CH647078A5 - Measuring arrangement for determining terrestrial refraction - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Bestimmung der terrestrischen Refraktion insbesondere bei geodäti- 25 sehen Messungen. Die Anwendung der Erfindung ist insbesondere bei ingenieurgeodätischen Absteckungen mittels elektronischem Tachymeter zweckmässig, wenn Sollhöhen auf trigonometrischem Wege zu übertragen sind. Die Erfindung kann bei der Präzisionstachymetrie, bei Präzisionsnivel- 30 lements und bei der Steuerung von Baumaschinen z.B. mittels eines aktiven Zielstrahles (z.B. Laserstrahl) angewendet werden.

Es ist bekannt, dass sich in den bodennahen Luftschichten die Refraktion nicht mit der für praktische Zwecke erforderlichen Zuverlässigkeit angeben lässt. Die Ursache der 35 Refraktion ist der unterschiedliche Zustand der Luftschichten. Aus umfangreichen experimentellen Untersuchungen ist bekannt, dass zwischen der Zielstrahlablenkung und dem vertikalen Temperaturgradienten eine starke Korrelation besteht, so dass der Refraktionskoeffizient in'der Hauptsache aus dem40 Temperaturgradienten bestimmt werden kann.

Bei der trigonometrischen Höhenübertragung lässt sich der Refraktionseinfluss durch simultane gegenseitige Zenitwinkelmessung weitgehend eliminieren. Es kann dabei aber noch ein Restfehler als Folge unterschiedlicher Refraktions- 45 koeffizienten an beiden Endpunkten auftreten. Bei einerseitiger trigonometrischer Höhenübertragung, wie es bei Abstek-kungen, bei der Präzisionstachymetrie und bei der Steuerung von Baumschinen mittels eines aktiven Zielstrahles der Fall sein kann, unterliegen die Messwerte der Refraktion. Zur 50 möglichst genauen Erfassung des wirksamen Refraktionskoeffizienten müsste der Temperaturgradient entlang der Lichtbahn zwischen dem geodätischen Messinstrument und dem Zielpunkt bekannt sein. Auch in Erdbodennähe kann als Näherung für die Lichtbahn ein Kreisbogen angenommen 55 und der Temperaturgradient aus Temperaturdifferenzmessungen zwischen Punkten unterschiedlicher Höhe in der Nähe des Instrumentenstandpunktes und zur Verbesserung des Ergebnisses zusätzlich auch noch durch Temperaturdifferenzmessung am Zielpunkt ermittelt werden. Weitere Tempe- 60 raturdifferenzmessungen an diskreten Punkten in Richtung des Zielstrahles sind bei wissenschaftlichen Untersuchungen vorgenommen worden. Solche Messungsanordnungen mit mehreren Temperaturdifferenzmessstationen zwischen Stand-und Zielpunkt sind bei praktischen Arbeit zu aufwendig, 65 denn sie müssten laufend neu aufgebaut werden, weil die Zielpunkte im allgemeinen in unterschiedlichen Richtungen liegen.

Es ist bekannt, dass zielweitenabhängige Refraktionsschwankungen möglich sind. So kann z.B. anschaulich erwartet werden, dass mit der Mitteilung über differentiell benachbarte lokale Refraktionskoeffizienten die Genauigkeit mit wachsender Entfernung vom geodätischen Messinstrument abnimmt, d.h. dass für die Bestimmung eines wahrscheinlichen Refraktionskoeffizienten die lokalen Refraktionskoeffizienten in Standpunkthöhe von grösserem Einfluss auf die Ablenkung des Zielstrahles sind als die weiter entfernten. Das bekannte Verfahren der Bestimmung der Refraktionswinkel unter Ausnutzung des Dispersionseffektes erfordert einen hohen gerätetechnischen Aufwand und lässt sich in den bodennahen Luftschichten wegen der dort vorhandenen Turbulenz kaum praktisch anwenden.

Das Ziel der Erfindung ist es, die terrestrische Refraktion bei ingenieurgeodätischen und bautechnischen Arbeiten genauer zu bestimmen, als es nach herkömmlichen Verfahren möglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Messanordnung anzugeben, die es ermöglicht, für eine bestimmte Reichweite - vom Instrumentenstandpunkt ausgehend - kontinuierlich Messwerte zu ermitteln, aus denen auf die momentane Refraktion geschlossen werden kann. Dies wird erfin-dungsgemäss dadurch erzielt, dass sie sich aus einem geodätischen Messinstrument, einer elektronischen Recheneinrichtung und einer Vorrichtung zur Messung der Laufzeitdifferenz von Schallwellen, bestehend aus einem Schallsendeteil und einem Schallempfangsteil, zusammensetzt. Diese Anordnung dient dazu, aus der Laufzeitdifferenz von Schallwellen die Refraktion zu ermitteln. Die jeweilige Messstrecke zwischen geodätischem Messinstrument und Zielpunkt oder eine repräsentative Strecke geeigneter Orientierung wird von einer Schallwelle mit festgelegter Frequenz durchlaufen. Aus der Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit vom Zustand der

Luft kann auf die jeweilige Refraktion geschlossen werden.

Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die Laufzeiten der Schallwellen bei gleichen Weglängen sich voneinander unterscheiden, wenn Luftschichten verschiedener Temperatur durchlaufen werden.

Die erfindungsgemässe Messanordnung zur Bestimmung der terrestrischen Refraktion wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles zur Bestimmung der Vertikalrefraktion näher erläutert.

In den zugehörigen Zeichnungen zeigen

Fig. 1 : die schematische Messanordnung zur Bestimmung der Vertikalrefraktion und

Fig. 2: das schematische Blockschaltbild der Vorrichtung V 1 zur Messung der Laufzeitdifferenz von Schall.

Eine geeignete Ausführungsform der Messanordnung zur Bestimmung der terrestrischen Refraktion besteht aus einem geodätischen Messinstrument, einer elektronischen Recheneinrichtung und einer ersten Vorrichtung oder einer zweiten Vorrichtung. Die erste Vorrichtung dient zur Messung der Laufzeitdifferenz von Schallwellen. Sie besteht aus einem Schallsendeteil S und einem Schallempfangsteil E (Fig. 2). Zum Schallsendeteil S gehören ein Impulsgenerator 1 und ein elektroakustischer Wandler 2. Der Schallempfangsteil E besteht aus zwei Mikrophonen Mi und M2 und einer Schaltung zur Messung und Anzeige der Laufzeitdifferenz. Die beiden Mikrophone Mi und M2 sind senkrecht übereinander in verschiedenen Höhen an dem geodätischen Messinstrument selbst befestigt oder in seiner unmittelbaren Nähe aufgestellt. Werden die beiden Mikrophone Mi und Mi horizontal nebeneinander aufgebaut, so kann mittels einer solchen Anordnung die horizontale Komponente der Refraktion bestimmt werden. Der Schallsendeteil S kann an einem für die Bestimmung des Refraktionskoeffizienten repräsentativen

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Ort stationär oder zusammen mit dem zur Tachymeterausrü-stung gehörenden Reflektor jeweils ortsveränderlich aufgestellt werden.

In einem Koordinatensystem kann die räumliche Lage der Mikrophone Mi und M2 des Schallsendeteiles S durch räum- 5 liches polares Anhängen festgelegt werden. Die Schrägstrek-ken s'i und s': (Fig. 1) zwischen dem Schallsendeteil S und den Mikrophonen Mi und M2 lassen sich mittels der elektronischen Recheneinrichtung berechnen.

Der elektroakustische Wandler 2 wandelt die vom Impuls-10 generator 1 erzeugten elektrischen Impulse in Schallimpulse um. Die vom Schallsendeteil S abgegebenen Schallimpulse durchlaufen die Schrägstrecken s'i und s'2. Bei unterschiedlichen vertikalen Temperaturgradienten entlang dieser Strek-ken gelangen die Schallimpulse mit einer Laufzeitdifferenz an15 die Mikrophone Mi und Mz. Diese Differenz wird in der nachfolgenden Schaltung gemessen und angezeigt. Die Laufzeitdifferenz, gewissermassen eine gemittelte Grösse bzw. ein repräsentativer Wert für die unterschiedlichen, vom Schall durchlaufenden Temperaturfelder, dient zur Ableitung des 20 vorhandenen mittleren vertikalen Temperaturgradienten auf dem Weg vom Schallsendeteil S zum Schallempfangsteil E. Aus dem Temperaturgradienten kann mit Hilfe der elektronischen Recheneinrichtung nach bekannten mathematischen Beziehungen der momentane Refraktionskoeffizient berech- 25 net werden. Die zweite Vorrichtung hat dieselbe Funktion wie die erste Vorrichtung. Bei der zweiten Vorrichtung besteht der Schallsendeteil S aus einem Impulsgenerator 1 und zwei senkrecht übereinander angeordneten elektroakustischen Wandlern 2. 30

Die Messanordnung zur Bestimmung der Vertikalrefraktion kann aus einem elektronischen Tachymeter T mit einer elektronischen Recheneinrichtung und einer ersten Vorrichtung, bestehend aus einem Schallsendeteil S und einem Schallempfangsteil E, aufgebaut werden (Fig. 1). Der Schall- 35 sendeteil S kann entweder in einer repräsentativen Entfernung vom Instrumentenstandpunkt stationär (z.B. 200 bis 300 m in der Hauptrichtung einer Absteckung) oder bei nicht zu grossen Messstrecken s' (abhängig von der Leistung des Schallsendeteiles S) jeweils ortsveränderlich zusammen mit 40 dem zur Tachymeterausrüstung gehörenden Reflektor aufgestellt werden. Zum Schallempfangsteil E gehören zwei Mikrophone Mi und Ma, die senkrecht übereinander in den Höhen zi und Z2 über der Erdoberfläche am elektronischen Tachymeter T selbst befestigt oder in seiner unmittelbaren Nähe aufge-45 stellt werden. Der Schallempfangsteil E besteht aus den beiden Mikrophonen Mi und M2 mit Verstärkern, einem Erstim-pulszuordner 3, einer Torschaltung 4, einem Frequenzgenerator 5, einer Teilerstufe 6, einem Zähler 7, einer Zifferanzeige 8, einem Steuerteil 9 und einem Schalter 10. In einem x, y, z- 30 Koordinatensystem (z.B. örtliches System: Lotlinie im Instrumentenstandpunkt = z-Achse, Richtung der x-Achse = Nullrichtung des Horizontalkreises und Ursprung = Durchstoss-punkt der z-Achse durch die Erdoberfläche) kann durch räumliches polares Anhängen die Lage der Mikrophone Mi 55 und M2 sowie des Schallsendeteiles S festgelegt werden. Mittels der elektronischen Recheneinrichtung lassen sich die Schrägstrecken si' und s:' zwischen den Mikrophonen Mi und M; und dem Schallsendeteil S berechnen. Durchlaufen die vom Schallsendeteil S abgegebenen Impulse entlang der 60 Schrägstrecken si' und S2' unterschiedliche Temperaturfelder, so kommen sie mit einer Laufzeitdifferenz am Schallempfangsteil E an. Diese Laufzeitdifferenz wird genau gemessen und als Eingangsgrösse zur Berechnung eines mitteleren Refraktionskoeffizienten nach bekannten Beziehungen der Schallausbreitung in Luft und der Ableitung des Refraktionskoeffizienten aus dem Temperaturgradienten benutzt. Der Schallsendeteil S kann z.B. so aufgebaut werden, dass der Impulsgenerator 1 Impulse von 1 bis 2 ms mit einer Pause von 250 ms erzeugt. Durch die Mikrophone Mi und M2 mit Verstärkern werden die Schallimpulse in elektrische Impulse gewandelt und verstärkt. Das Vorzeichen der Laufzeitdifferenz der Schallimpulse (Vorzeichen der mittleren Temperaturdifferenz zwischen den Schrägstrecken si' und s2' wird mittels des Erstimpulszuordners 3 erfasst. Der Erstimpuls über das eine Mikrophon Mi oder M2 öffnet die Torschaltung 4, der später ankommende Impuls über das andere Mikrophon M2 oder Mi schliesst sie. Bei geöffneter Torschaltung 4 können die vom Frequenzgenerator 5 z.B. mit einer Frequenz von 100 kHz erzeugten Impulse das Tor passieren. Sie werden vom Zähler 7 gezählt. Der Inhalt des Zählers 7 entspricht der Laufzeitdifferenz der Schallimpulse und wird mittels der Zifferanzeige 8 angezeigt. Durch das Steuerteil 9 wird der Zähler 7 nach erfolgter Anzeige von etwa 200 ms wieder auf Null gestellt. Durch eine Teilerstufe 6, die entsprechend der Länge der Messstrecke s' mit Hilfe des Schalters 10 umgeschaltet werden kann (z.B. für s' = 100 m, 200 m, 400 m), wird die Frequenz der Impulse des Impulsgenerators 5 geteilt. Diese Teilung ermöglicht die Erfassung einer Laufzeitdifferenz von 0 bis 990 us in Stufen von jeweils 10 us, und zwar bezogen auf eine Messstrecke s' = 100 m. Einer Laufzeitdifferenz von 10 us entspricht dabei eine Temperaturdifferenz von 0,02 K. Die zweite Vorrichtung kann prinzipiell wie die erste Vorrichtung aufgebaut werden. Der Schallsendeteil S wird bei der zweiten Vorrichtung so aufgebaut, dass zwei elektroakustische Wandler 2 (z.B. Lautsprecher) senkrecht übereinander in demselben Abstand wie die beiden Mikrophone Mi und M2 z.B. an einer Nivellierlatte verschiebbar angeordnet werden, so dass speziell bei horizontalen Zielungen die Strecke zwischen dem Mikrophon Mi und dem unteren bzw. zwischen dem Mikrophon M2 und dem oberen elektroakustischen Wandler ebenfalls horizontal sind. Die Mikrophone Mi und M2 können an der anderen Nivellierlatte befestigt werden. Die zweite Vorrichtung kann insbesondere beim Präzisionsnivellement angewendet werden.

Für die Schallgeschwindigkeit vT, und vT2 bei den absoluten Gastemperaturen Ti und T2 in ein und demselben Gas gilt

T,

T,

Auf den Schrägstrecken si' und S2' (Fig. 1) könnten die mittleren Schallgeschwindigkeiten vT, und vT2 bei den mittleren Lufttemperaturen Ti und T2 berechnet werden, wenn die Laufzeiten ti und t2 der Schallimpulse bekannt wären

S '

vj = —

1 *1

bzw.

s2

Vm = — t2

Mit diesen Werten, der Laufzeitdifferenz At = t2 - ti und der mittleren Temperaturdifferenz AT = T> - Ti lautet obige Gleichung

4

<2

si s. .

1

s2

1 +

A t

-Ar

1r

A T

2To

647 078

4

Für die Berechnung der mittleren Temperaturdifferenz AT auf den Schrägstrecken si' und S2' ergibt sich folgende Gleichung

2T2

■1 -

si

1 +

4*

Die Laufzeitdifferenz At wird im Schallempfangsteil E gemessen. Anstelle der mittleren Lufttemperatur Ti kann als Näherung die Lufttemperatur TM2 am Mikrophon M2, also in der Höhe z2, eingeführt werden: T2 « TM2. Näherungsweise kann die Laufzeit ti aus der Schallgeschwindigkeit für trok-kene atmosphärische Luft bei Normaldruck und aus der Schrägstrecke si' berechnet werden t _ S1

M ~ 2 .

331,3 + 0,6 C% - 273,15)

Für die Masseinheiten gilt dabei [ti] = s, [si'] = m und [Tm2] = K. Da die Laufzeit ti der Schallimpulse auf der Schrägstrecke si' vom Zustand der Luft (Druck, Temperatur, Feuchtigkeit, Zusammensetzung und Wind) abhängig ist, können aus ihrer Messung realere Werte als nach obiger Näherungsrechnung erwartet werden.

Zwecks genauer Messung der absoluten Laufzeit ti der Schallimpulse kann der Schallsender über einen Funkkanal gesteuert werden. Wird das Mikrophon Mi in der Höhe zi = 1 m über dem Erdboden angeordnet, dann lässt sich der mittlere vertikale Temperaturgradient Ti für 1 m Höhe aus der mittleren Temperaturdifferenz AT und der Höhe Z2 des Mikrophons M2 berechnen

- AT

In z.

Der mittlere vertikale Temperaturgradient t in einer beliebigen Höhe 21 (z.B. Kippachsenhöhe des Tachymeters) ergibt sich aus der Beziehung r =

ri

30

Mit x kann quasi ein mittlerer lokaler Refraktionskoeffizient, der etwa dem wirksamen Refraktionskoeffizienten entspricht, nach bekannten Formeln berechnet werden.

g

1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

1. 647 078

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   PATENTANSPRÜCHE

   1. Messanordnung zur Bestimmung der terrestrischen Refraktion, gekennzeichnet dadurch, dass sie sich aus einem geodätischen Messinstrument, einer elektronischen Recheneinrichtung und einer Vorrichtung zur Messung der Laufzeit- 5 differenz von Schallwellen, bestehend aus einem Schallsendeteil (S) und einem Schallempfangsteil (E), zusammensetzt.
2. 2. Messanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Schallsendeteil (S) aus einem Impulsgenerator (1) und einem oder zwei vorzugsweise senkrecht über- 10 einander angeordneten elektroakustischen Wandler (2)

   besteht.
3. 3. Messanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass der Schallempfangsteil (E) aus zwei senkrecht übereinander und/oder horizontal nebeneinander angeordne-15 ten Mikrophonen (Mi) und (M2), einem Erstimpulszuordner (3), einer Torschaltung (4), einem Frequenzgenerator (5),

   einer Teilerstufe (6), einem Zähler (7), einer Ziffernanzeige

   (8), einem Steuerteil (9) und einem Schalter (10) besteht.

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