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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung
der atmosphärischen Transmission
und Bestimmung der meteorologischen Sichtweite, wobei diese insbesondere
an Landebahnen zum Einsatz kommen.
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Lichtsendereinheit
und Lichtempfängereinheit
von Transmissometern stehen sich in einem festen Abstand, der sogenannten
Messbasislänge,
gegenüber.
Auf Grund des für
den Luftverkehr geforderten Sichtweitemessbereiches ergeben sich
typische Standardmessbasislängen
von 50 m und mehr, um die Ergebnisse der Transmissionsmessung fehlertolerant
in entsprechende Sichtweiten umwandeln zu können.
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Es
sind auch Ausführungsformen
bekannt, die eine kombinierte Lichtsende/empfangseinheit mit einer
Spiegeleinheit auf einer Basislänge
kombinieren. Hierbei durchläuft
das Senderlicht die Strecke zweifach.
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In
jedem Fall sind beide der genannten Geräteteile auf geeigneten Ständerkonstruktionen
aufgebaut, um die Nennhöhe
der Messung mit 2,5 m über
der Landebahnoberfläche
zu realisieren. Aus Stabilitätsgründen für die optische
Ausrichtung werden diese Ständerkonstruktionen üblicherweise
auf massiven Betonfundamenten fixiert.
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Um
den gesamten geforderten Sichtweitemessbereich für die höchste Kategorie im Flugbetrieb
(CAT IIIb) zu erreichen, werden üblicherweise zwei
unterschiedliche Messbasislängen
miteinander kombiniert. Eine zusätzliche
sogenannte Kurzbasis (Messbasislänge
10 m bis 15 m) liefert die Messwerte für den Bereich sehr geringer
Sichtweiten (< 100 m),
die für
die Standardmessbasislängen
(50 m bis 100 m) nicht mehr fehlertolerant generierbar sind. Üblicherweise
wird ein Lichtsender mit zwei Lichtempfängern kombiniert, auch Anordnungen
mit Lichtsende/empfangseinrichtung und zwei Spiegelsystemen sind
bekannt.
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Ferner
sind sogenannte Langbasistransmissometer mit Messbasislängen bis
zu 300 m bekannt, die insbesondere für den Sichtweitemessbereich
bis zu 10km zum Einsatz kommen.
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Um
Beeinflussungen durch das Umgebungslicht auszuschließen, wird
das Senderlicht intensitätsmoduliert,
der Lichtempfänger
reagiert vorzugsweise auf einfallendes Licht mit der bekannten Modulation.
Diese Modulation kann periodisch oder impulsförmig ausgeführt sein. Als Lichtquellen
sind vorzugsweise mechanisch (Choppermechanismus) oder sehr niederfrequent
modulierte Halogenquellen, niederfrequent gepulste Xenon-Blitzlampen,
aber auch Infrarotleuchtdioden und Laserlichtquellen bekannt.
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Aus
dem Messergebnis für
die atmosphärische
Transmission wird unter Zugrundelegung einer Kontrastschwelle die
meteorologische Sichtweite MOR (Meteorological Optical Range) wie
folgt berechnet: MOR(m) = (In K·B)/In
Twobei K = 0,05 (5%ige Kontrastschwelle),
B = die Messbasislänge in Metern
und
T = die normierte atmosphärische Transmission ist.
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Da
nun die Aufstellung, Inbetriebnahme und der Betrieb eines Transmissometers
zahlreiche problematische und schwer beherrschbare Einzelaspekte
beinhaltet sowie auch die Messgenauigkeit von Transmissometern durch
verschiedene Umwelteinflüsse
unerwünscht
beeinträchtigt
wird, sind unterschiedliche Maßnahmen
zur Vereinfachung der Aufstellung und/oder Inbetriebnahme sowie
der Reduzierung der unerwünschten
Umwelteinflüsse
auf das Transmissometer bekannt.
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Da
Lichtsender und Lichtempfänger
auf separaten Betonfundamenten aufgestellt werden, ist eine präzise optische
Ausrichtung zunächst
unumgänglich.
Dabei werden die individuellen Abweichungen in Aufstellung und Ausführung durch
Ausrichtung kompensiert. Selbst massivste Betonfundamente garantieren
nicht, dass deren Lage zueinander immer exakt unverändert bleibt.
Jede Drift der Betonfundamente führt
jedoch zur Abdrift der optischen Ausrichtung, was durchaus in der
Praxis vielfach zu beobachten ist und führt damit zwangsweise zu Sichtweitemessfehlern,
die sich identisch zu jenen darstellen, die durch die Verschmutzung
der optischen Außenflächen entstehen.
Die Ausrichtung muß aus
diesem Grund regelmäßig überprüft und gegebenenfalls
korrigiert werden. Hierbei kommen optische Hilfsmittel zum Einsatz,
die in den Strahlengang eingebracht werden, um die Qualität der Ausrichtung
zu überprüfen. Hierfür muß üblicherweise
die Messung unterbrochen werden. Eingriffe am Lichtsender und Lichtempfänger am
Aufstellort sind in jedem Fall erforderlich, sind zeitaufwändig und
stören
gegebenenfalls den Flugbetrieb. Eine weitere Fehlerquelle stellt
die Verschmutzung der optischen Außenflächen dar, die erkannt werden
und dann durch entsprechende Maßnahmen
kompensiert oder beseitigt werden muss. Diese optischen Außenflächen unterliegen
einer kontinuierlichen Verschmutzung, die selbst bei geringem Aufkommen
die Transparenz der Gerätescheiben
beeinträchtigen
und zu erheblichen Sichtweitemessfehlern, besonders am oberen Messbereichsende
führen.
Neben der regelmäßig notwendigen
und üblicherweise
häufig
auszuführenden
Reinigung der Gerätescheiben
sind verschiedene konstruktive Maßnahmen bekannt, um diese Verschmutzung
und den damit einher gehenden massiven Wartungsaufwand zu reduzieren.
Z. B. kommen Klappen zum Einsatz, welche die optischen Außenflächen nur
von Zeit zu Zeit freigeben, während
das System eine Messung durchführt.
Diese Methode hat den Nachteil von permanent bewegten Teilen im
Außenbereich,
der Gefahr des vollständigen
Funktionsverlustes im Falle eines Klappendefektes und der geringen
Messfolge, wenn die Technik eine spürbare Reduzierung der Verschmutzung
erreichen soll. Derartige Ausführungsformen
befinden sich nicht mehr nennenswert im praktischen Einsatz. Die
Patentschrift
US 4432649 beschreibt
einen derartigen Mechanismus für
in den Strahlengang einschwenkbare Elemente. Wetterschutzhauben
gehören
zum Standard und sind in praktisch jeder Ausführungsform zu finden. Die Schutzwirkung
dieser Hauben ist im Wesentlichen abhängig von ihrer Ausdehnung vor
den optischen Außenflächen. Die
Länge der
Wetterschutzhauben ist allerdings begrenzt durch das nötige Gesichtsfeld
für die
optischen Systeme und die zunehmende Windangriffsfläche.
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Durch
Wetterschutzhauben lassen sich nur die mit Niederschlag verbundenen
massiven Verschmutzungseffekte reduzieren. Das stetige Anwachsen
der Verschmutzung durch Staub und Feinstpartikel kann nicht signifikant
beeinflusst werden. Gebläse,
die einen Luftstrom auf oder vor den Gerätescheiben erzeugen, sind von
einigen Ausführungsformen
im praktischen Einsatz bekannt. Sie haben den Vorteil, auch Staub
und Feinstpartikel von den optischen Außenflächen teilweise fernhalten zu können. Allerdings
lässt sich
ein stetiges Anwachsen der Verschmutzung auch hier nicht vermeiden.
Auf Grund von Verwirbelungen im Luftstrom gelangt immer ein gewisser
Anteil der Schmutzpartikel auf die Gerätescheiben und beeinträchtigt die
Messleistung des so ausgestatteten Transmissometers. Aus der Patentschrift
EP 1300671 ist eine Vorrichtung
bekannt, in der bei Bedarf jeweils ein sauberes Segment einer kreisförmigen Gerätescheibe
in den optischen Strahlengang bei Lichtsender und Lichtempfänger durch
Drehung dieser Scheibe eingebracht werden kann. Diese Maßnahme ist
dazu geeignet, den Zeitraum zwischen den Reinigungen entsprechend
der Anzahl der zur Verfügung
stehenden Segmente zu verlängern.
Wenngleich auch der Schutz der sauberen Segmente vor Verschmutzung
und das Vorhandensein häufig
zu bewegender Teile im Außenbereich
nicht unproblematisch ist. In jeder der bekannten Ausführungsformen
ist früher
oder später die
Reinigung der Gerätescheiben
das einzig verläßliche Mittel,
um den Verschmutzungseffekt zu eliminieren. Die vollständige Verhinderung
einer Verschmutzung ist nicht möglich.
Neben den aufgeführten
Möglichkeiten
der Verhinderung oder Reduzierung der Verschmutzung sind verschiedene
Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die den Verschmutzungsgrad
der optischen Außenflächen von
optischen Messsystemen im Ausseneinsatz ermitteln. Aus der Patentschrift
US 4432649 ist ein Verfahren und
eine Vorrichtung bekannt, bei der die Veränderung der Totalreflexion
der Gerätescheibe
durch Schmutzpartikel ausgewertet wird. Unter dem Winkel der Totalreflexion
wird an einer Scheibenkante Licht mit Hilfe eines separaten Lichtsenders
eingekoppelt. Der Lichtstrom durchdringt die gesamte Scheibe in dem
typischen zickzackförmigen
Verlauf zwischen den beiden inneren Scheibengrenzflächen. Befinden sich
Schmutzpartikel auf den Oberflächen,
so wird ein Teil des Lichtes aus der Scheibe herausgestreut. An
der der Lichteinkopplung gegenüberliegenden Scheibenkante
befindet sich der zugehörige
Lichtempfänger,
der den verbleibenden Lichtstrom detektiert. Aus dem Schwund an
Lichtsignal nach dem Durchlaufen der Scheibe kann auf ihren Verschmutzungsgrad
geschlossen werden.
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Aus
der Patentschrift
EP 1300671 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, in der bei Bedarf jeweils
ein sauberes Segment einer kreisförmigen Gerätescheibe in den optischen
Strahlengang bei Lichtsender und Lichtempfänger durch Drehung dieser Scheibe
eingebracht werden kann. Durch den Vergleich der Messwerte bei verschmutztem
und temporär
eingebrachten sauberem Scheibensegment lässt sich eine Aussage über den
vorliegenden Verschmutzungsgrad treffen. Nachteil dieses Verfahrens
ist die jeweils nötige
Störung
der Transmissionsmessung zum Zwecke der Ermittlung des Verschmutzungsgrades
und die notwendigerweise häufig
bewegten mechanischen Elemente der Vorrichtung.
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Aus
der Patentschrift
EP 0745838 ist
ein Verfahren und eine Vorrichtung bekannt, das für eine Transmissionsmessanordnung
die Ausstattung mit abgewinkelt montierten Gerätescheiben bei zwei Lichtsende/-empfängern vorsieht,
die Transparenz dieser Gerätescheiben
mittels separater Scheibensender- und Scheibenempfängereinheiten
ermittelt und mit beiden vorliegenden Messergebnissen für die atmosphärische Transmission
in Beziehung setzt.
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Für das beschriebene
Verfahren sind zwingend zwei Geräteeinheiten
erforderlich, die beide sowohl einen Lichtsender, wie auch einen
Lichtempfänger
für die
Messung der atmosphärischen
Transmission auf zwei separaten Wegen durch unterschiedliche Gerätescheiben
erfordern.
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Transmissometer
benötigen
nach der Aufstellung und Ausrichtung eine Anpassung des von ihnen
ermittelten Messwertes für
die atmosphärische Transmission
und den sich daraus ergebenden Sichtweitewert an die realen Sichtverhältnisse
am Aufstellort. Dieser Anpassungsvorgang wird üblicherweise als Kalibrierung
bezeichnet. Unter besonderer Berücksichtigung
der Tatsache, dass ein Transmissometer im perfekt kalibrierten Betriebszustand
bei einer unendlich guten Sichtweite einen Transmissionswert von
100% erreichen soll, wird eine Kalibrierung üblicherweise bei sehr guten
Sichtverhältnissen >10 km durchgeführt, um
die geforderte Kalibrierungsbedingung wenigstens näherungsweise
zu erreichen, da Situationen mit nahezu unendlich guter Sichtweite üblicherweise
zu selten anzutreffen sind.
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So
wird denn auch die momentan vorhandene Sichtweite durch geschultes
Beobachtungspersonal abgeschätzt
und für
das betroffene Transmissometer der Messwert für die Transmission entsprechend
der Messbasislänge
eingestellt.
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Diese
Einstellung erfolgt vielfach rein manuell als elektronische „Empfindlichkeitseinstellung" am Empfänger oder
durch eine Justage der Lichtsenderintensität.
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Im
Zuge der elektronischen Datenverarbeitung sind auch rein rechnerische
Verfahren für
die Kalibrierung ermöglicht
worden. Der durch das Transmissometer gelieferte Messwert wird mit
einem zusätzlichen
Kalibrierfaktor beaufschlagt, der sich an der durch den Beobachter
ermittelten Sichtweite orientiert und nach Tastatureingabe der Beobachtersichtweite
durch die Datenverarbeitungseinheit automatisch berechnet wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren
zu schaffen, mit denen die Nachteile des Standes der Technik beseitigt
werden können.
Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe bei einer Vorrichtung zur Messung der atmosphärischen
Transmission und Bestimmung der meteorologischen Sichtweite mit
einer Sende- und Empfangseinheit, die auf jeweils einer Standrohrkonstruktion
befestigt sind, dadurch gelöst,
dass die Standrohrkonstruktion aus einem tragenden Innenrohr und einem
mechanisch vollständig
entkoppelten, das Innenrohr schützenden
Außenrohr
besteht, wobei an dem Innenrohr alle für die Messung notwendigen Einheiten,
die insbesondere für
die optische Ausrichtung von Sende- und Empfangseinheit verantwortlich sind,
angebracht sind und dass an dem Außenrohr sämtliche Konstruktionselemente
angebracht sind, die sich durch Eigengewicht, Windlast oder einseitige Sonneneinstrahlung
in ihrer Position verändern
können,
so dass die optische Ausrichtung durch diese Effekte unbeeinflusst
bleibt, dass eine Streulichtmessanordnung integraler Bestandteil
der Transmissionsmessanordnung ist und mit dem Außenrohr
direkt in Verbindung steht, dass jeweils der Sende- und Empfangseinrichtung
zum Schutz vor Verschmutzung der optischen und elektronischen Komponenten
V-förmig
unter 90° zueinander
positionierte Gerätescheiben
vorgeordnet sind, dass jeder V-förmigen Gerätescheibenanordnung
eine eigene Transmissionsmesseinrichtung zur Transparenzmessung
zugeordnet ist, die den Verschmutzungsgrad der Gerätescheibe
ermittelt, und dass sowohl das optische System des Senders als auch
des Empfängers
kardanisch verstellbar gelagert angeordnet sind. Als vorteilhaft
erweist es sich, wenn sowohl die Sende- als auch die Empfangseinrichtung
mit einem Spülluftsystem
derart ausgerüstet
sind, so dass die Flugbahn der Niederschlagspartikel gerichtet gegen
die Gerätescheiben
vor dem Auftreffen in Richtung zum Erdboden abgelenkt wird, so das
diese Niederschlagspartikel wie Regentropfen oder Schneeflocken
die optischen Außenflächen nicht
erreichen können.
Da die vorhandene Streulichtmessanordnung die Anwesenheit von Niederschlag
erfasst, kann diese Information zur Inbetriebnahme des Spülluftsystems
genutzt werden. Somit wird ein Dauerbetrieb vermieden, jedoch bei
Anwesenheit von Niederschlag die mögliche Ablagerung an den Gerätescheiben
verhindert. Die Streulichtmessanordnung ist vorzugsweise als eine Vorwärtsstreumessanordnung
ausgebildet. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer weißen Leuchtdiode
als Senderlichtquelle. Als weiterhin günstig erweist es sich, wenn
der Empfänger über eine
Synchrondemodulation verfügt
und fest mit der Modulationsfrequenz des Senders synchronisiert
ist.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe mit einem Verfahren zur Messung der atmosphärischen Transmission
und Bestimmung der meteorologischen Sichtweite dadurch gelöst, dass
in automatisch ausgewählten
Situationen ein Kalibrierungsfaktor bestimmt wird, wobei der Kalibrierungsfaktor durch
Quotientenbildung eines von einer Streulichtmessanordnung gelieferten
Sichtweitewertes, der in einen äquivalenten
Transmissionswert umgerechnet wurde und dem Messwert für die atmosphärische Transmission
gebildet wird, dass zwischen den automatisch ausgewählten Situationen
ein verschmutzungsbedingter Korrekturfaktor bestimmt wird, wobei der
Korrekturfaktor durch ständige
Transparenzmessung der Gerätescheiben,
die sich vor dem Sender und Empfänger
befinden, ermittelt wird, dass aus der Kenntnis des ermittelten
Korrekturfaktors und dem Kalibrierfaktor ein Ausrichtungsfaktor
ermittelt wird, der ein Äquivalent
dafür ist,
dass sich die optische Ausrichtung zwischen Sender und Empfänger verändert hat,
dass der Messwert für
die atmosphärische Transmission,
der von der Transmissionsmessanordnung ermittelt wurde, mit dem
Kalibrierungsfaktor und dem Korrekturfaktor beaufschlagt wird, dass
der ermittelte Ausrichtungsfaktor genutzt wird die Ausgangsjustierung
zwischen Empfänger
und Sender wieder herzustellen.
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Die
vorliegende Erfindung ist in der Lage, alle aus der Praxis bekannten
störenden
Einflüsse
einerseits zu vermeiden und andererseits detailliert zu erfassen
und gegebenenfalls zu kompensieren.
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Hierdurch
ergibt sich eine nahezu wartungsfreie Transmissionsmessanordnung
für die
Bestimmung der meteorologischen Sichtweite auf Flugplätzen.
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Die
Erfindung soll nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
In den dazugehörigen
Zeichnungen zeigen
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1 Tabelle
zur Darstellung des relativen Sichtweitemessfehlers für einen
angenommenen Scheibenverschmutzungsgrad von 1 %
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2 Grundaufbau
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
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3 Ablesefehlerbedingter
relativer Sichtweitemessfehler traditionell im Vergleich zur erfindungsgemäßen Vorrichtung
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4 Grundaufbau
der Ständerrohrkonstruktion
mit seinen wesentlichen daran befestigten Baugruppen
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5 Prinzipaufbau
der Sendeeinheit
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6 Prinzipaufbau
des Spülluftsystems
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7 Prinzipdarstellung
der Transmissionsmesseinrichtung für die Gerätescheiben Folgend dem Grundprinzip
der Transmissometer werden, wie aus 2 zu erkennen,
die auf Standrohrkonstruktionen 1 und durch Wetterschutzhauben 2 geschützte Sendeeinheit 3 und
Empfangseinheit 4 sich gegenüberliegend aufgestellt. Im
vorliegenden Fall beträgt der
Abstand, die sogenannte Messbasislänge, zwischen beiden Einheiten
30 m, wobei andere Standardmessbasislängen von 50m und 75 m ebenfalls realisierbar
sind.
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Zur
Erreichung der erforderlichen Messhöhe von 2,5 m sind Sendeeinheit 3 und
Empfangseinheit 4 an der Standrohrkonstruktion 1 angebracht.
Diese gewährleisten
eine besonders hohe Stabilität
insbesondere im Hinblick auf mögliche
Verwindungen durch einseitige Sonneneinstrahlung und Windlast.
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Die
Ausführung
der Standrohrkonstruktion 1 sieht eine Doppelrohrkonstruktion
vor, wobei der einzige mechanische Kontakt zwischen Innen- und Außenrohr
5,6 im Bereich der Bodenplatte realisiert ist.
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Diese
neuartige Ausführungsform
ermöglicht eine
vollständige
mechanische Trennung der für
die Messung relevanten Optoelektronikeinheiten von den anderen Teilen
der Konstruktion. Die Optoelektronikeinheiten werden durch das mechanisch
entkoppelte Innenrohr 5 getragen. Das Außenrohr 6 dient
zum Schutz des Innenrohres 5 und trägt alle schweren bzw. der Umgebung
besonders ausgesetzten Komponenten, insbesondere die Trägerkonstruktion 7 mit
Montagebügel,
Gebläse 8 und
Wetterschutzhaube 2 (siehe 4).
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Die
Wetterschutzhaube 2 kann auf Grund dieser neuartigen Ausführungsform
besonders lang und somit wirkungsvoll ausgeführt werden, da die entstehende
Windlast durch die erfindungsgemäße Standrohrkonstruktion 1 keinen
Einfluß auf
die optische Ausrichtung der Optoelektronikeinheit ausübt. Durch
die nach unten offene Ausführungsform
der Wetterschutzhaube 2 bleiben die Gerätescheiben 9 zum Zwecke
der Reinigung für
das Wartungspersonal trotzdem leicht zugänglich.
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Die
Optoelektronikeinheit auf dem Innenrohr 5 und die Trägerkonstruktion 7 auf
dem Außenrohr 6 können um
die Rohrachsen zum Zwecke der Grobausrichtung vertikal verdreht
werden und sind mit Feststellschrauben zur Fixierung in der endgültigen Position
ausgestattet.
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Eine
Visiereinrichtung an der Trägerkonstruktion 7 unterstützt die
Grobausrichtung, ferner wird die Grobausrichtung zusätzlich akustisch
unterstützt. Leistungsstarke
Signalgeber in den Optoelektronikeinheiten von Sender und Empfänger lassen
anhand des gesteigerten Signaltaktes erkennen, wenn ein für die Feinausrichtung
ausreichendes Senderlichtsignal die Lichtempfängeroptik erreicht.
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Die
Ausführung
der optischen Systeme 10 innerhalb der Optoelektronikeinheit
des Senders und des Empfängers
ermöglicht
eine automatische Feinausrichtung von Sender und Empfänger. Die
optischen Systeme 10 sind im Bereich der Linse über eine
kardanische Aufhängung 17 gelagert,
Getriebemotoren 11 mit Exzenterelementen 12 im
Bereich der fokalen Länge
der optischen Systeme 10 gewährleisten eine außerordentlich
präzise
und spielfreie elektromechanische Verstellmöglichkeit der optischen Achsen.
Unter Zuhilfenahme geeigneter Steuerelemente lassen sich die Getriebemotoren 11 durch
den Mikroprozessor ansteuern. Die Position der Exzenterelemente 12 und
somit der optischen Achsen wird mittels Potentiometern 13 getrennt
für die
horizontale und vertikale Einstellung ermittelt und nach einer Analog-/Digitalwandlung
durch den Mikroprozessor der Steuereinheit erfasst. (5).
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Während der
automatischen Feinausrichtung werden nacheinander die Sender- und
die Empfängeroptik
sowohl vertikal wie auch horizontal verstellt. Während des Verstellvorganges
wird permanent und gleichzeitig sowohl die mechanische Position der
optischen Systeme wie auch das zugehörige Empfangssignal aufgezeichnet.
Durch den systematischen Ablauf der Verstellung wird ermöglicht,
sowohl das Intensitätsprofil
des Senders wie auch die Empfindlichkeitsverteilung des Empfängers zu
ermitteln.
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Nach
der Aufnahme der einzelnen Profile werden die sich ergebenden optimalen
horizontalen und vertikalen Mittenpositionen der optischen Achsen
sowohl für
den Sender wie auch für
den Empfänger
automatisch eingestellt. Für
diese optimale Ausrichtung der optischen Systeme werden die zugehörigen Positionen
der Exzenterelemente 12 in der Steuereinheit nullspannungssicher
abgespeichert und stehen so bei Bedarf jederzeit wieder zur Verfügung.
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Zum
Schutz der optoelektronischen Elemente der Transmissionsmessanordnung
sind sowohl für den
Sender wie auch für
den Empfänger
transparente Gerätescheiben
vorgesehen, die den optischen Strahlengang nicht einschränken. In
der vorliegenden Ausführungsform
verhindert ein neuartiges Spülluftsystem
die Benetzung der optischen Außenflächen insbesondere
durch windgetriebene Niederschlagspartikel, die durch die Wetterschutzhaube 2 nicht
abgeschirmt wurden. Um der permanenten Umwälzung von Staub und feinsten
Schmutzpartikeln durch das Spülluftsystem
und der Gefahr von Ablagerungen solcher Partikel auf den Gerätescheiben entgegenzuwirken,
wird das Gebläse
des Spülluftsystems
ausschließlich
bei vorhandenem Niederschlag aktiviert. Die Niederschlagsinformation
wird durch die, wie aus 2 zu erkennen ist, an der Trägerkonstruktion
der Sendeeinheit angebrachte Streulichtmessanordnung generiert,
welche über
die notwendige Detektionsfähigkeit
für das
gegenwärtige Wetter
verfügt.
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Der
Gebläsestrom
des Spülluftsystems
wird so kanalisiert, dass ein zum Boden gerichteter Luftstrom im
Bereich vor den Gerätescheiben
entsteht. Niederschlagspartikel werden vor dem Erreichen der Gerätescheibe
sicher nach unten abgelenkt, wobei der Luftstrom die Bewegung der
Partikel in Richtung Erdboden unterstützt und beschleunigt.
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Der
Luftkanal 14 des Spülluftsystems
ist konstruktiver Bestandteil der Deckelkonstruktion der Optoelektronikeinheit.
Er ist vom Gebläseteil
vollständig mechanisch
entkoppelt. Somit können
auftretende Vibrationen durch das Gebläse 8 keinen Einfluß auf die
Messanordnung und insbesondere auf die Ausrichtung der optischen
Achsen nehmen (6).
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Integraler
Bestandteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist die Streulichtmessanordnung, mit deren Hilfe eine fortlaufende
Kontrolle der Qualität der
Kalibrierung der Transmissionsmessung durchgeführt werden kann.
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Sende-
und Empfangseinheit 3, 4 verfügen über einen Montagebügel, der
Bestandteil der auf dem äußeren Schutzrohr
montierten Trägerkonstruktion 7 für Gebläse 8 und
Wetterschutzhaube 2 ist. An diesem Bügel ist die Streulichtmessanordnung 15 montiert
und kann daher die für
dieses Verfahren notwendige Vergleichsmessung in unmittelbarer räumlicher
Nähe zur
Transmissionsmessstrecke durchführen.
Da sichtweiteeinschränkende
Wetterphänomene
typischerweise eine inhomogene räumliche
Verteilung aufweisen, ist diese unmittelbare Nähe der Messvolumina von Transmissometer
und Streulichtmessanordnung anderen Anordnungen vorzuziehen. Die
Arbeitsweise und das zugrundeliegende Verfahren der verwendeten
Streulichtmessanordnung entspricht dem Stand der Technik. Auf Grund
der verlässlicheren
Messleistung wird eine Messanordnung nach dem optischen Vorwärtsstreumessverfahren gegenüber dem
optischen Rückstreumessverfahren favorisiert.
Darüber
hinaus ermöglicht
die eingesetzte Vorwärtsstreumessanordnung
die Detektion des aktuellen Wetters und generiert in diesem Zusammenhang
die Information über
Niederschlagsereignisse sowohl für
die Steuerung des Spülluftsystems wie
auch bei der im Anschluss beschriebenen Ermittlung des Kalibrierungsfaktors.
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Vorwärtsstreumessanordnungen
sind prinzipbedingt weit weniger anfällig für verschmutzungsbedingte Messfehler
und verfügen
darüber
hinaus typischerweise über
die Möglichkeit,
auch sehr hohe Sichtweiten von 10 km und mehr zuverlässig zu
ermitteln, was mit Transmissionsmessanordnungen nur bei sehr langen
Messbasislängen
(mit dem Nachteil des fehlenden, aber unbedingt erforderlichen Sichtweitebereiches
unterhalb von 200 m) mit allerdings immer noch erhöhter Anfälligkeit
für verschmutzungsbedingte
Messfehler möglich
ist.
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Die
Fehlerquellen bei Streulichtmessanordnungen gründen sich hauptsächlich auf
das verhältnismäßig kleine
und somit nicht immer repräsentative Luftvolumen
von typischerweise < 1
Liter, das zur Sichtweitebestimmung herangezogen wird sowie der Problematik
einer nicht repräsentativen
Messung von Sichteintrübungen
bei verschiedenen Niederschlagsphänomenen, was den Einsatz von
repräsentativen Transmissometern
für den
auf Flugplätzen
sicherheitsrelevanten Sichtweitemessbereich unterhalb von ca. 3
km favorisiert.
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In
der vorliegenden Ausführungsform
werden dann auch die Sichtweitemesswerte der Streulichtmessanordnung
für den
Vergleich mit den Ergebnissen aus der Transmissionsmessung vorzugsweise
dann verwendet, wenn:
- – der Sichtweitemesswert der
Streulichtmessanordnung 10 km überschreitet,
- – die
Variation des Sichtweitemesswertes der Streulichtmessanordnung um
den Mittelwert im Betrachtungszeitraum keinesfalls +/-10% überschritten
hat,
- – kein
Niederschlag durch die Streulichtmessanordnung detektiert wurde,
- – keine
Betriebsstörung
der Streulichtmessanordnung vorliegt,
- – die
Variation des Transmissionsmesswertes um den Mittelwert im Betrachtungszeitraum
keinesfalls +/-1 % überschritten
hat,
- – keine
Betriebsstörung
der Transmissionsmessanordnung vorliegt.
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Auf
Grundlage der Kenntnis der installierten Messbasislänge für die Transmissionsmessung
wird in diesen ausgewählten
Situationen der Messwert für die
Sichtweite der Streulichtmessanordnung in einen äquivalenten Transmissionswert
umgerechnet und dieser mit dem Messwert der Transmissionsmessanordnung
verglichen und der Quotient aus beiden berechnet. Hierbei wird als
Messwert vorzugsweise ein Mittelwert aller modulationsfrequenzabhängigen Einzelabtastungen
im jeweiligen Messvolumen der Transmissionsmessanordnung und der
Streulichtmessanordnung innerhalb der vergangenen Minute und die
daraus konvertierten Informationen zur atmosphärischen Transmission und/oder
Sichtweite verwendet. Aus dem berechneten Quotienten wird dann der
Kalibrierungsfaktor KF für
den Transmissionsmesswert abgeleitet.
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Der
Kalibrierungsfaktor wird nun während der
folgenden Messungen und insbesondere während Sichteintrübungen unter
10 km angewendet. Er behält solange
seine Gültigkeit,
bis ein neuer Kalibrierungsfaktor auf die oben beschriebene Weise
ermittelt worden ist.
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Die
beschriebenen Rechenoperationen werden durch den Mikroprozessor
in der Steuereinheit des Transmissometers durchgeführt, die
Veränderung
des Kalibrierungsfaktors unterliegt einer Beschränkung auf eine maximale Schrittweite,
die einer Fehlentwicklung auf Grund temporärer Störungen entgegenwirkt. Der jeweilige
Kalibrierungsfaktor wird in der Steuereinheit nullspannungssicher
abgespeichert.
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Durch
das Heranziehen des Messwertes der Streulichtmessanordnung zum Zwecke
der Ermittlung eines Kalibrierungsfaktors ausschließlich im
Bereich oberhalb der oberen Messbereichsgrenze des Transmissometers
und der Tatsache, dass der Sichtweitemessfehler von Transmissometern,
der auf Grund der beschriebenen Umwelteinflüsse entsteht, mit geringerer
Sichtweite abnimmt, wird für
den durch das Transmissometer genutzten Sichtweitemessbereich stets
eine optimale Messgenauigkeit erreicht.
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Das
soeben beschriebene Verfahren folgt der Vorgehensweise der Transmissometerkalibrierung
durch einen geschulten Beobachter, mit dem Unterschied, dass jede
mögliche
Kalibriersituation zu jeder Tages- und Nachtzeit zur Optimierung
der Messleistung des Transmissometers herangezogen wird. Im Ergebnis
führt dieses
zu einer großen
Anzahl an genutzten Kalibrierungsereignissen, die durch die bekannten,
beobachtergestützten
Kalibrierverfahren mitnichten erreichbar ist. Die automatische Ermittlung
und Anwendung des Kalibrierungsfaktors bei der Transmissionsmessung
ermöglicht
eine permanente und vollständige
Kompensation der, die Messleistung des Transmissometers einschränkender
Einflüsse
auf einmal.
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Gemäß 7 sind
die zwei V-förmig
unter 90° zueinander
positionierten Gerätescheiben 9 zu erkennen.
Hierdurch wird das Durchdringen ein und derselben Scheibe in zwei
Achsen ermöglicht.
Die Hauptachse repräsentiert
die Richtung des Strahlenganges für die atmosphärische Transmissionsmessung,
die um 90° versetzte
Nebenachse beschreibt den Strahlengang für eine separate Transparenzmessung
der Gerätescheiben.
Beide optischen Achsen durchdringen die eine Gerätescheibe unter einem Winkel
von je 45° zur
Scheibenfläche
und im gleichen Scheibenbereich, wobei die andere Scheibe lediglich
von dem der Nebenachse folgenden Strahlengang durchdrungen wird.
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Diese
Anordnung ermöglicht
die kontinuierliche Messung der echten Scheibentransparenz und erlaubt
die sofortige genaue Kompensation der Auswirkungen von etwaigen,
die Messleistung einschränkenden
Verschmutzungen. Zur Ermittlung der Scheibenverschmutzung muss weder
die Messung unterbrochen werden, um den Vergleich mit einer sauberen
Referenzscheibe zu ermöglichen,
noch werden aus dem Streuverhalten der Scheibe abgeleitete empirische
Konvertierungsgrößen verwendet.
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Auf
Grund der verwendeten langen Wetterschutzhauben 2 kann
von einer gleichmäßigen Verschmutzung
beider Scheiben ausgegangen werden. Somit ist die Korrektur der
atmosphärischen
Transmissionsmessung auf Grundlage der beschriebenen Transparenzmessung
zulässig
auch wenn die atmosphärische
Transmissionsmessung lediglich durch jeweils eine Gerätescheibe 9 beeinflußt wird.
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Ferner
benutzt die erfindungsgemäße Vorrichtung
keine separate Scheibenmessempfängereinheit 16,
diese ist integraler Bestandteil der Steuerelektronik. Über einen
entsprechend geformten Teil des Gehäuses der Optoelektronikeinheit
wird das Lichtbündel
nach Durchquerung der Gerätescheiben in
die Richtung der optischen Empfangseinrichtung der Steuereinheit
abgelenkt (siehe 7).
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Aus
dem Messergebnis zur Scheibentransparenz bestimmt der Mikroprozessor
der Steuereinheit den verschmutzungsbedingten Korrekturfaktor für die Transmissionsmessung.
Dieser wird getrennt für
Sende- und Empfangseinheit 3,4 bestimmt.
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Hierbei
gilt:
VS = 1/(TPS)^0.5
VE = 1/(TPE)^0.5
mit:
VS
verschmutzungsbedingter Korrekturfaktor Sender
VE verschmutzungsbedingter
Korrekturfaktor Empfänger
TPS
normiertes Messergebnis der Scheibentransparenzmessung an der Optoelektronikeinheit
des Senders
TPE normiertes Messergebnis der Scheibentransparenzmessung
an der Optoelektronikeinheit des Empfängers
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Beide
verschmutzungsbedingte Korrekturfaktoren lassen sich zum Gesamtverschmutzungsfaktor
VG zusammenfassen: VG = VS·VE
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Bei
sauberen Gerätescheiben
wird VG zu 1.
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Mit
dem gleichen Mechanismus wird ein Faktor VGtemp berechnet, welcher
jedoch im Unterschied zu VG mit jeder Ermittlung eines neuen Kalibrierungsfaktors
wieder auf 1 normiert wird. Dieser temporäre verschmutzungsbedingte Korrekturfaktor findet
dann neben dem Kalibrierungsfaktor direkte Anwendung auf das Transmissionsmessergebnis. TMcorr = TMmess·VGtemp·KFmit:
TMcorr korrigiertes
Messergebnis der atmosphärischen
Transmission
TMmess nicht korrigiertes Messergebnis der atmosphärischen
Transmission
VGtemp temporärer
verschmutzungsbedingter Korrekturfaktor
KF Kalibrierungsfaktor
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Auf
diese Weise werden scheibenverschmutzungsbedingte Beeinflussungen
der Transmissionsmessung zwischen Situationen, in denen ein neuer
Kalibrierungsfaktor ermittelt wird, unter Zuhilfenahme der Transparenzmessungen
kompensiert. Jeder neu ermittelte Kalibrierungsfaktor kompensiert
automatisch auch den durch VG repräsentierten scheibenverschmutzungsbedingten
Einfluss.
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Die
explizite Kenntnis des Verschmutzungsgrades der optischen Außenflächen auf
Grund der bereits beschriebenen Transparenzmessung der V-förmig angeordneten
Gerätescheiben
zusammen mit der Kenntnis des oben beschriebenen Kalibrierungsfaktors
ermöglicht
nun erstmalig die Trennung von ausrichtungsbedingten und verschmutzungsbedingten
Transmissions- und somit auch Sichtweitemessfehlern.
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Da
sich der Kalibrierungsfaktor aus einem ausrichtungsbedingten Korrekturfaktor
und dem verschmutzungsbedingten Korrekturfaktor für den Transmissionsmesswert
zusammensetzt, jedoch Einzelkenntnis über den verschmutzungsbedingten Korrekturfaktor
besteht, läßt sich
der ausrichtungsbedingte Anteil des Kalibrierungsfaktors direkt
berechnen. KA=KF/VGmit:
KA ausrichtungsbedingter
Anteil des Kalibrierungsfaktors
KF Kalibrierungsfaktor
VG
Gesamtverschmutzungsfaktor
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Aufgrund
der Kenntnis von KA und VG ermöglicht
die vorgestellte Erfindung detaillierte Aussagen über die
Qualität
der Ausrichtung und den Grad der Verschmutzung der Gerätescheiben.
Mittels VGtemp ist die rechnerische Kompensation der auftretenden
Scheibenverschmutzung auch für
die Zeitspanne zwischen Situationen in denen eine neuer Kalibrierungsfaktor
KF auf Grund der erfüllten
Bedingungen für
das Heranziehen des Messwertes der Streulichtmessanordnung ermittelt
werden kann möglich.
Mit jeder Neuberechnung eines Kalibrierungsfaktors wird auch die
Ausrichtqualität
neu beurteilt. Der Anwender kann somit sowohl über den Grad der Gerätescheibenverschmutzung
wie auch über die
Qualität
der Ausrichtung informiert werden.
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Durch
Einführung
geeigneter ausführungsformspezifischer
Grenzwerte für
KA und VG wird klar definiert, wann die Gerätescheiben gereinigt werden müssen und
ob eine Neuausrichtung der optischen Achsen von Sender und/oder
Empfänger
erforderlich ist. Eine Neuausrichtung kann dann entweder durch den
Anwender initiiert oder vollautomatisch erfolgen. Eine vollautomatische
Neuausrichtung wird vorzugsweise durchgeführt wenn:
- – der Sichtweitemesswert
der Streulichtmessanordnung 10 km überschreitet,
- – die
Variation des Sichtweitemesswertes der Streulichtmessanordnung um
den Mittelwert im Betrachtungszeitraum keinesfalls +/-10% überschritten
hat,
- – kein
Niederschlag durch die Streulichtmessanordnung detektiert wurde,
- – keine
Betriebsstörung
der Streulichtmessanordnung vorliegt,
- – die
Variation des Transmissionsmesswertes um den Mittelwert im Betrachtungszeitraum
keinesfalls +/-1 % überschritten
hat,
- – keine
Betriebsstörung
der Transmissionsmessanordnung vorliegt.
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Die
erfindungsgemäße Ermittlung
des Kalibrierungsfaktors KF sowie des temporären verschmutzungsbedingten
Korrekturfaktors VGtemp sorgt jederzeit für eine optimale Transmissionsmessleistung und
schlussendlich eine bisher nicht erreichte Messgenauigkeit für die meteorologische
Sichtweite bei gleichzeitiger praktischer Wartungsfreiheit.
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Eine
permanente Synchronisation des Lichtempfängers mit der Modulationsfrequenz
des Lichtsenders ermöglicht
die aus der Literatur bekannte Synchrondemodulation des empfangenen
intensitätsmodulierten
Lichtsignales mit den bekannten Verbesserungen der Messeigenschaften
für kleine
verrauschte Signale. Nach einer Analog/Digitalwandlung mit über einer
Million Inkrementen entsprechend einer Auflösung von besser 0,0001 % wird
das Lichtempfängersignal
dem Mikroprozessor der Steuerelektronik für die Weiterverarbeitung digital
zugeführt (siehe 3).
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Als
Senderlichtquelle kommt eine weiße Leuchtdiode zum Einsatz,
die auf Grund des weit unter den zulässigen Maximalstrom reduzierten
Betriebsstromes eine Lebensdauer von über 50.000 Stunden erreichen
kann. Die Leuchtdiode wird periodisch mit der sogenannten Modulationsfrequenz
intensitätsmoduliert.
Die Modulationsfrequenz liegt typischerweise oberhalb von 1000 Hz,
um eine große Anzahl
an Abtastungen zu generieren, was der Stabilität der Messung zugute kommt.
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Die
Lichtintensität
wird mit einem Tastverhältnis
von 50% zwischen null und festgesetztem Betriebsstrom moduliert.
Der Mittelwert des Betriebsstromes beträgt nur einige Milliampere.
Die Intensität der
Lichtquelle wird mittels eines elektronischen Präzisionsregelkreises hochstabil
gehalten.
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Das
Spektrum der in der Ausführungsform verwendeten
weißen
Leuchtdiode hat gegenüber monochromatischen
Lichtquellen wie farbigen oder infraroten Leuchtdioden oder auch
Laserlichtquellen den Vorteil, den durch die internationale Organisation für die Zivilluftfahrt
ICAO für
Lichtquellen bei Sichtweitetransmissometern empfohlenen Wellenlängenbereich
vollständig
zu repräsentieren.
Gegenüber mechanisch
modulierten Halogenlichtquellen oder auch niederfrequent gepulsten
Xenon-Blitzlampen, die üblicherweise über den
empfohlenen Spektralbereich verfügen,
besteht der Vorteil in der Realisierung erheblich höherer Modulationsfrequenzen
und den damit verbundenen häufigeren
Beiträgen
zum Messergebnis bei der Mittelwertbildung.
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- 1
- Standrohrkonstruktion
- 2
- Wetterschutzhaube
- 3
- Sendeeinheit
- 4
- Empfangseinheit
- 5
- Innenrohr
- 6
- Außenrohr
- 7
- Trägerkonstruktion
- 8
- Gebläse
- 9
- Gerätescheiben
- 10
- Optisches
System
- 11
- Getriebemotor
- 12
- Exenterelement
- 13
- Potentiometer
- 14
- Luftkanal
- 15
- Streulichtmessanordnung
- 16
- Scheibenmessempfängereinheit
- 17
- kardanische
Aufhängung