DE2323306A1

DE2323306A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen des vom luftzustand abhaengigen korrekturfaktors fuer die lichtgeschwindigkeit in luft

Info

Publication number: DE2323306A1
Application number: DE2323306A
Authority: DE
Inventors: Klas Rudolf Wiklund
Original assignee: AGA AB
Current assignee: AGA AB
Priority date: 1972-05-10
Filing date: 1973-05-09
Publication date: 1973-11-29
Also published as: CH556547A; GB1425745A; SE362967B; JPS4950970A; FR2184357A5; US4000652A

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. H. STROHSCHÄNK

8000 MÜNCHEN 60 · MUSÄUSSTRASSE 5 · TELEFON (0811) 881608

9.5.1973-SK(4) 19O-1O64P

Verfahren und Vorrichtung zum Messen des. vom Luftzustand abhängigen Korrekturfaktors für die Lichtgeschwindigkeit in Luft

Da die Lichtgeschwindigkeit in Luft von deren Zustand, insbesondere von deren Druck und Temperatur abhängt, ist bei genauen Entfernungsmessungen unter Ausnutzung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht oder ähnlichen elektromagnetischen Wellen unbedingt der Luftzustand, d.h. zumindest der Luftdruck und die Lufttemperatur, in Form eines entsprechend veränderlichen Korrekturfaktors zu berücksichtigen. Von Einfluss auf die Luftgeschwindigkeit ist weiterhin auch die Luftfeuchtigkeit, obgleich deren Einfluss nur verhältnismässig klein ist. Zur Ermittlung des Korrekturfaktors hat man bisher die Lufttemperatur mit einem Thermometer und den Luftdruck mit einem Barometer gemessen und den Korrekturfaktor in einer anschiiessenden Rechenarbeit ermittelt. In einigen Fällen verwendete man für diese Rechenarbeit ein Nomogramm, aus welchem nach Einsetzen der ermittelten Temperatur- und Druckwerte der Korrekturfaktor an einer entsprechenden Skala unmittelbar abgelesen werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einheitliches Messgerät zu schaffen, welches ein unmittelbares Ablesen des erwünschten Korrekturfaktors an einer Skala ermöglicht, ohne dass für diese Anzeige eine getrennte Messung von Druck und Temperatur der Luft und eine anschliessende Rechenarbeit anhand einer

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tabellarischen Zusammenstellung oder etwa ein entsprechendes Rechenwerk benötigt wird.

Die gestellte Aufgabe ist durch das im Hauptanspruch gekennzeichnete Verfahren gelöst.

Bei diesem Vorschlag ist von der bekannten Tatsache ausgegangen, dass der gesuchte Korrekturfaktor proportional dem Luftdruck und umgekehrt proportional der absoluten Lufttemperatur . ist. Aus dem allgemeinen Gasgesetz geht hervor, dass sich das Volumen einer bestimmten Luftmenge umgekehrt proportional dem auf sie einwirkenden Druck und proportional deren Temperatur ändert. Bei dem erfindungsgemässen Verfahren ist dieser Zusammenhang zu einer unmittelbaren Ermittlung des gewünschten Korrekturfaktors ausgenutzt. Das in seiner Messung zu korrigierende Entfernungsmessgerät arbeitet unter Verwendung modulierten Lichtes so genau, dass die Lufttemperatur mit einer Genauigkeit von unter 1° C und der Luftdruck mit einer Genauigkeit von unter 3 ™* Hg berücksichtigt werden muss. Bei 760 mm Hg und 20° C ergeben diese Veränderlichen jeweils eine Berichtigung in der Grössenordnung von 10~ ο Die Luftfeuchtigkeit geht demgegenüber in das Ergebnis der Entfernungsmessung mit einem Einfluss ein, der maximal in der Grössenordnung von 10"" liegt und deshalb im allgemeinen vernachlässigt werden kann.

Die Erfindung umfasst weiterhin auch zwei unterschiedliche Vorrichtungen zum Durchführen des Verfahrens gemäss dem Hauptanspruch, die in den Unteransprüchen 2 und '6 gekennzeichnet sind. V/eitere Unteransprüche kennzeichnen schliesslich konstruktive Einzelheiten dieser beiden Vorrichtungen.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es zeigen:

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Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Vorrichtung zur Ermittlung des Korrekturfaktors in einer scheraatisch gehaltenen Ansicht (teilweise im Schnitt);

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der Vorrichtung in einer perspektivisch und zugleich schematisch gehaltenen Seitenansicht.

Die in Pig. 1 dargestellte Vorrichtung weist ein Glasrohr 1 auf, das an seinem rechten Ende 2 geschlossen ist. Der Innenraum 3 des Glasrohres 1 ist nach dessen offenem Ende hin konisch er-, v/eitert, wobei an das innere, am meisten eingeschnürten Ende des Innenraumes 3 jedoch noch eine etwa eiförmige Erweiterung 4 anschliesst. Durch einen beispielsweise aus Quecksilber bestehenden Tropfen 5, der sich im öffnungsseitigen Bereich des Glasrohres 1 befindet, ist der weiter innen befindliche, beispielsweise mit Stickstoffgas gefüllte Teil des Innenraumes 3 einschliesslich der Erweiterung 4 nach aussen hin abgeschlossen.

Das Glasrohr 1 ist bei der praktischen Anwendung von der Luft umgeben, durch welche sich die modulierten Lichtwellen fortpflanzen. Dabei ist also das Stickstoffgas der Lufttemperatur und über den im Glasrohr 1 beweglichen Tropfen 5 dem Druck dieser Luft ausgesetzt. Dabei nimmt der Tropfen 5 in Längsrichtung des Glasrohres 1 eine Lage ein, die eine Funktion vom Druck und von der Temperatur der Umgebungsluft ist und somit zur unmittelbaren Messung des gewünschten Korrekturfaktors ausgenutzt werden' kann.

Wie aus Fig. 1 weiterhin hervorgeht, ist zum Zwecke der Messung der Lage des Quecksilbertropfens entlang dem Glasrohr 1 eine Skala 6 angeordnet, die unmittelbar entsprechend den zugeordneten Korrekturwerten geeicht sein kann. Wenn man die Konizität des Innenraumes 3 entsprechend wählt, ergibt sich eine lineare Abhängigkeit des Korrekturfaktors von der Lage des Tropfens 5, so dass auch die Skala 6 entsprechend linear ausgebildet sein kann.

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Gemäss dem allgemeinen G-asgesetz ist

1/V = Ic₁ · P/T,

worin V das Volumen des eingeschlossenen Gases, P der Druck der Umgebungsluft und T die absolute G-as temperatur ist» k. ist eine Eonstante. Bekannt ist, dass der gewünschte Korrekturfaktor proportional P/T ist, womit er entsprechend dem vorgenannten Gasgesetz auch proportional 1/V ist. Mit der beschriebenen Vorrichtung wird also das im Glasrohr 1 durch den Tropfen 5 eingeschlossene Gasvolumen gemessen, welches sich nach vorstehendem nicht linear mit dem Korrekturfaktor ändert. Durch die beschriebene konische Formgebung des Innenraumes 3 kann jedoch wenigstens angenähert ein linearer Zusammenhang zwischen dem Gasvolumen und dem Korrekturfaktor erreicht-werden.

Pur gewisse, besonders genaue Messungen kann auch die Feuchtigkeit der Umgebungsluft für die Ermittlung des Korrekturfaktors berücksichtigt werden, wenn die Skala 6 in der in Fig. 1 dargestellten Weise längsverschiebbar an einem Gestell 8 gelagert und ein das linke Ende der Skala 6 tragender Ständer 9 am Gestell 8 in der Ebene der Skala schwenkbar gelagert wird, und wenn weiterhin der mittels einer Feder 10 gemäss Fig. 1 nach links vorgespannte Ständer 9 durch ein nahe seinem äusseren Ende angreifendes Haar 7 oder ähnliches feuchtigkeitsabhängig längenveränderliches Glied, welches anderseits im Bereich des rechten Endes des Gestells 8 festgelegt ist, entgegen der Kraft der Feder 10 etwa in der dargestellten Lage festgehalten wird. Wenn sich die Länge eines Haares auch nicht linear mit dem Feuchtigkeitsgehalt der Luft ändert, so kann doch mit Hilfe einer entsprechend nicht linearen Fsdercharakteristik der Feder 10 erreicht werden, dass die Skala 6 in Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit die gewünschte, zumindest angenähert lineare Längsverschiebung erhält, bei der ihr rechtes Ende auf einem starren rechten Ständer 11 des ö-sstells 8 entsprechend gleitet.

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Zum Schutz des Tropfens 5 aus Quecksilber vor einer Oxydation durch die umgebende Atmosphäre kann das offene Ende des Glasrohres 1 durch einen flexiblen gasdichten Beutel 12 oder einen entsprechend flexiblen -Balg, beispielsweise aus Gummi, verschlossen sein. Der vom Beutel 12 und vom Glasrohr 1 ausserhalb des Tropfens 5 eingeschlossene Raum kann mit einem Gas, beispielsweise Stickstoffgas, angefüllt sein, welches keine Oxydation des Tropfens 5 verursachen kann.

Die in Fig. 2 dargestellte zweite Ausführungsform der Vorrichtung weist als den mit Stickstoff angefüllten Behälter eine Dose 20 aus Blech ähnlich einer üblichen Barometerdose auf, deren eine Stirnwand als eine in axialer Richtung flexible, in der dargestellten Weise gerillte Membranwand 21 ausgebildet ist. In der Mitte dieser Wand ist das eine Ende einer Stange 22 festgelegt, die nach aussen bis zum äusseren Ende eines Hebels 23 ragt, an dem sie angelenkt ist. Der etwa rechtwinklig zur Stange 22 verlaufende Hebel 23 ist an einer Welle 24 festgelegt, die in einem Lagerbock 25 drehbar gelagert ist. Während am einen freien Ende der Welle 24 ein Zeiger 26 festgelegt ist, dessen Stellung gegenüber einer ortsfesten Skala 27 abgelesen werden kann, führt das andere Ende der Welle 24 zum mechanischen Eingang einer nachstehend noch näher erläuterten Messvorrichtung 28.

Im Gegensatz zu einer üblichen Barometerdose, die bekanntlich soweit als möglich luftleer ist, ist die Dose 20 mit einer gewissen Gasmenge gefüllt, die analog der im Glasrohr 1 durch den Tropfen 5 eingeschlossenen Gasmenge dem Druck und der Temperatur der umgebenden Atmosphäre ausgesetzt ist, weil die Membranwand 21 in axialer Richtung entsprechend nachgiebig ist. Mit jeder axialen Bewegung der Membranwand 21 wird auch die Stange 22 entsprechend bewegt und über den Hebel 23 die Welle 24 entsprechend gedreht, womit jede Volumenänderung des in der Dose 20 eingeschlossenen Gases über den Zeiger 26 an der Skala 27 abgelesen werden kann. Dabei kann die Skala 27 unmittelbar in die Grossen

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des gewünschten Korrekturfaktors geeicht sein. Während die Ausschläge des Zeigers 26 bei einer Ausbildung der Döse 20 mit einer üblichen Membranwand 21 keinen linearen Korrekturfaktorverlauf ergeben, kann man die Membranwand 21 gewünschtenfalls auch so gewellt ausführen, das3 die Ausschläge des Zeigers 26 genau proportional dem Korrekturfaktor sind und die Skala 27 linear ausgebildet werden kann.

Wenn zur Übertragung der Längsverschiebungen der Stange 22 in die Drehbewegung der Welle 24 statt der dargestellten Hebel-, verbindung ein-auf der Welle 24 festgelegtes Ritzel verwendet wird, in das die Stange 22 mit einer entsprechenden Verzahnung eingreift, dann können die linear zur Skala 27 verlaufenden Zeigerausschläge auch dadurch herbeigeführt werden, dass entweder die Verzahnung der Stange 22 oder die Zähne des auf der Welle 24 festgelegten Ritzels einen sich in Längs- bzw. Umfangsrichtung ändernden Zahnabstand erhalten oder andere entsprechende Massnahmen, etwa eine exzentrische Lagerung des Ritzels und eine entsprechende Anlenkung der mit der Verzahnung versehenen Stange 22 an der Membranwand 21, getroffen werden.

Während die dargestellte und bis hierher beschriebene Vorrichtung gemäss Fig. 2 keine Korrektur in Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit zulässt, könnte die Skala 27 jedoch auch bei dieser Ausführungsform analog den bei der ersten Ausführungsform beschriebenen Massnahmen in ihrer Längsrichtung in Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit verstellbar ausgeführt werden.

Während der ermittelte Korrekturfaktor bei beiden beschriebenen Ausführungsformen der Vorrichtung gewünschtenfalls auch auf mannigfaltige Art und Weise in elektrische Korrekturimpulse umgesetzt werden könnte, ist gemäss Fig. 2 für eine solche Umsetzung die Messvorrichtung 2δ vorgesehen. Die am mechanischen Eingang der Messvorrichtung 28 eingegebenen Drehbewegungen der Welle 24· werden beispielsweise über ein Drehpotentiometer, einen veränderlichen Kondensator oder einen veränderlichen Oszillator,

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der mittels der Drehbewegung der Welle 24 gesteuert wird, in elektrische Ausgangsimpulse umgesetzt, die über den Ausgang 29 der Messvorrichtung 28 einem elektrischen Anzeigegerät 30 zugeführt werden. Das Anzeigegerät 30 kann aus einem Registriergerät oder einem Zählgerät oder aber auch unmittelbar aus einem Entfernungsmessgerät bestehen, dessen Entfernungsanzeige auf diese Weise unmittelbar und selbsttätig elektrisch entsprechend den Änderungen der Lichtgeschwindigkeit in Luft unterschiedlichen Zustandes korrigiert wird.

Bei der in Pig. 1 dargestellten Ausführungsform könnte die elektrische Übertragung des Korrekturfaktors beispielsweise über ein an sich bekanntes optisches Gerät erfolgen, dessen optische Messwerte in elektrische Impulse umgesetzt werden.

Das Glasrohr 1 gemäss der ersten Ausführungsform könnte auch einen zylindrischen Innenraum aufweisen, in welchem Falle lediglich der Skala 6 eine entsprechend nicht lineare Eichung gegeben werden müsste. Man könnte auch den Tropfen 5 in zwei gleich ■ grosse Tropfen kleinerer Grosse aufteilen, die sich im Glasrohr in einem kleinen gegenseitigen Abstand voneinander befinden. Hierbei kann leicht beobachtet werden, wenn sich etwa einer der beiden kleinen Tropfen aufteilen sollte, selbst wenn ein sehr kleiner abgespaltener Teil nicht mehr sichtbar sein sollte, weil in einem solchen Falle doch die unterschiedlich grosse Tropfenform beobachtbar bleibt. Sollte eine etwaige Aufteilung eines der beiden Tropfen aber nicht bemerkt werden, dann würde eine weitere Ablesung an der Skala 6 zu einem beträchtlichen Messfehler führen. Grundsätzlich kann aber die Ablesung bei zwei kleinen Tropfen einfacher und genauer als mit einem Tropfen erfolgen, weil ein entsprechend klein gewählter Zwischenraum zwischen den beiden Tropfen zu einer sehr genauen Ablesung herangezogen werden kann.

Wenn die der ersten Ausführungsform entsprechende Vorrichtung beispielsweise während eines Lufttransportes starken Druckänderungen ausgesetzt werden sollte, dann empfiehlt es sich, das

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Glasrohr 1 an seinem äusseren Ende oder auch an beiden Enden mit einer Einschnürungsstelle zu versehen. Um ein Austreten des
Quecksirbertropfens aus dem Glasrohr 1 auch bei etwa am Quecksilbertropfen auftretenden Beschleunigungskräften relativ zum
Glasrohr 1 zu verhindern, kann mindestens das äussere Ende des Glasrohres 1 mit einer scharfen Krümmung versehen oder statt
eines geradlinigen Glasrohres ein spiralförmiges Glasrohr verwendet werden» Wenn das äussere Rohrende sowohl mit einer Einschnürungsstelle als auch mit einer scharfen Krümmung versehen ist, dann wird dadurch ein etwaiges Austreten des Quecksilbertropfens bei allen praktisch vorkommenden Beanspruchungen wirksam verhindert.

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Claims

9.5.197>SK(4) 19O-1O64P

Pat ?£t ansp_rüche

1A Verfahren zum Messen des vom Luftzustand abhängigen Korrekturfaktors für die Lichtgeschwindigkeit in Luft, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Druck und der Temperatur der Luft abhängigen Volumenänderungen eines in einem Behälter mit einem in einer Richtung flexiblen Wandteil eingeschlossenen Gases als Weg des flexiblen Wandteils gegenüber dem übrigen Behälter gemessen werden.

2. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter aus einem an seinem einen Ende (2) geschlossenen Rohr (1), beispielsweise aus Glas, besteht, dessen mit dem Gas gefüllter Innenraum (3) durch einen im Bereich seines offenen anderen Endes befindlichen, den flexiblen Wandteil bildenden Tropfen (5), beispielsweise aus Quecksilber, von der Aussenluft getrennt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Glasrohr (1) eine mit der Lage des Tropfens (5) zugleich den Korrekturfaktor anzeigende Skala (6) zugeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem Rohr (1) eine elektrische Messvorrichtung nebst Anzeigevorrichtung für die Messung und Anzeige der Lage des Tropfens (5) zugeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (1) einen nach seinem offenen Ende hin

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konisch, erweiterten Innenraum (3) aufweist, dessen Konizität im Sinne einer linearen Abhängigkeit des Korrekturfaktors von der .volumenabhängigen Verschiebung des Tropfens (5) gewählt ist.

6. Vorrichtung cum Durchführen des Verfahrens? nacli Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter aus einer mit dem Gas gefüllten Dose (20) mit einer axial beweglichen stirnseitigen Abschlusswand (Membranwand 21) basteht«

7. Vorrichtung nach Anspruch. 6, dadurch, gekennzeichnet, dass die bewegliche Abschlusswand eine Membranwand (21) ist.

8. ' Vorrichtung nach" Anspruch 6 oder ^: i.actor eh gekennzeichnet _r dass die bewegliche Absahlussrand (MemDranwana 21) mit einer
deren Bewegungen an einer auf den KorrekturfaJctor geeiohtss
Skala (27) anzeigenden AnzeigevüXvfic^tiü.g (22 bia 27) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch. 6 ode:* 7< da&urcli gekennzeichnet _$ dass die bewegliche Abschlusswand (M^ribr-ajiwand 21) mit einer
elektrischen Messvorrichtung (2B) verbunden ist, der ein elektrisches Anzeigegerät (30) angeordnet i0t_t

10. Vorrichtung nach Anspruch 4 odsr 9, ciatlurch. gekennzeichnet ₉ dass der Ausgang der elektrischen Messvorrichtung (ζ*Β· 2δ) mit einem auf die lichtgeschwindigkeit ai^-prGehenden Gerät im Sinn-ß von dessen Korrektur eni-sprechend des geaeosö?ien Korrsktiirfaktor verbunden ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 3 odei¹ 8, daduxoh. gokennzeiohiiel-_f dass die Skala (6 bzw. 27) l&igBTW^wxi-thar¹ gelagert und mit
einem in Abhängigkeit von ö.sr L^f^fe-a^lvLigköiw läagenverändcr« liehen, in Längsrichtung der Skala (6 bzw* 27) wirksamen Glied (Haar 7) im Sinne einer Kon-etl^v der SkaXeriSiizenfie in Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit wrtayn&en ist«

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12. Vorrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine auf die Bewegungen eines in Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit längenveränderlichen Gliedes (z.B. Haar 7) ansprechende Vorrichtung, die mit dem mechanischen Eingang der elektrischen Messvorrichtung (z.B. 28) im Sinne einer Überlagerung und dementsprechenden zusätzlichen Berücksichtigung der Luftfeuchtigkeit bei der Ermittlung des Korrekturfaktors gekuppelt ist.

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