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Verfahren zur 1VIessung von Entfernungen mit Hilfe von Wellenenergie
Es ist vielfach vorgeschlagen worden, Entfernungen dadurch zu bestimmen, daß man
die Zeitdauer mißt, die der Schall zum Durchlaufen der zu messenden Strecke benötigt.
Man hat auch vorgeschlagen, auf die gleiche Weise Entfernungen mit Hilfe von Schallwellen
zu bestimmen, die durch einen am Ende der Meßstrecke befindlichen Körper, z. B.
den Meeresboden, reflektiert werden. Bei dem bekannten Verfahren verfährt man meist
in der Weise, daß man den Zeitpunkt der Aussendung des Schalles beispielsweise auf
elektrischem, insbesondere drahtlosem Wege nach einer Empfangsvorrichtung übermittelt
und dort eine Zeitmeßvorrichtung in Gang setzt, die bei der Ankunft des Schalles
bzw. des Echos wieder ausgeschaltet wird. Zur Messung der Zeit, welche der Schall
zum Durchlaufen der zu messenden Wegstrecke benötigt, hat man aber auch vorgeschlagen,
die Frequenz der von einem Wasserschallsender erzeugten Wellen plötzlich zu ändern
und die Dauer der Schwebungen zu bestimmen, die durch das Zusammenwirken des Echos
mit den nach der Frequenzänderung ausgesandten Schallwellen entstehen.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren, welches eine genaue und
einfache Messung der Dauer der Schwebungen ermöglicht.
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Gemäß der Erfindung werden die durch Überlagerung entstehenden Ströme
gleichgerichtet und über einen auf die Schwebungsfrequenz abgestimmten Schwingungskreis
einem Meßinstrument zugeführt. Auf diese Weise ist eine Trennung der Schwebungsfrequenz
von der jeweils noch erzeugten Frequenz möglich, und man kann die Dauer der Schwebungen
unmittelbar an einem Meßgerät ablesen. Das Verfahren gemäß der Erfindung kann nicht
nur angewendet werden, wenn es sich um die Entfernungsbestimmung mit Hilfe des Echos
handelt, sondern auch dann, wenn die Entfernung zwischen zwei Punkten ohne Zuhilfenahme
des Echos ermittelt werden soll.
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Ausführungsbeispiele hierfür werden weiter unten beschrieben.
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Anstatt Schwebungen auf akustischem Wege zu erzeugen, kann man die
Schwebung auch auf elektrischem Wege durch Überlagerung einer Hilfsfrequenz herstellen
und so die Dauer des Echos bzw. die Dauer des die Meßstrecke nach Beendigung der
Wellenaussendung durchlaufenden Wellenzuges erkennbar machen.
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In den Abbildungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Mit x ist ein Schallsender bezeichnet, der durch das Entladungsgefäß 2, z. B. eine
Glühkathodenröhre oder ein Dampfentladungsgefäß, mit Wechselstrom gespeistwird.
Zur Steuerung desAnodenstromes der Röhre 2 dient der Hilfssender 3, dessen Frequenz
im wesentlichen durch die Abmessungen der im Anodenkreis liegenden Induktivitäten
und Kapazitäten 4 bestimmt ist. Die Frequenz des
Hilfssenders kann
in einfacher Weise durch Parallelschalten eines Hilfskondensators zu dem Kondensator
q. oder durch Kurzschließen eines Teiles der Induktivität erfolgen. Bei der in der
Abbildung dargestellten Einrichtung kann durch die Schaltvorrichtung 5 ein Kondensator
6 zum Kondensator q. parallel geschaltet werden. Die Schaltvorrichtung 5 besteht
aus einer Trommel, deren Umfang zur Hälfte mit einem leitenden Überzug versehen
ist. Wird diese Trommel in Umdrehungen versetzt, so ändert sich die Frequenz der
vom Schallsender i erzeugten Schallwellen während jeder Umdrehung der Trommel einmal.
Die Trommel kann beispielsweise durch ein Uhrwerk in Gang gesetzt werden. Die vom
Sender x ausgesandten und am Ende der Meßstrecke reflektierten Schallwellen treffen
den Empfänger 7, der an die als Gleichrichter wirkende Verstärkerröhre 8 angeschlossen
ist. Im Anodenkreis dieser Röhre liegt die Spule g, die mit dem Schwingungskreis
io gekoppelt ist. Dieser Schwingungskreis wird auf die Frequenz der Schwebungswelle
abgestimmt, die sich aus den beiden vom Sender i ausgestrahlten Schwingungen ergibt.
Wenn dieser Schwingungskreis erregt wird, so ändert sich die Stromstärke im Anodenkreis
der Röhre ii. Es sei angenommen, daß der Ström steigt, wenn der Schwingungskreis
io erregt wird. Dann zieht die im Anodenkreis der Röhre ii liegende Spule i2 den
Anker an und schließt dabei den Stromkreis, der durch die Batterie 13, den Vorschaltwiderstand
i4., das Thermoelement 15 gebildet wird. Der von dem Meßinstrument 16 angezeigte
Strom ist dann nur abhängig von der Dauer des Stromschlusses, also abhängig von
der Dauer der Erregung des Schwingungskreises io durch die Schwebungsfrequenz.
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Die Einrichtung wirkt in folgender Weise: Beim Übergang von der einen
Sendefrequenz nach der anderen überlagern sich im Emp= fänger 7 zwei Schallschwingungen,
und zwar die den Empfänger treffende, am Ende der Meß, strecke reflektierte Schallwelle
und die gleichzeitig vom Sender ausgesandte, unmittelbar den Empfänger 7 treffende
Schallwelle. Die Zeit, die der Schall zum unmittelbaren Erreichen des Empfängers
7 benötigt, ist sehr klein und beeinträchtigt die Meßgenauigkeit kaum. Solange das
Echo andauert, findet also eine Überlagerung zweier Schallschwingungen statt, so
daß Schwebungen entstehen. Es wird deshalb der Schwingungskreis io mit seiner Eigenfrequenz,
die mit der Frequenz der Schwebungswelle übereinstimmt, erregt und somit der Schalter
12 geschlossen. Da das Instrument 16 den Mittelwert anzeigt, so. ist sein Ausschlag
proportional der Dauer der berlagerung, also proportional der Zeitdauer des Echos.
Der Ausschlag ist daher unmittelbar ein Maß für die zu messende Strecke. In Abb.
2 sind zur näheren Erläuterung der Wirkungsweise der Einrichtung nach Abb. x schematisch
die auftretenden Verhältnisse dargestellt, und zwar sei angenommen, daß vom Sender
= abwechselnd Schallwellen der Frequenz 5ooo Hertz und 6ooo Hertz während einer
Dauer von je io Sekunden ausgesandt werden. Man wird den Sender im allgemeinen so
lange betreiben, bis mit Sicherheit anzunehmen ist, daß die reflektierte Welle den
Empfänger bereits getroffen hat. Die vom Sender ausgesandten Wellenzüge sind in
der Abbildung mit 17 und 18 bezeichnet. Es sei angenommen, daß die Schallwelle zum
Durchlaufen der Meßstrecke 2 Sekunden benötigt, d. h. daß das Echo nach q. Sekunden
den Empfänger 7 erreicht. Die den Empfänger 7 erreichenden und die Meßstrecke durchlaufenden
Wellenzüge sind in der Abb. 2 mit ig und 2o bezeichnet. Unmittelbar wird der Empfänger
aber auch von den mit 17 und 18 bezeichneten Wellenzügen getroffen. Die Abb. 2 läßt
leicht erkennen, daß während der Zeitdauer von q. Sekunden, d. h. während einer
Zeit, die der Zeit entspricht, die der Schall zum zweimaligen Durchlaufen der Meßstrecke
benötigt, eine Überlagerung zweier voneinander abweichender Frequenzen eintritt.
In diesen Zeitabschnitten eilt steht eine Schwebungswelle, deren Frequenz in dem
gewählten Beispiel iooo Perioden beträgt. Die Schwebungswelle ist in der Abbildung
durch die Wellenzüge 21 angedeutet. Sie entsteht sowohl beim Steigern als auch beim
Senken der Frequenz. Die jeweils vom Sender i ausgesandte Welle dient also einerseits
dazu, die Dauer des Echos nach der Frequenzänderung (Beendigung der Wellenausnutzung
der einen Frequenz) erkennbar zu machen und andererseits auch zum Messen der Entfernung,
da bei der folgenden Frequenzänderung immer die Dauer des Echos der vorangehenden
Welle bestimmt wird. Es wird also auch der zwischen der Aussendung von Wellenzügen
gleicher Frequenz liegende Zeitraum zur Entfernungsmessung nutzbar gemacht.
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Man kann die in Abb. i dargestellte Anordnung auch derart abändern,
daß zwei voneinander unabhängige Schallsender abwechselnd zum Aussenden von Schallwellen
benutzt werden. Besonders bei der Verwendung von Maschinen zur Erregung der Schallsender
dürfte dieses Verfahren vorteilhaft sein. Um bei sehr geringer Entfernung zwischen
dem Sender i und dem Empfänger 7 die unmittelbare Einwirkung des Senders i auf den
Empfänger in beliebigen Grenzen zu halten, kann es sich empfehlen, den Stromkreis
des Senders mit dem Empfängerstromkreis derart zu koppeln, daß die in den Empfänger
eingeführte Spannung so weit kompensiert wird, daß der übrigbleibende Spannungsrest
in mäßigen und brauchbaren Grenzen bleibt.
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Anstatt zur Hörbarmachung des Echos von
der Beendigung
der Ausstrahlung des zugehörigen Wellenzuges ab Schallwellen zu überlagern, kann
man auch in den Empfängerstromkreis Ströme einführen, deren Frequenz von der Frequenz
der ausgesandten Schallwellen abweichen. Eine derartige, zur Echolotung dienende
Einrichtung ist in Abb. 3 dargestellt. Mit Hilfe des Senders 22 werden Schallwellen
so lange ausgesandt, bis die am Ende der Meßstrecke beispielsweise durch den Meeresgrund
23 oder bei der Echolotung von Luftfahrzeugen an der Erdoberfläche reflektierten
Schallwellen den Empfänger 24 treffen. Wenn man bei der Bestimmung von Meerestiefen
völlig im Ungewissen ist, so muß man den Sender so lange betreiben, bis die reflektierten
Schallwellen auch bei einerTiefe von einigen tausend Metern den Empfänger sicher
erreicht hat. Im allgemeinen wird es genügen, den Sender etwa 5 bis ro Sekunden
lang zubetreiben. UmaufdieDauerdesEchosnachder Abschaltung des Senders 22, der beispielsweise
mit Hilfe des Uhrwerkes 25 und-des Schalters26 in regelmäßigen Zeitabschnitten aus-
und eingeschaltet wird, zu verzichten, ist der Schalter 26 mit einem weiteren Schalter
27 gekuppelt. Dieser Schalter schaltet den Wechselstromerzeuger 28 an den Transformator
29, der in dem Stromkreis des Empfängers 24 liegt. Die übrige Schaltanordnung stimmt
mit der Schaltanordnung des Empfängers 7 nach Abb. Z überein. Die einander entsprechenden
Teile sind mit den gleichen Zahlen bezeichnet.
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Die Anordnung wirkt in folgender Weise: Sobald der Sender 22 abgeschaltet
ist, überlagert sich den von den am '.Meeresgrund reflektierten Schallwellen im
Empfänger 24 erzeugten Strömen der vom Generator 28 erzeugte Strom abweichender
Frequenz. Es entstehen somit Schwebungen wie bei der Einrichtung nach Abb. z, so
daß die Spule 12 ihren Anker anzieht. Da die Dauer der Schwebungen proportional
der Zeitdauer des Echos ist, so kann an dem integrierenden Meßinstrument 15, 16
unmittelbar die gemessene Entfernung abgelesen werden.
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Als Wechselstromerzeuger 28 wird vorteilhaft ein Röhrengenerator verwendet,
auch kann die beschriebene Einrichtung sowohl zur Bestimmung der Entfernung in Wasser
sowie auch in anderen Medien, z. B. Luft, verwendet werden.
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Die in den Abb. z und 3 dargestellten Schaltanordnungen sind zur Bestimmung
von Entfernungen nach der Echolotmethode brauchbar. Das Verfahren gemäß der Erfindung
kann aber auch zur unmittelbaren Entfernungsbestimmung verwendet werden.
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Eine Schaltanordnung dieser Art ist in Abb.4 dargestellt. Mit 22 ist
ein Schallsender bezeichnet, der durch den Wechselstromgenerator 30 gespeist werden
kann. Es sei angenommen, daß sich der Sender an dem einen Ende der zu messenden
Strecke befindet; an dem anderen Ende ist der Empfänger 31 angeordnet. Mit Hilfe
des Schalters 32 wird der Sender 22 in bestimmten Zeitabschnitten in Betrieb gesetzt.
Die Schaltbewegung wird durch das Uhrwerk 33 (oder eine andere geeignete Vorrichtung)
gesteuert, das mit Hilfe von Hebeln u. dgl. auf den Schalter einwirkt. Die Zeitdauer
der Schallaussendung wird derart eingestellt, daß der Sender erst abgeschaltet wird,
wenn die ausgesandten Schallwellen nach Schätzung bereits den Empfänger 3 erreicht
haben. Um die Laufzeit des Schalles zu bestimmen, wird in folgender Weise verfahren
Beim Abschalten des Senders 22 wird gleichzeitig der Hochfrequenzschalter 34 an
die Antenne 35 angeschlossen, und zwar sei angenommen, daß dieser Hochfrequenzsender
elektrische Wellen aussendet, die mit einer etwa von der Frequenz des Senders 22
abweichenden Frequenz moduliert wird. Die von der Antenne 35 ausgestrahlten Wellen
treffen die in der Nähe des Empfängers angeordnete Empfangsantenne 36. Die von dieser
Antenne aufgenommene Energie wird mit Hilfe des Gleichrichters (Detektor 37) gleichgerichtet
und dem Transformator 38 zugeführt. Diese Wechselströme werden mit Hilfe des Transformators
38 den-im Empfänger 3 1 durch den ankommenden Wellenzug erzeugten Strömen
überlagert und mit Hilfe des Gleichrichters 39 nochmals gleichgerichtet und der
Primärspule des Transformators 40 zugeführt. In dem Transformator fließen dann Wechselströme,
deren Frequenz der Schwebungsfrequenz zwischen den vom Sender 22 ausgestrahlten
Wellen und derjenigen Frequenz entspricht, mit welcher der Sender 34 moduliert wird.
Wenn der Sender 22 mit einer Frequenz von 5000 Hertz betrieben und der Hochfrequenzsender
34 mit einer Frequenz von 6ooo Hertz moduliert wird, so fließt in der Sekundärwicklung
des Transformators 4o ein Wechselstrom mit der Frequenz von zooo Hertz. Die Sekundärwicklung
des Transformators 40 liegt in dem Schwingungskreis 41, der auf die Schwebungsfrequenz
abgestimmt ist. Dieser Schwingungskreis wirkt auf das Thermoelement 42 und das Meßinstrument
43. Setzt man konstante Empfangsenergie voraus, so ist der Ausschlag des Meßinstrumentes
unmittelbar proportional der Entfernung. Da man im allgemeinen mit einer konstanten
Empfangsenergie nicht rechnen kann, so muß man wie bei den Einrichtungen nach Abb.
z und 3 den auf die Schwebungsfrequenz abgestimmten Schwingungskreis auf ein Relais
einwirken lassen, das einen besonderen, das Meßinstrument enthaltenen und konstanten
Strom führendenStromkreis schließt.
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Da bei der in Abb. 4 dargestellten Einrichtung für' die Entfernungsbestimmung
die Differenz der Fortpflanzungsgeschwindigkeit zwischen der
Schallwelle
im Wasser und der elektrischen Welle benutzt wird, so kann man-dieses Verfahren
immer benutzen, wenn man zwei Wellenbewegungen verwenden kann, von welchen die eine
sich rascher fortpflanzt als die andere. Man kann beispielsweise die Entfernung
zweier Punkte dadurch ermitteln, daß man Schallwellen in Luft aussendet und bei
der Beendigung der Wellenaussendung Unterwasserschallwellen ausstrahlt.
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Die in-Abb. q. dargestellte Einrichtung eignet sich besonders zum
Messen der Entfernung zwischen einem Fahrzeug zu einem anderen bzw. einem feststehenden
Punkt. Ein besonderer Vorzug besteht darin, daß auf der Empfangsseite, also beispielsweise
auf dem Schiff keine besonderen Zeitmeßvorrichtungen notwendig sind.
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Die -Frequenz der verwandten Wellen kann je nach den besonderen Verhältnissen
gewählt werden. Man kann sie _ auch über die Hörbarkeitsgrenze legen. .
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Die in den Abb. i und 3 dargestellte Einrichtung kann besonders vorteilhaft
angewendet werden, wenn ein Schallsender zu anderen Zwecken vorhanden ist. Durch
eine verhältnismäßig einfache und billige Zusatzapparatur kann dieser Sender dann
zum Messen von Entfernungen, z. B. zur Bestimmung der Meerestiefe und bei Flugzeugen
oder Luftschiffen zur Bestimmung der Entfernung des Flugzeuges bzw. Luftschiffes
über dem Erdboden, benutzt werden.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung gestattet, in einfacher Weise geringe
und große Entfernungen etwa mit der gleichen Genauigkeit zu messen. Um von dem einen
Meeresbereich in den anderen überzugehen, hat man nur notwendig, die Sendedauer
und die zwischen dem Senden liegenden Zeiträume zu verändern, und zwar muß die Zeitdauer
des Sendens verkürzt werden, wenn man kleinere Entfernungen messen will. Wenn man
beispielsweise in Zeitabständen von io Sekunden io Sekunden lang sendet bzw. im
Abstand von io Sekunden die Frequenz des Senders (Abb. i) ändert, so kann man bei
Benutzung der beschriebenen Einrichtung zu Echoloten in Wasser bis etwa 8ooo m messen.
Ändert man die Frequenz in jeder Sekunde, so beträgt die größte meßbare Entfernung
etwa Soo m. Die prozentuale Genauigkeit innerhalb der angegebenen Grenzen bleibt
etwa die gleiche. Wenn man die Sendedauer noch weiter verkürzt, so kann man auch
in noch wesentlich 'geringeren Tiefen eine ausreichende Genauigkeit erzielen.