DE2045276A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Entfernungsermittlung nach der Rückstrahlortungsmethode - Google Patents

Description

FBIED. KRUPP GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG in Essen

Verfahren und Vorrichtung zur Entfernungsermittlung nach der RÜekstrahlortungsmethode

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Entfernungsermittlung nach der RÜckstrahlortungsmethode durch Messen der Zeit zwischen Senden von Schallenergie und Empfangen von reflektierten Anteilen dieser Schallenergie, insbesondere durch schallenergie- übertragende Medien mit Schichten von unterschiedlichen Wellenübertragungsverhalten, und Vorrichtungen zum Ausüben dieses Verfahrene«

Es ist zur Entfernungseraittlung üblich, die Schallenergie direkt und auf kürzestem Weg zum für die Entfernungsmessung interessierenden Ort zu senden und nach Reflexion wieder zu empfangene Die Zeit zwischen Senden und Empfangen, nultipliziert mit der Auabreitungegeechwindigkeit der Schallenergie im übertragenden Medium, ist gleich der doppelten, gesuchten Entfernung zwischen Sende- und Heflexionsort.

Da sich Sehallenergie Mit einer Geschwindigkeit ausbreitet, die von Art und Gegebenheiten des Mediums abhängt, ist die Kenntnis der Auebreitungsgeschwindigkeit in dieses Medina,

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abgesehen von außerdem möglicherweise auftretenden Zeitmeßfehlern, vornehmlich maßgebend für die Güte der Entfernungsermittlung. Besonders schwierig ist eine genaue Entfernungsermittlung in Medien mit Schichten von unterschiedlichem Wellenübertragunsverhalten, wie beispielsweise bei einer Tiefenlotung durch Meerwasser, dessen Temperatur- und SaIz-

» gehalt, die unter anderen beide das Wellenübertragungsverhalten und somit die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls beeinflussen, sich häufig schichtenweise ändern. Eine Bestimmung der Temperaturschichten an jeweils einem Ort ist mit den bekannten Bathysonden möglich; das Verfahren ist jedoch langwierig und auch teuer, da diese Sonden bei jeder Messung ver lorengehen· Bei den Entfernungsermittlungen in der Form der Tiefenlotung in Meeren zwo Aufnehmen von Tiefenprofilen müssen die gemessenen Zeiten der Echolotung dann gemäß den vorliegenden Ausbreitungsgeechwindigkeiten der einzelnen aufeinander-™ folgenden Schichten ausgewertet werden* Auch dieses ist aufwendig und zeitraubend, also teuer; außerdem ermittelt die Bathysonde nur die Temperaturen der Sehichten, während die Ausbreitungsgeechwindigkeit tatsächlich noch von anderen Faktoren abhängt« Da aber diese anderen Faktoren noch aufwendiger und umständlicher zu ermitteln wären, begnügt man sich selbst bei der Sretellung von sehr geaauea amtlich·* Seekarten damit, allein mittels der Bathysende die Tteperaturiehichtuag in «i aea bestimmten Meeresgebiei «u erkvadea «ad daraus eiae mittlere

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Schallgeschwindigkeit für die Tiefenlotung zu errechnen, die auch für weitere Messungen zugrundegelegt wird. Das Messen der Zeit zwischen Senden und Empfangen der Schallenergie wird dann an jedem Meßort mit dieser mittleren Schallgeschwindigkeit in die zu ermittelnde Entfernung, nämlich die Tiefe, umgerechnet. Die dabei erreichbaren-Meßgenauxgkeiten liegen aber beispielsweise bei zu ermittelnden Entfernungen von

700 m bis 800 m in der Größenordnung von 10 m bis 20 m, wie *

später noch an Hand eines Rechenbeispiels gezeigt werden wird.

Eine Übersicht über den heutigen Stand der Technik auf dem Gebiet der Tiefenlotung ist veröffentlicht in "The International Hydrographie Review", Juli 1970,VoIoXLVII, No.2, S. 85-S. 106.

Während sich die Handelsschiffahrt weitgehend damit abfinden mußte, daß auch die besten amtlichen Seekarten keine

größere Genauigkeit bieten, tritt dieser Mangel der herkömm- A

liehen Meerestiefenvermessungstechnik erheblich bei den gegenwärtigen weltweiten Anstrengungen zur Erforschung der Formationen und Bodenschätze am Meeresgrund in Erscheinung_J ebenso bei Bauvorhaben, bei Verlegen von Rohren und Kabeln, also bei jeglicher Ingenieurstechnik-in diesem Terrain. Der Bedarf an einem Abstellen dieses Mangels ist aber auch bei weniger aufwendigen Projekten groß; so war es wegen mangelnder Meßgenauigkeit bisher im Hinblick auf verschiedene Aufgabenstellungen

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nicht möglich, automatische Tiedenhub- oder andere Flüssigkeitsstand-Meßanlagen unter Verwendung der Echolottechnik zu erstellen. Bei der Wasssrstraßenüberwachung oder zum Steuern von Schöpfwerken und Hochwassersperren, bei denen es wegen der großen Wassermassen um Meß- und Steuergenauigkeiten ·-in der Größenordnung von Zentimetern bei erheblichen Schwankungen des Wasserstandes geht, ist man bisher auf raechanische oder elektromechanische {lösungen angewiesen und muß somit einen erheblichen Aufwand an Bauwerken (z.B.: "Pegelhäuschen") und Wartung in Kauf nehmen.

Es ist demzufolge Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Entfernungsermittlung zu schaffen, das bei geringem Aufwand zu größerer Meßgenauigkeit als die herkömmlichen Verfahren führt.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß darauf zurückgegriffen, daß bereite vorgeschlagen wurde (vergl. deutsche Patentanmeldung P 1 798 276.2 und P 2 010 3^8Λ), Sehallenergie von einer ebenen Gruppe von Schwingerelementen mittels Phasensteuerung der Gruppe ua einen Winkel gegen die Vertikale geneigt Abzustrahlen, um geneigt« Keulendiagramme für ein« Doppl«rb«etiMung nach der Janus-Method« zu erzielen. B«ehn«risoh «rgab sieh dabei, daß wechselnd« Au»br«itung«(5«e«hwindigk«it«a in Schichten tob unterechied-

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lichemWellenübertragungsverhalten zu unterschiedlichen Winkeln für die Ausbreitung der Schallenergie führen, nämlich gerade so, daß die Dopplerfrequenz unabhängig von der Frequenz und Ausbreitungsgeschwindigkeit der abgestrahlten Schallenergie bestimmt ist·

5- Dieser Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß der damals angegebene funktionale Zusammenhang zwischen dem Winkel, der Frequenz und der Ausbreitungsgeschwindigkeit der abgestrahlten Schallenergie für die genaue Entfernungsermittlung in Medien mit Schichten von wechselnder Ausbreitungsgeschwindigkeit herangezogen werden kann, wodurch jetzt Fehler ausgeschaltet sind, die bisher bei der Entfernungsermittlung nach der Echomethode durch Messen der Zeit zwischen Senden und Empfangen von Schallenergie auftraten.

Dazu wird erfindungsgemäß in folgender Weite so verfahren, daß % in an sich bekannter Weise Schallenergie von einer Vielzahl einzelner, in einer senkrecht zur Sichtung der zu ermittelnden Entfernung liegenden Ebene äquidistant gruppierter und mit variierbarer Frequenz bei konstanter Phasenverschiebung zueinander angesteuerter Schwingerelemente in einem vorgegebenen Winkel gegen diese Richtung gebündelt abgestrahlt wird und daß die Zeit, ohne Berücksichtigung von Unterschieden im Wellenübertragungsverhalten der einzelnen Schichten, unter

β » * D

20331 2-/n?f; ^

Berücksichtigung der momentanen Frequenz unmittelbar ein Maß für die zu ermittelnde Entfernung zwischen dem Reflexionsort der Schallenergie und der Ebene ist.

Der funktionale Zusammenhang bei einer Ausbreitung von Schallenergie einer Frequenz durch ein Medium mit Schichten von unterschiedlichem Wellenübertragungsverhalten.zwischen den

W Winkeln einerseits,unter denen sich die Schallenergie in den

einzelnen Schichten ausbreitet, und ihren Ausbreitungsgeschwindigkeiten andererseits, die sich ebenfalls von Schicht zu Schicht ändern, ist dargestellt durch einen Quotient, der aus dem Sinus des Winkels einerseits und der Ausbreitungsgeschwindigkeit andererseits für jeweils eine Schicht gebildet ist_o Dieser Quotient ändert sich nicht von Schicht zu Schicht, sondern bleibt bei konstanter Frequenz für die abgestrahlte Schallenergie stets konstant. Die gemessene Zeit zwischen Senden und

^ Empfangen wird dann nur noch mit dem Faktor multpliziert, der

der momentanen Frequenz der abgestrahlten Schallenergie proportional ist, und ergibt dann die zu ermittelnde Entfernung.

Bei einer elektromechanischen Registrierung oder einer digitalen Anzeige der ermittelten Entfernung mittels einer frequenzabhängigen Zeitbasis, die proportional der Frequenz der abgestrahlten Schallenergie ist, ergibt sich ein Darstellungsmaßstab für die Entfernung, der unabhängig von der momentan ge-

wählten Frequenz und nur noch vom Sinus des doppelten mittleren Winkels der abgestrahlten Schallenergie bei ihrem Verlauf durch die verschiedenen Schichten des Mediums bestimmt ist· Die Frequenz wird so gewählt, daß die Neigung der abgestrahlten Schallenergie gegen die Eichtung der zu bestimmenden Entfernung stets im Mittel h3° beträgt, so daß der Funktionswert des Sinus des doppelten Winkels stets 1 ist. Durch Änderung des Wellenübertragungsverhalten der Schichten während mehrerer Messungen, beispielsweise zur Erfassung eines Meerestiefenprofils, ändert sich der Funktionswert des Sinus des doppelten Winkels nur unwesentlich, so daß praktisch Fehler verbleiben, die vernachlässigbar klein sind_o Dadurch, daß der Darstellungsmaßstab unabhängig von der Frequenz ist, wird die Frequenz zum freien Parameter, so daß nun über diese Frequenz der Winkel der abgestrahlten Schallenergie stets so variiert werden kann, wenn sich die Gegebenheiten des Mediums wesentlich geändert haben, daß die mittlere Neigung der Schallenergie gegen die zu bestimmende Entfernung stets k$° beträgt, ohne daß sieh an der Registrierung etwas ändert! da ja der Darstellungeaaßstab durch die frequenzabhängige Zeitbasis der Entfernungsermittlung von der Frequenz selbst unabhängig ist, was später an Hand der Skizzen rechnerisch nachgewiesen wird·

Das phasengesteuerte Betreiben von Schwingerelementen βiner Gruppe zu« Srsielen einer geneigten Abstrahlung von Sckall-

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Ι energie gegen die Vertikale auf die Gruppe der Schwingerelemente ist, wie schon angedeutet, an sich bekannt, so zum Beispiel auch zum Schwenken von Richtcharakteristiken in Form einer Laufzeitkompensation bei Sonaranlagen» Die Ver-Wendung von einer gegen die Lotrechte, vorzugsweise unter 45°, schräg abgestrahlten Richtcharakteristik ist auch schon mit der deutschen Patentanmeldung P 1 8 16 38?·6 vorgeschlagen worden, dort als zusätzliche Charakteristik zur Lötrechtlotung, um zur Schonung eines Schleppnetzes aus einem Vergleich beider einander zugeordneter Echosignale auf Änderungen der Beschaffenheit des Heeresgrundes schließen zu können. Keinem der zahlreichen Vorschläge und Zielsetzungen zur Schrägortung lag bisher aber die hier vorliegende Aufgabe und vor allem die Erkenntnis dieser Erfindung zugrunde, mit der endlieh ein Überwinden der bisherigen Unzulänglichkeiten der Meerestiefenvermessung erreicht wird. Der dieser Erfindung zugrunde liegende Gedanke einer sehallgeschwindigkeitsabhängigen Strahlschwenkung stellt sieh auch nur dann richtig ein, wenn eine elektrische Phasendifferenz zwischen zwei Schwinger-

elementen konstant ist, z.B. 90° oder 120°; somit wird bei unserer Erfindung die Aufgabe einer Entfernungsbestimmung und insbesondere einer Tiefenvermessung dadurch gelöst, daß nicht mehr in der herkömmlichen Art direkt gegenüber einem Reflexionsort der interessierenden Entfernung die Messung ausgeführt wird, sondern es wird vorgeschlagen, diesen Ort unter

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einem Winkel anzupeilen.

Da die Bündelung der Schallenergie nieht beliebig scharf erreichbar ist und die Gegebenheiten am Reflexionsort den zeitliehen Verlauf der reflektierten Anteile der Schallenergie beeinflussen, ist es vorteilhaft, das Messen der Zeit jeweils auf den Schwerpunkt des .momentanen zeitlichen Verlaufs gesendeter bzw. reflektierter Schallenergie zu beziehen.,

Die Registrierung der Zeit und damit der Entfernungsermittlung kann in beliebig bekannter Weise elektronisch oder elektromechanisch erfolgen.

Bei einem rein elektronischen Messen der Zeit wirdsfcbeispielsweise in einen Zeitmesser in der Form eines Digitalzählers Zählimpulse einer bestimmten Folgefrequenz eingezählt. Die

Folgefrequenz wird aus der variierbaren zur Ansteuerung der f

Schwingerelemente abgeleitet, wodurch der oben genannte frequenzproportionale Faktor, mit dem sonst die Zeit zwischen Senden und Empfangen zur Entfernungsermittlung multipliziert wird, jetzt schon berücksichtigt ist und der Darstellungsmaßstab frequenzunabhängig wirdo Außerdem bestimmt die Frequenz der Zählerimpulse die Auflösung der digitalen Entfernungsbestimmung«» Die Ana&hl der Zählimpulse im DigLfcalzählai- kenriaeichnen nun unmittelbar tli.i «rraLtbelts Binc£t,ι ^:siung_} at^- =*%·;*>«·

.^ Iu

2OtJt 4 -> / 0- 7 6 1

zeigt oder ausgedruckt werden kann»

Die Position des Reflexionsortes bestimmt sieh aus der beliebig ermittelten, momentanen Position der Schwingerelemente anzüglich einer Strecke in der Ebene der Sshwingerelemeate₉ die unter Berüeksi©htigung des Winkels der abgestrahlten Sehallenergie aus der momentan ermittelten

^w Sntfernung errechnet wirdo

Die Ermittlung der Strecke und die Addition von Strecke und Position der Sshwingerelemente kann elektronisch erfolgen,* Die so gewonnene Position des Reflexionsorts wird ansshließend zusammen mit der ermittelten Entfernung angezeigt, ausgedruckt oder sonstwie ausgewertet

Die Angabe der zu ermittelnden Entfernung und die Position % des Reflexionsorts kann aber aueh mit einem elektromechanischen

Registriergerät na@h Art ©ines an sieh bekannten Eehographen mit linearer Sghreibbewegung eines Registrierorgans in Form eines auf einem Griffelband befestigten Griffels graphisch erfolgen» Die Folge der unabhängigen Koordinaten, die den Positionen der Schwingerelsraente entspricht, wird auf einer Linie parallel zur Vorsehubriehtung des Registrierpapiers gekeimzeichnet« Im Gegensatz zu herkömmliehen Geräten bewegt sioh dar Griffel swe-eks Markierung das Eeflexioruiortes

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jetzt aber, nach einem weiteren Gesichtspunkt dieser Er- ' _;

findung, nicht unter einem Winkel von 90° zwischen Papiervorsehubsriehtung und Griffelbewegungsriehtung, sondern unter einem Winkel Jf, der unter Berücksichtigung des Winkels der abgestrahlten Schallenergie und des Darstellungsmaßstabs für die Positionskoordinate der Schwingerelemente eingestellt ist, wie später an Hand der Zeichnung noch an einem Ausführungsbeispiel gezeigt wird. Das Griffelband wird durch '

einen Motor angetrieben, dessen Drehzahl proportional der variierbaren Frequenz zur Ansteuerung der Schwingerelemente geregelt wird, wodurch der oben genannte frequenzproportionale Faktor automatisch wieder berücksichtigt ist und der Darstellung smaßstab frequenzunabhängig wird. Daraus ergibt sich eine Aufzeichnung, aus der die Positionen des Beflexionsorts einerseits und der Schwingerelemente andererseits unmittelbar und maßstabsgetreu ersichtlich sind.

■. _ I

Im Beispiel der Meeresprofilverfflessung ist die Position der Schwingerelemente, die sich auf einem Vermessungsschiff befinden, durch die Vermessungsschiffsposition bekannt, die in tiblicher Weise, beispielsweise durch das Hyperbel-Navigationsverfahren, ermittelt ist. Bei Verwendung des obengenannten Begistriergerätes wird dann der Papiervorschub synchron mit der Vermessungsschiffsgesehwindigkeit unter Berücksichtigung des Darstellungsmaßstabe angetrieben.

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Es ist aber auch mSglich, mit einem unmodifizierten Echographen bekannter Bauform die zu ermittelnde Entfernung und die Position des betroffenen Beflexionsortes darzustellen, indem in dieser Weiterbildung der Erfindung abwechselnd oder gleichzeitig zusätzlich in entgegengesetz- ·- ter Sichtung zur ersten Schallenergieabstrahlung aber unter gleichem Winkel gegen das Lot auf die Ebene der Schwingerelemente Schallenergie abgestrahlt wird. Im Anwendungsbeispiel der Meerestiefenvermessung bedeutet dies, daß Schallenergie schiffsvoraus und-achterraus unter gleichem Winkel ausgesendet wird. Vorzugsweise steuert dazu ein Dreiphasengenerator mit zwei gegenläufigen einander überlagerten oder abwechselnden Phasenfolgen die Schwingerelemente an» Die beiden Zeiten des Sendens und Empfangene der Schallenergie werden für beide Abstrahlrichtungen dann durch den einen Griffel registriert. Die Geschwindigkeit des Griffels, der auf einem Griffelband befestigt ist, wird wiederum proportional der variierbaren Frequenz zur Ansteuerung der Schwingerelemente geregelt.

Wenn der Kurs des Vermessungschiffes durch die Ebene, die durch die beiden Winkel aufgespannt ist, verläuft, wird jeder Reflexionsort zeitlich nacheinander zweimal erfaßt und die zu ermittelnde Entfernung zweimal maßstabsgetreu registriert, das Tiefenprofil also zweimal *ufg«eei«hnet.

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Die einzelnen Reflexionsorte jedes der beiden aufgezeichneten Tiefenprofile sind jetzt.aber nicht in ihren wahren Positionen aufgezeichnet worden, da ja bei der vorgegebenen Griffelbewegung und infolge der geneigten Abstrahlung der Schallenergie die wahren Positionen der Reflexionsorte, bezogen auf die Position der Schwingerelemente, von der zu bestimmenden Entfernung selbst abhängen. Damit hängt auch der Zeitpunkt der zweiten j

Erfassung eines jeden Reflexionsortes von seiner Tiefe, also seiner Entfernung von der Ebene der Schwingerelemente, ab. Wenn aber wieder vorausgesetzt ist, daß die Papiervorschubgeschwindigkeit synchron mit der Verschiebung der Schwingerelemente erfolgt, ergibt sich die Position der vermessenen Entfernung durch Mittelung der Positionskoördihaten gleicher Reflexionsorte beider Tiefenprofilaufzeichnungen. Durch Mittelwertbildung der beiden aufgezeichneten Entfernungen je eines tatsächlichen Reflexionsortes werden möglicherweise noch in der Entfernungsermittlung enthaltene statistische Meßfehler ausgeglichen.

Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet für die erfindungs- gemäße Entfernungsermittlung liegt bei einer Pegelmessung von Füllstanden, beispielsweise von Flüssigkeitsständen in Behältern, ader bei WaBserstandemeesungen von Gewässern vor. Die Schwingerelement· werden, beispielsweise bei der Wasserstands* vermessung, in einer Weiterbildung dieser Erfindung dazu vor-

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zugsweise fest am Grund installiert» Die schräg abgestrahlte Schallenergie wird von der nie ganz glatten Wasseroberfläche reflektiert«, Die Zeit zwischen Senden der Schallenergie und Empfangen reflektierter Anteile dieser Schallenergie ist jetzt ein genaues Maß für den Pege'lstand und kann elektronisch ausgewertet und nach telemetriseher übertragung, beispielsweise über Kabel oder Funk, angezeigt oder registriert werden.

Der besondere Vorteil bei der erfindungsgemäßen Entfernungsermittlung liegt darin, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls nicht in die Entfernungsermittlung eingeht, wodurch genaue Messungen auch in dem in der Praxis ebenso häufigen wie hinderlichen Falle von durch Medien mit Schichten von unterschiedlichen Wellenübertragungsverhalten ermöglicht sind· Damit ist es also ohne wesentlichen Mehraufwand gegenüber derzeit üblichen Echolotvermessungsanlagen möglich, eine Meßgenauigkeit zu erzielen, die mit Vorrichtungen nach bisher geläufigen Verfahren auch nicht annähernd erreichbar war.» Insbesondere in der hydrographischen Technik können unter Anwendung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens neue Anlagen größerer Genauigkeit bei Verzicht auf Wartung und Verschleißüberwachung, z.Bo bei der Wasserstandsüberwachung für Entwässerungsanlagen (Schöpfwerke), erstellt werden.

Di« Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnung in Ausführungsbeispielen näher erläutert. Is zeigt ι

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Fig. 1 ein auszumessendes Meerestiefenprofil,

Fig.1a. eine vergrößerte Detaildarstellung zu Fig. 1,

Fig.1b eine herausgezeichnete abstrahierte Skizze für einige Schichten von unterschiedlichem Wellenübertragungsverhalten zu Fig. 1,

Fig. 2 ein Blockschaltbild zur elektronischen Auswertung für das erfindungsgemäße Verfahren zur Entfernungsermittlung, %

Fig.2a ein Blockschaltbild eines Sendegenerators nach Fig. 2 mit einem Dreiphasensendegenerator

-₀ Fig.2b als Alternativlösung ein Blockschaltbild des Sendegenerators nach Fig» 2 mit einem Zweiphasensendegenerator,

Fig.2c als weitere Alternativlösung ein Blockschaltbild des

Sendegenerators mit Umwandlung einer zweiphasigen
Spannung in eine dreiphasige Auegangsspannung zur
Erregung der Schwingerelementej

Fig. 3 ein Blockschaltbild zur elektromechanischen Auswertung mit einem Registriergerät, dessen zeitproportional abgelenktes Kegistrierorgan sich unter einem Winkel Q
gegen die Papiervorschübrichtung bewegt,

Fig. Jf eine doppelte Aufzeichnung des Meerestiefenprofils zur Ermittlung von Entfernungen und zugehörigen Positionekoordinaten,

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-ΙΟΙ Fig.* 5 ein Blockschaltbild einer Schwerpunkt-Selektionsschaltung,

Fig. 6 eine Vorrichtung zur Wasserstandsüberwaehung mit örtlich fest installierten Schwingerelementen.

Eine Darstellung eines zu vermessenden Meereetiefenprofils 1 ™ ist in Fig. 1 skizziert. Bisher ist es üblich, Entfernungen, wie hier die Tiefe, durch Vertikallotung zu ermitteln. Für eine gute Messung wird dazu zunächst mit Hilfe einer Bathysonde die Temperaturschichtung an einer Meßstelle aufgenommen. Durch tabellarische Umrechnungen ergeben sich, mit diesen Temperaturwerten, für die einzelnen Schichten unterschiedliche Ausbreitungegeschwindigkeiten C 1 ... Gn für Sehallenergie. In Fig. 1b ist eine Verteilung von drei Schichten S1...S über eine Entfernung "2" « 750 m skizziert. Der hier angenomfc 15 menen Verteilung der Ausbreitungsgeschwindigkeiten C 1 ,,. G 3 entspricht in brauchbarer Näherung eine mittleren Ausbreitungsgeschwindigkeit. Cm * 15OO m/sec über die gesamte Entfernung "2". Nach der herkömmlichen Methode wird die Summe aller Zeiten t 1 ... t 3 durch die jeweiligen Schichten S 1ο». S 3 gemessen und mit der mittleren Schallgeschwindigkeit Cm multipliziert.

Es ergibt sich»

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Entfernung "2" » 1/2 (ti + t2 + t3) Cm

=1/2 (hl/01 + h2/C2 + h3/C3) Cm Entfernung "2" « 73.6,65 m

Da aber der wahre Wert der Entfernung "2", laut Skizze, gleich. 75Om ist, ergibt diese Messung einen Fehlbetrag von 13>35 m» was einem Fehler von 17,8°/oo entspricht. Fehler dieser Größen-

Ordnung sind beim Meßverfahren nach dem Stande der Technik üblich und bisher unvermeidbar. Die vorliegende Erfindung reduziert nun solche Meßfehler ganz erheblich.

Um die gleiche Entfernung "2" zu ermitteln, wird gemäß dieser Erfindung Schallenergie 3, wie es Fig. 1a zeigt, unter einem Winkeioc von Schwingerelementen Jf, die in einer Ebene 5 senkrecht zur Richtung der zu ermittelnden Entfernung "2" angeordnet sind, gebündelt abgestrahlt. Nach Brechungen der gebündel-

ten Schallenergie 3 an Grenzen von Schichten S 1.·. Sn mit I

unterschiedlichem Wellenübertragungsverhalten ist eine Verbindungslinie zwischen Beflexionsort 6 und Schwingerelementen k unter einem Winkel ß gegen die Lotrechte auf die Ebene 5 geneigt.

Für das erfindungegemäß· Verfahren werden folgende Beziehungen ausgenutzt:

... 18

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singt sind, 2 ..... sinpCn /·_Ώ1. _t e π · \

~C1— ⁼ "~C?—~" ^{= =} ~C (.Brechungsgesetz von Snellius)

const. = A,

V/ I VIII

das heißt, die Winkelot und damit die Wege, die die Schallenergie jeweils in den einzelnen Schichten S1 _ao. Sn zurücklegt, werden in dem Maße kleiner, wie die Ausbreitungsgeschwindigkeit C abnimmt.

Dies zeigt,,daß ein einheitlicher Winkel ß und eine mittlere Schallgeschwindigkeit Cm für die Entfernungsermittlung angesetzt werden können, wenn die Schallenergie senkrecht zur Ebene 5 abgestrahlt wird. Die gemessene Zeit zwischen Senden und Empfangen der Schallenergie 3 ergibt noch nicht unmittelbar die gesuchte Entfernung "2", sondern diese ermittelt sich unter Berücksichtigung des Winkels ß aus folgenden Beziehungen:

Entfernung "2" * 1/2 Ca · cos ß · t

is - i/z·.».«· t, Φ*. a,

Entfernung »2» » 1/2 · cos ß · t

für (ein ß · cos ß) « 1/2 sin 2ß.

Zwischen dem Winkel«« und einer Frequenz f der abgestrahlten

.«. 19

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Schallenergie 3 besteht folgender bekannter funktionaler Zusammenhang:

sinoC . _ 1 sin ß
C 1 .■ ~ 3-a«f ⁼ Cm '

wobei a der Abstand zwischen zwei mit 120° Phasendifferenz angesteuerter, benachbarter Schwingerelemente *f ist.

Damit ergibt sich:

Entfernung"2" = (3A) * & · sin 2ß · f · t, K = 3/k<a·sin 2ß°f

wobei K der oben genannte frequenzproportionale Faktor ist«

Bei einer Ermittlung der Entfernung "2" mit einer elektronischen Zeitmeßeinrichtung, werden während der Zeit t eine Anzahl von

η Zählimpulse mit einer Folgefrequenz Frequenz f 1 gezählt, ä

so daß sich ein Darstellungsmaßstab M 1

M ^ _{= ergibt<}

Die Frequenz f 1 ist proportional der Frequenz f der abgestrahlten Schallenergie 3 gewählt:

f
f 1 =5 ·=· u: Teilverhältnie.

... 20

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Die in der Zeit t eingezählten η Zählimpulse errechnen sich
dann zu:

somit ergibt sich für den Darstellungsmaßstab M 1

fe cw- K » t J>/h · a ■ sin 2ß » f * t

Ψ 5 M 1 = — _β-ί t"TT ~

u
M 1 ss 3/k ο a · u · sin 2ß.

Der Darstellungsmaßstab M 1 ist also bei einer gewählten frequenzabhängigen Zeitbasis in Form der Folgefrequenz f 1 von ' der Frequenz f unabhängige

Wie im Laufe der gesamten Ableitung gezeigt, ist der WinkelOt ^ und damit indirekt der Winkel ß mittels der Frequenz f der
abzustrahlenden Schallenergie 3 variierbar.

Der trigonometrische Anteil im Darstellungsmaßstab ist dann
in sehr guter Näherung gleich eins zu setzten, wenn der Winkel ß etwa 45° beträgt, da der Funktionswert der Sinusfunktion in der Umgebung vonTVÖ nahezu konstant ist.

Bei einer Registrierung der Entfernung "2" mit einem elektro-

... 21

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_₂₁ _■ 2045278

mechanischen Registriergerät in der Form eines gebräuchlichen Echographen ist der Darstellungsmaßstab M 2 definiert durch das Verhältnis der Entfernung "2" bezogen auf einen Weg S, den das Hegistrierorgan in Form eines Griffels mit einer Geschwindigkeit ν in der Zeit t, zurücklegte

„ _ Entfernung "2"
β

Der Griffel ist üblicherweise auf einem Griffelband befestigt, das über eine Umlenkrolle mit einem Hadius r durch einen Motor, angetrieben wird. Durch die Drehzahl des Motors wird die Geschwindigkeit ν festgelegt. Die Drehzahl wird mit der Frequenz f1 geregelt, so daß sich eine Geschwindigkeit ν ergibt:

f1 , f 1

In der Zeit t legt der Griffel den Weg s zurück

4. 2Tt · r » f .

s «v · t « » t .

Somit ergibt sich für den Darstellungemaßstab M 2ι

... 22

Entfernung "2"

~ s

3A * a » sin 2ß » f » t = 271 · r · f/_u · t

3/k · a » u » sin 2ß 2a · r

Auch hier ist der Darstellungsmaßstab frequenzunabhängig und allein von bekannten konstruktiven Größen bestimmt, wenn der Winkel ß stets im Mittel k^° aufweistο

Bei einer Registrierung der Entfernung "2" mit einem Echographen bei dem die Griffelbewegungerichtung nicht senkrecht zur Papiervorschubrichtung sondern unter einem Winkel^ verläuft, berechnet sich der Darstellungsmaßstab M 3 zu

M 3 - „*

Entfernung "2" v* . t

wenn die Griffelgeschwindigkeit ν des Griffels 271 · T ' f

beträgt.

Diese Geschwindigkeit ν muß nun unter Berücksichtigung des Winkels Jf umgerechnet werden zu:

... 23

ν* = ν · cos y ,

somit ergibt sich für den Darstellungsmaßstab M 3

_M , _ 3/V ° a « sin 2ß ° f « t
2Tt " ^r * ^f/u" ° ^0Oß/ * *

· a * u « sin 2ß

Auch hier sind alle den Darstellungsmaßstab M 3 bestimmenden Größen konstruktiv'festgelegt·

Für den Gedankengang zur Konzeption einer Vorrichtung zum Ausüben des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es zweckmäßig, davon auszugehen, daß im zu vermessenden Meeresgebiet an einer repräsentativen Stelle die Schichten mit unterschiedlichem Wellenübertragungsverhalten einmal ermittelt wurden und dann mittels Variation der Frequenz f der Winkel oC (Fig. 1a) so eingestellt wird, daß sieh aus dent Polygonzug der gebrochenen Schallenergierichtungen ein Winkel ß (Fig. 1) von ungefähr k5° eineteilto Fehlerrechnungen haben nun gezeigt, daß es sogar erfindungsgemäß ausreicht, nur einige wenige pauschale Werte für mittlere Schallausbreitungsgeschwindigkeit Gm anzunehmen und entsprechende Frequenzen f für die Schallenergieabstrahlung fest einstellbar vorzugeben. Es erübrigt sich damit völlig eine Bestimmung momentaner Gegebenheiten der Schichten im Meer, da es im Rahmen der erreichbaren Meßgenauigkeiten genügt, für die Messung

... 2k

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- 2k -

eine dieser wenigen vorgegebenen Frequenzen f einzustellen, je nachdem ob die Bestimmung der Entfernung "2" gerade in einem Meeresgebiet mit erfahrungsgemäß überwiegend hoher oder weniger hoher Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallenergie stattfindet (z.B. entsprechend den Unterschieden zwischen arktischen Gewässern, Pazifik und Eotem Meer). Umständliche Kontrollmessungen oder Regelschaltungen zur automatischen Berücksichtigung der Ausbreitungsgeschwindigkeit sowie die Kenntnis über die momentane Ausbreitungsgeschwindigkeit sind durch dieses erfindungsgemäße Verfahren damit überflüssig geworden.

Ein Rechenbeispiel unter Verwendung der Gegebenheiten aus Fig. 1 b erweist die hohe Güte von Entfernungsermittlungen nach diesem erfindungsgemäßen Verfahren, bei dem eine Er- · mittlung einer "senkrechter Entfernung" durch eine "schräge Rückstrahlortung" erfolgt.

Für den Winkel ß = h3° und die mittlere Ausbreitungsgeschwindigkeit Cm = 15OO m/s«c errechnet sich ein Meßfehler bei der Ermittlung der Entfernung "2" wie folgt:

Für die Schicht S 1 gilt*

Cm '

... 25

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- 2p -

sin«*. = W& · sin 45° * O,71188

sin 2*A « sin 90° 52,8» = sin 89° 7,2· » 0,99988

Ss ergibt sich für die Entfernungsermittlung h1 = 20 m in der Schicht S 1 ein Fehler "S 1"· von.» I

Fehler » S 1» = h 1

<■)■

cm

Weiterhin gilt für die Schicht S 21

- , C 2 » 1470 m/sec

sin ^⁰ -0,69307

ein 2-eC » sin 87° kk,&> -0,99923, eoaiit beträgt t

«S 2« - h 2

ff " 7 ^}

^{( 1} * Ö799923 ^} "

... 26

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_o, 20Λ5276

- 2b -

Für die Schicht S 3 gilt J

sin ß „ ., _ΛΤ--,_η ι

~cm~~ · ^{G 3 = 153}° ^m/sec

sind3 = ^5§ · sin 45° » 0,72135

sinoC3 ■ ^6° 10·
sin 2-e0= sin 92° 20' = sin 87° ^O¹ = 0,99917·

Der Fehler beträgt hier) Fehler S 3" = h 3 ( - ¹ ) , h 3 « 700 m

^{sln 2 ß} sin 2-o(3

- ⁷⁰° ⁽¹ - ^} - * ⁵⁸'^{1 cm}·

Der wahre Wert der Entfernung "2" beträgt 750 α, mit dem erfindungegeaäßen Verfahren ermittelt eich die Entfernung "2" zuχ

Entfernung "2" ■ 750 - Fehler "SI" - Fehler "S2" - Fehler "S3" Entfernung "2" « 750 - 0,6 » 7^9,^ ».

Damit ergibt sich ein Meßfehler bei der Ermittlung der Entfernung "2" nach dem erfindungsgemäßen Verfahren von nur noch 60 cm bzw· nur o,8°/°o, während sich bei der Entfernungeermittlung nach dem herkömmlichen Verfahren dagegen ein Fehlbetrag von 13» 35 m ergabt

... 27

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- ₂₇ ,.. 20A5278

Die Hechenbeispiele zeigen deutlich, welche Meßgenauigkeit das erfindungsgemäße Verfahren garantiert, denn ein Fehler, kleiner als 1°/oo, liegt in einer Größenordnung, die durchaus als vernachlässigbar klein anzusehen ist.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild mit einer elektronischen

Auswerfeinrichtung 8 als Vorrichtung zum Ausüben des erf in- ä

dungsgeraäßen Verfahrens zur Entfernungsermittlung. Die Auswerteeinrichtung 8 besteht aus einer Zeitmeßeinrichtung in Form eines Digitalzählers 8.1, der über ein Tor 8.2 angesteuert wird und dem ein beliebiger Speicher 8.3 nachgeschaltet ist. Für die zu messende Zeit öffnet ein Steuersignal 9 das Tor und Zählimpulse 10 werden in den Digitalzähler 8.1 eingezahlt-Die Zählimpulse 10 einer Folgefrequenz ί 1 stellt ein zu einem Sendegenerator 11 gehörender Zählimpulsgenerator 11.1 her.

Die Folgefrequenz f 1 ist im Zählimpulsgenerator 11.1 einzustellen. Durch Frequenzteilung der Folgefrequenz f 1 in einem Frequenzteiler 11 «-2 wird die Frequenz f zur Ansteuerung der Schwingerelemente k gewonnen. Dem Frequenzteiler 11,2 ist ein Steuerglied 11. 3 nachgeschaltet.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 a ist das Steuerglied 11.3 ein Dreiphasensendegenerator 11·3·1ι der aus der einen Ausgangsspannung der Frequenz f des Frequenzteilers 11.2 drei in der Phase um 120° elektrisch gegeneinander verschobene Ausgangs-

... 28

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Spannungen R₁S₁T herstellt und verstärkt (vergl. Deutsche Patentanmeldung Nr. P 17 98 276.2). Durch ein Steuersignal werden Senderhythmus und Dauer der Sendezeit des Dreiphasensendegenerators 11.3.1 bestimmt. Die Schwingerelemente h werden nun über eine Sende- Empfangsweiche 13.1 und eine Freigabeschaltung 13*2 durch die Ausgangsspannungen R,S,T mit der oben genannten Frequenz f angeregt, die so durch die Folgefrequenz f1 eingestellt wird, daß sich die abgestrahlte Schallenergie unter einem WinkelOC. ausbreitet, der einen Winkel ß im Mittel von k5° hervorruft, wie in Fig. 1 beschrieben. Bei einer starren Phasenverschiebung zwischen den Ausgangsspannungen R,S,T von 120° wird der WinkeloC, unter dem sich die Schallenergie ausbreitet allein durch die Frequenz f bestimmt, die zusammen mit der Folgefrequenz f 1 im Zählimpulsgenerator 11.1 variiert wird, da ja die Frequenz f aus der Folgefrequenz f3 durch Frequenzteilung gewonnen ist.

Die Freigabeschaltung 13·2 wird durch ein an sich beliebiges und bekannte Neigungsmeßgerät 1J.3 angesteuert und nur dann für Sende- oder Empfangssignale geöffnet, wenn die Ebene 5 der Schwingerelemente k senkrecht zur Entfernung "2" liegt, die Schwingerelemente k also im Beispiel der Meerestiefenprof!!vermessung eine horizontale Lage einnehmen.

Zur Vereinfachung der Beschreibung von Ausführungsbeispielen

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sei angenommen, daß die selben Schwingerelemente k sowohl zum Senden als auch zum Empfangen verwendet werden, wie es an sich in der Echolottechnik üblich ist. "

Eine weitere Ausführungsform des Sendegenerators 11 zeigt 5". Fig.- 2 b. Dem Frequenzteiler 11.2 ist ein Zweiphasensendegenerator 11«3.2.nachgeschaltet, der aus der Ausgangsspannung des Frequenzteilers 11*2 mit der Frequenz f zwei in ihrer Phase f um 90° elektrisch gegeneinander verschobene Ausgangsspannungen

zur Anregung der Schwingerelemente liefert und gleichzeitig verstärkte Auch hier bestimmt das Steuersignal 12 Senderythmus und Dauer der Sendezeit. Die Folgefrequenz f 1 und damit die Frequenz f ist hier so eingestellt, daß der Winkel ß wieder etwa ^5° beträgt. Eine Ausführung des Zweighasensendegenerators 11·3·2 mit einer Ansteuerung von Schwingerelementen zur Abstrahlung von Schallenergie unter einem Winkel ist in der Deutschen Offenlegungsschrift Nr. 1 812 6^3 näher beschrieben.

Fig. 2c zeigt eine weitere Variante des Sendegenerators 11. Hier ist dem Zählimpulsgenerator 11.1 ein Frequenzteiler 11.2.1 nachgesehaltet, der an seinem Ausgang zwei Spannungen der Frequenz f liefert, die um 90° elektrisch in ihrer Phase gegeneinander verschoben sind. Diese beiden Spannungen werden über ein Tor 11.3.3, das durch das Steuersignal 12 während der Sendezeit

- *.. 30

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geöffnet ist, einem Verstärker 11.3·^ zugeführt, der ausgangsseitig mit einem Dreiphasensteuerglied 11.3.5 verbunden ist. Das Dreiphasensteuerglied 11.3«5 ist beispielsweise ein Scott-Transformator, dessen Ausgangsspannungen R,S,T jeweils eine elektrische Phasendifferenz von 120° gegeneinander aufweisen und die Schwingerelemente k mit der Frequenz f anregen» (Vergl. Deutsche Patentanmeldung Nr. P 20 10

Die durch die Schwingerelemente k empfangenen reflektierten Anteile der Schallenergie 3 werden über die Freigabeschaltung 13·2 und die Sende-Enspfangsweiche 13*1 geleitet und in einer an sieh bekannten Empfangsschaltung 1*f zuerst in einem Zwischenfrequenzverstärker 1^.1 mit einer Hilfsfrequenz eines Oszillators 1^.2 gemischt und verstärkt, in einem Gleichrichter 1^.3 deaoduliert und dann einer mit Fig. 6 gesondert beschriebenen Schwerpunkt-Selektionsschaltung 15_S zugeführt, die ausgangsseitig mit dem Tor 8.2 verbunden ist. Ib Schwe-rpunkt des zeitlichen Verlaufs der reflektierten Anteile der Schallenergie 3 gibt die Sehwerpunkt-Selektionsschaltung 15 einen Impuls 16 ab, der das Tor 8.2 für die Zählimpulse 10 wieder sperrt. Der Zähltrinhalt kann anschließend vom Speicher 8<>3 übernommen und angezeigt oder ausgedruckt werden. Dieser Wert ist dann die ermittelte Entfernung, dem für den Winkel ß=45° auch die Streck· 7 entspricht, die zur Positionsangabe des Reflexionsorts 6 in einem Summenbildner 17 zur momentanen in

... 31

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beliebig bekannter Weise ermittelten Position der Schwingerelemente *f zugezählt wird. Die Positionsangabe des Reflexionsortes 6 wird in gleicher Weise wie die zugehörige Entfernung "2" angezeigt oder ausgedruckt.

Zum Sendezeitpunkt wird das Tor 8.2 durch das Steuersignal 9 wieder geöffnet, ebenfalls das Steuerglied 11.3 durch das Steuersignal 12, das gleichzeitig den Zähler 8.1 in seine Ausgangsposition zurückkippt.

Die Steuersignale 9 und 12 werden in einer an sich bekannten Zeitsteuerstufe 18 gebildet. Das Steuersignal 12 bestimmt durch seine Impulslänge die Dauer der Sendezeit. Abhängig von der ermittelten Entfernung wird die Impulslänge des Steuersignals 12 in der Zeitsteuerstufe 18 durch das Ausgangssignal der Auswerteeinrichtung 8 eingestellt. Der Senderhythmus wird durch zeitlicher Folge des Steuersignals 12 bestimmt. Das Steuersignal 9 wird von der Zeitsteuerstufe 18 beispielsweise nach der halben Dauer der Sendezeit abgegeben, so daß dann das Tor 8«2 für Zählimpulse 10 geöffnet wird.

Bei einer elektromechanischen Auswertung gemäß Fig. 3 wird mit einem Registriergerät 19 das auszumessende Meerestiefenprofil aufgezeichnet. Das Registriergerät 19 ist ein in seiner Art an sich bekannter Echograph mit linearer Schreibbe-

... 32 ■'..'■.

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wegung seines Registrierorgans, bestehend aus einem Griffel 20, der auf einem Griffelband 21 befestigt ist und mit konstanter Geschwindigkeit ν umläuft. Im Gegensatz zu herkömmlichen Echographen beträgt der Winkel zwischen Papiervorschubrichtung und Griffelbewegungsrichtung 23 nicht 90^, sondern eine der "•beiden Umlenkrollen 2^_Ο1, 2^.2, vorzugsweise die UmIenkrolle 2^.2

E«*Sa+mv&rt -wHr eie-m. β-rfff ei be*et -I⁴

istVum einen Winkel ^fgegen die Papiervorschubrichtung geschwenkt, um eine positionsgereohte Markierung des Heflexionspunktes zu gewährleisten.

Das Griffelband 21 wird beispielsweise von einem Motor 25 über die Umlenkrolle 2^.1 angetrieben, dessen Drehzahl von der Folgefrequenz f 1 der Zählimpulse 10 abgeleitet und damit der Frequenz f der Schallenergieabstrahlung proportional ist. In einer an sich bekannten Drehzahlregelschaltung werden die Zählimpulse 10 als Eingangssignal einem Frequenzteiler 27 zugeführt, dessen Ausgangssignal 28 in einem Vergleichsglied 29» beispielsweise in Form eines Phasenmodulators, mit einer Größe verglichen, die der Drehzahl des Motors 25 entspricht und mit einem Drehzahlabnehmer 30 in Form einer "Pick-up-Scheibe" von der Abtriebsachse des Motors 25 abgenommen wird. Das Ausgangssignal des Vergleichsgliedes 29 steuert den Motor 25 an und schließt damit den Kreis der Drehzahlregelschaltung 29·

...

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Anstelle des Motors 25 und der Drehzahlregelschaltung 26 kann auch ein Schrittmotor eingesetzt werden, der mit dem Ausgangssignal 28 des Frequenzteilers 27 angesteuert wird.

Der Griffel 20 am Griffelband 21 läuft ständig um. über einen Tastkontakt 31 wird beim Vorbeilauf des Griffels 20 eine Verzögerungsschaltung 32, beispielsweise in Form eines monostabilen Mult!vibrators^gestartet, deren Ausgangssignal 33 die Zeitsteuerstufe 18 zur Abgabe des Steuersignals 12 synchronisiert und gleichzeitig einen Verstärker J>k ansteuert zwecks Markierung_tder Position der Schwingerelemente 4.

Im Schwerpunkt des zeitlichen Verlaufes der reflektierten Anteile der Schallenergie 3 erscheint dann am Ausgang der Schwerpunkt-Selektionsschaltung 15 der Impuls 16, der über den Verstärker Jk den Griffel 20 zwecks Markierung des

Reflexionsortes 6 ansteuert, wobei beispielsweise bei Ver- ä

wendung stromempfindlichen Begistrierpapiers durch einen Stromstoß der Heflexionsort 6 markiert wird.

Hier kann die Impulslänge des Steuersignals 12 in Abhängigkeit der ermittelten Entfernung durch die zeitliche Folge dee Auegangeeignals 33 und des Impulses 16 in der Zeitsteuerstufe 18 eingestellt werden·

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- 3h -

Es besteht aber auch die Möglichkeit, zur Registrierung der zu ermittelnden Entfernungen und der Positionen der zugehörigen Reflexionsorte einen üblichen Echographen zu benutzen, bei dem die Griffelbewegungsrichtung senkrecht zur Papier-Vorschubsrichtung erfolgt. Wie Fig. k zeigt, ist für die Ermittlung der Positionskoordinate die Aussendung von Schallfe - energie 3» 3¹ unter dem Winkelo(, schiffsvoraus und unter einem Winkelet,¹ schiffsachterraus gegen die Lotrechte auf die Ebene 5 notwendig, wobei die Beträge der Winkel ot^ft' gleichgroß sind, und sich die Schwingerelemente k in einer Ebene, die durch die Winkelest ${'auf gespannt ist, bewegen» Zur Zeit t 1 werden auf einem Registrierschrieb 35 die Reflexionsorte 6 und 6.1 markiert« In der Zeit t 2 - t 1 haben die Schwingerelemente k eine solche Position erreicht, daß der Reflexionsort 6 jetzt durch die Schallenergie 3' ebenfalls erfaßt und auf dem Hegistrierschrieb 35 markiert wird, während durch die Schallenergie 3 die zu einem Reflexionsort 6.2 gehörende Entfernung 2.2 erfaßt und markiert wird« Die Entfernung "2" wird also zweimal mit Hilfe von Schallenergie und 3¹ zeitlich nacheinander ermittelt, ihre Position bezüglich der Position der Schwingerelemente k zur Zeit t 1 kennzeichnet die Strecke 7, die der Hälfte der Differenz zwischen den Zeiten t 2 und t 1 entspricht. Der Punkt 36 auf dem Regietrierschrieb 35 kennzeichnet somit die ermittelte Entfernung "2" zusammen mit der Position des zugehörigen Reflexionsortes 6,

... 25

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die aus der Addition der Position der Schwingerelemente k zur Zeit t 1 und der Strecke 7 gewonnen ist.

Figo 5 zeigt ein Blockschaltbild einer Schwerpunkt-Selektionsschaltung 15· Der zeitliche Verlauf des Ausgangssig- nals der Empfangssehaltung 1% wird in einem ersten Integrator 37*1 integriert. In einem parallelen Verarbeitungskanal wird das Ausgangs signal der Empfangsschaltung "\h in · einem Laufzeitglied 37°2 um mehr als die Dauer einer Sendezeit verzögert einem zweiten Integrator 27·3 zugeführt. Ein Komperator 38 vergleicht den zeitlichen Verlauf des Integrationswerts am Ausgang des zweiten Integrators 37*3 mit dem halben Integrationswert des ersten Integrators 37°1» und gibt an seinem Ausgang dann den Impuls 16 ab, wenn der Integrationswert des zweiten Integrators 37·3 dem halben Integrationswert des ersten Integrators 37·1 gleicht.

Fig. 6 zeigt eine Vorrichtung zur Wasserstandsüberwachung. Die Schwingerelemente k sind am Grund eines Gewässers befestigt, und zwar auf einem Sockel 391 um eine Schlammablagerung bei strömendem Gewässer zu vermeiden. Die Schwingerelemente k werden wieder so angesteuert, daß der mittlere Winkel ß etwa 45° beträgt. Vom Reflexiohsort 6 auf der Wasseroberfläche werden Anteile der Schallenergie 3 reflektiert. Die dadurch ermittelten Daten können ZoB. über eine

...36

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Verbindungsleitung JfO an eine Landstation *f1 übertragen und dort angezeigt oder telemetrisch weitervermittelt werden.

Der bauliche Aufwand einer derartigen Pegelmeßstation ist wesentlich kleiner als der für die bisher üblichen "Pegel- ^ meßhäuschen", für die ein Gebäude mit Meßschacht im Gewässer mit entsprechender Gründung für ein Fundament und gegebenenfalls mit Zugangssteg und dergleichen erforderlich ist. Außerdem entfallen jetzt Wartungsarbeiten, die für die Funktionstüchtigkeit bisher üblicher elektromechanischer Steuergeräte (Schwimmergestänge mit Endschaltern und dergleichen) notwendig auegeführt werden mußten. Auch Pegelmessungen nach dem... Druckmeßprinzip haben sich in der Praxis für genaue Messungen nicht durchsetzen können, unter anderem deshalb nicht, weil Schichten strukturell verschiedenartiger Ver- W schmutzungen und von unterschiedlichem Verschmutzungsgrad die

Messungen stark verfälschten. Diese möglichen Störeinflüsse sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wirkungslos, da stets eine gleichhohe Meßgenauigkeit unabhängig von den Gegebenheiten des Mediums in Form von Schichten mit wechsendem, unterschiedlichem Wellenübertragungsverhalten durch die schräge Abstrahlung von Schallenergie gewährleistet ist«

- Äasprüche -

Claims (17)

1. ANSPRÜCHE

   1i Verfahren zur Entfernungsermittlung nach der Rüekstrahlortungsmethode durch Messen der Zeit zwischen Senden von Schallenergie und Empfangen von reflektierten Anteilen dieser Schallenergie, insbesondere durch schallenergieübertragende Medien mit Schichten von unterschiedlichem übertragungsverhalten!, dadurch gekennzeichnet, daß in an Λ

   sich bekannter Weise die Schallenergie (3) von einer Vielzahl einzelner in einer senkrecht zur Richtung der zu ermittelnden Entfernung (2) liegenden Ebene (5) äquidistant gruppierter und mit variierbarer Frequenz (f) bei konstanter Phasenverschiebung zueinander angesteuerter Schwingerelemente (k) mit einer Neigung von einem vorgegebenen Winkel i&Ü gegen diese Richtung gebündelt abgestrahlt wird und daß die Zeit Ct), ohne Berücksichtigung von Unterschieden im Wellenübertragungsverhalten der einzelnen Schichten (S1...Sn), unter Berücksichtigung der momentanen Frequenz (f) unmittelbar ein Maß für die zu ermittelnde Entfernung (2) zwischen dem Reflexioneort (6) der Schallenergie (3) und der Ebene (5) ist«
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Messen der Zeit (t) auf den Schwerpunkt des momentanen zeitlichen Verlaufs gesendeter bzw. reflektierter Schallenergie (3) bezogen wird.

   ... 38

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3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigung der abgestrahlten Schallenergie (3) gegen die Richtung der zu ermittelnden Entfernung (2) mittels Variation der Frequenz (f) in grobem Mittel einen Winkel (ß) von ^5° beträgt, was an einem repräsentativen Ort auf Grund einmaliger Messung von Gegebenheiten des Wellenübertragungsverhaltens unter Ausdehnung der Schichten (S1... Sn) in Richtung der zu ermittelnden Entfernung eingestellt und höchstens dann variiert wird, wenn sich diese Gegebenheiten offenbar wesentlich geändert haben.
4. hm Verfphren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflexioneort (6) durch überlagerung von in beliebig bekannter Weise ermittelter momentaner Position der Schwingerelemente (*f) und einer aus der momentan gemessenen Zeit (t) unter Berücksichtigung des Winkele (ß) ermittelten Strecke (7) in der Ebene <5) der Schwingerelement· (¹O kombiniert wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit Verwendung eines Registriergerätes für die ermittelten Entfernungen über den momentanen Positionen der Schwingerelemente als unabhängigen Variablen, dadurch gekennzeichnet, daß ein in an sich bekannter Weise zeitproportional linear abgelenktes Registrierorgan entgegen herkömmlicher Verwendung

   ..»39

   nicht in Richtung der zu bestimmenden Entfernung (2), sondern unter einem Winkel (/) bewegt wird, der dem mittleren Winkel (ß) der abgestrahlten Schallenergie (3) unter Berücksichtigung eines vorgegebenen Darstellungsmaßstabs für Positionskoordinaten entspricht, und daß die Geschwindigkeit (v) der ^eilvproportional linearen Ablenkung der Frequenz (f) direkt proportional ist.

   ;■- i
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 unter Verwendung eines an sich bekannten Registriergerätes für die er-. mittelten Entfernungen, z.B. in der Bauform des Echographen, mit einem senkrecht zur Folge der Positionskoordinaten beweget en Registrierorgan, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich in einem zweiten gleichen Winkel ($ ) gegen die Lotrechte auf die Ebene (5) der Schwingerelemente (4), aber in entgegengesetzter Richtung zum ersten Winkel (ö\)i Schallenergie (3') abgestrahlt wird und die Entfernungen beider Reflexionsorte (6 und 6.1 bzw. 6.2 und 6) gleich- -

   zeitig durch Messen der Zeiten (t) ermittelt und durch das Registrierorgan bei ein und derselben unabhängigen Variablen (Zeit t 1) im Echogramm markiert werden, während die Position der Schwingerelemente Cf) längs der durch die beiden Winkel (ßi, cC*) aufgespannten Ebene verschoben wird und daß aus daraus resultierenden zwei anssich gleichlaufenden, aber gegeneinander in Richtung der unabhängigen

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   -IfO-

   Variablen (Zeit t 1, t2) verschobenen, Echogrammkurven nach Mittelung der beiden unabhängigen Variablen (Zeit t1,t2) für je einen Reflexionsort (6) die diesem Orte zugehörige

   ti — t2 unabhängige Variable (Zeit — ) bestimmt wird.
7. 7· ·- Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens nach mindestens einem

   der Ansprüche 1 bis 3» gekennzeichnet durch einen die Schwin-(P gerelemente (k) speisenden Sendegenerator (11) mit variierbarer Frequenz (f) und Ausgangsspannungen (R,S,T) mit konstanter Phasenverschiebung von 120° gegeneinander.
8. 8. Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3» gekennzeichnet durch einen die Schwingerelemente(k) speisenden Sendegenerator (11) mit variierbarer Frequenz (f), enthaltend einen Zwiphasensendegenerator (11»3·2) mit Ausgangsspannungen von kon- ^ stanter Phasenverschiebung von 90° gegeneinander«
9. 9· Vorrichtung zum Ausüben des Verfahrens nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine im Verlauf einer Verarbeitung der empfangenen Anteile der reflektierten Schallenergie (3) vor einer Ansteuerung ..einer Anlage zur Meßwertdarbietung (Auswert eeinrichtung 8 oder Registriergerät 19) liegende Schwerpunkt-Selektionsschaltung (15)o

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10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einen ersten Integrator (37·1) am Ausgang der Empfangsschaltung eine parallelgeschaltete Kombination aus einem zweiten Integrator (37-3) mit vorgeschaltetem Laufzeitglied (37.2), einen auf die Hälfte des Integrationswertes des ersten Integrators (37°1) selbständig sich einstellenden Komparator (38)» dessen zweiter Eingang mit dem Ausgang des zweiten Integrators (37·3) verbunden ist.
11. 11. Vorrichtung nach Anspruch 9» gekennzeichnet durch eine sendeseitige und empfangeseitige Gruppe von in an sich bekannter Weise phasengesteuert betriebenen Schwingerelementen (*f) und durch eine in Abhängigkeit vom Ansteuern der sendeseitigen Schwingerelemente (h) gestartete und in Abhängigkeit vom Empfangen reflektierter Anteile der Schallenergie (3) gestoppte Zeitmeßeinrichtung (Aus-

    werteeinrichtung 8) mit einer Zeitbasis aufgrund von "

    Zählimpulsen (10) mit einer Folgefrequenz (fi), die aus dem Sendegenerator (11) abgeleitet ist.
12. 12. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder d einerseits und 11 andererseits und zum Aueüben des Verfahrens nach Anspruch k , dadurch gekennzeichnet, daß ein Suramenbildner (17) für die Strecke (7) einerseits und die momentane Position der Schwingtreleraente W andererseits vorgesehen ist· ·»· ^2

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13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 9 und zum Ausüben des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Registriergerät (19) nach Art eines an sich bekannten Echographen mit Papiervorschubrichtung (22) und linearer Schreibbewegung des Registrierorgans (Griffel 20 am Griffelband 21) vorgesehen ist, bei dem diese Schreibbewegung um einen Winkel ($)_} kleiner als 90°. gegen die Papiervorschubrichtung (22) orientiert ist, und mit ehern Motor (25), zum Antrieb des Griffelbandes (21), mit einer Drehzahlregelschaltung (26), deren Steuergröße (Zählimpulse 10) direkt proportional der Frequenz ('f) des Sendegenerators (11) ist.
14. Ik. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8 einerseits und 10 andererseits und zum Ausüben des Verfahrens nach Anspruch 6, gekennzeichnet sendeseitig durch in an sich bekannter Weise mehrphasig mit zwei gegenläufigen, einander überlagerten oder einander abwechselnden Phasenfolgen angesteuerte Schwingerelemente i.k) und empfangsseitig durch eine Anlage zur Meßwertdarbietung in Form eines üblichen Echographen mit einer Drehzahlregelschaltung (26) für den Antrieb seines Griffelbandes, deren Steuergröße direkt proportional der Frequenz (f) des Sendegenerators (11) ist.
15. 15„ Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 oder 1**, oder nach Anspruch 13 axt Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet

    • 4 « T*P *

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    durch Installation der genannten Aggregate auf einem Wasserfahrzeug zur Vermessung der Tiefe (Entfernung 2) von Gewässern mit Freigabeschaltung (13·2) vor'den Schwingerelementen (k), die von einem Neigungsmeßgerät (13°3) ansteuerbar eiad·, wenn die Gruppen von Schwin ger element en (*f) gerade eine horizontale Lage einnehmen.
16. 16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8 bis 15, ^

    dadurch gekennaeichnet, daß der Sendegenerator (11) mit einer impulslängensteuerbaren Zeitsteuerstufe (18) zusammengeschaltet ist, die eingangsseitig mit dem Ausgang der Anlage zur Meß\iarbietung (Auswerteeinrichtung 8, Registriergerät 19) verbunden ist.
17. 17.* Vorrichtung nach Anspruch 11 und ggf. 16, gekennzeichnet durch feste Installation der Schwingerelemente (A), beispielsweise am Grund eines Gewässers, zur Wasserstands- Λ überwachung, mit beliebiger an sich bekannter, telemetrischer Übertragung der Werte der ermittelten Entfernungen.

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