Radiocommunicatie: Meteorograaf (1934 – 1939)

Meteorograaf (1934 – 1939)

Atmosferische gegevens zijn van groot militair belang voor bijvoorbeeld grondartillerie en vliegtuigmissies. In 1928 maakte de Russische onderzoeker Pavel Aleksandrovich Moltchanoff  al gebruik van een radiosonde om meteorologische gegevens te meten. Omdat de Militaire Weervoorspelling Dienst hetzelfdegebouw deelde met het Meetgebouw (de naam voor het onderkomen van de Commissie van Physische Strijdmiddelen) kan dit de oorzaak zijn geweest voor een opdracht aan het Meetgebouw in 1934. De vraag was om een zo licht mogelijke constructie te ontwikkelen voor onder een waterstof weerballon, een maximum totaalgewicht van 2 kg (excl. de ballon); opstijging tot 5 kilometer hoogte. De temperatuur- en barometerstand moesten automatisch per radio uitgezonden worden. Vier maanden na de eerste opdracht ging de eerste incomplete sonde onhoog.
Van de eerste compleet werkende versie van de meteorograaf werden in 1935 tien exemplaren geproduceerd.

Het telkens herzien van de eisen en het geschikt maken voor civiel gebruik vertraagde de ontwikkeling; tussen 1934 en 1939 werden vier verschillende typen proefmodellen geproduceerd. In 1937 werden 40 stuks van een verbeterd type meteorograaf geproduceerd. Ook werd de radio-ontvangststation en richtantenne op de grond steeds verder verbeterd. In hetzelfde jaar werd op verzoek van het KNMI een studie gestart naar het toevoegen van een hygrometer gebaseerd op bundels vrouwenhaar [geïmporteerd door fa. van Baaren uit Duitsland] aan de meteorograaf. In 1939 was de uiteindelijke productieversie gereed.

Vergelijking met meer dan tien buitenlandse ontwerpen uit die tijd laat zien dat het eindmodel ontwikkeld door het Meetgebouw een ingenieuze combinatie vormde van een stevig mechanisch gestuurd aftastsysteem met bijbehorende Morsecodering voor drie elektronische zendersignalen. Van het verticale stijgen van de ballon werd aanvankelijk gebruik gemaakt om een propellor in beweging te brengen, die het coderingsmechanisme zou aandrijven. Deze aandrijving bleek onbetrouwbaar mede door het hoge extra gewicht van de propellor en werd daarom vervangen door een elektromotortje.

Een testexemplaar met propellor en batterijen
Een testexemplaar met propellor en batterijen

 

Propeller voor de stroomvoorziening van de meteorograaf
Propeller voor de stroomvoorziening van de meteorograaf

De meteorograaf – het meettoestel – hing tussen gespannen draden. Tussen de meteorograaf en de parachute was de antenne die tevens als ophangdraad van de sonde functioneerde. Deze antennedraad werd verlengd met een 8 meter lang touw om meetverstoringen door de ballon tegen te gaan. De accu voor de elektromotor en de zender hing aan de draden onder de meteorograaf. De accu was met kurk bedekt tegen lage temperaturen en was daarmee ook enigszins beschermd tegen de val bij het terugkomen op aarde. Voor opstijgingen tot in stratosfeer werden de batterijen in rubberzakjes geplakt; ook werd nagedacht over het gebruik van een Dewarvaatje.
De meteorograaf had een gegolfde metalen omhulling ter bescherming van de instrumenten tegen regen en directe zonnestraling.

Schematische samenstelling van de weerballon met de meteorograaf
Schematische samenstelling van de weerballon met de meteorograaf

De Inspecteur de Artillerie ging op 21 februari 1939 uit van een verbruik in oorlogstijd van zes meteorografen per dag en een minimale voorraad van 84 stuks (14 dagen). Om meer zekerheid te hebben, werd dit aantal opgehoogd tot 100 stuks. Berekend was een stuksprijs van ongeveer fl. 65.-, kosten die “geen beletsel vormen. Ze vallen in  het niet vergeleken bij die van de munitie, waarop zij zonder twijfel een besparing geven“. Ook zouden zij een besparing “zoowel in vredestijd als in  geval van oorlog geven op de zogenaamde hoogtevluchten met vliegtuigmeteorografen“. 
De prijs kwam voort uit een technische en kostenanalyse van de meteorograaf voor het starten van een massaproductie van 42 tot 45 stuks per week in oorlogstijd. Zo werd van elk deel bepaald welke onderdelen middels persmallen of stempels geproduceerd konden worden en welke delen, zoals de thermometer, als los product gekocht moesten worden. Ook werd gekeken naar de leveringszekerheid gegeven de afhankelijkheid van Duitse leveranciers. De Inspecteur gaf overigens in zijn brief aan dat eigen ontwikkeling zeer succesvol was: de Franse meteorograaf woog 1500 gram en stelde hoge eigen aan de ballon en de H2-toevoer; de Finse meteorograaf werkte met variabele golflengten, en de Duitse meteorograaf was zeer kostbaar.

Tussen eind 1939 en de capitulatie van Nederland in mei 1940 werden er ongeveer honderd meteorografen industrieel vervaardigd door de firma Smitt te Bilthoven en de firma Waldorp. In het museum zijn nog enkele exemplaren van de meteorograaf aanwezig.

Buitenlandse meteorografen kwamen met enige regelmaat op Nederlandse bodem terecht. Vanaf het uitbreken de eerste gewapende conflicten in 1939 in Europa werden die niet meer teruggestuurd maar opgeslagen in Waalsdorp. Bij het Duitse inval lagen er zo’n vijftig stuks in de opslag, waaronder veel Duitse sondes. Die sondes zijn onverwijld vernietigd in een op de vlakte gegraven kuil nabij het Meetgebouw.

Opengewerkte radiosonde van de meteorograaf (met vernieuwde bekabeling)
Opengewerkte radiosonde van de meteorograaf (met vernieuwde bedrading)

 

Meteorogische zender (temperatuur, luchtvochtigheid en luchtdruk)
Meteorogische radiozender (temperatuur, luchtvochtigheid en luchtdruk); hoogte 12 cm, diameter 13 cm.

 

Batterij van de meteorograaf
Batterij van de meteorograaf ingepakt in kurk

 

Lancering van een weerballon met een meteorograaf er onder
Prepareren van de meteorograaf

 

Oplaten van de meteorograaf
Oplaten van de meteorograaf

 

Gelanceerde meteorograaf
Gelanceerde meteorograaf

Technische details van de Meteorograaf

De meteorograaf registreert de temperatuur met behulp van een gebogen bimetalen thermometer, de luchtvochtigheid met een haarhygrometer en de luchtdruk met een Bourdontype barometer (een luchtdicht gebogen vaatje dat zich strekt of inrolt bij veranderende luchtdruk). Elk van deze drie meters beweegt via hefbomen een aftaster over een met 2 (barometer), 3 (hygrometer) of 4 (thermometer) draden parallel gewikkelde gebogen houder van het automatische morsecodesysteem.

Meteorograaf model 1939: B(arometer), H(ygrometer), en T(hermometer)
Meteorograaf model 1939: B(arometer), H(ygrometer), en T(hermometer)

 

Elektrisch schema van de radiosonde
Elektrisch schema van de radiosonde
Z(ender), V(ibrator-transformator), W(schakelwals)
Z(ender), V(ibrator-transformator), W(schakelwals), M(otor)

Het principe voor automatisch Morsecode codering van Moltchanoff is toegepast, alleen de uitwerking en uitvoering zijn anders. Een van de draden van deze houders maakt door middel van een rolletje van de aftaster verbinding met een schakelwalsje in de vorm van een cilindertje. Dit cilindertje, dat via een wormoverbrenging wordt aangedreven door een elektromotortje (0.7-0.8 Watt), draait rond met één omwenteling per seconde. De trommel van de cilinder is gemaakt van isolerend materiaal en is aan de buitenzijde bedekt met een geleidend patroon voor Morsecodering. Op dit cilindertje zijn contacten aangebracht, de zogenaamde gevers. De schakelwals plus motor weegt 30 gram.
 

De aftasters van de verschillende instrumenten bedienen de contacten van het hierboven weergegeven schakelwalsje
De aftasters van de verschillende instrumenten bedienen de contacten van het hierboven weergegeven schakelwals

 

Schematische koppeling aftasters met aftastdraden
Schematische koppeling aftasters met aftastdraden

 

Aftasters voor de drie waarden
Aftasters voor de drie waarden

De weerballon stijgt met ca 5 m/sec. Tussen de barometerstand en de hoogte van de meting is een min of meer exponentieel verband. De meetmomenten voor de luchtdruk zijn ook exponentieel over de contactenbaan verdeeld. Zodoende wordt bij de opstijging op vrij regelmatige tijdtippen de luchtdruk gemeten. Een nauwkeurige interpolatie van de meetwaarde kan achteraf plaatsvinden. Eerst na 4, daarna na 15, 32, 63 enzovoorts aftastcontacten wordt de barometerindicatie via contact 8 van het walsje doorgegeven. De hygrometer geeft bij de metingen het mogelijke wisselend verloop (buien) van de vochtigheid in nauwkeurige stappen weer via drie schakelcontacten. De hygrometer is opvolgend doorverbonden met de sleepcontacten 5, 6 en 7 van het walsje (3 soorten contacten). Omdat het verloop van de temperatuur in de verschillende te passeren luchtlagen sterk kan verschillen, moest deze zo nauwkeurig mogelijk worden vastgelegd. Zoals aangegeven draait het schakelwalsje met één omwenteling per seconde. Per omwenteling worden er achtereenvolgens twee Morse-gecodeerde contactverbindingen gemaakt met de zender.

De hygrometer geeft in combinatie met de barometer, voorafgegaan door die van de thermometer, een volgend Morseteken door:

  Morse Schakelwalscontacten   Morse Schakelwalscontacten
D _ . . 8 en 5 S . . . 9 en 5
K _ . _ 8 en 6 U . . _ 9 en 6
G _ _ . 8 en 7 R . ­_ . 9 en 7

Morsecodes voor de thermometer:

  Morse Schakelwalscontact
I . . 1
A . _ 2
N _ . 3
O ____  4

Om het verloop in de temperatuur, zowel oplopend als afnemend, goed te kunnen onderscheiden is in het contactenbaantje de volgende volgorde van Morsetekens voor continu oplopende temperatuur opgenomen: o, i, a, n, i, a, n, o, a, n, i, a, n, i, o, n, i, a, n, i, a, o, i, a, n, enzovoorts volgens het onderstaande schakelwalsfiguur. Dus een opeenvolging van i, a, n waarbij in de zeventallen de i, a, of n door de o (4) is vervangen.

Volgorde van Morsetekens voor continu oplopende temperatuur
Volgorde van Morsetekens voor continu oplopende temperatuur

Het doorgeven naar de zender bestaat uit het door de trilleromvormer in het ritme van de Morsecode aan- en uitzetten van de batterijspanning voor de enkelvoudige triode zendbuis (Philips B406). De primaire wikkeling van de trilleromvormer wordt daartoe in dat ritme naar aarde geschakeld. De frequentie van 600 Hz van de trilleromvormer wordt toegevoerd aan het rooster van deze triode. Met de zendfrequentie van 50 MHz (golflengte 6 meter) wordt de Morsecode dan 600 Hz amplitude gemoduleerd verzonden.
Eind 1936 werd voor deze toepassing voor de Militairen Weerdienst een aparte frequentieband gereserveerd: 48-51 MHz (6,249-5,882 m).

De éénbuiszender en de coderingstrommel met motoraandrijving (1939)De éénbuiszender en de coderingstrommel met motoraandrijving (1939)
De éénbuiszender en de coderingstrommel met motoraandrijving (1939)

Thermometer en barometer werden na gemonteerd te zijn in de meteorograaf geijkt in een geëvacueerd en gekoeld vat. De thermometeraftaster was zodanig geplaatst dat deze zowel vooruit als achteruit gestuurd kon worden door de bimetalen thermometer om daarmee het gehele te verwachten temperatuurbereik te kunnen bestrijken.
De hygrometer werd afzonderlijk beproefd. Het totale gewicht van de meteorograaf met een 4,5V zaklantaarnbatterij (2 à 3 Watt vermogen) was 465 gram hetgeen opstijgingen tot vijf kilometer toeliet. Om gewicht te reduceren werd zelfs de lampvoet gedemonteerd. Voor metingen op nog grotere hoogten tot in de stratosfeer op 17 km hoogte, werden twee batterijen gebruikt: een voor de anode- en gloeidraadvoeding en de andere voor de elektromotor. De extra batterij liet het totale gewicht van de meteograaf toenemen tot 585 gram.

Signaalontvangst op de grond vond plaats met een eenvoudige superregeneratieve ontvanger waarmee meetafstanden tot op honderd kilometer afstand mogelijk waren. Tevens werd een speciale richtinggevoelige antenne ontwikkeld om de kaarthoek (azimut) van de uitzending te bepalen. De registratie en het verkrijgen van meetgegevens werden verzorgd door de Militaire Weerdienst. Opgelaten aan een ballon, bereikte de sonde de stratosfeer, terwijl constant meetgegevens naar de aarde werden gezonden. Nadat de ballon was gebarsten, daalde het radioapparaat aan een parachute. Een label aan de sonde verzocht de vinder om de restanten bij het laboratorium in te leveren tegen beloning van fl. 7 1/2,- , een voor die tijd hoog bedrag. Zo’n 80% van de opgelaten sondes werd teruggevonden en teruggestuurd.

Briefkaart bij een gevonden en teruggestuurde sonde
Briefkaart bij een gevonden en teruggestuurde sonde

Een maand voor het uitbreken van de Tweede Wereldoorlog werd een artikel van Prof. J.L. van Soest over de radiosonde gepubliceerd in het Tijdschrift van het Nederlandsch Radiogenootschap. Een overdruk is hier (pdf) te vinden.

Richtinggevoelige antenne van de ontvanger voor richtingsbepaling op het dak van de Militaire Weerdienst
Richtinggevoelige antenne van de ontvanger voor richtingsbepaling op het dak van de Militaire Weerdienst

 

 

Bronnen

Nationaal Archief, Den Haag, Ministerie van Defensie: Commissie voor Physische Strijdmiddelen, 1929-1932, 1938-1940, nummer toegang 2.13.94, inventarisnummer 1 & 2

J.L. van Soest (1940), Een Nederlandse Radiosonde, Tijdschrift van het Nederlandsch Radiogenootschap, deel VIII pag 305-313 (pdf)