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Radios ondensystem
Bei den mit elektrischen Messelementen arbeitenden Radiosonden wird durchwegs die Methode der Frequenzänderung angewendet, wobei entweder der Trägeroszillator direkt beeinflusst (Väisälä-Sonde), oder durch einen weiteren Oszillator (AMT-4 Sonde, Britische-Sonde) oder mehrere Oszillatoren (PhilipsSonde) moduliert wird.
Bei den Einkanalsonden werden die einzelnen Messelemente durch eine Umschalteinrichtung abwechselndanden Oszillator angeschlossen. Mehrkanalsonden benötigen keinen Umschalter, dafür aber für jedes Messelement einen eigenen Oszillator.
Die während eines Radiosondenaufstieges auftretenden grossen Temperatur- und Feuchteänderungenbe- einflussen die Oszillatoren und fUhren zu unerwünschten Frequenzänderungen. Kompensationsglieder in der Schaltung, Eichung in einet Standardatmosphäre, Einschluss der Oszillatoren in eine wärmeisolierende Kapsel usw. sind die Gegenmassnahmen bei Sonden ohne Umschalteinrichtung. Höheren Genauigkeitsfor- derungen genügen diese Sonden schon deshalb nicht, weil ein erheblicher Teil der unerwünschten Frequenzänderungen durch die unvermeidbaren Änderungen der Betriebsspannungen verursacht werden.
Bei denFrequenzsonden mit Umschaltung wird zumeist die Grundfrequenz des Oszillators während des Aufstieges kontrolliert und zur Korrektur der Messwerte benutzt. Aber auch bei diesen Sonden muss bei der Auswertung der Aufstiege vorausgesetzt werden, dass sich ein frequenzbestimmendes Glied während des Aufstieges nicht ändert. Grundsätzlich ist dieses Glied bei Verwendung von variablen Widerständen als Messelemente ein Widerstand (Reference-Widerstand der AMT-4 Sonde), bei Verwendung von variablen Kondensatoren ein Kondensator (Konstantkondensatoren der Väisälä-Sonde).
Die Erfindung bezieht sich auf ein Radiosondensystem zur Messung meteorologischer Grössen wie Temperatur, Druck, relative Feuchtigkeit usw. mit einem Sperrschwinger, dessen Frequenz durch die den
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fallweise an den Sperrschwinger anschaltbarer Bezugswiderstand in der Sonde vorgesehen ist, der während des Aufstieges in einem Eisbad auf der Temperatur des Eispunktes gehalten wird und den Wideistandsmass- stab des Sperrschwingers festlegt.
Die Wirkungsweise eines Eisbades, das aus Schnee aus destillierten Wasser und aus destillierten Wasser besteht, beruht auf dem gleichzeitigen Vorhandensein zweier Aggregatzustände. Bei hoher Umgebungstemperatur schmilzt der Eisanteil infolge der hohen Schmelzwärme nur langsam und bei tiefen Um- gebungstemperaturen wird das überschüssige Wasser infolge des hohen Kalorienumsatzes und des schützenden Eispanzers nur langsam frieren.
Die Temperatur im Inneren einer aufsteigenden Sonde bleibt gegenüber derAussentemperaturum etwa 20-30 C zurück. Der Eispunkt wird bei einer Steiggeschwindigkeitvon 5 bis 6m/sec nach etwa 30 min in einer Höhe von 7 bis 9 km und die tiefste Temperatur von rund - 350C erst in deroberenStratOsphäre nach 60 - 90 min erreicht.
In der ersten Phase des Aufstieges bildet sich daher im Eisbad ein geringer Wasserüberschuss, der in der zweiten Phase wieder sehr langsam zurückgeht und erst bei sehr hohen Aufstiegen zu einem Eisüberschuss führt. Die Eispunkttemperatur bleibt jedoch unabhängig davon in beiden Phasen erhalten und würde sich erst ändern, wenn entweder nur Wasser oder nur Eis vorhanden ist.
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Ausser der wartungsfreien und sicheren Funktion bei höchster Genauigkeit und geringem Aufwand zur Herstellung, besteht ein wesentlicher Vorteil dieses Eisbadthermostaten darin, dass für sämtliche Eichun-
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002 CBei der Beurteilung der Genauigkeit eines Radiosondensystems muss man berücksichtigen, dass fUr jedes einzelne meteorologische Element ausser dem Messwert auch die zugehörige Höhe angegeben werden muss. Da die Höhe aus Druck und Temperatur nach der statischen Grundgleichung berechnet wird, hat die Genauigkeit dieser beiden Elemente einen überwiegenden Einfluss auf die Genauigkeit des ganzen Systems.
Bei der Anwendung der hypsometrischen Druckmessung hat jedoch die Temperaturmessgenauigkeit den Haupteinfluss, da hier durch die Bestimmung der Siedetemperatur der Hypsometerflüssigkeit die Druckmessung auf eine Temperaturmessung zurückgeführt wird.
Die als Hypsometerflüssigkeit in Betracht kommenden Stoffe unterscheiden sich bezüglich des Verlaufes der Siedekurven nur wenig, geben für die Troposphäre Werte von 0, 03 bis 0, 1 C pro mb Druck- änderung und erreichen in der Stratosphäre die Grössenordnung 10C und mehr. Dadurch bleibt das Auflösungsvermögen der Hypsometer relativ fast gleich, während bei den Aneroidbarometern mit praktisch gleich bleibendem absoluten Messfehler die relative Genauigkeit mit zunehmender Höhe stark abnimmt.
Zur Druckmessung in den oberen Schichten der Stratosphäre sind die Aneroid daher unbrauchbar.
Voraussetzung für die Anwendbarkeit der hypsometrischen Druckmessung über den ganzen Messbereich ist jedoch ein entsprechend hohes Auflösungsvermögen bezüglich der Temperaturmessung.
Bei den bekannten Frequenzsonden erfolgt die Aufnahme der Messwerte entweder durch Ablesung an der Empfängerskala, optische Einstellung (Lissajou-Figuren), automatische Aufzeichnung in Kurvenform (Speedomax-Recorder, Cintel-Recorder) und auch mit gleichzeitiger Registrierung in digitaler Form (Mullard-System). Abgesehen von den hohen Kosten und dem Aufwand in der Bodenstation des MullardSystems, kann hier infolge der unzureichenden Sondengenauigkeit das hohe Auflösungsvermögen nicht ausgenutzt werden.
Die zur Anwendung der Hypsometermessung erforderliche Genauigkeit wird in dem vorgeschlagenen System durch die Verwendung einesDigitaIzählers in Verbindung mit der Bezugsmethode zur Widerstandsmessung erreicht, wobei das hohe Auflösungsvermögen des Zählers voll zur Wirkung kommt.
Ein Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen Anordnung ist in der Zeichnung dargestellt.
Als RC-Oszillator ist an den Sender ein Sperrschwinger angeschlossen. Da zur Temperaturmessung grundsätzlich NTC-Elemente vorgesehen sind, wird das Bezugsglied aus Widerständen, dem Grundwiderstand R, und dem Bezugswiderstand R3 gebildet. Mittels der Umschalteinrichtung S werden die einzelnenMesswiderstände für Temperatur T, Druck P, relative Feuchte U usw. und der Bezugswiderstand Rg abwechselnd an den Sperrschwinger angeschlossen.
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geschlossenen Widerstand, je nach der Stellung des Schalters S, entladen bis am Gitter die Sperrspannung wieder erreicht ist. Zu diesem Zeitpunkt wird die Röhre wieder leitend und der Arbeitsgang der ersten Periode neuerlich eingeleitet.
Die Zeitdauer der Entladung wird dabei durch den Widerstand im Entladungsweg bestimmt und bildet ein Mass für diesen Widerstand. Gemessen wird jedoch nicht die Entladezeit, sondern ein Wert, der sich aus der Auflade- und Entladezeit zusammensetzt, unabhängig davon ob man die Impulsfolgefrequenz f oder den Impulsabstand t = 1/f misst.
Nach der üblichen Methode der Frequenzmessung erhält man für eine RC-Oszillator bzw. Sperr- schwinger als Kennlinie eine Hyperbel, die erst in einem doppelt logarithmischen System als Gerade dar-
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Nach dem vorgeschlagenen System der Impulszählung zur Widerstandsmessung wird jedem Sper ; - schwinger durch eine einzige Kenngrösse, den Bezugswiderstand R3 eine lineare Kennlinie zugeordnet.
Bezeichnet man den zeitlichen Impulsabstand der Sperrschwingerimpulse mit c wenn nur R an-
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Dadurch sind die Widerstände T, P, U usw. bestimmt, wenn R 3 vor dem Aufstieg gemessen und während des Aufstieges im Eisbad E auf der Temperatur des Eispunktes gehalten wird.
Als Beispiel eines zur Messung der Impulsabstände geeigneten Zählers kann hier der Racal-Digital- zähler SA-505 dienen. Er arbeitet mit einem 10MHz-Quarzoszillator und besitzt im Eingang eine Im- pulsformerstufe, so dass vom Sinus bis Sägezahn und Rechteck die verschiedensten Impulsformen verarbei- tet werden können.
Das aus dem Empfänger einer Frequenzsonde stammende Signal, im beschriebenen Fall die Sperr- schwingerimpulse, werden der Impulsformerstufe des Zählers zugefUhrt. Die Zählung wird durch einen
Sperrschwingerimpuls eingeleitet, der ein Tor öffnet und damit den Weg fUr die Quarzoszillatorimpulse in den Zähler freigibt. Diese werden nun so lange gezählt, bis durch den nächsten Sperrschwingerimpuls das Tor wieder geschlossen und damit die Zählung beendet wird. Man kann den Zähler aber auch so schalten, dass ein Impuls das Tor öffnet, jedoch erst der zehnte oder hundertste Impuls es wieder schliesst, so dass nun der zeitliche Abstand zwischen zehn bzw. hundert Sperrschwingerimpulsen gemessen wird. Je nach Wahl der Zählfrequenz und Impulsdekade kann man sich Über einen sehr weiten Bereich der Zähl- zeit und den Genauigkeitsforderungen anpassen.
AmAusgang des Zählers steht für jede Ziffer Über den Bereich vonsiebenDekaden ein eigener Strom- kreis zur Verfügung, so dass mittels eines Druckers oder Ziffernschreibers das Messergebnis in Form mehr- stelliger Zahlen auf einem Papierstreifen festgehalten werden kann. An Stelle der Papierstreifen können auch Lochkarten oder Lochstreifen treten.
Die bisher bekannten Methoden zur Darstellung der Kennlinien von NTC-Widerständen, die den Zusammenhang : Widerstand-Temperatur vermitteln, sind umständlich und ungenau, wenn man dazu die bekannte Näherungsformel benutzt. Man war daher genötigt die NTC-Elemente entweder direkt auf den Oszillator zu eichen, oder wie bei der AMT-4 Sonde, die einzelnen Elemente einer vorgegebenen Kennlinie anzupassen. Die damit erzielbare Genauigkeit ist jedoch auf ein Toleranzband von rund 0, 50C beschränkt.
Eine Anpassung durch Ändern der Stäbchenlänge ist nur für stäbchenförmige NTC-Widerstände möglich und versagt bei den Kügelchen mit Durchmessern von 0, 5 bis 1 mm. Diese sind wegen ihrer hohen Empfindlichkeit (Trägheitskoeffizient, bezogen auf ruhende Luft : 1-2 sec) für die Messung rasch veränderlicher Temperaturen besonders geeignet.
Eine Anpassung an ein vorgegebenes Toleranzband ist jedoch nur durch Auswahl möglich, während bei individueller Eichung auf den Oszillator keine unerwünschten Frequenzänderungen auftreten dürfen.
Die vorgeschlagene Methode beseitigt diese Schwierigkeiten durch die Darstellung der Kennlinien in einem System mit linearer Temperaturteilung und log-log-Widerstandsteilung. Die Kennlinien erscheinen hier als Gerade. Damit werden die NTC-Widerstände zu echten Thermometern die an bekannte Temperaturfixpunkte angeschlossen werden können. Wegen der linearen Interpolation sind sie damit sowohl für die graphische wie für die rechnerische Auswertung besonders geeignet.
Die Eichung bzw. Festlegung der Kennlinien für Sperrschwinger und NTC-Widerstände erfolgt dabei mittels des Digitalzählers und eines Standardsperrschwingers. Ein einfacher Programmschalter schliesst die R3 Widerstände und die NTC-Elemente, die wie beim Aufstieg auf der Temperatur des Eispunktes gehalten werden, nacheinander an den Sperrschwinger an. Die Registrierung der Eichwerte erfolgt dabei nach dem gleichen System wie die Aufnahme der Messwerte beim Aufstieg.
In einem Thermostaten werden die Widerstände der NTC-Elemente je nach den Genauigkeitsforderungen bei einem oder zwei andern Temperaturpunkten auf die gleiche Art bestimmt.
Zur Verrechnung der Eichwerte können die Zählergebnisse auch auf Lochkarten oder Streifen festgehalten werden.
Nach diesen Kennzahlen kann der Auswerter die linearen Kennlinien für den Sperrschwinger und die NTC-Elemente entweder graphisch festlegen, oder zur rechnerischen Auswertung einer programmgesteuerten Rechenanlage eingeben.
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vermögen von 0, 01 C, bei der Eichung von 0, 002 bis 0, 003 C erreicht, so dass damit die Voraussetzungen für die Anwendung der Hypsometermethode zur Druckmessung gegeben sind.
Zur Bestimmung der Windgeschwindigkeit wird in dem vorgeschlagenen System an Stelle des Höhenwinkels die aus der Druck- und Temper : : turmessung ermittelte Höhe und die Radarentfernung verwendet.
Bezüglich der wichtigsten meteorologischen Daten (Druck, Temperatur, Höhenwind) werden damit die WMO-Genauigkeitsforderungen (Performance Requirements of Aerological Instruments) für Radiosondenaufstiege erfüllt, die Automatisierung der Aufnahme, Auswertung und Eichung erreicht wobei durch
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die einheitliche digitale Darstellung der Messwerte die hohe Rechengeschwindigkeit und Genauigkeit einer elektronischen Digital-Rechenanlage sinnvoll ausgenutzt werden kann.
PATENTANSPRÜCHE :
1. RadiosondensystemzurMessungmeteorologischer Grössen wie Temperatur, Druck, relative Feuchtigkeit usw. mit einem Sperrschwinger, dessen Frequenz durch die den einzelnen Messgrössen zugeordneten elektrischen Messelemente beeinflusst wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein fallweise an den Sperrschwinger anschaltbarer Bezugswiderstand in der Sonde vorgesehen ist, der während des Aufstieges in einem Eisbad auf der Temperatur des Eispunktes gehalten wird und den Widerstandsmassstab des Sperrschwingers festlegt.