DE902020C

DE902020C - Verfahren zur Bestimmung von Wegungterschieden aus der Laufzeitdifferenz von Schwingungen

Info

Publication number: DE902020C
Application number: DEA9220D
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing E T H Gustav Guanella
Original assignee: AEG AG
Current assignee: AEG AG
Priority date: 1941-05-13
Filing date: 1941-05-13
Publication date: 1954-01-18

Description

Verfahren zur Bestimmung von Wegunterschieden aus der Laufzeitdifferenz von Schwingungen Nach bekannten Verfahren zur Bestimmung der Längenunterschiede verschiedener Ausbreitungswege elektromagnetischer Wellen werden die Wellen mit linear ansteigender und wieder abfallender Frequenz in einer Empfangseinrichtung zur InteIferenz gebracht, so daß Schwebungen entstehen, deren Frequenz dem Laufzeitunterschied proportional ist. Durch Messung der Schwebungsfrequenzen kann somit der nachzuweisende Wegunterschied ermittelt werden.
Ein solches Verfahren wird beispielsweise angewendet zur Bestimmung der Höhe von Flugzeugen über dem Erdboden, indem Schwingungen mit linear veränderlicher Frequenz vom Flugzeug ausgesandt und wieder empfangen werden. Die Schwebungen zwischen den vom Erdboden reflektierten Schwingungen und den direkt vom Sender zum Empfänger gelangenden Schwingungen ermöglichen dabei eine Kontrolle des Laufzeitunterschiedes beider Schwingungen, welcher der nachzuweisenden Höhe proportional ist. Nach einem anderen bereits vorgeschlagenen Verfahren kann durch Bestimmung der Wegunterschiede nach der Schwebungsmethode auch die Richtung ermittelt werden, in welcher Schwingungen veränderlicher Frequenz auf mindestens zwei verschiedenen Übertragungswegen von einer Sendeanlage zur Empfangsanlage gelangen.
Bei der praktischen Durchführung der genannten Verfahren kann die Messung der Schwebungsfrequenz gewöhnlich durch automatische Regelung einer entsprechenden Niederfrequenzschwingung auf konstante Amplitude, Übertragung dieser Niederfrequenzschwingung über ein Netzwerk mit frequenzabhängiger Durchlässigkeit und nachfolgende Amplitudenmessung erfolgen. Die genaue Regelung auf konstante Amplitude bereitet dabei erhebliche Schwierigkeiten. Es sind auch Verfahren zur Frequenzmessung bekannt, nach welchen jede Einzelschwingung des Schwingungsvorganges einen bestimmten Ladungstransport bewirkt, so daß der durch diese Ladungstransporte zustande kommende mittlere Strom in einem bestimmten Zusammenhang mit der Schwebungsfrequenz steht. Auch hier treten bei der praktischen Durchführung gewisse Schwierigkeiten auf.
Die Frequenzmessung wird vor allem dadurch erschwert, daß die Schwebungstöne gewöhnlich unerwünschte Störkomponenten enthalten, deren Ursache in den mitempfangenen Störschwingungen liegt.
Diese Störkomponenten, deren Amplituden und Frequenzen gewöhnlich starken Schwankungen unterworfen sind, verursachen entsprechend schwankende Abweichungen bei der Messung der gesuchten Schwebungsfrequenz, wodurch die Entfernungskontrolle empfindlich beeinträchtigt wird.
Diese Unannehmlichkeiten werden nun nach der Erfindung vermieden, indem ein Drehfeld erzeugt wird, dessen Umlaufsinn und Umlauffrequenz von der nachzuweisenden Schwebungsfrequenz abhängt, durch welches Drehfeld mechanisch bewegliche, auf Störfrequenzen nicht ansprechende Organe mitgenommen werden, deren Bewegung zur Bestimmung der nachzuweisenden Laufzeitunterschiede ausgewertet wird.
Die Wirkungsweise des neuen Verfahrens und einige Beispiele zur Durchführung desselben werden nun an Hand der Fig. I bis 8 erläutert.
Die Frequenz f der ausgesandten Schwingungen sei f = fo +F (tSt T) ' (I) wobei f0 eine mittlere Frequenz und F die Frequenzänderungsgeschwindigkeit, d. h. die Frequenzänderung pro Zeiteinheit darstellt. Durch St sind beliebige ganze Zahlen einer fortschreitenden Ziffernfolge und durch T die gleichbleibende Dauer einer Frequenzänderungsperiode dargestellt. Nach der Übertragung über die verschiedenen Übertragungswege sl und s2 sind die Schwingungen um die entsprechenden Übertragungszeiten t1 bzw. t2 verzögert, d. h. für die Frequenz der empfangenen Schwingungen gilt: fi = fo + F (ttlSt T) p (2a) f2 = f0+F(t-t2-n#T), (2b) und man erhält für die Frequenzdifferenz beider Schwingungen: h I(f2-f1) F(t1-t) Fs @#s h = #(f2-f1) = #F(t1-t2) = # , (3) c wobei durch s = s2-s1 der Wegunterschied beider Übertragungswege und durch c die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Wellen bezeichnet ist.
Eine Niederfrequenzschwingung e6, deren Frequenz mit der Differenzfrequenz h übereinstimmt, wird in bekannter Weise durch Überlagerung und Gleichrichtung beider empfangenen Schwingungen gewonnen.
Durch Messung der Frequenz dieser Niederfrequenzschwingung ist dann gemäß (3) der frequenzproportionale Wegunterschied s zu ermitteln.
Bei der praktischen Durchführung dieses Verfahrens enthält die Niederfrequenzschwingung e6 jedoch meistens noch zahlreiche Komponenten, deren Frequenz von der gesuchten Schwebungsfrequenz h abweicht. Diese unerwünschten Komponenten entstehen besonders durch Überlagerung beider Empfangsschwingungen mit Störschwingungen benachbarter Frequenz. Bei schwachen Empfangsamplituden können solche störende Komponenten auch durch Rauschen der Empfangs- und Überlagerungskreise zustande kommen. Eine einwandfreie Messung der Schwebungsfrequenz h ist dann nach den üblichen Methoden nicht mehr möglich. Wegen der gleichzeitig auftretenden Störfrequenzen usw. ergibt die Messung eine scheinbare Schwebungsfrequenz hz, welche einen Mittelwert der gesuchten Schwebungsfrequenz und sämtlicher Störfrequenzen darstellt und die somit im allgemeinen von h abweicht.
Die Einflüsse der Störkomponenten sind je nach dem Frequenzmeßverfahren verschieden. Wenn e6 beispielsweise zur Frequenzkontrolle über ein Netzwerk mit frequenzproportionaler Durchlässigkeit geleitet wird, so kann eine Störkomponente auch bei kleiner Amplitude bereits sehr großen Einfluß haben, wenn deren Frequenz beträchtlich größer ist als die momentane Schwebungsfrequenz h, weil die Amplitude solcher Störkomponenten durch das Netzwerk weit weniger abgeschwächt wird als die Amplitude der eigentlichen Überlagerungsschwingung mit der Frequenz h.
Nach der Erfindung wird der Einfluß aller Komponenten, deren Frequenz von der eigentlichen Schwebungsfrequenz h wesentlich abweicht, praktisch vollständig unterdrückt, da die Mittel zur Frequenzkontrolle jeweils nur auf Frequenzen ansprechen, die von der nachzuweisenden Schwebungsfrequenz h nur wenig abweichen, und da diese Mittel zudem infolge ihrer mech anischen Trägheit auf rasche Störungen nicht ansprechen.
In Fig. 1 ist eine einfache Ausführungsform des neuen Verfahrens gezeigt. Es handelt sich dabei um eine Einrichtung zur Bestimmung des Richtungswinkels al, in welchem elektromagnetische Wellen über die Wege sl und s2 von den Sendestellen T1 und T2 zum Empfänger R gelangen. Die zur Aussendung gelangenden Schwingungen e1 und e2, deren Frequenz nach einem Sägezahnprogramm veränderlich ist, werden in einem gemeinsamen Generator G1 erzeugt und in T1, T2 bis zu den nötigen Sendeleistungen verstärkt. Wegen des Längenunterschiedes S beider Übertragungswege sl und s2 entstehen im Empfänger Schwebungen, so daß durch Gleichrichtung der Empfangsschwingungen e3 im Gleichrichter D eine Niederfrequenzspannung e6 ent- steht, für deren Frequenz die Beziehung (3) gilt.
Da mit großer Annäherung gesetzt werden kann: S = S2S1 = b sin (a), (4) so gilt auch: s c sin (a) b= b = b F h, (5) d. h. der Sendewinkel a hängt in einfacher Weise von der zu messenden Frequenz h der Niederfrequenzspannung e ab.
Die Frequenzmessung erfolgt nun in der Weise, daß durch die Spannung, ein Drehfeldmotor M1 angetrieben wird, dessen Umlaufgeschwindigkeit der Frequenz h proportional ist. Zur Erzeugung eines Drehfeldes kann e6 über ein phasendrehendes Netzwerk P1 geleitet werden, so daß eine gegenüber e6 um 900 phasengedrehte Spannung, entsteht. Die Umlauffrequenz des Motors M1 und damit die zu messende Schwebungsfrequenz h wird beispielsweise durch den von M1 angetriebenen Tachometergenerator H in Verbindung mit dem Spannungsmesser J ermittelt. Beim Drehfeldmotor M1 kann es sich um eine Asynchronmaschine handeln, deren Drehmoment m etwa gemäß Fig. 2 vom Schlupf abhängt. Das Moment mO, welches im Betrieb zur Überwindung der Reibungswiderstände nötig ist, tritt bei einem sehr kleinem Schlupf (h - h0) zwischen der Niederfrequenz h und Umlauffrequenz ho auf.
Falls nun die Niederfrequenz e6 durch eine Störkomponente mit der Frequenz h3 gestört ist, so wirkt ein zusätzliches Drehmoment ms auf den Motor, so daß sich dessen Drehzahl verändert, bis die Summe der beiden treibenden Momente mit dem Bremsmoment übereinstimmt. Dies ist bei einer nur sehr wenig erhöhten Drehzahl h der Fall. Alle Störkomponenten, deren Frequenz sich von der nachzuweisenden Frequenz h wesentlich unterscheidet, sind somit bei diesem Verfahren von äußerst geringem Einfluß auf die Drehzahl des Motors M, des Tachometergenerators H und auf die Anzeige des Instruments J.
Zur Erzielung einer eindeutigen Richtungsanzeige können die Übertragungswege vom Sendegenerator G1 zu den beiden Sendestellen T1 und T2 ungleich groß gemacht werden. In diesem Falle gilt für die Frequenzdifferenz der empfangenen Schwingungen: wobei durch B del Längenunterschied beider Übertragungswege vom Generator G1 zu den Sendestellen und durch c0 die Fortpflanzungsgeschwindigkeit bei dieser Leitungsübertragung dargestellt ist. Man erhält dann statt (5): c B'c sin (a) = b F h- b c0 d. h. es können positive und negative Richtungswinkel a eindeutig unterschieden werden, obschon sich nur positive Schwebungsfrequenzen h messen lassen.
In der Fig. I ist der Aufbau der einzelnen Kreise durch Einzeichnung von Schaltelementen beispielsweise erläutert. Der Schwingungsgenerator G1 enthält eine Elektronenröhre V1, welche über den abgestimmten Kreis L1, C1 rückgekoppelt ist. Die Abstimmung ist durch den vom Motor Mo angetriebenen Abstimmkondensator nach einem sägezahnförmigen Programm periodisch veränderlich gemacht, so daß die Frequenzänderungsgeschwindigkeit F des Senders stets konstant bleibt. Die beiden Sendeverstärker T und T2 sind aus den Elektronenröhren V2, V3 und V4,V5 in Gegentaktschaltung aufgebaut. Die Ausgangsspannung des Empfängers R mit der Verstärkerröhre V6 wird über den Kopplungskondensator C2 der Röhre V7 des Audiongleichrichters D zugeführt. Der Phasendrehkreis P1 besteht aus einer Serienschaltung des Kondensators C3 und des Ohmschen Widerstandes W3, welche Schaltelemente so dimensioniert sind, daß der Spannungsabfall am Kondensator groß ist gegenüber demjenigen am Widerstand, wodurch eine Phasendrehung von annähernd 90° zwischen der zugeführten Spannung e6 und der am Widerstand entnommenen Spannung e7 zustande kommt. Eine Phasendrehung von go° zwischen den Feldspannungen kann auch durch Übertragung beider Spannungen über je einen Phasendrehkreis erzielt werden, deren Dimensionierung so gewählt ist, daß die Differenz beider Phasendrehungen stets 90° beträgt. Zu diesem Zweck kann auch die eine Feldspannung über dem Widerstand W8 und die andere Feldspannung über dem Kondensator C8 eines aus der Serienschaltung von Widerstand und Kapazität gemäß P1 aufgebauten Phasendrehkreises entnommen werden.
In Fig. 3 ist eine Einrichtung gezeigt, mit welcher unter Anwendung des neuen Verfahrens die Entfernung d einer reflektierenden Schicht X vom Sender T und den Empfängern R1, R2 gemessen werden kann. Sender und Empfänger können beispielsweise auf einem Flugzeug montiert sein, so daß ein Teil der ausgesandten Schwingungen el, deren Frequenz linear ansteigt bzw. abfällt, direkt und mit gleicher Phase zu den Empfängern R1, R2 gelangt.
Ein Teil der Schwingungen wird dagegen z. B. am Erdboden X reflektiert und gelangt erst nach Zurücklegung des Übertragungsweges 2 d zu den Empfängern.
Der Abstand B zwischen beiden Empfangsstellen sei 1/4 der mittleren Wellenlänge, so daß die reflektierten Schwingungen mit go0 Phasenunterschied bei beiden Empfangsstellen eintreffen.
Die direkt übertragenen und die indirekt über die Reflexionsstelle zu den Empfängern gelangenden Schwingungen ergeben in beiden Empfängern Schwebungen, deren Frequenz h wieder dem Wegunterschied S = d proportional ist: aFd c Wegen des erwähnten Phasenunterschiedes zwischen den indirekt empfangenen Schwingungen tritt auch zwischen den Schwebungen in beiden Empfängern ein Phasenunterschied von 90° auf, und damit besteht auch zwischen den durch Gleichrichtung und Ver- stärkung gewonnenen Niederfrequenzschwingungen e6 und e7 ein Phasenunterschied von go". Diese Schwingungen, deren Frequenz mit der Schwebungsfrequenz h übereinstimmt, werden den Feldwicklungen F1, F2 des Drehfeldmotors M1 zugeführt, dessen Drehzahl gemäß den an Hand von Fig. 2 gemachten Überlegungen durch Störkomponenten nur in sehr geringem Maße beeinträchtigt wird Die mit dem Instrument J in Verbindung mit dem Tachometergenerator H gemessene Frequenz stimmt deshalb auch bei gestörtem Empfang praktisch mit der tatsächlichen Schwebungsfrequenz überein und ermöglicht gemäß (8) eine genaue Ermittlung der Entfernung d.
Bei dieser Entfernung handelt es sich im beschriebenen Falle um die Höhe des Flugzeuges über dem Erdboden. In gleicher Weise können aber auch Entfernungen anderer Reflexionsstellen gemessen werden, wie z. B. die Entfernung von Fahrzeugen, Schiffen oder Flugzeugen usw. Bei Verwendung akustischer Wellen, die sich im Wasser ausbreiten, an Stelle der elektromagnetischen Schwingungen, k,nn auf diese Weise auch die Wassertiefe, d. h. die Entfernung bis zum reflektierenden Meeresboden oder die Entfernung bis zu anderen Wasserfahrzeugen kontrolliert werden.
Der in der Fig. 3 dargestellte Sender T enthält ein Bremsaudion V1O, dessen Betriebsspannungen über die Hochfrequenzdrosseln L,, L8 zugeführt werden. Zur Erzeugung der linearen Frequenzänderungen wird dem Gitter eine sägezahnförmig verlaufende Kippspannung des Kippgenerators K zugeführt. Dieser Kippgenerator besteht aus einer gasgefüllten Röhre V9, dessen Anodenkondensator C; sich über den Widerstand W5 jeweils so lange aufladet, bis eine Röhrenentladung eintritt. Bei jeder Entladung erhält das Gitter über den Kondensator C4 einen negativen Impuls, wodurch die Löschung beschleunigt wird.
Die Empfänger R1, R2 enthalten ebenfalls Bremselektronenröhren Voll, Vi2, deren über die Drosseln L,, geleitete mittlere Anodenströme bekanntlich von der zwischen Gitter und Anode zugeführten Hochfrequenzamplitude abhängen. Es kommt dadurch eine direkte Gleichrichtung zustande, und die Frequenz der über die Übertrager Lll, L12 entnommenen und in A1, A2 verstärkten Niederfrequenzschwingungen e6, e7 stimmt somit mit der Schwebungsfrequenz h überein.
Bei der in Fig. 4 gezeigten Einrichtung wird das neue Verfahren zur Bestimmung des Empfangswinkels a2 der vom Sender T zu den Empfängern R1, R2 gelangenden Wellen nutzbar gemacht. Die Frequenz der ausgesandten Schwingungen steigt z. B. nach einem Sägezahnprogramm jeweils linear von einem Minimalwert bis zu einem Maximalwert an, um dann plötzlich wieder bis zum Minimalwert abzufallen. Die Frequenzdifferenz h der empfangenen Schwingungen e3, e4 ist dann gemäß (3) wieder proportional dem Unterschied beider Übertragungswege, so daß auch für den Empfangswinkel a die Beziehung (5) gilt.
Durch gegenseitige Modulation beider Empfangsschwingungen im Modulationskreis D3 entsteht die Niederfrequenzschwingung e6, deren Frequenz mit der Differenzfrequenz Ii übereinstimmt. Zur Erzeugung einer weiteren Niederfrequenzspannung gleicher Frequenz wird die eine Empfangsschwingung, z. B. es, im Phasendrehkreis P2 in der Phase gedreht, so daß eine Schwingung e5 entsteht, die gegenüber e3 stets 90° phasenverschoben ist.
Durch Modulation dieser weiteren Hochfrequenzschwingung mit e4 im Modulationskreis D4 entsteht die Niederfrequenzspannung e,, die gegenüber e6 ebenfalls stets um 90" phasenverschoben ist, so daß die in A3 und A4 verstärkten Spannungen cm und e7 ein Drehfeld erzeugen, durch welches der Drehfeldmotor M1 mit frequenzproportionaler Drehzahl in Bewegung versetzt wird. Die Drehzahl des Motors wird Null bei Gleichheit beider Übertragungswege s und s2 (d. h. a = 0) und wird positiv oder negativ, entsprechend den Vorzeichen des Richtungswinkels a, so daß sich dieser Winkel durch Drehzahlmessung des Motors mit dem Tachometerinstrument Jl nach Größe und Vorzeichen eindeutig kontrollieren läßt.
Da die Störkomponenten wie bei den beschriebenen Beispielen nur geringen Einfluß auf die Drehzahl des Motors haben, ist eine genaue Richtungsbestimmung auch bei gestörtem Empfang möglich.
Die in der Figur gezeigten Modulationslueise D3 und D4 sind beispielsweise aus den Doppeltrioden V13 bzw. V14 aufgebaut. Die gegenseitig zu modulierenden Spannungen werden den Gittern dieser Röhren über die Spulen Liga, L14, L15, L16 gleichphasig bzw. in Gegenphase zugeführt. Die Drehzahlmessung des Motors M1 kann direkt durch das mechanisch gekuppelte Tachometerinstrument J1 erfolgen.
Ein Nachteil der in Fig. I gezeigten Einrichtung liegt darin, daß die Frequenz der über den Phasendrehkreis P1 übertragenen und dem Motor M1 zugeführten Niederfrequenzspannungen innerhalb sehr weiter Grenzen veränderlich ist. Die Übertragungseigenschaften von P1 wie auch ein einwandfreies Arbeiten des Motors müssen also innerhalb eines relativ großen Frequenzbereiches den Anforderungen entsprechen. Bei der Einrichtung Fig. 5 werden diese Schwierigkeiten durch Frequenzverschiebung mit der Hilfsfrequenz des Generators G3 vermieden.
Der Generator T, dessen Abstimmung durch mechanische Mittel gleichzeitig mit der Abstimmung des Empfängers R periodisch verändert werden kann, erzeugt die Schwingungen el, die zum Teil direkt und zum Teil auf dem Umweg über die Reflexionsstelle X mit mit einer der gesuchtenEntfernungd entsprechendeVerzögerung zum Empfänger gelangen. Durch Gleichrichtung der empfangenen Hochfrequenzschwingungen in D1 entsteht die Niederfrequenzschwingung e, deren Frequenz h1 gemäß (3) proportional d = S/2 ist. Diese Niederfrequenzspannung wird im Gegentaktmodulationskreis D5 mit der Niederfrequenzspannung ul des Generators G3 moduliert, deren Frequenz h2 sei, so daß eine Summenfrequenzspannung e8 mit der Frequenz h3 = h1 + h2 entsteht, welche durch den Verstärker A3 verstärkt und von der Differenzfrequenz getrennt wird.
Bei genügend hoher Frequenz von lt1 sind die der Entfernung d entsprechenden Frequenzänderungen von es klein im Vergleich mit der mittleren Frequenz.
Das Filter P3 zur Gewinnung der um 90° phasengedrehten Spannung eg läßt sich wegen dem relativ kleinen übertragenen Frequenzbereich leicht realisieren. Es kann z.B. aus dem Ohmschen Längswiderstand W7 und der Ableitungsinduktivität L19 bestehen.
Die beiden phasenverschobenen Ströme werden den Feldspulen F1, F2 des Drehstrommotors M1 zugeführt, dessen Tourenzahl n1 = k h3 = k (hl t h2) ebenfalls in relativ kleinen Grenzen veränderlich ist. Ein weiterer Drehstrommotor M2 wird durch die Niederfrequenzspannung lti mit konstanter Drehzahl n2 = k h2 angetrieben.
Durch Bildung einer Differenzdrehzahl (ei- - n2) mit Hilfe des Differentials Q erhält man also eine Drehzahl n3 = k hl, welche der Frequenz von e6 und damit dem gesuchten Laufzeitunterschied beider empfangenen Schwingungen entspricht. Diese Differenzdrehzahl kann z. B. mit dem Tachometerinstrument J1 gemessen werden, das bei entsprechender Eichung direkt die Entfernung d anzeigt. Es ist leicht ersichtlich, daß kleine Frequenzänderungen von «1 ohne Einfluß auf die Anzeige bleiben.
Bei der in Fig. 6 gezeigten Einrichtung wird als Phasendrehkreis ein abgestimmtes Netzwerk verwendet, dessen Abstimmung der jeweiligen Schwebungsfrequenz entsprechend automatisch eingestellt wird. Die frequenzveränderlichen Schwingungen des Senders T gelangen mit dem zu bestimmenden mittleren Sendewinkel al zu den Empfängern R1, R2, werden verstärkt und in D5 gleichgerichtet, so daß wieder eine Spannung mit der dem Unterschied beider Übertragungswege si- und s2 proportionalen Schwebungsfrequenz h1 entsteht. Die so gewonnene und in A1 verstärkte Niederfrequenzspannung es wird über das abgestimmte Netzwerk N, bei dem es sich z. B. um ein Bandpaßfilter handeln kann, übertragen.
Wenn die übertragene Schwebungsfrequenz gleich der mittleren Durchlaßfrequenz ist, so beträgt die Phasendrehung der abgestimmten gekoppelten Kreise 90°. Dazu kommt eine nochmalige Phasendrehung von 90° durch den Serienwiderstand W8 in Verbindung mit der Ableitungskapazität C8, so daß der gesamte Phasenunterschied zwischen den in A3, A4 verstärkten und den Feldspulen F1, F5 des Wirbelstrommotors M3 zugeführten Niederfrequenzspannungen in diesem Falle 180° beträgt. Der Motor steht dann still.
Sobald die Schwebungsfrequenz kl von der momentanen mittleren Filterdurchlaßfrequenz h3 oben oder unten abweicht, wird der gesamte Phasenunterschied größer bzw. kleiner als 180°, d. h. der Motor M1 setzt sich in entsprechende Vorwärts- bzw. Rückwärtsbewegung. Dadurch wird mit Hilfe einer mechanischen Übertragung die Filterabstimmung verändert, bis wieder 180° Phasendrehung erreicht ist, wobei der Motor stillsteht.
Die jeweilige Filtereinstellung entspricht also stets der jeweiligen Schwebungsfrequenz h1 und kann am Zeiger Z abgelesen werden. Unerwünschte störende Niederfrequenzen weichen im allgemeinen von der zu messenden Schwebungsfrequenz ab und fallen deshalb nicht in den jeweiligen Durchlaßbereich des Filters.
Sie gelangen deshalb nicht auf die Feldspule F2 und rufen kein zusätzliches Drehmoment des Motors hervor. Kleine momentane Einflüsse der zufällig in den Durchlaßbereich fallenden Störfrequenzen ergeben kurzzeitige positive oder negative Drehmomente, welche jedoch infolge der mechanischen Trägheit des rotierenden Systems keine nennenswerte Fehlanzeige verursachen.
In Fig. 7 ist eine ähnliche Einrichtung gezeigt, wobei an Stelle der automatischen Filtereinstellung eine entsprechende Frequenznachstellung vorgesehen ist. Zur Entfernungskontrolle mit akustischen Wellen werden die frequenzveränderlichen Schwingungen des Generators G in A5 verstärkt und durch den Lautsprecher T5 in Form von Schallwellen ausgesandt welche teils direkt und teils auf dem Umweg über die Reflexionsstelle X zum Mikrophon R5 gelangen. Die dort entstehenden und in A8 verstärkten elektrischen Schwingungen führen Schwebungen aus, deren Frequenz in der erläuterten Weise von der Entfernung d abhängt.
Durch Gleichrichtung in D1 entstehen somit die Schwingungen ea mit der Frequenz hl. Im Modulationskreis D5, bei dem es sich z. B. um einen aus vier Trockengleichrichtern aufgebauten Ringmodulator handeln kann, wird eine Hilfswechselspannung us, deren Frequenz h2 sei, mit e6 moduliert. Das Modulationsprodukt enthält eine Komponente e8, deren Frequenz mit der Differenzfrequenz (k2 - h1) übereinstimmt. Durch den Verstärker A8 mit entsprechender -Frequenzdurchlässigkeit wird diese Komponente von der Summenfrequenz getrennt und verstärkt.
Falls die Frequenz von e8 mit der mittleren Durchlaßfrequenz des Bandfilters N übereinstimmt, so entsteht am Filterausgang eine um 90° phasenverschobene Spannung e9. Die dem festen bzw. dem beweglichen System F1 bzw. F2 des wattmetrischen Relais K zugeführten Spannungen e8 bzw. e9 rufen in diesem Falle kein Drehmoment auf das bewegliche System hervor.
Sobald die Differenzfrequenz (h2 - h1) von der mittleren Filterdurchlaßfrequenz k5 nach unten bzw. nach oben abweicht, so entsteht eine entsprechend kleinere bzw. größere Phasendrehung zwischen e8 und e9 und das bewegliche Relaissystem erfährt ein positives bzw. negatives Drehmoment, schließt einen entsprechenden Stromkreis und setzt den Motor M4 in Vorwärts- bzw. Rückwärtsbewegung. Dadurch wird der Regelwiderstand W9 verstellt, so daß sich die Drehzahl des vom Motor M5 angetriebenen Generators G5 und die Frequenz h2 vergrößert bzw. verkleinert. Durch diesen Regelvorgang vermindert sich die Abweichung zwischen der Differenzfrequenz (h2-h1) und h8, bis die automatische Tourenverstellung bei Gleichheit beider Frequenzen aufhört.
Es ist dann also: h1=h2-h5.
An einem mit der Drehzahlverstellung gekoppelten Zeiger Z, dessen Stellung der jeweiligen Generatorfrequenz h2 entspricht, kann somit bei entsprechender Eichung direkt die Schwebungsfrequenz kl abgelesen wereden, da die mittlere Filterdurchlaßfrequenz h3 konstant bleibt.
Auch bei der Einrichtung Fig. 8 werden die gleichgerichteten Empfangsschwingungen mit einer Hilfsschwingung moduliert, deren Frequenz durch automatische Nachstellung verändert wird. Zur Bestimmung des Sendewinkels a1 werden die Schwingungen veränderlicher Frequenz gleichzeitig von den Sendern T1 und T2 ausgesandt, so daß eine im Takte von h amplitudenveränderliche Empfangsspannung e3 entsteht. Durch Verstärkung und Gleichrichtung im Empfänger R erhält man die Niederfrequenzspannung: e6 = E6 sin (2 z ki t), deren Frequenz kl mit der Schwebungsfrequenz übereinstimmt. Der Rückkopplungsgenerator G4 erzeugt eine Hilfswechselspannung mit der Frequenz k4.
Durch den Phasendrehkreis P werden zwei gegenseitig um go" phasenverschobene Spannungen aU3 = U cos (2 tlt,t) U4= Usin (2 X h4 t) erzeugt. Durch Modulation in den Gegentaktmodulationsschaltungen D3 und D4 entstehen Modulationsprodukte, welche Summen- und Differenzfrequenzen enthalten. Die Differenzfrequenzen werden mit den Tiefpaßfiltern N5 und N4 herausgegriffen, so daß für die in A3 bzw. A4 verstärkten Spannungen gilt: ell = Ell sin (2 z kl t - 2 z k4 t) = E11 sin (2 n: h5 t) e12 = E12 cos (2 # h1t-2 # h4 t) = E12 cos (2 # h3 t) Diese beiden Spannungen erzeugen in den Feldspulen F1, F2 des Drehstrommotors M3 ein Dreh feld, das bei positivem h5 rechts rotierend und bei negativem h5 links rotierend ist. Der Motor setzt sich demnach entsprechend dem Frequenzunterschied h5 = h1-h4 in Vorwärts- oder Rückwärtsbewegng. Durch eine mechanische Übertragung wird damit die Abstimmung des Generators G4 und die Frequenz h4 der Hilfsspannung im Sinne einer Verminderung des Frequenzunterschiedes zwischen h1 und k4 verändert, bis der Motor bei verschwindender Differenz h5 beider Frequenzen stillsteht. Die Generatorfrequenz, welche auf diese Weise stets der momentanen Schwebungsfrequenz angeglichen wird, kann mit dem Zeiger Z kontrolliert werden, welcher bei entsprechender Eichung der Skala direkt den gesuchten Sendewinkel al anzeigt.
Auch bei dieser Einrichtung verschwinden praktisch die Einflüsse der störenden Niederfrequenzen, welche von der jeweiligen Schwebungsfrequenz verschieden sind, denn diese Störfrequenzen erzeugen nach Modulation mit der jeweiligen Hilfsfrequenz rasch rotierende Drehfelder, welche auf den still stehenden oder langsam laufenden Motor nur ein kleines zusätzliches Drehmoment ausüben. Rasche Drehmomentschwankungen infolge solcher Störfrequenzen führen zudem auch wegen der mechanischen Trägheit des Motors nicht zu den entsprechenden unerwünschten Abstimmungsänderungen des Generators G4.
Bei den gezeigten Durchführungsbeispielen des Verfahrens handelt es sich um Einrichtungen zur Entfernungsmessung und zur Bestimmung des Sende-oder Empfangswinkels der übertragenen Wellen. Von diesen Schaltungen ausgehend lassen sich durch Kombination oder durch Zuhilfenahme von bekannten weiteren Hilfsmitteln leicht noch zahlreiche weitere Einrichtungen angehen, welche den jeweils gestellten Anforderungen unter Beibehaltung des Erfindungsgedankens besonders gut entsprechen.
Die Anwendung des Verfahrens empfiehlt sich besonders bei ungünstigen Ausbreitungsverhältnissen der Wellen und starken Empfangsstörungen. Bei der Entfernungsmessung kann es sich z. B. um die Bestimmung der Höhe von Flugzeugen über dem refiektierenden Erdboden oder um Tiefenmessung im Wasser handeln. In gleicher Weise läßt sich aber auch die Entfernung irgendwelcher reflektierender Körper, wie z. B. fremder Flugzeuge, Schiffe, Unterseeboote oder irgendwelcher Hindernisse ermitteln.
Bei geologischen Tiefenmessungen läßt sich das Verfahren zur Kontrolle der Entfernung reflektierender Mineralschichten verwenden. Zur Lokalisierung schwingungsreflektierender Fehlerstellen können die frequenzveränderlichen Schwingungen auch elektrischen Leitungen zugeführt werden. Die unverzögerten Schwingungen gelangen dabei mit den verzögerten reflektierten Schwingungen zur Interferenz, und die den Schwebungen entsprechenden Niederfrequenzschwingungen können auch hier durch Gleichrichtung gewonnen und nach der Erfindung zur Messung der unversehrten Leitungslänge kontrolliert werden.
Je nach Eigenart des Übertragungsmediums können die frequenzveränderlichen Schwingungen in Form von elektromagnetischen Wellen, Schall- oder Ultraschallwellen oder bei Leitungsmessungen in Form elektrischer Wechselströme ausgesandt und wieder empfangen werden.
PATENTANSPRÜCIIE: I. Verfahren zur Bestimmung von Wegunterschieden durch Übertragung von Schwingungen linear veränderlicher Frequenz über mindestens zwei Übertragungswege und Auswertung der empfangsseitig entstehenden Schwebungstöne, dadurch gekennzeichnet, daß ein Drehfeld erzeugt wird, dessen Umlaufsinn und Umlaufsfrequenz von der Schwebungsfrequenz der empfangenen Schwingungen und damit von deren Laufzeitunterschied abhängt, durch welches Drehfeld mechanisch bewegliche, auf Störfrequenzen nicht ansprechende Organe zur Feststellung der nachzuweisenden Wegunterschiede betätigt werden.

Claims

2. Verfahren nach Anspruch I, gekennzeichnet durch Gleichrichter zur Gleichrichtung der Empfangsschwingungen und von Niederfrequenzströmen, deren Frequenz wie die Schwebungsfrequenzen vom Laufzeitunterschied abhängig ist, durch phasenbestimmende Mittel zur Erzeugung eines Phasenunterschieds zwischen mindestens zwei solchen Niederfrequenzströmen, durch ein Drehfeldsystem, welchem die phasenverschobenen Niederfrequenzströme zugeführt werden und durch mechanisch bewegliche Mittel, welche vom so erzeugten Drehfeld angetrieben werden, so daß deren Bewegung von der jeweiligen Schwebungsfrequenz abhängt.

3. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Gleichrichtung aus den frequenzveränderlichen Empfangsschwingungen gewonnene Niederfrequenzspannung über mindestens ein phasendrehendes Netzwerk übertragen wird, so daß mindestens zwei frequenzgleiche Niederfrequenzwechselspannungen ungleicher Phasenlage entstehen, aus denen das Drehfeld erzeugt wird.

4. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Gleichrichtung der frequenzveränderlichen Empfangsschwingungen gewonnene Niederfrequenzspannung durch Überlagerung mit einer Hilfswechselspannung frequenzverschoben und erst hierauf über mindestens ein phasendrehendes Netzwerk übertragen wird, so daß mindestens zwei Niederfrequenzwechselspannungen gleicher Frequenz und ungleicher Phasenlage entstehen, welche ein Drehfeld bilden, dessen Umlaufsfrequenz von der Schwebungsfrequenz entsprechend der jeweiligen Hilfsfrequenz verschieden ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Hilfswechselspannung entsprechend der Umlaufsrichtung des Drehfeldes automatisch vergrößert bzw. verkleinert wird, so daß die Drehfeldfrequenz stets auf einem Minimum bleibt und die Hilfsfrequenz mit der Schwebungsfrequenz praktisch übereinstimmt.

6. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die durch Gleichrichtung der frequenzveränderlichen Empfangsschwingungen gewonnene Niederfrequenzspannung mit zwei Hilfsspannungen gleicher Frequenz aber um go" verschiedener Phasenlage des gleichen Hilfsgenerators überlagert wird, wodurch zwei um 90" phasenverschobene Niederfrequenzwechselspannungen entstehen, welche ein Drehfeld bilden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das durch die Niederfrequenzwechselspannungen gebildete Drehfeld einen die Abstimmung des Hilfsgenerators verstellenden Motor entsprechend dem Frequenzunterschied zwischen Hilfsfrequenz und Schwebungsfrequenz in Bewegung setzt, bis dieser Unterschied verschwindet, so daß die Schwebungsfrequenz aus der jeweiligen Einstellung des Hilfsgenerators ermittelt werden kann.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß aus der Drehbewegung einer durch das frequenzverschobene Drehfeld angetriebenen Maschine und der Drehbewegung einer durch die Hilfswechselspannung angetriebenen Maschine durch ein mechanisches Differential eine mit der Differenzdrehzahl laufende Drehbewegung erzeugt wird, welche der Schwebungsfrequenz entspricht und zur Kontrolle dieser Schwebungsfrequenz gemessen wird. g. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellen periodisch veränderlicher Frequenz mit zwei örtlich getrennten Empfängern empfangen werden, die so angeordnet sind, daß die auf dem einen Übertragungsweg übertragenen Schwingungen beide Empfänger mit gleicher Phasenlage treffen, während die auf dem anderen Übertragungsweg übertragenen Schwingungen die beiden Empfänger mit einem Phasenunterschied von 90° treffen, so daß zwischen den beiden durch Gleichrichtung der Empfangsschwingungen gewonnenen Niederfrequenzspannungen, aus welchen das Drehfeld erzeugt wird, ein Phasenunterschied von go" besteht.

10. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die an zwei örtlich auseinanderliegenden Empfangsstellen empfangenen Schwingungen periodisch veränderlicher Frequenz einerseits direkt und andererseits nach Übertragung mindestens der einen Empfangswechselspannung über ein phasendrehendes Netzwerk gegenseitig moduliert werden, so daß als Modulationsprodukte mindestens zwei frequenzgleiche, aber phasenverschobene Niederfrequenzwechselspannungen entstehen, mit denen das zur Bestimmung der Schwebungsfrequenz dienende Drehfeld erzeugt wird.

II. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß das aus den empfangenen Schwingungen erzeugte Drehfeld einen Drehfeldmotor antreibt, dessen Drehbewegung zur Kontrolle der Schwebungsfrequenz nutzbar gemacht wird.

12. Verfahren nach Anspruch II, dadurch gekennzeichnet, daß als Drehfeldmotor ein Synchronmotor verwendet wird, dessen Drehzahl in einem ganzzahligen Verhältnis zur Frequenz der zugeführten Niederfrequenzspannungen steht und durch allfällige Störkomponenten dieser Niederfrequenzspannungen nicht beeinflußt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Drehfeldmotor ein asynchron laufender Induktionsmotor verwendet wird, dessen Drehzahl entsprechend dem Schlupf etwas kleiner ist als die Drehfeldfrequenz.

14. Verfahren nach Anspruch I2 und I3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorwiderstand des Induktionsmotors so bemessen ist, daß Drehfelder, deren Umlaufsfrequenz von der momentanen Motordrehzahl stark abweicht, nur ein kleines Drehmoment auf den Rotor ausüben.

15. Verfahren nach Anspruch 12 bis I4, dadurch gekennzeichnet, daß der Widerstand des Rotorkreises veränderbar gemacht ist, damit das Drehmoment beim Anlauf durch großen Rotorwiderstand genügend groß gemacht werden kann, während im Betrieb durch Verkleinerung des Rotorwiderstandes der Schlupf und der Einfluß störender Drehfeldkomponenten vermindert wird.

I6. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl des Drehfeldmotors zur Bestimmung der von der Schwebungsfrequenz abhängigen Drehfeldfrequenz gemessen wird.

17. Verfahren nach Anspruch II, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Drehfeldmotor Organe, die neben der Schwebungsfrequenz einen Einfluß auf das Drehfeld haben, derart gesteuert werden, daß das Drehfeld auch bei veränderlicher Schwebungsfrequenz immer wieder auf einen bestimmten Dauerzustand gebracht wird, wobei die Schwebungsfrequenz aus der Stellung der das Drehfeld beeinflussenden Organe bestimmt wird.

I8. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß eine aus den frequenzveränderlichen Empfangsschwingungen durch Gleichrichtung gewonnene Niederfrequenzspannung zur Erzeugung eines Dreh feldes über mindestens ein Netzwerk mit frequenzabhängiger Phasendrehung übertragen wird, so daß mindestens zwei frequenzgleiche Niederfrequenzwechselspannungen entstehen, die je nach der momentanen Beziehung zwischen der Frequenz dieser Wechselspannungen und der Abstimmung des Netzwerkes ein vorwärts drehendes bzw. ein rückwärts drehendes Drehfeld bilden.

19. Verfahren nach Anspruch I8, dadurch gekennzeichnet, daß das Netzwerk zur frequenz abhängigen Phasendrehung mindestens ein elektrisches Bandfilter enthält.

20. Verfahren nach Anspruch I8, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehfeld einen Wirbelstrommotor antreibt, durch dessen Bewegung das Drehfeld beeinflußt wird.

21. Verfahren nach Anspruch I8, dadurch gekennzeichnet, daß durch das Drehfeld ein elektrisches Relais mit je mindestens einer festen und beweglichen Spule betätigt wird, welches eine Veränderung des Drehfeldes bewirkt.

22. Verfahren nach Anspruch I8, dadurch gekennzeichnet, daß das vorwärts bzw. rückwärts rotierende Drehfeld ein Organ betätigt, durch welches die Abstimmung des phasendrehenden Netzwerkes stets im Sinne einer Angleichung an die jeweilige übertragene Frequenz bis zum Verschwinden des eigentlichen Drehfeldes gesteuert wird, wobei die Schwebungsfrequenz aus der jeweiligen Stellung der Abstimmittel bestimmt wird.

23. Verfahren nach Anspruch I8, dadurch gekennzeichnet, daß das vorwärts bzw. rückwärts rotierende Drehfeld ein die Frequenz einer Hilfswechselspannung steuerndes Organ derart betätigt, daß die dem phasendrehenden Netzwerk zugeführte Niederfrequenzwechselspannung, welche durch Überlagerung der gleichgerichteten Empfangsschwingungen mit der Hilfswechselspannung gewonnen wird, unabhängig von der jeweiligen Schwebungsfrequenz eine der konstanten Netzwerkabstimmung entsprechende Frequenz beibehält, wobei die Schwebungsfrequenz aus der Stellung dieses frequenzsteuernden Organs ermittelt wird.

24. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Niederfrequenzwechselspannungen, aus denen das Drehfeld erzeugt wird, aus elektrischen Wechselströmen veränderlicher Frequenz gewonnen werden.

25. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederfrequenzwechsel spannungen, aus denen das Drehfeld erzeugt wird, durch Empfang und Überlagerung von akustischen Schwingungen veränderlicher Frequenz gewonnen werden.

26. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederfrequenzwechselspannungen, aus denen das Drehfeld erzeugt wird, durch Empfang und Überlagerung elektromagnetischer Wellen periodisch veränderlicher Frequenz gewonnen werden.

27. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederfrequenzwechselspannungen, aus denen das Drehfeld erzeugt wird, durch Empfang und Überlagerung von Wellen periodisch veränderlicher Frequenz gewonnen werden, die von mindestens zwei örtlich getrennten Sendestellen ausgesandt werden, so daß die mit Hilfe des Drehfeldes kontrollierte Schwebungsfrequenz vom Sendewinkel abhängt, in welchem sich die Wellen von der Sendeanlage zum F;mp fänger ausbreiten.

28. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederfrequenzwechselspannungen, aus denen das Drehfeld erzeugt wird, durch Empfang von Wellen periodisch veränderlicher Frequenz an mindestens zwei örtlich ge trennten Empfangsstellen und nachfolgende Üb erlagerung gewonnen werden, so daß die mit Hilfe des Drehfeldes kontrollierte Schwebungsfrequenz vom Empfangswinkel abhängt, in welchem die Wellen vom Sender zur Empfangsanlage gelangen.

29. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederfrequenzwechselspannungen, aus denen das Drehfeld erzeugt wird, durch Überlagerung von Wellen periodisch veränderlicher Frequenz gewonnen werden, die einerseits auf direktem Wege und andererseits auf dem Umweg über mindestens eine Reflexionsstelle vom Sender zum Empfänger gelangen, so daß die mit Hilfe des Drehfeldes kontrollierte Schwebungsfrequenz von der Entfernung dieser Reflexionsstelle abhängt.

30. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederfrequenzwechselspannungen, aus denen das Drehfeld erzeugt wird, durch Überlagerung von elektrischen Wechselströmen gewonnen werden, die einerseits direkt und andererseits über eine elektrische Leitung vom Schwingungsgenerator zur Überlagerungsschaltung übertragen werden, so daß die mit Hilfe des Drehfeldes kontrollierte Schwebungsfrequenz von der Länge dieser Leitung abhängt.