DE828968C

DE828968C - Verfahren zur unmittelbaren Aufzeichnung von aerologischen Zustandskurven, insbesondere mittels einer Radiosonde

Info

Publication number: DE828968C
Application number: DEA63A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Eberhard Adam
Original assignee: Dipl-Ing Eberhard Adam
Current assignee: Dipl-Ing Eberhard Adam
Priority date: 1949-10-21
Filing date: 1949-10-21
Publication date: 1952-01-21

Description

Verfahren zur unmittelbaren Aufzeichnung von aerologischen Zustandskurven, insbesorldere mittels einer Radiosonde Tis sintl l>ereits viele Radiosonden kekannt. denen alleii gemelilsam ist, daß sie während ihres Aufstieges in die Atmosphäre den Luftdruck, die Temperatur und vielfach auch die Feuchtigkeit als Funktion der Zeit drahtlos übertragen. Die in irgendeiner Form meist graphisch vorliegenden Meßergebnisse werden dann ausgewertet, indem aus Eichkurven u. dal. die Meßwerte ermittelt, die Druckwerte in der Regel korrigiert und zusammengehörende Druck- und Temperauturwerte und Druck- und Feuchtigektiswerte in ein aerologisches Diagrammpapier eingetragen und durch Kurven verbunden werden. die den Zusand der Atmosphäre über dem Aufnahmeort darstellen. Ebenso wie es bei Aleteorographen versucht worden ist, ist es auch bei den drahtlosen Meßverfahren eines der wiechtigsten Entwicklungsziele, die Zustandskurven aus den Meßwerten unmittelbar auf ein Diagrammpapier aufzuzeichnen, um die Auswertearbeit zu ersparen und die Zustandskurven ohne Zeitverlust verwerten zu können.
Die Erfindung schlägt ein Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe vor und zeigt die Ausbildung dazu geeigneter Meßelemente.
Das Verfahren zur unmittelbaren Aufzeichnung der lrucktemperaturkurve besteht darin, daß der Änderungsvelauf der Kapzitäten eines in je einem senderseitigen Schwingkreis liegenden Kondensatorthermometers und Kondensatorbarometers durch in empfangsseitigen Schwingkreisen liegende X stimmkondensatoren, deren Kapazitäten sich durch die Abstimmung proportional deii senderseitigen Kapazitäten ändern, verfolgt wird und durch die Einstellung der Abstimmkondensatoren einerseits das Aufzeichenorgan in Richtung einer Koordinatenachse linear mit der Temperatur und andererseits der Träger des Aufzeichenpapiers in Richtung der anderen Koordinatenachse logarithmisch mit dem Luftdruck bewegt wird. Die Resultierende der Aufzeichenbewegungen ergibt die Drucktemperaturkurve. Das Verfahren verbindet folgende vier Möglichkeiten miteinander: Die Ausbildung von Thermometern und Barometern als Kondensatoren, die verhältnisgetreue Verfolgung des Änderungsverlaufs der Kapazität eines Senderschwingkreises mittels der übertragenen Frequenz durch die Kapazität eines Empfangsschwingkreises, die Umsetzung einer Kapazitätsänderung in eine Aufzeichenbewegung und die Aufzeichnung einer Kurve aus zwei zueinander senkrechten Aufzeichenbewegungen. Als Meßelemente eignen sich besonders Barometer und Thermometer, deren Wirkungsweise auf der Bewegung eines Flüssigkeitsfadens beruht.
Aus ihnen lassen sich mit den Meßelementen einheitliche Kondensatoren mit beliebiger Abhängige keit der Kapazität von den Meßgrößen herstellen.
In ähnlicher Weise wie die Drucktemperaturkurve kann gleichzeitig die Druckfeuchtigkeitskurve aufgezeichnet werden, wobei die Feuchtigkeit sowohl mit einem Hygrometer als auch nach dem Psychrometerverfahren gemessen werden kann. Als Hygrometer kann ein an sich bekanntes Kondensatorhygrometer verwendet werden oder ein auf der Dehnung eines hygroskopischen Stoffes beruhendes Hygrometer, das in an sich bekannter Weise den Kondensator oder die Spule eines Schwingkreises steuert. Der mittels der Frequenz des Schwingkreises übertragene Änderungsverlauf der Kapazität oder Induktivität wird im Empfänger durch ein in einem Schwingkreis liegendes gleichartiges Al>stimmittel verfolgt und durch dessen Einstellung ein zweites, neben dem Aufzeichenorgan für die Temperatur angeordnetes Aufzeichenorgan in Richtung der Abszissenachse linear mit der Feuchtigkeit bewegt. Die resultierende Bewegung des Aufzeichenorgans gegenüber dem mit dem Luftdruck bewegten Aufzeichnungsträger zeichnet neben der Drucktemperaturkurve die Druckfeuchtigkeitskurve.
I)a die in Radiosonden verwendeten Haarhygrometer bei Temperaturen unter 03 C versagen, ist ein elektrolytisches Widerstandshygrometer entwickelt worden, das bei -603 C noch Feuchtigkeiten bis 35 O/o, bei höheren Temperaturen bis zu oO/o anzeigt. Dieses Hygrometer ändert die Frequenz eines Kippschwingkreises, die im Empfängerausgang direkt angezeigt und aus der nach einer Eichkurve die Feuchtigkeit ermittelt wird. Dieses Hygrometer läßt sich ebenfalls für das Aufzeichenverfahren verwenden, indem der z. B. mittels der Kippfrequenz übertragene Änderungsverlauf des Widerstandes durch einen in einem gleichen Kippschwingkreis liegenden Abstimmwiderstand verfolgt und durch dessen Einstellung das Aufzeichenorgan linear mit der Feuchtigkeit bewegt wird. An Stelle des Alstimmwiderstandes kann auch ein Abstimmkondensator genommen werden, da die Kippfrequenz in gleicher Weise von der Kapazität wie vom Widerstand abhängt. Ebenso kann die Widerstandsänderung des Hygrometers mittels eines in einem Resonanzschwingkreis liegenden Al)stimmkondensators verfolgt werden. Verwendet man dazu einen im Änderungsbereich frequenzgeraden Drehkondensator, so erzielt man ebenfalls eine mit dem Hygrometerwiderstand lineare Einstellbewegung. Da die erzeugten Kippfrequenzen niederfrequent sind, wird der Schwingkreis zweckmäßig auf eine höhere Harmonische der Kippfrequenz abgestimmt. Zur Aufzeichnung der Feuchtigkeit nach der Psychrometermethode wird ein zweites, feucht gehaltenes Kondensatorthermometer verwendet, dessen Änderungsverlauf der Kapazität wie der des Trockenthermometers übertragen und verfolgt wird. Aus den der Trocken- und der Feuchttemperatur folgenden Einstellbewegungen der 4l,stimmkondensatoren wird mittels eines Rechen- oder Funktionsgetriebes eine mit der Feuchtigkeit lineare Bewegung gebildet und auf das Aufzeichenorgan übertragen.
Die lineare Übertragung der Temperatur und der Feuchtigkeit und die logarithmische tSbertragung des Luftdrucks kann durch die Beziehung zwischen den aerologischen und elektrischen Werten des Meßelements, durch die Abhängigkeit der elektrischen Werte des Al) stimmittels von dessen Einstellung oder durch Funktionswandler im weiteren Übertragungsweg bewirkt werden.
Die Frequenz der Schwingkreise dient bei dem Aufzeichenverfahren nicht als Maß für die Meßgröße, sondern lediglich als Träger für den Änderungsverlauf der durch die Meßgröße beeinflußten Größe des Schwingkreiselementes. Die Größe der Übertragungsfrequenzen kann in ziemlich weiten Grenzen gewählt werden, die mit Rücksicht auf die Übertragungsbedingungen für hohe und niedere Frequenzen durch die praktisch herstellbaren Kapazitätsänderungen der Meßelemente nach unten und oben bedingt sind. Die hochfrequente Übertragung kann z. B. mit Ultrakurzwellen erfolgen, wie sie neuerdings für Radiosonden gebräuchlich sind. Am einfachsten gestaltet sich die Übertragung durch Sendefrequenzen mittels eigener Sender für jede Meßgröße. Wenn drei Meßgrößen durch Sendefrequenzen übertragen werden sollen, so können zwei Frequenzen durch zwei je am Ballon und an der Sonde hängende Antennen und die dritte, einer Ultrakurzwelle entsprechende Frequenz, durch waagerecbt liegende Dipole abgestrahlt werden. Die dritte Meßgröße kann auch mittels einer Modulationsfrequenz übertragen werden, die hei kapazitiven Meßelementen mit Rücksicht auf die erzielbare Kapazitätsänderung und die Meßgenauigkeit genügend hoch zu wählen ist. Läßt sich für die Übertragung einer Meßgröße, z. B. der mittels eines Widerstandshygrometers zu messenden Feuchtigkeit, eine Xiederfrequenz verwenden, so besteht ferner die Möglichkeit. diese einer höheren Modulationsfrequenz, durch die eine zweite Meßgröße übertragen wird. zu überlagern, so daß alle drei Meßgrößen auch mit einer Sendefrequenz über- tragen werden können. Die Übertragungsfrequenzen werden im Empfänger mit den bekannte Mitteln getrennt.
Die Zustandskurven sollen so aufgezeichnet werden, daß keine nachträglichen Korrekturen nötig sind Abgesehen von der fehlerfreien Erfassung der Meßgrößen setzt diese Bedingung voraus, daß die Schwingkreise temperauturkonstant aufgebaut werden, damit dein swchädlicher Frequenzgang entseht. Dies läßt sich mit Festkondensatoren und Spulen erreichen, die entweder sehr geringe oder gleich große. entgegengesetzte Temperaturkoeffizienten besitzen. Ferner werden frequenzkonstante Schwingröhren verwendet und die Anodenspannung durch einen Spannungsregler, z.B. eine Glimmröhre, konstant gehalten. Außerdem wird der Temperatureinfluß auf den Sender weitgehend herabgesetzt, wenn dieser in eine Schutzgondel, z. B. aus Cellophan, eingebaut und vor unmittelbarer Sonnenstrahlung geschützt wird. Wie noch gezeigt wird, kann ein schädlicher Frequenzgang an der aufgezeichneten Zustaiidskurve festgestellt werden.
Zum Emp[fang der Übertragungsfrequenzen können Geradeaus- und Überlagerungsempfänger verwendet werden. Die Abstimmung der Empfängerschweingkreise erfolgt entweder durch Anzeige z. B. der Resonanzspannung oder mittels einer aus der Übertragungs- und einer Rückkopplungsfrequenz gebildeten Schwebungsfrequenz, deren Schwebungsnull abgehört oder optisch z. ß. durch eine Anzeigeabstimmröhre angezeigt wird. In ähnlicher Weise kann eine Kippfrequenz oder eine höhere Harmonische mit der Kippfrequenz eines gleichen Empfangskippschwingkreises überlagert und so die Widerstandsänderung eines Widerstandshygrometers verfolgt werden. Da die Einstellung der Absteimmittel von Hand drei Bedienungsleute erfordert und Bedienungsfehler verursacht, rechtfertigt sich der Aufwand, die Abstimmittel mit Hilfe selbsttätiger Nachstelleinrichtungen einzustellen, d. h. die Zustandskurven vollautomatisch aufzuzeichnen. Die für andere Zwecke bekannten Nachstelleinrichtungen benutzen zur Steuerung eines Nachstellmotors die Differenz der Spannungen bzw.
Ströme in den Zweigen des außer Resonanz befindlichen Abstimmschwingkreises oder die Änderung des Phasenwinkels in der Nähe der Resonanz. Einrichtungen der ersten Art sprechen bei jeder Verstimmung des Abstimmkreises an und eignen sich daher besonders für zeitlich schnelle Frequenzänderungen, im vorliegenden Fall für hohe Meßfrequenzen. Dagegen sind Nachstelleinrichtungen nach dem Phasenverfahren zwar genauer, sie sprechen aber nur in der Nähe der Resonanzlage an und sind daher nur für zeitlich langsame Frequenzänderungen, im vorliegenden Fall für Wiederfrequenzen brauchbar. Für hohe Anforderungen an die Meßgenauigkeit können beide Verfahren koml>iniert angewendet werden. Die automatische Nachstellung liißt sich auch für Schwebungsfrequenzen durchführen.
Sollen beide Zustandskurven aufgezeichnet werden, so wird die den Luftdruck aufzeichnende Bewegung auf eine das Aufzeichenpapier tragende Schreibtrommel o. dgl. und die die Temperatur und die Feuchtigkeit aufzeichnenden Bewegungen auf in Richtung der absziessenachse nebeneinander angeordnete Schreibstifte übertragen, die senkrecht zur Bewegungsrichtung der Schreibtgrommel mittels Spindeln, Seilzügen oder Kurvenzylindern geführt sind. Wird die Abstimmung von Hand durchgeführt, dann werden die Bewegungen der Abstimmittel mechanisch oder z. b. mittels gesteuerter Nachlaufwerke auf die aufzeicheneinrichtung übertragen. Bei automatischer Al) stimmung kann die Aufzeicheneinrichtung gleichzeitig durch die Nachstellwerke für die Abstimmittel angetrieben werden.
Die Zustandskurven können einzeln auch auf elektrischem Wege in der Weise aufgezeichnet werden, daß durch die Aufzeichenbewegungen Ablenkspannungen und durch diese der Kathodenstrahl einer Braunschen Röhre gesteuert wird, dessen Leuchtfleck die Zustandskurve auf ein lichtempfindliches Papier aufzeichnet. Die Ablenkspannungen können z. b. von mit den Abstimmitteln gekuppeleten Potentiometern über Richtverstärker gewonnen werden. Der Leuchtschirm der Braunschen Röhre wird mit einer Diagrammteilung versehen, die mit der gleichen Teilung eines lichtempfindlichen Papiers zur Deckung gebracht oder auf ein lichtempfindliches Papier kopiert wird.
In den Zeichnungen sind zwei Ausführungsbeispiele des Aufzeichenverfahrens und für das Verfahren geeignete Meßelemente dargestellt.
Fig. I zeigt die Schaltung einer Radiosonde zur Aufzeichnung der Drucktemperaturkurve; fig. 2 zeigt Empfängerschaltungen mit einer aufzeicheneinrichtung; Fig. 3 zeigt Schematsich die Aufzeichnung beider Zustandskurven; Fig. 4, 5 und 6 zeigen Abschnitte verschiedener Kondensatorthermometer im Längs- und Querschnitt; Fig. 7 und 8 zeigen verschiedene Kondensatorbarometer im Längsschnitt; Fig. g zeigt ein Kondensatorharometer in Draufsicht; Fig. 10 zeigt einen durch ein Hygrometer gesteuerten Drebkondensator in Draufsicht.
Fig. 1 zeigt zwei einstufige Sender in Dreipunktschaltung. Dem Kondensatorthermometer I und dem Kondensatorbarometer 2 sind die Festkapazitäten 3 und 4 parallel geschaltet, die zusammen mit den Induktivitäten 5 und 6 die Grundfrequenzen bestimmen. Die Sendefrequenzen werden über die Antennen 7 und 8 abgestrahlt. Mit der oberen Antenne hängt die Radiosonde am Ballon, die untere Antenne hängt frei herab. Die Sendefrequenzen ft und fp werden durch zwei Rückkopplungsvempfänger aufgenommen, deren Prinzipeingangsschaltungen Fig. 2 zeigt. Die Empfängerschwingkerise beisitzen je eine Festekappzität 9 und 10, je eine Trimmerkapazität 11 und 12 und je eine Abstimmkapazität I3 und 14, z. 13. nrehkondensatoren. Durch diese werden die sich ändernden Meßelementkapazitäten verfolgt. Der Drehkondensator des Temperatur- empfängers treibt über die Seilscheil>e 15 die Schreibtrommel I6 an, auf der das Diagrammpapier 17 aufgespannt ist. Der Drehkondensator des Druckempfängers treibt, über die Seilscheibe I8 nach oben übersetzt, die gegenüber der Schreibtrommel feststehende Spindel 19 an, die den Schreibstifthalter 20 führt. Ändern sich nun die Meßkapazitäten I und 2 mit der Temperatur und dem Luftdruck, so ändern sich infolge der Abstimmung der Schwingkreise auf die Sendefrequenzen ft und fp die Abstimmkapazitäten I3 und 14 zeitlich nach derselben Funktion.
Diese Kapazitätsänderungen werden durch die Drehkondensatoren in Drehwinkel umgesetzt und die der Temperatur folgende Bewegung auf die Schreibtrommel und die dem Luftdruck folgende Bewegung auf den Schreibstift übertragen. Dadurch bewegt sich das Diagrammpapier mit der Temperatur unter dem Schreibstift fort, während sich dieser senkrecht dazu mit dem Luftdruck über das Diagrammpapier bewegt. Die Resultierende dieser Bewegungen ergibt die Drucktmeperaturkurve. Die ganze anlage wird so berechnet und konstruiert, daß die Zustandskurve mit der durch die Herstellungstoleranzen möglichen Genauigkeit im Maßstab des Diagrammpapiers erscheint. Die durch den Maßstab des Diagramms vorgeschriebenen Übertragungsfunktionen werden bei der Umsetzung der Meßgrößen in die Aufzeichenbewegungen gebildet.
Fig. 3 zeigt schematisch die Aufzeichnung beider Zustandskurven. Die über die Hochfrequenz fn übertragene Luftdruckänderung wird mit dem Empfänger 22 verfolgt und als logarithmisch abhängige Bewegung auf die Schreibtrommel 23 übertragen, während die über die Hochfrequenz ft übertragene Temperaturänderung mit dem Empfänger 24 verfolgt und als linear abhängige Bewegung auf den Schreibstift 25 gegeben wird. Die mit einem Hygrometer gemessene Feuchtigkeit wird mittels der Modulationsfrequenz ff über die Trägerfrequenz ft übertragen, im Empfänger 24 von dieser getrennt und auf den Empfänger 26 weitergeleitet. Mit diesem wird die Feuchtigkeitsänderung verfolgt und als linear abhängige Bewegung auf den Schreibstift 27 übertragen. Die Spindeln führen die Schreibstifte 25 und 27 in Richtung der Abszissenachse auf der gleichen Ordinate des Luftdrucks. Aus den Relativbewegungen der Schreibstifte gegenüber dem mit dem Luftdruck bewegten Diagrammpapier ergeben sich die beispielsweise eingezeichneten Zustandskurven. Die getrennt dargestellten Empfänger können natürlich in einem Empfänger vereinigt werden. Bei der psychrometrischen Feuchtigkeitsmessung wird z. 13. die Trocken- und die Feuchttemperatur über Sendefrequenzen und der Luftdruck über eine Mittelfrequenz übertragen, die einer der beiden Sendefrequenzen überlagert wird. Die den Temperaturen folgenden Einstelldrehwinkel der Abstimmkondensatoren werden in ein Getriebe eingegeben, das als Ergebniswert die Feuchtigkeit abgibt. Die relative Feuchtigkeit ist eine Funktion von zwei unabhängigen Veränderlichen, nämlich der Trockentemperatur und dem Unterschied der Trocken- und der Feuchttemperatur, der psychrometrischen Differenz. aus den kekannten Funktionswerten kann ein Kurvenkörper hergestellt werden, der in Radialschnitten als Halbmesser den Funktionswert z. 13. für gleiche trockentemperaturen in Abhängiegkeit von der psychrometrischen Differenz und in Axialschnitten den Funktionswert für gleiche psychrometrische Differenzen in Abhängigkeit von der Trockentemperatur enthält. I)reht man den Kurvenkörper nach der psychrometrischen Differnz, die z.B. einem Sul) traktionsdrellgetriel) e entnommen wird, und verschiebt einen auf dem Kurvenkörper gleitenden Abuahmestift nach der Trockentemperatur, so wird die als Hall) messer erscheinende Feuchtigkeit durch den Alnahmestift üher ein Zahnrad als Drehwert abgegeben. Die Feuchtigkeit kann unter Vermeidung eines Kurvenkörpers auch durch ein Rechengetriebe ermittelt werden, das die genügend genaue näherungsgleicnbung Tt-Tf F=100-C A+Tt löst, wobei F die Feuchtigkeit in Prozenten, Tt-Tf die psychrometrische Differenz, Tf die Trockentemperatur, X eine konstante Temperatur von etwa 16°C und C eine von Der Belüftungsgeschwindigkeit des Feuchtthermometers abhängige Konstante bedeuten. Die Gleichung kann mit wenigen einfachen Getrieben gelöst und die Jelüftungsgeschwindigkeit am Gerät eingestellt werden. I)ie psychrometrische Feuchtigkeitsmessung kann >ekanntl ich bis zu - 200 C durchgeführt werden, wenn zur Benetzung des Feuchtthermometers wäßrige Lösungen von Flüssigkeiten verwendet werden, die eine große Gefrierp[ungtserniedrigung mit geringer Verdampfungswärme und guter Wasserlöslichkeit verbinden.
Fig. 4 zeigt einen Abschnitt eines als Kondensator ausgebildeten Quecksilberthermometers im Längs-und Querschnitt. Zur Temperzturmessung in größeren Höhen wird das Quecksilber mit 8,5 Gewichtsprozent Thallium legiert und dadurch sein gefrierpunkt von - 38,9°C auf etwa- 60°C erniedrigt. Der quecksilberfahen 28 bildet den einen Belag des Kondensators, während der andere Belag 29 auf dem Kapillarrohr 30 auKgel)racht ist, das als Dielektrikum wirkt. .\us der geometrischen Charakteristik des Kapillarröhrchens, der Außenbejagbreite zum Umpfang und der Längenänderung des Fadens mit der Temperatur bestimmt sich die Gräje der Kapazitätsänderung, die in witen] Grenzen gewählt werden kann. Bemerkenzwert ist, daß die Kapazität gleichbleibt, wenn die Durchmesser des Kapillarrährchens gleichmäßig dünner und damit das Thermometer anzeigeempfindlicher wird. Bei gleichmäßiger Breite des außenbelages bestteht Linearität zwischen der Temperatur und der Kapazität. Mit einem linearen Empfangsdrehkondenstor wird die Temperatur linear auf das Diagrammpapier ülertragen.
Fig. 5 zeigt ein mit einem Alkohol o. dgl. gefülltes Thermometer, bei dem der Flüssigkeitsfaden 31 als hinter das Kapillarroltr geschichtetes l)ielektrikum wirkt. Der eine l, elag 32 ist in T)rahtform durch die Kapillare geführt. der andere Belag 33 liegt auf dem Kapillarrohr. \\'ie aus Fig. 6 ersichtlich, können auch beide Belege auf dem Kapillarrohr gegenüber liegend angeordnet werden. Dieses Kondensatorthermometer eignet sich zur Messung von Temperaturen unter - 60 C. wie sie in größeren Höhen zwischen 400 nördlicher und 40° südlicher Breite vorkommen. 1 nfi-lge der hohen Dielektrizitätskonstante z. B. von Methylalkohol gegenüber dem Glas des Röhrchens lassen sich fast ebenso große Kapazitätsänderungen erzielen, wie mit dem Quecksill>erthermometer nach Fig. 4. Das Thermometer kann wegen der weit größeren Raumausdehnungs-Zahlen der in Betracht kommenden organischen Fliissigkeiten mit wesentlich geringerer Wärmeträgheit als ein Quecksilberthermometer hergestellt werden. Solche Flüssigkeiten besitzen andererseits eine mit abnehmender Temperatur zunehmende Dielektrizitätskonstante. Diese Abhängigkeit geht aller nur zu einem Bruchteil in die Kapazität ein und kann durch die Form des Außenbelages oder der Rotorplatten des Alstimmkondensators kompensiert werden. Um ein Agreißen des Flüssigkeitsfadens und die Bildung von Kondensflüssigkeit in der Kapillare zu vermeiden. wird der Vakuumteil zweckmäßig unter genügendem Druck mit einem Gas gefüllt und am oberen Thermometerende eine Erweiterung vorgesehen. Die Wärmeträgheit eines Flüssigkeisthermometers kann bekanntlich vernachlässigbar klein gehalten werden, wenn man das Thermometergefäß als wendelförmig gewundenes Röhrchen ausführt.
Fig. 7 zeigt ein als Kondensator ausgebildetes Quecksilberbarometer zur Messung des Luftdrucks.
Die Quecksillersäule 36 bildet den einen Kondensatorbelag. der außenbelag 37 den zweiten Belag und das Glasrohr 38 das Dielektrikum. Der Querschnitt des I3arometers kann so klein bemessen werden, wie es mit Rücksicht auf die mechanische Festigkeit des etwa So cm langen Barometers möglich ist. Das Quecksilber fließt mit abnehmendem Luftdruck am umgebogenen Barometerende aus, das verschlossen und vor dem Aufstieg geöffnet wird.
Das Barometer kann, mit einer Quecksilber-Thallium-Legierung gefüllt, außerhalb der Schutzgondel angelracht werden. In der Schutzgondel untergebracht, kann es auch bei noch tieferen Außentemperaturen als - 603 C verwendet werden. Der Vorteil des Quecksill) erl) arometers ist der weit unter der Meßgenatigkeit liegende Temperatureinfluß auf die Anzeige.
Auf dem linearen Druckmaßstab neben dein Barometer sind vier jeweils um die Hälfte des vorhergehenden abnehmende Luftdrücke eingetragen, die unter der Annahme trockener Luft gleicher Temperatur linear zunehmenden Höhen entsprechenen. Über einem Höhenmaßateb aufgetragen, nehmen diese Luftdrücke nach einer Exponentialkurve ab, al>. Wird der Luftdruck im Diagramm kogarithmisch aufgetragen, dann erscheinen die den Luftdrücken zngeorlneten Höhen, die unter Berücksicht iguilg der Teml)eratn r- und Feuchteverliältnisse aus der barometrischen Höhenformel berechnet werden, nahezu in linearem Maßstab und damit die Abhängigkeit der Temperatur von der Höhe. Der Luftdruck kann logarithmisch übertragen werden entweder durch das Kondensatorbarometer, dessen Außenbelag so geformt wird, daß sich die Kapazität mit abnehmendem Luftdruck logarithmisch zunehmend ändert oder bei gleich breitem Außenbelag durch einen dem Meßbereich entsprechenden logarithmischen Abstimmkondensator oder bei gleich breitem Außenbelag und linearem Drehkondensator durch einen logarithmischen Kurvenzylinder, wobei der Schreibstift dann nicht mehr durch eine Spindel, sondern durch eine Kurvennut geführt wird.
Die Fig. 8 und g zeigen Ausführungen eines Kondenstorbarometeres, das auf der isothermen Ausdehnung der Gase umgekehrt proportional dem Luftdruck beruht. In einem Vakuummeter ist eine bestimmte Gasmenge durch eine Quecksilbersäule al>geschlossen, die sich als Folge der Ausdehnung des Gases bei abnehmendem Luftdruck verschiebt.
Das Barometer ist ebenfalls als Kondensator ausgebildet, indem die Quecksilbersäule 39 den einen Belag, der Außenbelag 40 den zweiten Belag und die Glasröhre 41 das Dielektrikum bildet. Aus Gründen gleichmäßiger Bemessung der Gasfüllungen, der Unterbringung größerer Kapazitäten und der Meßgenauigkeit wird das Barometer zweckmäßig länger ausgeführt. Da sich die Quecksilbersäule bei Abnahme des Luftdrucks z. B. von IOOO auf 100 mb um das Zehnfache des Gasvolumens verschiebt, wird das Barometer bei einer Länge von 8 cm des gasgefüllten Teiles für Messungen bis 100 mb bereits ebenso lang wie das Quecksilberbarometer. Es kann aber zusammengebogen und dadurch auf viel kleinerem Raum untergebracht werden. Fig. g zeigt ein derartiges Barometer, das in der Sonde waagerecht angeordnet wird, da eine stehende Quecksilbersäule Mefifehler verursachen würde. Der Quecksilberteil kann unter Beibehaltung der Länge des gasteiles auch kürzer gemacht werden, indem sein Kapillarquerschnitt entsprechend vergrößert wird.
Längs des Barometers der Fig. 8 sind wieder jeweils um die Hälfte abnehmende Luftdrücke eingezeichnet, die linear zunehmenden Höhen entsprechen. Die den Druckunterschieden entsprechenden Längen nehmen bei diesem Barometer exponentiell zu. Die Verschiebungslänge der Quecksilbersäule ist daher logarithmisch abnehmend in eine Bewegung des Schreibstiftes umzusetzen, was wie beim Quecksilberbarometer in umgekehrter Richtung geschieht.
Dem Vorteil der kleinen Abmessungen dieses Barometers steht der Nachteil gegenüber, daß die Gasfüllung temperaturabhängig ist, die gemessenen Druckwerte also korrigiert werden müssen, wenn sich das Barometer im Temperaturfeld befindet. Um nachträgliche Korrekturen der Zustandskurven zu vermeiden, muß das Barometer so temperaturkonstant gehalten werden, daß die Meßfehler innerhalb der verlangten Meßgenauigkeit bleiben. Dies läßt sich durch einen sorgfältigen Wärmeschutz des Barometers erreichen. Das Barometer wird in der ohnehin vorgesehenen Schutzgondel untergebracht, in der, wie bekannt, die Temperatur ziemlich konstant gehalten werden kann, wenn man die durchsichtige Hülle innen so weit mit Aluminiumfolie l)eklel)t, daß die abgeführte Wärme durch eingestrahlte Sonnenwärme ersetzt wird. Da Radiosonden auch bei Wetter und zu Zeiten ohne Sonnenschein gestartet werden müssen, gewährleistet dieses \'erfahren nicht immer eine genügende Temperaturkonstanz. Das Barometer muß deshalb noch sehr gut wärmeisoliert, z.B. in einem Korkkasten untergebracht werden. Kleine Eichverschiebungen, die durch v erschiedene Eich- und Meßtemperaturen entstehen, können in einfacher Weise ausgeglichen werden. Das offene Barometerende wird z. B., wie in Fig. 8 gezeigt, mit einem Gummipfropfen 42 verschlossen, durch dessen Verschiebung die Quecksilbersäule längs eines kurzen Druckmaßstabes auf den bestehenden Luftdruck eingeregelt wird. Das . \usflußende des Barometers wird zweckmäßig mittels einer Verlängerung aus der Schutzgondel herausgeführt, um das Barometer dem Außendruck auszusetzen.
Ein Kondensatorhygrometzer besteht aus einem dütlnetl, blattförmigen hygroskopischen Material, auf dessen einer oder beiden Seiten sehr dünne poröse Belege z.B. aufgedampft oder aufgespritzt sind. do daß der hygroskopische Stoff als Dielektrikum wirkt. Die hohe Dielektrizitätskonstante des Wassers von etwa 80 hat eine sehr große Kapazitätsänderung und Empfindlichkeit mit der Feuchtigkeit zur Folge. Auch die Trägheit ist sehr gering, so daß die Anzeige der Feuchtigkeit rasch folgt.
Ferner kann ein Nteßbereich von 0 l)iS IOOO/0 getonnen werden, wenn man mehrere Hygrometer mit verschiedenen, sich überlappenden Meßl>ereichen parallel schaltet. Die Dielektrizitätskonstante ist allerdings wie bei Alkoholen temperaturabhängeig und fällt bei etwa20° C mit 300 Hz gemessen steil ab, so daß sich das Hygrometer nur für Temperaturen bis - 200 C eignet und die Brauchbarket bei höheren Temperaturen eine Frage der verlangten Meßgenauigkeit ist. Das bereits erwähnte elektrolytische Widerstandshygrometer besteht aus einem Glasröhrchen mit zwei in geringem Abstand aufgewickelten Platindrähten, über die eine Schicht Polyvinylacetat mit Lithiumchlorid aufgebracht ist. Das Hygrometer verbindet geringe Wärmeträgheit, große Empfindlichkeit und großen Meßbereich mit der Fähigkeit, die Feuchtigkeit im beschränkten Bereich noch bis -6o0 C zu messen. Auf Grund der Eichfunktion zwischen dem Hygrometerwiderstand und der Feuchtigkeit wird die Abhängigkeit der elektrischen Größe des Abstimmittels zum Einstellwinkel oder der Einstell- zur Aufzeichenbewegung gebildet und so die Feuchtigkeit linear aufgezeichnet.
All mechanischen Hygrometern sind in Radiosonden bisher nur Haarhygrometer. verwendet worden, die einen Plattenkondensator steuern. Für das Nufzeichenverfahren wird ein gesteuerter Drehkondensator vorgeschlagen, da man mit ihm eine mit der Feuchtigkeit lineare Kapazitätsänderung bilden kann. Fig. IO zeigt ein Spiralenhygrometer 43, das den spitzengelagerten Rotor 44 eines kleinen. waagerecht liegenden Drehiondenators bewegt.
An Stelle eines Spiralenhygrometers kann auch ein Haarhygrometer benutzt werden.
Ein besonderer Vorteil des Aufzeichenverfahrens ist die einfache Eichung. Während bisher die Meßelemente allein oder zusammen mit den Empfangseinrichtungen über den ganzen Meßbereich punktweise geeicht werden müssen, ist es nach dem erfindungsgemäßen Aufzeichenverfahren nur nötig, die Meßelemente auf einen oder zwei Meßwerte zu eichen und die Schwingkreiselemente für je zwei Meßwerte jeder Meßgröße so aufeinander abzustimmen, daß diese Meßwerte genau auf den Maßstab des Diagrammpapiers übertragen werden. Alle übrigen Werte werden dann infolge der in der Ausbildung der Meßelemente und der Übertranungsmittel festliegenden Änderungsfunktion richtig übertragen. Die Abstimmung der Anlage auf den Diagrammaßstab kann ferner vor dem Aufstieg der Radiosonde vorgenommen werden, wodurch Eichdifferenzen, die sich beisher hei allen kontinuierlichen Meßverfahren ergelen hahen, vermieden werden. Als je ein Abstimmeßwert hietet sich der heim Aufstieg am Boden herrschende Meßwert, den ein Vergleichsinstrument liefert. Als je ein zweiter Abstimmeßwert dient ein Eichwert, z. 13. ein tiefster Temperatur- und Druckwert, der hei der Messung nicht unterschritten wird. Auf diese Tiefstwerte werden die Kondensatormeßelemente dadurch geeicht, daß ihre Außenhelege an der durch die Flüssigkeitssäule angezeigten Stelle abgeschnitten werden, wie es Fig. g für das Barometer zeigt. Wird für die Feuchtigkeitsmessung ein Hygrometer verwendet, so werden zur Abstimmung auf den Diagrammaßstab für den zweiten oder für beide Eichwerte den elektrischen Hygrometergrößen entsprechende Ersatzelemente in den Sendeschwingkreis an Stelle des Meßelements eingeschaltet, was ebenso auch für die Temperatur- und Druckabstimmung möglich ist. Die Eichabstimmung wird bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Meßanlage z. B. in folgender Weise durchgeführt: Die abschaltbaren Meßelemente I und 2 werden zunächst von den Schwingkreisen getrennt, so daß in diesen nur die Festkondensatoren 3 und 4 liegen. Diese Kapazitäten entsprechen den tiefstmöglichen Meßwerten, bei denen die Außenbelege endigen, z.B.
600 C und 100 mb. Auf diese Werte wird der Schreibstift auf dem Diagrammpapier eingestellt, wobei die nbstimmkondensatoren ganz herausgedreht werden. Nun werden die Empfänger mittels der Trimmerkondensatoren 1 1 und 12 auf die Sendefrequenzen abgestimmt. Dann werden die Meßelemente in die Schwingkreise der Sender eingeschaltet und der Schreibstift mittels der Abstimmkondensatoren auf dem Diagrammpapier auf den am Boden gemessenen Temperatur- und Druckwert eingestellt. Nun werden die Abstimmkondensiatoren bei unverändertem Drehwinkel auf die Sendefrequenzen eingestellt und zwar z. B. dadurch, daß der Ahstand einer hinter dem Stator angehrachten Rotorplatte zur letzten Statorplatte von vorn verstellt wird. I)ie nachzustimmenden Kapazitätsbeträge richteii sich im wesentlichen nach den HerstellungstOlerallzell der Nleß- und Schwingkreiselemente.
Zur zXbstimmullg kann auch die Induktivität herangezogen weden. Sie kaiiii ferner mittels Trimmerkapazitäteii iin Setl (let und Empfänger durchgeführt werden. Das Kondensatorthermometer nach lvig. 4 hat im tiefsteit Meßpunkt, d. h. bei längs des Außeilelages leerer Kapillare noch eine geringe Restakpazität, an deren Stelle eine Ersatzkapazität einzuschalten ist. Xhtilich kann auch die Abstimmnllg für die I;euchtigkeitsübertragung durchgeführt werden.
Bei Unterschreitung des Luftdrucks, bei dem der Außenbelag des Barometers zu Ende ist, z. B. bei Ion mb, l)leil)t der Schreibstift in der Ordinatenrichtung stehen und zeichnet nur noch die Temperatur auf, d. h. eine Parallele zur Abszissenachse.
Dadurch können während der Messung durch schädlichen Frequenzgang des Senders entstandene Meßfehler festgestellt und durch Verbesserungen beseitigt werden.
Aus Gründen der einfacheren Bedienung oder der schnelleren Aufstigeshbereitschaft der Radiosonde kann es erwünscht sein, auf die genaue Abstimmung der Anlage auf den Diagrammaßstab zu verzichten. Auch in diesem Fall können die Zustandskurven im gena'uen Maßstab gewonnen werden. Sie werden dann auf ein transparentes, teilungsfreies Papier aufgezeichnet und je zwei Meßwerte auf den Zustandskurven bzw. auf dem Papier markiert und vermerkt. Dann werden sie einzeln mittels einer in zwei Achsrichtungen einstellbaren Proj ektionseinrichtung auf den Diagrammstah entzerrt und auf einem Diagrammpapier von Hand nachgezeichnet oder mit einer transparenten Diagrammteilung auf ein lichtempfindliches Papier oder auf ein lichtempfindliches Diagrammpapier kopiert.
Für das erfindungsgemäße Aufzeichenverfahren können an Stelle der als Beispiele vorgeschlagenen Flüssigkeitsthermometer und -barometer natürlich auch Metallthermometer und Dosenbarometer verwendet werden, die in der gewünschten Funktion Kondensatoren steuern. z. B. in ähnlicher Weise, wie es für die Feuchtigkeitsmessung am Beispiel der Fig. In gezeigt ist.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: I. Verfahren zur unmittelbaren Aufzeichnung von aerologischen Zustandskurven, insbesondere mittels einer Radiosonde, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufzeichnung der Drucktemperaturkurve der Änderungsverlauf der Kapazitäten eines in je einem senderseitigen Schwingkreis liegenden Kondensatorthermometers und Kondensatorharometers durch in empfangsseitigen Schwingkreisenliegende Abstimmkondensatoren, deren Kapazitäten sich durch die Abstimmung proportional den senderseitigen Kapazitäten ändern, verfolgt wird und durch die Einstellung der Abstimmkondensatoren einerseits das Aufzeichenorgan in Richtung einer Koordinatenachse linear mit der Temperatur und andererseits der Träger des Aufzeichenpapiers in Richtung der anderen Koordinatenachse logarithmisch mit dem Luftdruck bewegt wird.
2. Verfahren zur Aufzeichnung der Druckfeuchtigkeitskurve gleichzeitig mit der Drucktemperaturkurve nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Änderungsverlauf eines in einem senderseitigen Schwingkreis liegenden Kondensator- oder Widerstandshygrometers oder eines durch ein Hygrometer beeinflußten Schwingkreiselements durch ein in einem empfangsseitigen Schwingkreis liegendes Abstimmittel, dessen elektrische Größe oder der Einstellweg sich proportional dem senderseitigen Schwingkreiselement ändert, verfolgt wird und durch die Einstellung des Abstimmittels ein zweites Aufzeichenorgan in Richtung der gleichen Koordinatenachse wie das Aufzeichenorgan für die Temperatur linear mit der Feuchtigkeit bewegt wird.
3. Verfahren zur Aufzeichnung der Druckfeuchtigkeitskurve gleichzeitig mit der Drucktemperaturkurve nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Änderungsverlauf der Kapazität eines zweiten, feucht gehaltenen Kondensatorthermometers in der nach Anspruch I gekennzeichneten Weise verfolgt und aus den der Trocken- und der Feuchttemperatur entsprechenden Einstellbewegungen mittels eines Funktions- oder Rechengetriebes eine mit der Feuchtigkeit lineare Bewegung gebildet und auf ein zweites Aufzeichenorgan übertragen wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare Übertragung der Temperatur und der Feuchtigkeit und die logartimische Übertrageung des Luftdrucks durch die Beziehung zwischen den aerologischen und elektrischen Werten des Meßelements, durch die Abhängigkeit der elektrischen Werte des Abstimmittels von dessen Einstellweg oder durch Funktionswandler im weiteren Übertragungsweg bewirkt wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß alle drei Meßgrößen mittels Sendefrequenzen oder zwei Meßgrößen mittels Sendefrequenzen und die dritte mittels einer Modulationsfrequenz oder eine Meßgröße mittels einer Sendefrequenz, eine zweite mittels einer Modulationsfrequenz und die dritte mittels einer dieser überlagerten anderen Modulationsfrequenz übertragen werden.
6. Verfahren nach den Ansprüchen I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmittel in an sich bekannter Weise mittels automatischer Nachstelleinrichtungen eingestellt werden.
7. Verfahren nach den Ansprüchen I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die den Luftdruck aufzeichnende Bewegung auf eine das Aufzeichenpapier aufnehmende Schreibtrommel und tlie die Temperatur und die Feuchtigkeit aufzeichnenden Bewegungen auf Schreibstifte übertragen werden, die senkrecht zur Bewegungsrichtung der Schreibtrommel mittels Spindeln, Seilzügen oder Kurvenzylindern geführt sind.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufzeichenbewegungen auf die Aufzeicheneinrichtung bei Handabstimmung mechanisch oder mittels gesteuerter Nachlaufwerke und bei automatischer Abstimmung gleichzeitig durch die Nachstelleinrichtungen der Abstimmittel übertragen werden.
9. Abänderung des Verfahrens nach den An-Ansprüchen I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Einstellung der Abstimmittel Ablenkspannungen gewonnen werden und durch diese der Kathodenstrahl einer Braunschen Röhre in beiden Koordinaten gesteuert wird, dessen Leuchtfleck die Kurve auf ein lichtempfindliches Papier aufzerchnet. in.
Kondensatorthermometer zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen I, 3 und 4, gekennzeichnet durch ein Quecksilberthermometer, dessen Quecksilberfaden den einen Belag des Kondensators bildet, dessen anderer Belag auf dem als Dielektrikum wirkenden Kapillarrohr aufgebracht ist.
11. Kondensatorthermometer zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen I, 3 und 4, gekennzeichnet durch ein mit einer Flüssigkeit mit tiefem Gefrierpunkt gefülltes Thermometer, dessen Flüssigkeitsfaden als Dielektrikumschicht zwischen Kondensatorl>elegen wirkt, deren einer in Drahtform durch die Kapillare geführt und deren anderer auf dem Kapillarrohr aufgebracht ist oder deren heide auf dem Kapillarrohr gegenüberliegend angeordnet sind.
12. Kondensatorbarometer zur Durchführung des Verfahrens nach den ansprüchen I l)is 4, gekennzeichnet durch ein Quecksilberbarometer, dessen Quecksilbersäule tlcn einen Belag des Kondensators bildet, dessen anderer Belag auf dem als Dielektrikum Wirkenen Barometerrohr aufgebracht ist.
13. Kondensatorbarometer zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen I bis 4, gekennzeichnet durch eiii NTakuulnmeter, bei dem eine Gasmenge durch eine Quecksilbersäule abgeschlossen ist, die den einen Belag des Kondensators bildet, dessen anderer Belag auf dem als Dielektrikum wirkenden Barometerrohr aufgebracht ist.
14. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein Spiralenhygrometer, das einen Drehkonden sator steuert.
15. Verfahren nach den -\tsprüchen I bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingkrieselemente im Sender und I ml) fällger für z. 13. je zwei Meßwerte jeder Nteßgröße so aufeinander abgestimmt werden, daß die Meßwerte auf die ihnen zugeorcllletell Punkte des Diagrammpapiers übertragen werden und daß als Meßwerte die Bodenwerte und/oder Eichwerte dienen, die durch die Ender der Außenbelege der Meßelemente fixiert bzw. durch Ersatzeleente nachgebildet werden.

I6. Verfahren nach den \iisl)rüchen I bis 3, dadurch gekennzeichnet. daß die Zustandskurven auf ein teilungsfreies Pal)ier aufgezeichnet und auf diesem je zwei Meßwerte markiert, die Kurven mittels einer Projektionseinreichtung auf den Diagrammaßstab entzerrt und von Hand nachgezeichnet oder mit einer Diagrammteilung auf ein lichtempfindliches Papier oder auf ein Diagrammpapier kopiert werden.