Leitfäden für die Ausbildung Im Deutschen Wetterdienst 6 Meteorologische Bodenmesstechnik (vormals: Instrumentenkunde) Dritte, vollständig neu bearbeitete Auflage von Hans Löffler Offenbach am Main, 2012 Selbstverlag des Deutschen Wetterdienstes Zitationsvorschlag: Löffler, Hans: Meteorologische Bodenmesstechnik (vormals: Instrumentenkunde). Offenbach am Main: Leitfaden für die Ausbildung im Deutschen Wetterdienst Nr. 6, Selbstverlag des Deutschen Wetterdienstes, 2012. Nutzungsbedingungen: Dieses Dokument steht unter folgender Creative Commons-Lizenz: Sie dürfen das Werk bzw. den Inhalt unter folgenden Bedingungen vervielfältigen, verbreiten und öffentlich zugänglich machen: Sie müssen den Namen des Autors/Rechteinhabers in der von ihm festgelegten Weise nennen. Dieses Werk bzw. dieser Inhalt darf nicht für kommerzielle Zwecke verwendet werden und es darf nicht bearbeitet, abgewandelt oder in anderer Weise verändert werden. Mit der Verwendung dieses Dokumentes erkennen Sie die Nutzungs- bedingungen an. Für den Inhalt ist der Autor verantwortlich. ISSN 0459-0236 ISBN 978-3-88148-456-5 Herausgeber und Verlag: Anschrift des Autors: Deutscher Wetterdienst RDir a.D. Hans Löffler Frankfurter Straße 135 Aurikelweg 16 D-63067 Offenbach am 87700 Memmingen Main Mail: [email protected] Mail: [email protected] Internet: www.dwd.de VORWORT ZUR . AUFLA GE Der vorliegende Leitfaden ist eine Neuau age der zweiten Die Nomenklatur wurde weitgehend dem heutigen Stan- Au age des Leitfadens Nr. 6 Instrumentenkunde von 1973. dard angepasst. Auf Themen, die in der heutigen Zeit nicht Die Einführung neuer Messtechniken verbunden mit neu- mehr aktuell sind, bspw. die manuell ausgeführte Auswer- en Messgeräten erforderte eine Neuausgabe. tung von Registrierstreifen, ist ganz verzichtet worden. Der neue Leitfaden soll eine Ausbildungshilfe in Ergänzung Der Schwerpunkt bei den Geräte- und Sensorbeschreibun- zum Unterricht bei der Lauahnausbildung des gehobenen gen liegt auf den im Deutschen Wetterdienst (DWD) einge- Wetterdienstes (FH-Studium) und mit Abstrichen, insbe- setzten Geräten. Zur Erweiterung der Kenntnisse im mess- sondere in den theoretischen Teilen, auch bei der Lauahn- technischen Bereich, insbesondere auch um die Vielfalt der ausbildung im mittleren Wetterdienst sein. Gleichzeitig Messprinzipien und Arbeitsweisen der Messgeräte kennen kann er als Nachschlagewerk in der Praxis dienen. zu lernen sind darüber hinaus auch solche Geräte und Sen- soren beschrieben, die z. T. nur an (meteorologischen) Ins- Die 3. Au age des Leitfadens trägt den Titel „Meteorologi- tituten und Forschungseinrichtungen zu ¤nden sind oder sche Bodenmesstechnik“ und ist an die Entwicklung neuer aber von nationalen Wetterdiensten benachbarter Länder Messgeräte der letzten Jahre und an den heutigen Stand der genutzt werden. Dabei konnten nicht alle berücksichtigt messtechnischen Einrichtungen angepasst. Bei den Mess- werden, so dass es sich um exemplarische Vorstellungen verfahren unterscheidet man grundsätzlich zwischen in-si- solcher Geräte handeln soll. tu-Verfahren, bei denen das Messelement im zu messenden Medium ist, bzw. die Verhältnisse in der direkten Umgebung In wieweit der Wechsel von Messgeräten mit völlig neuen des Messelementes erfasst werden und den Fernerkun- Messprinzipien Auswirkungen auf die Homogenität von dungsverfahren (Remote Sensing), die mit akustischen klimatologischen Datenreihen und damit auf langfristige und/oder elektromagnetischen Wellen Informationen über klimatologische Betrachtungen zum Klimawandel haben den Zustand der Atmosphäre in größeren Entfernungen könnte, wird in einem eigenen Kapitel anhand von Beispie- sammeln. len kurz dargestellt. Der Titel „Bodenmesstechnik“ soll darauf hinweisen, dass Gemäß Bundestagsbeschluss und Rahmenvereinbarung be- es sich um Messgeräte handelt, die an Wetterstationen im nutzen der DWD und der Geoinformationsdienst der Bun- synoptischen und klimatologischen Messnetz („Boden- deswehr (GeoInfoDBw) das gleiche meteorologische Gerät, messnetz“) eingesetzt werden. Seit dem Jahr 1996 wurde soweit dem nicht zwingende Gründe entgegenstehen. Es im Deutschen Wetterdienst die Automatisierung der Mes- werden beim GeoInfoDBw jedoch weniger Sensoren betrie- sungen in diesem Messnetz stark vorangetrieben. Da auch ben als beim DWD. einige Augenbeobachtungen eines Wetterbeobachters zur Fernerkundung gezählt werden können, ist es nur logisch, Obwohl alle bis zum Zeitpunkt der Verö¦entlichung im dass diese teilweise auch durch Fernerkundungsverfahren Einsatz be¤ndlichen Messgeräte erfasst und beschrieben ersetzt werden. Überwiegend dienen die an den Wetter- wurden, wird im Laufe der Jahre auch dieser Leitfaden nicht stationen gewonnenen Messungen der Zustandserfassung mehr ganz den neuesten Entwicklungen auf dem Gebiet der der atmosphärischen Bodenschicht (Prandtl-Schicht), also meteorologischen Messtechnik entsprechen. bis etwa 20 m Höhe über dem Boden. Für die Erfassung der Wolkenuntergrenze werden dort jedoch auch Fernerkun- Auch wenn es galt, möglichst umfassend die neueren dungsverfahren eingesetzt. Messtechniken mit ihren Geräten anzusprechen und zu beschreiben, erfordert es bei weitergehendem Bedarf des Die Möglichkeiten der elektronischen Datenerfassung und zusätzlichen Studiums der entsprechenden meteorologi- -verarbeitung und die Entwicklung neuartiger Sensoren schen Lehrbücher, die auch das Thema Messtechnik ab- führten weitgehend zur Ablösung etablierter Instrumente decken. Firmenbeschreibungen (oftmals nur in Englisch auch in der Routinemesspraxis. Aus Gründen der Homo- verfügbar) können diesen Mangel nur teilweise abdecken. genität langer Messreihen und um Vergleiche moderner Gerade bei der Beschreibung der Messprinzipien wurde, um Sensorik mit früher eingesetzten Messgeräten anstellen zu nicht den Rahmen dieses Leitfadens zu sprengen, aber auch können, werden allerdings an bestimmten Wetterstationen um Anreize für weitere Literaturrecherche zu geben, man- (z. B. ausgewählten Klimareferenzstationen und neben-/ ches nur ansatzweise erwähnt. Einschlägige Physiklehrbü- ehrenamtlich besetzten Wetterstationen) die klassischen cher zur Erweiterung der theoretischen Grundlagen werden Methoden weiterhin beibehalten. Daher wurde den klassi- dazu empfohlen. Das Literaturverzeichnis im Anhang kann schen Messgeräten auch in diesem Leitfaden der entspre- bei der Suche hilfreich sein. chende Raum eingerichtet. Hier konnten einzelne Passagen mit einiger Veränderung aus dem Leitfaden von 1973 über- nommen werden. Dabei ist der Text überarbeitet und aktu- alisiert worden. Januar 2012 INHALTSVERZEICHNIS EINFÜHRUNG 1. Einführung in die meteorologische Messtechnik 10 2. Bedeutung und Nutzung von meteorologischen Messdaten 10 PHYSIKALISCHTECHNISCHE GRUNDLAGEN 3. Grundsätzliches zu Messmethoden 11 3.1 Allgemeine Grundlagen zur Messung physikalischer Größen 11 3.2 Physikalische Größen und ihre Einheiten im internationalen Einheitensystem 11 3.2.1 SI-Einheiten und ihre Umrechnung 12 3.2.2 Physikalische Größen und Konstanten 13 3.3 Verknüpfung physikalischer Größen – Physikalische Gleichungstypen 14 3.3.1 Größengleichungen 14 3.3.2 Einheitengleichungen 14 3.3.3 Zahlenwertgleichungen 14 4. Datenerfassung im Rahmen meteorologischer Messtechnik 15 4.1 Messtechnik Allgemein 15 4.2 Messgerät, Messeinrichtung und Normal 15 4.3 Messfühler, Messwert, Messsignal 16 4.4 Datenerfassung 17 4.4.1 COMBILOG Datenlogger 17 4.4.2 Datenlogger SYNMET-NAV 18 4.5 Messumformung 18 4.6 Messprinzip, Messverfahren 19 4.7 Messort, Messzeitpunkt 20 5. Messergebnis, Messunsicherheit, Messabweichung 20 5.1 Systematische Messabweichungen 20 5.2 Zufällige Messabweichungen 21 6. Elektrische/Elektronische Grundlagen und Begrie 21 6.1 Kapazitive Messungen 21 6.2 Piezoelektrischer Eekt 22 6.3 Photodiode 22 6.4 Oszillator 23 6.5 Hysterese eines Messgerätes 23 MESSUNG METEOROLOGISCHER ELEMENTE 7. Luftdruckmessung 23 7.1 Allgemeines 23 7.1.1 Luftdruckmessgrößen 24 7.1.1.1 Berechnung/Bestimmung des QFE-Wertes 24 7.1.1.2 Berechnung des QFF-Wertes 24 7.1.1.3 Berechnung des QNH-Wertes 25 7.1.2 Maßeinheiten des Luftdruckes 25 7.2 Allgemeine Messprinzipien 26 7.2.1 Flüssigkeitsbarometer 26 7.2.2 Aneroidbarometer 27 7.2.3 Kapazitätsmessung 28 7.2.4 Siedebarometer (Hypsometer) 28 7.2.5 Bestimmung des Ionen¥usses 29 Piezoelektrischer Eekt 29 Alphatron, Betatron 29 7.3 Sensoren/Messgeräte 29 7.3.1 Flüssigkeitsbarometer 29 Stationsbarometer 29 Normalbarometer 31 7.3.2 Aneroidbarometer, Barograph, Höhenmesser 31 Aneroidbarometer 15ps 31 Barographen 31 Höhenmesser 33 7.3.3 Digitalbarometer 33 Barocap® PTB220 33 Barocap® PTB330 34 Präzisionsluftdruckhandmessgerät DPI 740 35 7.3.4 Primär-Drucknormal 35 Drehkolbenmanometer DHI PG7601 36 7.4 Messunsicherheiten und Fehlerquellen 36 8. Temperaturmessung 37 8.1 Allgemeines 37 8.1.1 Temperaturmessgrößen 38 8.1.2 Maßeinheiten der Temperatur 38 8.2 Allgemeine Messprinzipien 39 8.2.1 Thermische Änderungen 40 8.2.2 Elektrische Änderungen 41 8.2.3 Messung der Wärmestrahlung 44 8.2.4 Messung der Änderung der Schallgeschwindigkeit 44 8.2.5 Messung der Änderung der Materialwerte (Stokonstante) 45 8.3 Sensoren/Messgeräte 46 8.3.1 Ausdehnungsthermometer 46 8.3.1.1 Flüssigkeitsthermometer 46 8.3.1.2 Bimetall-Thermometer, Thermograph 50 8.3.2 Elektrische Thermometer 50 8.3.2.1 Widerstandsthermometer 50 Pt 100 50 8.3.2.2 Halbleiter-Thermometer 52 8.3.2.3 Thermoelemente/Thermosäulen 52 8.3.3 Kapazitive Temperatursensoren 52 8.3.4 Strahlungsthermometer 52 8.3.5 Normal-Platinwiderstandsthermometer 53 8.4 Messunsicherheiten und Fehlerquellen