DE3010058A1 - Messanordnung zur bestimmung der terrestrischen refraktion - Google Patents

Messanordnung zur bestimmung der terrestrischen refraktion

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DE3010058A1
DE3010058A1 DE19803010058 DE3010058A DE3010058A1 DE 3010058 A1 DE3010058 A1 DE 3010058A1 DE 19803010058 DE19803010058 DE 19803010058 DE 3010058 A DE3010058 A DE 3010058A DE 3010058 A1 DE3010058 A1 DE 3010058A1
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refraction
sound
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time difference
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DE19803010058
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English (en)
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Peter Hentschel
Wolfgang Dipl Ing Meyl
Horst Dipl Phys Stegmann
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Jenoptik AG
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Jenoptik Jena GmbH
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/02Analysing fluids
    • G01N29/024Analysing fluids by measuring propagation velocity or propagation time of acoustic waves
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C15/00Surveying instruments or accessories not provided for in groups G01C1/00 - G01C13/00
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Description

  • Meßanordnung zur Bestimmung der terrestrischen Refraktion
  • Die Erfindung betrifft eine Meßanordnung zur Bestimmung der terrestrischen Refraktion bei geodätisohen Messungen. Die Anwendung der Erfindung ist insbesondere bei ingenieurgeodätischen Absteckungen mittels elektronischem Tachometer zweckmäßig, wenn Sollhöhen auf trigonometrischen Wege zu übertragen sind. Die Erfindung kann bei der. Präzisionstaohymetrie, bei Präzisionsnivellements 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 Refraktion ist der unterschiedliche Zustand der Luftschichte. 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, Bei der trigonometrischen Höhenübertragung läßt sich der Refraktionseinfluß durch simultane gegenseitige Zenitwinkelmessung weitgehend eliminieren. Es kann dabei aber noch. ein Restfehler als Folge unterschiedlicher Refraktionskoeffizienten an'beiden Endpunkten auftreten. Bei einseitiger trigonometrischer Hohenübertragung, wie es bei Absteckungen, bei der Präzisionstaohymetrie 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 Erdbode'nnähe 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 Zielstrahlea sind bei wissenschaftlichen Untersuchungen vorgenommen worden. Solche Messungsanordnungen mit mehreren Temperaturdifferenzmeßstationen zwisohen Stand- und Zielpunkt sind bei praktisohen Arbeiten zu aufwendig,.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 Mittelung über differentiell benachbarte lokale Refraktionskoeffizienten die Genauigkeit mit wachsender Entfernung vom geodätischen Meßinstrument abnimmt, dh., daß für die Bestimmung eines wahrscheinlichen Refraktionskoeffizienten die lokalen Refraktinskoeffizienten 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 gerätetec'hnischen Aufwand und läßt sich in den bodennahen Luftschichten wegen der. dort vorhandene Turbulenz kaum praktisch anwenden.
  • Das Ziel der Erfindung ist es, die terrestrische Refraktion bei ingenieurgeodätischen und bautechnischen Arbeiten genauer zu bestimmen als es naoh herkömmlichen Verfahren möglich ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßanordnung anzugeben, die es ermöglicht, für eine bestimmte Reichweite -vom Instrumentenstandpunkt ausgehend - kontinuirlich Meßwerte zu ermitteln, aus denen auf die momentane Refraktion geschlossen Werten kann. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe so gelöst, daß die jeweilige Meßstrecke zwischen geodätischem Meßinstrument und Zielpunkt oder eine repräsentative Strecke geeigneter Orientierung von einer Schallwelle mit festgelegtor Frequenz durchlaufen wird. Aus der Abhängigkeit der Schallgeschwindikeit vom Zustand der Luft kann auf die jeweilige Refraktion geschlossen werden.
  • Die Erfindung geht, von der Erkenntnis aus, daß die Laufzeiton der Schallwellen bei gleichen Weglängen sich voneinander unterscheiden, wenn Luftschichten verschiedener Temperatur durchlaufen werden.
  • 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 t dient zur Messung der laufzeitdifferenz von Schallwellen Sie besteht aus einem Sohallsendeteil S und einem Sohallempfangsteil E, Fig. 2; Zum Schallsendeteil S gehören ein Impulsgenerator 1 und ein elektroakustischer Wandler 2. Der Schallempfangsteil E besteht aus zwei Mikrophonen M1 und M2 und einer Schaltung zur Messung und Anzeige der'laufzeitdifferenz. Die beiden Mikrophone M1 und M2 sind senkrecht übereinander in verschiedenen Höhen an dem geodätischen Meßinstrument selbst befestigt oder in seiner unmittelbaren Nähe aufgestellt. Werden die beiden Mikrophone M1 und M2 horinzontal 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 Ort stationär oder zusammen mit dem zur Tachymeterausrüstung gehörenden Reflektor Jeweils ortsveränderlich aufgestellt werden.
  • In einem Koordinatensystem kann die räumliche Lage der Mikrophone M1 und M2 und des Schallsendeteiles S durch räumliches polares Anhängen festgelegt werden. Die Schrägstrecken s1' und s2', Fig. 1 zwischen dem Schallsendeteil S und den Mikrophonen M1 und M2 lassen sich mittels der elektronischen Recheneinrichtung berechnen.
  • Der elektroakustische Wandler 2 wandelt die vom Impulsgenerator 1 erzeugten elektrischen Impulse in Schallimpulse um.
  • Die vom Schallsendeteil S abgegebenen Schailimpulse durchlaufen die Schrägstrecken s1' und s2'. Bei unterschiedlichen vertikalen' Temperaturgradienten entlang - dieser Strecken gelangen die Schallimpulse mit einer laufzeitdifferenz an die Mikrophone M1 und M2. 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 vorhandenen mittleren vertikalen Temperaturgradienten auf dem Weg vom Schallsendeteil S zum Schallempfangsteil E. Aus dem Temperaturgradienten kann mit Hilfe der elektronischen Recheneinrichtung nach bekannten methematischen Beziehungen der momentane Refraktionskoeffizient berechnet werden. Die erfindungsgemäße Vorrichtung V 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. t-Die erfindungsgemäße Meßanordnung zur Bestimmung der terrestrischen Refraktion wird nachstehen an Hand eines Ausführungsbeispieles zur Bestimmung der Vertikalrefraktion näher erläutert.
  • In den zugehörigen Zeichnungen zeigen Fig. 4: die schematische Meßanordnung zur Bestimmung der Vertikalrefraktione und Fig. 2: das schematische Blockschaltbild der Vorrichtung 7 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 10 bestehend aus einem Schallsendeteil S und einem Schallempfangsteil E, aufgebaut werden, 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 s' (abhängig von der Leistung des Schallsendeteiles S) jeweils ortsveränderlich zusammen mit dem zur Tachymeterausrüstung gehörenden Reflektor aufgestellt werden.
  • Zum Schallempfangsteil E gehören zwei Mikrophone M1 und M2, die senkrecht übereinander in den Höhen z1 und z2 über der Erdoberfläche am elektronischen Tachymeter T selbst befestigt oder in seiner unmittelbaren Nähe aufgestellt werden. Der Schallempfangsteil E be,s't'eht aus den beiden Mikrophonen Mi und M2 mit Verstärkern, einem Erstimpulszuordner 3, einer Torschaltung 4, einem Frequenzgenerator 5, einer Teilerstufe 6, einem Zähler 7, einer Ziffernanzeige 8, einem Steuerteil 9 und einem Schalter 40* 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-Achse durch die Erdoberfläche) kann durch räumliches polares Anhängen die lage der Mikrophone M1 und M2 sowie des Schallschendeteiles S festgelegt werden. Mittels der elektronischen Recheneinrichtung lassen sich die Schrägstracken s'1 und s'2 zwischen den Mikrophonen M1 und M2 und dem Schallsendeteil S berechnen. Durchlaufen die vom Schallsendeteil S abgegebenen Impulse entlang der Schrägstrecken s'1 und sat, 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 Temperaturgradienten benutzt. Der Schallsendeteil S kann z.B. so aufgebaut werden, daß der Impulsgenerator 1 Impulse vag 1 bis 2.ms mit einer Pause von 250 ms erzeugt. Durch die Mikrophone M1 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 s1' und s2') wird mittels des Erstimpulszuordners 3 erfaßt. Der Erstimpuls über das eine Mikrophon M1 oder M2 öffnet die Torschaltung 4, der 5p4't,er ankommende Impuls über das andere Mikrophon M2 oder M1 schließt sie. Bei geöffneter Torschaltung 4 können die vom Frequenzgenerator 5 z.B.
  • nit 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 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 62 die entsprechend der Lange der Meßstrecke s' mit Hilfe des Schalters 10 umgeschaltet werden kann (z.B für s' = 100 m, 200 mj 400 m), wird die Frequenz der Impulse des Impulsgenerators 5 geteilt Diese Teilung ermöglicht die Erfassung einer Laufzeitdifferenz von 0 bis 990 µs in Stufen von Je-Vleils 10 µs, und zwar bezogen. auf eine Meßstrecke s' = 100 m, Einer Laufzeitdifferenz von 10 µs entspricht dabei eine Temperaturdifferenz von 0,02 K. Die erfindungsgemäße Vorrichtung V 2 kann prinzipiell wie die Vorriohtung V 1 aufgebaut werden, Der Schallsendeteil S'wird bei der Vorrichtung V 2 so aufgebaut, daß zwei elektroakustische Wandler 2 (z.B. Lautsprecher) senkrecht übereinander in demselben Abstand wie die beiden Mikrophone M1 und M2 z.B. an einer Nivellierlatte verschiebbar angeordnet werden, so daß speziell bei horizontalen Zielungen die Strecken zwischen dem Mikrophon M1 und dem unteren bzw. zwischen dem Mikrophon M2 und dem oberen elektroakustischen Wandler ebenfalls horizontal sind. Die Mikrophone hI1 und M2 können an der anderen Nivellierlatte befestigt werden. Die Vorrichtung V 2 kann insbesondere beim Präzisionsnivellement angewendet werden.
  • Für die Schallgeschwindigkeiten vT1 und vT2 bei den absoluten Gastemperaturen T1 und 22 in ein 1 und T2 demselben Gas gilt Auf den Schrägstrecken s1' und s2 Fig. 1, könnten die mittleren Schallgeschwindigkeiten vT1 und vT2 bei den mitteleren Lufttemperaturen T1 und T2 berechnet werden, wenn die Laufzeiten t1 und t2 der Sohallimpulse bekannt wären Mit diesen Werten, der Laufzeitdifferenz #rt = t2 - t1 und der mittleren Temperaturdifferenz #T = T2 - T1 lautet obige Gleichung Für die Berechnung der mittleren Temperaturdifferenz #T auf den Schrägstrecken s1' und s2' ergibt sich folgende Gleichung Die Laufzeitdifferenz A t wird im Schallempfangsteil B gemessen. Anstelle der mittleren Luftemperatur T2 kann als Näherung die Lufttemperatur TM2 am Mikrophon M2, also in der Höhe z2, eingeführt werden: T2 # TM. Nähe-2 rungsweise kann die Laufzeit t1 aus der Schallgeschwindigkeit für trockene atmosphärische Luft bei Normaldruck und aus der Schrägstrecke s1' berechnet werden Für die Maßeinheiten gilt dabei [t1] = s, [s1'] = m und [TM2] = . Da die Laufzeit t1 der Sohallimpulse auf der Schrägstrecke s1' 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 tr der Schallimpulse kann der Schallsender über einen Funkkanal gesteuert werden'. Wird das Mikrophon M1 in der Hähe s1 = 1 m über dem Erdboden angeordnet, dann läßt sich der mittlere vertikale Temperaturgradient #1 für 1 m Höhe aus der mittleren Temperaturdifferenz #T und der Höhe z2 des Mikrophons M2 berechnen Der mittlere vertikale Temperaturgradient # in einer beliebigen Höhe z1 (z.B. Kippachsenhöhe des Tachymeters) ergibt sioh aus der Beziehung Mit # r kann quasi ein mittlerer lokaler Refraktionskoeffizient, der etwa dem wirksamen Refraktionskoeffizienten entspricht, nach bekannten Formeln berechnet werden.

Claims (3)

  1. Pat entansprüche Meßanordnung zur Bestimmung der terrestrischen Rafraktion, gekennzeichnet dadurch, daß sie sioh aus einem geodätischen Meßinstrument, einer elektronischen Recheneinrichtun und einer Vorrichtung zur Messung der Laufzeitdifferenz von Schallwellen, bestehend aus einem Schallsendeteil (s3 und einem Schallempfangsteil (E), zusammensetzt und daß sie dazu dient, aus der Laufzeitdifferenz von Schallwellen die Refraktion zu ermitteln.
  2. 2. Meßanordnung nach Anspruch 1., gekennzeichnet dadurch, daß der Schallsendeteil (S) aus einem Impulsgenerator (1) und einem oder zwei vorzugsweise senkrecht übereinander angeordneten elektroakustischen Wandlern (2) besteht.
  3. 3. 3 Meßanordnung nach Anspruch 1., gekennzeichnet dadurch, daß der Schallempfangsteil (E) aus zwei senkrecht übereinander und/oaer horizontal nebeneinander angeordneten Mikrophonen (M1) und (M2), einem Erstimpulszuordner (3), einer Torschaltung (4) einem Frequenzgenerator (5) einer Teilerstufe (6), einem Zähler (7), einer Ziffeeernanzeige (8), einem Steuerteil (9) und einem Schalter (10) besteht.
DE19803010058 1979-03-19 1980-03-15 Messanordnung zur bestimmung der terrestrischen refraktion Withdrawn DE3010058A1 (de)

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SE8002077L (sv) 1980-09-20
DD142384A1 (de) 1980-06-18
CH647078A5 (en) 1984-12-28

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