-
Vorrichtung zum Messen der Fahrtgeschwindigkeit, insbesondere von
Schiffen Die Erfindung bezieht sich auf eine weitere Ausbildung der in der Patentschrift
86i332 beschriebenen Vorrichtung zum Messen der Fahrtgeschwindigkeit, insbesondere
von Schiffen, unter Ausnutzung des Dopplereffektes. Dias Wesen des Hauptpatentes
besteht darin, daß die durch den Dopplereffekt hervorgerufene Differenzfrequenz
zum Antrieb :einer Frequenzuhr benutzt wird, d. h. einer elektrischen Maschine,
deren Umdrehungszahl der angelegten Frequenz proportional ist und sich infolgedessen
nach der jeweiligen Dopplerfrequenz einstellt. Eine derartige Meßvorrichtung hat
den Vorteil, daß sich mit ihr :ohne weiteres die von dem Schiff oder sonstigen Fahrzeug
zurückgelegte Strecke anzeigen läßt. Aber auch für die Anzeige der @augenblicklichen
Fahrtgeschwindigkeit ist eine Frequenzuhr besonders ;geeignet, indem die Augenblicksanzeige
von der Frequenzuhr durch Drehzahlmessung abgeleitet werden kann. Eine derartige
zunächst verwickelt erscheinende Anzeige der Fahrtgeschwzndigkeit ist für die Praxis
in mehrfacher Hinsucht vorteilhaft. Zunächst hat sich gezeigt, .daß die Frequenzuhreine
sehr
zuverlässige Anzeige ergibt, da sie infolge ihrer geringen Trägheit den auftretenden
Meßwertschwankumgen zu folgen vermag und daher eine .genaue Integratondurchführt.
Eine besonders zweckmäßige Ableitung der Augenblicksanzeigie von der Frequenzuhr
erhält mlan erRnndungsgemäßdadurch, da;ß die Drehgeschwindigkeit der Frequenzuhr
nach dem Stoppuhrprinzip gemessen wird, indem in an sich bekannter Weise iee Zeit
für eine bestimmte Umdrehungszahl .der Frequenzuhr mittels. .eines Zeitmessers bestimmt
wird, der durch :die Frequenzuhr ,auf elektrischem oder mechanischem Wege gestoppt
wird, oder indem für eine bestimmte Zeit die Umdrehungszahl der Frequenzuhx gemessen
wird. Durch Wahl geeigneter Stoppzeiten läßt sich hiermit eine vollkommen ruhige
Anzeige der Fahrtgeschwindigkeit erzielen, insbesondere lassen sich auch @dno langzeitigen,
bei Schiffen durch das Stampfen und sonstige Schiffsbiew bg,ungen infolge Seegang
hervorg exufenien scheinbaren Fahrtänderungen vollkommen ausschalten.
-
In. der Zeichnung ist die Erfindung an mehreren, Ausführungsbeispielen
veranschaulicht.
-
Abb. i zeigt eine Fahrtmeßanlage in schematischer Darstellung, Abb.2
eine Abänderung zu Abb. i.
-
Im dargestellten Beispiel Abib. i ist a ,ein, H@ochfrequenzgenerator,
der auf einen Unterwasserschallschwinger b arbeitet. Der z. B. in die Bordwand eines
Schiffes eingebaute Schwinger Ir ist mixt seiner Strahlfiäche c nach voraus. unter
einem Winkel a von z. B. 20° gegen .die Horizontale schräg abwärts gegen den Meeresboden
gerichtet. Der vom Meeresb.o.den reflektierte Schall wird von .einem Empf.ängend
aufgefangen, dessen Empfangsfläche f wie die Strahlfläche c des Schwingers b mach
voraus unter dem gleichen Winkel a gegen den Meeresboden ;gerichtet isst.
-
Nach dem bekannten Dopplereffekterfahren die Schallwellen infolge
der Reliativgeschwindigkeit zwischen Schiff und Meeresb,o,den eine Frequenzverschlebun:g,
deren Größe der Fahrtgeschwindigkeit und dem Kosinus ;des Winkels a proportional
ist. Bei z. B. :einer Sendefrequenz von. 3 5 kHz, einem Winkel a von 2o° und einer
Fahrtgeschwindigkeit von io Seemeilen beträgt die Freqwenzverschüebu@ng etwa 24o
Hz, so. daß die Schallwellen iniit 35 24o Hz zum Empfängend zurückkehren. Die Frequenzverschi:ebung
um 24o 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 vorn 24o Hz entsteht. Hierbei kann die
unmittelbare akustische Überlagerang der vom Sender b zum. Empfänger id gelangenden
direkten Schallwellen mit den reflektierten Schallwellen ausgenutzt werden. Da,
jedoch die Amplitude des direkten Schalles sehr starken Schwankungen unterworfen
ist, ist es. zweckmäßiger, eine elektrische Überlagerung voirzunehmen, indem man
den Generatora über eine Leitungg auf den Verstärker k :einwirken läßt. Dabei macht
man vorteilhaft die Amplitude der elektrisch überlagerten Sendefrequenz so, ;groß,
daß sie die vorkommenden Amplituden der reflektierten und der direkten Schallwellen
wesentlich übertrifft.
-
Nach Gleichrichtung und Aussiebung .der Hochfrequenz wird die zu messende
Differenzfrequenz einem Niederfrequenzverstäxker i und sodann einer geeigneten Anzeigevorrichtung
zugeführt.
-
In den dargestellten Beispielen wird sowohl der Augenblickswert .der
Fahrtgeschwindigkeit als auch die zurückgelegte Wegstrecke .angezeigt. Im Ausführungsbeispiel
nach Abb. i ist zur Anzeige der Fahrtgeschwindigkeit eine Frequeazuhr it in, Form
einer .elektrischen Synchronmaschine vorgesehen, die zweckmäßig so ausgebildet ist,
daß sie die Frequenzen im gesamten Bereich ordnungsgemäß anzeigt bzw. zählt.
-
Da es vorkommen kann, daß infolge schlecht reflektierenden. Meeresbodens
:das Echo zeitweise ausfällt oder so schwach ist, d,aß es nicht mehr zur Anzeige
kommt, ist eine Hilfsstromquelle vorgesehen. Diese besteht aus einem zweiten Wechselstrommiotor
3o. Der Hilfsmotor 3o kann durch einen Umschalter 54 wahlweise an einen regelbaren
Hilfssummer z oder unmittelbar an das Stromnetz 53 von 22o Volt und 5o Perioden
angeschlossen werden. Er ist mit der Freqnenznhr n mittels eines Getriebes 3r, 32
mit Übersetzung i zu 6 ,gekuppelt. Die Verwendung eines Hilfsmotors für 5o Perioden
ist zweckmäßig, weil hierbei marktübliche, für Frequenzuhren gebräuchliche Synchronmotoren
verwendet werden können, die bei 5o Perioden iohne wei; teres anlaufen. Die marktüblichen
Frequenzuhren, laufen bei höheren Periodenzahlen normalerweise nicht an. Der Hilfsmotor
3o hat deshalb nicht nur den Zweck, die Trägheit des an die Frequenzuhr at angeschlossenen
Getriebes zu überwinden, sondern soll gleichzeitig auch den Anlauf der Frequenz:
uhrn bei jeder beliebigen Fahrtstufe gewährleisten.
-
Die Drehzahl des Hilfsmotors 30 ist nicht regelbar. Dies wird
auch im allgemeinen nicht erforderlich sein, weil. bei Ankunft des Echos die Drehzahl
sich nach -der Frequenz des Echos bzw. nach :der durch den Depplereffekt hervorgerufenen
Di:ferenzfrequenz richtet -und nur in den noirmalerwe'ise kurzen Zeiten des Echoausfalles
:das Meßwerk mit der Nenndrehzahl des Hilfsmotors 30 läuft. Die Übersetzung zwischen
dem Hilfsmotor 3o und der Frequenzuhr tt wird zweckmäßig so gewählt, daß das Meßwerk
bei Echoausfall mit einer etwa der höchsten möglichen Fahrtstufe entsprechenden
Geschwindigkeit weiterläuft. Es hat sich gezeigt, daß die normalen Frequenzuhren
bei ,einer :derartigen Anordnung am besten zusammenarbeiten. Kommt das Echo an,
so läuft die Frequenzuhrn synchron mit der Doppelfrequenz, und der Hilfsmotor 3o
wird derart abgebremst, daß er außer Tritt fällt und mit einer der Übersetzung zur
Frequenzuhr n entsprechenden Drehzahl mitläuft. Bei Echoausfall dagegen läuft der
Hilfsmotor 30 synchron mit dem 5o-Perioden-Netz, und die Frequenzuhrn fällt
,außer Tritt.
-
Zur Streckenmessung können. sowohl ein mechanisch mit der Welle des
Hilfsmotors verbundenes
Zählwerk 34 als auch .ein oder mehrere von
der Welle 33 aus elektrisch gesteuertes Zählwerk 35 vorgesehen sein. Das mechanisch
angetriebene Zählwerk 34 ist im dargestellten Beispiel als kombiniertes Zeiger-
und Zahlenzählwerk ausgebildet. Das Zahlenzählwerk 36 gibt fünfstellig mit einer
Kommastelle die überfahrene Wegstrecke in Seemeilen an. beispielsweise als 1346,2
Meilen, während der Zeiger 37 je Umdrehung 1/l0 Seemeile zählt und an seiner Skala
die 1/100 und 1/100o Seemeile abzulesen gestattet. Die Achse 38 des Zeigers 37 ist
mit der Welle 33 durch einen Schneckentrieb 39 mit übersetzung i zu 175 verbunden.
Auf der Zeigerachse 38 sitzt ferner ein Kantaktgeber 4o zur Fernsteuerung des Streckenmessers
35. Dieser Streckenmesser ist mit einem Relais 41 versehen, das durch den Kontaktgeber
4o bei jeder Umdrehung einmal mit der Netzspannung verbunden wird und dadurch entsprechend
der Drehgeschwindigkeit der Zeigerachse 38 fortgeschaltet wird.
-
Die Augenblicksanzeige der Fahrtgeschwiaidigkeit kann ebenfalls, wie
in Abb. i veranschaulicht, auf elektrischem Wege von der Frequenzuhrn gesteuert
werden. Hierzu sind beispielsweise auf der Zeigerachse 38 zwei Kontaktgeber 42,
¢3 vorgesehen. Durch den Kontaktgeber 42 wird bei jeder Umdrehung der Zeigerachse
38 ein Kondensator 44 kurzzeitig an eine Spannungsquelle 45 gelegt und dadurch aufgeladen.
Der Kondensator 4.¢ entlädt sich sodann langsam über einen Widerstand 45-. Seine
Spannung ist in jedem Augenblick ein Maß für .die seit der Aufladung verflossene
Zeit. Nach etwa einer vollen Umdrehung der Zeigerachse 38 wird der Kondensator q¢
durch den Kontaktgeber 43 kurzzeitig mit einem Spannungsmesser, z. B. einem. Röhrenvoltmeter
46, verbunden. Die durch den Kontaktgeber 43 auf den Spannungsmesser 46 geschaltete
Spannung ist ein Maß für die Drehgeschwindigk eit der Zeigerachse 38 bzw. für die
Fahrtgeschwindigkeit, und zwar ist sie um so kleiner, je geringer die Fahrtgeschwindigkeit
ist. Parallel zum Spannungsmesser a6 liegt noch ein im Vergleich zum Kondensator
44 kleiner Kondensator 47, der die Spannung am Spannungsmesser 46 bis zur nächstem
Kontaktgabe durch den Kontaktgeher 43 aufrechterhält.
-
Bei der bisher beschriebenen Einrichtung wird für eine bestimmte Anzahl
von Umdrehungen der Frequenzuhr die zugehörige Zeit gemessen. Umgekehrt kann man
auch für eine bestimmte Zeitspanne die zugehörige Umdrehungszahl .der Frequenzuhr
messen und diese als Maß für die augenblickliche Fahrtgeschwindigkeit benutzen.
Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß, wie in Abb. i veranschaulicht,
der Streckenmesser 35 mit Hilfe eines mit gleichförmiger Geschwindigkeit umlaufenden
Motors 48 und zweier Kontaktgeber 49 und 50 für z. B. 6 Minuten eingeschaltet wird.
Die Anzeige an dem Streckenmesser entspricht dann dein zehnten Teil der Fahrtgeschwindigkeit
in Seemeilen pro Stunde. Durch den. Kontaktgeber 49 wird kurz vor Be,gin@n des Einschaltens
d es Streckenimessers durch den Kontaktgeber 5o das Zählwerk des Streckenmessers
in die Nullstellung zurückgeführt. Diese Meßeinrichtung zur Anzeige der Fahrtgeschwindigkeit
kann durch Einlegen eines Schalters 51 und Öffnen eines Schalters 52 abgeschaltet
werden.
-
Ein weiteres Ausführungsbeis.pIel, bei dem für eine bestimmte Zeit
die Umdrehungszahl gemessen wird, ist in Abb. 2 gegeben. Darin ist 38 wieder die
mit der Frequenzuhr verbundene Meßwelle. Gleichachsig zu der Welle 38 ist eire zweite
Welle 55 vorgesehen, die mit der Welle-8 durch eine Elcktr0-magnetkupphing 56 verbindbar
ist. Der Elektromagnet 56a der Elektromagnetkupplung ist mit der Welle 55 verbunden
und wird durch eine Uhr 57 gesteuert. Diese Uhr besteht im wesentlichen. aus einem
mit konstanter Drehzahl umlaufenden Kontaktgeber, durch den der Elektromagnet 56a
in bestimmten Zeitabständen für jeweils eine gleichlange Zeitspanne eingeschaltet
wird. Während dieser Zeit wird dann die Welle 55 von der Welle 38 mit;genommen.
Die Umdrehungszahl der Welle 55 während dieser Zeit wird auf einem fortlaufendem
Schreibstreifen 58 mit Hilfe eines Schreibstiftes 59 aufgezeichnet. Der Schreibstift
59 ist an einem Band oder Faden 6o befestigt, dessen eines Ende mit einer Zugfeder
61 und dessen anderes Ende mit einem festen Punkt ,auf einer mit der Welle 55 verbundenen
Trommel 62 verbunden ist. Werden die beiden Wellen.38 und 55 miteinander
gekuppelt, so wird die Tromme162 unter Anspannung der Feder 6i so lange verdreht,
bis der Elektromagnet 56a durch den Kontaktgeber der Steueruhr 57 wieder abgeschaltet
wird. Währenddessen schreibt der Schreibstift 59 auf dem Schreibstreifen 58 eine
gerade Linie auf, deren Länge dem Drehwinkel der Welle 55 während dieser Zeit entspricht.
Sobald der Elektromagnet 56a ausgeschaltet wird, geht der Schreibstift 59 -und mit
ihm die Trommel 62 und Welle 55 augenblicklich unter Einwirkung der Feder 61 wieder
in seine Nullage zurück. Auf dem fortlaufenden Schreibstreifen 58 wird somit die
Fahrtgeschwindigkeit dauernd aufgeschrieben, so daß man nicht nur die augenblickliche
Fahrt ablesen, sondern ,auch nachträglich den gesamten Fahrtverlauf übersehen kann.
-
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Beispiele beschränkt,
vielmehr sind noch mancherlei Abänderungen und auch andere Ausführungen möglich.
Zur Ableitung der Augenblicksanzeige vom der Frequ,enzuhr können auch andere Drehzahlmesser,
z. B. Frequenzmesser, die durch von der Uhr @erzeugte Impulse betrieben werden,
verwendet werden. Die folgenden Hinweise betreffen nicht Merkmale der Erfindung,
sie sollen lediglich zum besseren Ver ständnis der Amvendungsmöglichkeit dienen.
-
Ist die Frequenzuhr mit einem Drehzahlmesser zur Anzeige derAugenblickswerte
versehen, so kann, gegebenenfalls auch auf die Anzeige der zurückgelegten Strecke
selbst verzichtet werden.
-
Beim Betrieb der Frequenzmesser, insbesondere auch der Frequenzuhr,
hat es sich gezeigt, daß sich bei verhältnismäßig schwacher Richtwirkung des Senders
bzw. Empfängers eine trotzdem genlaue Anzeige ergibt. Vermutlich ist das darauf
zurückzuführen,
daß der Freqwenzmesser sich aus dem je nach der
Richtschärfe mehr oder weniger breiten, zum Empfänger zurückkommenden Frequenzgemisch
die Frequenz jeweils stärkster Amplitude aussucht bzw. mit dieser Frequenz läuft,
indem er die Nulldurchgänge der auf ihn gegebenen 'Schwingung zählt. Diese Tatsache
;gibt die vorteilhafte Möglichkeit, mit der Richtschärfe oder mit der Frequenz des
benutzten Schalles herabzugehen. Bekanntlich ist Schall niederer Frequenz weniger
staxk der Absorption in Wasser unterworfen, und es lassen sich damit also größere
Reichweiten erzielen. Das ist wichtig beim Fahren im tiefen Wasser.
-
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 Sende- bzw. 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: Betrinb wird die Vorrichtung zweckmäßig sio ausgebildet,
@daß die Dopplerfrequenz einen Summer lediglich steuert, so- daß sich während der
Empfangspa@us-en jeweils die genau der letzten #Ernpfangsfrequenz entsprechende
Siummerfrequ@enz einstellt. Zur Überbrückung gelegentlichen Echoausfalles genügt
es, wenn die Frequenz in den Zeiten des. Echoausfalles nun einigermaßen richtig
aufrechterhalten wird. Beim Impulsbetrieb dagegen ist es, wichtig, die :der Fahrt
entsprechende Dopplerfrequenz in den Empfangspausen nach ihrem genauen Wert aufrechtzuerhalten.
-
Aus dem gleichen Grunde ist es gegebenenfalls auch möglich, die zur
Anzeige benutzte, dem Dopplereffektentsprechende Differenzfrequenz nicht durch Überlagerung
des reflektierten Schalles mit dein direkten, elektrisch :oder ,akustisch aufgenommenen
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 Verbilndunig mit Schallwellen, sondern fauch
z. B. mit elektromagnetischen Wellen verwenden.