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Einrichtung zur Messung von Zeitdifferenzen zwischen mehreren pulsierenden
Gleichspannungen zur Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten Die Erfindung betrifft
eine Einrichtung zur Messung von Zeitdifferenzen zwischen mehreren pulsierenden
Gleichspannungen, die zur Bestimmung von Strömungsgeschwindigkeiten gasförmiger
Medien durch Empfang von hochfrequenten Schwingungen an drei verschiedenen Orten
gewonnen werden.
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Zur Bestimmung der Geschwindigkeiten von strömenden Medien, beispielsweise
der Geschwindigkeit von wandernden Wetterfronten oder der horizontalen Verlagerungsgeschwindigkeit
ionosphärischer Schichten, ist es bekanntlich möglich, die an Irregularitäten des
jeweiligen gasförmigen Mediums reflektierten elektromagnetischen Wellen von hochfrequenzabstrahlenden
Sendern an mehr oder weniger voneinander entfernten Orten zu empfangen und die Zeitdifferenzen
zwischen den an den jeweiligen Empfängern auftretenden Fadingerscheinungen zu messen,
wobei aus dem zeitlichen Vergleich der auftretenden zusammengehörigen Extremwerte
der schwankenden Empfangsfeldstärke die Geschwindigkeit sowie die Richtung der Irregularität
des Mediums zu ermitteln ist. Der Abstand der Empfänger der elektromagnetischen
Wellen ist hierbei durch die räumlichen Ausdehnungen der im reflektierenden Medium
vorhandenen Irregularitäten gegeben. Die aufgenommene Signalspannung von zwei Empfängern
wird über Kabel zum Standort des dritten Empfängers übertragen und dort zusammen
mit der Signalspannung des dritten Empfängers der Meßeinrichtung zugeführt. Es ist
auch bereits eine Einrichtung bekannt, mit welcher derartige Messungen für eine
einfache Auswertung durchführbar sind. Bei dieser Einrichtung werden die empfangenen
hochfrequenten elektromagnetischen Wellen in einen pulsierenden Gleichstrom umgewandelt
und für einen Vergleich der auftretenden Spannungsunterschiede zwischen den an drei
Orten aufgenommenen Registrierspannungen verstärkt. Diese pulsierenden Gleichströme
steuern über eine elektronische Begrenzerstufe eine Elektronenröhre, in deren Arbeitsstromkreis
ein Relais liegt, das weitere Relais stufen für die Betätigung eines Aufzeichnungsgerätes
steuert. Mit dieser Einrichtung werden die absoluten Spannungspegel der pulsierenden
Gleichströme der drei Empfänger verglichen. Da aber der Verstärkungsgrad der Empfänger
unterschiedlich ist, ergeben sich daraus fehlerhafte Ergebnisse. Des weiteren schwanken
die pulsierenden Gleichspannungen im mittleren Niveau, was sich gleichfalls auf
die Registriergenauigkeit auswirkt. Durch Veränderung der im Medium vorhandenen
Irregularitäten in der Amplitude verändert sich ebenfalls infolge Spannungsänderung
der Einsatzpunkt des Steuerrelais, so daß Geschwindigkeits- und Richtungsänderungen
vorgespiegelt werden, die gar nicht vorhanden sind. Dieses Meßprinzip ist von vornherein
deshalb schon nicht einwandfrei, da nicht die wirklichen Zeitdifferenzen zwischen
den Extremwerten gemessen werden, sondern die jeweiligen Spannungswerte aus einem
Teil des Kurvenverlaufs.
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Aufgabe und Zweck der Erfindung ist, eine Einrichtung zu schaffen,
welche gestattet, die Zeitdifferenzen zwischen den Extremwerten mehrerer pulsierender
Gleichspannungen mit größter Genauigkeit bei minimalem technischem Aufwand zu ermitteln
und nach Größe und Polarität aufzuzeichnen.
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Dies wird im wesentlichen erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zur
Messung von Zeitdifferenzen zwischen mehreren pulsierenden Gleichspannungen die
Empfänger der drei Kanäle iiber Gleichrichter regelbar mit dem Eingang von Röhren
zur Verstärkung der pulsierenden Gleichströme verbunden sind, welche weiterhin mit
ihren Ausgängen über Differenzierstufen an Eingängen von Verstärkerstufen liegen.
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In den Anodenstromkreisen der Verstärkerstufen sind Steuerrelais mit
nachgeschalteten Umschaltrelais angeordnet, von denen jeweils zwei eine Steuerstufe
für die nachfolgend angeschlossenen Aufzeichnungsanordnungen bilden. Die Differenzierstufe
für die Messung der Zeitdifferenzen zweier Minima ist so ausgebildet, daß die Steuergitter
der den Differenzierstufen nachgeschalteten Röhren über Differenzierwiderstände
mit den anodenseitigen Enden von Arbeitswiderständen der Vorröhren und über Differenzierkondensatoren
mit den anodenspannungsseitigen Enden dieser Arbeitswiderstände in Verbindung
stehen.
Sollen die Zeitdifferenzen zwischen auftretenden Maxima gemessen werden, so stehen
die Steuergitter der den Differenzierstufen nachgeordneten Röhren einerseits direkt
mit den Anoden der Vorröhren und andererseits über die Differenzierwiderstände mit
ihren eigenen Katoden in Verbindung, wobei zwischen den katodenseitigen Enden der
Differenzierwiderstände und den anodenspannungsseitigen Enden der Arbeitswiderstände
der Vorröhren die Differenzierkondensatoren angeordnet sind. -Die Steuerstufen für
die Aufzeichnungsgeräte werden jeweils aus zwei Relais zweier Kanäle gebildet, wobei
Kontakte der Relais einerseits mit einer Gleichstromquelle und andererseits untereinander
verbunden sind und mit ihren Umschaltkontakten mit Speicherkondensatoren in Verbindung
stehen, welche wiederum über ebenfalls zu den Relais gehörende Kontakte sowie Ladewiderstände
an Ladekondensatoren angeschlossen sind, an welchen die. Steuerspannung für die
Aufzeichnungsgeräte abgenommen wird.
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Nachfolgend ist die erfindungsgemäße Einrichtung an Hand eines Ausführungsbeispiels
beschrieben und in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigt Fig. 1 ein Blockschaltbild
er gesamten Einrichtung, F i g. 2 einen Teil der Einrichtung für die Gleichrichtung,
Verstärkung sowie die Auswertung der empfangenen Signale und die Steuerung der Relaisstufe,
Fig. 3 die Relaisstufe, F i g. 4 die Differenzierstufe für die Registrierung von
Maxima eines Kanals.
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Die Einrichtung zur Bestimmung der Zeitdifferenzen besteht im grundsätzlichen
aus an drei verschiedenen Arten aufgestellten Empfangs einrichtungen 1, 2 und 3
für hochfrequente elektromagnetische Signale, die im Al-Betrieb arbeiten und deren
Ausgänge über Kabel an einer an einem beliebigen anderen Ort, vorzugsweise jedoch
in unmittelbarer Nähe eines Empfängers aufgestellten Meßeinrichtung angeschlossen
sind. Jedem Empfänger sind Differenzierstufen 4, 5 und 6 zugeordnet, welche über
Verstärkerstufen 7, 8 und 9 mit Steuerrelais 10, 11 und 12 verbunden sind. Jeweils
zwei der Steuerrelais 10 und 11 bzw. 11 und 12 erregen Steuerstufen 13 und 14, welche
jeweils mit Mittelpunktnull-Tintenschreibern 1S und 16 in Verbindung stehen. Die
Empfänger 1, 2 und 3 sind, wie in F i g. 2 dargestellt, über Eingangsübertrager
17, 18 und 19 und Potentiometer 20, 21 und 22 regelbar mit Gleichrichtern 23, 24
und 25 verbunden, welche gleichstromseitig am Steuergitter bzw. an der Katode von
Röhren 26, 27 und 28 liegen, die als normaler Verstärker geschaltet sind.
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Im Steuerkreis dieser Verstärkerröhren sind außerdem Anzeigeinstrumente
29, 30 und 31 zum Messen der Steuerpotentiale angeordnet. Die Verstärkerröhren 26,
27 und 28 stehen mit ihren Anoden über Differenziernetzwerke, bestehend aus den
jeweiligen Arbeitswiderständen 32, 33 und 34, aus Differenzierwiderständen 35, 36
und 37 und Differenzierkondensatoren 38, 39 und 40, mit den Steuergittern von Elektronenröhren-41,
42 und 43 für die Verstärkung der differenzierten Spannung in Verbindung. In den
Anodenkreisen der in normaler Verstärkerschaltung betriebenen Röhren 41, 42 und
43 liegen Feinstromrelais 44, 45 und 46, welche mit ihren Arbeitskontakten 44.1,
45.1 und 46.1 den Erregerkreis von Umschalterelais 47, 48, 49 und 50 steuern. Jeweils
zwei
dieser Umschaltrelais, nämlich die Relais 47 und 48 bzw. 49 und 50, sind mit
ihren Kontakten zu zwei Steuerstufen 13 und 14 gemäß Fig. 3 zusammengeschaltet.
Hierbei liegen Kontakte47.1, 47.2, 48.1 und 48.2 einerseits an einer Gleichspannungsquelle
und sind andererseits miteinander verbunden. Die Umschaltkontaktfedern der Kontakte
47.in 47.2, 48.1 und 48.2 sind ferner mit Speicherkondensatoren 51 und 52 verbunden,
welche außerdem über Kontakte 47.3 und 48.3 sowie einen Ladewiderstand 53 an einem
Ladekondensator 54 angeschlossen sind, der mit einem Mittelpunktnull-Tintenschreiber
15 in Verbindung steht. Analog der Schaltungsanordnung der Steuerstufe 13 ist die
Steuerstufe 14 aufgebaut, die aus den Speicherkondensatoren 55 und 56, einem Ladewiderstand
57 sowie einem Ladekondensator 58 besteht. Es ist ohne weiteres gegeben, die verwendedeten
Elektronenröhren sowie die Schaltrelais und ihre Schaltkontakte durch Halbleiterbauelemente
mit den gleichen Funktionen zu ersetzen.
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Nachfolgend wird die Funktionsweise der oben beschriebenen Einrichtung
näher erläutert: Die von einem Sender ausgestrahlten hochfrequenten elektromagnetischen
Wellen werden von einer zwischen Sender und Empfänger liegenden Irregularität des
jeweiligen gasförmigen Mediums reflektiert und von den an drei verschiedenen Orten
aufgestellten Empfängern 1, 2 und 3 aufgenommen. Die im Al-Betrieb arbeitenden Empfänger
wandeln die aufgenommenen Signale in niederfrequente Ausgangsspannungen um, die
im Rhythmus der Fadingerscheinungen schwanken. Da die niederfrequenten Ausgangsspannungen
nunmehr bis zu den Steuerstufen 13 und 14, gleiche Schaltungsanordnungen durchlaufen,
beschränkt sich die Weiterbeschreibung bis zu diesen Steuerstufen auf die Vorgänge
in einem Kanal. Die vom Empfänger 1 stammenden niederfrequenten Signale werden durch
den Übertrager 17 und über das Potentiometer 20 dem Gleichrichter 23 zugeführt.
Nach erfolgter Gleichrichtung wird mit der entstandenen pulsierenden Gleichspannung
die Röhre 26 angesteuert, welche eine Verstärkung sowie eine Phasenumkehr der pulsierenden
Gleichspannung bewirkt. Mit dem Potentiometer 20 sowie dem Anzeigeinstrument 29
kann eine gewisse grobe Einstellung der Eingangsspannung der Röhre 26 eingestellt
werden. Durch das der Röhre 26 nachgeschaltete Differenzierglied mit dem Differenzierwiderstand
35 sowie dem Differenzierkondensator 38 und dem Arbeitswiderstand32 wird eine Differenzierung
der an dem Arbeitswiderstand 32 abfallenden Spannung erreicht.
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Durch die Differenzierung entsteht eine Spannung, welche jeweils
an den Extrempunkten, also den Maxima und Minima, des verstärkten Eingangssignals
Null ist. Diese Spannung liegt am Steuergitter der Röhre 41, welches negativ vorgespannt
ist. Bei abfallendem Charakter der Eingangssp annung steuert die differenzierte
Spannung die Röhre 41 negativ an, so daß das in den Arbeitsstromkreis geschaltete
Relais 44 während der Zeit der negativen Ansteuerungsperiode abfällt. Nach überschrittenem
Minimum steigt die Eingangsspannung des Eingangssignals zu einem Maximum an, so
daß die differenzierte Spannung eine umgekehrte Polarität annimmt. Genau im Punkt
des Minimums ändert sich die Polarität und damit die Steuervorspannung der Röhre
41, so daß in diesem Moment der einsetzende Anodenstrom das
Relais
44 zum Ansprechen bringt. Dieses Relais 44 bringt mit seinem Arbeitskontakt 44.1
das Umschaltrelais 47 zum Ansprechen. Die gleichen Vorgänge verlaufen in den beiden
anderen Kanälen der Empfänger 2 und 3.
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Auf Grund des Meßverfahrens treten zwischen den Extremwerten der
drei vom gleichen Sender empfangenen Signale Zeitdifferenzen auf. Durch Vergleich
jeweils zweier Signale ist es möglich, mit Hilfe einfacher trigonometrischer Beziehungen
die Geschwindigkeit sowie die Richtung des strömenden Mediums zu bestimmen. Zur
Ermittlung der Zeitdifferenz zwischen zwei zusammengehörigen Extremwerten ist es
deshalb erforderlich, die Zeitdifferenz des Ansprechens der Relais 44 und 45 bzw.
46 zu ermitteln. Die Wirkungsweise einer solchen Vergleichsanordnung sei nachfolgend
an Hand des Vergleichs der Ansprechzeiten der Relais 44 und 45 bzw.
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47 und 48 weiter beschrieben, wobei der obere Teil der F i g. 3 zur
Erläuterung der Erfindung dient.
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Dieser zeigt die Schaltungsanordnung der Steuerstufe 13 und die Ankoppelung
des Mittelpunktnull-Tintenschreibers für die Registrierung der Zeitdifferenz. Die
Kontakte sind in Fig. 3 in der Stellung »angezogenes« Relais 47 und 48 dargestellt.
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Sind die Röhren 41 und 42 infolge abfallenden Charakters der Eingangssignale
gesperrt, so liegen sämtliche Kontakte des oberen Teiles der Fig. 3 umgeschaltet,
so daß die Speicherkondensatoren 51 und 52 über die Kontakte 47.1, 47.2, 48.1 und
48.2 durch eine Gleichspannungsquelle aufgeladen werden. Beim Erreichen eines Mediums
des Eingangssignals von Empfänger 1 erfolgt eine Betätigung der Relais 44 und 47,
so daß die Kontakte47.1, 47.2 und 47.3 umschalten und der Ladekondensator 54 über
den Ladewiderstand 53 sowie die Kontakte 48.3 und 47.3 von dem Speicherkondensator
51 aufgeladen wird. Mit Beginn der Aufladung des Ladekondensators 57 beginnt der
Mittelpunktnull-Tintenschreiber einen Strich zu markieren. Dieser Schreibvorgang
wird in dem Zeitpunkt unterbrochen, wenn das Signal des Empfängers 2 das Minimum
überschreitet und damit die Relais 45 und 48 betätigt. In diesem Moment schalten
die Kontakte 48.1, 48.2 und 48.3 um, so daß der Ladekondensator 54 nicht weitergeladen
wird und der Mittelpunktnull-Tintenschreiber seinen Schreibvorgang unterbricht.
Außerdem werden gleichzeitig die Speicherkondensatoren 51 und 52 über die Kontakte
47.1, 47.2, 48.1 und 48.2 entladen. Nach Überschreiten der darauffolgenden Maxima
der Signale der Empfänger 1 und 2 erfolgt infolge der Umpolung der Steuerspannungen
der Röhren 41 und 42 eine Sperrung dieser Röhren.
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Infolge Unterbrechung der Anodenströme der Röhren 41 und 42 fallen
die Relais 44 und 45 sowie die Relais 47 und 48 wieder ab, und alle Kontakte der
Relais 47 und 48 gehen in die Ausgangsstellung zurück. In dieser Stellung werden
die Speicherkondensatoren 51 und 52 wieder an die Gleichspannungsquelle angelegt
und neu aufgeladen, so daß die Einrichtung zum nächsten Schreibvorgang startbereit
wird.
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Tritt der Fall ein, daß das Minimum des Signals des zweiten Empfängers
zuerst überschritten wird und das Relais 45 sowie das Relais 48 zuerst anspricht,
so wird der Ladekondensator 54 über den Ladewiderstand 53 von dem Speicherkondensator
52 geladen, so daß eine umgekehrte Polung gegenüber
vorher auftritt. Der Mittelpunktnull-Tintens
chreiber 15 wird in diesem Falle in entgegengesetzter Richtung ausgesteuert, so
daß die Markierung nach der anderen Seite erfolgt. Der Schreibvorgang des Mittelpunktnull-Tintenschreibers
15 wird durch den Schaltvorgang der Relais 44 sowie 47 beendet, worauf sinngemäß,
wie bereits oben dargestellt, die gleichen Vorgänge ablaufen. Die Größe des Ausschlages
des Mittelpunktnull-Tintenschreibers ist die Größe der Zeitdifferenz zwischen den
jeweils auftretenden Minima, und die Richtung des Linienzuges zeigt an, an welchem
Empfänger das Minimum zuerst aufgetreten ist. Die gleichen Vorgänge spielen sich
in der Relaissteuerstufel4 ab, welche von den Empfängern 2 und 3 gesteuert wird.