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Vornditung zum Messen der Fahrtgeschwindigkeit und des Fahrtweges
insbesondere von Schiffen
Es ist bekannt, die Fahrtgeschwindigkeit von Schiffen unter
Ausnutzung des Dopplereffektes zu messen, indem gerichtete Wellen ausgesandt und
die lRreqúenzänderung gemessen wird, die diese Wellen nach-ihrer Reflexion aufweisen.
Die bisherigen, nach diesem Verfahren arbeitendren Fahrtmesser haben sich jedoch
nicht bewährt, was offenbar auf die außerordentlich starken Schwankungen zurückzuführen
ist, denen der Meßwert insbesondere bei stärkerem Seegang unterliegt. Man hat diese
Schwankungen bisher auf Störungen akustiseher -Art. zurückgeführt. Tatsächlich werden
die Se'hwankungen- jedoch durch die Bewegungen des Schiffes selbst hervorgerufen.
Erfindungsgemäß wird deshalb zur Schaffung einer brauchbaren Anzeige zunächst eine
Integration durchgeführt, indem die Differenzfrequenz bzw. die ihr entsprechende
Ánzeigegrdße einem Zählwerk bzw. einem Mengenmesser zugeführt wird, der in Wegeinheiten
geeicht ist bzw. mit einer Differentationseinrichtung zur Anzeige der Fahrtgeschwindigkeit
verbunden ist, welche denDifferenzenquotientenwert über einen größeren Zeitabstand
zur Anzeige bringt.
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Eine Integration der stark schwankenden Frequenzwerte hat man bisher
tegreiflicherweise nicht gewagt; denn da die Frequenzanzeige infolge- ihrer
starken
Schwankungen nur eine sehr ungenaue Beobachtung ermöglichte und man die Schwankungen
in erster Linie auf akustische Störungen zurückführte, jedenfalls aber der Frequenzanzeige
keine sehr hohe Genauigkeit zuzusprechen geneigt war, konnte natürlich eine Integration,
in der die häufig auftretenden Fehler der Augenblicksanzeige ebenfalls mit integriert
werden, nur einen um so ungenaueren Meßwert ergeben. Dadurch-war aber die Brauchbarkeit
einer durch Integration gewonnenen Anzeige der Fahrtgeschwindigkeit oder des Fahrtweges
von vornherein derart in Frage gestellt, daß der Fachmann überhaupt nicht auf den
Gedanken kam, von der akustischen Geschwindigkeitsanzeige eine Streckenmessung abzuleiten.
Tatsächlich führt jedoch eine Integration nach der Erfindung zu einer einfachen
Beseitigung der Anzeigeschwankungen und zu einer überraschend genauen und zuverlässigen
Messung.
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In der Zeichnung ist die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen
veranschaulicht, und zwar zeigt Abb. I ein Schaltbild einer Fahrtmeßanlage für Schiffe
in einer ersten Ausführungsform, Abb. 2 den Einbau der Schwinger in die Schiffswand,
Abb. 3 eine Abänderung der Anzeigevorrichtung zu Abb. I.
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Im dargestellten Beispiel Abb. I ist a ein Hochfrequenzgenerator,
z.B. ein Röhrengenerator, der auf einen Unterwasserschallschwinger b arbeitet.
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Der z. B. in die Bordwand eines Schiffes eingebaute Schwinger b ist
mit seiner Strahlfläche c nach voraus unter einem Winkel von z. B. 2crO schräg abwärts
gegen den Meeresboden gerichtet. Der vom Meeresboden reflektierte Schall wird von
einem Empfänger d aufgefangen, dessen Empfangsfläche / wie die Strahlfläche c des
Schwingers b nach voraus unter dem gleichen Winkel gegen den Meeresboden gerichtet
ist.
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Nach dem bekannten Dopplereffekt erfahren die Schallwellen infolge
der Relativgeschwindigkeit zwischen Schiff und Meeresboden eine Frequenzverschiebung,
deren Größe der Fahrtgeschwindigkeit und dem Kosinus des Winkels proportional ist.
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Bei z. B. einer Sendefrequenz von 35 kHz, einem Winkel von 200 und
einer Fahrtgeschwindigkeit von 10 Seemeilen beträgt die Frequenzverschiebung etwa
240 Hz, so daß die Schallwellen mit 3es 240 Hz zum Empfänger d zurückkehren. Die
Frequenzverschiebung um 240 Hz wird benutzt, um die Fahrtgeschwindigkeit des Schiffes
über Grund zu bestimmen. Zu diesem Zweck werden die reflektierten Schallwellen mit
der Sendefrequenz überlagert, wobei eine Differenzfrequenz von 240 Hz entsteht.
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Die Uberlagerung kann elektrisch erfolgen, indem man den Generator
a über eine Leitung g auf den Verstärker h einwirken läßt. Gegebenenfalls genügt
aber auch schon der vom Sender b zum Empfänger d gelangende direkte Schall zur Bildung
einer genügend starken Differenzfrequenz. Bei gleichzeitiger elektrischer und akustischer
Überlagerung ist gegebenenfalls in der Übertragungsleitung g ein Verzögerungsglied
zur Kompensation des Schallaufweges vom Sender zum Empfänger vorzusehen.
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Nach Gleichrichtunsg und Aussiebung der Hochfrequenz wird die zu messende
Differenzfrequenz einem Niederfrequenzverstärker i und sodann einer geeigneten Anzeigevorrichtung
zugeführt.
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In den dargestellten Beispielen wird sowohl der Augenblickswert der
Fahrtgeschwindigkeit als auch die zurückgelegte Wegstrecke angezeigt. Im Ausführungsbeispigl
nach Abb. I ist zur Anzeige der Fahrtgeschwindigkeit ein Zungenfrequenzmesser k
und- Igleichzeitig ein Zeigerfrequenzmesser m vorgesehen. Der Zungenfrequenzmesser
ist so ausgebildet, daß er lediglich die bei der Fahrt hauptsächlich interessierenden
Werte, insbesondere also die Marschfahrt, anzeigt. Dem Zungenfrequenzmesser ist
der Zeigerfrequenzmesser zugeordnet, bei dem in an sich bekannter Weise die dem
Dopplereffekt entsprechende Differenzfrequenz in eine elektrische Stromgröße umgewandelt
wird und dieser elektrische Strom als Maß der Frequenz dient und durch einen Strommesser
zur Anzeige gebracht wird. Zungen- und Zeigerfrequenzmesser sind dabei so angeordnet,
daß ihre Skalen miteinander zur Deckung kommen, so daß bei richtiger Anzeige Zeiger
und ausschlagendeZunge an derselben Stelle beobachtet werden.
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Parallel zum Zeiger- und Zungenfrequenzmesser liegt eine in ihrer
Konstruktion und Wirkungsweise ebenfalls an sich bekannte Frequenzuhr n, die so
ausgebildet ist, daß sie bei den in Frage kommenden Frequenzen von selbst anläuft
und die Frequenzen im gesamten Bereich ordnungsgemäß anzeigt bzw. zählt. Frequenzuhren,
die diese Bedingung erfüllen, lassen sich, wenn der Frequenzbereich nicht allzu
hoch gelegt wird, leicht herstellen.
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Da es vorkommen kann, Idaß infolge schlecht reflektierenden Meeresbodens
das Echo- zeitweise ausfällt oder so schwach ist, daß es nicht mehr zur Anzeige
kommt, ist ein Hilfssummer z vorgesehen, dessen Frequenz entweder selbsttätig oder
von Hand durch eine Einstellvorrichtung I auf die jeweilige Dopplerfrequenz eingestellt
wird. Auf diesen Summer wird die Frequenzuhr und gleichfalls der Zungen- und Zeigerfrequenzmesser
selbsttätig umgeschaltet, sobald das Echo ausfällt bzw. am Ausgang des Verstärkers
h keine für die Anzeige ausreichende Amplitude vorhanden ist. Hierzu ist parallel
zum Verstärkerausgang ein Relais j gelegt, das auf den Hilfssummer umschaltet, sobald
die Ausgangsspannung des Verstärkers unter einem gewissen Wert liegt. Erfolgt die
Einstellung des Hilfssummers von Hand, so kann gegebenenfalls eine Kupplung mit
der Schiffsmaschine od. dgl. in der Weise vorgesehen sein, daß die Einstellung gleichzeitig
mit der Fahrtsteuerung der Schiffsmaschine erfolgt. Es ist aber auch möglich, das
Umschaltrelais mit einem Signalkontakt zu versehen, durch den der Beobachter auf
das Ausfallen des Echos aufmerksam gemacht wird. In jedem Fall bleibt die Frequenzuhr
bei Ausfall des Echos nicht stehen, sondern läuft mit einer der jeweiligen Fahrt
entsprechenden oder nahezu entsprechenden
Geschwindigkeit weiter.
Da ein derartiger Echoausfall nur in seltenen Fällen und nur kurzzeitig zu erwarten
ist, wird eine nur ungefähre Einstellung des Hilfssummers auf die jeweilige Fahrtstufe
zur Vermeidung von merklichen Fehlern in der Streckenmessung vollauf genügen. -Die
Schwinger b und d weisen zweckmäßig eine längliche Form auf. Sie werden so angeordnet,
daß ihre Längsausdehnung in der Vertikalebene liegt.
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Im dargestellten Beispiel ist die Länge der Schwinger gleich dem Zehnfachen,
die Breite nur gleich dem Zweifachen der Wellenlänge des zur Messung benutzten Schalles.
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Vorteilhaft können die Schwinger, wie in Abb. 2 dargestellt, der
eine Backbord und der andere Steuerbord, in die Schiffswand eingebaut werden.
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Dabei bewirkt der zwischen den Schwingern liegende Schiffskörper eine
Abschattung derart, daß die Wirkbereiche der beiden Schwinger, selbst bei an sich
breiter horizontaler Richtcharakteristik, sich lediglich im Vorausgebiet überschneiden.
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Hierdurch ist die Möglichkeit gegeben, mit der Breite der- Schwinger
gegebenenfalls bis zu der einfachen Wellenlänge oder noch darunterzugehen.
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In der Vertikalen dagegen ist man baulich praktisch nicht begrenzt,
so daß- sich jede gewünschte Richtschärfe erzielen läßt. Beim Übergang zu größeren
Richtschärfen ist auch eine entsprechend dichtere Besetzung des Zungenfrequenzmessers
vorzusehen.
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Sowohl für die Frequenzuhr als auch für den Zeiger- oder Zungenfrequenzmesser
können im wesentlichen normale Ausführungsformen, wie sie auf dem Markt erhältlich
sind, verwendet werden.
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Der Frequenzmesser wird dabei zweckmäßig so gewählt, daß er die Fahrt
in dem hauptsächlich interessierenden Fahrtbereich von etwa 1/5 zu 1/5 Seemeilen
anzeigt.
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Die Zeigerfrequenzmesser, z. B. nach der Bauart der AEG, sind normalerweise
mit einer Dämpfung versehen, die so groß ist, daß der Zeiger Frequenzen, die als
tiefste noch angezeigt werden sollen, nicht mehr folgt.
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Wie Versuche ergeben haben, ist diese'Dämpfung viel zu klein, um
zu einer auch nur einigermaßen ruhigen Anzeige zu gelangen. Insbesondere ergeben
sich bei unruhigem Wasser starke akustische Schwankungen, die ein ständiges Hinundhergehen
des Zeigers verursachen und eine brauchbare Messung unmöglich machen. Um diese Schwankungen
zu beseitigen, ist eine starke zusätzliche Dämpfung, z. B. durch einen Kondensator,
vorzusehen. Diese Dämpfung kann so groß bemessen sein, daß das Instrument nur tatsächlichen
Fahrtänderungen genügend schnell folgt. Man kann so die akustischen Schwankungen,
die von Stampfbewegungen oder wechselnden Reflexionseigenschaften des Bodens herrühren
können, vom Anzeigegerät fernhalten; denn die möglichen Fahrtänderungen sind besonders
bei großen Schiffen relativ sehr langsam.
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Da die Zeigerfrequenzmesser verhältnismäßig amplitudenempfindlich
sind, ist es vorteilhaft, eine Amplitudenbegrenzung vorzusehen. Diese Amplitudenbegrenzung
kann -auch in Verbindung mit einem Zungenfrequenzmesser von Vorteil sein. Die Amplitudenbegrenzung
läßt sich, wenn der direkte Schall nicht bzw. nur mit geringer Amplitude durchkommt,
durch Fadingregulierung erzielen.
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Mit Rücksicht auf den direkten Schall ist es jedoch zweckmäßiger,
den Verstärkungsgrad des niederfrequenten Teiles zu regeln. Dabei kann die Regelung
durch die Zungen des Zungenfrequenzmessers gesteuert werden, indem diese bei Überschreiten
eines gewissen Maximalausschlages auf Regelkontakte einwirken. Bei der dargestellten
Verwendung eines Zungenfrequenzmessers und eines Zeigerfrequenzmessers erhält mali
auf diese Weise auch eine zweckmäßige Rückwirkung des Zungenfrequenzmessers auf
den Zeigerfrequenzmesser.
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Abb. 3 zeigt eine Abänderung der Anzeigevorrichtung, bei der die
Frequenzuhr gleichzeitig zur Anzeige der augenblicklichen Fahrtgeschwindigkeit mit
benutzt wird. Zu diesem Zweck ist sie mit einem Drehzahlmesser versehen. Dieser
ist im dargestellten Beispiel so ausgebildet, daß die Frequenzuhr über ein Getriebe
p einen Gleichstromgenerator r antreibt, dessen Spannung bzw. Strom als Maß für
die Drehzahl der Frequenzuhr benutzt und durch ein oder mehrere Strommesser s angezeigt
wird.
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Damit sich die Frequenz bei schnellen Frequenzänderungen möglichst
trägheitslos einstellen kann, ist das Getriebe p möglichst masselos auszuführen
und zwischen das Getriebe p und den Generator r eine weiche Kupplung u einzuschalten.
Diese Kupplung, die als Rutschkupplung ausgebildet sein kann, bewirkt gleichzeitig
eine Dämpfung der Augenblicksanzeige schon vor dem Generator derart, daß die Anzeige
etwaigen schnellen Frequenzänderungen nicht folgt. Natürlich kann auch hinter dem
Generator r eine elektrische Dämpfung des Strommessers s vorgesehen sein.
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Um die Hemmung bzw. Dämpfung durch das Getriebe p und den Generator
r mit den Anzeigeinstrumenten s auszugleichen, kann ein Hilfsmotor t vorgesehen
sein, dessen Drehzahl sich durch beispielsweise einen veränderlichen Widerstand
v in der Netzleitung w regeln läßt. Der Hilfsmotor t kann 4dabei so bemessen sein,
daß er die Reibungs-und sonstigen Dämpfungskräfte des Anzeigewerkes gerade überwindet.
Zweckmäßig wird jedoch der Motor t stärker ausgeführt und zwischen Motor und Getriebe
p eine Rutschkupplung x eingeschaltet.
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Um eine bequeme Einstellung und Nachstellung der Kupplung zu ermöglichen,
wird diese vorteilhaft als Elektromagnetkupplung ausgeführt. Die-Einstellung und
Regelung kann dann auf elektrischem Wege erfolgen. In der Zeichnung ist eine zusätzliche
selbsttätige Regelung der Elektromagnetkupplung durch ein Relais j und einen Widerstandy
vorgesehen. Diese Regelung ist so ausgebildet, daß bei Echoausfall durch das Relais
j der Vorwiderstandy kurzgeschlossen und dadurch der Strom und das Drehmoment der
Elektromagnetkupplung erhöht wird. Der Motor t ist so bemessen, daß er auch bei
Stillstand der Frequenzuhr n in der
Lage ist, diese zum Anlaufen
zu bringen. Um beim Einsatz des Echos und Stillstand der Frequenzuhr ein Einschalten
des Widerstandesy zu verhindern, kann in den Stromkreis des Relais j ein von Hand
zu betätigender Schalter vorgesehen sein, der bei Inbetriebsetzen der Anlage zu
benutzen ist. Durch den Hilfsmotor wird die Betriebssicherheit der Anzeigevorrichtung
wesentlich erhöht. Insbesondere wird dadurch ein Anlaufen auch bei hohen Fahrtstufen
sichergestellt. Je nach der Charakteristik der Frequenzuhr n ist es zweckmäßig,
den Hilfsmotor t auf eine bestimmte- Normalgeschwindigkeit einzustellen. Im allgemeinen
wird man ihn zweckmäßig auf eine etwa der höchsten Fahrtstufe entsprechende Geschwindigkeit
einstellen. Solange die Sende- und Empfangsanlagen in Betrieb sind oder das Echo
nicht ankommt, wird die Frequenzuhr n durch den Hilfsmotor mitgenommen. Kommen dann
die Schwingungen mit der Differenzfrequenz an der Frequenzuhr an, so stellt diese
sich selbsttätig auf die dieser Frequenz entsprechende Drehgeschwindigkeit ein.
War z. B. der Hilfsmotor t auf eine Drehzahl entsprechend zehnMeilen Fahrtgeschwindigkeit
eingestellt und fährt das Schiff tatsächlich nur mit zwei Meilen, so geht bei Ankunft
des Echos und Einschaltung der Frequenzuhr die Drehzahl der Frequenzuhr von zehn
Meilen auf zwei Meilen zurück. Gleichzeitig wird auch die Drehzahl des Hilfsmotors
und des Generators r entsprechend herabgesetzt. Der Generator r liefert dann die
der tatsächlichen Fahrtgeschwindigkeit entsprechende Spannung und damit eine richtige
Augenblicksanzeige.
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Um zu erreichen, daß beim etwaigen Ausfallen des Echos die Frequenzuhr
und der Generator r mit der jeweils richtigen oder annähernd richtigen Drehzahl
weiterläuft, kann der Regelwiderstandv des- Hiifsmotors in der gleichen Weise, wie
oben für den Hilfssummer in Abb. I erläutert, entweder von Hand oder selbsttätig
auf die richtige Fahrtstufe eingestellt werden. Diese Einstellung kann im vorliegenden
Beispiel auch von dem Generator r aus gesteuert werden.
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Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Beispiel beschränkt,
vielmehr sind noch mancherlei Abänderungen und auch andere Ausführungen möglich.
Insbesondere kann der Zungen- und gegebenenfalls auch der Zeigerfrequenzmesser (Abb.
I) in Fortfall kommen, insbesondere dann, wenn die Frequenzuhr, wie in Abb. 3 dargestellt,
mit einem Drehzahlmesser zur Anzeige der Augenblickswerte verbunden ist. Zur Ableitung
der Augenblicksanzeige von der Frequenzuhr können auch andere Diehzahlmesser, z
B. mechanische, durch Fliehkraft angetriebene oder Zungenfrequenzmesser, die durch
von der Uhr erzeugte Impulse betrieben werden; verwendet werden. Die Frequenzuhr
oder der sonstige Streckenmesser läßt sich auch mit einem Schreiber verbinden, der
zweckmäßig so ausgebildet ist, daß die zurückgelegte Fahrtstrecke über der Zeit
aufgetragen wird. Dies kann gegebenenfalls auch in der Weise geschehen, daß in bestimmten
Zeitabständen, z. B; von Stunde zu Stunde oder von Tag zu Tag, die zurückgelegte
Fahrtstrecke und gleichzeitig die Uhrzeit bzw. das Datum registriert werden.
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Ist die Frequenzuhr mit einem Drehzahlmesser zur Anzeige der Augenblickswerte
versehen, so kann gegebenenfalls auch auf die Anzeige der zurückgelegten Strecke
selbst verzichtet werden.
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Beim Betrieb der Frequenzmesser, insbesondere auch der Frequenzuhr,
hat es sich gezeigt, daß sich bei verhältnismäßig schwacher Richtwirkung des Senders
bzw. Empfängers eine trotzdem genaueAnzeige ergibt. Vermutlich ist das darauf zurückzuführen,
daß der Frequenzmesser sich aus dem je nach der Richtschärfe mehr oder weniger breiten,
zum Empfänger zurückkommenden Frequenz gemisch die Frequenz jeweils stärkster Amplitude
aussucht bzw. mit dieser Frequenz läuft. Diese Tatsache gibt die vorteilhafte Möglichkeit,
mit-der Richtschärfe oder mit der Frequenz des benutzten Schalles herabzugehen.
Bekanntlich ist Schall niederer Frequenz weniger stark der Absorption im Wasser
unterworfen, und es lassen sich damit also größere Reichweiten erzielen. Das ist
wichtig beim Fahren im tiefen Wasser. Es ist ferner nicht erforderlich, Sender und
Empfänger die gleiche Form und Richtcharakteristik zu geben, vielmehr kann es insbesondere
bei großen Meerestiefen zur Vermeidung des zeitweiligen Auseinanderfallens von Sende-
und Empfangsrichtung zweckmäßig sein; den einen Schwinger, z. B. den Empfänger,
besonders scharf zu machen und den Sender mitbreiterem Wirkbereich arbeiten zu lassen.
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Gegebenenfalls kann auch derselbe Schwinger zum Senden und Empfangen
benutzt werden. Dabei ist es allerdings insbesondere für den Zungenfrequenzmesser
zweckmäßig, daß die Sinusform der Sendefrequenz vollkommen gewahrt ist, während
bei Anordnung besonderer Schwinger zum Senden und Empfangen die Brummtöne durch
die Schwinger selbst größtenteils unterdrückt werden.
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Schließlich ist es auch nicht unbedingt erforderlich, einen vollständig
ununterbrochenen Dauerton auszusenden; zur Durchführung des vorliegenden Verfahrens
genügt es vielmehr schon, wenn zur Zeit des Empfanges der Sender oder ein Hilfssummer
zur Überlagerung in Betrieb ist. Dies ist jedoch nur dann möglich, wenn ein Hilfsmotor
vorgesehen ist, durch den während der Selide- bzw.
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Empfangspausen eine der jeweiligen Fahrt entsprechende Frequenz auf
die Anzeigevorrichtung gegeben wird, oder - der die Anzeigevorrichtung während der
Pausen mit einer entsprechenden Geschwindigkeit antreibt. Für einen derartigen Betrieb
wird die Vorrichtung zweckmäßig so ausgebildet, daß die Dopplerfrequenz einen Summer
lediglich ateuert, so daß sich während der Empfangspausen jeweils die genau der
letzten Empfangsfrequenz entsprechende Summerfrequenz einstellt.
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Zur Überbrückung gelegentlichen Echoausfalles genügt es, wenn die
Frequenz in den Zeiten des Echos ausfall es nur einigermaßen richtig aufrechterhalten
wird. Beim Impulsbetrieb hingegen ist es wichtig, die der Fahrt entsprechende Dopplerfrequenz
in den
Empfangspausen nach ihrem genauen Wert aufrechtzuerhalten.
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Aus dem gleichen Grunde ist es gegebenenfalls auch möglich, die zur
Anzeige benutzte, auf Grund des Dopplereffektes entsprechende D ifferenzfrequenz
nicht durch Überlagerung des reflektierten Schalles mit dem direkten elektrisch
oder akustisch auftretenden Schall zu erzeugen, sondern einen Summer konstanter
Frequenz zu benutzen und diese Frequenz zur Überlagerung mit der Frequenz des Echos
zu benutzen. Die Erfindung läßt sich schließlich nicht nur in Verbindung mit Schallwellen.
sondern auch z. B. mit elektromagnetischen Wellen verwenden.