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Eichbare akustische Echoloteinrichtung und Verfahren zu deren Verwendung
Bekanntlich ist die Schallgeschwindigkeit in einem Medium keine konstante Größe,
sondern von der Temperatur und - beim Wasser - auch vom Salzgehalt abhängig. Will
man also bei der Echolotung exakte Ergebnisse erhalten, so müssen diese Einflüsse
berücksichtigt werden. Derartige genaue Messungen werden z. B. von Vermessungsschiffel1
und Pegelanzeigern gefordert. Es ist schon bekannt. vor jeder genauen Messung das
Echolot mit Hilfe einer Meßstrecke zu eichen, deren Länge genau bekannt ist.
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Derartige Meßstrecken erhält man bei Schiffen. z. B. durch Ausfahren
von Platten oder auch durch Benutzung des Gewichtes am Ende einer Lotleine als Reflektor.
Stellt sich nun bei einer solchen Prüfmessung heraus, daß das Ergebnis der Lotung
nicht mit dem genauen Maß der Eichstrecke übereinstimmt, so kann diese Übereinstimmung
durch Nachstellen der Drehzahl des den Kurzzeitmesser antreibenden Motors wieder
herbeigeführt werden. Das Echolot ist dann geeicht und liefert nun für einige Zeit
genaue Ergebnisse.
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Aufgabe der Erfindung ist es, diese bisher nur gelegentlich und von
Hand vorgenommenen Eichungen durch ein sich selbsttätig abgleichendes System zu
ersetzen, das die Anderungen der Schallgeschwindigkeit selbsttätig ausgleicht und
darüber hinaus auch etwaige unerwünschte Schwankungen der Drehzahl des Antriebsmotors
unwirksam macht. Die Erfindung geht von der Überlegung aus, daß eine selbsttätige
Regelung der Drehzahl des das anzeigende oder schreibende Organ antreibenden Motors
von der Phasenlage des Echoimpulses von der Eichstrecke, im folgenden kurz Eichimpuls
genannt, ausgehen muß. Bei einer einwandfrei arbeitenden Einrichtung muß der Eichimpuls
stets dieselbe Phasenlage innerhalb der Eichlotperiode haben, unabhängig davon,
ob sich die Schallgeschwindigkeit im Wasser oder die Drehzahl des Antriebsmotors
ändert. Es muß also eine Einrichtung gefunden werden, welche die Abweichung des
Eichimpulses von seiner Soll-Phasenlage fortlaufend mißt und aus diesen Messungen
einen Mittelwert bildet, der auf die Drehzahl des Antriebsmotors einwirkt. Eine
erste Einrichtung, welche imstande ist, die Phasenlage eines Lotimpulses fortlaufend
zu messen und aus diesen Messungen einen Mittelwert zu bilden, ist die bekannte
Echowaage. Führt man einen Echoimpuls einer solchen Echowaage zu, so äußert sich
eine Abweichung der Phasenlage des Echoimpulses von seiner Sollage als eine Verdrehung
des Stators der Echowaage in der einen oder anderen Richtung. Verbindet man nun
mit dem Stator einen Kontakt und läßt diesen auf ortsfeste Kontakte beiderseits
der Sollage des Statorkontaktes einwirken, so läßt sich dadurch die Drehzahl des
das anzeigende oder registrierende Organ und die Echowaage antreibenden Motors im
Sinne einer Korrektur der Phasenlage des Eichimpulses beeinflussen.
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Eine erste Lösung der gestellten Aufgabe besteht somit erfindungsgemäß
in einer eichbaren akustischen Echoloteinrichtung mit einem von einem Motor angetriebenen
anzeigenden oder schreibenden Organ und einem Reflektor bekannter Entfernung, der
zur Eichung des Gerätes dient, die sich dadurch auszeichnet, daß für eine selbsttätige
Eichung eine an sich bekannte Echowaage mit einem von dem erwähnten Motor angetriebenen
Kontaktarm verwendet wird, bei dessen Durchgang durch eine Nullstellung der Echolotsender
ausgelöst wird, daß die Echoimpulse von der Eichstrecke dem Kontaktarm zugeführt
werden, von dem sie bei einem der Echolaufzeit und der Winkelgeschwindigkeit des
Armes entsprechenden, auf die Nullstellung bezogenen Winkel auf den Stator der Echowaage
übertreten, wobei dieser Übertrittswinkel einen bestimmten Sollwert hat, wenn das
Ergebnis der Eichlotung mit der bekannten Entfernung übereinstimmt, daß der dem
Übertrittswinkel in bekannter Weise selbsttätig nachlaufende Stator der Echowaage
mit der Mittelzunge eines Umschaltkontaktes verbunden ist, die eine neutrale Lage
zwischen zwei ortsfesten Gegenkontakten einnimmt, wenn der Übertrittswinkel seinen
Sollwert hat, so daß eine Abweichung des Übertrittswinkels von seinem Sollwert zu
einer Betätigung des Umschaltkontaktes führt, und daß dieser Umschaltkontakt über
eine Regeleinrichtung (Regelmotor) eine Veränderung der Drehzahl des Antriebsmotors
in einem solchen Sinne bewirkt, daß der Sollwert des Übertrittswinkels und damit
die neutrale Mittelstellung des Umschaltkontaktes wieder erreicht werden.
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Die Regeleinrichtung kann dabei aus einem kleinen Hilfsmotor bestehen,
der mit dem erwähnten Umschaltkontakt auf Rechts- oder Linkslauf geschaltet wird
und einen im Stromkreis des Antriebsmotors liegenden Widerstand so lange verstellt,
bis der Stator der Echowaage unter dem Einfluß der Veränderung der Drehzahl wieder
seine Sollage eingenommen hat, in welcher der Umschaltkontakt seine neutrale Lage
innehat.
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Für viele Zwecke der Praxis, insbesondere dann, wenn es nur um die
Feststellung der Meerestiefe geht, ist es nicht erforderlich und nicht einmal zweckmäßig,
bei der Nutzlotung jede einzelne Lotperiode zu registrieren oder anzuzeigen, wie
dies mit einem umlaufenden Band oder einer umlaufenden Glimmlampe geschieht. Es
genügt vielmehr völlig, die Veränderungen der Lotentfernung über Zeiträume, die
groß sind im Vergleich zu einer Lotperiode, zu registrieren und somit für die Registrierung
ebenfalls eine Echowaage zu benutzen. Eine solche Anordnung würde somit aus einer
ersten Echowaage bestehen, der die Impulse der Nutzlotung zugeführt werden und deren
Stator mit einem Registrierorgan verbunden ist, und einer zweiten Echowaage, deren
Aufgabe ausschließlich in der Regelung des gemeinsamen Antriebsmotors besteht. Gemäß
einer Weiterbildung einer solchen Anordnung kann man jedoch auch mit einer einzigen
Echowaage auskommen, wenn man diese periodisch von Nutzlotung auf Eichlotung umschaltet.
Diese periodische Umschaltung kann z. B. durch ein Uhrwerk oder durch den Hauptmotor
der Echowaage über ein Untersetzungsgetriebe erfolgen.
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Die Ausführung einer solchen Anordnung wird im folgenden am Beispiel
eines Pegelmessers beschrieben.
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In Ab b. 1 ist zunächst die Meßanordnung dargestellt, wie sie für
einen Pegelmesser verwendet wird. Auf einem Bock 1 ist ein Sender-Empfängerpaar
2 angeordnet, das für die eigentliche Pegelmessung dient und die Entfernung zur
Wasseroberfläche mißt. Ein zweites Sender-Empfängerpaar 3 dient der Eichung in Verbindung
mit der Platte 4. Die Entfernung vom Sender-Empfängerpaar 3 bis zur Platte 4 ist
genau vermessen und möge beispielsweise 15 Meter betragen.
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In A b b. 2 ist die Registriereinrichtung dargestellt.
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Mit 20 ist ein schnell umlaufender Arm bezeichnet, der z. B. 1500
Umläufe pro Minute macht und bei dessen Nulldurchgang der SenderS ausgelöst wird.
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Der von der Wasseroberfläche bzw. von der Eichplatte reflektierte
Impuls gelangt auf den Empfänger 21, wird dort verstärkt und öffnet die Gasentladungsröhre
22, so daß sich der Kondensator 23, der über den Widerstand 24 aufgeladen ist, über
die Primärwicklung eines Autotransformators 25 entlädt. Bei dieser Entladung entsteht
an der Sekundärspule ein Hochspannungsimpuls, der dem rotierenden Arm 20 zugeführt
wird. Von der Spitze des Armes springt nun ein kleiner Funke auf eine der halbkreisförmigen
Elektroden 26 oder 27 einer Echowaage über und gelangt von dort an das Gitter einer
der Röhren 28 oder 29. Die Elektroden 26 und 27 mögen beispielsweise auf einer Isolierscheibe
befestigt sein, die ihrerseits konzentrisch zu dem Arm drehbar gelagert ist.
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Eine der Röhren 28 oder 29 wird nun geöffnet, so daß der Motor 30
Strom erhält. Dieser stark untersetzte kleine Motor dreht nun die Elektroden 26
und 27; dabei ist die Drehrichtung verschieden, je nach-
dem, ob die Röhre 28 oder
29 Impulse erhält. Die Drehrichtung ist in jedem Fall so, daß die betreffende Elektrode
aus dem Bereich des Funkens herausgedreht wird, d. h., das System hat die Neigung,
sich so einzustellen, daß der Funke an der Lücke zwischen den beiden Elektroden
auftritt, also abwechselnd die eine oder andere Elektrode trifft. Der Winkel, den
diese Lücke mit der Nullstellung bildet, ist also ein Maß für die gelotete Entfernung
und kann unter Zwischenschaltung eines Schnurtriebs 31 auf eine Schreibvorrichtung32
übertragen werden, die auf dem auf der Zeichnung nach links abrollenden Papier die
Pegelkurve 33 aufzeichnet. An einer feststehenden Skala 34 kann gleichzeitig die
Tiefe jederzeit abgelesen werden.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung zur selbsttätigen Eichung des Gerätes
arbeitet nun wie folgt: Es sei der Einfachheit halber angenommen, daß der nicht
gezeichnete Motor, welcher den umlaufenden Arm 20 antreibt, ein Gleichstrommotor
ist, in dessen Feld der Widerstand 35 mit dem Schleifer 36 liegt.
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Durch Verstellen dieses Schleifers kann die Drehzahl des Motors geändert
und das Gerät geeicht werden.
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Diese Verstellung wird durch einen Hilfsmotor 37 bewirkt, beispielsweise
durch einen kleinen Gleichstrommotor mit Permanenterregung, der durch die Batterie
38 gespeist wird. Im Stromkreis dieses Hilfsmotors liegt ferner eine durchlaufende
Kontaktbahn 39 und zwei weitere Kontaktschienen 40 und 41, die durch ein kleines
Isolierstück 42 getrennt sind, sowie ein Schalter 43. Wenn nun mittels eines Uhrwerks
44 oder durch den Hauptmotor über ein Untersetzungsgetriebe der Schalter 45 am Sender
und der Schalter 46 am Empfänger auf Eichung umgelegt werden, so treibt die Echowaage
das Schreiborgan über den Schnurtrieb in die Nähe der 15-Meter-Marke, da die Länge
der Eichstrecke, wie eingangs angenommen, 15 Meter beträgt. Eine an der Schnur 31
auf einer Isolieriasche 48 angeordnete Kontaktbrücke 47 gelangt dabei auf die Kontaktschienen
41 und 39 und schließt diese kurz. Nach einer gewissen Verzögerung, die in der Zeichnung
nicht angedeutet, aber durch das Uhrwerk 44 bestimmt wird, schließt nun der Schalter
43, so daß der Hilfsmotor 37 anläuft. Je nachdem, ob sich die Brücke 47 auf der
Bahn 41 oder 40 befindet, läuft dieser Hilfsmotor mit verschiedener Drehrichtung
und vergrößert oder verkleinert den Feldwiderstand 35 des den Schaltarm20 antreibenden
Motors. Durch die hierdurch bedingte Änderung der Umlaufgeschwindigkeit des Armes
20 veranlaßt, dreht nun die Echowaage nach und korrigiert die Stellung der Brücke
47 so lange, bis diese auf das Isolierstück 42 aufläuft, wodurch der Regelvorgang
beendet und die Eichung abgeschlossen ist. Wenn das Uhrwerk die Sender und Empfänger
jetzt wieder auf normale Lotung, d. h. Pegelmessung, umschaltet und dabei gleichzeitig
den Kontakt 43 - jetzt ohne Verzögerung - öffnet, so kehrt das Schreiborgan wieder
zu seiner normalen Tätigkeit der Registrierung des Pegels zurück, wobei die zurücklaufende
Brücke 47 wirkungslos bleibt, da der Schalter 43 geöffnet ist.
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Nach einer gewissen Zeit wiederholt das Uhrwerk diesen Eichvorgang.
Damit dieser Eichvorgang nicht mit aufgezeichnet wird, kann ein ebenfalls vom Uhrwerk
betätigter Schalter vorgesehen sein, der eine zum Schreiben auf dem stromempfindlichen
Papier benötigte Spannung von der leitenden Litze 32 wegnimmt und mit Verzögerung
wieder zuschaltet, so
daß in der Kurve 33 lediglich kleine Lücken
auftreten, die dem jeweiligen Eichvorgang entsprechen.
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Wenn die Echowaage ausschließlich zur Eichung dient, kann der Umschaltkontakt
als eine am Träger der Statorelektroden befestigte Zunge ausgebildet werden, die
zwischen zwei ortsfesten Kontakten spielt, so daß die Echowaage bis auf ein geringes
Spiel gefesselt ist. Wird sie dagegen wie in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel
auch für die eigentliche Registrierung verwendet, so muß sie sich frei drehen können.
Der Umschaltkontakt ist daher in dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel
als Schiebekontakt ausgebildet, der nach beiden Seiten überfahren werden kann. An
die Stelle der Kontaktschienen können jedoch auch Widerstandsbahnen treten, die
Teile einer Brückenschaltung darstellen, in deren Diagonalzweig beispielsweise ein
richtungsempfindliches Relais liegt, das seinerseits den Hilfsmotor schaltet.
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Ein Merkmal der in A b b. 2 dargestellten Anordnung, das bisher nur
kurz erwähnt wurde, verdient noch eine nähere Erörterung. Es ist dies die Tatsache,
daß die Echowaage ohne umlaufende Kontakte arbeitet. Dies wird dadurch erreicht,
daß der Echoimpuls als Hochspannungsimpuls auf den umlaufenden Arm gegeben wird
und somit von diesem als Funke auf die halbkreisförmigen Elektroden übertragen wird.
Dadurch ist ein Verschleiß des Kontaktes und eine Verschmutzung praktisch ausgeschlossen,
was für eine Anlage, die über Wochen und Monate hindurch ständig laufen muß, außerordentlich
wichtig ist. Auch die Genauigkeit der Anzeige wird erhöht, da in der Trennfuge ein
Impuls nicht verlorengehen kann. Vielmehr sucht sich der Funke stets eine der beiden
Elektroden, und zwar die näher gelegene aus.
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Eine andere Einrichtung, welche ebenfalls imstande ist, die Abweichung
des Eichimpulses von seiner Soll-Phasenlage fortlaufend zu messen und aus diesen
Messungen einen Mittelwert zu bilden, besteht gemäß der weiteren Erfindung darin,
den Eichimpuls mit einer periodischen Spannung zu überlagern, die wenigstens im
zeitlichen Streubereich der Eichimpulse einen ansteigenden Verlauf hat. Abweichungen
der Phasenlage des Eichimpulses treten dann als Amplitudenänderungen des Eichimpulses
in Erscheinung. Diese Impulse veränderlicher Amplitude können dann zur Aufladung
eines Kondensators benutzt werden, dessen Spannung alsdann ein Maß für die mittlere
Phasenlage des Eichimpulses ist.
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Eine zweite Lösung der gestellten Aufgabe besteht somit erfindungsgemäß
in einer eichbaren, akustischen Echoloteinrichtung mit einem von einem Motor angetriebenen,
dauernd umlaufenden anzeigenden oder schreibenden Organ und einem Reflektor bekannter
Entfernung, der zur Eichung des Gerätes dient, und zeichnet sich dadurch aus, daß
der von der Eichstrecke kommende Echoimpuls mit einer von einem zusammen mit dem
Anzeige- oder Registrierorgan umlaufenden Arm erzeugten Spannung überlagert wird,
die im zeitlichen Streubereich des Eichimpulses einen ansteigenden Verlauf hat,
und daß der aus dieser Überlagerung hervorgehende Impuls einem Kondensator zugeführt
wird, dessen Spannung in einen Strom zum Zwecke der Nachregelung der Drehzahl des
Antriebsmotors umgewandelt wird. Diese Umwandlung kann dabei über eine Röhre erfolgen,
deren Anodenstrom als Zusatzerregung für den Mo-
tor oder zur Erregung einer Wirbelstrombremse
dient.
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Ein Ausführungsbeispiel für eine derartige Anordnung ist in A b b.
3 dargestellt.
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In dieser Abbildung ist E1 der Empfänger für die Nutzlotung, der
beispielsweise ebenso wie bei der Anordnung nach A b b. 2 einen Hochspannungshnpuls
liefert. Dieser wird der Anzeigeeinrichtung 59/60 zugeführt und erzeugt hier einen
Funkenüberschlag zwischen den umlaufenden Arm 60 und einer festen Ringelektrode59,
welche die Pegelskala trägt. Die Stelle, an welcher der Funke überschlägt, zeigt
die Höhe des Pegels an. Auf der gleichen Achse, jedoch isoliert von dem umlaufenden
Arm 60, sitzt ein zweiter Arm 61, der als Schleifkontakt ausgebildet ist und bei
Nulldurchgang gleichzeitig die Sender für die Nutz- und Eichlotung auslösen möge,
was durch den Kontakt 62 angedeutet ist. Auf einem Teil der Bahn dieses Schleifers
61 befindet sich eine Widerstandsbahn 63, die einen Winkel einnimmt, welcher etwa
dem zeitlichen Streubereich entspricht, in dem der Eichimpuls einfällt. Der Widerstand
63 ist als Kathodenwiderstand der Röhre 64 geschaltet und über den Widerstand 65
derart fremdstrombelastet, daß die Röhre bis zum unteren Knick vorgespannt ist und
praktisch keinen Strom führt. Der Schleifer 61 stellt nun den Abgriff an diesem
Kathodenwiderstand dar und ist mit dem Gitter der Röhre verbunden. Das Potential
des Schleifers hat also einen Verlauf, welcher etwa der A b b. 4 entspricht, d.
h., die Spannung zwischen Gitter und Kathode steigt während des Überfahrens der
Schleifbahn von der Sperrspannung bis auf den Wert Null an. Trotzdem fließt in der
Röhre 64 nur Strom, wenn vom Empfänger E2, also von der Eichstrecke, ein Impuls
über den Transformator 66 ankommt, der die Anodenspannung für die Röhre 64 liefert.
Der alsdann entstehende Impuls ist in seiner Amplitude von der augenblicklich herrschenden
Gitterspannung, d. h. von der Stellung des Schleifers 61, abhängig. Der Spannungsabfall,
den dieser Impuls an der Drossel 67 erzeugt, wird zur Ladung eines Kondensators
68 über den Gleichrichter 69 verwendet. Dieser Kondensator hat zusammen mit dem
Gitterableitwiderstand 70 eine große Zeitkonstante, so daß er praktisch eine Gleichspannung
führt, die über die Röhre 72 in einen Gleichstrom umgewandelt wird, der durch die
Spule 71 fließt. Diese Spule beeinflußt nun die Drehzahl des die Arme 60 und 61
antreibenden Motors, indem sie z. B. eine Zusatzerregung für dessen Feld liefert
oder die Wicklung eines Bremsmagneten speist, der den Motor mit Hilfe einer Wirbelstrombremse
abbremst.