Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Querschnittsabmessungen von lang gestreckten Räumen, insbesondere von Eisenbahntunneln Es ist bekannt, die : Meerestiefe durch Echoloftmg zu bestimmen und dabei den vom Schiff überfahrenen Grund als Profillinie aufzuzeichnen. Die vorliegende Erfindung betrifft die Vermessung von lufterfüllten langgestreckten Räumen, wie Rohren irnd Tun neln, insbesondere Eisenbahntunneln, ebenfalls durch Echolotung. Zur Aufnahme der Querprofile von Eisenbahntunneln hat man bisher nur mechanische Verfahren angewandt, weil man glaubte, mit andern Entfernungsmessgeräten die hohen Anforderungen an die Messgenauigkeit nicht erfüllen zu können.
Wie Versuche der Anmelderin gezeigt haben; ist es jedoch möglich, die Entfernung der Tlm- neiwandung von einem fahrenden Messwagen aus mit genügender Genauigkeit durch ein fache Echolotung zu messen, wenn mit gerichteten Ultraschallimpulsen mit einer Frequenz von : 100000 Hz gearbeitet wird.
Während bei der Ausmessung eines Flussprofils durch Echolotung in Wasser der Weg des lotenden Schiffes durch ständige Messungen nach festen Punkten an Land bestimmt werden muss, wobei gewisse Fehler, insbesondere durch die Wasserströmung, unvermeidlich sind, liegen bei der Vermessung zum Beispiel eines Eisenbahntunnels weit günstigere Ver hältnisse vor, insofern als hierbei der Schienenweg als Bezugssystem zur Verfügung steht, Das neue Verfahren ermöglicht insbesondere, von einem den Tunnel durchfahrenden Fahrzeug aus Längsprofillinien im Fahren aufzlmehmen. Wegen des geringen Zeitaufwandes können derartige Messungen häufig wiederholt werden,
so dass gefahrdrohende Verlagerungen der Tunnelwand durch Ge birgsdruck rechtzeitig erkannt werden können.
Das Wesen der vorliegenden Erfindung besteht darin, in langgestreckten lufterfüllten Räumen Querabstände der Wandung von einer axialen Bezugslinie aus in bestimmter Richtig durch Echolotung mittels von einem Fahrzeug aus ausgesandter Ultraschallwellenimpulse zu messen, insbesondere bei Eisen bahntlmneln die Lage der Wände in bezug auf die Geleise zu ermitteln nnd dabei verschiedene Profillinien nacheinander oder gleichzeitig aufzuzeichnen.
Bei der Auslotung von Eisenbahntunneln erzielt man trotz der kleinen Entfernungen eine ausreichende Genauigkeit, da bei Echolotung mit Luftschall die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Schalles etwa fünfmal geringer als im Wasser ist, so dass man also einen Eisenbahntlmnel mit Luftschall ebenso genau vermessen kann wie einen Schiffahrtskanal mit Unterwasserschall.
Die Erfindung sei an Hand eines Aus führungsbeispiels der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens näher erläutert.
Fig. 1 zeigt im Aufriss die auf einem Messwagen angeordneten Sende- und Empfangseinrichtungen zum Vermessen von Eisenbahntunneln.
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf den Messwagen.
Fig. 3 zeigt die Schaltung der Empfangsund Anzeigevorrichtung.
Gemäss Fig. 1 läuft in dem von der Wand 1 umschlossenen Tunnel auf Schienen 2 ein Messwagen 3, auf dem an einem gewölbten Aufbau 4, der mit einem schallabsorbierenden Stoff 5 überzogen ist, beispielsweise vier Paare zusammengehörige; magnetostriktive Ultraschallsender und -empfänger 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 befestigt sind, die eine Richtcharakteristik haben, deren llauptmaximum annähernd senlireeht zur Tunnelwand 1 liegt.
Zwischen jedem Sender und Empfänger sind Schallschirme 14 angeordnet, um die unmittelbare Erregung der Empfänger durch die Sender zu vermeiden. Um ferner gegenseitige Störungen der verschiedenen Sender- und Empfängerpaare zu vermeiden, sind die Sen der und Empfängerpaare gegeneinander versetzt angeordnet, wie in Fig. 2 erkennbar ist.
Ein Schreibgerät 15 ist mit einem Impulsgenerator 16 für die Sender 6, 8, 10, 12 und vier Verstärkern 17 für die von den Empfängern 7, 9, 11, 13 aufgenommenen Impulse elektrisch verbunden. Über Zahnradgetriebe 18, 19 wird von einer Radachse des Messwagens 3 eine den Papiervorschub bestimmende Welle 20 angetrieben.
In Fig. 3 treibt ein Motor 21 mit gleichmässiger Gesehwindigkeit über eine Welle 22 eine Rolle 23 mit Spitzen 24, die in Löcher 26 eines endlosen Bandes 25 eingreifen, das von einer weiteren Rolle 27 geführt wird. An der äussern Seite des Bandes 25 ist ein Nocken 28 angeordnet, der beim Umlauf des Bandes 25 einen Kontakt 29 betätigt und dadurch die Aussendung von Ultraschallimpulsen durch den Impulsgenerator 16 veranlasst. Das endlose Band 25 trägt ferner beispielsweise vier Schreibstifte 30, die mit Ctleitkontakten 31 verbunden sind. Diese laufen über feste Kontaktschienen 32, die eine Länge von 1/4 der Papierbreite haben und über die Verstärker 17 mit den Empfängern 7, 9, 11, 13 verbunden sind.
Die Bahnen der Gleitkontakte 31 liegen nebeneinander, und die festen Kontaktschienen 32 sind entsprechend senkrecht zur B ewegungsrichtung der Gieitkontakte versetzt, so dass jeder Gleitkontakt und der damit verbundene Schreibstift nur mit einer der festen Kontaktschienen 32 in Berührung kommen kann. Die Sehreibstifte 30 laufen über elektrisch empfindliches Registrierpapier 33, das von einer Rolle 34 abläuft und auf eine Rolle 35 aufgewickelt wird und das von einer Platte 36 gestützt wird, die ebenso wie ein Pol der Verstärkerausgänge an Erde liegt. Die Rolle 35 wird über eine Welle 20 von einer Radachse des Wresswagens angetrieben.
Beim Schliessen des Kontaktes 29 durch den Nocken 28 senden alle Sender 6, 8, 10, 12 gleichzeitig gerichtete Ultraschallimpulse einer Frequenz von 100000 dz aus, die nach Reflexion von verschiedenen Abschnitten der Wand von den Empfängern aufgenommen und von den Schreibstiften 30 auf dem Papier registriert werden. Die Lage der Aufzeich- nungen auf dem Papier zeigt die gemessenen Abstände an.
Die Abstände der Sender- und Empfängerpaare von der Wand sind ungefähr gleich und die relative Anordnung des Nockens 28 und der Schreibstifte 30 am Band ist so, dass im Durchschnitt die Impulse in der Mitte des Aufzeichnungsbereiches jedes Schreibstiftes eintreffen. Die Aufzeichnungen können mit Bezugslinien auf dem Registrierpapier, die dem Standardtunnelprofil entsprechen, ver glichen werden. Es ist auch möglich, Registrierungen, die zu verschiedenen Zeiten auf verschiedenen Streifen aufgenommen sind, op- tisch zu überlagern und zu vergleichen, um Veränderungen der Tunnelwand festzustellen.
Der Messwagen kann mit einer Geschwin- digkeit bis zu 16 km/Std. den zu vermessenden Tunnel durchfahren. Dabei werden in kurzen Zeitabständen von zum Beispiel t/1O Sek. Lotungen durchgeführt, so dass die Tlmnelwan- dung nahezu kontinuierlich abgetastet wird.
Die Vorschubgeschwindigkeit des Schreibstrei- fens ist dabei so gewählt, dass die einzelnen Eehoaufzeichnungen noch erkennbar voneinander getrennt werden.
Die Echolotvorrichtung kann auch so ausgebildet sein, dass bei jedesmaligem Durchfahren des Tunnels nur eine oder zwei Längspro- fillinien aufgenommen werden, so dass, um eine genügende Anzahl von Längsprofillinien zu erhaIten, ein mehrmaliges Durchfahren des Tunnels bei jedesmal geänderter Lotrichtung erforderlich ist.
Ferner können durch Abtastung der Wand mittels eines in einer Querebene geschwenkten Strahlenbündels auch Querprofile aufgenommen und unmittelbar aufgezeichnet werden, wobei der Messwagen stillsteht und nach der Aufzeichnung eines Querprofils jedesmal ein Stück weitergeschoben wird. Hierbei ergibt sich jedoch ein grösserer Papierverbrauch, wenn diese Querprofillinien in der natürlichen Form aufgezeichnet werden. Um den Papierverbrauch zu verringern, könnte man die Querprofillinien statt in Polarkoordinateu auch in cartesischen li : koordinaten aufzeichnen, so dass sie als fast gerade, über den Schreibstreifen quer hinweglauf ende Linien erscheinen.
Will man Querprofillinien aufzeichnen, so kann der Wagen auch bei jeder Messung stillgesetzt und immer ein kurzes Stück zwischen den Messungen vorgeschoben werden.
Wird die Echoloteinrichtung so ausgebildet, dass die Aussendung der Lotimpulse nach den verschiedenen Richtungen nicht gleichzei tig, sondern nacheinander und sich zyklisch wiederholend erfolgt, wobei jeder Sender durch einen besonderen Kontakt gesteuert wird, so genügt ein einzelner, parallel mit den Verstärkerausgängen verbundener Schreibstift zur Aufzeichnung.
Bei in Fahrtrichtung gegeneinander versetzt angeordneten Senderempfänger-Paaren lässt es sich in jedem Palle durch geeignete Wahl der Zeitabstände zwischen den Lotungen nach verschiedenen Richtungen erreichen, dass bei einer bestimmten Fahrtgeschwindigkeit des Messwagens jeweils für einen Zyklus von Lotungen nach verschiedenen Richtungen die Lotrichtungen in einer gemeinsamen Ebene quer zur Tunnelachse liegen und auf diese Weise ein Querprofil bestimmen.
Für Iiotungen in verschiedenen Richtungen können getrennte Lot einrichtungen verwendet werden, wobei das Schreibgerät und der Papiervorschub durch eine gemeinsame mechanische Vorrichtung synchron angetrieben werden.
Method and device for determining the cross-sectional dimensions of elongated spaces, in particular of railway tunnels. It is known to: determine the depth of the sea by echoloftmg and thereby record the ground crossed by the ship as a profile line. The present invention relates to the measurement of air-filled elongated spaces, such as pipes in the tunnels, in particular rail tunnels, also by echo sounding. Up to now, only mechanical methods have been used to record the transverse profiles of railway tunnels, because it was believed that other distance measuring devices would not be able to meet the high requirements for measuring accuracy.
As experiments by the applicant have shown; However, it is possible to measure the distance of the wall from a moving measuring vehicle with sufficient accuracy by simple echo sounding when working with directed ultrasonic pulses with a frequency of: 100,000 Hz.
While when measuring a river profile by echo sounding in water, the path of the piloting ship must be determined by constant measurements according to fixed points on land, whereby certain errors, especially due to the water flow, are unavoidable, when measuring a railway tunnel, for example, the method is far more favorable conditions, insofar as the rail route is available as a reference system. The new method enables in particular to record longitudinal profile lines while driving from a vehicle passing through the tunnel. Because of the low expenditure of time, such measurements can be repeated frequently,
so that threatening displacement of the tunnel wall due to mountain pressure can be detected in good time.
The essence of the present invention consists in measuring transverse distances of the wall from an axial reference line in a certain correct manner by echo sounding using ultrasonic wave impulses emitted by a vehicle, in particular in the case of railway tracks, to determine the position of the walls in relation to the tracks in elongated air-filled spaces and record different profile lines one after the other or at the same time.
When sounding out railway tunnels, despite the small distances, sufficient accuracy is achieved, since when echo sounding with airborne sound the speed of propagation of the sound is about five times lower than in water, so that a railway tunnel with airborne sound can be measured just as accurately as a shipping channel with underwater sound.
The invention will be explained in more detail with reference to an exemplary embodiment from the device for performing the method.
Fig. 1 shows in elevation the transmitting and receiving devices for measuring railway tunnels, which are arranged on a measuring carriage.
Fig. 2 is a plan view of the measuring carriage.
Fig. 3 shows the circuit of the receiving and display device.
According to FIG. 1, a measuring carriage 3 runs on rails 2 in the tunnel enclosed by the wall 1, on which four pairs, for example, belong together on a curved structure 4 which is covered with a sound-absorbing material 5; Magnetostrictive ultrasonic transmitters and receivers 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 are attached, which have a directional characteristic whose main maximum is approximately close to the tunnel wall 1.
Sound screens 14 are arranged between each transmitter and receiver in order to prevent the transmitter from directly exciting the receiver. Furthermore, in order to avoid mutual interference between the various transmitter and receiver pairs, the Sen and receiver pairs are offset from one another, as can be seen in FIG.
A writing implement 15 is electrically connected to a pulse generator 16 for the transmitters 6, 8, 10, 12 and four amplifiers 17 for the pulses received by the receivers 7, 9, 11, 13. A shaft 20, which determines the paper feed, is driven by a wheel axle of the measuring carriage 3 via gear drives 18, 19.
In FIG. 3, a motor 21 drives a roller 23 with tips 24 at a constant speed via a shaft 22, which points engage in holes 26 of an endless belt 25 which is guided by a further roller 27. A cam 28 is arranged on the outer side of the belt 25, which actuates a contact 29 as the belt 25 rotates, thereby causing the pulse generator 16 to transmit ultrasonic pulses. The endless belt 25 also carries, for example, four pens 30 which are connected to conductive contacts 31. These run over fixed contact rails 32, which have a length of 1/4 the width of the paper and are connected to the receivers 7, 9, 11, 13 via the amplifiers 17.
The tracks of the sliding contacts 31 lie next to one another, and the fixed contact rails 32 are accordingly offset perpendicular to the direction of movement of the sliding contacts, so that each sliding contact and the pen connected to it can only come into contact with one of the fixed contact rails 32. The stylus 30 run over electrically sensitive recording paper 33 which runs off a roll 34 and is wound onto a roll 35 and which is supported by a plate 36 which, like one pole of the amplifier outputs, is connected to earth. The roller 35 is driven via a shaft 20 from a wheel axle of the Wresswagens.
When the contact 29 is closed by the cam 28, all transmitters 6, 8, 10, 12 simultaneously send out directed ultrasonic pulses with a frequency of 100,000 dz, which are picked up by the receivers after reflection from different sections of the wall and recorded on the paper by the pens 30 will. The position of the recordings on the paper shows the measured distances.
The spacing of the transmitter and receiver pairs from the wall is approximately equal, and the relative arrangement of the cam 28 and pen 30 on the tape is such that, on average, the pulses arrive in the center of the recording area of each pen. The recordings can be compared with reference lines on the recording paper that correspond to the standard tunnel profile. It is also possible to optically overlay and compare registrations that have been recorded on different strips at different times in order to determine changes in the tunnel wall.
The measuring trolley can be driven at a speed of up to 16 km / h. drive through the tunnel to be measured. In this case, soundings are carried out at short time intervals of, for example, t / 10 sec, so that the oil wall is scanned almost continuously.
The feed speed of the writing strip is selected so that the individual Eeho recordings are still clearly separated from one another.
The echo sounder device can also be designed in such a way that only one or two longitudinal profile lines are recorded each time the tunnel is driven through, so that in order to obtain a sufficient number of longitudinal profile lines, it is necessary to pass through the tunnel several times each time the perpendicular direction changes.
Furthermore, by scanning the wall by means of a beam pivoted in a transverse plane, transverse profiles can also be recorded and recorded immediately, the measuring carriage standing still and being pushed a little further each time after a transverse profile has been recorded. However, this results in greater paper consumption if these cross-sectional lines are recorded in their natural form. In order to reduce the consumption of paper, the cross-sectional lines could also be drawn in Cartesian li: coordinates instead of in polar coordinates, so that they appear as almost straight lines running across the writing strip.
If you want to record cross profile lines, the carriage can also be stopped for each measurement and always pushed forward a short distance between the measurements.
If the echo sounder device is designed in such a way that the plumbing pulses are not sent out simultaneously in different directions, but one after the other and cyclically, each transmitter being controlled by a special contact, a single pen connected in parallel to the amplifier outputs is sufficient for recording .
In the case of transmitter / receiver pairs arranged offset from one another in the direction of travel, by suitable selection of the time intervals between the plumbing in different directions, the plumbing directions in a common plane for a cycle of plumbing in different directions can be achieved at a certain speed of the measuring vehicle lie across the tunnel axis and in this way determine a transverse profile.
Separate soldering devices can be used for Iiotung in different directions, the writing instrument and the paper feed being driven synchronously by a common mechanical device.