DD142384A1 - MEASURING ARRANGEMENT FOR DETERMINING THE TERRESTRIAL REFRACTION - Google Patents
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Description
21 164021 1640
Dipl.-Ing. Wolfgang Meyl · Dresden, den 14.03.1979 Dipl.-Phys, Horst Stegmann Ing, Peter HentschelDipl.-Ing. Wolfgang Meyl · Dresden, 14.03.1979 Dipl.-Phys, Horst Stegmann Ing, Peter Hentschel
Titel der ErfindungTitle of the invention
Meßanordnung zur Bestimmung der terrestrischen RefraktionMeasuring arrangement for determining the terrestrial refraction
Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention
Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zur Bestimmung der terrestrischen Refraktion bei geodätischen 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 Präzisionsnivellements und bei der Steuerung von Baumaschinen z.B. mittels eines aktiven Zielstrahles (z.B. Laserstrahl) angewendet werden.The invention relates to a measuring arrangement for determining the terrestrial refraction in geodetic measurements. The application of the invention is expedient, in particular in the case of engineering geodesic stakeouts by means of an electronic tachymeter, when nominal heights are to be transmitted in a trigonometric manner. The invention can be used in precision tachymetry, in precision leveling and in the control of construction machinery e.g. by an active aiming beam (e.g., laser beam).
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen Es ist bekannt, daß sich in den bodennahen Luftschichten die Refraktion nicht mit der für praktische Zwecke erforderlichen Zuverlässigkeit angeben läßt. Die Ursache der 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 dem Temperaturgradienten bestimmt werden kann.Characteristic of the known technical solutions It is known that refraction can not be indicated with the reliability required for practical purposes in the air layers near the ground. The cause of the refraction is the different state of the air layers. From extensive experimental investigations it is known that there is a strong correlation between the target beam deflection and the vertical temperature gradient, so that the refraction coefficient can be determined mainly from the temperature gradient.
Bei der trigonometrischen Höhenübertragung läßt sich der Refraktionseinfluß durch simultan-e gegenseitge Zenitwinkelmessung weitgehend eliminierene Es kann dabei aber noch ein Restfehler .als Folge unterschiedlicher Refraktionskoeffizienten an beiden Endpunkten auftreten. Bei einseitiger trigonometrischer Höhenübertragung, wie es bei Absteckungen, bei der Präzisionstachymetrie und bei der Steuerung von Baumaschinen mittels eines aktiven Zielstrahles der Fall sein kann, unterliegen die Meßwerte der Refraktion. Zur möglichst genauen Erfassung des wirksamen Refraktionskoeffizienten müßte der Temperaturgradient entlang der Lichtbahn zwischen dem geodätischen Meßinstrument und dem Zielpunkt bekannt sein. Auch in EMbodennähe kann als Näherung für die Lichtbahn ein Kreisbogen angenommen 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 Temperaturdifferenzmessungen an diskreten Punkten in Richtung des Zielstrahles sind bei wissenschaftlichen Untersuchungen vorgenommen worden. Solche Messungsan— Ordnungen mit mehreren Temperaturdifferenzmeßstationen zwischen Stand- und Zielpunkt sind bei praktischen Arbeiten zu aufwendig, denn sie müßten laufend neu aufgebaut werden, weil die Zielpunkte im allgemeinen in unterschiedlichen Richtungen liegen.In the trigonometric height transmission, the Refraktionseinfluß gegenseitge zenith angle measurement can largely eliminate e However, it can while still a residual error .as a result of different refraction coefficients occur at both ends by simultaneously-e. In the case of one-sided trigonometric transmission of heights, as may be the case in stakes, in precision stochymetry and in the control of construction machines by means of an active aiming beam, the measured values are subject to refraction. For the most accurate detection of the effective refraction coefficient of the temperature gradient along the light path between the geodetic measuring instrument and the target point should be known. Also near the ground can be used as an approximation for the light path a circular arc and the temperature gradient of temperature difference measurements between points of different heights near the instrument standpoint and to improve the result additionally also be determined by temperature difference measurement at the target point. Further temperature difference measurements at discrete points in the direction of the aiming beam have been made in scientific investigations. Such Messungsan- orders with several Temperaturdifferenzmeßstationen between stationary and target point are too expensive in practical work, because they would have to be constantly rebuilt, because the target points are generally in different directions.
Es ist bekannt, daß zielweitenabhängige RefraktionsSchwankungen möglich sind» So kann z.B. anschaulich erwartet werden, daß mit der Mittelung 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 Standpunktnähe 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«It is known that target-size-dependent refraction fluctuations are possible. It can be clearly expected that with the averaging over differentially adjacent local refraction coefficients the accuracy decreases with increasing distance from the geodetic measuring instrument, ie that for the determination of a probable refraction coefficient, the local refraction coefficients in the vicinity of the position are of greater influence on the deflection of the aiming beam than the farther "The known method of determining the refraction angle by utilizing the dispersion effect requires a high expenditure on equipment and can hardly be practically used in the near-surface air layers because of the turbulence present there."
Ziel der ErfindungObject of the invention
Das Ziel der Erfindung ist es, die terrestrische Refraktion bei ingenieurgeodätischen und bautechnischen Arbeiten genauer zu bestimmen als es nach herkömmlichen Verfahren möglich ist.The aim of the invention is to determine the terrestrial refraction in engineering geodetic and civil engineering work more accurate than is possible by conventional methods.
Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention
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. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe so gelöst, daß die jeweilige Meßstrecke zv/ischen geodätischem Meßinstrument und Zielpunkt oder eine repräsentative Strecke geeigneter Orientierung von einer Schallwelle mit festgelegter Frequenz durchlaufen wird· Aus der Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit vom Zustand der Luft kann auf die jeweilige Refraktion geschlossen werden.The object of the invention is to specify a measuring arrangement which makes it possible, for a specific range starting from the instrument standpoint, to continuously determine measured values from which the instantaneous refraction can be deduced. According to the invention, this object is achieved in that the respective test section zv / ischen geodetic measuring instrument and target point or a representative route suitable orientation of a sound wave with a fixed frequency is traversed · From the dependence of the speed of sound from the state of the air can be concluded on the respective refraction.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die laufzeiten der Schallwellen bei gleichen Weglängen sich voneinander unterscheiden, wenn Luftschichten verschiedener Temperatur durchlaufen werden.The invention is based on the recognition that the transit times of the sound waves with the same path lengths differ from one another when air layers of different temperatures are passed through.
Eine erfindungsgemäße Meßanordnung zur Bestimmung der terrestrischen Refraktion besteht aus einem geodätischen Meßinstrument, einer elektronischen Recheneinrichtung und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung V 1 oder einer erfindungsgemäßen Vorrichtung V 2, Die erfindungsgemäße Vorrichtung V 1 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 M. und IL· und einer Schaltung zur Messung und Anzeige der Laufzeitdifferenz. Die beiden Mikrophone M, und Mp .sind senkrecht übereinander in verschiedenen Höhen an dem geodätischen Meßinstrument selbst befestigt oder in seiner unmittelbaren Nähe aufgestellt. V/erden die beiden Mikrophone M^ und Mp horizontal nebeneinander aufgebaut, so kann mittels einer solchen Anordnung die horizontale Komponen-A measuring arrangement according to the invention for determining the terrestrial refraction consists of a geodetic measuring instrument, an electronic calculating device and a device V 1 according to the invention or a device V 2 according to the invention. The device V 1 according to the invention is used to measure the transit time difference of sound waves. It consists of a sound transmission part S and a sound receiving part E, Fig. 2. The sound transmission part S includes a pulse generator 1 and an electroacoustic transducer 2 · The sound receiving part E consists of two microphones M. and IL · and a circuit for measuring and displaying the time difference. The two microphones M, and Mp. Are vertically mounted one above the other at different heights on the geodetic measuring instrument itself or placed in its immediate vicinity. If the two microphones M and Mp are constructed horizontally next to each other, the horizontal components can be arranged by means of such an arrangement.
- 4- - fc ι ι ν τ vr- 4- - fc ι ι ν τ vr
te der Refraktion bestimmt werden» Der Schallsendeteil S kann an einem für die Bestimmung des Refraktionskoeffizienten repräsentativen Ort stationär oder zusammen mit dem zur Taohymeterausrüstung gehörenden Reflektor jeweils ortsveränderlich aufgestellt werden,»The sound-emitting part S can be placed stationary at a location representative of the refraction coefficient, or it can be placed in a mobile location together with the reflector belonging to the Taohymeter equipment.
In einem Koordinatensystem kann die räumliche Lage der Mikrophone M, und M~ und des Schallsendeteiles S durch räumliches polares Anhängen festgelegt werden. .Die Schrägstrecken s! und si, Fig. Λ zwischen dem Schallsendeteil S und den Mikrophonen Μ, und Mp lassen sich mittels der elektronischen Recheneinrichtung berechnen.In a coordinate system, the spatial position of the microphones M, and M ~ and the sound transmission part S can be determined by spatial polar attachment. .The slanting s! and si, Fig. Λ between the sound transmitting part S and the microphones Μ, and Mp can be calculated by the electronic calculating means.
Der elektroakustisch^ Wandler 2 wandelt die vom Impulsgenerator 1 erzeugten elektrischen Impulse in Schallimpulse um. Die vom Schallsendeteil S abgegebenen Schallimpulse durchlaufen die Schrägstrecken si und sk» Bei unterschiedlichen vertikalen Temperaturgradienten entlang dieser Strecken gelangen die Schallimpulse mit einer Laufzeitdifferenz an die Mikrophone M. und M2. Diese Differenz wird in der nachfolgenden Schaltung gemessen und angezeigte Die Laufzeitdifferenz, gewissermaßen eine gemittelte Größe bzwo ein repräsentativer Wert für die unterschiedlichen, vom Schall durchlaufenden Temperaturfelder, dient zur Ableitung des vorhandenen mittleren vertikalen Temperaturgrdienten auf dem Weg vom Schallsendeteil S zum Schallempfangsteil Ee Aus dem Temperaturgradienten kann mit Hilfe der elektronischen Recheneinrichtung nach bekannten mathematischen Beziehungen der momentane Refraktionskoeffizient berechnet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung Y 2 hat dieselbe Funktion wie die Vorrichtung V 1« Bei der Vorrichtung V 2 besteht der Schallsendeteil S aus einem Impulsgenerator 1 und zwei senkrecht übereinander angeordneten elektroakustischen Wandlern 2.The electroacoustic transducer 2 converts the electrical impulses generated by the pulse generator 1 into sound pulses. The sound pulses emitted by the sound transmission part S pass through the slanted sections si and sk. With different vertical temperature gradients along these sections, the sound pulses reach the microphones M and M 2 with a transit time difference. This difference is measured and displayed in the following circuit. The transit time difference, to some extent an average value or a representative value for the different temperature fields passing through the sound, serves to derive the existing average vertical temperature gradient on the way from the sound transmission part S to the sound reception part E e Aus The temperature gradient can be calculated with the help of electronic computing device according to known mathematical relationships of the instantaneous refraction coefficient. The device Y 2 according to the invention has the same function as the device V 1. In the device V 2, the sound transmission part S consists of a pulse generator 1 and two electroacoustic transducers 2 arranged vertically one above the other.
Ausführungsbeispielembodiment
Die erfindungsgemäße Meßanordnung zur Bestimmung der terrestrischen Refraktion wird nachstehend an Hand eines Ausführungsbeispieles zur Bestimmung der Vertikalrefraktion näher erläutertThe measuring arrangement according to the invention for determining the terrestrial refraction will be explained in more detail below with reference to an exemplary embodiment for determining the vertical refraction
In den zugehörigen Zeichnungen zeigen In the accompanying drawings show
Fig· 1: die schematische Meßanordnung zur Bestimmung derFig. 1: the schematic measuring arrangement for determining the
Yertikalrefraktion und Fig. 2: das schematische Blockschaltbild der Vorrichtung V 1Fig. 2 is the schematic block diagram of the device V 1
zur Messung der Laufzeitdifferenz von Schall. Die Meßanordnung zur Bestimmung der Vertikalrefraktion kann aus einem elektronischen Tachymeter T mit einer elektronischen Recheneinrichtung und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung V i, bestehend aus einem Schallsendeteil S und einem Schallempfangsteil E, aufgebaut v/erden, Fig· 1. Der Schallsendeteil 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 s1 (abhängig von der Leistung des Schallsendeteiles S) jeweils ortsveränderlich zusammen mit dem zur Tachymeterausrüstung gehörenden Reflektor aufgestellt werden« Zum Schallempfangsteil E gehören zwei Mikrophone M. und M2? die senkrecht übereinander in den Höhen z. und z? über der Erdoberfläche am elektronischen Tachymeter T selbst befestigt oder in seiner unmittelbaren Nähe aufgestellt werden. Der Schallempfangsteil E besteht aus den beiden Mikrophonen M, und Mp mit Verstärkern, einem Erstimpulszuordner 3t einer Torsohaltung 4j einem Frequenzgenerator j?, einer Teilerstufe 6, einem Zähler 7, einer Ziffernanzeige 8? einem Steuerteil 9 und einem Schalter 10. In einem x,y,z-Koordinatensystem (z.B. örtliches System: Lotlinie im Instrumentenstandpunkt =z—Achse, Richtung der x-Achse = Nullrichtung des Horizontalkreises und Ursprung = Durchstoßpunkt der z-Chse durch die Erdoberfläche) kann durch räumliches polares Anhängen die Lage der Mikrophone M. und M2 sowie des Schallsendeteiles S festgelegt werden. Mittels der elektronischen Recheneinrichtung lassen sich die Schrägstrecken s! und sX zwischen den Mikrophonen M, und M2 und dem Schallsendeteil S berechnen. Durchlaufen die vom Schallsendeteil S abgegebenen Impulse entlang der Schrägstrekken s! und s* unterschiedliche Temperaturfelder, so kommen sie mit einer Laufzeitdifferenz am Schallempfangsteil E an. Diese Laufzeitdifferenz wird genau gemessen und als Eingangsgröße zur Berechnung eines mittleren Refraktionskoeffizienten nach bekannten Beziehungen der Schallausbreitung in Luft und der Ableitung des Refraktionskoeffizienten aus dem Temperaturgradi-for measuring the transit time difference of sound. The measuring arrangement for determining the vertical refraction can be constructed from an electronic total station T with an electronic computing device and a device according to the invention V i, consisting of a sound transmitting part S and a sound receiving part E, Fig. 1. The sound transmitting part S can either in a representative Distance from the instrument standpoint stationary (eg 200 to 300 m in the main direction of a stakeout) or not too large measuring sections s 1 (depending on the performance of the sound S) each spatially set up together with the Tachymeterausrüstung belonging reflector «To the sound receiving part E include two Microphones M. and M 2 ? the vertically above each other in the heights z. and z ? be attached above the earth's surface on the electronic total station T itself or placed in its immediate vicinity. The sound receiving part E consists of the two microphones M, and Mp with amplifiers, a Erstimpulszuordner 3 t a Torsohaltung 4j a frequency generator j, a divider stage 6, a counter 7, a numeric display 8 ? a control part 9 and a switch 10. In an x, y, z coordinate system (eg local system: plumb line in the instrument viewpoint = z-axis, x-axis direction = zero direction of the horizontal circle and origin = piercing point of the z-axis through the earth's surface ) can be determined by spatial polar attachment, the location of the microphones M. and M 2 and the sound S section. By means of the electronic computing device, the oblique distances s! and calculate sX between the microphones M, and M 2 and the sound transmission part S. The pulses emitted by the sound transmitting part S pass through the slanted paths s! and s * different temperature fields, they arrive with a transit time difference at the sound receiving part E. This transit time difference is accurately measured and used as input to calculate a mean refraction coefficient according to known relationships of sound propagation in air and the derivative of the refraction coefficient from the temperature gradient.
— D —- D -
C \ ι ο *t ν C \ ι ο * t ν
enten 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 M. und Mp mit Verstärkern werden die Schallimpulse in elektrische Impulse gewandelt und verstärkt· Das Vorzeichen der Laufzeitdifferenz der Schallimpulse (Yorzeichen der.mittleren Temperaturdifferenz zwischen den Schrägstrecken s! und s£) wird mittels des Erstimpulszuordners 3 erfaßt. Der Erstimpuls über das eine Mikrophon JL oder M2 öffnet die Torschaltung 4, der später ankommende Impuls über das andere Mikrophon Mp oder M. 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 Laufzeitdifferemz der Schallimpulse und wird mittels der Ziffernanzeige 8 angezeigt· Durch das Steuerteil 9 wird der Zähler 7 nach erfolgter Anzeige von ca. 200 ms wieder auf Null gestellt. Durch eine Teilerstufe 6, die entsprechend der Länge der Meßstrecke s1 mit Hilfe des Schalters 10 umgeschaltet v/erden kann (z.B. für s1 *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 ob in Stufen von jeweils 10,US, und zwar bezogen auf eihe Meßstrecke s1 = 100 m. Einer Laufzeitdifferenz von Λ0Μ& entspricht dabei eine Temperaturdifferenz von 0,02 Ke Die erfindungsgemäße Vorrichtung V 2 kann prinzipiell wie die Vorrichtung V 1 aufgebaut werden. Der Schallsendeteil S wird bei der Vorrichtung V 2 so aufgebaut, daß zwei elektroakustisch^ Wandler 2 (z.B. Lautsprecher) senkrecht übereinander in demselben Abstand wie die beiden Mikrophone M, und Mp z.B. an einer Nivellierlatte verschiebbar angeordnet werden, so daß speziell bei horizontalen Zielungen die Strecken zwischen dem Mikrophon Μ· und dem unteren bzw. zwischen dem Mikrophon M2 und dem oberen elektroakustischen Wandler ebenfalls horizontal sind. Die Mikrophone Mj und M2 können an der anderen Nivellierlatte befestigt werden. Die Vorrichtung V 2 kann insbesondere beim Präzisionsnivellement angewendet werden·ducks used. The sound transmission part S can be constructed, for example, so that the pulse generator 1 generates pulses of 1 to 2 ms with a pause of 250 ms · Through the microphones M. and Mp with amplifiers, the sound pulses are converted into electrical impulses and amplified · The sign of the transit time difference the sound pulses (sign of the average temperature difference between the slanted sections s! and s?) is detected by means of the first pulse mapper 3. The first impulse via the one microphone JL or M 2 opens the gate 4, the later arriving impulse via the other microphone Mp or M. closes it · With the gate 4 open, the pulses generated by the frequency generator 5 eg at a frequency of 100 kHz can cause the impulse Gate pass, they are counted by counter 7. The content of the counter 7 corresponds to the transit time difference of the sound pulses and is indicated by means of the numeric display 8. By the control part 9, the counter 7 is set to zero again after the display of approximately 200 ms. By means of a divider stage 6, which can be switched according to the length of the measuring path s 1 with the aid of the switch 10 (eg for s 1 * 100 m, 200 m, 400 m), the frequency of the pulses of the pulse generator 5 is divided. This division makes it possible to detect a transit time difference of 0 to 990, whether in increments of 10, US, based on the measured distance s 1 = 100 m. A transit time difference of Λ0Μ & equals a temperature difference of 0.02 K e. In principle, the device V 2 according to the invention can be constructed like the device V 1. The sound transmitting part S is constructed in the device V 2 so that two electro-acoustic transducers 2 (eg speakers) are arranged vertically one above the other at the same distance as the two microphones M, and Mp, for example on a leveling staff, so that especially in horizontal destinations the Lines between the microphone Μ · and the lower or between the microphone M 2 and the upper electroacoustic transducer are also horizontal. The microphones Mj and M 2 can be attached to the other leveling staff. The device V 2 can be used in particular for precision leveling ·
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