-
Akustisches, auf dem Doppler-Prinzip beruhendes Verfahren und Vorrichtung
zur Messung der relativen Geschwindigkeit zwischen einem Körper und einem ihn umgebenden
Medium
Die Erfindung bezieht sich auf ein akustisches, auf dem Doppler-Prinzip beruhendes
Verfahren und eine Einrichtung zum Bestimmen der relativen Geschwindigkeit zwischen
einem Körper und einem ihn umgebenden Medium, insbesondere zum Messen der Fahrtgeschwindigkeit
von Schiffen oder Flugzeugen. Dabei wird von der bekannten Tatsache Gebrauch gemacht,
daß der Schallaufweg zwischen zwei in bestimmtem Abstand voneinander liegenden Stellen
durch die Fahrt oder Strömung vergrößert oder verkleinert wird, je nachdem die Bewegung
gleich oder entgegengesetzt zum Schall erfolgt. Da diese durch die Bewegung des
Mediums oder Fahrzeuges hervorgerufenen Änderungen bei der praktisch möglichen Große
der Meßstrecke meist außerordentlich klein sind, besteht eine der Hauptschwierigkeiten
der akustischen Geschwindigkeitsmessung darin, diese sehr kleinen Größen mit einer
für die praktische Fahrtmessung brauchbaren Genauigkeit anzuzeigen.
-
Um diese Schwierigkeit zu überwinden, hat man schon vorgeschlagen,
sich dieFähigkeit des menschlichen Gehörs zunutze zu machen, sehr kleine Zeitunterschiede
bis zu o,oo003 Sekunden herunter
zwischen dem Eintreffen des Schalls
an beiden Ohren als seitlichen Richtungseindruck zu empfinden. Der Gebrauch des
menschlichen Gehörs zum Messen hat jedoch den schwerwiegenden Nachteil, daß jeder
Meßwert eine besondere Beobachtung voraussetzt und daß es insbesondere nicht möglich
ist, Geschwindigkeit und Weg fortlaufend aufzuschreiben.
-
Es ist zwar auch schon vorgeschlagen worden, die gemäß dem Dopplereffekt
sich ergebende Laufzeitänderung von Schallimpulsen mit einem durch die Impulse betätigten
Schrittschaltwerk zu messen und daß dessen Schaltgeschwindigkeit mit einer Uhr verglichen
wird. Ein derartiges Gerät läßt sich jedoch infolge der außerordentlich kleinen
Zeitunterschiede schwerlich verwirklichen.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Geschwindigkeit und Weg
unter Ausnutzung des Dopplereffektes, jedoch ohne Zuhilfenahme des menschlichen
Gehörs genügend genau und zuverlässig zu registrieren und anzuzeigen.
-
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst worden, daß die
empfangsseitig infolge Überlagerung der Schallgeschwindigkeit und Eigengeschwindigkeit
des Fahrzeuges bzw. Mediums auftretende Phasenverschiebung gegenüber dem Ruhezustand
zur Anzeige gebracht und als Maß für die Geschwindigkeit benutzt wird.
-
Um eine gute Ablesegenauigkeit zu erzielen, ist es zweckmäß,ig, den
Abstand zwischen der Schallquelle und den Empfängern und die Frequenz des genutzten
Schalls so zu wählen, daß im Bereich der zu messenden Geschwindigkeiten Phasendifferenzen
von etwa o bis 1800 auftreten. Da das neue Verfahren nicht mehr an den Gebrauch
von Hörschall gebunden ist, können in für die Geschwindigkeitsbestimmung an sich
bekannter Weise Ultraschallwellen verwendet werden. Der gewünschte rXoO-Ausschlag
läßt sich bei hoher Schallfrequenz mit kleinen, leicht zu verwirklichenden Abständen
zwischen der Schallquelle und den Empfängern verwirklichen. Dies ist besonders wichtig,
wenn, wie bei der Fahrtmessung von Schiffen, die Geschwindigkeit verhältnismäßig
klein im Vergleich zur Schallgeschwindigloeit ist.
-
Das neue Fahrtmeßgerät kann auf Schiffen besonders vorteilhaft zusammen
mit einem Echolot verwendet werden, und zwar in der Weise, daß sowohl die Fahrtmeß-
als auch die Loteinrichtung mit Signalbetrieb arbeiten, so daß ein und dieselbe
Sendeeinrichtung gleicherweise und gleichzeitig zum Messen von Fahrtgeschwindigkeit
und Meerestiefe benutzt wird: zum Messen der Fahrtgeschwindigkeit durch Ausnutzung
des unmittelbar vom Sender zum Empfänger übertragenen Schalls und zum Messen der
Meerestiefe durch Ausnutzung des vom Meeresboden reflektierten Schalls. Dabei müssen
nur die Schailsignale aus einer für die Phasenmessung ausreichenden Folge von Schwingungen
bestehen. Es hat sich herausgestellt, daß man die in derEcholotung gebräuchlichen
Magnetostriktionsschwinger ohne weiteres in ihrer normalen Betriebsart auch zur
Fahrtmessung benutzen kann, da diese Schwinger bei dem normalen Signalbetrieb eine
für die Phasenmessung völlig ausreichende Folge von Schwingungen ausführen und gewöhnlich
auch in einem solchen Abstand voneinander in das Schiff eingebaut sind, daß sich
bei den für die Echolotung verwendeten Frequenzen für die auftretenden Fahrtgeschwindigkeiten
eine gut meßbare Phasendifferenz bis etwa i800 ergibt.
-
Es ist also nicht nur der zum Senden der Echosignale dienende Schwinger,
sondern auch die übrigen Sendeeinrichtungen gleichzeitig für die Fahrtmessung und
die Messung der Meerestiefen zu verwenden.
-
Für die Fahrtmessung genügt ein Empfänger und ein Sender, zwischen
die das Phasenmeßgerät eingeschaltet wird. Es können jedoch auch zwei Empfänger
in verschiedenem Abstand vor oder hinter der Schallquelle angeordnet und m!it einem
Phasenmesser zur Anzeige der zwischen ihnen herrschenden Phasendifferenz verbunden
sein. Der Abstand der Empfänger vom Sender ist dann ohne Einfluß auf die Fahrtmessung.
-
Die bei Ruhe sich ergebende Phasendifferenz ist durch eine Korrektion
am Phasen messer oder durch ein Verzögerungsglied in einer der Zuleitungen zum Phasenmesser
zu kompensieren.
-
Eine besonders vorteilhafte, für die meisten praktischen Fälle geeignete
Anordnung erhält man dadurch, daß vor und hinter der Schallquelle je ein Empfänger
angebracht und daß der Phasenmesser an diese beiden Empfänger angeschlossen ist,
wobei die Empfänger zweckmäßig gleichen Abstand vom Sender haben. Dadurch wird eine
selbsttätige Kompensation sowohl der für den Ruhezustand als auch der durch Schwankungen
der Schallgeschwindigkeit sich ergebenden Phasendifferenzen erzielt.
-
Diese Anordnung ist besonders für die Messung der Fahrtgeschwindigkeit
von Schiffen geeignet, wo die Schallgeschwindigkeit infolge von Zustandsänderungen
des Mediums merklichen Schwankungen unterworfen ist.
-
Statt einen Sender in der Mitte zwischen zwei Empfänger anzuordnen,
kann auch ein Empfänger in der Mitte zwischen zwei gleich erregten Sendern vorgesehen
und mit einem Meßgerät für die Amplitude der resultierenden Schwingung, die sich
durch Überlagerung der beiden von den Sendern ausgesandten Schwingungen ergibt,
verbunden sein.
-
Die Amplitude dieser resultierenden Schwingung ist ein unmittelbares
Maß für die zwischen den Schwingungen bestehende Phasendifferenz. Diese indirektePhasenmessung
kann auch bei den anderen Anordnungen angewandt werden, indem die beiden phasenverschobenen
Schwingungen zunächst überlagert und die Amplitude der resultierenden Schwingung
gemessen wird.
-
Die Erfindung sei an einigen Ausführungsbeispielen veranschaulicht.
-
Abb. I zeigt eine Vorrichtung zum Messen von Fahrtgeschwindigkeit
und Meerestiefe mit einem Braunschen Rohr als Fahrtanzeiger.
-
Abb. 2 bis 5 zeigen vier weitere Ausführungsbeispiele für ein Fahrtmeßgerät
nach der Erfindung.
-
Die in Abb. I und 2 dargestellten, zur Messung der Schiffsgeschwindigkeit
dienenden Einrichtungen sind mit drei in Längsrichtung des Schiffes in genau gleichem
Abstand hintereinanderliegenden Schwingern I, 2, 3 versehen, deren mittlerer als
Schallquelle benutzt wird, während die beiden in Fahrtrichtung vorn und hinten liegenden
Schwinger 2 und 3 als Empfänger zur Aufnahme des von der Schallquelle 1 ausgehenden
Schalls dienen.
-
Von der Schallquelle I wird ein Ton bestimmter Frequenz ausgesandt.
Befindet sich das Schiff gegenüber dem Wasser in Ruhe, so trifft der vom Sender
I ausgehende Schall an beiden Empfängern genau gleichzeitig ein. Bei Fahrt des Schiffes
dagegen trifft der Schall bei dem hinteren Empfänger 3 früher als bei dem vorn liegenden
Empfänger 2 ein, da sich der Empfänger 3 mit dem Schiff dem Schall entgegenbewegt,
während sich der Empfänger 2 V 011 ilim fortl)ewegt. Infolgedessen schwingen bei(le
Empfänger mit einer je nach der Fahrtgeschwindigkeit mehr oder weniger großell Phasendifferenz.
I)urch geeignete Wahl der lEmpfällgeral)stände und der Frequenz des benutzten Schalls
läßt sich erreichen, daß die Phasendifferenz sich für die praktisch auftretenden
Geschwindigkeiten im Bereich von o bis I80° bewegt, so daß sie als eindeutiges Maß
für die Geschwindigkeit zu benutzen ist. Die Phasendifferenz kann in einem geeigneten
Phasenmeßgerät angezeigt werden, das vorteilhaft unmittelbar in Seemeilen als Geschwindigkeitseinheiten
geeicht ist.
-
Ist y die Frequenz der benutzten Schall impulse, d der Alstand der
Empfänger 2 und 3 von der Schallquelle 1, c die Schallgeschwindigkeit im Wasser
und v die Schiffsgeschwindigkeit, so gilt für die auftretenden Phasendifferenzwinkel
# die Beziehung: 4 # γ # d c2-v2 Für Wasser ist 2t2 gegen c2 stets zu vernachlässigen,
so daß 4 # γ # d # = # v wird. Aus dieser Formel geht hervor, daß der auftretende
Phasendifferenzwinkel der Schiffsgeschwindigkeit unmittelbar proportional ist. Will
man z. B. für den Geschwindigkeitsbereich von o bis 25 Seemeilen Phasendifferenzen
bis Ig0° erzielen und legt man einen Abstand der Schwinger von 2 m zugrunde, so
ergibt sich für Wasserschall die Frequenz der zu benutzenden Schallquelle zu 22,5
kHz.
-
Echolot und Fahrtmeßgerät können, wie in Abb. I angedeutet, in der
Weise kombiniert werden, daß Sender und Empfänger der Echolotanlage für die Fahrtmessung
mit benutzt werden. Die Schwinger müssen zu diesem Zweck nur in Längsrichtung des
Schiffes hintereinanderliegen. Für die Fahrtmessung ist dann noch ein zusätzlicher
Empfänger 3 erforderlich. Da die zur Echolotung meist benutzten Magnetostriktionsschwinger
bei dem normalen Signalbetriel) der Echoloteinrichtung eine zur Phasenmessung völlig
ausreichende Folge von Schwinuunuen bei jedem einzelnen Signal ausführen, besteht
sogar die Möglichkeit, schon vorhandene Lotanlagen noch nachträglich mit einer Fahrtmeßeinrichtung
der beschriebenen Art zu verbinden und die gleichen Schallsignale sowohl über den
Umweg einer Reflektion für die Messung der Meerestiefe als auch unmittelbar ohne
diesen Umweg für die Messung der Schiffsgeschwindigkeit zu benutzen. Auch wird mit
der für Lotzwecke gebräuchlichen Frequenz von 22,5 kHz bei normalem Abstand zwischen
Sender und Empfänger schon eine gut meßbare Phasendifferenz in der Größenordnung
von I800 erzielt, wie aus obigem Beispiel zu ersehen ist. Sendeseitig kann die Einrichtung
zur Echolotung daher unverändert für die Fahrtmessung übernommen werden. Der Sender
I wird hierbei durch eine vom Tiefenanzeiger 7 gesteuerte Kondensatorenentladung
erregt, während die Aufladung des Kondensators 8 durch einen Umformers erfolgt.
Empfangsseitig kann außer dem Lotschwinger auch der zum Lotempfänger gehörige Verstärker
für die Fahrtmessung mit benutzt werden.
-
Zur Phasenmessung sind die üblichen für die betreffende Frequenz
auch sonst verwendeten Geräte ohne weiteres zu gebrauchen. Beim Ausführungsl)eispiel
der Abb. 1 ist ein Phasenmeßgerät vorgeseheii, das insl>esondere für den Signalbetrieb
vorteilhaft zu gebrauchen ist und die Augenblickswerte I>equem ablesbar anzeigt.
Es l>esteht aus einem Braunschen Rohr 4 mit zwei um 90° gegeneinander versetzten
Ablenkplattenpaaren 5, 5 und 6, 6. Auf das eine I'lattenpaar 5, 5 wirkt eine Spannung
ein. die der Summe der von den Empfängern aufgenommenen Schwingungen entspricht,
während an dem anderen 1'lattenpaar eine der Differenz dieser Schwingungen entsprechende
Spannung wirksam ist. Die Summe und Differenz der Schwingungen wird in zwei Überlagerungskreisen
10, II gebildet, die je einen Ohmschen und einen kapazitiven Widerstand 12 bzw.
I3 enthalten, und die Spannungen für das Braunsche Rohr werden in einem Kreis 10
von dem Ohmschen und in dem anderen Kreis 1 1 von dem kapazitiven Widerstand abgenommen.
Bei gleichen Amplituden an beiden Empfängern, die infolge des Abstandes vom Sender
normalerweise auch vorhanden sind, ergibt sich am Braunschen Rohr ein gerader Strich,
der sich proportional mit der Phasendifferenz zwischen beiden Schwingungen dreht.
-
Bei Signalbetrieb tritt der Lichtzeiger natürlich nur jeweils für
die Dauer einer Signallänge aut.
-
Bei der für Echolot gebräuchlichen schnellen Lotfolge von etwa 7 bis
15 pro Sekunde erhält man jedoch trotzdem den Eindruck einer stehenden Anzeige,
und auch bei langsameren Impulsfolgen ist eine ständige Ablesemöglichkeit gegeben.
Erfahrungsgemäß Wird die Ablesegenauigkeit durch die Signalanzeige nicht nennenswert
beeinträchtigt.
-
Es ist aber natürlich auch möglich, für die Fahrtanzeige statt eines
Signals einen Dauerton bestimmter Frequenz zu verwenden.
-
Sollen die Meßwerte fortlaufend registriert werden, so ist es zweckmäßig,
einen Phasenmesser zu verwenden, bei dem zunächst eine der Phasendifferenz entsprechende
Spannung erzeugt wird, die dann zum Betrieb eines Spannungs- und Strommeßgerätes
oder eines Zählers benutzt werden kann.
-
Ein solches Gerät ist in Abb. 2 beispielsweise dargestellt. Es besteht
wiederum aus zwei Oberlagerungskreisen 14 und 15. In die beiden Kreise sind Gleichrichter
I6, I6 eingeschaltet, die in entgegengesetztem Sinne wirken. Ferner sind in jedem
der Überlagerungskreise je ein Ohmscher Widerstand 17, 17 vorgesehen, deren Gesamtspannung
als Maß für die jeweilige Phasendifferenz dient und durch ein Zeigerinstrument I8.gemessen
wird, das gleichzeitig als Schreibgerät zur Aufzeichnung der Geschwindigkeiten ausgebildet
ist.
-
Außerdem ließe sich auch noch ein Zähler zum Anzeigen und Aufschreiben
der vom Schiff jeweils zurückgelegten Fahrtstrecke anschließen, der mit lmpulsbetrieb
oder Dauerton arbeitet.
-
Für manche Zwecke genügt ein Fahrtmeßgerät, bei dem, wie aus Abb.
3 ersichtlich, nur ein Empfänger 19 und ein Sender 20 vorgesehen ist. Das Phasenmeßgerät
21 mißt die Phasendifferenz zwischen den Schwingungen des Senders und Empfängers.
Dabei ist in die Zuleitung 22 vom Senderstromkreis 23 zum Phasenmesser 21 noch ein
elektrisches Verzögerungsglied 24 eingeschaltet, durch das die bei Ruhe des Schiffes
sich ergebende Phasendifferenz fest kompensiert wird. An Stelle des Verzögerungsglieds
kann auch eine entsprechende Mittelpunktskorrektion am Phasenmeßgerät 21 selbst
vorgesehen sein.
-
Auch diese Fahrtmeßeinrichtung läßt sich vorteilhaft mit einem Echolot
kombinieren. Dabei ist im Gegensatz zu der Ausführungsform nach Abb. I und 2 für
die Fahrtmessung überhaupt kein besonderer Empfänger, sondern zusätzlich zur Lotanlage
nur ein Phasenmesser erforderlich.
-
Bei dem weiterenAusführungsbeispiel nach Abb. 4 sind wie beim ersten
und zweiten Ausführungsbeispiel zwei Empfänger 215, 26 und ein Serider 27 vorgesehen;
dabei liegen jedoch beide Empfänger auf ein und derselben Seibe des Senders im Abstand
d voneinander. Der Phasenmesser 28 ist an die beiden Empfänger 25, 26 angeschlossen,
und in eine der Zuleitungen von den Empfängern zum Phasenmesser ist wiederum eine
Verzögerungsleitung 29 zur Kompensation der bei Fahrtgeschwindigkeit Null auftretenden
Phasendifferenz eingeschaltet.
-
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß die Empfänger in beliebigem
Abstand vom Sender angeordnet werden können, ohne daß Mehrdeutigkeit der Anzeige
auftritt. Macht man den Abstand vom Sender 27 zum nächsten Empfänger gleich d, so
erhält man eine der Geschwindigkeit proportionale Phasendifferenz.
-
An Stelle von zwei Empfängern und einem Sender können auch zwei Sender
und ein Empfänger vorgesehen sein. Abb. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer solchen
Anordnung. Der Empfänger 30 ist in der Mitte zwischen den beiden Sendern 3I, 32
angeordnet. Die Sender werden von derselben Strom-oder Spannungsquelle 33 erregt.
Im Empfänger 30 überlagern sich die beiden, von den Sendern 3I, 32 ausgehenden Schallschwingungen
mit einer der Fahrtgeschwindigkeit entsprechenden Phasendifferenz. DieAmplitude
der resultierenden Schwingung wird in einem geeigneten Meßgerät 34 angezeigt und
als Maß für die Phasendifferenz bzw. Fahrtgeschwindigkeit benutzt.
-
Natürlich ist die Erfindung nicht auf die dargestellten Beispiele
beschränkt. Insbesondere könnten nötigenfalls Vorkehrungen getroffen werden, um
völlige Gleichheit der Intensitäten sicherzustellen, bevor die beiden phasenverschobenen
Schwingungen dem Phasenmesser zugeführt oder zur Amplitudenmessung überlagert werden.
Dies kann z. B. dadurch erreicht werden, daß beide Empfänger mit Regelverstärkern
verbunden werden. Man kann die Phasenanzeige von der Intensität unabhängig machen,
indem man Phasenmesser nach dem System Hartmann & Braun verwendet, bei denen
die eine Spannung ein magnetisches Drehfeld mit Hilfe zweier um go° gedrehter Spulen
erzeugt, in deren Innern ein Rahmen beweglich aufgehängt ist, auf den die phasenverschobene
Spannung gegeben wird. Die Ablenkung dieses Rahmens ist der Phase porportional.
Vorteilhaft wird man Sender und Empfänger als Resonanzgebilde ausbilden, um von
vorhandenen Störgeräuschen unabhängig zu sein. An Stelle von Magnetostriktionsschwingern
können natürlich auch andere, zur Erzeugung und zum Empfang von Schallwellen bestimmter
Frequenz geeignete Schwinger verwendet werden.
-
PATENTANSPROCHE: I. Akustisches, auf dem Doppler-Prinzip beruhendes
Verfahren zur Messung der relativen Geschwindigkeit zwischen einem Körper und einem
ihn umgebenden Medium unter Anwendung der bekannten Anordnung von Schallsender und
Empfänger hintereinander in der Bewegungsrichtung am Körper und in festem Abstand
voneinander, wobei der über den Abstand zwischen Sender und Empfänger als Schallaufweg
übertragene direkte Schall empfangen und zur Fahrtmessung ausgenutzt wird, insbesondere
zum Messen der Fahrtgeschwindigkeit von Schiffen oder Flugzeugen, dadurch gekennzeichnet,
daß die empfangsseitig infolge der Überlagerung der Schallgeschwindigkeit und Eigengeschwindigkeit
des Fahrzeugs bzw.
-
Mediums auftretende Phasenverschiebung gegenüber dem Ruhezustand
angezeigt und als Maß für die Geschwindigkeit benutzt wird.