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Verfahren zur Uber.tragung von Meßwerten, wie Luft-Temperatur, -Druck
und -Feuchtigkeit, aus Rädiosonden mittels elektrischer Schwingungen Die Erfindung
betrifft ein Verfahren und Anordnungen zur Meßwertübertragung bei Benutzung von
Radiosonden. Zur Lösung dieser Aufgabe ist es bereits bekannt, einen Sender zu benutzen,
bei welchem die einzelnen Teile zwei verschiedenen Bedingungen gehorchen. Ein Teil
soll sich in Abhängigkeit von der Meßgröße sehr schnell verändern und den Sender
dadurch verstimmen, alle übrigen Teile dagegen sollen gegenüber den Meßgrößen unempfindlich
oder doch so träge sein, daß während der Meßdauer nur der gewiinschte Einfluß durch
den erstgenannten Teil auftritt. Praktische Bedeutung haben derartige Geräte nicht
erlangt, da es nicht möglich ist, mit einfachen Mitteln die genügende Konstanz der
von der Meßgröße unabhängigen Teile zu erzielen. Es ist ferner bekanntgeworden,
ohne Rücksicht auf derartige fremde Einflüsse des Senders einige absolute Werte
der Meßgröße so festzustellen, daß sie aus den Meßergebnissen selbst erkannt werden
können. Allerdings setzt dies voraus, daß die markanten Punkte einerseits genügend
scharf, andererseits auch eindeutig sind. Diese Bedingungen werden bei der bekannten
Anordnung aber nur sehr unvollkommen erfüllt. Sie benutzt nämlich einen zahnradähnl
ich geschnittenen Drehkondensator, dessen Zähne sich bei Drehung abwechselnd decken
oder auf Lücken stehen, so daß eine wellenförmige Frequenzänderung des Senders auftritt,
wenn die Meßgröße sich gleichmäßig ändert. Infolge der endlichen Ausdehnung der
Drehkondensatoren sind die Umkehrpunkte der Frequenzänderung jedoch keine scharfen
Ecken, vielmehr sind die Übergänge abgerundet, und auch die Geradlinigkeit der Zwischenstücke
ist nicht überall einheitlich gewährleistet. Auch sind die Kurvenpunkte
mehrdeutig.
Wenn auch durch besondere Kunstgriffe die Mehrdeutigkeit sich beseitigen läßt (Hervorhebung
jedes dritten Maximums), so besteht doch die häufig vorkommende Möglichkeit, daß
die Meßgröße z. B. Temperatur, ihre Richtung selbst wechselt, wobei dann Verwechselungen
mit den Umkehrwerten des Kondensators eintreten können, besonders wenn beide annähernd
zusammenfallen. Hierzu treten bei der bekannten Einrichtung die Schwierigkeiten
einer großen mechanischen Übersetzung und Arbeitsleistung, welche zur Betätigung
des Drehkondensators notwendig ist, was eine zusätzliche Fälschung der Meßwerte
zur Folge hat.
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Bei einem weiteren bekannten Vorschlag wird der Nachteil der mechanischen
Ubersetzung dadurch vermieden, daß die Kapazität eines Oueclisilberfadens gegenüber
einer außen angebrachten Metallhülle zur Steuerung einer Sendefrequenz in Abhängigkeit
von der Temperatur benutzt wird. Aber auch diese Einrichtung ist für den praktischen
Gebrauch nur wenig vorteilhaft, da es ihr ebenfalls an markanten Punkten fehlt,
welche von Fremdeinflüssen des Senders unabhängig sind. Auch läßt sich mit den erwähnten
Mitteln höchstens eine Meßgröße und diese noch sehr ungenau bestimmen.
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Alle die erwähnten Nachteile werden durch die Erfindung vermieden.
Hier wird innerhalb des gesamten Meßbereichs der Meßgröße, z. B. der Temperatur,
des Drucks usw., eine genügende Anzahl von absoluten Meßpunkten (Eichpunkten) durch
plötzliche und willkürlich wählbare Frequenzänderun gen des Senders markiert, so
daß Frequenzänderungen des Senders durch andere als die gewünschten Einflüsse ruhig
auftreten können, ohne das Meßergebnis der absoluten Meßpunkte zu beeinflussen,
da nicht die Frequenz selbst, sondern der Frequenzsprung als Anzeige benutzt wird.
Es werden daher zur ETmwandlung der Meßwerte in elektrische Größen Instrumente mit
elektrischen Kontakte stellen verwendet, die unter Vermeidung einer Frequenzeichung
über induktive oder kapazitive Mittel auf einen gemeinsamen Schwingkreis eines die
Meßwerte zur Empfangsstation übertragenen Senders durch meßwertabhängige Frequenz-
oder Modulationssprünge einwirken.
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Zur Herstellung der Frequenzsprünge können insbesondere Flüssigkeitskontakte
Verwendung finden, bei denen jede mechanische Kraftübertragung oder gar Ubersetzung
auf größeren Hub, wie sie bei den bekannten Einrichtungen mit Drehkondensator notwendig
sind, vermieden wird, so daß praktisch audl keine Arbeit geleistet zu werden braucht.
Die Anwendung von Frequenzsprüngen bietet noch weitere Möglichkeiten. So läßt sich
durch die Größe des Frequenzsprunges entsprechend der Wahl der Kontaktgebestellen
in den Instrumenten bzw. im Schwillgkreis jede Mehrdeutigkeit mit Sicherheit ausschließen.
Ferner können durch die Eigenart der sprunghaften Änderungen (Zahl und Größe der
Frequenzsprünge, Änderung der Stufenfolge bzw. deren Kontinuität) mehrere verschiedene
Meßgrößen unterscheidbar und mit großer Genauigkeit angezeigt werden.
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Die Zahl der Anzeigemöglichkeiten ist so groß, als sich Frequenzsprünge
unterscheiden lassen. Eine dieser Meßgrößen kann dabei zusätzlich auch noch mit
ihren Zwischenwerten angezeigt werden, indem man an irgendeiner Stelle des Senders
noch ein kontinuierlich veränderliches Glied vorsieht. Als solches eignet sich ausgezeichnet
ein Kondensator mit temperaturempfindlichem Dielektrikum, der ebenfalls ohne elektrische
Übertragungen arbeitet. Einer besonderen Eichung dieses Gliedes bedarf es dabei
nicht, sondern es genügt, wenn die Änderungen zwischen zwei Festpunkten eindeutig,
insbesondere gerad linig sind, was praktisch fast immer zutrifft oder durch kleineren
Abstand der Festpunkte erreichbar ist. Hierbei wird gewissermaßen der kontinuierlich
sich verändernde Kondensator bei jeder Meßreihe neu gereicht, so daß eine bisher
unerreichte Genauigkeit der Temperaturanzeige erzielt werden kann.
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Ein für das Verfahren nach der Erfindung geeignetes Thermometer ist
zweckmäßig so ausgebildet, daß es im Glasgefäß eingeschmolzene, in die Kapillare
des die Temperatur anzeigenden elektrisch leitenden Mediums hineinragende elektrische
Kontakte besitzt, die Anzapfungen einer Spule sind, die ihrerseits direkt oder über
ein Ankopplungsglied Teil des Schwingungskreises des drahtlosen Senders ist, derart,
daß dieser Sender zur ueber mittlung der Temperaturmeßwerte entweder direkt oder
über seine Modulation durch diese Schwingungskreisänderungen gesteuert wird.
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Es ist zweckmäßig, als Füllung des Thermo meters eine Legierung aus
Quecksilber und Thallium zu benutzen. Zum Zwecke der Identifizierung der einzelnen
Meßwerte empfiehlt es sich, einzelne Windungen der Spule nicht anzuzapfen und mit
einem Kontakt zu verbinden, so daß Windungssprünge entstehen.
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Diese Kontaktanzapfungsauslassungen sind zweckmäßig unregelmäßig vorzusehen,
so daß die Sprünge in sich ihrerseits identifizierbar sind. Um diskontinuierliche
Frequenzsprünge des Senders zu überbrücken, kann der Schwingungskreis des Senders
mit einem Bauelement versehen sein, das bei geringer Wärmeträgheit einen großen
Temperaturfaktor besitzt.
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Für die Temperaturmessung wird bei den bisher bekannten Konstruktionen
für Radiosonden, die an einem unbemannten Ballon aufgelassen werden, fast allgemein
Bimetall verwendet. Relative Temperaturmessungen lassen sich zwar mit Bimetall genau
ausführen. Indes hat sich bei Radiosondenaufstiegen gezeigt, daß in vielen Fällen
die Absolutwerte der Temperaturen bei mehreren Aufstiegen so weit auseinanderliegen,
daß kein Vergleich zwischen den einzelnen Aufstiegen möglich war. Um eine größtmögliche
Genauigkeit der Temperaturangabe zu erzielen, wird bei der Konstruktion nach der
Erfindung ein Kontaktthermometer für die Temperaturmessung verwendet, das gestattet,
die Temperatur auf Bruchteile eines Grades genau zu messen. Damit der Meßbereich
bis 600 ausgedehnt werden kann, empfiehlt sich als Thermometerfüllung eine Legierung
von Quecksilber-Thallium.
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Die Benutzung eines Haarhygrometers zur Bestimmung der Luftfeuchtigkeit
hat sich bei den Radiosonden ebenfalls nicht bewährt. Erfindungsgemäß wird ein zweites
Thermometer der geschilderten Art verwendet, das während der Messung feucht gehalten
wird.
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Ein für das Verfahren nach der Erfindung geeignetes Barometer ist
zweckmäßig so gestaltet, daß in einem U-förmig gebogenen, einerseits offenen, aber
gegen Luftfeuchtigkeitseintritt geschützten und andererseits geschlossenen Rohr
ein kurzer Quecksilbero. dgl. Faden so eingeschlossen ist, daß eine bestimmte Gasmenge
im geschlossenen Rohrteil sich befindet, die sich mit änderndem Außenluftdruck ausdehnt
oder zusammenzieht. Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß in das Rohr elektrisch
leitende, in die Kapillare hineinragende Kontakte eingeschmelzen sind, die paarweise
eng nebeneinanderliegen oder sich gegenüberstehen und deren Zahl und Abstände von
der erwünschten Folgehäufigkeit der Einzelmeßwertanzeigen abhängt, und daß diese
Kontaktpaare zufolge und während ihrer Kurzschließung bzw.
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Öffnung durch den Ouecksilber- o. dgl. Faden über eine Kopplungsschleife
oder in sonstiger Beeinflussungsweise den die Druckmeßwerte übermittelnden Sender
tasten bzw. modulieren. Die Frequenz weicht von derjenigen der Temperaturmeßwertsteuerung
zweckmäßig um eine Zehnerpotenz ab. (Beispielsweise für die Temperaturübertragung
Frequenzsprünge von 200 Hz und für die Druckübertragung 2000 Hz.) Als Kapillarfüllung
eignet sich in Sonderheit eine Legierung aus Quecksilber und Thallium. Für die Eichung
des Druckmessers dient zweckmäßig der zwischen dem Quecksilber- o. dgl. Faden und
dem geschlos senen Rohrende befindliche Gaseinschluß, dessen Menge entsprechend
dem gewählten Abstande der Kontaktpaare voneinander dosiert wird. Zum Zwecke der
Identifizierung der jeweiligen Lage des Quecksilber- o. dgl. Fadens in der Kapillare
empfehlen sich diskontinuierliche Sondersteuerimpulsänderungen.
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Die bisher bekannten Konstruktionen für die Luftdruckmessung bei
Radiosonden, die aus einem Bourdon-Rohr bzw. einer Aneroid-Dose bestehen, sind unzulänglich,
da sie empfindliche Hebelorgane benötigen und außerdem Metallkontakte erforderlich
machen, die stets einer Verschmutzung durch Oxydation und einer Vereisung ausgesetzt
sind. Die Konstruktion' nach der Erfindung, die ein Kontaktvakuummeter bei Vermeidung
offener Kontakte zur Luftdruckanzeige benutzt, hat sich insbesondere in Verbindung
mit einer Radiosonde als bestens geeignet erwiesen, da die Kontaktschließungen zufolge
der Einschmelzung der Kontakte in die die Kapillare bildende Glasröhre in jeder
Atmosphäre und Witterung störungsfrei erfolgen. Als Medium, das in die Kapillare
eingeschlossen ist, eignet sich insbesondere ein kurzer Quecksilber-Thallium-Faden.
Da die Lage der- Kontakte zufolge Einschmelzung festliegt, empfiehlt sich die Eichung
des Druckmessers durch entsprechende Dosierung der zwischen Quecksilberfaden und
geschlossenem Rohrende eingeschlossenen Gasmenge, und zwar durch Einstellung auf
einen bestimmten Druck bei bestimmter Temperatur. Mit zunehmendem Aufsteigen der
Radiosonde dehnt sich die abgeschlossene Gasmenge nach den Gasgesetzen aus und schiebt
den Quecksilberfaden vor sich her. An bestimmten und durch Eichung genau bekannten
Sontaktstellen bewirkt der ouecksilberfaden kurzzeitig eine Verbindung zwischen
den paarweise in die Kapillare eingeschmolzenen Kontakten, die den Sender entsprechend
beeinflussen.
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Es ist ferner zweckmäßig, das Barometer in ein doppelwandiges Gehäuse
einzuschließen (Thermosflaschenprinzip), um den Druckmesser temperaturunabhängig
zu machen.
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Die Erfindung ist zur Erleichterung des Verständnisses in der Zeichnung
beispielsweise und S schematisch dargestellt, und es bedeuten: Abb. I Schaltbild
des Senders, Abb. 2 Thermometer und Druckmesser, die auf einen gemeinsamen Schwingungskreis
geschaltet sind, Abb. 3 Schaubild der gemeinsamen Temperatur- und Druckmesseraufzeichnungskurve,
Abb. 4 Gesamtschaltanordnung der Radiosonde.
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Das Schaltschema nach Abb. I ist lediglich ein willkürliches Beispiel,
bei dem die Ubermittlung
der Meßwerte von Temperatur und Luftdruck
über eine Antenne durch Ankopplung zweier den beiden Meßgeräten zugeordneter Kopplungsschleifen
erfolgt (rechte Seite des Schaltbildes), während die Ubermittlung der Meßwerte der
Luftfeuchtigkeit über eine weitere Antenne in ähnlicher Weise erfolgt (linke Seite
des Schaltbildes), wobei auf einer Trägerwelle die Temperatur- und Luftdruck meßwerte
und auf einer anderen Trägerwelle die Luftfeuchtigkeitswerte abgestrahlt werden.
Die Antennen mögen unter Benutzung kurzer bzw. ultrakurzer elektrischer Wellen eine
Länge besitzen, die einer halben Wellenlänge entspricht.
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Das Thermometer I gemäß Abb. 2 kann an sich jede beliebige Form besitzen.
Das Ouecksilber oder besser die Ouecksilber-ThaIlium-Legierung 2 befindet sich in
der Erweiterung 3, die sich an das Kapillarrohr 4 anschließt. In die Kapillare 4
ragen Kontakte 5 hinein. Diese Kontakte 5 sind einzeln an die Windungen 6 einer
Spule 7 angelegt. Diese Spule ist über die Ankopplungsschleife S so stark mit dem
Schwingungskreis 9 des Senders 10 (vgl. Abb. I ) gekoppelt, daß sich die Frequenz
dieses Senders ändert, wenn das Quecksilber 0. dgl. 2 des Thermometers I über die
Kontakte 5 hinweg mehr oder weniger Windungen 6 der Spule 7 öffnet oder kurz schließt.
Wird die Ankopplung so bemessen, daß sich die Frequenz des Senders von Kontakt zu
Kontakt um z. B. 300 Hz ändert, so kann man an dem Empfangsorte die einzelnen Kontaktstufen
mit einer Frequenzmessung bequem registrieren. Es kommt dabei nicht auf eine genaue
Frequenzmessung an; es ist nur wichtig, den Frequenzsprung zeitlich genau festzulegen.
Damit man die Möglichkeit besitzt, die Temperatur auch dann festzustellen, wenn
man z. B. wegen einer starken Fremdstörung nicht alle Kontaktstufen der Reihe nach
ausmachen konnte, ist es zweckmäßig in unregelmäßiger Reihenfolge gewissen Kontakten
größere Frequenzsprünge von z. B.
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6oo Hz als besondere Markierungspunkte zuzuordnen. Diese Sprünge sind
dadurch erreichbar, daß nicht kontinuierlich jeder Windung 6 ein Kontakt 5 zugeordnet
wird, so«-dern daß - zweckmäßig unregelmäßig einzelne Windungen 6' keine Anzapfungen
besitzen.
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Wenn die Frequenzänderungen nach Zeit und nach Amplitude registriert
werden, kann man sofort holme zeitraubende Auswertung aus der aufgenommenen Kurve
erkennen, zu welcher Zeit die verschiedenen Kontaktstufen 5 des Thermometers 1 geschaltet
haben.
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Auf diese Weise ist der Temperaturverlauf zeitlich bestimmt.
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Gemäß Abb. 2 (rechte Seite Druckmesser) ist in dem U-förmig gebogenen
rohrförmigen Quarzgefäß 1 1 ein kleiner Quecksilber- bzw.
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Quecksilber-Thallium-Faden 12 eingelagert.
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Die im Rohrteil I3 eingeschlossene Gasmenge ist eine Funktion der
Eichung. Im Bereiche des offenen Rohrteiles 14 sind beliebig viele Kontaktpaare
15 eingeschmolzen, deren je ein Kontakt über Leitungen 16 und I7 miteinander verbunden
ist, so daß im Falle des Steigens des Quecksilberfadens 12 der Reihe nach die Kontaktpaare
15 kurzgeschlossen werden. Hierdurch erfolgt eine jedesmalige Impulsgabe über die
Kopplungsschleife 18 zum Schwingungskreis g des die AIeßzeichen abstrahlenden Senders
10 zufolge dessen Steuerung in Abhängigkeit von den Kurzschlußimpulsen. Die einzelnen
Kontaktstellen können auf diese Weise beispielsweise Frequenzänderungssprünge (z.
B. jeweils 2000 Hz) im Sender bewirken, die am Empfangsorte der Reihe nach aufgenommen
(aufgezeichnet ) werden können.
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Um im Falle von Sendestörungen die einzelnen Kontaktgaben in ihrer
zeitlichen und damit räumlichen Zuordnung genau ausmachen zu können, empfiehlt es
sich, die Frequenzsprünge unregelmäßig zu gestalten, beispielsweise dadurch, daß
einzelne Kontakte 15 in die Kapillare 14 hineinragen und daß diese Kontakte an Windungen
einer oder mehrerer im Schwingkreis g des Senders 10 eingeordneten Spulen angeschlossen
sind, derart, daß in einer bestimmten Reihenfolge einzelne Windungen übersprungen
oder jeweils mehrere Windungen überbrückt werden. Auf diese Weise entstehen diskontinuierliche
Frequenzänderungssprünge, deren j eweiliges Diskontinuitätsmaß einen Anhalt für
die jeweilige Lage des Quecksilberfadens 12 in der Kapillare l geben.
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Das feuchte Kontaktthermometer beeinflußt eine zweite Wellenlänge
des Senders (mit Doppelrohr I0), die über die Antenne 20 (vgl.
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Abb. I und ) abgestrahlt wird, und ist im übrigen genau so geschaltet
wie das trockene Thermometer.
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Abb. 3 zeigt die gesamten von zwei auf der Empfangs station vorgesebenen
Empfängern registrierten Frequenzsprünge des Senders. In der Kurve a sind nur die
Frequenzsprünge enthalten, die vom EXontakttllermometer und vom Vakuummeter herrühren.
Die Kurve b zeigt die Frequenzspriin ,e, die vom feuchten Thermometer verursacht
werden.
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Bei der Aufnahme dieser Kurven muß man darauf achten, daß man den
zeitlichen Einsatz der Frequenzsprünge möglichst genau festlegt, da hiervon in der
Hauptsache die Ge-Genauigkeit der Messungen abhängt. Die Amplitude der Frequenzsprünge
dient nur zur Erkennung des Kontakts, der die Änderung
des Senders
bewirkt hat. Aus den Kurven ist erkennbar, daß die großen Frequenzsprünge nur vom
Kontaktvakuummeter herrühren können. Wenn man überhaupt keinen Anhaltspunkt über
die zu erwartende Temperatur hat, so muß man mindestens drei bis vier aufeinanderfolgende
Temperatursprünge abwarten, um die Temperatur festlegen zu können. Fallen zufällig
zwei - verschiedene Frequenzsprünge (Temperatur und Luftdruck) zeitlich genau zusammen,
so macht sich dieser Umstand aus der Größe der Frequenzänderung bemerkbar, oder
aber man stellt beim Nachzählen der Temperatursprünge fest, daß man einen Temperatursprung
nicht beobachten konnte, weil er zeitlich mit einer Frequenzänderung durch den Luftdruck
zusammenfiel.
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Wenn die Meßwerte'getrennt übertragen werden und insbesondere getrennt
(beispielsvveise zufolge Aussiebung) zur Aufzeichnung gelangen, so erscheinen an
Stelle der gemeinsamen Kurvea nach Abb. 3 zwei Treppenkurven, von denen die eine
nur die Temperatur- und die andere nur die Druckmeßwerte angibt. Aber trotz gleichzeitiger
fortlaufender Aufzeichnung beider Meßwerte in einer Kurve a ist eine Herausschälung
und ein klares Erkennen der Einzelmeßwerte leicht und sofort möglich, derart, daß
sogar für den Fall, daß im Augenblick der Sprungbildung gleichzeitig ein Temperaturabfall
und eine Druckwertänderung entsteht, eine Identifizierung möglich ist, da die beiden
senkrechten Parallelen der Meßtreppe zufolge der dem Druckmeßwerte zugeordneten
größeren Frequenzänderung sehr lang sind. Wenn diese beiden parallelen Linien ungleich
lang sind, so bedeutet die Differenz eine zusätzliche Temperaturänderung.
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Um auch die Höchstwerte von Temperaturinversionen erkennen zu können,
empfiehlt sich das Benutzen eines Senders mit gutem Frequenzgang unter Zwischenschaltung
eines temperaturabhängigen Kondensators, so daß der Frequenzgang einen Rückschluß
auf evtl. eingetretene Invers ionen zuläßt.
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In dem Diagramm nach Abb. 3 sind an den Stufenanstiegen Temp eraturmeßwerte
der Kurve a in Anlehnung an das Thermometer nach Abb. 2 links vermerkt, um das Verständnis
für die Erfindung ergänzend zu erleichtern bzw. um die den einzelnen Eichmeßstellen
des Thermometers zugehörigen Frequeuzsprünge besser identifizieren zu können.
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In dem Diagramm nach Abb. 3 sind an sicht der Radiosonde nach der
Erfindung schematisch dargestellt. Nach oben und unten sind die beiden Sendeantennen
19 und 20 aus der Sonde isoliert herausgeführt. Die Meßgeräte für die Temperatur-,
Feuchtigkeits-und Luftdruckmessung sind außen an der Sonde elastisch befestigt.
Ein doppelter Strahlungsschutz 21 schützt die Geräte vor direkter Einstrahlung.
Außerdem werden sie dadurch vor mechanischen Schäden gesichert.
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Die Geräte nach der Erfindung haben wesentliche Vorteile gegenüber
bisherigen Konstruktionen: Nach einer einmaligen Eichung braucht die Eichung nicht
wiederholt zu werden, auch wenn die Sonde nach der Eichung längere Zeit lagert.
Durch einfachen Aufbau und Vermeidung von unsicheren äußeren metallischen Kontakten
sind die Fehlermöglichkeiten auf ein Minimum herabgesetzt. Außerdem fehlt jegliche
Hebelanordnung. Durch diese Faktoren ergibt sich höchste Genauigkeit der Meßwerte;
die Genauigkeit hängt nicht von der Konstanz des drahtlosen Senders ab. Ferner ist
die Sonde einschließlich des Sendergebildes wegen ihrer Einfachheit billig herstellbar.
Der Zeitaufwand für die Auswertung der Meßwerte ist so gering, daß die Temperatur-
und Druckmeßwerte bei der Aufnahme des Aufstieges direkt abgelesen werden können.