(57)【要約】【課題】水気圧計の気圧変化の測定において、温度変化による誤差分を補正する手段と、空気溜りの温度変化を小さく抑える手段とを提供する。【解決手段】空気溜り１２と水溜り１３と透明パイプ１４を構成要素とする水気圧計モジュール１０と、液溜り２１と液体２２と透明パイプ２３とを構成要素とする液体温度計モジュール２０とを並列に設置し、温度変化による液柱２４の高さの変化量３５と、温度変化のみによる水柱の高さの変化分とが等しくなるように設計し調整し、測定開始時において水柱１５の高さと液柱２４の高さとを一致させ、その位置３３を基準として、水柱の高さ３４から液柱の高さ３５を差し引いた高さの差３６を測定することによって温度変化による誤差分を補正する手段と、外気からの熱伝達を遮断した容器４１を比熱容量が大きい水４２で満たし空気溜り１２の温度変化を小さく抑える手段を特徴とする水気圧計。【選択図】図１
2018179538.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部からの熱伝達を遮断した容器を比熱容量が大きい液体あるいは水で満たし、その水中に、容器と、容器の上部に閉じ込めた空気溜りと、容器の下部に貯えた水溜りと、片端が水溜りに没し他端が大気に通じる容器から突出した透明パイプと、透明パイプ中の水柱とを構成要素とする水気圧計モジュールの空気溜りを設置し、そして、液だめと、液体と、液だめから突出した透明パイプと、透明パイプ中の液柱とを構成要素とする液体温度計モジュールの液だめを前記の空気溜りと並列に設置し、ここで、温度変化のみによる前記の水柱の高さの変化分と温度変化による前記の液柱の高さの変化量とが等しくなるように、水気圧計モジュールと液体温度計モジュールとを設計し調整しておき、測定開始時において、水気圧計モジュールの水柱の高さと液体温度計モジュールの液柱の高さとを一致させ、その位置を基準として、その後の水柱の高さの変化と液柱の高さの変化との高さの差を気圧の差として計測することを特徴とする水気圧計。
【請求項２】
上記水気圧計モジュールと上記液体温度計モジュールとを並列に設置し、測定開始時において、水気圧計モジュールの水柱の高さと液体温度計モジュールの液柱の高さとを一致させ、その位置を基準として、その後の水柱の高さの変化と液柱の高さの変化との高さの差を気圧の差として計測することを特徴とする水気圧計。
【請求項３】
外部からの熱伝達を遮断した容器を比熱容量が大きい液体あるいは水で満たし、その水中に、上記水気圧モジュールの空気溜りを設置し、測定開始時の水気圧計モジュールの水柱の高さを定め、その位置を基準として、その後の水柱の高さの変化を気圧の差として観察することを特徴とする水気圧計。
【請求項４】
外部からの熱伝達を遮断した容器と、容器の上部に閉じ込めた空気溜りと、容器の下部に貯えた水溜りと、片端が水溜りに没し他端が大気に通じる容器から突出した透明パイプと、透明パイプ中の水柱とを構成要素とする水気圧計モジュールの水溜り中に、液だめと、液体と、液だめから突出した透明パイプと、透明パイプ中の液柱とを構成要素とする液体温度計モジュールの液だめを設置し、ここで、温度変化のみによる前記の水柱の高さの変化分と温度変化による前記の液柱の高さの変化量とが等しくなるように、水気圧計モジュールと液体温度計モジュールとを設計し調整しておき、測定開始時において、水気圧計モジュールの水柱の高さと液体温度計モジュールの液柱の高さとを一致させ、その位置を基準として、その後の水柱の高さの変化と液柱の高さの変化との高さの差を気圧の差として計測することを特徴とする水気圧計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、気圧の変化を測定する水気圧計に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水気圧計としては、文豪ゲーテが考案した“ゲーテのバロメーター”があった（非特許文献１〜５参照）。ゲーテのバロメーターは、簡単で有効な晴雨計として現在でも実用されており、優美な形状によってインテリアとしても愛好されてきた。晴雨計としては、他には天気傾向検出気圧計装置があった（特許文献１参照）。
【０００３】
気圧と天気との間には密接な関係があることが知られており、一般的に気圧が上がると天気は良くなり、気圧が下がると天気は悪くなるので、気圧の変化を観測することによって天気を予測することができる。また、気圧の変化は頭痛と関係しており、気圧の予報が健康管理に役立つと考えられている（非特許文献６参照）。気圧の変化は日常生活に密着する大切な指標であり、水気圧計は身近な空間に置いて実用できるので大変便利である。
【０００４】
以下、図５により、広く普及している構成のゲーテのバロメーターについて説明する（非特許文献２参照）。図５において、５０はゲーテのバロメーター、５１はガラス球体であり、５２は空気溜りであり、５３は水であり、５４はガラス管であり、５５は水柱である。ガラス球体に水を注入すると、気圧と空気溜りの空気の圧力とが釣り合ったところで水柱の高さが定まる。気圧が高くなると水柱は上から押されて降下し、気圧が低くなると上昇するので、水柱の高さの変化によって気圧の変化を知ることができる。
【０００５】
図１に、他の構成のゲーテのバロメーターについて説明する（非特許文献３〜５参照）。１０は水気圧計モジュールであり、１２は空気溜りであり、１３は水溜りであり、１４は透明パイプであり、１５は水柱である。水気圧計モジュールに水を注入すると、気圧と空気溜り内の空気の圧力とが釣り合ったところで水柱の高さが定まる。気圧が高くなると水柱は上から押されて降下し、気圧が低くなると上昇するので、水柱の高さの変化によって気圧の変化を知ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】実開平０６−０４３５３４号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Wikipedia、Barometer、２・１Water-based barometers
【非特許文献２】「晴雨予報グラスのカタログ」、科学技術館ミュージアムショップ
【非特許文献３】「天気とその変化、身近な気象の観測方法と教具の工夫、3気圧の変化を調べる」、北海道立教育研究所  付属理科教育センター、理科教育指導資料、第33集、p.４２, （２００１）
【非特許文献４】宮嶋衛次・永田敏夫、「気圧」の理解を深める生徒実験  −利雪水気圧変化計の製作と実験―、日本雪氷学会北海道支部機関紙、第１８号、ｐｐ５１−５４、１９９９
【非特許文献５】宮嶋衛次、「雪を利用した水気圧計の製作」、研究紀要、１１号、７７−７８、（１９９９）
【非特許文献６】頭痛−る：気圧予報で体調管理−気象病・天気痛対策アプリ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来のゲーテのバロメーターには以下に示す問題点がある。ゲーテのバロメーターは、外部の気温が変化すると、図５の空気溜り５２の空気の温度が変化し、それによって空気の体積が変化し、気圧の変化を示して欲しい水柱の高さ５７に誤差を及ぼしている。外部の気温に敏感であることは、空気溜り５２の上に手のひらを置くと、直ちに水柱５５が上昇することからも容易に理解できる。同じ現象は、図１の水気圧計モジュールにおいても発生する。空気溜り１２を手のひらで握ると、直ちに水柱１５が上昇する。本発明は、以上の問題点を解決するためのものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の問題解決手段は、上記目的を達成するために、まず、外部からの熱伝達を遮断した容器を比熱容量が大きい液体あるいは水で満たす。その水中に、容器と、容器の上部に閉じ込めた空気溜りと、容器の下部に貯えた水溜りと、片端が水溜りに没し他端が大気に通じる容器から突出した透明パイプと、透明パイプ中の水柱とを構成要素とする水気圧計モジュールの空気溜りを設置する。そして、液だめと、液体と、液だめから突出した透明パイプと、透明パイプ中の液柱とを構成要素とする液体温度計モジュールの液だめを前記の空気溜りと並列に設置する。ここで、温度変化のみによる前記の水柱の高さの変化分と温度変化による前記の液柱の高さの変化量とが等しくなるように、水気圧計モジュールと液体温度計モジュールとを設計し調整しておく。測定開始時において、水気圧計モジュールの水柱の高さと液体温度計モジュールの液柱の高さとを一致させ、その位置を基準として、その後の水柱の高さの変化と液柱の高さの変化との高さの差を気圧の差として計測することを特徴とする。
【００１０】
また、第２の問題解決手段は、大気雰囲気中に、前記の水気圧計モジュールと前記の液体温度計モジュールとを並列に設置し、測定開始時において、水気圧計モジュールの水柱の高さと液体温度計モジュールの液柱の高さとを一致させ、その位置を基準として、その後の水柱の高さの変化と液柱の高さの変化との高さの差を気圧の差として計測することを特徴とする。
【００１１】
また、第３の問題解決手段は、外部からの熱伝達を遮断した容器を比熱容量が大きい液体あるいは水で満たす。その水中に、前記の水気圧モジュールの空気溜りを設置する。測定開始時の水気圧計モジュールの水柱の高さを定め、その位置を基準として、その後の水柱の高さの変化を気圧の差として観察することを特徴とする。
【００１２】
また、第４の問題解決手段は、外部からの熱伝達を遮断した容器と、容器の上部に閉じ込めた空気溜りと、容器の下部に貯えた水溜りと、片端が水溜りに没し他端が大気に通じる容器から突出した透明パイプと、透明パイプ中の水柱とを構成要素とする水気圧計モジュールの水溜り中に、液だめと、液体と、液だめから突出した透明パイプと、透明パイプ中の液柱とを構成要素とする液体温度計モジュールの液だめを設置する。ここで、温度変化のみによる前記の水柱の高さの変化分と温度変化による前記の液柱の高さの変化量とが等しくなるように、水気圧計モジュールと液体温度計モジュールとを設計し調整しておく。測定開始時において、水気圧計モジュールの水柱の高さと液体温度計モジュールの液柱の高さとを一致させ、その位置を基準として、その後の水柱の高さの変化と液柱の高さの変化との高さの差を気圧の差として計測することを特徴とする。
【００１３】
上記第１と第２と第４とに共通する、水気圧計モジュールと液体温度計モジュールとを併設する問題解決手段の作用は、次の通りである。液体温度計モジュールは、液だめ内の液体の温度変化に比例して液柱の高さが変化するものである。測定開始時において、水気圧計モジュールの水柱の高さと液体温度計モジュールの液柱の高さとを一致させ、その位置を基準とすると、水柱の高さの変化量は、気圧変化による高さの変化分と温度変化による高さの変化分との和である。したがって、その後の水柱の高さの変化と液柱の高さの変化との高さの差は、水柱の高さの変化から水柱の高さの温度変化のみによる変化分を差し引いてあるので、気圧変化のみによる水柱の高さの変化分に他ならない。したがって、水柱の高さの変化と液柱の高さの変化との高さの差（単位：ｃｍ）を測定することによって、気圧の変化量（単位：ｈPa）を計測できる。なお、気圧変化のみのよる水柱の高さの変化量と気圧の変化量との関係は、後程詳しく説明する実験データの解析から比例係数が求まる。
【００１４】
上記第１と第３と第４とに共通する、外部からの熱伝達を遮断した容器を比熱容量が大きい液体あるいは水で満たして使用する問題解決手段の作用は、次の通りである。外部の気温の変化が容器内に伝達され難く、容器内は液体の中でも比熱容量が最も大きい水（４．２ J/(K・L)）で満たされてあり、水気圧計モジュール１０の空気溜り１２の空気の比熱容量は、水に較べると十分に小さい（０．３０８ J/(K・L)）。したがって、容器内の水の温度変化は小さく抑えられ、水気圧計モジュールの空気溜りの空気の温度は水の温度に等しくなり、水気圧計モジュールの空気溜りの温度変化は小さく抑えられ、したがって、水柱の高さの変化に占める温度変化分は少なくなり、水柱の高さの変化量は、ほぼ気圧変化のみによる水柱の高さの変化量を示す。
【００１５】
上記第２の問題解決手段による効果は、第１の問題解決手段に比較すると、外部からの熱伝達を遮断した容器が不要である。
【００１６】
上記第３の問題解決手段による効果は、第１の問題解決手段に比較すると、液体温度計モジュールが不要である。
【００１７】
上記第４の問題解決手段による効果は、第１の問題解決手段と比較すると、コンパクトな装置を提供できる。
【発明の効果】
【００１８】
上述したように、本発明は、水柱の高さの変化と液柱の高さの変化との高さの差を測定することによって気圧の変化量を計測でき、また、水気圧計モジュールの水柱の高さの変化量はほぼ気圧変化のみによる水柱の高さの変化量を示す水気圧計を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第１の実施形態と実施例１とを示す水気圧計の断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態と実施例２を示す水気圧計の断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態を示す水気圧計の断面図である。
【図４】本発明の第４の実施形態を示す水気圧計の断面図である。
【図５】ゲーテのバロメーターの断面図である。
【図６】実施例１のテスト期間中の、気温と気圧との観測結果である。
【図７】実施例１のテスト期間中の、ゲーテのバロメーターの水柱と気圧との測定結果である。
【図８】実施例１のテスト期間中の、気温と空気溜りの温度との測定結果である。
【図９】実施例１のテスト期間中の、水柱と気圧との測定結果である。
【図１０】実施例１のテスト結果のデータの解析結果である。
【図１１】実施例１の液体温度計モジュールの特性である。
【図１２】実施例１のテスト期間中の、水柱と液柱との測定結果である。
【図１３】実施例１のテスト期間中の、気圧と、水柱と液柱との高さの差との測定である。
【図１４】実施例２のテスト期間中の、気温と気圧との観測結果である。
【図１５】実施例２のテスト期間中の、水柱と気圧との測定結果である。
【図１６】実施例２のテスト結果のデータの解析結果である。
【図１７】実施例２の液体温度計モジュールの特性である。
【図１８】実施例２のテスト期間中の、水柱の変化と、気圧と、水柱と液柱との高さの差との測定結果である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の第１の実施形態について説明する。図１に示すように、まず、外部からの熱伝達を遮断した容器４１を比熱容量が大きい液体あるいは水４２で満たす。その水中に、容器１１と、容器の上部に閉じ込めた空気溜り１２と、容器の下部に貯えた水溜り１３と、片端が水溜りに没し他端が大気に通じる容器から突出した透明パイプ１４と、透明パイプ中の水柱１５とを構成要素とする水気圧計モジュール１０の空気溜り１２を設置する。そして、液だめ２１と、液体２２と、液だめ２１から突出した透明パイプ２３と、透明パイプ中の液柱２４とを構成要素とする液体温度計モジュール２０の液だめ２１を前記の空気溜り１２と並列に設置する。ここで、温度変化のみによる前記の水柱１５の高さの変化分と温度変化による前記の液柱２４の高さの変化量とが等しくなるように、水気圧計モジュール１０と液体温度計モジュール２０とを設計し調整しておく。
【００２１】
測定開始時において、水気圧計モジュール１０の水柱の高さ１５と液体温度計モジュール２０の液柱の高さ２４とを一致させ、その位置を基準３３とすると、水柱の高さの変化量３４は、気圧変化による高さの変化分と温度変化による高さの変化分との和である。したがって、その後の水柱の高さの変化３４と液柱の高さの変化３５との高さの差３６は、水柱の高さの変化３４から水柱の高さの温度変化のみによる変化分を差し引いてあるので、気圧変化のみによる水柱の高さの変化分に他ならない。したがって、水柱の高さの変化３４と液柱の高さの変化３５との高さの差３６（単位：ｃｍ）を測定することによって、気圧の変化量（単位：ｈPa）を計測できる。なお、気圧変化のみのよる水柱の高さの変化量と気圧の変化量との関係は、後程詳しく説明する実験データの解析から比例係数が求まる。
【００２２】
また、外部の気温の変化が熱伝達を遮断した容器４１内に伝達され難く、容器内は液体の中でも比熱容量が最も大きい水（４．２ J/(K・L)）で満たされてあり、水気圧計モジュール１０の空気溜り１２の空気の比熱容量は、水に較べると十分に小さい（０．３０８ J/(K・L)）。したがって、熱伝達を遮断した容器４１内の水４２の温度変化は小さく抑えられ、水気圧計モジュール１０の空気溜り１２の空気の温度は水４２の温度に等しくなり、水気圧計モジュール１０の空気溜り１２の温度変化は小さく抑えられ、したがって、水柱の高さの変化に占める温度変化分は少なくなり、水柱の高さの変化量３４は、ほぼ気圧変化のみによる水柱の高さの変化量を示す。
【００２３】
以下、本発明の第２の実施形態について説明する。図２に示すように、大気雰囲気中に、容器１１と、容器の上部に閉じ込めた空気溜り１２と、容器の下部に貯えた水溜り１３と、片端が水溜りに没し他端が大気に通じる容器から突出した透明パイプ１４と、透明パイプ中の水柱１５とを構成要素とする水気圧計モジュール１０の空気溜りを設置する。そして、液だめ２１と、液体２２と、液だめ２１から突出した透明パイプ２３と、透明パイプ中の液柱２４とを構成要素とする液体温度計モジュール２０の液だめを前記の空気溜り１２と並列に設置する。
【００２４】
測定開始時において、水気圧計モジュール１０の水柱の高さ１５と液体温度計モジュール２０の液柱の高さ２４とを一致させ、その位置を基準として、その後の水柱の高さの変化３４と液柱の高さの変化３５との高さの差３６を気圧の差として計測する。
【００２５】
以下、本発明の第３の実施形態について説明する。図３に示すように、外部からの熱伝達を遮断した容器４１を比熱容量が大きい液体あるいは水４２で満たす。その水中に、前記の水気圧モジュール１０の空気溜り１２を設置する。測定開始時の水気圧計モジュール１０の水柱の高さを定め、その位置３３を基準として、その後の水柱の高さの変化３４を気圧の差として観察する。
【００２６】
以下、本発明の第４の実施形態について説明する。図４に示すように、外部からの熱伝達を遮断した容器４１と、容器の上部に閉じ込めた空気溜り１２と、容器の下部に貯えた水溜り１３と、片端が水溜りに没し他端が大気に通じる容器から突出した透明パイプ１４と、透明パイプ中の水柱１５とを構成要素とする水気圧計モジュール１０の水溜り中に、液だめ２１と、液体２２と、液だめから突出した透明パイプ２３と、透明パイプ中の液柱２４とを構成要素とする液体温度計モジュール２０の液だめ２１を設置する。ここで、温度変化のみによる前記の水柱の高さの変化分と温度変化による前記の液柱の高さの変化量とが等しくなるように、水気圧計モジュール１０と液体温度計モジュール２０とを設計し調整しておく。
【００２７】
測定開始時において、水気圧計モジュール１０の水柱１５の高さと液体温度計モジュール２０の液柱の高さ２４とを一致させ、その位置３３を基準として、その後の水柱の高さの変化３４と液柱の高さの変化３５との高さの差３６を気圧の差として計測する。また、水柱の高さの変化量は、ほぼ気圧変化のみによる水柱の高さの変化量を示す。
【実施例】
【００２８】
以下、本発明の実施例１について説明する。図１においては、４１は外部からの熱伝達を遮断した容器であり、市販の魔法瓶（和平フレイズ製、ステンレス製マグボトル、８００ ｍｌ、保温効力：６６度以下（６時間）、内径：７０ｍｍ）を利用した。４２は水であり、４３は断熱性の栓である。１０は水気圧計モジュールであり、１２は空気溜りであり約７５ｃｃ、１３は水であった。１４は透明パイプで内径３ mmであり、１５は水柱である。
【００２９】
２０は液体温度計モジュールであり、２１は液だめであり１００ｃｃであった。液体２２は、熱膨張係数が比較的大きく（体積膨張率：7.2 x 10-4/K (at 20℃)）、無害・安全なオリーブ油を使用した。２３は透明パイプで内径は２ ｍｍであり、２４は液柱である。
【００３０】
測定開始時に、水気圧計モジュールの水柱１５の高さを液体温度計モジュールの液柱２４の高さに一致させた。本実施例では、その方法として、注射器につないだチューブを透明パイプ１４に挿し込んで、水を注入または吸い出して水柱１５の高さを調整した。この時の位置は３３、水気圧計モジュール内の水面３１を基準とした水柱の高さ３２は、直定規によって測定し、２５．８  ｃｍであった。３４は水柱の高さの変化量であり、３５は液柱の高さの変化量であり、３６はそれらの高さの差であり、直定規によって測定した。
【００３１】
２５は容器内の水の温度を測定する電子温度計（シンワ測定 ホームサーモ デジタルT クッキング用 グリーン７２９７９）であり、テストやモニターなど、温度を測定する必要がある場合に設置した。
【００３２】
ドイツのOberstdorfer Glashutte社製のゲーテのバロメーターを図５に示した。５０はゲーテのバロメーター、５１はガラス球体（直径：１０５ mm）であり、５２は空気溜りであり、５３は水であり、ガラス球体の天頂から下方約２cmまで注入した。５４は透明パイプであり、５５は水柱であり、水面５６を基準とした水柱の高さ５７は直定規によって測定した。
【００３３】
Oberstdorfer Glashutte社製のゲーテのバロメーターと本発明の水気圧計とを並べて配置し、本発明の効果を検証する実施例１のテストを行った。図６に、テスト期間中（2016年1１月２８日〜１２月５日、愛知県豊川市赤坂台）の気温と気圧とを示した。気温は電子温度計（シンワ測定 ホームサーモ デジタルT クッキング用 グリーン７２９７９）で測定し、気圧はiPhone6 Puls（登録商標）のアプリのBarometerによって測定した。
【００３４】
図７に、テスト期間中のゲーテのバロメーターの水柱の高さ５７と気圧とを示した。図７の気圧の軸は、気圧変化と水柱の変化との相関関係を見易くするために反転した。例えば気圧が下降する時は、水柱は上方向に変化するので、図７では水柱の変化の方向を優先させて気圧の軸を反転させた。図７に示したテスト結果では、水柱の高さの変化と気圧の高さの変化とは良く一致しなかった。水柱の高さの変化の曲線は気温の変化の曲線に近いので、水柱の高さの変化は気温変化に大きく影響されていたことがわかる。
【００３５】
図８に、テスト期間中の気温と水気圧計モジュールの空気溜りの温度とを示した。空気溜りの温度は、図１の温度計２５によって測定した水中の温度と等しいとした。外部からの熱伝達を遮断した容器の採用により、気温の変化に比較すると、空気溜りの温度変化は小さく抑えられている。
【００３６】
図９に、テスト期間中の水柱と気圧とを示した。容器内の水の温度変化は小さく抑えられ、水気圧計モジュールの空気溜りの空気の温度は水の温度に等しくなり、水気圧計モジュールの空気溜りの温度変化は小さく抑えられ、したがって、水柱の高さの変化に占める温度変化分は少なくなり、水柱の高さの変化量は、ほぼ気圧変化のみによる水柱の高さの変化量を示す。図９は、第３の問題解決手段、あるいは、第３の実施形態に他ならない。
【００３７】
本発明の、水柱の高さと、気圧と、空気溜りの温度との関係は、ボイル・シャルルの法則を適用すると、下記の数式１によって求まる。
【００３８】
【数１】
2018179538.tif 000003
【００３９】
上記の数式において、Pは気圧、Tは水気圧計モジュールの空気溜りの温度、Vは空気溜りの空気の体積である。水気圧計モジュールの容器内の水の水面を基準とすると、ｈ０は測定開始時の水柱の高さ１９、Δｈは水柱の高さの変化量１５である。また、kは比例定数、水柱１cmの圧力は0.98 ｈPaである。
【００４０】
数式１から、数式２の測定開始時の関係式が成り立つ。  
【００４１】
【数２】
2018179538.tif 000004
【００４２】
上記の数式において、P0は測定開始時の気圧、T0は水気圧計モジュールの空気溜りの温度、V0は空気溜りの空気の体積である。
【００４３】
図１に示した水柱の高さの変化量３４は、数式１と数式２とから導いた数式３によって求まる。
【００４４】
【数３】
2018179538.tif 000005
【００４５】
上記の数式において、Δhは水柱の高さの変化量、Sは透明パイプ７の断面積であり、小さいとする。
【００４６】
数式３のαとβとは、数式４と数式５とによって表される。
【００４７】
【数４】
2018179538.tif 000006
【００４８】
【数５】
2018179538.tif 000007
【００４９】
水柱の高さの変化量Δhは、数式３を２次方程式に展開して、数式６〜数式９によって解くことができる。
【００５０】
【数６】
2018179538.tif 000008
【００５１】
【数７】
2018179538.tif 000009
【００５２】
【数８】
2018179538.tif 000010
【００５３】
【数９】
2018179538.tif 000011
【００５４】
なお、水柱の高さの変化量Δhと気圧変化ΔPとの関係は、数式３を近似して数式１０によって表すことができる。
【００５５】
【数１０】
2018179538.tif 000012
【００５６】
また、水柱の高さの変化量Δhと温度変化ΔTとの関係は、数式３を近似して数式１１によって表わすことができる。
【００５７】
【数１１】
2018179538.tif 000013
【００５８】
数式３の右辺に、αを未知数として、図８に示した空気溜りの温度Tと、図９に示した気圧Pと、図９に示した水柱の高さｈ（＝Δｈ＋ｈ０）とを代入して計算した値を横軸に（ただし、P０＝１００６．０ ｈPa、T０＝１６．１℃、ｈ0＝２５．８ ｃｍ）、実測した水柱の変化量Δｈの値（＝ｈ−ｈ０）を縦軸にプロットしたところ、図１０に示したように、プロットは一直線上に乗った。したがって、その勾配から数式３のαが求まる。
【００５９】
【数１２】
2018179538.tif 000014
【００６０】
図１１に、液体温度計モジュール２０の特性を示す。液柱２４の変化量３５は、測定開始時の位置３３を基準とした。液だめ内の液体の温度は、容器内の水の温度に等しいとした。近似曲線の数式が示すように、温度が１℃変化すると液柱が１.４８ｃｍ変化する特性であった。
【００６１】
水気圧計モジュールの空気溜りの温度変化ΔTと水柱の変化量Δｈとの関係は、数式１１から計算すると数式１３となった。
【００６２】
【数１３】
2018179538.tif 000015
【００６３】
数式１３の係数が１．５４ ｃｍ/℃であるのに対して、液体温度計モジュール２０の特性が１．４８ ｃｍ/℃であった。本実施の形態では、温度変化による液柱２４の高さの変化量と、温度変化のみによる水柱１５の高さの変化量とが等しくなるように設計し調整されていた。水気圧計モジュールの透明パイプ１４の内径は３ ｍｍに設計し、空気溜り１２の空気の体積は約７５ ｃｃに調整し、液体温度計モジュールの液体としてオリーブ油を採用し、液だめ２１の体積は１００ ｃｃ、透明パイプ２３の内径は２ ｍｍに設計した。
【００６４】
図１２に、テスト期間中の水気圧計モジュールの水柱の変化量３４と、液体温度計モジュールの液柱の変化量３６とを示した。
【００６５】
図１３に、テスト期間中の気圧の実測値をプロットした。水柱の高さの変化Δｈの軸と気圧の変化の軸との目盛は、数式１０から計算した数式１４の関係で対応づけた。
【００６６】
【数１４】
2018179538.tif 000016
【００６７】
図１３に、水柱の高さの変化３４と液柱の高さの変化３５との高さの差３６を実線で示すと、気圧の実測値のプロットと良く一致した。したがって、水柱の高さの変化３４と液柱の高さの変化３５との高さの差３６（単位：ｃｍ）を測定することによって、高さの差３６に比例する気圧の変化量（単位：ｈPa）を計測でき、その比例関係は、実験データの解析から求まったことを検証できた。図１の３７で示した気圧の単位（ｈPa）で目盛った気圧目盛スケールを設置しておくと気圧の変化量を直読できる。図１３に示した実施例１は、第３の問題解決手段、あるいは、第３の実施形態である。
【００６８】
図２に実施例２を示す。１０は水気圧計モジュールであり、１３は水であり、１２は空気溜りであり５０ｃｃであった。１４は透明パイプで内径３ mmであり、１５は水柱である。
【００６９】
２０は液体温度計モジュールであり、２１は液だめであり９０ｃｃであった。液体２２は、オリーブ油を使用した。２３は透明パイプで内径は２ ｍｍであり、２４は液柱である。
【００７０】
２５は温度計であり、気温を測定した。液体温度計モジュールの液だめの温度と水気圧計モジュールの空気溜りの温度は、気温と等しいとした。
【００７１】
図１４に、実施例２のテスト期間中（２０１７年２月６日〜２月８日、愛知県豊川市赤坂台）の気温と気圧とを示した。
【００７２】
図１５に、テスト期間中の水柱の高さと気圧とを示した。水柱の高さの変化と気圧の高さの変化とは良く一致しなかった。
【００７３】
数式３の右辺に、αを未知数として、図１４に示した気温T（空気溜りの温度に等しい）と、図１５に示した気圧Pと、図１５に示した水柱の高さｈ（＝Δｈ＋ｈ０）とを代入して計算した値を横軸に（ただし、P０＝９９１．７ ｈPa、T０＝１１．０ ℃、ｈ0＝１５．０ ｃｍ）、実測したΔｈの値（＝図１５に示した水柱の高さｈ−ｈ０）を縦軸にプロットしたところ、図１６に示したように、プロットは一直線上に乗った。したがって、その勾配から数式３のαが求まる。
【００７４】
【数１５】
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【００７５】
図１７に、液体温度計モジュール２０の特性を示す。液柱２４の変化量３５は、測定開始時の位置３３を基準とした。液だめ内の液体の温度は、容器内の水の温度に等しいとした。近似曲線の数式が示すように、温度が１℃変化すると液柱が１.２７ｃｍ変化する特性であった。
【００７６】
水気圧計モジュールの空気溜りの温度変化ΔTと水柱の変化量Δｈとの関係は、数式１１から計算すると次式となった。
【００７７】
【数１６】
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【００７８】
数式１６の係数が１．４５ｃｍ/℃であるのに対して、液体温度計モジュール２０の特性が１．２７ｃｍ/℃であった。本実施の形態では、水気圧計モジュールの透明パイプ１４の内径は３ ｍｍに設計し、空気溜り１２の初期の空気の体積は約５０ ｃｃに調整し、液体温度計モジュールは、液体としてオリーブ油を採用し、液だめの体積は９０ ｃｃ、透明パイプ２３の内径は２ ｍｍに設計した。
【００７９】
図１７に、テスト期間中の気圧の実測値をプロットした。水柱の高さの変化Δｈの軸と気圧の変化の軸との目盛は、数式１０から計算した数式１７の関係で対応づけた。
【００８０】
【数１７】
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【００８１】
図１８に、水柱の高さの変化３４と液柱の高さの変化３５との高さの差３６を実線で示す。実線は、気圧の実測値におおむね一致した。したがって、水柱の高さの変化３４と液柱の高さの変化３５との高さの差３６（単位：ｃｍ）を測定することによって、高さの差
３６に比例する気圧の変化量（単位：ｈPa）を計測でき、その比例関係は、実験データの
解析から求まったことを検証できた。図２の３７で示した気圧の単位（ｈPa）で目盛った
スケール（気圧目盛スケール）を設置しておくと気圧の変化量を直読できる。ただし、水気圧計モジュールの水柱の高さの変化と気圧の変化との乖離は大きい。
【００８２】
以上のように、本発明の水気圧計は、ゲーテのバロメーターの問題点を解決した実用的な気圧計として利用できるものである。
【符号の説明】
【００８３】
１０  水気圧計モジュール
１１  容器
１２  空気溜り
１３  水溜り
１４  透明パイプ
１５  水柱
２０  液体温度計モジュール
２１  液だめ
２２  液体
２３  透明パイプ
２４  液柱
２５  温度計
３１  水面
３２  測定開始時の水柱の高さ
３３  測定開始時の位置
３４  水柱の変化量
３５  液柱の変化量
３６  水柱と液柱との高さの差
３７  気圧目盛スケール
４１  外部からの熱伝達を遮断した容器  
４２  水
４３  熱断熱性の栓
４４  温度計
５０  ゲーテのバロメーター
５１  ガラス球体
５２  空気溜り
５３  水
５４  ガラス管
５５  水柱
５６  水面
５７  水柱の高さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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