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Verfahren zur Entfernungsbestimmung mit Hilfe von Schallwellen Bei
der Bestimmung von Entfernungen mit Hilfe von Schallwellen in Gasen oder Flüssigkeiten
stellt man die Zeit fest, die der Schall zum Durchlaufen der Meßstrecke bzw. bei
der Echolotung zum Durchlaufen der doppelten Meßstrecke benötigt. Zur Bestimmung
der Laufzeit des Schalles sind 'eine Reihe von Vorrichtungen bekannt, bei welchen
zum Teil auf mechanischem Wege, zum Teil durch Entladen oder Laden von Kondensatoren
die Laufzeit des Schalles ermittelt wird.
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Gemäß der' Erfindung wird die Laufzeit des Schalles mit Hilfe einer
Anzahl von. Relais bestimmt, die nacheinander unter dem Einfluß der nach bekannten
Gesetzen verlaufenden Änderung eines oder mehrerer elektrischer oder magnetischer
Felder zum Ansprechen gebracht werden. Die Zahl der Relais, die während der Zeit
ansprechen, die der Schall zum Durchlaufen der einfachen oder doppelten Meßstrecke
benötigt, wird erkennbar gemacht, so daß man an ihr die Laufdauer bzw. Entfernung
erkennen kann. Man kann beispielsweise bei der Aussendung des Schalles einen auf
ein bestimmtes Potential aufgeladenen Kondensator über einen konstanten Widerstand
entladen und mit einer Anzahl von Spannungsrelais, deren Anker beim Sinken der Spannung
nacheinander abfallen, feststellen, wie der Ladezustand bei der Ankunft des Echos
gewesen ist. Es sei angenommen, daß beim Aussenden des Schalles alle Relais ihre
Anker angezogen haben. Sobald der Schall ausgesandt wird, fallen die Anker der einzelnen
Relais entsprechend dem Absinken der Spannung des Kondensators nacheinander ab.
Die Relais müssen derart ausgebildet sein, daß das letzte Relais erst abfällt, wenn
der Schall bereits die längste der in Frage kommenden Meßstrecken durchlaufen hat.
Bei der Bestimmung von Seetiefen werden dabei im allgemeinen höchstens 7
500 m in Betracht kommen.
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Wenn der die Meßstrecke durchlaufende Schall ankommt, werden also
stets eine Anzahl von Relais vorhanden sein, deren Anker noch nicht abgefallen sind.
Die Zahl der Relais, deren Anker abgefallen sind, ist ein Maß für die Zeit, die
der Schall zum Durchlaufen der Meßstrecke benötigt hat. Die Zahl der noch nicht
abgefallenen Anker wird deshalb zweckmäßig beim Eintreffen des Schalles, z. B. des
Echos, optisch wahrnehmbar gemacht. Es ist einleuchtend, daß man nicht nur Relais
anwenden kann, die auf Spannung empfindlich sind, sondern man kann auch in den Stromkreis
des Kondensators Relais einschalten, die bei einer bestimmten Stromstärke auslösen.
Auch kann man eine Reihe von Kondensatoren anwenden, die über verschieden große
Widerstände entladen bzw.
geladen werden. In jedem dieser Stromkreise
kann dabei ein geeignetes Relais liegen, welches bei einem bestimmten- Lade- bzw.
Entladezustand des Kondensators anspricht. Wesentlich ist nur, daß die Relais in
bestimmter Reihenfolge abfallen, während der ausgesandte Wellenzug die Meßstrecke
durchläuft, und daß bei der Ankunft des Schalles angezeigt wird, welche der Relais
bereits angesprochen haben bzw. welche noch nicht in Tätigkeit gesetzt worden sind.
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Ähnlich wie bei Kondensatoren kann man auch mit Induktivitäten verfahren.
Man kann dabei die jeweilige Größe des magnetischen Feldes bzw. eines durch die
Änderung des magnetischen Feldes hervorgerufenen Stromes zur Zeitmessung benutzen.
Man kann beispielsweise beim Aussenden des Schalles die Erregerwicklung eines Magneten
unterbrechen, der mit einem Kurzschlußring oder einer Kurzschlußwicklung versehen
ist. Auch kann die Erregerwicklung des Magneten als Kurzschlußwicklung verwendet
werden. Sobald die Erregung unterbrochen wird, sinkt das magnetische Feld allmählich
ab. Die jeweilige Größe des magnetischen Feldes kann beispielsweise mit Hilfe einer
Anzahl von Ankern erkenntlich gemacht werden, die unter dem Einfluß verschieden
stark gespannter Federn stehen und beim Sinken des magnetischen Feldes nacheinander
abfallen. Beim Ankommen des Schalles wird dann wieder, wie oben beschrieben, die
Anzahl der abgefallenen bzw. noch nicht abgefallenen Anker kenntlich gemacht.
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Diese Anordnung ist auch umkehrbar in der Weise, daß man beim Aussenden
des Schalles die Erregerwicklung einschalten kann, so daß allmählich ein Anker nach
dem anderen angezogen wird und daß man bei der Ankunft des die Meßstrecke durchlaufenden
Schalles die Anzahl der bereits angezogenen Anker anzeigt.
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Zweckmäßiger ist es jedoch, eine Anzahl von Verzögerungsrelais zu
benutzen, deren Abfallzeiten verschieden eingestellt sind. Unterbricht man bei der
Aussendung des Schalles den Erregerstromkreis aller Relais, so fallen die Anker
dieser Relais nacheinander ab. Macht man bei der Ankunft des dis Meßstrecke durchlaufenden
Schalles die Anzahl der bereits abgefallenen Relais kenntlich, so kann man hieraus
die Länge der durchlaufenen Meßstrecke ermitteln.
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Ein Ausführungsbeispiel dieser Art zur Echolotung ist in der Abbildung
dargestellt. Mit i ist ein Klopfsender bezeichnet, der etwa in Abständen von io
Sekunden Signale aussenden möge. z ist ein Empfänger zum Empfang des Echos, 3 ein
Verstärker. Die vom Empfänger z aufgenommenen Schallwellen werden den als Gleichrichter
wirkenden Vakuumröhren q. und 5 zugeleitet. Im Anodenstromkreis der Röhre q. liegt
die Spule 6 des Relais 7, im Anodenstromkreis der Röhre 5 die Spule 8 des gleichen
Relais. Der Anker 9 des Relais 7 legt sich an den Kontakt i o bzw. i i, j e nachdem,
ob die Spule 6 oder 8 erregt worden ist. Die Röhren q. und 5 sind erfindungsgemäß
derart bemessen, daß die Röhre 5 einen kleinen Verstärkungsgrad (großer Durchgriff)
besitzt, jedoch eine erhebliche Leistung abgeben kann, während die Röhre q. einen
großen Verstärkungsgrad (kleiner Durchgriff) besitzt, dagegen nur eine geringe Leistung
liefert. Treffen Schallwellen großer Intensität den Empfänger z, so wird die Röhre
q. übersteuert und die Röhre 5 kräftig erregt und gibt eine große Leistung ab. Die
Folge davon ist, daß die Spule 8 stärker erregt wird als die Spule 6, weil die Röhre
¢ keine so große Leistung abgeben kann wie die Röhre 5. Der Anker 9 legt sich gegen
den Kontakt i i. Treffen dagegen Schallwellen geringer Intensität den Empfänger
z, so wird die Spule 6 stärker erregt, weil die Spule 8 wegen des geringeren Verstärkungsgrades
der Röhre 5 nur wenig Strom erhält. Beim Aussenden des Schalles mit Hilfe des Senders
i treffen Schallwellen großer Intensität den Empfänger--" so daß sich der
Anker 9 des Relais 7 gegen den Kontakt i i legt. Sobald der die Meßstrecke durchlaufende
Schall (z. B. das Echo) den Empfänger z trifft, wird dieser nur schwach erregt,
und aus den obenerwähnten Gründen legt sich der Anker 9 des Relais 7 gegen den Kontakt
i o.
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Der Anker 9 des Relais 7 legt sich also beim Aussenden des Schalles
gegen den Kontakt i i, bei der Rückkunft des Echos gegen den Kontakt io. Der Kontakt
io liegt im Stromkreis der Batterie 12, und zwar ist er mit den Erregerwicklungen
der Verzögerungsrelais i3 bis 13, über die Kontakte der später noch näher beschriebenen
Relais 14 und 15 in Reihe geschaltet. Als Verzögerungsrelais 13 bis 13x können die
bei der automatischen Telephonie vielfach benutzten Verzögerungsrelais verwendet
werden. Der Kontakt des Relais 14 sowie der Kontakt 2 6 des Relais 15 sind
zur Zeit der Schallaussendung geschlossen. Da vor dem Aussenden des Schalles auch
der Kontakt i o des Relais 7 geschlossen ist, so werden die Verzögerungsrelais 13
bis 13x erregt, so daß die Anker dieser Relais angezogen sind. Wird nun vom Schallsender
i ein Wellenzug ausgesandt, so wird der Kontakt i o geöffnet und damit der Erregerstromkreis
der Relais 13 bis 13,; unterbrochen. Die Anker der Relais fallen nun nacheinander
ab.
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In dem Kontaktstromkreis der Verzögerungsrelais
13
bis 13, liegen die Batterie 16, die Lampen 17 bis 17, sowie der Kontakt
18 des Relais 15. Solange der Kontakt 10 des Relais 7 geschlossen ist, zieht das
Relais 15 seinen Anker an und hält damit den Kontakt 18 geöffnet. Um zu verhindern,
daß während des Umschaltens des Relais 7 vom Kontakt 10 nach dem Kontakt i i der
Kontakt i S geschlossen wird, ist die im Stromkreis des Kontaktes i o liegende Wicklung
i g, ebenso wie die Relais 13 bis 13, mit einem Kurzschlußring 2o ausgerüstet,
der dem Relais eine so große Verzögerung erteilt, daß es während des Umschaltens
des Relais 7 vom Kontakt i o nach dem Kontakt i i nicht öffnet. Sobald der Kontakt
i i geschlossen ist, wird das Abfallen des Ankers des Relais 15 durch die Wicklung
21 verhindert, die von der Batterie 22 gespeist wird.
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Nachdem der Schall von dem Sender i ausgesendet worden ist und sich
der Kontakt i o geöffnet hat, läßt auch das ebenfalls als Verzögerungsrelais ausgebildete
Relais 1 4 seinen Anker los und öffnet dadurch den Iontakt 23. Erreicht nun das
Echo den Empfänger 2, so wird der Kontakt i i des Relais 7 geöffnet und der Kontakt
i o geschlossen. Beim öffnen des Kontaktes i i läßt das Relais 15 seinen Anker los
und schließt dadurch den über die Lampen 17 bis 17, sowie die Kontakte der
Relais 13 bis 13, führenden Stromkreis. Soweit die Kontakte dieser Relais
noch geschlossen sind, werden also die zugehörigen Lampen aufleuchten. Damit die
Lampen nicht beim öffnen des Kontaktes 18 wieder erlöschen, liegen in den Stromkreisen
dieser Lampen die Relais 24 bis 24" die in bekannter Weise mit Haltekontakten ausgerüstet
sind. Sobald der Lampenstromkreis Strom führt, wird der Anker der Relais 24 bis
24.L angezogen und schließt den über die Leitungen 25 bis 25.L führenden Haltestromkreis.
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Da bei der Ankunft des Echos der Kontakt i o wieder geschlossen wird,
so wird das Verzögerungsrelais 14 erregt. Es zieht nach Ablauf einer gewissen Zeit
seinen Anker an und schließt damit den Kontakt 23. Damit erhält die Spule 19 des
Relais 15 Strom und zieht den zugehörigen Anker an. Damit wird der Kontakt 18 geöffnet.
Gleichzeitig wird der im Erregerstromkreis der Verzögerungsrelais 13 bis 13X liegende
Kontakt 26 des Relais 15 geschlossen. Dadurch erhalten die Erregerwicklungen dieser
Relais Strom und ziehen ihre Anker an. Dies hat jedoch auf den Lampenstromkreis
keinen Einfluß, weil der Kontakt i8 bereits geöffnet ist.
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Damit bei der nächsten Lotung, bei der beispielsweise ein weiteres
Relais abfallen möge, auch die zugehörige Lampe ausgeschaltet wird, sind die Relais
27 bis 27.L parallel zu den Kontakten der Relais 13 bis 13, geschaltet. Die Kontakte
dieser Relais liegen in den Haltestromkreisen 25 bis 25X. Die Erregerwicklungen
sind derart ausgebildet, daß der durch sie hindurchfließende Strom nicht ausreicht,
um ein Schließen der Kontakte der Relais 24 bis 24x herbeizuführen. Sind also beispielsweise
bei der Ankunft des Echos und Schließen des Kontaktes i 8 des Relais 15 die Anker
der Relais 13 und 131 bereits abgefallen, so erhalten die Spulen der Relais 27 bis
271 Strom und öffnen den im Haltestromkreis 25 und 251 liegenden Kontakt.
Dadurch wird der Stromkreis der Lampen 17 und 171 unterbrochen und die Halterelais--14
und 2q.1 öffnen ebenfalls ihre Kontakte. Damit die übrigen Relais 132 bis 13X nach
der Ankunft des Echos nicht abfallen und die zugehörigen Lampen erlöschen, sind
sie mit einer Hilfswicklung ausgerüstet, die im Stromkreis des jeden Relais zugehörigen
Kontaktes liegen. Sie wirken deshalb gewissermaßen als Haltewicklungen; denn sobald
der Kontakt 18 bei der Ankunft des Echos geschlossen wird, erhalten die Hilfswicklungen
derjenigen Relais Strom, deren Kontakte noch nicht geöffnet sind. Sie bleiben also
so lange geschlossen, bis der Kontakt 18 des Relais 15 geöffnet wird. Sobald dies
der Fall ist, können in den Lampenstromkreisen keine Veränderungen vor sich gehen.
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Die Teile der beschriebenen Einrichtung wirken bei der Lotung in folgender
Reihenfolge: Vor der Aussendung des Schalles von dem Sender i, also im Ruhezustand
der Anordnung, ist der Kontakt io des Relais 7 geschlossen, und die Erregerspulen
der Relais 13 bis 13, erhalten Strom von der Batterie 12 über den Kontakt
i o, den Kontakt 23 und den Kontakt 26. Es sei angenommen, daß die Anker der Halterelais
24 bis 24, abgefallen und die Lampen 17 bis 17.,; erloschen seien. Die Erregerwicklung
des Relais 14 sowie die Erregerwicklung i 9 des Relais 15 _ erhalten über den Kontakt
io ebenfalls Strom. Wird nun Schall ausgesandt, so wird der Kontakt io geöffnet
und der Kontakt ii geschlossen. Dadurch wird die Erregung der Relais 13 bis
13, unterbrochen. Die Erregerwicklung 21 des Relais 15 erhält von der Batterie
22 über den Kontakt i i Strom und hält den Anker fest. Im Schaltmoment wird der
Anker des Relais 15 durch die Kurzschlußwicklung 2o festgehalten.
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Inzwischen durchläuft der ausgesandte Wellenzug die Meßstrecke und
die Anker der Relais 13 bis 13x fallen nacheinander ab. Auch öffnet das Verzögerungsrelais
14 den Kontakt 23. Erreicht nun das Echo den Empfänger 2, so wird der Kontakt i
i geöffnet,
dagegen der Kontakt i o wieder geschlossen. Der Stromkreis
der Erregerwicklungen der Relais 13 bis 13, ist jedoch durch den Kontakt 23 unterbrochen,
der erst nach Ablauf einer angemessenen Zeit von dem Verzögerungsrelais 14 wieder
geschlossen wird. Bei der Ankunft des Echos wird der Stromkreis der Erregerwicklung
21 des Relais 15 unterbrochen. Das Relais läßt den Anker los und schließt damit
den Kontakt 18: Dadurch werden diejenigen Lampen zum Aufleuchten gebracht, deren
zugehörige Relais ihre Anker noch nicht losgelassen haben. Erst nachdem die durch
das Schließen des Kontaktes 18 eingeleiteten Schaltbewegungen ausgeführt sind, schließt
das mit geringer Verzögerung arbeitende Relais 14 den Kontakt 23; die Spule 19 erhält
somit Strom. Der Anker des Relais 15 wird dadurch gehoben, öffnet den Kontakt 18
und schließt den Kontakt 26, so daß nunmehr die Erregerwicklungen der Relais 13
bis 13,
wieder Strom erhalten. Die bereits eingeschalteten Lampen brennen
weiter, weil die Halterelais 24 bis 24x den Hilfsstromkreis schließen.
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Es sei angenommen, daß während der ersten Messung nur das Relais 13
seinen Anker losgelassen hat.
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Die zweite Messung verläuft in der gleichen Weise. Bei dieser Messung
möge nunmehr vor der Ankunft des Echos auch das Relais 131 seinen Anker loslassen.
Dann erhält bei der Ankunft des Echos und Schließen des Kontaktes 18 die Wicklung
271 Strom, weil sie nun nicht mehr durch den Kontakt des Relais 131 kurzgeschlossen
ist. Sie zieht ihren Anker an und öffnet damit den zur Lampe 171 gehörigen Haltestromkreis.
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Die Schaltung kann in vielfacher Hinsicht abgeändert werden, ohne
daß an dem Wesen der Erfindung etwas geändert wird. Man kann beispielsweise die
Röhren 4 und 5 .durch Relais u. dgl. ersetzen. Auch kann man zur Zeitmessung Relais
verwenden, die sich nacheinander ein- bzw. ausschalten. Die Ausbildung der Verzögerungsrelais
ist ebenfalls für die Erfindung belanglos. Es können z. B. ,Mittel zur Einstellung
verschiedener Verzögerungszeiten vorgesehen werden.
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Die Verzögerungszeiten der Relais werden zweckmäßig logarithmisch
abgestuft, um bei verschiedenen Tiefen etwa die gleiche prozentuale Meßgenauigkeit
zu erhalten.
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Ein besonderer Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht
darin, daß die Meßgenauigkeit unabhängig von dem Zeitraum zwischen der Aussendung
der Signale durch den Sender i ist. Im allgemeinen wird es genügen, in Abständen
von io Sekunden eine Lotung vorzunehmen.
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An Stelle einer die gemessene Strecke optisch anzeigenden Vorrichtung
kann man auch eine registrierende Vorrichtung verwenden. Man kann beispielsweise
in den in der Abbildung dargestellten Lampenstromkreis weitere Relais einschalten,
die auf eine Vorrichtung zum Lochen eines Papierstreifens einwirken und durch die
bei jeder Messung aufgezeichnet wird, welche der Verzögerungsrelais abgefallen sind.