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Verfahren zur Bestimmung der Übertragungszeit elektrischer Schwingungen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren für die Bestimmung des Abstandes
zweier Orte voneinander bzw. der Länge des Übertragungsweges oder der Übertragungszeit
elektrischer Schwingungen zwischen den beiden Orten. Das Wesen der Erfindung besteht
darin, daß von dem einen Ort mit oder ohne Draht elektrische Schwingungen nach dem
anderen Ort gesandt, dort empfangen und zur Steuerung eines Senders benutzt werden,
der diese Schwingungen zum ersten Ort mit oder ohne Draht zurücksendet, daß diese:
Schwingungen dort wiederempfangen werden und der Zeitunterschied zwischen Aussendung
und dem Wiederempfang bestimmt wird. Für die Zeitbestimmung kann z. B. die binaurale
Hörmethode oder eine Interferenzmethode benutzt werden. Ist der Zeitunterschied
gemessen, so läßt sich bei bekannter Fortpflanzungsgeschwindigkeit ohne weiteres
der Abstand bzw. die Länge des Übertragungsweges berechnen. Ist die Fortpflanzungsgeschwindigkeit
nicht bekannt, wohl aber die Lange des Übertragungsweges, so läßt sich aus der gemessenen
Zeit die Fortpflanzungsgeschwindigkeit finden, bei Kabelübertragung also z. B. die
Kabelverzögerung.
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Infolge der großen Fortpflanzungsgeschwindigkeit elektrischer Schwingungen
(3oo ooo km/sek) kommen nur Zeitmeßmethoden in Frage, die kleinste Zeitunterschiede
von der Größenordnung von io--5 Sekunden und kleiner zu messen gestatten. Als solche
sind z. B. die an sich bekannte binaurale Richtungshörmethode und eine später zu
beschreibende Interferemzmethode anwendbar.
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Die Erfindung soll in folgendem an Hand der Abb. i bis 5 näher beschrieben
werden. Abb. i zeigt das Prinzip der Methode bei Benutzung der Kabelübertragung
für Hin-und Rückweg.
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Abb. z zeigt dasselbe für drahtlose Hin-und Rückübertragung.
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Abb.3 ,gibt das Schema der Methode bei Benutzung des Kabelweges für
den Hinweg und der drahtlosen Übertragung für den Rückweg.
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Abb.4 zeigt das Prinzip der Zeitmessung nach der binauralen Hörmethode.
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Abb.5 zeigt das Interferenzverfahren zur Messung der Zeitdifferenz.
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In Abb. i werden von. der Sendestelle r (Telephonamt):elektrische
Schwingungen-(z. B. Sprechströme) durch die Kabelleitung z nach dem Empfänger 3
geleitet. Von dort wirken sie über die Leitung 4 auf den Sender 5 (z. B. Niederfrequenzverstärker)
und werden über die zur Leitung z parallele Leitung 6 ;nach dem Empfänger 7, der
sich in :nächster Nähe der Sendestelle be$ndet, zurückgeleitet. Gleichzeitig werden
die elektrischen Schwingungen von i über die Leitung 8 zum Empfänger 9 geleitet.
Die Länge der Strecken und 8 äst sehr klein gegenüber der Länge der gleichlangen
Leitungen z und 6 und zu vernachlässigen. Es ist klar, daß die von i ausgehenden
Schwingungen in 9 früher eintreffen als in 7. In i treffen sie augenblicklich
ein,
während sie in 7 j e nach der ,L,änge der Leitungen .2 und 6 und der Kabelverzögerungskonstante
mehr oder weniger spät eintreffen. Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit v der Schwingungen
längs der Kabel e. und 6 sei bekannt. Dann läßt sich die Länge 21 derselben berechnen,
wenn man die Zeitdifferenz A t, mit der die Schwingungen in 9 und 7 ankommen, nach
einer der später zu beschreibenden Methoden mißt. Es ist z L= v #
0 t. Ist umgekehrt die Länge L bekannt, so findet man die Fortpflanzungsgeschwindigkeit
v der Schwingungen längs der Kabel zu
In,Abb. 2 ist i o eine drahtlose ;Sendestation, z. B. -ein Rundfunksender, dessen
elektrische Wellen, die den Weg i i nehmen, in einementfernten Ort durch die Empfangsstation
12 aufgenommen werden. Sie steuern über die Leitung 13 den dort befindlichen Sender
14 und werden von diesem auf dem Wege 15 nach der Ursprungsquelle zurückgesandt.
Hier werden sie von der Empfangsstation 16 aufgenommen. Gleichzeitig nimmt eine
dort befindliche Empfangsstation 17 die vom Sender io direkt kommenden Schwingungen
auf. Diese kann auch per Draht mit io verbunden sein. Die Wege 13 und 18 sind gegenüber
-den Strecken i i und 15 zu vernachlässigen. Entsprechend der In. Abb. i ,beschriebenen
Anordnung wird nun der Zeitunterschied gemessen, mit dem die Schwingungen (z. B.
Rundfunkdarbietungen) in 16 und 17 ankommen. Aus dieser Zeitdifferenz 11ßt sich
dann wieder die Länge des Weges i i und 15 - beide seien gleich -, d. h. der Abstand
der beiden Orte, berechnen, wenn man annimmt, daß die Ausbreitung der elektrischen
Wellen auf dem kürzesten geradlinigen Wege -erfolgt. Im allgemeinen wird das nicht
der Fall sein, namentlich wenn beträchtliche Entfernungen in Frage kommen. Häufig
wird der Abstand der beiden Orte festliegen, während über den Weg, den die elektrischen
Wellen nehmen, jeder Anhalt fehlt. In diesem Falle gibt die beschriebene Methode
die Möglichkeit. die Länge des Weges festzustellen, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit
ja bekannt ist (3oo ooo km/sek). Nimmt man an, daß die Wellen erst nach Reflexion
von einer hochgelegenen atmosphärischen Schicht zum anderen Orte gelangen, so läßt
sich aus der Länge des gefundenen Weges die Höhe der reflektierenden Schicht ermitteln.
Andererseits läßt sich nach der Methode bei An:riahme einer Ausbreitung auf .dem
kürzesten (bekannten) Wege zwischen den beiden Orten eine Nachprüfung der Zahl für
die Fortpflanzungsgeschwindigkeit machen.
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In Abb.3 ist i9 eine Sendestelle, von der über das Kabel 2o elektrische
Schwingungen (Sprechströme) nach der Empfangsstelle z i geleitet werden. Von dort
werden diese über die Leitung 22 nach dem drahtlosen Sender 23 geführt und dienen
zur Steuerung desselben. Auf dem Wege 24 gelangen; die Schwingungen zu der am ersten
Ort befindlichen Empfangsstation 25 zurück. Über die Leitung 2 6 werden die
von i 9 ausgesandten Sprechströme direkt auf eine zweite Empfangsstelle 27 übertragen.
Die Zeit, die die flbertragung auf den Leitungen 22 und 26 erfordert, ist zu vernachlässigen..
Durch Messung des Zeitunterschiedes, mit dem dieselben Sprechströme in 26 und 27
empfangen werden, findet man, wenn de Fortpflanzungsgeschwindigkeiten auf den Wegen
2o und 24 bekannt sind, die Weglängen.2o und, 24, d. h. den Abstand der beiden Orte.
Ist der Abstand bekannt und z. B. nur die Fortpflan-i zungsgeschwindigkeit auf dem
drahtlosen Wege 24, so läßt sich aus der gemessenen Zeitdifferenz die Geschwindigkeit
längs des Kabels 2o finden. Ist keine Fortpflanzungsgeschwindigkeit und keine Weglänge
bekannt, so muß noch eine zweite Messung ausgeführt werden. Zu diesem Zweck werden
van der Station 28 gleichzeitig elektrische Schwingungen über das Kabel 20 nach
der Station 27 und über den drahtlosen Sender 23 auf dem Wege 24 nach der Empfangsstation
25 gesandt. In diesem Falle ergibt die Zeitmessung den Differenzbetrag der Drahtübertragung
und der drahtlosem. Übertragung, während die vorhergehende Messung die Summe der
Zeiten für diese übertragungen ergab. Aus beiden Messungen zusammen findet man also
sowohl die für die Drahtübertragung wie die für die drahtlose Übertragung benötigte
Zeit und kann daraus die interessierenden Größen ermitteln. Messungen nach dieser
Methode unter Benutzung der binauralen Hörmethode wurden vermittels zweier Rundfunksender,
die .einen Abstand von ioo km haben und bei denen bald die Besprechung vom einen,.
bald vom anderen Ort aus über eine Kabelleitung erfolgte, gemacht und ergaben die
praktische Brauchbarkeit der Methode, da sowohl der Abstand der Orte als auch die
Kabelverzögerung mit genügender Genauigkeit gemessen werden konnten.
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Es sollen nun noch die Zeitmeßmethoden beschrieben werden.
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In Abb. 4 seien 29 und 3o die beiden Empfangsgeräte,die die auf den
beiden getrennten Wegen vom Sender kommenden Schwingungen in den oben beschriebenen
Verfahren aufnehmen. Sie sind mit zwei Telephonhörern 31 und 32 verbunden, die über
;,i ihrer Länge veränderliche Schlauch- oder Rohrleitungen 33 und 34 zu dem linken
und
rechten Ohr 35 bzw. 36 eines Beobachter führen. Kommen die Schwingungen
früher bei 29 an als bei 30 und sind die Leitungen 33 und 34 genau gleich
lang, so kommen sie auch früher am linken Ohr 3 5 an., und der Be obachter hat Linkseindruck,
d. h. er empfin det die Schallquelle links seitwärts. Durch Einführung einer Verzögerung
im linken Rohr durch Verlängerung desselben, z. B. mittels einer posaunenartigen
Vorrichtung, kLcnn ;@ aber den Zeitunterschied im Ankommen der Schwingungen am linken
und rechten Ohr ausgleichen. Vollkommener Ausgleich ist erreicht, wenn der 'Beobachter
die Schallquelle genau in der Medianebene empfindet (Mitten eindruck. Die Länge,
um die er das Rohr 33 verlängern mußte, um Mitteneindruck herbeizuführen, gibt nun
ohne weiteres ein Mafli für die Zeitdifferenz, die zwischen dem Eintreffen der gleichen
Schwingungen an den Empfangsapparaten 29 und 3o besteht. Die Methode gestattet,
noch Zeitunterschiede von etwa 3# io--,Sekunden zu messen. In dieser Zeit legen
die elektrischen Wellen im Raume eine Strecke von etwa 9 km zurück. Bei Anwendung
der binauralen Hörmethode als Zeitmeßmethode würde diese Zahl also den Fehler darstellen.
Bei großen Entfernungen fällt er nicht ins G=ewicht.
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Größere Genauigkeit läßt sich nach der in Abb. 5 gezeichneten Interferenzmethode
erzie Len. 29 und 3o sind wieder die beiden Emp fangsgeräte, die die Schwingungen
aufgenommen haben. Sie sind z. B. induktiv mit zwei elektrischen Drosselketten 3;
bzw. 38 verbunden. Diese bestehen aus in Serie geschalte ten Selbstinduktionsspulen
und parallel dazlt liegenden Kapazitäten. Solche Ketten ergeben für hineingeschickte
Wechselströme je nach ;der Größe der Selbstinduktionen und der Kapazitäten pro Glied
einen ganz bestimmten Betrag einer Verzögerung. Es ist keine Schwierigkeit, Ketten
zu bauen, die pro Glied eine Verzögerung von z. B. to--7 Sekunden ergeben, was einer
Ausbreitungsstrecke der elektrischen Wellen von etwa 30 m entspricht. Die
beiden Drosselketten sind über Induktionsspulen 39 und 40, deren Sekundärwicklungen
in Serie geschaltet sind, mit einem Anzeigeinstrument, z. B. einem Telephon:41,
verbünden. Von den Drosselketten können durch Gleitkontakte 42 und 43 beliebig viele
Glieder ein- und ausgeschaltet werden. Die Messung der Zeitdifferenz besteht nun
darin, daß man die Schleifkontakte so lange verschiebt, bis das Telephon ein Maximum
der Lautstärke ergibt. Dann sind die Schwingungen genau in gleicher Phase, d. h.
es besteht kein Zeitunterschied mehr. Aus der Zahl der Verzögerungsglieder, die
zu diesem Zweck in der einen oder anderen Kette zugeschaltet werden müssen, ergibt
sich ohne weiteres die Zeitdifferenz selbst. . Zweckmäßig ist es, nicht mit dem
Maximum, sondern mit dem Minimum zu arbeiten, da sich dieses mit viel größerer Schärfe
einstellen läßt. Zu diesem Zweck werden die Sekundärwicklung'eit, die in Serie geschaltet
sind, entgegengesetzt gepolt. Bei Gleichphasigkeit der Schwingungen heben sie sich
auf; im Telephon ist dann die Lautstärke Null. Voraussetzung ist, daß vorher die
Empfangslautstärke in ?9 und 3o auf gleiche Intensität gebracht ist. Nach dieser
Methode l.äßt sich eine Zeitdifferenz von 1 o- G Sekunden und kleiner zwischen zwei
Sprech strömen noch leicht feststellen.
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Es ist leicht zu erkennen, daß für die binaurale Hörmethode auch die
in Abb._5 darge stellte Kompensationsmethode mit elektri schen Ketten und umgekehrt
für die Interferenzmethode auch die akustischen Rohrleitungen der Abb. 4 entsprechend
verwendet werden können.