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Einrichtung zur Wassertiefenmessung nach dem Echolotverfahren Bei
der Überwachung und Unterhaltung von Wasserstraßen ist es häufig erforderlich, Messungen
der Wassertiefe seitlich von einem Inspektionsschiff oder Bagger - in einigem Abstand
vom Schiffskörper = vorzunehmen. Weiter ist es bei der Fahrt auf unregulierten Flüssen
erwünscht, die Wassertiefe in einigem Abstand vor dem Bug des Schiffes zu messen,
um Untiefen rechtzeitig zu erkennen. Für diese Zwecke ist es bekannt, dicht unter
der Wasseroberfläche befindliche, senkrecht nach unten strahlende Echolotschwinger
einzeln oder auch in Gruppen an mit dem Schiff verbundenen Tragarmen oder Auslegern
in dem gewünschten Abstand vom Schiff anzuordnen. Über Kabel sind die Echolotschwinger
mit dem an Bord des Schiffes befindlichen eigentlichen Echolotgeräten verbunden.
Bei der Verwendung solcher Einrichtungen auf kleineren Flüssen und Kanälen müssen
Tragarme bzw. Ausleger so eingerichtet sein, daß durch Hochklappen oder Einschwenken
der Schiffahrtsweg für andere Schiffe frei gemacht werden kann. Das Gewicht der
Schwinger und zugehörigen Kabel ist ziemlich beträchtlich, und die bei den leicht
auftretenden Beschädigungen erforderlichen Reparaturen sind kostspielig.
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Zur Vermeidung dieser Nachteile ist gemäß der Erfindung auf dem Schiff
ein horizontal gerichteter Strahler für die Aussendung und den Empfang von Wasserschallimpulsen
und in dessen Strahlkegel - in einem gewissen Abstand vom Strahler - ein die Schallstrahlen
in Richtung senkrecht nach unten ablenkender Spiegel für Wasserschall vorgesehen,
der von einem mit dem Schiff verbundenen Tragarm in bestimmter Lage zum Schiff gehalten
wird. Es ist zwar schon bekannt, einem fest im Schiff angeordrieten gerichteten
Strahler einen im freien Wasser schwenkbaren Reflektor zuzuordnen, bei der Vertikallotung
.hat man jedoch bisher von einer Strahlablenkung durch Reflektoren keinen Gebrauch
gemacht.
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Der Spiegel für den Wasserschall kann in bekannter Weise als Hohlkörper
aus Blech mit durch einen. schmalen. Luftraum getrennten Wänden ausgeführt sein
oder durch Anbringung einer Schaumgummiplatte auf einer formgebenden Unterlage leicht
und billig hergestellt werden. Es ist nicht erforderlich, die Spiegelfläche so groß
zu machen, daß der gesamte Strahlkegel des waagerecht gerichteten Strahlers erfaßt
wird, da mit der Einrichtung nach der Erfindung nur geringe Wassertiefen gemessen
werden sollen, so daß ein gewisser Energieverlust ohne weiteres in Kauf genommen
werden. kann. Für manche Anwendungen, insbesondere bei Verwendung mehrerer in verschiedenen
Abständen vom Schiff angeordneter Spiegel, die einem oder auch verschiedenen Strahlern
zugeordnet sind, ist jedoch zu beachten, daß mit abnehmender Spiegelgröße auch die
Streuung der reflektierten Schallstrahlen zunimmt, weshalb es angezeigt sein kann,
die Spiegelgröße nicht unter ein gewisses Maß zu verringern. Wenn die Abmessungen
des Spiegels größer als die Wellenlänge der reflektierten Schallstrahlen sind, kann
der Spiegel auch als Parabolspiegel ausgebildet sein mit solcher Krümmung, daß sich
der Strahler ungefähr im Brennpunkt befindet und die nach unten in die Vertikale
abgelenkten Schallstrahlen zumindest angenähert parallel verlaufen. Bei größeren
Abmessungen kann der Spiegel auch stromlinienförmig verkleidet sein, z. B. unter
Verwendung eines dünnwandigen, innen mit Wasser gefüllten Blechkörpers oder von
gut schalldurchlässigem, in Wasser nicht reflektierendem Gummi.
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Die vom Echolot angezeigte Tiefe ist gegenüber der wahren Wassertiefe
senkrecht unter dem Spiegel um den Abstand des Spiegels vom Strahler vergrößert
und um die Eirotauchtiefe des Spiegels unter der Wasseroberfläche verkleinert. Beides
kann leicht durch eine entsprechende Korrektur der Ablesung oder eine Verschiebung
der Anzeigeskala berücksichtigt werden.
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Besonders bei größerer Länge des Tragarmes sowie bei Anbringung seitlich
am Schiff wird der Tragarm zweckmäßig so ausgebildet, daß er zusammen mit dem Spiegel
aus der Betriebslage in eine innerhalb bzw. oberhalb des normalen Schiffsprofils
liegende Lage überführbar ist. Der Tragarm mit dem Spiegel kann zu diesem Zweck
um eine waagerechte Achse aus einer waagerechten Betriebslage in eine schräg nach
oben gerichtete oder senkrechte Ruhelage klappbar sein. Ist der Tragarm so ausgebildet,
daß seine Länge in der Projektion auf die Horizontalebene und damit der Abstand
des Spiegels vom Strahler ohne Änderung der Eintauchtiefe des Spiegels veränderbar
ist, so hat man die Möglichkeit, den Abstand vom
Schiff, in welchem
die Tiefenmessung erfolgt, beliebig zu wählen. Auch kann der Tragarm mit dem Spiegel
so ausgebildet sein, daß er um eine durch die Strahlfläche des Strahlers gehende
vertikale Achse schwenkbar ist. Dabei ist der Strahlwinkel des Strahlers -zumindest
in horizontaler Ebene - ausreichend groß im Verhältnis zu dem gewünschten Schwenkwinkel
des Spiegels zu bemessen, so daß der Spiegel ständig angestrahlt wird, oder es ist
- bei Verwendung eines scharf gerichteten Strahlers - der Strahler zusammen mit
dem Spiegel zu schwenken. Man hat auf diese Weise die Möglichkeit, z. B. von einem
vor Anker liegenden Bagger aus Vertikallotungen an beliebigen Stellen eines sektorförmigen
Bereiches, an dessen Spitze sich der Strahler befindet, vorzunehmen. In diesem Falle
wird vorteilhaft eine automatische Korrektur der angezeigten bzw. aufgezeichneten
Echoabstände in Abhängigkeit von dem Abstand des Umlenkspiegels von dem Strahler
vorgesehen, z. B. in der Weise, daß durch Verschiebung des Zeitpunktes der Schallimpulsaussendung
in bezug auf die periodische Bewegung eines Schreibgriffels die auf Änderungen der
Länge des Tragarmes zurückgehenden Änderungen des gemessenen Echoabstandes kompensiert
werden und durch Beziehung der Echoaufzeichnungen auf eine Nullinie die gelotete
Tiefe unmittelbar ablesbar ist.
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Da ein in waagerechter Richtung vom Deck des Schiffes aus ein- und
ausfahrbarer Tragarm den Verkehr auf dem Deck behindern würde, stellt man einen
Tragarm veränderlicher Länge besser aus zwei etwa gleich langen, durch ein Gelenk
mit waagerechter Achse verbundenen Armen her, deren einer an. seinem freien Ende
den Spiegel trägt, während der andere um eine waagerechte, gegebenenfalls auch zusätzlich
um eine senkrechte Achse schwenkbar am Schiff gelagert ist. Ein Tragarm von veränderlicher
Ausladung kann auch nach Art einer Nürnberger Schere konstruiert sein.
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Wenn man die Halterung des Spiegels so ausbildet, daß er aus dem Strahlbereich
des Strahlers herausgeschwenkt werden kann, so kann man wahlweise unter Benutzung
des gleichen Strahlers in horizontaler Richtung und in vertikaler Richtung in einigem
Abstand vom Schiff loten. Die Lotung in horizontaler Richtung interessiert besonders
in der Vorausrichtung des Schiffes und ist der Strahler dann im Bug des Schiffes
einzubauen, wobei der Tragarm in Vorausrichtung weist oder in einem gewissen Vorauswinkelbereich
schwenkbar ist, um auch seitlich vom Schiffskurs Tiefenmessungen vornehmen zu können.
Der als gerade Stange oder Rohr ausgebildete Tragarm kann unter anderem durch eine
unter Wasser liegende Öffnung der Schiffswand in waagerechter Richtung aus- und
einfahrbar angeordnet sein. Dabei kann durch Drehen des Tragarmes um seine Achse
der am Ende des Tragarmes angebrachte Umlenkspiegel aus dem Strahlkegel herausbewegt
werden, um dieLotung in horizontaler Richtung zu ermöglichen.
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Zur Messung von Wassertiefen in Flüssen und Kanälen. durch Echolotung
ist es bekannt, eine größere Anzahl von senkrecht nach unten gerichteten Strahlern
in gleichmäßigen Abständen an mit einem Schiff verbundenen Auslegern anzuordnen.
Durch gleichzeitig oder nacheinander in periodischer Wiederkehr erfolgende Lotung
mit den Strahlern während der Fahrt des Schiffes können aufeinanderfolgende Querprofile
oder parallellaufende Längsprofile der Wasserstraßensohle, die dabei in einer Breite
von 10 bis 20 m erfaßt wird, aufgezeichnet werden. Unter Verwendung der Einrichtung
nach der Erfindung kann eine Einrichtung zur Durchführung von Echolotungen auf breiter
Front wesentlich leichter und billiger hergestellt werden. Der bekannten Einrichtung
kommt am nächsten eine Anordnung unter Verwendung der Einrichtung, bei der mehrere
Strahler seitlich am Schiff angeordnet sind, an verschiedenen Stellen der Schiffslänge
und/oder in verschiedener Tiefe unter dem Wasserspiegel, und die den Strahlern zugeordneten
Umlenkspiegel verschiedeneAbstände von der Schiffslängsachse aufweisen. Insbesondere
bei der Aufzeichnung von Längsprofilen kann jedem Strahler ein besonderes Schreibgerät
zugeordnet sein. Erfolgen die Lotungen mit den einzelnen Strahlern der Reihe nach
wiederkehrend, so genügt es, nur eine Aufzeichnungseinrichtung vorzusehen, die z.
B. bei der Aufzeichnung von Querprofilen von Lotung zu Lotung quer zur Tiefenkoordinate
verschoben wird. Um gegenseitige Störungen der Strahler auszuschließen, ordnet man
diese vorteilhaft in gewissen Abständen voneinander an einer oder beiden Seiten
des Schiffes an. Die zugehörigen Umlenkspiegel befinden sich dann auf einer schräg
zur Schiffslängsachse verlaufenden Linie, deren Abstand von der Schiffslängsachse
von vorn nach hinten zunimmt. Die verschiedenen Abstände der Spiegel von den Strahlern
können, wie schon erwähnt, durch entsprechende Verschiebung des Aussendezeitpunktes
im Verhältnis zu der Bewegung des Aufzeichnungsgriffels oder sonstigen Anzeigeorgans
selbsttätig kompensiert werden.
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Wenn die Zahl der Stellen, an denen während der Fahrt des Schiffes
in verschiedenem Abstand von der Schiffslängsachse gelotet werden soll, nicht zu
groß ist, kann man auch eine Anordnung mit nur einem Strahler auf einer Schiffsseite
bzw. je einem Strahler auf den beiden Schiffsseiten verwenden, wobei im wesentlichen
zwei Ausführungsformen möglich sind. Bei der ersten sind im Strahlkegel eines in
horizontaler Ebene nur eine mäßige Richtwirkung aufweisenden, seitlich am Schiff
eingebauten Strahlers mehrere Umlenkspiegel in verschiedenen Abständen von der Schiffslängsachse
angeordnet. Bei der zweiten Ausführung ist der Strahler scharf gerichtet und um
eine vertikale Achse schwenkbar, und es sind in dem waagerecht liegenden Schwenkbereich
seines Strahlkegels mehrere von Tragarmen gehaltene Umlenkspiegel in verschiedenen
Abständen von der Schiffslängsachse und in verschiedener Richtung vom Strahler aus
angeordnet, die durch Schwenkung des Strahlers um seine vertikale Achse einzeln
wirksam gemacht werden können. Werden bei diesen Ausführungen die verschiedenen
Abstände der Umlenkspiegel von der Schiffslängsachse nicht kompensiert, so können
parallellaufende Längsprofile nebeneinander mit dem gleichen, normalen Schreibgerät
aufgezeichnet werden, da die normalerweise wenig verschiedenen, unter den einzelnen
Umlenkspiegeln gemessenen Wassertiefen um verschiedene konstante Abstandsbeträge
entsprechend dem Abstand der Umlenkspiegel vom Strahler vergrößert sind.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt.
Es zeigt Fig.1 eine Kombination mehrerer Einrichtungen nach der Erfindung im Aufriß
mit mehreren seitlich an einem Schiff eingebauten, horizontal gerichteten Strahlern
und davor in verschiedenen Abständen angeordneten, nach oben wegklappbaren Umlenkspiegeln
zur Wassertiefenmessung durch Echolotung seitlich von einem Schiff gleichzeitig
oder kurz nacheinander in verschiedenen Abständen von der Schiffslängsachse, Fig.
2 die gleiche Anordnung im Grundriß,
Fig. 3 eine Anordnung mit einem
um eine vertikale Achse schwenkbaren, scharf gerichteten Strahler und mehreren in
verschiedenen Richtungen und Abständen vom Strahler angeordneten Umlenkspiegeln,
die wahlweise angestrahlt werden können, im Grundriß und in schematischer Darstellung,
Fig.4 einen fest in einem Schiff eingebauten Strahler mit einem einen großen Winkelbereich
der Horitontalebene ausfüllenden Strahlkegel und einem an beliebige Stellen dieses
Winkelbereichs bewegbaren Umlenkspiegel in Seitenansicht, Fig. 5 die gleiche Anordnung
im Grundriß, Fig. 6 eine Anordnung mit einem nach voraus gerichteten Strahler und
einem auf verschiedene Abstände vom Strahler einstellbaren Umlenkspiegel, der durch
Drehung seines Trägers aus dem Strahlkegel des Strahlers hinausbewegt werden kann,
im Aufriß.
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Fig.1 und 2 zeigen eine Anordnung, mit der während der Fahrt eines
Schiffes gleichzeitig oder kurz nacheinander Wassertiefen auf einer größeren Breite
quer zum Schiff durch Echolotungen gemessen werden können. Die nur für eine Schiffsseite
dargestellte Einrichtung kann in gleicher Weise auf der anderen Schiffsseite vorgesehen
sein. Für die Lotungen seitlich von einem Schiff 1 sind in dessen Seitenwand verhältnismäßig
scharf gerichtete Strahler 2, 3, 4 mit horizontaler Strahlrichtung eingebaut, die
mit einem Echolotgerät verbunden sind und mit denen Lotimpulse ausgesandt und empfangen
werden. Den einzelnen Strahlern sind Umlenkspiegel 5, 6, 7 zugeordnet, die in ihrer
Betriebsstellung sich unterhalb der Wasseroberfläche 13 befinden und die horizontale
Strahlrichtung der Wandler in die Vertikale umlenken, so daß sie auf den Grund 14
trifft. Die Querreihe der Stellen, an denen Lotungen erfolgen, wird ergänzt durch
zwei am Boden des Schiffes eingebaute, senkrecht nach unten gerichtete Strahler
15, 16. Die Abstände a1, a2, a3, a4 der Lotorte von der Schiffslängsachse
sind so gewählt, daß sich in der Projektion auf die Querebene gleichmäßige Abstände
zwischen den Lotorten ergeben. Die Umlenkspiegel 5, 6, 7 sind an senkrechten Stangen
8 befestigt, die gelenkig mit zweiteiligen Auslegerarmen 9 verbunden sind. Die Auslegerarme
9 sind auf dem Schiffsdeck bei 10 so gelagert, daß sie in eine Lage 9' hochgeklappt
werden können, um die Wasserstraße freigeben und ungehindert mit dem Schiff manövrieren
zu können.
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Wenn die Lotungen mit den einzelnen Strahlern gleichzeitig erfolgen,
sind die Abstände zwischen den Strahlern und den Umlenkspiegeln in Schiffslängsrichtung
so groß zu bemessen, daß gegenseitige Beeinflussungen der Strahler durch Streuschall
ausgeschlossen sind. Ist die Wassertiefe verhältnismäßig gering und sollen nur Längsprofile
aufgezeichnet werden, so kann es genügen, für die seitlich vom Schiff vorzunehmenden
Lotungen nur einen in der Horizontalebene nicht zu scharf gerichteten Strahler vorzusehen,
in dessen- Strahlkegel die Umlenkspiegel in verschiedenen Abständen von der Schiffslängsachse
angeordnet sind. Bei der Aufzeichnung der empfangenen Echos mit einem normalen Lotschreiber
können die einzelnen Echos durch die stufenweise Zunahme der Lotabstände von dem
dem Schiff am nächsten bis zu dem am weitesten entfernten T-Tmlenkspiegel, die normalerweise
ein Mehrfaches der auftretenden Tiefenschwankungen betragen, leicht voneinander
unterschieden werden. Die einzelnen Spiegel sollen, vom Strahler aus gesehen, in
etwas verschiedener Richtung angeordnet sein, so daß sie einander nicht gegenseitig
verdecken. Die in größerer Entfernung vom Strahler befindlichen Spiegel können eine
größere Fläche haben als die in der Nähe befindlichen.
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Fig.3 zeigt im Grundriß eine Anordnung mit einem um eine vertikale
Achse schwenkbaren, in eine Nische 18 in der Seitenwand des Schiffskörpers 1 eingebauten,
scharf gerichteten Strahler 19. In der Horizontalebene des Strahlers sind in verschiedenen
Richtungen und Abständen vom Strahler Urnlenkspiegel 20, 21, 22 angeordnet, die
durch Schwenken des Strahlers 19 wahlweise wirksam gemacht werden können. Auf diese
Weise können nacheinander Lotungen in den Abständen a6, a7, a. von der Schiffslängsachse
23 ausgeführt werden. Die Winkelabstände der Spiegel sind so groß zu machen, daß
immer nur einer davon wirksam sein kann. Statt eines schwenkbaren Strahlers 19 kann
auch eine fest eingebaute lineare Strahlengruppe vorgesehen sein, deren Strahlrichtung
durch Zuführung von entsprechend phasenverschobenen Strömen zu den einzelnen Strahlern
geändert wird.
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Fig. 4 zeigt in Seitenansicht den Bug eines Schiffes 25 mit einer
Einrichtung nach der Erfindung zur Lotung an verschiedenen Stellen eines Voraussektors
26, der der Grundrißdarstellung der Fig.5 zu entnehmen ist. Im Bug des Schiffes
ist ein nach voraus gerichteter Strahler 27 eingebaut, dessen rechteckige Strahlfläche
eine horizontale Breite von etwa einer Wellenlänge oder weniger und eine Höhe von
mehreren Wellenlängen hat. Die Breite des. Strahlkegels 26 in horizontaler Ebene
beträgt dann etwa 60 bis 90°. Ein Umlenkspiegel 28 kann mittels eines in Gelenkkonstruktion
ausgeführten, auf dem Vordeck des Schiffes aufgebauten Auslegers 30 auf in verschiedenem
Abstand und in verschiedener Richtung vom dem Strahler 27 liegende Stellen des Strahlsektors
26 eingestellt werden, um dort die Wassertiefe zu messen. Der Ausleger 30 ist bei
31 auf einen Drehtisch 32 gelagert, der mittels Zahnrädern 33 um eine in der Horizontalprojektion
dicht bei dem Strahler 27 liegende vertikale Achse 34 geschwenkt werden kann. Mittels
einer z. B. hydraulisch betätigten Zugstange 35 kann die Ausladung des Auslegers
30 vergrößert und verkleinert werden, wobei sich die Spitze 36 des Auslegers in
waagerechter Ebene bewegt und die den Spiegel 28 tragende Stange 29 stets in vertikaler
Lage gehalten wird. Die beschriebene Anordnung kann z. B. auf einem Bagger Anwendung
finden, um die vor diesem liegende Wassertiefe auf einer gewissen Breite abzutasten.
Es kann eine Hilfseinrichtung vorgesehen sein, die die jeweilige Ausladung des Auslegers
anzeigt und mit dem Echolotgerät so zusammenwirkt, daß die Änderungen des Lotweges
bei verschiedenen Ausladungen des Auslegerarmes selbsttätig kompensiert werden und
stets die auf die Wasseroberfläche bezogene Tiefe abgelesen wird.
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Fig. 6 zeigt eine Einrichtung nach der Erfindung, mit der die Wassertiefe
vor dem Bug eines Schiffes in verschiedenen Abständen vom Bug gemessen werden kann.
Im Bug ist ein nach voraus gerichteter Strahler 40 eingebaut. Ein Umlenkspiegel
41, der von einer in Schiffslängsrichtung liegenden Stange 42 getragen wird, kann
durch Ein- und Ausfahren dieser Stange in verschiedenen Abstand von dem Strahler
40 gebracht werden. Die mit unrundem, z. B. quadratischem Querschnitt ausgeführte
Stange 42 trägt an ihrem schiffsseitigem Ende einen Kolben 44, der in einem drehbar
im Schiff gelagerten Zylinder 45 gleitet, und wird von einer am vorderen Ende des
Zylinders 45 angebrachten Führung 43 unverdrehbar, aber nicht wasserdicht geführt.
Am hinteren Ende des Zylinders
45 ist über eine Stopfbuchse eine
Druckwasserleitung 46 drehbar angeschlossen, so daß durch Zu- oder Abführen von
Druckwasser zu dem Zylinder 45 die Stange 42 aus- und eingefahren werden kann. Mittels
eines Zahnradantriebes 47 kann der Zylinder 45 zusammen mit der darin geführten
Stange 42 um seine Längsachse gedreht werden, um den Spiegel 41 aus der dargestellten
Lage im Strahlkegel des Strahlers 40 seitlich und nach oben hin auszuschwenken,
so daß der Strahler 40 für Horizontallotungen benutzt werden kann. Die gleiche Anordnung
kann, demnach zur Prüfung der Wassertiefe vor dem Bug des Schiffes und zur Erkennung
von Hindernissen auf größere Entfernung dienen.