DE4106040A1 - Verfahren und vorrichtung zum bestimmen der geschwindigkeit und des treffpunktes von geschossen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vor­ richtung zum Bestimmen der Geschwindigkeit und des Treffpunktes von Geschossen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Für Sportschützen ist für die Überprüfung ihrer Leistung, d. h. ihrer Treffgenauigkeit die Kenntnis der Geschwindigkeit der abgefeuerten Geschosse von außerordentlicher Bedeutung. Die in den Gewehren verwendete Munition hat einen wesentlichen Einfluß auf die Treffgenauigkeit, wobei wiederum die Mündungsgeschwindigkeit des Geschosses Rück­ schlüsse auf die Qualität der Munition zuläßt. Da die Sportschützen in starkem Maße ihre Munition selbst herstellen, kann mit Hilfe der Kenntnis der Geschwindigkeit der Arbeitspunkt für die jeweilige Munition des jeweiligen Gewehres eingestellt werden, wobei der Lauf eine Schwingungskonstanz aufweisen sollte.

Da die Geschwindigkeit abhängt von der Qualität der Munition ist, ist es auf dem Schießstand möglich, festzustellen, ob ein Fehlschuß auf eine schlechte Munition oder andere Einflußgrößen, wie die Wetterabhängigkeit der Munition, oder auf mangelnde Leistungsfähigkeit des Schützen zurückzuführen ist. Dazu muß aber die Geschwindig­ keit des Geschosses direkt auf den Schießstand gemessen werden können. Nach dem Stand der Technik ist eine optische Messung bekannt, bei der das Geschoß durch ein Fenster geschossen werden muß und an zwei mit Abstand zueinander angeordneten Sensoren angeordnet, die das vorbeifliegende Geschoß erfassen und Signale abgeben, wobei aus dem Abstand der Signale Rückschlüsse auf die Ge­ schwindigkeit möglich sind. Dieses bekannte Ver­ fahren hat einmal den Nachteil, daß für die Geschwindigkeitsmessung ein gesonderter Schuß abgegeben werden muß, d. h. es kann nicht jeder Schuß während des Wettkampfs oder während des Trainings bewertet werden. Das bedeutet, daß eine Leistungsüberprüfung, d. h. die Überprüfung der Treffgenauigkeit der Schützen nur bedingt möglich ist, da ein Ausreißer in einer Munitionscharge nicht erfaßt werden kann. Außerdem wird durch die gesonderten Schüsse für die Geschwindigkeitsmessung der Munitionsbedarf erhöht, wodurch sich die Kosten für diesen Sport erhöhen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bestimmen der Geschwindigkeit von Geschossen zu schaffen, mit denen die Geschwindigkeit einfach und ohne großen Aufwand mit guter Genauigkeit bei jedem Schuß bestimmt werden kann und keine Meßschüsse notwendig sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Verfahrensanspruchs und des nebengeordneten Vorrichtungsanspruchs gelöst.

Dadurch, daß der Druck der Kopfwelle als Meßgröße gewählt wird, können mittels mindestens zweier Drucksensoren, die in festem Abstand zueinander liegen, definierte Druckimpulse erzeugt werden, deren zeitlicher Abstand bei Berücksichtigung des Abstandes der Sensoren ein Maß für die Geschwindigkeit ist. Es lassen sich Messungen auch bei relativ großer Entfernung vom Objekt durchführen, da die Kopfwelle aufgrund ihrer Druckschwankung sehr energisch ist. Die sehr genauen Messungen können während eines Schuß­ wettbewerbs oder während des Trainings durchge­ führt werden, ohne daß extra Schüsse nur für die Messung abgegeben werden müssen.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maß­ nahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich. Durch Vorsehen von Seiten­ sensoren kann ein Überschußbereich definiert werden und Störungen von anderen neben der Schießstrecke liegenden Druckquellen vermieden werden.

Weiterhin ist es mit Hilfe der Erfindung möglich, Einschußorte, zum Beispiel auf einer Schießscheibe zu bestimmen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 die schematische Darstellung einer Kopfwelle,

Fig. 2 die Anordnung der Drucksensoren in der Meßebene,

Fig. 3 die schaltungsgemäße Ausgestaltung der Vorrichtung gemäß der Erfindung,

Fig. 4 eine schematische Ansicht auf die er­ findungsgemäße Anordnung zum Bestimmen des Treffpunktes auf einer Zielscheibe, und

Fig. 5 eine Aufsicht gemäß Fig. 4.

Wenn sich ein Körper durch ein ruhendes Gasmedium bewegt, ist für das Verhalten der Strömung das Verhältnis der Relativgeschwindigkeit zwischen Körper und Medium zur Schallgeschwindigkeit desselben entscheidend. Ist diese Relativgeschwindigkeit größer oder gleich der Schallgeschwindigkeit, so tritt durch die Gasdynamik vom Staupunkt des Körpers her eine Verdichtungsstoßwelle auf, daß sich die zu den ver­ schiedenen Zeiten abgestrahlten Wellen zu einer resultierenden Welle mit kegelförmiger Wellenfront überlagern. Je nach Relativgeschwindigkeit wird ein mehr oder weniger spitzer Kegel ausgeformt. Bei überschall­ schnellen Körpern wird dieser kegelförmige Druckgradient auch Kopfwelle genannt. Eine derartige Kopfwelle ist in Fig. 1 zu zwei verschiedenen Zeitpunkten dargestellt. Ein Körper 1 fliegt mit einer Geschwindigkeit v, die größer oder gleich der Schallgeschwindigkeit ist, entsprechend der Flugbahn 2. Dabei entsteht die oben beschriebene Kopfwelle 3, die sehr energisch ist. In der Meßebene 5, beispielsweise am Boden einer Schießanlage, sind zwei Drucksensoren 6, 7 angeordnet, die parallel zur Flugbahn liegen und einen definierten Abstand zueinander aufweisen. Die Kopfwelle 4 nach Fig. 1 trifft zum Zeitpunkt t = 0 auf den Drucksensor 6 auf, der ein Impulssignal abgibt. Ent­ sprechend trifft die Kopfwelle 3 des Körpers 1, der weitergeflogen ist, zur Zeit t₁ auf den Drucksensor 7 auf und löst dort ebenfalls ein Impulssignal aus.

Wenn die Kopfwelle 3, 4 auf die Meßebene 5 trifft, wird sie reflektiert und aus der kegelförmigen Kopfwelle wird eine hyperbelförmige Störungslinie 11, wie in Fig. 2 gezeigt, die ebenfalls mit der Geschwindigkeit v in Richtung der Flugbahn, aber verzögert zum Geschoß fortschreitet. Diese hyperbelförmigen Drucklinien 11 werden durch die Drucksensoren 6, 7 erfaßt. Hierbei gibt die zeitliche Abfolge und die Höhe der Signale eine Aussage darüber, ob es sich um Störsignale oder Meßsignale handelt, so daß eine entsprechende Auswerteschaltung mit Logikkreisen, mit der die Druck­ sensoren verbunden sind, eine exakte Auswertung der Meßsignale gestattet.

In der Praxis sind häufig mehrere Schießstände nebeneinander angeordnet. Damit die in den neben der Meßstrecke liegenden Schießständen abgegebenen Schüsse nicht zu Fehlmessungen führen, sind sogenannte Seitensensoren 12, 13 (Fig. 2) vor­ gesehen, die jeweils seitlich von den Sensoren 6, 7, beispielsweise jeweils 0,5 m von dem Sensor 6 entfernt liegen, wobei sie in diesem Fall eine 1 m breite Schießstrecke definieren. Die Druck­ wellen der in den nebenliegenden Schießständen abgefeuerten Schüsse treffen zuerst auf die Seitensensoren 12, 13 und werden mit einer Laufzeitverzögerung von dem Sensor 6 bzw. 7 erfaßt. Bei dem oben angegebenen Abstand beträgt die Laufzeit zwischen dem Seitensensor 12 bzw. 13 und dem Sensor 6 1,5 ms. Alle Sensoren 6, 7, 12, 13 sind mit einer Auswerteschaltung verbunden, die Zeitschalttore umfassen, durch die die Laufzeit­ unterschiede erfaßt werden können.

Vorzugsweise sind die Sensoren 6, 7 parallel zur Schußachse angeordnet, da bei schräger Anordnung eine gewisse Winkelversetzung auftritt. Allerdings ist der relative Fehler außerordentlich gering, so daß kleine Winkelabweichungen keine Rolle spielen. Die Seitensensoren 12, 13 liegen im Aus­ führungsbeispiel auf einer Linie mit dem Sensor 6. Auch hier sind andere Anordnungen möglich, wobei die Auswerteschaltung entsprechend angepaßt ist.

Die Sensoren 6, 7, 12, 13 sind als Drucksensoren ausgebildet, wobei unterschiedliche Arten von Druckerfassung anwendbar sind, zum Beispiel mechanische Erfassung, trägheitslose Druckmessung oder dergleichen über Membranen, Lichtstrahlen, piezokeramische Elemente und so weiter. Als ein­ fache und kostengünstige Lösung bieten sich Mikrophone an.

In Fig. 3 ist eine Auswerteschaltung 8 für die Signale der Sensoren 6, 7 und der Seitensensoren 12, 13 dargestellt. Dabei sind die Sensoren 6, 7, 12, 13 jeweils über Verstärker 9 und Impuls­ formerstufen 10 (Schmitt-Trigger) mit jeweils mit den Setzeingängen von vier Flip-Flops 14, 15, 16, 17 verbunden. Die Ausgänge der Flip-Flops 16, 17 gehen über ein ODER-Gatter 11 an den Triggereingang eines ein Zeittor bildenden, d. h. die Laufzeit zwischen den Seitensensoren 12, 13 und dem Sensor 6 erfassenden Zählers 18, während der Ausgang des Flip-Flops 14 des Sensors 6 an den Stop-Eingang des Zählers 18 und an den Triggereingang eines weiteren Zählers 19, der die Zeit zwischen dem Auftreten der Signale von den Sensoren 6 und 7 erfaßt geht. Der Ausgang des Flip-Flops 15 des Sensors 7 steht mit dem Stop-Eingang des Zählers 19 in Verbindung. Der Ausgang des Zählers 19 ist an ein ODER-Gatter 20 angeschlossen, an dessen anderem Eingang ein Rücksetzschalter 21 liegt und dessen Ausgang mit den Rücksetzeingängen der Flip-Flops 14 bis 17 und der Zähler 18, 19 verbunden ist, wobei bei dem Flip-Flop 15 des Sensors 7 ein ODER-Gatter zwischengeschaltet ist, dessen zweiter Eingang über einen Inverter 23 mit dem Ausgang des Flip-Flops 14 des Sensors 6 in Verbindung steht.

Der Ausgang des Zählers 19 geht auf einen Mikro­ computer 24 mit Anzeige 25.

Die Funktionsweise der Auswerteschaltung 8 wird im folgenden beschrieben.

Wenn ein Schuß innerhalb der Schießstrecke von im Ausführungsbeispiel angegebenen 1 m Breite abgegeben wird, können zwei Fälle auftreten, nämlich der, daß die Kopfwelle zuerst auf einen der Seitensensoren 12, 13 und dann erst auf den Sensor 6 und umgedreht trifft. Im ersten Fall wird das Flip-Flop 16 oder 17 gesetzt und über das ODER-Gatter wird der Trigger­ eingang aktiviert und der Zähler 18 beginnt zu zählen. Nach kurzer Zeit wird das Flip-Flop 14 des Sensors 6 gesetzt, sein Ausgangssignal läßt den Zähler 19 anfangen zu zählen, setzt das Flip- Flop 15 des Sensors 7 zurück und stoppt den Zähl­ vorgang des Zählers 18, der einen der Laufzeit τ_max (z. B. 1,5 ms) der Kopfwelle zwischen Seiten­ sensor 12 oder 13 und Sensor 6 entsprechenden Zählerstand gespeichert hat. Da die Zählung des Zählers 18 nicht den maximalen Zählerstand (maximale Laufzeit) erreicht, zählt der Zähler solange weiter, bis die Kopfwelle des Geschosses den Sensor 7 erreicht, das Flip-Flop 15 gesetzt und der Zähler 19 gestoppt wird. Der Zählerstand wird in dem Mikro­ computer 24 unter Berücksichtigung der geometrischen Anordnung der Sensoren in eine Geschwindigkeit umgerechnet, die gegebenenfalls angezeigt wird. Es kann auch in einen nichtdargestellten Speicher gespeichert werden, wobei dann später umgerechnet werden kann.

Im Falle, daß die Kopfwelle zuerst auf den Sensor 6 trifft, wird eine Zählung des Zählers 18 sofort gesperrt und der Zähler 19 zählt hoch.

Wenn eine Kopfwelle von einem Schuß des benach­ barten Schießstandes herrührt, wird zuerst das Flip-Flop 16 oder 17 gesetzt und der Zähler 18 zählt zumindest bis zum maximalen Zählerstand, so daß ein Ausgangssignal erscheint, das über das ODER-Gatter 18 alle Flip-Flops 14 bis 17 und Zähler 18, 19 rücksetzt, so daß diese Kopfwelle nicht bewertet wird.

Selbstverständlich können zusätzliche oder andere Peripheriegeräte zur Auswertung vorgesehen werden, und es kann ein externer Rechner angeschaltet werden.

Analog zu dem oben beschriebenen Verfahren kann auch eine Ortsbestimmung, beispielsweise der Ort des Einschlages auf einer Zielscheibe 30, wie in Fig. 4 gezeigt, vorgenommen werden. Dazu wird mit Abstand von der Zielscheibe 30 ein Rahmen 31 ange­ ordnet, an dem mindestens drei vorzugsweise mehr im Ausführungsbeispiel vier Drucksensoren be­ festigt sind. Nachdem das Geschoß auf der Schußachse 36 durch den Rahmen 31 hindurchgeflogen sind, löst die Kopfwelle an dem dem Durchflugsort durch den Rahmen, der dem Treffpunkt x auf der Zielscheibe 30 entspricht, nächstliegenden Drucksensor 34 und anschließend an den weiter entfernt liegenden 35, 33, 32 jeweils ein Signal aus. Die Laufzeiten t₁-t₄ der Kegelfront der Kopfwelle zu den Sensoren 32, 33, 34, 35 werden in ähnlicher Weise wie in der Auswerte­ schaltung nach Fig. 3 erfaßt und die Laufzeitunter­ schiede ermöglichen eine genaue Bestimmung des Durch­ flugortes durch den Rahmen 31 und damit des Treff­ punktes x auf der Zielscheibe 30, wobei selbstver­ ständlich eine feste geometrische Zuordnung zwischen Rahmen 31 und Zielscheibe 30 vorhanden sein muß.

Der Gedanke der Erfindung liegt darin, daß von einer Mehrzahl von Sensoren in fester Zuordnung zueinander der von der Kopfwelle des Geschosses hervorgerufene Druck erfaßt wird und daß aus der zeitlichen Abfolge der Drucksignale der Sensoren und ihrer geometrischen Zuordnung zueinander sowohl die Geschwindigkeit als auch der Ort des fliegenden Geschosses in bezug auf die geometrische Anordnung der Sensoren bestimmt wird.

Claims (10)

1. Verfahren zum Bestimmen der Geschwindigkeit von mindestens mit Schallgeschwindigkeit fliegenden Körpern, insbesondere von Geschossen, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der Kopfwelle des fliegenden Körpers an mindestens zwei in Flugbahn­ richtung mit definiertem Abstand zueinander angeordneten Stellen gemessen wird und daß der zeitliche Abstand zwischen den jeweiligen Druckänderungen ein Maß für die Geschwindig­ keit des Körpers ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Unterdrückung von Fremd­ druckwellen seitlich zu den Sensoren mindestens ein Seitensensor angeordnet wird und daß die Laufzeit zwischen dem mindestens einen Seiten­ sensor und einem der Sensoren erfaßt wird und daß bei Überschreiten der dem Abstand des Seitensensors zu dem einen Sensor ent­ sprechenden Laufzeit keine Auswertung vor­ genommen wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß versetzt zur Flugbahn des Körpers mindestens zwei mit definiertem Abstand zueinander, eine Meßstrecke bildende Drucksensoren (6, 7) angeordnet sind, die mit einer Auswerteschaltung (8) verbunden sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß seitlich neben der durch die zwei Drucksensoren (6, 7) gebildete Meß­ strecke mindestens ein den Druck erfassender Seitensensor (12, 13) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Drucksensoren parallel zur Schußachse angeordnet sind und daß zwei Seitensensoren (12, 13) vorgesehen sind, die senkrecht zur Schußachse in gleicher Höhe zu dem in Schußrichtung gesehenen ersten Drucksensor (6) liegen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (8) eine Zeitschaltung (14, 15, 19) aufweist, die die Zeit zwischen den von der Kopfwelle des Geschosses ausgelösten Signale der mindestens zwei Drucksensoren (6, 7) bestimmt und daß weiterhin eine Rechnerschaltung (24) vorgesehen ist, die die Geschwindigkeit aus der von der Zeitschaltung (14, 15, 19) be­ stimmten Zeit und der Länge der Meßstrecke berechnet.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (8) eine mit dem mindestens einem Seitensensor (12, 13) und mindestens einem der Drucksensoren (6, 7) verbundene Zeittorschaltung (14-18) aufweist, wobei die Zeittorschaltung die dem Abstand des Seitensensors (12, 13) zu dem einen Drucksensor (6) entsprechende Laufzeit der Druckwelle vorgibt, wobei die Zeittorschaltung nach Oberschreiten der Laufzeit ein Ausgangs­ signal zum Sperren der Auswertung der Ge­ schwindigkeit abgibt.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucksensoren (6, 7) und Seitensensoren (12, 13) als Mikrophone ausgebildet sind.

9. Verfahren zur Bestimmung des Ortes eines mindestens mit Schallgeschwindigkeit durch einen Rahmen liegenden Körpers, insbesondere von Geschossen, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck der Kopfwelle des fliegenden Körpers an mindestens drei in definiertem Abstand zueinander am Rahmen vorgesehenen Stellen gemessen wird und daß der zeitliche Abstand zwischen den jeweiligen Druckänderungen unter Berücksichtigung der Lage der Stellen ein Maß für den Ort ist, an dem der Körper den Rahmen durchquert.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein im wesentlichen senkrecht zur Schuß­ achse angeordneter Rahmen vorgesehen ist, an dem an unterschiedlichen Stellen mindestens drei Drucksensoren angebracht sind und daß eine Auswerteschaltung mit den Sensoren verbun­ den ist, die zeitliche Abfolge der durch die Kopfwelle hervorgerufenen Signale erfaßt und aus den Laufzeitunterschieden zwischen den Signalen den geometrischen Ort des durch den Rahmen fliegenden Körpers berechnet.