DE840071C - Echolotgeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Echolotgerät zur Bestimmung von Entfernungen nach dem Echoverfahren. Die Erfindung eignet sich insbesondere zur Bestimmung der Wassertiefe mittels Schall- und Überschallwellen.

Der eine Zweck der Erfindung besteht darin, einen Echoempfangsapparat zu vereinfachen und dessen Zuverlässigkeit zu erhöhen.

Ein anderer Zweck besteht darin, einen Echoempfangsapparat zu schaffen, der imstande ist, äußerst kurze Entfernungen zu messen.

Die Art und Weise, wie die obengenannten Zwecke erreicht werden, sowie weitere typische Zwecke und Kennzeichen der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung.

Das Echolotgerät nach der Erfindung besteht aus i. einem Elektroschallumformer, der elektrische Schwingungen in eine Schall- oder Ultraschallwelle und umgekehrt umwandelt, 2. einem mit dem Elektroschallumformer gekoppelten Schwingungskreis, der durch einen Impuls angestoßen wird und gedämpfte Schwingungen erzeugt, 3.. einem Verstärker, um die durch den Elektroschallumformer infolge von Echos in dem Schwingungskreis erzeugten elektrischen Schwingungen zu verstärken, und 4. einem Registrierapparat, um die Zeit, die zwischen der Aussendung einer Druckwelle und der Rückkehr des Echos abläuft, in Entfernungswerten anzuzeigen.

Die Erfindung betrifft ferner Schaltmaßnahmen, die die Wirkung der Energieübertragung zwischen

dem Elektroschallumformer und dem Schwingungskreis erhöhen und die den Wellenzug von einmalig angestoßenen, gedämpften Schwingungen rasch abdampfen. Diese letztgenannte Bedingung ist bei Echolütgeräten für kurze Entfernungen deshalb wichtig, weil die gedämpften Schwingungen in dem Augenblick, in welchem das Echo empfangen wird, abgeklungen sein müssen, da sonst die durch das Echo induzierten Schwingungen nicht erkannt werden können.

In der Zeichnung zeigt

Fig. ι eine schematische Darstellung einer Vorrichtung nach der Erfindung und Fig. 2 einen Teil einer erfindungsgemäß erzeugten Registrierung, die die Wirkung de,s Dämpfungsmerkmals der Erfindung erkennen läßt, in größerem Maßstab.

Die in Abb. 1 gezeigte Vorrichtung besteht aus einem Elektroschallumformer 10, der über einen Transformator 11 mit einer Übertragungsleitung 18 gekoppelt ist. Das andere Ende der Übertragungsleitung 18 ist mit einem Serienschwingkreis verbunden, der aus einem Leiter 13, einem Kondensator ΐγ, einem Leiter 16, einer Selbstinduktion 15 und einem Leiter 14 besteht.

Wenn er durch einen Stoß.erregt wird, sendet der Elektroschallumformer 10 Schall- oder Ultraschallwellen aus, deren Frequenz der Frequenz entspricht, auf die der Elektroschallumformer abgestimmt ist. In ähnlicher Weise wird der Elektroschallumformer 10 durch empfangene Schall- oder Ultraschallschwingungen in der Weise erregt, daß er in dem in stark ausgezogenen Linien dargestellten Schwingungskreis, der aus dem Elektroschallumformer 10, dem Transformator 11, der Übertragungsleitung 18, den Leitern 13, 14 und 16, der Selbstinduktion 15 und dem Kondensator 17 besteht, elektrische Schwingungen von der gleichen Frequenz aussendet, wobei die Schwingungsamplituck* der erhaltenen Wellen wesentlich größer ist, als es sonst der Fall wäre. Die in dem in stark ausgezogenen Linien gezeigten Stromkreis entstehenden elektrischen Schwingungen rufen im Kondensator 17 einen Spannungsabfall hervor, der in einem Verstärker 19 verstärkt und durch einen Leiter 33 einem drehbaren Zeiger 46 zugeführt wird, an dessen äußerem Ende ein Griffel angeordnet ist, der sich über einem Registrierstreifen 34 bewegt. Wenn der Griffel Spannung erhält, so entsteht ein Zeichen auf dem Registrierstreifen. Wie Fig. ι zeigt, erzeugt der Griffel für gewöhnlich zwei Linien 55 und 56 auf dem Registrierstreifen, woIxm die Linie 55 eine gerade Grundlinie und die Linie 56 (l>ei einem Tiefenschreiber) eine Tiefeiilinie ist, die infolge des empfangenen Echos erzeugt wird und die Tiefe anzeigt. Der Registrierstreifen 34 wird mit einer gleichbleibenden Geschwindigkeit fortbewegt, wobei er sich von einer Spule 35 ab- und auf eine Spule 36 aufwickelt. Zu diesem Zweck wird die Spule 36 von einer Welle 37 angetrieben, die ein Kegelrad 38 trägt, welches von einem auf einer Welle 40 sitzenden Kegelrad 39 angetrieben wird. Die Welle 40 trägt ihrerseits ein Kegelrad 41, das mit einem auf einer Welle 43 sitzenden Kegelrad 42 im Eingriff steht und von diesem seinen Antrieb erhält. Die Welle 43 wird von einem Motor 49 über ein auf der Motorwelle sitzendes Triebrad 48 und ein von der Welle 43 getragenes Zahnrad 47 angetrieben. Der Motor 49 läuft vorzugsweise mit gleichbleibender Geschwindigkeit und l>e\vegt nicht nur den Registrierstreifen, sondern setzt auch den Zeiger 46 in Drehung. Auf diese Weise kann der Zeiger 46 durch Kegelräder 45 und 44 mit der Welle 43 gekoppelt sein.

Die Welle 37 trägt ferner ein Kegelrad 50, das mit einem Kegelrad 51 im Eingriff .steht, welches einen Daumen 51" trägt, der mit einem Gegenglied zusammenarbeitet, um ein 'Kontaktpaar 53 synchron mit der Bewegung des Zeigers 46 zu schließen bzw. zu öffnen und hierdurch die gleichzeitige Übertragung eines vom Elektroschallumformer 10 erzeugten Signals und die Erzeugung einer Grundlinie 55 durch den Griffel zu bewirken.
■ L^Tm den Elektroschallumformer durch einen Stoß zu erregen, ist eine elektronische Gasentladungsröhren 57 vorgesehen, die eine in üblicher Weise durch eine nicht dargestellte Heizvorrichtung geheizte Kathode 58, ein Steuergitter 59, ein Schirmgitter 72 und eine Anode 60 besitzt. Die Kathode 58 ist mit dem Leiter 13 unmittelbar und die Anode 60 ist über einen Kondensator 61 mit dem Leiter 14 verbunden. Die Anode 60 ist ferner über einen Widerstand 25 mit der positiven Klemme einer Anodenspannungsquelle 27 verbunden. Diese positive Klemme ist über einen anderen Widerstand 26 mit den Schalterkontakten 53 verbunden, und ein Kondensator 28 ist zwischen dem Widerstand 26 und dem Stcuergitter 59 der Röhre 57 eingeschaltet. Ein Gitterableitwiderstand 30 ist zwischen dem Gitter 59 und der Erde angeordnet. Die negative Klemme der Stromquelle 27 ist geerdet, und die Kathode 58 ist über einen Kathodenwiderstand 31 und einen im Nebenschluß zu diesem angeordneten Kondensator 32 mit der Erde verbunden.

Für gewöhnlich liegen das Steuergitter 59 der Röhre 57 und derjenige Beleg des Kondensators 28, der mit dem Gitter verbunden ist, an dem gleichen Potential wie die Erde, während der andere Beleg des Kondensators 28 die volle positive Spannung der Stromquelle 27 erhält. Desgleichen erhält die Anode 60 der Röhre die volle positive Spannung der Stromquelle 27, aber das Gitter 59 ist, wenn es die gleiche Spannung wie die Erde hat, gegenüber der Kathode 58 negativ genug, um trotz der hohen positiven Spannung der Anode 60 die Zündung der Röhre zu verhindern. Wenn die Kontakte 53 durch die Drehung des Daumens 51" geschlossen werden, so sinkt die Spannung derjenigen Platte des Kondensators 28, die früher die hohe positive Spannung der Stromquelle 27 erhielt, plötzlich bis auf die Erdspannüng herunter. Hierdurch wird" eine negative Ladung desjenigen Beleges des Kondensators 28, der mit dem Gitter 59 verbunden ist, ausgelöst, welche Ladung über den Gitterwiderstand 30 nach der Erde fließt und die negative Git-

terspannung erhöht, wobei die Zündung der Röhre unbeeinflußt bleibt.

Wenn aber die Kontakte 53 geöffnet werden, so wird der Kondensator 28 von der Stromquelle 27 über den Widerstand 26 wieder geladen, so daß ein Strom durch den Gitterwiderstand 30 fließt und das Cutter 59 hierdurch genügend positiv wird, um die Rohre 57 zur Zündung zu bringen. Wenn die Röhre 57 zündet, so verbindet sie den geladenen Kondensator 61 unmittelbar zwischen den Leitern 13 und 14, so daß die volle Kondensatorspannung plötzlich auf diese Leiter wirkt und den Elektroschallumformer 10 erregt, der einen gedämpften Schall- oder Ultraschallwellenzug aussendet. Es ist zu bemerken, daß der Elektroschallumformer vorzugsweise eine solche Ausführung aufweist, daß er mechanisch so abgestimmt ist, daß er mit der natürlichen Frequenz der elektrischen Einrichtung schwingt.

Gleichzeitig erzeugen die Schwingungen in dem in stark ausgezogenen Linien dargestellten Stromkreis zwischen den Klemmen des Kondensators 17 eine Spannung, die im Verstärker 19 verstärkt und dem vom Zeiger 46 getragenen sich drehenden Griffel zugeführt wird, um bei jedem ausgesendeten Schwingungszug ein Zeichen zu erzeugen, so daß diese Zeichen eine Grundlinie 55 bilden.

Die Rohre 57 löscht sofort, weil die Anodenspannung wegen des Abfalls im Widerstand 25 bis auf einen geringen Wert sinkt, und der durch den Widerstand 31 fließende Strom bewirkt, daß die Kathode 58 gegenüber dem Gitter 59 positiv wird.

Betrachtet man die Fig. 2, so sieht man, daß die

Grundlinie 55 aus einer Reihe von Bogenlinien 55" besteht, die sich quer über dem Registrierstreifen 34 erstrecken und deren Länge von der Dauer der Schwingungen abhängt, die durch die Erregung des Schwingkreises durch einen Stoß in der beschriebeiH'ti Weise erzeugt werden.

Aus der Fig. 2 ist es ersichtlich, daß sich die Bogenlinien 55" von der Grundlinie Null auf dem Streifen 34 über drei Meßeinheiten erstrecken. Der Abstand zwischen der Linie Null und der Linie der dritten Meßeinheit stellt den Weg dar, den der Griffel während der Zeit zurückgelegt hat, die die im Wasser erzeugte Schall- oder Ultraschallwelle braucht, um den Weg mit einer Länge von sechs Meßeinheiten, nämlich drei Meßeinheiten nach dem Boden bzw. nach einer anderen zurückwerfenden Fläche und drei Meßeinheiten zurück nach dem Elektroschallumformer zurückzulegen. Aus der Fig. 2 geht es ohne weiteres hervor, daß die MeUlinie in die Grundlinie 55 übergeht, wenn die Wassertiefe geringer wird als drei Meßeinheiten; und je schmäler die Grundlinie 55 gemacht werden kann, desto kleinere Tiefen kann das Instrument registrieren. Aus diesem Grunde ist es wünschenswert, die Zeit zu verkleinern, während welcher der Schwingungskreis nach dessen Erregung ausschwingt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine wesentliche Verkleinerung der Ausschwingungszeit des Stromkreises durch einen Dämpfungskreis erhalten, der eine Gasentladungsröhre 20 mit kalter Kathode enthält, die über den Kondensator 17 mit dem Widerstand 23 in Reihe geschaltet ist. Die Röhre 20 kann eine übliche Neonröhre mit zwei Elektroden 21 und 22 sein, in welcher die Elektrode 21 mit dem Leiter 16 und die Elektrode 22 über den Widerstand 23 mit dem Leiter 13 mit der Erde über einen Kondensator 70 und über einen Widerstand 24 mit der Stromquelle 27 verbunden ist. Die Widerstände 24 und 23 bilden zusammen einen Gleichstromspannungsteiler, um an der Elektrode 22 eine gleichbleibende, von der Spannung der Elektrode 21 verschiedene Spannung aufrechtzuerhalten. Dieser Spannungsunterschied bildet eine Vorspannung, die zur Folge hat, daß die Elektrode 22 positiver als die Elektrode 21 ist.

Die Arbeitsweise ist folgende. Die durch die Widerstände 24 und 23 und die Stromquelle 27 der Elektrode 22 zugeführte Spannung ist so groß, daß die Glimmröhre 20 während der ersten Periode der Schwingungen, die nach der Zündung der Röhre 57 entstehen, zündet und damit diese Schwingungen dämpft. Nach der Zündung besitzt die Röhre 20 einen verhältnismäßig geringen, mit den Kondensatoren 70 und 32 in Reihe geschalteten, mit den Klemmen des· Kondensators 17 verbundenen Widerstand. Hierdurch wird die Resonanzschärfe wesentlich verringert und das Dämpfungsdekrement des Schwingkreises wesentlich erhöht.

Da die Elektrode 22 gegenüber der Elektrode 21 positives Potential besitzt, so zündet die Röhre 20 nur während derjenigen Halbwellen, während weleher der Leiter 16 gegenüber dem Leiter 13 negativ ist. Während der anderen Halbwellen, bei denen der Leiter 16 gegenüber dem Leiter 13 positiv ist, entsteht in der ersten Röhre 192 des Verstärkers 19 ein Gitterstrom, der eine dämpfende Wirkung auf die Schwingungen ausübt. Es ergibt sich deutlich hieraus, daß die Ausschwingungszeit des Stromkreises wesentlich gekürzt wird. Mit anderen Worten: In der Abb. 2 sind die verhältnismäßig kurzen Bogenlinien 55", die die Breite der Grundlinie 55 für den Fall darstellen, daß die Glimmröhre 20 in der beschriebenen Weise vorgesehen ist, im wesentlichen halb so lang als die gestrichelt gezeigten Bogenlinien 55'', die dann erzeugt werden, w^renn die Glimmröhre 20 aus dem Schwingkreis entfernt no wird.

In der Praxis muß der Elektroschallumformer 10 mehr oder weniger weit vom größeren Teil der Vorrichtung entfernt sein, und es ist wünschenswert, daß die Übertragungsleitung 18, die den Elektroschallumformer mit dem übrigen Teil des Stromkreises verbindet, einen geringen Wellenwiderstand besitzt. Der Transformator 11, der in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer veränderlichen, angezapften Selbstinduktion besteht, ermöglicht es, den Elektroschallumformer 10 elektrisch abzustimmen, und verbessert die Übereinstimmung hinsichtlich des Wellenwiderstandes zwischen dem Elektroschallumformer und der Übertragungsleitung 18, die einen geringen Wellenwiderstand besitzt.

Die Übertragungsleitung 18 mit dem geringen Wellenwiderstand speist den abgestimmten Serienschwingkreis, der aus der Selbstinduktion 15 und dem Kondensator 17 besteht und bei Resonanz einen geringen Wellenwiderstand besitzt. Infolgedessen ist zwischen dem Elektroschallumformer 10 und dem Verstärker 19 während des Empfanges der Echos eine verhältnismäßig gute Anpassung vorhanden. Andererseits ist der Wellenwiderstand während des Sendens bedeutend größer, wenn der Kondensator 17 mit dem Widerstand der Röhre 20 und der Röhre 192 parallel geschaltet ist, und die Kopplung zwischen dem Wandler 10 und dem Verstärker 19 ist weit weniger wirksam.
Ein Gerät, das mit einer Frequenz von 50 000 Hz arbeitet, kann folgende Konstanten aufweisen:
Selbstinduktion 15 .... 30 bis 38 Millihenry

Kondensator 17 0,0003 Mikrofarad

Kondensator 61 0,25 Mikrofarad

so Kondensator 28 0,0001 Mikrofarad

Kondensator 32 0,5 Mikrofarad

Kondensator 70 0,01 Mikrofarad

Widerstand 25 100 000 Ohm

Widerstand 26 100 000 Ohm

Widerstand 30 100 000 Ohm

Widerstand 31 2 000 Ohm

Widerstand 24 75 000 Ohm

Widerstand 23 10 000 Ohm

Spannungsstromquelle 250 Volt.
Der Elektroschallumformer 10 kann ein Piezokristallwandler mit einem Wellenwiderstand sein, der einer Kapazität von 0,00082 Mikrofarad in Reihe mit einem Widerstand von 2000 Ohm entspricht, und der Transformator 11 kann eine Selbstinduktion von 9 bis 15,5 Millihenry und ein Übersetzungsverhältnis von 12 : 1 erhalten.

Die Röhre 57 kann eine unter dem Namen Thyratron bekannte gittergesteuerte Entladungsröhre mit einem Anodenspitzenstrom von ungefähr 5 Amp. sein, die 'bei irgendeiner positiven Gitterspannung (gegenüber der Kathode) und einer Anodenspannung von 250 Volt zündet.

Claims (9)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Echolotgerät mit einem Elektroschallumformer zur Umwandlung elektrischer Schwingungen in Schall- oder Ultraschallwellen und zur Umwandlung von Schall- oder Ultraschallwellen in elektrische Schwingungen, mit Anzeige- oder Registriermitteln, mit Mitteln, die aus Blindwiderstandselementen bestehen und einen geschlossenen abgestimmten Schwingkreis bilden, mit Mitteln, um den Elektroschallum-

   ■ former periodisch durch einen Stoß zu erregen, und mit Mitteln für die Kopplung des abgestimmten Schwingkreises mit dem Anzeigeoder Registriermittel, die mit einer Entladungsröhre verbunden sind, die bei einer bestimmten Spannung zündet und damit verhindert, daß große Schwingungsamplituden die Anzeigemittel beeinflussen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gasentladungsröhre (20) und ein Belastungswiderstand (23) in Reihe gelegt und parallel zu dem einen (17) der Blindwiderstände (15, 17) geschaltet werden, wobei die Gasentladungsröhre (20)' bei einer bestimmten Spannung zündet, wobei Mittel (23, 24, 27) und andere erregende Mittel (53, 57) vorgesehen sind, um der Gasentladungsröhre (20) eine Vorspannung zu, geben, die kleiner als die bestimmte Zündspannung ist.
2. 2. Echolotgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel (23,24,27), die der Gasentladungsröhre eine Vorspannung geben, eine Spannungsquelle (27), einen Widerstand (24) und einen Belastungswiderstand (23) in einer Serienschaltung enthalten.
3. 3. Echolotgerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigemittel (19, 46, 34) mit dem abgestimmten Schwingkreis (11, 15, 17) gekoppelt sind, wobei die Anzeigemittel parallel zum Blindwiderstand liegen, zu dem auch die Serienschaltung der Gasentladungsröhre (20) mit dem Belastungswiderstand (23) parallel liegt.
4. 4. Echolotgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Blindwiderstand (17) ein Kondensator ist.
5. 5. Echolotgerät nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der abgestimmte Schwingkreis (11, 15, 17) in Serie die Blindwiderstände (17, 15, 11), und zwar einen Kondensator (17), eine erste Selbstinduktion (15) und eine zweite Selbstinduktion (11), zu der der Elektroschallumformer parallel liegt, enthält.
6. 6. Echolotgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erregenden Mittel (53. 57) eine Gasentladungsröhre (57) enthalten, die eine Kathode (58) und eine Anode (60) und ein Steuergitter (59) hat, deren Anode (60) und Kathode (58) durch einen Blindwiderstand (61) über die zweite Selbstinduktion des abgestimmten Schwingkreises (11, 15, 17) verbunden sind, wobei Mittel (27, 25) eine konstante Spannung zwischen Anode (60) und Kathode (58) legen und Mittel (53) periodisch positive Impulse an das Steuergitter (59) legen, um die Röhre (57) zu zünden und um einen einzelnen Stromimpuls daraus hervorzubringen und Mittel (30), um die Röhre (57) als Folge des Stromimpulses zu löschen.
7. 7. Echolotgerät nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Selbstinduktion (11) eine kleinere Induktivität besitzt als die erste Selbstinduktion (15).
8. 8. Echolotgerät nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Selbstinduktion (11) einen Transformator enthält, der an der Schwingkreisseite einen kleineren Wellenwiderstand als an der Elektroschallumformerseite besitzt.
9. 9. Echolotgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Selbstinduktion (11) von den anderen Teilen (15, 17) des ab-

   gestimmten Schwingkreises (ii, 15, 17) räumlich entfernt angeordnet und mit ihnen durch eine .Übertragungsleitung (18) verbunden ist, die einen Wellenwiderstand besitzt, der mit der Größe des Wellenwiderstandes der Serienschaltung des Kondensators (17) mit der ersten Selbstinduktion (15) bei deren Resonanzfrequenz vergleichbar ist.

   Angezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 690 760, 699 804, 237, 725 379.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   Sole 5. S3