- Titel: Meteorologische Messmethoden
- Organisation: UNI KARLSRUHE
- Seitenzahl: 128
Inhalt
- Universelle Konstanten Gleichungstypen Wichtige Einheitengleichungen
- Messung einer Grße o Fehler von Messgerten a
- Temperaturmessung Die verschiedenen TemperaturSkalen
- Messanordungen Br ckenmessung nach der Nullmethode u
- Br ckenmessung nach der Ausschlagmethode u
- Terrestrische Strahlung Strahlungsbilanz
- Hhenwindmessung o Pilotballonmethode Radarwindmessung Radiotheodolitmethode
- Prof Dr Ch Kottmeier
- Meteorologische Messmethoden Skript zur Vorlesung
- Messungen in der Meteorologie
- Traditionell Experiment Messung
- Begrie und Denitionen Messen
- Weitere messtechnische Ttigkeiten a Pr fen u
- Uberblick uber die zu messenden Variablen
- p T s F l Fk
- mi Partialmasse m Gesamtmasse
- Druck Druck p KraftFlche a
- Messprinzipien Kraft bertragung Beschleunigung KrfteGleichgewicht u a
- StefanBoltzmannGesetz P T
- Messprinzipien Mengenbestimmungen Topf Streuung elektromagnetischer Wellen RADAR
- Messprinzipien Mengenmessung von H ODampf Taupunktmessung Psychrometrisches Verfahren
- Konzentrationen und luftchemische Grßen o
- Messsysteme fr verschiedene Hhenbereiche u o
- StandardSynoptische Messungen Klimadaten
- Mastmessungen bis ca m PrandtlSchicht
- Grenzschichtsondierung bis m Struktur Turbulenzstruktur Impulshaushalt Energiehaushalt
- U V I A
- o Physikalischen Grße Lnge Radius Weglnge a a
- Flcheninhalt Querschnitt a Volumen
- Beispiel Mikrometer m m Nanometer nm m
- Zahlenwertgleichung E e E in hPa in C
- Wichtige Einheitengleichungen N kp dyn
- Kraft N kg ms kp dyn g cms
- Druck Nm hPa mb at kpcm Torr atm
- Energie J Nm Ws kpm kWh kcal eV
- J NmWs erg
- Leistung W Js kpms kcals PS
- Umrechnung von SIEinheiten
- W m cal cm min J cal
- cal g H O C
- Filter anal Digit
- Figure Blockschaltbild Zufllige Fehler a
- Messung einer Grße o
- Fehler von Messgerten a
- Dynamisches Verhalten von Messinstrumenten
- Ubertragungsverhalten und allgemeine Lsung o
- Das System Ordnung
- Integr ct Allgemeine Lsung o
- yt bei f t Sprungfunktion
- Mit f t const fs ist
- Lsungen o allgemein Thermometer Schalenkreuz
- v kc vS v kc vS e
- T TLS T TLS e
- Figure Skizze zur Dierenz T TL
- T T L a T
- Allgemeines zur SchwingungsGleichung
- Gleichung der freien harmonischen Schwingung
- Lsungsansatz y o
- d y y dt k ekt ekt
- y A sin tan v yy
- d y dt dy y f t dt
- a ohne Dmpfung a
- v y und tan y v i
- k komplexe Lsung partiell o
- d y dt dy y dt
- t vy sin t
- da aperiodische Kriechbewegung
- Mit t y y v
- aperiodischer Grenzfall Mit t y y v
- y v t e t Verschiedene Grßen o
- Bei der gedmpften Schwingung a S p
- Verschiedene f t
- f s s s s t
- Figure Antwortverhalten verschiedener Windrichtungssensoren
- Die verschiedenen TemperaturSkalen
- Denition der Temperatur durch den CarnotKreisprozess
- s const isotherm
- T ds hier T s
- Temperaturskala des Gasthermometers
- auch Ekmolek kT
- Internationale Praktische Temperaturskala von
- Sauersto Wasser Wasser Zink Silber Gold
- Bei isotropen Krpern gilt l o
- Figure Fl ssigkeitsFederThermometer u
- Figure Typischer Thermistor Widerstand uber Temperatur
- a b lnR clnR
- T Temperatur in K R Thermistorwiderstand
- Br ckenmessung nach der Nullmethode u
- Falls Galvanometer nicht stromlos nichtlineare Beziehung AusschlagR x
- Der Koezient S TL ist die
- Die Theorie des Schalenkreuzanemometers
- Stationrer Fall ohne Reibung a
- Theorie nach Schrenk
- v u v u a c
- Ansatz zur Verallgemeinerung
- CR k k cosd
- Figure Skizze R
- M R d Arv c
- k k cosd c c k c c
- c c c c
- k aber wegen k Also
- v u unphysikalisch k
- Nhrung zu k k a
- Instationrer Fall ohne Reibung a
- u c c v c c
- e etelWertsZeit D Trgheitslnge distanceconstant a a
- Einuss der Reibung
- f f zz zL
- v Instationrer Fall a
- u us ln us u us
- Windmessung uber den Staudruck
- p MessDierenzdruck v p v v p p
- Windmessung mit dem Hitzdrahtanemometer
- OverspeedingEekt bei Schalenstern und Propelleranemometern
- Windrichtungsmessung Theorie der Windfahne
- Figure Verschiedene Typen von Windfahnen
- Messprinzip Schallausbreitung in Luft in strmenden Medium o
- L t t t t
- c T T k t t t t
- Funktionsweise von Ultraschallanemometern
- Fehlerquellen des Ultraschallanemometers
- Figure Der Solent ResearchGill Sensor
- Figure Solent Research Ultraschallanemometer
- Figure Normierte Horizontalgescwindigkeit Solent Research Ultraschallanemometer
- Figure Windrichtungsabweichung Solent Research Ultraschallanemometer
- Denition von Feuchtemaßen Umrechnungsformeln
- Wasserdampfdruck Sttigungsdampfdruck a
- e p e e q
- e e p e p
- Feuchtemessung und Messgerte a
- L Ef eL cp p
- cp p Tf TL L
- f x x x TL TL Tf TL
- in Abhngigkeit von der Lufttemperatur L a
- Wasser Wasser Wasser Eis Eis Eis Eis
- Grßenordung der einzelnen Wrme bergangszahlen o a u
- Das Haarhygrometer der Hygrograph
- Rel Feuchte in Verlngerung in a
- Figure LymanAlphaHygrometer Model AIRLA
- Das Infrarothygrometer Die bekannten Gerte benutzen die a
- Absorptionsbanden bei m Absorptionsbande bei m
- Weitere Feuchtemessgerte a
- Die Strahlung in den verschiedenen Spektralbereichen
- InfrarotStrahlen Mikrowellen Radiowellen
- Solare Strahlung oder kurzwellige Strahlung
- Klassikation der Messgerte a
- Figure EppleyPyrheliometer oben und CM Pyranometer unten
- Ideale Gerte a
- L TG h TG
- also im langwelligen und im kurzwelligen schwarz T
- K L TG h TG
- Das reale Pyrradiometer
- k mit w und l ergibt sich w
- U K L TG
- Figure Schematischer Vertikalschnitt durch den Messkrper o
- Figure Transmissionseigenschaft der Lupolenhaube
- Beispiel eines Strahlungsbilanzmessers Baukenngrßen o
- Berechnung der Strahlungsbilanz
- T Toben TG K L TG
- T Tunten TG K L TG
- Tunten TG TG
- Der Niederschlagsmesser nach Hellmann
- Figure Registrierendes Niederschlagsmessgert mit Schwimmer a
- Dmin mit V D r D folgt
- Fl ssigwassergehalt u W Radarreektivittsfaktor a
- Messprinzip des JossWaldvogelDisdrometers
- Totzeit und Einteilung in Grßenklassen des JWDisdrometers o
- Figure Das IMKRadar
- Saussure Mont Blanc
- Meteorologische Vertikalsondierung mit Radiosonden
- Beispiel AIR Intellisonde
- Berechnete Grßen o
- Figure Radiosondensystem mit Radiotheodolit und Radarantenne
Vorschau
Meteorologische Messmethoden
Christoph Kottmeier
Skriptum zur Vorlesung im Studienfach Meteorologie an der Universit¨t Karlsruhe a mit Beitr¨gen von Dr. N. Kalthoff, Dr. U. Corsmeier und cand.met. R¨ diger Sasse a u
Institut f¨r Meteorologie und Klimaforschung u Universit¨t Karlsruhe a
Hinweis: Die Inhalte des Skripts sind als Arbeitsmaterialien zur Vorlesung anzusehen,
die ausschliesslich den H¨rern der Veranstaltung zug¨nglich gemacht werden sollen. Eine o a Weitergabe an Dritte, Vervielf¨ltigung und anderweitige Verwendung ist untersagt. Druckfehler a sind nicht auszuschließen, der Autor bittet ggf. um Hinweise darauf. April 17, 2002
1
Contents
1 Einleitung 2 Meteorologische Messmethoden 2.1 ¨ Uberblick uber die zu messenden Variablen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ¨ 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.1.4 2.1.5 2.1.6 2.1.7 2.2 Druck . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Temperatur (Dichte) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Strahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Niederschlag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Feuchte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konzentrationen und luftchemische Gr¨ßen . . . . . . . . . . . . . . . o 9 13 13 13 13 14 14 14 14 14 15 15 15 16 16 17 18 18 18 19 19 20 20 20 21 21 22 24
Messsysteme f¨ r verschiedene H¨henbereiche . . . . . . . . . . . . . . . . . . u o 2.2.1 2.2.2 2.2.3 Standard-Synoptische Messungen; Klimadaten . . . . . . . . . . . . . Mastmessungen (bis ca. 200 m, Prandtl-Schicht) . . . . . . . . . . . . Fesselsonden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3
Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 2.3.2 Physikalische Gr¨ßen und ihre Einheiten im internationalen Einheiteno system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vielfache und Teile von Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 2.5
Universelle Konstanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gleichungstypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.1 Wichtige Einheitengleichungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.6 2.7
Umrechnung von SI-Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Messfehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.1 2.7.2 2.7.3 2.7.4 2.7.5 2.7.6 Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fehlerarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . uf¨llige Fehler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a R¨ ckwirkung des Messf¨ hlers auf die Messgr¨ße u u o . . . . . . . . . . . .
Messung einer Gr¨ße . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o Fehler von Messger¨ten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a 2
3 Dynamisches Verhalten von Messinstrumenten 3.1 3.2 ¨ Ubertragungsverhalten und allgemeine L¨sung . . . . . . . . . . . . . . . . . o Das System 1.Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.3 3.4 ¨ Ubertragungsverhalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . y(t) bei f (t): Sprungfunktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . y(t) bei f (t) und f (t) = harmonische Schwingung . . . . . . . . . . .
26 26 27 27 27 31 33 35 35 36 38 40
Allgemeines zur Schwingungs-Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Systeme 2. Ordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 3.4.2 3.4.3 Allgemeines Verhalten eines solchen Systems bei f (t) = 0 . . . . . . . Verschiedene Gr¨ßen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . o Verschiedene f (t) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4 Temperaturmessung 4.1 Die verschiedenen Temperatur-Skalen 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.1.6 4.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
40 40 40 41 44 44 45 45 45 47 48 48 51 53 54 54
Thermodynamische Temperaturskala . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermodynamische Arbeitsdiagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . Definition der Temperatur durch den Carnot-Kreisprozess . . . . . . . Temperaturskala des Gasthermometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . Internationale Praktische Temperaturskala von 1968 . . . . . . . . . . Temperatur-Einheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Messger¨te . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . a 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.6 Quecksilberthermometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Fl¨ ssigkeits-Federthermometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . u Bimetallthermometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermoelemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Widerstandsthermometer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sondermessverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3
Messanordungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.1 Br¨ ckenmessung nach der Nullmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . u 3