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Bei der hypsometrischen Luftdruckmessung wird die Druckmessung auf eine Temperaturmessung zurückgeführt. Gemessen wird die Siedetemperatur einer geeigneten Flüssigkeit und der dieser Siedetemperatur entsprechende Druck aus der Dampfdruckformel, die das Siedetemperatur-Druck-Verhältnis angibt, errechnet.
Besondere Bedeutung gewinnt diese Art der Druckmessung für die barometrische Höhenmessung in Radiosonden, da man die von der meteorologischen Weltorganisation (WMO) in der Publikation "Performance requirements of aerological instruments" geforderte Genauigkeit der Höhenmessung bei Radiosondenaufstiegen mit der herkömmlichen Methode der Aneroidmessung nicht erreichen kann.
Zur Veranschaulichung sind in der beigeschlossenen Vergleichstabelle die Verhältnisse bei unmittelbarer Druckmessung mit dem Aneroid und bei indirekter Druckmessung über die Siedetemperatur eines Hypsometers dargestellt. Als Hypsometerflüssigkeit wurde Frigen 114 angenommen. Wenn man nun berücksichtigt, dass die von der WMO geforderte Genauigkeit der Höhenmessung 15 m betragen soll, die besten Radiosondenaneroide aber nur auf 1 bis 2 mb genau sind, in der Regel aber auch viel grössere Abweichungen vorkommen, so ist aus den angeführten Tabellenwerten unschwer zu erkennen, dass sich eine Höhenfehlergrenze von 15 m durch Druckmessung mit Aneroidén nicht realisieren lässt. So ergibt z. B. ein Druckmessfehler von nur 2 mb bereits in 1 km Höhe einen Höhenmessfehler von mehr als 15 m.
Bei 10 km macht dann die Abweichung etwa 50 m aus, bei 20 km schon mehr als 200 m, um schliesslich in Höhen über 30 km sogar die Grössenordnung von Kilometern zu erreichen.
Ganz anders liegen die Verhältnisse bei der hypsometrischen Messung. Die mit zunehmender Höhe immer kleiner werdende Druckdifferenz wird hier weitgehend dadurch ausgeglichen, dass die relative Änderung der Siedetemperatur bei Abnahme des absoluten Druckes immer mehr zunimmt, so dass die Siedetemperaturdifferenzen im Verhältnis zu den Höhendifferenzen mit Zunahme der absoluten Höhe nur unwesentlich kleiner werden. Es kommt daher nicht wie beim Aneroid zu einer Vervielfachung eventueller Messfehler, sondern es bleiben diese über den gesamten Höhenbereich nahezu konstant. Da man nun z.
B. bei Verwendung von NTC-Thermistoren als Messfühler die Siedetemperatur des Hypsometers sehr genau messen kann-bei Anwendung entsprechender Messmethoden kann mit Thermistoren eine Auflösung von 0, 01 C erreicht werden-lassen sich die 15 m als maximaler Höhenmessfehler bei Anwendung der hypsometrischen Druckmessung ohne besondere Schwierigkeit einhalten, zumal auch die Dampfdruckkurve der Hypsometerflüssigkeit mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden kann, wenn man sie in den Bereichen unter 100 mb durch Vergleich mit einem Wasserhypsometer ermittelt. Nach Angaben der WMO ist die durch die Goff-Gratch-Gleichung dargestellte Dampfdruckkurve des Wassers im Bereich zwischen 6 und 130 mb auf 0,006 mb genau und gilt als offizieller Standard.
Probleme der hypsometrischen Druckmessung ergeben sich jedoch in bezug auf den technischen Aufbau der Hypsometereinrichtung.
Anlässlich der im Jahre 1956 in Payerne erfolgten Radiosondenvergleichsaufstiege wurde eine Hypsometersonde vorgeführt. Die Hypsometereinrichtung bestand aus einem mit Frigen 12 (Siedetempe- ratur-30 C bei Normaldruck) gefüllten Glaskolben. Die Messung erfolgte mit einem in die Flüssigkeit direkt eingetauchten Thermistor. Die Ergebnisse waren jedoch völlig unbrauchbar und zeigten grosse Abweichungen gegenüber den Aneroidsonden.
Die Ursache der fehlerhaften Messung in einer solchen Anordnung liegt darin, dass die Temperatur in der Flüssigkeit selbst infolge der Wirkung des hydrostatischen Druckes sowie des auftretenden Siedeverzuges nicht der wirklichen Siedetemperatur entspricht. Diese stellt sich nur in der unmittelbaren Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Dampf ein.
Bei einer andern Hypsometeranordnung sollte die Messung der wirklichen Siedetemperatur dadurch gewährleistet werden, dass der Thermistor an einem auf der Flüssigkeit schwimmenden Kork montiert wurde. Es führte jedoch auch diese Methode zu keinem brauchbaren Ergebnis. Der Kork schwamm nämlich nicht ruhig an der Oberfläche, sondern wurde durch die sich bildenden Dampfblasen ständig hin- und hergeworfen, so dass der Thermistor auch hier nicht in der zur Messung geeigneten Grenzschicht gehalten wurde.
Ausserdem wurden mit der Zeit die Anschlussdrähte des Thermistors so verwickelt, dass der
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Kork schliesslich in der Luft hing und gar nicht mehr in die Flüssigkeit eintauchte.
Eine wesentliche Verbesserung, die eine einigermassen sinnvolle Messung überhaupt erst ermöglichte, bestand darin, dass der Thermistor im oberen Ende eines aus der Flüssigkeit herausragenden Dochtes montiert wurde, so dass durch die Wirkung der Kapillarität ständig siedende Flüssigkeit an den Thermistor herangeführt wurde und, damit die Beeinflussung der Messwerte durch den hydrostatischen Druck praktisch ausgeschaltet werden konnte.
Einen geeigneten Ersatz für die Aneroidmessung stellt jedoch auch diese Anordnung nicht dar, da sie nur in einem begrenzten Bereich funktioniert. So wird z. B. in einer neuen amerikanischen Radiosonde, bei der eine solche Art von Hypsometer verwendet wird, der Druck bis 20 km Höhe weiterhin mit dem Aneroid gemessen und erst darüberhinaus auf Hypsometermessung umgeschaltet.
Die nur begrenzte Einsatzmöglichkeit eines solchen Hypsometers wird vor allem dadurch bedingt, dass der Docht mit dem Absinken des Flüssigkeitsspiegels immer weiter aus der Flüssigkeit herausragt und sich damit die Verdampfungsoberfläche immer mehr vergrössert, bis schliesslich der Fall eintritt, dass die im Docht aufsteigende Flüssigkeit schon vor dem Erreichen des Thermistors vollständig verdampft und damit das obere Ende des Dochtes trocken bleibt. Da diese Erscheinung umso früher auftritt, je niedriger der Siedepunkt der verwendeten Hypsometerflüssigkeit liegt, können hier nur Flüssigkeiten mit relativ hohen Siedetemperaturen verwendet werden, die sich jedoch nicht für eine Messung über den gesamten Aufstiegsbereich eignen.
So wird etwa in der erwähnten amerikanischen Radiosonde als Hypsometerflüssigkeit Frigen 11 mit einer Siedetemperatur von 23, 7 C bei Normaldruck verwendet. Damit kann man jedoch vom Boden weg nicht messen sondern benötigt ein zusätzliches Aneroid.
Die Erfindung betrifft eine Hypsometereinrichtung, die bei Verwendung in Radiosonden bereits vom Start an über den gesamten Aufstiegsbereich voll funktionsfähig bleibt und eine ausschliesslich hypsometrische Druck- bzw. Höhenmessung ohne zusätzliche Verwendung eines Aneroids gewährleistet, wobei insbesondere auch die von der WMO geforderte Genauigkeit der Höhenmessung ermöglicht wird.
Das Prinzip, an Stelle eines Eintauchens des Thermistors in die Hypsometerflüssigkeit diese selbst durch Wirkung der Kapillarität an den ausserhalb der Flüssigkeit montierten Thermistor heranzuführen, kommt auch in der erfindungsgemässen Einrichtung zur Anwendung, doch ist diese gegenüber den herkömmlichen Ausführungen in einer solchen Art und Weise gestaltet, dass dadurch die bei den bekannten Einrichtungen auftretenden Funktionsstörungen und Messfehler vermieden werden, ohne dass eine Einschränkung des Messbereiches erforderlich wäre.
Hiebei waren vor allem zwei wesentliche Probleme zu lösen. Einerseits muss, um die Genauigkeitsforderung der WMO einhalten zu können, die Siedetemperaturmessung in allen Bereichen mit hoher Genauigkeit reproduzierbar sein, was bei Verwendung von Dochten u. ähnl. Kapillarleitungen der herkömmlichen Art nicht gewährleistet ist, da bei solchen Einrichtungen bei hohem Flüssigkeitsspiegel die aus dem Gefäss aufsteigende Flüssigkeit mit dem Thermistor bereits in Berührung kommt, noch ehe sie sich auf Siedetemperatur abgekühlt hat, während sie bei niedrigem Flüssigkeitsspiegel, wie bereits beschrieben, vorzeitig verdampft und den Thermistor gar nicht mehr erreicht, anderseits stellt sich auch das Problem des Siedeverzuges ein, der einen Störfaktor besonderer Art bildet.
Der Siedeverzug ist eine Erscheinung, die unter den Bedingungen eines Radiosondenaufstieges zwangsläufig entsteht. Durch die nahezu konstant bleibende Steiggeschwindigkeit des Ballons ist die Hypsometerflüssigkeit einem ständig fallenden Luftdruck ausgesetzt, der ein ebenso ständiges Absinken des Siedepunktes zur Folge hat. Dadurch wird die in der Flüssigkeit gespeicherte Wärme laufend freigesetzt und der Siedezustand bleibt erhalten, ohne dass eine zusätzliche Heizung erforderlich wäre. Hiebei ergibt sich allerdings keine gleichförmige Temperaturverteilung innerhalb der Flüssigkeit, sondern es bewirkt insbesondere der hydrostatische Druck, der pro 1 cm Flüssigkeitshöhe immerhin in der Grössenordnung von 1 mb liegt, dass am Boden des Gefässes eine höhere Siedetemperatur gilt als an der Oberfläche, wo nur der äussere Luftdruck allein einwirkt.
Da aber die Druckabhängigkeit der Siedetemperatur umso grösser wird, je geringer der absolute Druck ist, nimmt die Wirksamkeit des hydrostatischen Druckes und damit die Siedetemperaturdifferenz zwischen
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der Oberfläche und den unteren Schichten der Hypsometerflüssigkeit mit zunehmender Aufstiegshöhe ebenfalls immer mehr zu und es entsteht am Boden des Gefässes ein Wärmestau. Schliesslich wird ein Zustand erreicht, in dem der wärmere Teil der Flüssigkeit infolge des immer geringer werdenden spezifischen Gewichtes aufzusteigen beginnt. Damit gelangt er aber plötzlich in eine Zone, in der eine viel niedrigere Siedetemperatur gilt und es ist damit der Zustand des Siedeverzuges bereits eingetreten.
In weiterer Folge kommt es dann zu einem explosionsartigen Dampfausbruch, dessen nachteilige Folgen vor allem darin bestehen, dass grössere Mengen Hypsometerflüssigkeit durch die Druckausgleichsöffnung des Gefässes geschleudert werden. Da sich der Vorgang mehrfach wiederholt, wobei die Ausbrüche immer heftiger werden, kommt es zu einem vorzeitigen Verbrauch der Flüssigkeit. Da bei niedrigsiedenden Hypsometerflüssigkeiten, wie sie für eine Messung schon ab Aufstiegsbeginn erforderlich sind, schon bei funktionsgerechtem Betrieb ein höheren Verbrauch eintritt, der durch einen höheren Flüssigkeitsstand kompensiert werden muss, sind bei solchen Flüssigkeiten die Siedeverzugsfolgen noch viel gravierender.
Alle diese Fehler und Störungen werden jedoch durch die erfindungsgemässe Einrichtung vermieden.
Der Aufbau dieser Einrichtung besteht zunächst aus einem röhrenförmigen Gefäss passender Länge, das z. B. eine handelsübliche Glaseprovette sein kann. Das Gefäss ist mit einem Deckel verschlossen, der in der Mitte eine kleine und seitlich eine etwas grössere Bohrung aufweist. Durch die kleine Bohrung werden die Anschlussdrähte des Thermistors herausgeführt, die grössere dient als Druckausgleichs- und Füllöffnung. Nach aussen hin wird das Gefäss wärmeisoliert, z. B. durch Montage in Styropor oder einem andern, gut wärmeisolierenden Material.
Als Messfühler dient ein Stab- oder Perlthermistor, der im oberen Teil eines der Länge nach mehrfach gefalteten Streifens aus dünnem Filter- oder Löschpapier od. ähnl. so montiert ist, dass er zwischen die beiden äussersten Schichten des Streifens zu liegen kommt. Der Streifen muss so lang sein, dass er mit dem den Thermistor tragenden Teil über den Flüssigkeitsspiegel hinausragt und nach unten hin den Boden des Gefässes erreicht. Mit Hilfe der Anschlussdrähte des Thermistors, die durch das Papier gestochen und verdrillt werden, wird der Streifen so in der Längsachse des Gefässes fixiert, dass er bei Pendel- und Schlingerbewegungen der Radiosonde nicht mit den Gefässwänden in Berührung kommen kann.
Der Streifen selbst ist in seinem unteren Teil bis hinauf zur Füllhöhe der Hypsometerflüssigkeit von einem Mantel aus gut wärmeleitendem Metall (z. B. Aluminium oder Kupfer) dicht umschlossen. Der Eintritt der Hypsometerflüssigkeit erfolgt durch eine Öffnung am unteren Ende des Mantels.
Diese Einrichtung kann erfindungsgemäss dadurch noch ergänzt werden, dass unter besonderen Bedingungen, wenn sich die äussere Wärmeisolation des Gefässes als ungenügend erweist, z. B. bei Verwendung sehr tiefsiedender Hypsometerflüssigkeiten bei sehr hohen Umgebungstemperaturen, das Hypsometergefäss doppelwandig ausgeführt und der Zwischenraum ebenfalls mit Hypsometerflüssigkeit gefüllt wird.
Was nun die Funktion der erfindungsgemässen Einrichtung betrifft, so werden die angestrebten Wirkungen bezüglich Siedetemperaturmessung und Verhinderung des Siedeverzuges durch den mehrlagigen Aufbau des Kapillarstreifens und den Metallmantel erzielt.
Dem Metallmantel kommt hiebei eine mehrfache Funktion zu. Im unteren Teil des Hypsometergefässes fungiert er als Wärmeleiter und verhindert den am Boden des Gefässes bei den herkömmlichen Hypsometereinrichtungen entstehenden Temperaturstau und die damit infolge Siedeverzuges drohenden Dampfausbrüche, indem er für eine gleichmässigere Verteilung der innerhalb der Flüssigkeit durch den stetig abnehmenden Druck freiwerdenden Wärme sorgt. Eine weitere Funktion des Mantels besteht darin, dass sich die wirksame Verdampfungsoberfläche des Kapillarstreifens auch bei Absinken des Flüssigkeitsspiegels nicht ändert und damit ein vorzeitiges Verkochen der aufsteigenden Flüssigkeit verhindert wird. Eine dritte Funktion ergibt sich schliesslich noch im Übergangsbereich zur Verdampfungszone im Zusammenwirken mit dem Schichtaufbau des Kapillarstreifens.
Die in dem Streifen innerhalb des Mantels aufsteigende Flüssigkeit ist zunächst wärmer als es der Siedetemperatur entspricht. Sie beginnt daher unmittelbar an der Austrittsstelle aus dem Mantel zu sieden, wobei die Ränder des Mantels stark abgekühlt werden. Da das Metall die Wärme ungleich schneller und besser ableitet als die Flüssigkeit, pflanzt sich die abkühlende Wirkung des Siedens in den
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am Mantelinneren unmittelbar anliegenden Schichten des Streifens weiter nach unten fort als in den in der Mitte liegenden Schichten. Die in die Verdampfungszone gelangende Flüssigkeit ist daher im Inneren wärmer als aussen.
Da nun der Temperaturausgleich innerhalb der Flüssigkeit selbst durch die nur lose aneinanderliegenden Schichten des Streifens stark verzögert wird, reicht die Wärmeleitung in der Verdampfungszone nicht aus, zwischen der an der Oberfläche siedenden Flüssigkeit und der Flüssigkeit, die in den inneren Schichten aufgestiegen ist, einen ausreichenden Wärmeaustausch zu bewirken. Der hier künstlich herbeigeführte Wärmestau reicht aus, um auch schon im Inneren der Verdampfungszone, bzw. den innen gelegenen Schichten des Kapillarstreifens den Siedevorgang auszulösen. Dadurch wird aber bewirkt, dass der zwischen den beiden äussersten Schichten montierte Thermistor sowohl von innen als auch von aussen her nur mit Flüssigkeit in Berührung kommt, die bereits siedet und die richtige Siedetemperatur schon erreicht hat.
Dieser Umstand gewährleistet jedoch erst ein so hohes Mass an Messgenauigkeit, dass damit die von der WMO geforderte Höhenfehlergrenze eingehalten werden kann.
Vergleichstabelle
EMI4.1
<tb>
<tb> Höhe <SEP> Druck <SEP> Höhendifferenz <SEP> Aneroid <SEP> Hypsometer
<tb> km <SEP> mb <SEP> rn/I <SEP> mb <SEP> mb/15 <SEP> m <SEP> oC/15 <SEP> m <SEP>
<tb> 1 <SEP> 900 <SEP> 9 <SEP> 1, <SEP> 67 <SEP> 0, <SEP> 045 <SEP>
<tb> 2 <SEP> 800 <SEP> 10 <SEP> 1, <SEP> 50 <SEP> 0, <SEP> 045 <SEP>
<tb> 3 <SEP> 700 <SEP> 11 <SEP> 1, <SEP> 34 <SEP> 0, <SEP> 045 <SEP>
<tb> 4 <SEP> 616 <SEP> 12, <SEP> 5 <SEP> 1, <SEP> 20 <SEP> 0, <SEP> 045 <SEP>
<tb> 5 <SEP> 540 <SEP> 14 <SEP> 1, <SEP> 10 <SEP> 0, <SEP> 045 <SEP>
<tb> 6 <SEP> 472 <SEP> 15, <SEP> 5 <SEP> 0, <SEP> 96 <SEP> 0, <SEP> 045 <SEP>
<tb> 7 <SEP> 410 <SEP> 17, <SEP> 3 <SEP> 0, <SEP> 87 <SEP> 0, <SEP> 045 <SEP>
<tb> 8 <SEP> 356 <SEP> 19, <SEP> 4 <SEP> 0, <SEP> 77 <SEP> 0, <SEP> 045 <SEP>
<tb> 9 <SEP> 307 <SEP> 21, <SEP> 9 <SEP> 0, <SEP> 68 <SEP> 0,
<SEP> 045 <SEP>
<tb> 10 <SEP> 264 <SEP> 24, <SEP> 9 <SEP> 0, <SEP> 61 <SEP> 0, <SEP> 045 <SEP>
<tb> 11 <SEP> 226 <SEP> 28, <SEP> 1 <SEP> 0, <SEP> 53 <SEP> 0, <SEP> 045 <SEP>
<tb> 12 <SEP> 193 <SEP> 32, <SEP> 9 <SEP> 0, <SEP> 45 <SEP> 0, <SEP> 045 <SEP>
<tb> 14 <SEP> 141 <SEP> 45, <SEP> 1 <SEP> 0, <SEP> 33 <SEP> 0, <SEP> 040 <SEP>
<tb> 16 <SEP> 103 <SEP> 62 <SEP> 0, <SEP> 24 <SEP> 0, <SEP> 040 <SEP>
<tb> 18 <SEP> 75 <SEP> 85 <SEP> 0, <SEP> 176 <SEP> 0, <SEP> 035 <SEP>
<tb> 20 <SEP> 55 <SEP> 117 <SEP> 0, <SEP> 13 <SEP> 0, <SEP> 035 <SEP>
<tb> 22 <SEP> 40 <SEP> 162 <SEP> 0, <SEP> 09 <SEP> 0, <SEP> 035 <SEP>
<tb> 24 <SEP> 29 <SEP> 224 <SEP> 0, <SEP> 067 <SEP> 0, <SEP> 030 <SEP>
<tb> 26 <SEP> 21, <SEP> 5 <SEP> 310 <SEP> 0, <SEP> 048 <SEP> 0, <SEP> 030 <SEP>
<tb> 28 <SEP> 16 <SEP> 429 <SEP> 0, <SEP> 035 <SEP> 0, <SEP> 030 <SEP>
<tb> 30 <SEP> 11, <SEP> 7 <SEP> 593 <SEP> 0,
<SEP> 025 <SEP> 0, <SEP> 025 <SEP>
<tb> 31 <SEP> 10, <SEP> 1 <SEP> 697 <SEP> 0, <SEP> 020 <SEP> 0, <SEP> 025 <SEP>
<tb>
Messgenauigkeit Aneroid : : ! : 2 mb
Hypsometer : 0, 01 C