для получения записи, С. метеорологические приборы распадаются на три группы. К первой относятся те приборы, запись которых получается чисто механическим путем на бумаге, автоматически передвигаемой пропорционально времени или самим прибором, или часами. Эта метода, сама по себе наиболее простая и экономичная, на практике долго представляла для применения большие затруднения вследствие того, что сила, необходимая для производства записи (гиря, часовая пружина), сравнительно невелика, тогда как трение и другие пассивные сопротивления оказываются наибольшими. Только в самое последнее время известным парижским конструкторам бр. Ришар удалось в высшей степени просто и остроумно решить вопрос механической записи метеорологических элементов, уменьшив в своих приборах все вредные сопротивления до минимума. Во второй группе С. приборов применяется для записи электрический ток. Этот ток через определенные промежутки времени замыкается, в наиболее распространенных приборах этой группы, особыми часами; проходя через особый электромагнит, ток заставляет якорь последнего прижать легкий штифт с острием на конце к бесконечной бумажной ленте. Таким образом на бумаге получается легкий прокол, отмечающий величину соответствующего метеорологического элемента. Бумага перемещается пропорционально времени или часами, или, чаще, самим электромагнитом на некоторую определенную величину, достаточную для того, чтобы отличить один прокол от другого. К третьей группе С. приборов относятся такие, в которых применяется фотографирование. Высота столба ртути в барометре, термометрах и т. п., хорошо освещенных лампой, посредством стекол проектируется сквозь узкую щель на весьма чувствительную фотографическую бумагу, передвигаемую равномерно часовым механизмом. Граница между прозрачной частью трубки и непрозрачным столбом ртути, фотографирующаяся на бумаге, резко делит эту последнюю после соответственной обработки на две половины, из которых одна под действием света почернела, другая, защищенная ртутью, осталась неизмененной. Линия, разделяющая эти две части, следуя за всеми колебаниями соответственного элемента, и служит его записью. В некоторых приборах этой категории применяется система отражения света от подвижного зеркала, соединенного с прибором, изменения которого записываются. Нет возможности не только описать, даже перечислить разнообразные виды самопишущих приборов, вошедших в метеорологическую практику. Для примера здесь приводятся описание и рисунки наиболее простых и рапространенных в настоящее время приборов фирмы бр. Ришар в Париже. В барографе (черт. 1), назначенном для записи атмосферного давления, частью, воспринимающей все изменения этого элемента, служит столбик, составленный из целого ряда тонкостенных латунных коробочек с гофрированной поверхностью, навинченных одна на другую.
Из коробочек воздух вытянут, после чего они наглухо запаяны. Прикрепленный к подставке прибора одним концом, такой столбик при увеличении давления несколько сплющивается и высота его уменьшается, при уменьшении давления, наоборот, увеличивается. Чтобы записать эти изменения высоты столбика, верхний его конец системой рычагов и шарниров, хорошо видных на чертеже, соединяется с особым пером, прикасающимся к бумажной ленте, навернутой на цилиндр, внутри которого помещен часовой механизм. Этим последним цилиндр с навернутой на него бумагой равномерно вращается около своей оси с некоторой определенною скоростью; вертикальные черты или дуги делят бумажную ленту на часы, соответственно скорости вращения цилиндра. В то же время с изменениями атмосферного давления перо то повышается, то понижается. При этом система передаточных рычагов так рассчитана, чтобы изменения высоты коробочек, увеличенные раз в 40, выходили хорошо видными на бумаге. Сочетание движений цилиндра и пера дает на бумаге непрерывную кривую. Пишущему перу придана форма трехгранной пирамиды, прикасающейся к бумаге своей вершиной и открытой с одной, верхней стороны. Перо наполняется весьма медленно сохнущими глицериновыми чернилами; тонкий расщеп на его конце обеспечивает медленное, по мере надобности, вытекание чернил на бумагу. В термографе, назначенном для записи колебаний температуры (черт. 2), эти последние воспринимаются тонкостенной латунной трубкой с очень плоским эллиптическим сечением, наполненной спиртом и затем наглухо запаянной.
Согнутая дугой, такая трубка прикреплена одним концом к подставке; другой свободный конец соединяется с пишущим пером. Благодаря тому, что спирт расширяется сильнее латуни, такая трубка не может сохранять свою форму при колебаниях температуры: при повышении последней — трубка, стремясь увеличить свой объем, слегка распрямляется; при понижении температуры трубка должна уменьшить свой объем, следовательно, согнуться еще больше. Эти движения свободного ее конца, переданные тягами перу, дают на бумаге непрерывную запись всех изменений температуры. Записывающая часть ничем не отличается от таковой же у барографа. Наконец, в приборе, назначенном для записи изменений относительной влажности — гигрографа (черт. 3), пучок волос, предварительной обработкой в щелочи лишенный жира, меняет при изменении влажности свою длину, что и записывается так же, как и в двух ранее описанных приборах.
С. прибор, как бы хорошо он ни был устроен, не может дать абсолютных значений записываемого им метеорологического элемента, почему и должен быть рассматриваем только как прибор, дающий все вариации данного элемента. Необходимо еще уметь запись такого прибора перевести в абсолютные величины, какие получились бы непосредственным наблюдением по инструментам, тщательно выверенным и сравненным с известными, принятыми за норму, приборами или единицами. Для этой цели при срочных наблюдениях по выверенным инструментам на метеорологических станциях и обсерваториях наблюдатель одновременно с отсчетом какого-нибудь элемента делает обыкновенно отметки и на С. приборах, отмечающих тот же элемент. При разработке записей по этим отметкам наблюдатели контролируют прежде всего верность хода часов в данном приборе; затем, принимая время за абсциссы, измеряют линейкой величины ординат, соответствующих моментам отметок, или, если это прибор позволяет, определяют их в делениях (миллиметрах, градусах, процентах), нанесенных на его бумаге. Затем берут разграфленную квадратиками на миллиметры бумагу и на ней по одному направлению откладывают измеренные ординаты С. прибора, по другому — перпендикулярному — абсолютные величины того же элемента по непосредственным наблюдениям. Тогда по каждой измеренной ординате и соответствующему ей наблюдению на миллиметренной бумаге может быть нанесена одна точка. Ряд таких точек, нанесенный на миллиметренной бумаге, даст возможность провести через них одну непрерывную кривую, по которой нетрудно построить таблицу, дающую возможность любое показание С. прибора перевести в абсолютные значения записываемого элемента. Несколько проще может быть исполнено то же самое для приборов Ришара; в них бумага разграфлена уже на деления, соответствующие действительным величинам записываемого элемента. При этом прибор и устанавливается обыкновенно так, чтобы его запись, давая действительные высоты барометра, температуру, влажность и т. д., как можно менее отличалась от величин, получаемых непосредственным наблюдением. В таком случае достаточно определить для моментов наблюдения разности между записью и действительно наблюдаемой величиной. Так как при хорошем уходе за этими приборами разности эти оказываются вообще очень небольшими и от одного наблюдения к другому меняются весьма мало, то для промежуточных между наблюдениями часов достаточно найти простым интерполированием по двум ближайшим наблюдениям разность для искомого момента. Напр. при одном из наблюдений для термографа Ришара в 1 ч. дня была найдена разность — 00 2; в 9 ч. веч. в тот же день эта разность оказалась — 00 4. Если мы желаем найти по записи этого прибора температуру в 5 час. веч., то к записи его для этого момента нам придется применить разность — 00 3. Существуют более точные, но зато и гораздо более сложные способы обработки записей С. приборов, основанные на том, что вообще между их записью и величинами, получаемыми непосредственным наблюдением, можно установить зависимость, весьма удовлетворительно выражаемую формулой вида: y = а + bx + cx2, где y есть значение элемента, найденное наблюдением, а х — значение записи инструмента. Решая такое уравнение, можно при большом числе наблюдений подобрать для а, b и с по способу наименьших квадратов значения, наиболее удовлетворяющие всем наблюдениям. Но вычисление коэффициентов а, b и с по способу наименьших квадратов при сколько-нибудь значительном числе наблюдений так сложно, что к этому способу обработки прибегают крайне редко и на практике пользуются почти исключительно двумя вышеупомянутыми. Для более подробного ознакомления с С. метеорологическими инструментами можно указать на журнал «Zeitschrift für Instrumentenkunde», где описано очень много таковых; см. также Лачинов, «Основы метеорологии» (СПб., 1894), или иллюстрированные каталоги бр. Richard (напр. за 1895), фирмы Fuess и т. п. Способы обработки — в различных специальных изданиях; из отдельных статей — см. Шпиндлер, «Записки по гидрографии» (1890, вып. III, стр. 67—79); С. Егоров, «Самоотмечающие метеорологические приборы» (СПб., 1896).