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Verfahren und Anordnung zur Entfernungsmessung zwischen zwei Punkten
nach dem Rückstrahlprinzip Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine
Anordnung zur Entfernungsmessung zwischen zwei Punkten, wobei das Verfahren und
die Anordnung auf der Messung der zwischen der Emission eines an dem einen Punkt
ausgesandten, kurz dauernden Wellenzuges geeigneter Energieart, insbesondere Schallenergie,
und dem Empfang des an dem zweiten Punkt reflektierten Wellenzuges verstrichenen
Zeit beruhen und wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: 1. Erzeugung
eines Potentials geeigneter Größe, das in dem Augenblick ausgelöst wird, in dem
der Wellenzug emittiert wird, 2. Beaufschlagung eines Kondensators mit diesem Potential,
3. Entladung des Kondensators durch ein elektrisches Meßinstrument, das direkt in
Längeneinheiten geeicht ist.
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Dieses Verfahren und diese Anordnung nutzen die Änderung der Stärke
der Ladung eines elektrischen Kondensators aus, um dadurch ein Meßinstrument, das
direkt in Abstandseinheiten geeicht ist, zur Anzeige zu bringen.
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Es gehört zum Stand der Technik, Abstandsmessungen dadurch auszuführen,
daß die Änderungen der Ladung eines Kondensators die Anzeigen eines Meßinstrumentes
beeinflussen.
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Bei einer bekannten Einrichtung wird der Kondensator durch ein hohes
Potential bestimmter Polarität aufgeladen; dies wird zu eben dem Zeitpunkt zur Verfügung
gestellt, in dem der Funke erzeugt wird, durch den das Meßinstrument entladen wird
in dem Augenblick, in dem ein Echo durch den Empfänger der Abstandsmeßeinrichtung
aufgenommen wird. Da bei dieser Einrichtung die Schallimpulse in großer zeitlicher
Dichte einander folgen, wird der Kondensator mit einer Häufigkeit abwechselnd geladen
und entladen, die bedingt ist durch die Abstände, die das Echo zurückzulegen hat.
Das Meßinstrument mißt also Frequenzen.
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Arbeitet eine solche Einrichtung mit hochfrequenten Radio signalen,
so erscheint die Verwendung eines Kondensators, der fortgesetzt und sehr häufig
auf- und entladen wird, als bedenklich. Es besteht die Gefahr, daß, verursacht durch
die Ansprechzeit des Kondensators selbst, Ladung und Entladung mit Verzögerungen
erfolgen. Dadurch können geringe Unterschiede in den Laufzeiten der Echos unbemerkt
bleiben, wodurch Fehlresultate bei der Distanzmessung verursacht werden können.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird das Ziel verfolgt, solche Mängel
zu beseitigen.
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Dies wird durch ein Verfahren erreicht, welches erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet ist, daß das gemäß dem Verfahrensschritt 1 erzeugte Potential so
erzeugt wird, daß es sich gleichmäßig mit der Zeit ändert, und daß der Kondensator
mit einem Potential beaufschlagt wird, das gleich groß ist dem Potential, das zu
dem Zeitpunkt herrscht, in dem der reflektierte Wellenzug empfangen wird.
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Dies wird auch durch eine Anordnung mit einem Sender, einem am Ort
des Senders befindlichen Empfänger zum Empfang der reflektierten Energie und einem
Meßkondensator erreicht, welche erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß
die Anordnung mit einer Kippschaltung ausgestattet ist, die das sich gleichmäßig
mit der Zeit ändernde Potential erzeugt, sowie mit einer ein elektrisches Tor bildenden
Schaltung, die den Meßkondensator mit der Kippschaltung in demjenigen Augenblick
verbindet, in dem der reflektierte Wellenzug vom Empfänger aufgenommen wird.
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Das Verfahren und die Anordnung werden im folgenden an Hand von zwei
Figuren näher erläutert.
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Es zeigt F i g. 1 ein teilweise als Blockschaltbild ausgeführtes Schaltdiagramm,
das alle für die Durchführung des Verfahrens erforderlichen Teile enthält, F i g.
2 eine Darstellung der an den verschiedenen Stellen der Schaltung auftretenden Signale.
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Ein Impulsgenerator 118 erzeugt einen positiv gerichteten Impuls
120 von etwa 2 Millisekunden
Dauer. Dieser Impuls wird einem Differentiationskreis
122 zugeführt. Am Ausgang desselben erscheint ein Signal 124, das dem differenzierten
Eingangssignal gleich ist und infolgedessen sowohl eine positive als auch eine negative
Spannungsspitze aufweist. Der negative Teil des Ausgangssignals 124 wird dem Eingang
eines astabilen Multivibrators 2 zugeführt.
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Der Multivibrator 2 gibt dadurch einen 100-Millisekunden-Impuls 3
ab. Dieser Impuls 3 erzeugt in einem geeigneten Schallstoßgenerator einen Schallstoß.
Dieser Schallstoß ist es, mit dem die Distanzmessung durchgeführt wird.
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Der 100-Millisekunden-Impuls 3 wird außerdem einer Kippschaltung
76 zugeführt. Diese Kippschaltung enthält eine Teilschaltung, die eine linear ansteigende
Sägezahnspannung erzeugt, die durch die Rückflanke des positiven Impulses 3 ausgelöst
wird.
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Die Kippschaltung 76 enthält eine Elektronenröhre 77. Diese dient
dazu, einen Kondensator 79 während der Dauer des Impulses 3 zu entladen, in der
die Elektronenröhre 77 leitend ist. Der Kondensator 79 wird dann allmählich aufgeladen
und erzeugt dabei, wie in F i g. 2 D dargestellt, eine Kippspannung 78.
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Diese Kippspannung wird an eine ein elektrisches Tor bildende Schaltung
80 angelegt. Ferner werden Impulse, die von dem Impuls 74 abgeleitet sind, an die
ein Tor bildende Schaltung 80 über eine Impulsbildungsschaltung 90 unmittelbar und
über die Impulsbildungsschaltung 90 sowie eine Signalumkehrschaltung 81 angelegt.
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Nach Empfang eines Echosignals verstärkt eine Elektronenröhre dieses
und führt es zu dem Gitter eines Thyratrons 72 einer Schwellenwertschaltung 70.
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Das Thyratron 72 ist durch Empfang eines positiven Signals auf seinem
Gitter für einen Augenblick leitfähig gemacht. Es entsteht ein negativer Impuls
74 an seiner Anode. Der Impuls 74 zeigt den Empfang des Signals an.
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Der Verstärkungsgrad des Verstärkers, der auf das Echosignal hin
wirksam wird, ist abhängig von der Zeit. Hierdurch sollen Änderungen in der Intensität
des Echos kompensiert werden. Um diese Kompensationen zu erzielen, ist die Verstärkung
des Verstärkers unmittelbar nach Absendung des Schallstoßes relativ niedrig; dann
nimmt sie aber mit der Zeit zu, um eine höhere Verstärkung zu haben, je schwächer
die Signale sind, die eintreffen.
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Die Impulsbildungsschaltung 90 erzeugt einen ins Negative gehenden
rechteckigen Impuls 91 von ungefähr 1 Millisekunde Dauer, wie in F i g. 2 C dargestellt.
Die ein Tor bildende Schaltung 80 ist von der Type, bei welcher in dem Augenblick,
in welchem die Impulse von der Impulsbildungsschaltung 90 und der Umkehrschaltung
81 angelegt werden, das Spannungsniveau, das fortlaufend an dem Kondensator 79 auftritt,
durchgelassen wird, um einen Meßkondensator 100 auf die gleiche Spannungshöhe einzustellen.
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Die ein Tor bildende Schaltung 80 enthält die Dioden 82, 84, 86 und
88. Diese Dioden sind normalerweise durch den Ausgang der Impulsbildungsschaltung
und das Ausgangssignal der Signalumkehrschaltung 81 so vorgespannt, daß die Anoden
in bezug zu den Kathoden negativ werden. Beim Auftreten des Impulses 74 von der
Schwellenschaltung 70 werden die Kathoden der Dioden 86 und 88 im Hinblick auf die
Anoden durch die
Impulse 91 negativ, und die Anoden der Dioden 82 und 84 werden durch
die umgekehrten Impulse der Signalumkehrschaltung 81 positiv. Das Auftreten des
Impulses 74 bewirkt daher, daß die Anode jeder Diode 82, 84, 86 und 88 in bezug
zu ihrer Kathode positiv wird, so daß alle Dioden leitend gemacht werden. Wenn die
Spannung an dem Kondensator 79 positiver als die Ladung an dem kleineren Meßkondensator
100 ist, bewirkt eine derartige Spannung einen Strom durch die Dioden 82 und 84
zur Ladung des Meßkondensators 100. In dem Fall, in dem die Spannung an dem Kondensator
79 weniger positiv als die Spannung an dem Meßkondensator 100 ist, verläuft der
Strompfad durch die Dioden 88 und 86.
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In jedem Fall wird die Spannung, die in dem Kondensator 79 aufgebaut
ist, als Maßgröße genommen und in dem Meßkondensator 100 gespeichert.
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Der Ausgang aus der Torschaltung80 ist somit Maßwertimpuls der Kippspannung,
dessen Größe für die Zeit bezeichnend ist, die seit der Aussendung des Schallstoßes
verstrichen ist. Die Kurvenform der Kippspannung 78 ist in F i g. 2 D gezeigt. Die
Kurvenform des als Maßgröße genommenen Signals, das durch die ein Tor bildende Schaltung
80 hindurchgeht, ist in Fig.2E dargestellt. Zu der Zeit, in welcher die ein Tor
bildende Schaltung 80 leitet, wird der Meßkondensator 100 auf den Spitzenwert des
als Maßwert genommenen Signals aufgeladen. Der Meßkondensator 100 ist mit keinem
Entladungspfad außer durch die Torschaltung versehen, und daher wird die an ihm
während des Durchlaßintervalls angelegte Spannung aufrechterhalten und an das Gitter
der Vakuumröhre 102 angelegt. Die Vakuumröhre 102 ist als kathodenangekoppelte Röhre
geschaltet, und die an ihr Gitter angelegte Spannung wird an ihrer Kathode proportional
erhalten. Der Kathodenspannung von der mit der Kathode angeschalteten Röhre 102
wird dann ein elektrisches Meßgerät 104 angelegt, welches so eine Spannung mißt
und geeicht ist, um beispielsweise die Höhe anzuzeigen.
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Zusammenfassend im Hinblick auf die Angabe der Höhe wird ein ansteigendes
Kippsignal mit der Sendung des Schallstoßes eingeleitet. Die Größe des Kippsignals
wird dann als Maßwert abgenommen, wenn das Echo von dem Schallstoß empfangen wird.
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Auf Grund der Tatsache, daß das Kippsignal mit der Zeit ansteigt,
ist die Größe des Maßwertes eine Funktion der Zeit zwischen der Aussendung des Schallstoßes
und dem Empfang des Echos. Die Größe des Maßwertes wird als eine Ladung auf dem
Meßkondensator 100 gehalten oder gespeichert und mittels der mit der Kathode angeschlossenen
Röhre 102 an das Meßgerät 104 angelegt. So wird die Höhe angezeigt.
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Während bestimmter Zeiträume des Meßvorgangs kann sich das Flugzeug,
das den Höhenmesser trägt, über die Reichweite des Höhenmessers befinden, und keine
Echos werden empfangen. Es ist wünschenswert, daß ein Pilot von dem Eintreten dieses
Zustandes in Kenntnis gesetzt wird. Wenn Echosignale empfangen werden, werden die
Impulse 74 von der Schwellenwertschaltung 70 auftreten. Diese Signale 74 werden
an die Kathode einer Diode 106 angelegt. Bei der Anlegung der ins Negative gehenden
Signale 74 an die Diode 106 wird die Diode 106 leitend und schafft eine Entladungsstrecke
für irgendeine
an dem Kondensator 108 angesammelte Spannung.
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In einer Zeit, in welcher keine Signale 74 auftreten, wird eine Ladung
an den Kondensator 108 über die Widerstände 110 und 112 angesammelt, die mit einer
Quelle positiven Potentials verbunden sind. Die Größen des Kondensators 108 und
der Widerstände 110 und 112 sind so gewählt, daß der Kondensator 108 eine Zeit von
mehreren Sekunden benötigt, um genügend aufgeladen zu werden, um eine Elektronenröhre
114 leitend zu machen. Die Elektronenröhre 114 ist als mit der Kathode angeschlossene
Röhre geschaltet, und ihre Kathode ist mit einem Neonlicht 116 verbunden. Der Beobachter
des Höhenmessers wird somit unterrichtet, daß die Schallenergiestöße, die gesendet
werden, nicht zu dem Höhenmesser reflektiert werden.
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Um Messungen wiederholt in schneller Folge durchführen zu können,
wird unverzüglich nach dem Empfang eines Echos ein Vorgang zur Erzeugung eines anderen
Schallstoßes eingeleitet. Die Art der Einleitung solcher Vorgänge ist folgendermaßen:
Der ins Negative gehende Impuls 74 der Schwellenwertschaltung 70 wird über eine
Leitung 119 an einen Impulsgenerator 118 angelegt. Nach Empfang des ins Negative
gehenden Impulses 74 bildet der Impulsgenerator 118 einen ins Positive gehenden
Impuls 120 von im wesentlichen 2 Millisekunden Dauer (F i g. 2 B). Dieser 2 Millisekunden
dauernde Impuls 124 wird an eine Differenzierschaltung 122 angelegt, um ein differenziertes
Signal 124 mit positiven und negativen Spannungsspitzen zu bilden. Der negative
Teil des differenzierten Signals 124 bewirkt, wenn er an den astabilen Multivibrator
angelegt wird, die Erzeugung eines anderen 100-Millisekunden-Impulses 3 a, der,
wie früher erläutert, die Aussendung eines anderen Schallstoßes veranlaßt, um eine
andere Abstandsmessung durchzuführen. Die Kombination des 2-Millisekunden-Impulsgenerators
118 und Differentiators 122 verzögert die Erzeugung eines neuen 100-Millisekunden-Impulses
3 a um ungefähr 2 Millisekunden und stellt sicher, daß die ansteigende Kippkurve
78 (F i g.2 D) nicht beendet wird, bevor die ein Tor bildende Schaltung 80 wieder
geschlossen ist.
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Sonst würde der Speicherkondensator 100 mit dem Kondensator 79 entladen
werden.
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Der 100-Millisekunden-Impuls 3 a, der durch den astabilen Multivibrator
2 erzeugt worden ist, wird, wie früher erläutert, an die Umkehrschaltung 34 angelegt,
um einen negativ gerichteten 100-Millisekunden-Impuls 38 zu erzeugen. Der ins Negative
gehende 100-Millisekunden-Impuls 38 wird über eine Leitung 123 an das Gitter des
Thyratrons 72 angelegt. Dieser negativ gerichtete Impuls bewirkt, daß das Thyratron
72, kurz nachdem der Echoimpuls empfangen worden ist, für etwa 100 Millisekunden
unwirksam gemacht wird. Der Grund hierfür liegt darin, daß der erste Echoimpuls,
der empfangen wird, von Interesse ist, spätere Echosignale, die empfangen werden
können, wertlos sind und Verwirrung erzeugen würden. Die Anlegung des ins Negative
gehenden 100-Millisekunden-Impulses 38 an das Gitter des Thyratrons 72 dient zur
Verhütung von Echoimpulsen, die nach dem ersten Echo, von dem der Impuls 74 erzeugt
ist, auftreten.
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Es ist daher ersichtlich, daß die Schaltung unmittelbar nach der
Aussendung eines Schallstoßes durch die Wirkung der die mit der Zeit veränderliche
Verstärkung
steuernden Schaltungen unwirksam wird. Der Zeitraum, unmittelbar nachdem ein Echo
empfangen worden ist, wird auch als Empfangszeitraum ausgeschieden, und Echos nach
dem ersten werden infolge der Wirkung des Thyratrons 72 unter dem vorspannenden
Einfluß des in Negative gehenden Impulses 38 nicht wahrgenommen.
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In der Zeit, in welcher keine Echos empfangen werden, erzeugt der
astabile Multivibrator 2 etwa jede Sekunde einen Impuls von 100 Millisekunden Dauer.
Um einen solchen Impuls zu erzeugen, ist kein Auslösesignal 124 erforderlich. Es
ist daher ersichtlich, daß ein Schallstoß automatisch ungefähr jede Sekunde ausgesendet
wird, wenn keine Echos empfangen werden. Wenn ein Echo empfangen wird, wird ein
Schallstoß unverzüglich nach dem Empfang des Echos ausgesendet.