DE525641C

DE525641C - Zeitmessverfahren und -geraet, insbesondere fuer Echolotungen

Info

Publication number: DE525641C
Application number: DEB121172D
Authority: DE
Original assignee: Alexander Behm Dr H C
Current assignee: Alexander Behm Dr H C
Priority date: 1925-08-06
Filing date: 1925-08-07
Publication date: 1931-05-27

Description

Zeitmeßverfahren und -gerät, insbesondere für Echolotungen Für den Seefahrer und Luftschiffer genügen zur Bestimmung von Wassertiefen und Flughöhen, solange er sich im großen Abstande vom Meeresboden oder von der Erde befindet, zwecks Auffindung .des Schiffsortes und zur Vermeidung der Gefahr der Bodenberührung einzelne Lotungen. Erst wenn Tiefen und Flughöhen stark abnehmen, wird eine schnellere Aufeinanderfolge von Lotungen nötig. Auf allerkleinsten Tiefen besteht nicht nur das Bedürfnis nach größter Genauigkeit der Lotung, sondern es ist auch neben schnellster Anzeige der Messung eine Wiederholung derselben in sehr kurzen Zeitabständen erforderlich. Dies zu erreichen, ist der Zweck des den Gegenstand der Erfindung bildenden Meßgerätes. Die Einrichtung und Wirkungsweise des neuen Meßgerätes sowie die daraus sich ergebenden Vorteile lassen sich am besten an der Hand eines Ausführungsbeispiels beschreiben, das in den A.bb, i und 2 dargestellt ist.
In Abb. i ist i eine elektrische Lampe mit möglichst punktförmigem Leuchtkörper (z. B. eine Taschenlampenglühbirne), die ihr Licht auf eine kleine kugelförmige Linse 2 wirft. Diese ist am Ende eines Stäbchens 3 angeordnet, welches an einer Blattfeder q. befestigt ist, die unter dem Einfluß eines Magneten 5 steht. Dieser Magnet 5 liegt unmittelbar oder über einen Transformator in einem Stromkreise, in dem das Ereignis, dessen Dauer oder Stärke gemessen werden soll, eine Stromänderung hervorruft, d. h. also bei Echolotungen z. B. im Stromkreise des Echoempfängers. Durch ein mikroskopisches Objektiv 6 wird das von der Kugellinse 2 entworfene kleine Bild der Lampe i stark vergrößert und über einen Spiegel io als Lichtpunkt 13 auf eine Mattscheibe 7 geworfen, die eine Fensteröffnung im Gehäuse 8 verschließt. Da die Kugellinse 2 eine sehr kleine Brennweite besitzt, bleibt das Bild der Lampe i für das Auge desBeobachters punktförmig auch dann, wenn es einer starken Vergrößerung unterworfen wird. Die Lichtstärke des Lichtpunktes 13 ist im übrigen ausreichend groß, so .daß der Lichtpunkt 13 auch bei seiner Bewegung gut sichtbar bleibt. Ein an der Mattscheibe 7 angeordneter L ichtschirm g schützt die Mattscheibe vor falschem Licht. Der in den Strahlengang der Projektion der Lichtquelle eingeschaltete Spiegel io sitzt auf der Achse einer Scheibe 15, die in bei Kurzzeitinessern bekannter Weise sehr leicht drehbar gelagert ist und durch einen Abgangsmagneten i i und eine Feder 12 in Umdrehung versetzt werden kann. Zu Beginn einer Messung wird der Abgangsmagnet i i beispielsweise durch Erregen eines in seinem Stromkreise liegenden Mikrophons oder auch durch Öffnen eines Kontaktes stromlos gemacht. Er gibt dann die als Anker wirkende Nase 14 des Kurzzeitmesserrades i s frei, und die Feder 12 versetzt das Rad 15 im Sinne des Pfeiles x in Umdrehung. Dabei wandert der Lichtpunkt 13 durch den mit der Scheibe 15 umlaufenden Spiegel von unten nach oben über die Mattscheibe 7 und erscheint dem Auge als einfacher gerader Lichtstrich. Wenn nun zu gleicher Zeit die Kugellinse 2 senkrecht zur Zeichnungsebene des oberen Seitenrisses der Abb. i schwingt, so erfährt der Lichtpunkt 13 eine seitliche Ablenkung, die zu seiner Bewegungsrichtung senkrecht steht, und beschreibt auf der Mattscheibe statt eines geradlinigen Lichtstriches eine Kurve. Das in Umdrehung versetzte zeitmessende System 15 stößt schließlich mit der Nase i9 gegen einen Kontakt 16 und öffnet diesen. Dadurch wird ein Relais 17 betätigt, das auf ein Relais 18 wirkt, welches während des Rücklaufes der Scheibe 15 die Lampe i zum Verlöschen bringt. Statt dessen kann die Einrichtung auch so getroffen sein, daß das Relais 18 nur einen Widerstand in den Stromkreis der Lampe i einschaltet, der die Lampe bloß verdunkelt, oder daß dieses Relais eine Blende zum Abfangen des Lichtes in den Strahlengang der Lampe hineinschiebt. Die beiden Relais bewirken weiter, daß während des Rücklaufes eine Verstärkung des im Magneten i i fließenden Stromes eintritt, damit das Ankerblech 14. trotz der Gegenwirkung der Feder 12 vom Magneten i i wieder angezogen wird. Beim Anziehen des Ankers 14 werden durch eine Nase 2o der Scheibe 15 drei Kontakte 21, 22, 23, die vor einem festen, die Radverdrehung in der Anfangsstellung begrenzenden Anschlag 24 liegen, nacheinander geschlossen. Hierdurch wird in Zusammenarbeit mit den Relais 17 und i8 bewirkt, daß der zusätzliche Strom des Magneten 11 wieder ausgeschaltet wird und die Lampe i wieder aufleuchtet, und daß ein Widerstand, der während der Zeit der Messung ausgeschaltet war und die Lampe i mit Überspannung brennen ließ, wieder eingeschaltet wird, so daß die Lampe für die Zeit, in der der Lichtpunkt sich in Ruhe befindet, mit normaler Spannung brennt.
Die Arbeitsweise des Gerätes ist also zunächst die, daß zu Beginn einer Messung durch ein Unterbrechen oder durch ein Herabsetzen der Intensität des im Magneten i i fließenden Stromes die Scheibe 15 mitsamt dem Spiegel io in Bewegung gesetzt wird. Dies geschieht, wie bekannt, praktisch fast ohne Anlaufzeit und mit größter Zeitgenauigkeit, da die Scheibe 15 ihre volle Geschwindigkeit in dem kurzen Augenblick erreicht, die die Blattfeder zum Entspannen braucht, weil die Kraft des Magneten i i nur gerade so groß gemacht ist, daß sie die Kraft der Feder 12 eben überwindet. Bei wissenschaftlichen Messungen genügen sonach schon ganz geringe Kräfte, um eine zeitgenaue Aus-Lösung des zeitmessenden Systems zu bewirken. Auch der Lichtpunkt 13 wird nun mit der gleichen Zeitgenauigkeit über die Mattscheibe 7 geführt, auf der man eine in beliebige Zeitwerte (z. B. in Tiefen- oder in Höhenmeter) eingeteilte Skala4o anbringen kann. Die Ruhestellung des Lichtpunktes 13 fällt in diesem Falle mit dem Nullpunkt der Skala q.o zusammen.
In Abb. 2 ist das Schaltschema des Ausführungsbeispieles nach Abb. i dargestellt. Wenn bei Beginn der Messung das Abgangsinikroplion 25 z. B. durch das Lotsignal erregt und stromlos gemacht wird, wird der Strom der Spule 26 des Magneten i i, die mit Selbstunterbrechung über eine Nase 20 und über einen federnden Kontakt 21 über die Batterie 27 geschaltet ist, gänzlich ausgeschaltet oder doch soweit herabgesetzt, daß die Anziehungskraft des Magneten i i kleiner wird als die Federkraft der Feder 12. Die Feder 12 kann sich nunmehr entspannen und versetzt das Kurzzeitinesserrad 15 in Umdrehung. Dabei öffnen sich die Kontakte 21, 22 und 23, und der Strom der Spule 26 wird ganz ausgeschaltet. Das Rad 15 wird nun mit großer Geschwindigkeit in der Pfeilrichtung x herumgeworfen und schlägt schließlich mit der :Nase i9 den Kontakt 16 für einen Augenblick auf. Dadurch wird das mit Selbstunterbrechung geschaltete Relais 17 stromlos. Es öffnet sich infolgedessen .die Kontaktverbindung 28, 29, und der Kontakt zwischen 29 und 30 wird geschlossen. Hierdurch wird nunmehr das Relais 18 unter Strom gesetzt, .das einen Kontakt zwischen 31 und 32 öffnet und einen anderen zwischen 32 und 33 schließt. Durch das Öffnen des Kontaktes 31. 32 verlöscht die Lampe i, die bisher vom Augenblicke der Ingangsetzung der Scheibe 15 durch Öffnen des zum Widerstande 34 parallel liegenden Kurzschlußkontaktes 22 mit Überspannung gebrannt hatte. Durch das Schließen des Kontaktes 32, 33 wird die Spule 35 - des Magneten i i unter Strom gesetzt. Der Magnet i i wird idamit erregt, und das in der Zwischenzeit vom Federkontakt 16 zurückgeworfene Rad 15 dreht sich unter Spannung der Feder 12 so weit zurück, bis,der Anker 14 vom Magneten i i unter Spannen der Abschnellfeder 12 angezogen wird. Dabei wird die Nase 2o gegen den festen Anschlag 24 gedrückt, wobei die Kontakte 21, 22 und 23 wieder geschlossen werden. Da nun der Kontakt 23 parallel zum Selbstunterbrechungskontakt 28, 29 des Relais 17 liegt, wird dieses Relais dadurch wieder in Anzugstellung gebracht. Hierdurch wird aber andererseits das Relais 18 wieder stromlos, wodurch der Kontakt 31, 32 geschlossen wird und die Lampe i wiederum aufleuchtet und mit normaler Spannung brennt. Der Kontakt 32, 33 macht durch sein öffnen die Magnetspule 35 stromlos, so daß der Magnet i i nunmehr allein durch den Strom erregt bleibt, der durch Schließen des Kontaktes 2 1 bei der Ruhestellung des Rades 15 in der Spule 26 fließt. Die Ausschaltung der Spule 35 ist für genaue Messungen notwendig, damit sich durch g; ringe Stromänderung im Kreise der Magnetspule 26 ein Abschnellen des Rades 15 vom Magneten ii zeitgenau bewirken läßt. Die Kontakte 21 und 23 müssen so angeordnet sein, daß bei der Rückdrehung des Rades zuerst der Kontakt 21 und dann erst der Kontakt 23 geschlossen wird, damit die Magnetspule 26 früher unter Strom gesetzt wird, als der Strom in der Spule 35 verschwindet.
Durch die beschriebene Schaltungsweise wird also erreicht, daß beim Stromloswerden der Magnetspule 26 das Rad 15 mit dem Spiegel io herumfliegt, von seiner federnden Begrenzung 16 zurückgeworfen wird, die Antriebsfeder 12 wieder spannt und in seiner Anfangsstellung in Ruhe verbleibt. Dieser Vorgang wiederholt sich so oft, wie man den Magneten i i stromlos macht, selbst wenn dies in einer Sekunde mehrmals geschehen sollte. Die Scheibe 15 vermag zufolge ihrer geringen Maße und der kräftigen Federn 12 und 16 sowohl den Hin- wie den Rückgang sehr schnell auszuführen. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Scheibe 15 dreht, läßt sich verändern, wenn man die Antriebsfeder 12 mehr oder weniger spannt. Es können dabei Einrichtungen getroffen sein, die durch Einstellen eines Zeigers 36 gegenüber einer Teilung 37 stufenweise eine bestimmte Spannung der Feder 12 einzustellen gestatten, so daß jeder Stellung des Zeigers 36 eine bestimmte Geschwindigkeit des Rades 15 entspricht. Dabei ist es das zweckmäßigste, die Stufen so zu wählen, daß man, um eine einzige Skala 4o benutzen zu können, die Geschwindigkeit so steigert, claß sie ein gerades oder ungerades ganzes Vielfaches der vorhergehenden Geschwindigkeit beträgt. Selbstverständlich kann man aber auch für jede eingestellte Geschwindigkeitsstufe eine besondere Skala. anordnen.
Der Stromverlauf der Einrichtung, die den Lichtpunkt 13 seitlich ablenkt (Kurve nach Abb.4a), ist ebenfalls in Abb.2 dargestellt. Die oben bereits erwähnte, die Kugellinse 2 tragende Feder 4 von hoher Schwingungszahl und großen Ausschlägen schwingt samt der an ihr befestigten Kugellinse 2 nahe vor dem Pol des ebenfalls oben schon erwähnten zweipoligen Magneten 5, und zwar am besten so, daß sie, wie Abb. i oben erkennen läßt, zwischen die Pole mit äußerst geringem Abstand hineinschwingen kann. Die Feder 4 kann dabei durch Verschieben des Magneten so eingestellt werden, daß ihre Spannung ein Maximum wird. Dadurch erreicht man einerseits, daß die geringste Stromherabsetzung in der Spule des Magneten 5, beispielsweise durch ein Mikrophon 38 bei dessen Erregung durch das zurückkehrende Echo, bewirkt, daß die Feder 4 sich sofort vom Magneten entfernt und daß andererseits der hierbei entstehende Ausschlag ein Maximum wird. Zur Erzielung recht großer Ausschläge empfiehlt es sich deshalb, die Linse 2 nicht unmittelbar an der Feder 4 anzuordnen, sondern, wie erwähnt, unter Zwischenschaltung eines dünnen Stäbchens 3, dessen Schwingungszahl auf die Schwingungszahl der Feder 4 abgestimmt sein kann. Dabei kann die Linse 2 von einer leichten lichtundurchlässigen Blende 39 eingefaßt sein, damit falsches Licht von der Projektionsfläche ferngehalten wird. .Um die Skalenteile gut erkennen zu können, kann man dann zur Ablesung im Dunkeln eine nicht dargestellte Innenbeleuchtung vorsehen. Will man bei Echolotungen, bei denen Mikrophone zum Steuern benutztwerden, dieEinwirkung langsamer Stromschwankungen ausschalten, so empfiehlt es sich, in an sich bekannter Weise bei dem Magneten 5 zwei Wicklungen zu verwenden, von denen die eine durch einen Lokalstrom erregt wird, während das Mikrophon über einen Transformator auf die andere Spule wirkt.
Die beschriebene Einrichtung mit schwingender Kugellinse 2 besitzt naturgemäß eine stark ausgeprägte Neigung zu Eigenschwingungen, die bei manchen Messungen, bei denen der ganze Meßapparat wie auf Flugzeugen starken Schwankungen und Erschütterungen ausgesetzt ist, zu Schwierigkeiten führen kann, die das Meßergebnis unbrauchbar machen können. In solchem Falle empfiehlt es sich, die Schaltung der Spule des Magneten 5 so auszuführen, daß man die Feder mit einem Anker versieht, der sich gegen den Magnetpol anlegt und hierbei einen Selbstunterbrechungskontakt im Stromkreise des Magneten 5 schließt (auf der Zeichnung nicht dargestellt). Bewirkt man auch hier die Einstellung so, daß die Federspannung ein Maximum wird, dann lassen sich sehr scharf einsetzende und sehr große zeitgenaue Ausschläge erreichen. Bei dieser Anordnung werden, wenn die Feder 4 am Kontakt anliegt, die durch mechanische Erschütterungen hervorgerufenen Schwingungen der Feder 4 sehr stark gedämpft und unter Umständen ganz aufgehoben. Die eben beschriebene Schaltung wird sich besonders auch dann mit Vorteil anwenden lassen, wenn das Echo in seiner Wirkung schon sehr schwach geworden ist und geringe Ausschläge liefert, da alsdann das Echo nur auslösend wirkt und Ausschläge beliebiger Größe erhalten werden können. Endlich eignet sich diese Schaltung auch besonders gut für wissenschaftliche Messungen.
In Abb. .Ia ist nun ein Schaubild einer Lichtkurvenablesung dargestellt, wie sie die Einrichtung nach Abb. i und 2 mit federnder Linse und unmittelbar in den Stromkreis des Echomikrophons 38 eingeschaltetem Magneten 5 ergibt, und zwar bei Ausführung einer Echolotung, bei der auch die direkten Schallwellen des Echosignals auf den Echoempfänger -schwach einzuwirken vermögen. Wie die Kurve 4a erkennen läßt, steigt bei einer vorgenommenen Lotung der Lichtpunkt 13 zunächst von der Nullinie bis zum Punkte« senkrecht hoch. Diese geratdliitige Bewegung wird, wie oben erklärt wurde, dadurch hervorgerufen, daß der Spiegel io bei Abgabe des Echonotsignals infolge von dessen Einwirkung auf das Abgangsmikrophon 25 mit der Scheibe 15 in Drehung versetzt wird. Gelangen nun die Schallwellen des Signals um den Schiffsboden herum zum EchoempfangsmikrophOn 38, so wirken sie, wenn auch schwach, weil zweimal gebeugt, auf dieses ein. Infolgedessen wird der Magnet 5 auf einen kurzen Augenblick stromlos, die Ankerfeder .I sowie die Kugellinse 2 schnellen vom Magneten etwas ab und führen einige kleine Schwingungen aus, die sich in Abb. 4a zwischen o und i der Skala 40 in der Lichtkurve deutlich von a an bemerkbar machen. Die Feder,4 mit der Kugellinse beruhigt sich dann wieder, der Anker ist wieder in seine Anfangslage angezogen, und der Lichtstrich läuft, sich der Anfangsrichtung wieder nähernd, in etwa einer Geraden weiter, bis sich bei ß der Echoschall mit erheblich größerer Intensität bemerkbar macht. Die Ankerfeder schnellt nun, da der Magnet erneut stromlos geworden ist, wieder, und zwar dieses Mal entsprechend der größeren Schallintensität des Echos, viel stärker seitlich aus, wobei er die Kugellinse mitnimmt. Der Lichtstrich zeigt deshalb von ß eine große seitliche Lage, in der er Schwingungen ausführt, die mit dem Auge sehr gut zu erkennen sind. Der Lichteindruck auf das Auge bleibt selbst nach dem Erlöschen der Lampe bei y noch bestehen. Die Kugellinse 2 bzw. deren Lichtpunkt 13 schwingt so einige Male hin und her und kommt dann ebenfalls wieder zur Ruhe; die Lichtkurve nähert sich dann allmählich wieder der ursprünglichen Bahn, bis sie bei y plötzlich verschwindet, weil die Lampe, wie erwähnt, erlischt, wenn die Nase i9 den Federkontakt 16 aufschlägt. Der Beobachter kann also aus der Lage des großen Ausschlages bei ß sehen, daß die gelotete Tiefe je nach der verwendeten Eichung 25 cm oder 2111, m oder 25 in beträgt.
In Abb.4b ist die Ablesung einer Echolotung dargestellt, bei der die direkten Schallwellen keine Einwirkung auf den Echoempfänger auszuüben vermögen, sei es, daß die Abschirmung seht vollkommen ist, oder daß eine Abschaltung des Echoempfangsmikrophons angewendet wurde. Hier läuft die Kurve vom Nullpunkt der Skala in gerader Linie hoch bis zu ß, d. h. bis zu dem ."#,ugen.blicle, wo das Echo einsetzt, weil die Schwingungseinwirkung der direkten Schallwellen, die in Abb. 4a bei a zu erkennen war, hier fehlt.
Der zeitgenaue Lauf und die Helligkeit'der Ablesung ermöglichen es, die Ablesung der geloteten Tiefe an der Skala 4o sehr genau vorzunehmen, und da mit abnehmender Tiefe die Intensität des Echos zunimmt, so werden die bei ß beginnenden waagerechten Strecken mit abnehmender Tiefe immer länger. Die Größe des Ausschlages beträgt beispielsweise bei i _i Flughöhe- bereits etwa 2o mm und mehr. Dies ist b--sonders wichtig zur Ablesung innerhalb der Flughöhe von i m bis herunter zu o, weil das genaue Ablesen dadurch mit abnehmender Tiefe immer mehr erleichtert wird.
Eine zweckmäßige Art, das neue Zeitmeßgerät nach Abb. i und 2 zu betreiben, ist die, daß man das zeitmessende System sofort, nachdem es den Rückwärtslauf beendet hat, sich selbsttätig wieder auslösen läßt, so daß es dieses Spiel dauernd wiederholt. Zu diesem Zwecke genügt es, wenn man den Stromkreis der einen Wicklung 26 der Spule i i dauernd offenhält, da dann die Spiegelachse dauernd pendelnde Schwingungen ausführt. Der alsdann überflüssig gewordene Kontakt 2i kann dazu benutzt werden, einen Schall- oder Knallsender zu steuern. Richtet man es dabei so ein, daß die Feder dieses Kontaktes 21 um die Achse des Rades 15 verstellbar ist, dann kann man sie in der Richtu=ng des Vorwärtslaufes des Rades etwas verstellen, so daß die Zeit gerade ausgeglichen wird, die der Schallsender zum Anlaufen braucht. In dieser Form führt das neue Gerät durch einfaches Umlegen eines Schalters vollkommen selbsttätig ohne Bedienung durch Menschenhand Echolotungen aus. Die Zeitintervalle zwischen den einzelnen Lotungen lassen sich dabei auf zweifache Weise während des Betriebes ändern, entweder dadurch, daß man den federnden Endkontakt 16 um die Spiegelachse verstellt oder indem man bei fester Stellung dieses Kontaktes die Spannung der Feder 12 mittels der Einstellvorrichtung 36, 37 ändert. Vorteilhaft ist es sogar, beides gleichzeitig zu machen, damit man für die kleinen Tiefen nicht nur eine schnellere Signalfolge, sondern auch größere Ausschläge erhält, die an einer dazu passenden Skala abgelesen werden können.
In Abb. 3 ist eine andere Vorrichtung zur seitlichenAblenkung des Lichtpunktes mittels Kugellinse dargestellt, die fast aperiodisch schwingt, trotzdem aber empfindlich ist und große Ausschläge ergibt. Sie soll an Stelle der Vorrichtung 2, 3, 4 in Abb. i und 2 treten. Diese Vorrichtung ist besonders bei solchen Echolotgeräten am Platze, bei denen man wie auf Flugzeugen mit starken Erschütterungen und Schwankungen zu kämpfen hat und trotzdem die größte Zeitgenauigkeit und große und deutlich sichtbare Ausschläge benötigt. Ein Spiegel 41 ist hier um eine Achse 42 drehbar, die so nahe wie möglich am Magnetpol 5 angeordnet ist. Eine Feder 43, die dicht an der Achse angreift, selbst aus magnetischem Material besteht oder doch einen solchen Anker trägt und vor den Polen schwingt oder zwischen sieh.ineinzuschwingen \-ermag, wird durch den Magneten 5 gespannt und erteilt dem Spiegel einen Drehimpuls, sobald der Magnet 5 stromlos gemacht oder geschwächt wird. Ferner ist eine Feder 44 angeordnet, die den Spiegel 42 gegen die Feder 43 andrückt und der Rückdrehung des Spiegels nach einem Ausschlage dient. Der Spiegel 41 einer solchen Vorrichtung führt nicht, wie die Feder 4 des ersten Ausführungsbeispiels Schwingungen aus, da die Feder 43 ihn nur zu drehen vermag, wobei die Feder 44, die nicht unter dem Einfluß des Magneten steht, den Spiegel stützt und ihn, ohne wesentliche Schwingungen zuzulassen, wieder in seine Ruhelage zurückschwingt. Auch hier ist zur Erzielung größerer Ausschläge durch geringe Intensitäten die Anwendung der Selbstunterbrechungsschaltung möglich und zweckmäßig, die bereits weiter oben bei der Beschreibung des Apparates mit schwingender Kugellinse beschrieben worden ist.
Die Einrichtung nach Abb. 3 ist besonders geeignet für Echolotungen, bei denen mit gerichteten Schallwellen, Abschirmung und festgehaltenen oder abgeschalteten Empfängern gearbeitet wird, da hierbei die Einwirkung der Signalabgabe auf das Meßgerät gleich Null oder doch stets schwächer ist als die des Echos.
In Abb.4c ist eine Ablesung dargestellt wie in Abb.4a, jedoch unter Benutzung der Einrichtung nach Abb. 3 mit Spiegelablenkung der Lichtkurve. Die gelotete Tiefe ist 2 m (oder auch 2o cm), und die Kurve läßt erkennen, daß der Spiegel nur ganz leichte Schwingungen, aber deutlich erkennbare seitliche Lageänderungen ausgeführt hat. Das neue Meßgerät ist natürlich in seiner Konstruktion nicht auf elektrische Ablenkungsvorrichtungen beschränkt, es lassen sich vielmehr an deren Stelle auch alle bekannten, unmittelbar akustisch arbeitenden Ablenkungsvorrichtungen, wie schwingende Stimmgabeln mit Spiegeln oder Membranen mit Spiegeln mit oder ohne Resonantoren usw., verwenden.
Es ist ein besonderer Vorteil des neuen Gerätes, daß man an der Größe" des seitlichen Kurvenausschlages erkennen kann, ob das abgegebene Lotsignal die richtige Stärke hatte und ob es scharf genug einsetzte. Dieses ist bei Lotungen mit abgebremstem Kurzzeitmesser nicht erkennbar, weil der Einfall der Bremse bei schwachem und starkem Lotsignal gleicherweise erfolgt.
Die den Erfindungsgegenstand bildende Meßvorrichtung läßt sich bei Echolotungen besonders vorteilhaft mit solchen Schallempfängern betreiben, die keine mikrophonischen Kontakte besitzen, wie Glimm-, Glüh-oder Kondensatormikrophone, elektrostatische und elektrodynamische sowie elektromagnetische Schallempfänger. Verwendet man Schallempfänger, deren Erregung möglichst proportional der Echostärke ist, so läßt sich die Teilung .der Skala des Meßgerätes so ausführen, daß neben einer Zeitteilung, die für Flugzeuge als Höhenteilung, für Schiffe als Tiefenteilung direkt in Metern geeicht sein kann, senkrecht zu dieser eine Intensitätsskala angeordnet ist, die mit der Zeitskala denselben Nullpunkt hat. Eine solche in waagerechter Richtung von o bis 5 aufgetragene Skala ist in Abb.5a dargestellt. Die in 5a dargestellte Kurve J ist eine sogenannte Normalintens.itätskurve, d. h. eine Kurve, die bei normaler Beschaffenheit des Lotsignals die zu den jeweiligen Tiefen (i bis 7) gehörigen normalen Intensitätsausschläge angibt.
Abb. 5b zeigt eine Skala mit drei Normalintensitätskurven J', J=, J3 des Echos für bestimmte Bodenbeschaffenheit der Reflexionsfläche, z. B. feste Erde oder Wasserflächen oder Schneefeld, die zu erkennen gestatten, ob die Intensität des Echos bei normaler Stärke und Beschaffenheit des Schallsignals und der jeweiligen Flughöhe normal ist. Eine Abweichung davon läßt auf eine Änderung der Bodenbeschaffenheit schließen. Es können auf ein und derselben Skala also je nach dem Verwendungszweck des Lotgerätes mehrere Intensitätskurven zweckmäßig in verschiedenen Farben aufgetragen sein. Sie sind in der Abb. 5b durch verschiedene Darstellung (ausgezogen, gestrichelt und strichpunktiert) kenntlich gemacht und entsprechen dem jeweiligen Reflexionsvermögen der verschiedenen Bodenarten (Erde, Wasser, Schnee), die ebenso wie Eisflächen, bewachsene Felder, Baumkronen und Wälder die Stärke des Echos wesentlich beeinflussen und so bis zu einem ge-,vissen Grade an dem Echolotapparat erkennbar sind. Voraussetzung ist dabei, daß die Intensität der ausgesandten Schallwellen stets die gleiche ist. Zu diesem Zwecke ordnet man, wie Abb. Sb erkennen läßt, unterhalb und am besten parallel zur Intensitätsskala noch eine besondere Teilung an, deren Länge der normalen Schallintensität des Gebers entspricht und auf der ein besonderer Schallstärkenmesser die Intensität des Geberschalles bei jeder Lotung anzeigt. Dieser Schallstärkenmesser kann in der gleichen Weise ausgebildet sein wie die schon erwähnte Ablenkungsvorrichtung 2, 3, 4, 5 nach Abb. i.
Es hat sich des physiologischen Eindruckes wegen besonders bei Luftfahrzeugen als zweckmäßig erwiesen, daß man den Nullpunkt der Höhenskala an das untere Ende derselben verlegt, damit der beim Landen allmählich immer mehr sinkende waagerechte Lichtzeiger gewissermaßen den Vorgang des Landens eines Flugzeuges nachahmt. Um diesen Eindruck noch zu erhöhen, ist, wie ebenfalls in Abb. Sb dargestellt, der unterhalb der Nullinie liegende Teil der Skala durch Färbung oder Strichelung (bei Schiffen als Grund, bei Flugzeugen als Erdboden) kenntlich gemacht, wobei es zweckmäßig ist, die Projektionsebene an dieser Stelle undurchsichtig zu machen -und ein Fenster für die Nullstellung des Lichtzeigers (die nicht unbedingt mit dem Nullpunkt der Skala zusammenzufallen braucht) ausspart. Die Projektion der Ablesung kann sowohl in der Durchsicht wie in der Draufsicht erfolgen. Dabei kann die Skala 4o auch gekrümmt sein. In Abb. 6 ist eine derartige Skala für Draufsicht dargestellt, deren Fläche eine Kegelfläche darstellt. Eine Ablesung mittels Spiegels ergibt bei derartigen Geräten, wenn man nicht eine große Anzahl derselben verwenden will, im günstigsten Falle die Möglichkeit, eine Winkelverdrehung der Achse bis etwa i8o° auszunutzen.
Abb. 7 zeigt, wie man eine volle Umdrehung der Spiegelachse bei den neuen Meßgeräten dadurch ausnutzen kann; daß man das vom Echo beeinflußte Schwingungssystem unmittelbar auf die Kurzzeitmesserachse setzt. Dabei sorgen zwei Spiegel 46 und 47 dafür, daß das Licht der fest mit dem Spiegel 46 verbundenen Lampe 45, nachdem es durch die Schwingungsvorrichtung, bestehend aus der schwingenden Kugellinse 2 und dem Objektiv 6, hindurchgegangen ist, auf die Projektionsfläche geworfen wird, die in diesem Falle mit einer Kreiseinteilung versehen ist und sowohl eben als auch zylinderförmig, 40a, gestaltet sein kann. In letzterem Falle ist der Strahlengang in gestrichelter Darstellung veranschaulicht. Statt der schwingenden Kugellinse 2 kann natürlich auch die Spiegelschwenkeinrichtung nach der Abb.3 unmittelbar auf der Kurzzeitmesserachse angeordnet werden.
Eine für Flugzeuge bestimmte, möglichst gedrungene und wenig Raum erfordernde Ausführungsform ist in Abb.8 dargestellt. Auf der sich zeitgenau verdrehenden Spiegelachse 48, die den Spiegel 49 trägt, ist ein bei Behmzeitmessern bekanntes Glasrad So mit Gradteilung angeordnet, die von einer Birne 51 mittels einer Linse 52 und einer Anzahl von Spiegeln, von denen nur einer mit 53 in der Zeichnung wiedergegeben ist, auf ein in Abb. 9 dargestelltes kreisförmiges Fenster 54 im Gehäuse 8 projiziert wird. Die Einstellung der Glasskala wird, wie bei Behmzeitmessern bekannt ist, an einem festen Nullstrich abgelesen. Die Ablesung der Lichtpunktkurve erfolgt an einer zweiten Skala 4o, wie in Abb. 9 unten dargestellt ist. Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist folgende: Für geringe Tiefen erfolgt die Ablesung auf der Skala 40 mittels der dort erscheinenden Lichtkurve. Da hierbei eine Beleuchtung des Fensters 54 stören würde, ist beispielsweise durch einen Schleifkontakt 55 (Abb. 8) auf der Spiegelachse dafür gesorgt, daß die der Projektion dienende Lampe 51 während der Winkelverdrehung, wo der Kurvenlichtzeiger auf der Skala 40 (Abb. 9) sichtbar ist, dunkel bleibt. Ein weiterer Schleifkontakt 56 (Abb. 8) sorgt durch Kurzschließen oder Ausschalten eines Stromkreises dafür, daß die zum Abbremsen in bekannter Weise angeordnete Bremsvorrichtung 57 erst dann in Tätigkeit zu treten vermag, wenn der Lichtzeiger am vorletzten Teilstrich der Skala 40 steht. Die Einstellung des Schleifkontaktes 55 ist so gewählt, daß zu diesem Zeitpunkt auch die Lampe 51 aufzuleuchten vermag. Dabei ist an der Bremse noch die Einrichtung getroffen, daß gleichzeitig mit der Erregung der Bremse oder durch ihren Einfall selbst ein nicht dargestelltes Zeitverzögerungsrelais in Tätigkeit tritt, das die Bremsung beispielsweise nach einer halben oder ganzen Sekunde wieder aufhebt, so daß genügend Zeit zur Ablesung der Skala vorhanden ist. Die Spiegelachse wird nach Aufhebung der Bremsung durch eine Spiralfeder wieder in die Nullstellung zurückgedreht. So wird es möglich, auch für größere Höhen oder Tiefen, als für welche die Kurvenskala 4o allein eingerichtet ist, unter Abbremsung der Spiegelachse kontinuierliche Lotungen zu erhalten.
Es ist auch möglich, das beschriebene Gerät nach Abb. 8 so zu betreiben, daß man die zeitgenaue Verdrehung der Spiegelachse dadurch bewerkstelligt, daß durch das ausgesandte Schallsignal der Spiegel im Augenblick der Schallentstehung in den Lauf eines zeitgenau laufenden Feder- oder Elektrotnotors durch ein akustisches Relais eingekuppelt und nach einer Umdrehung selbsttätig wieder ausgekuppelt wird. Bei weniger genauen Messungen kann man den Betrieb des neuen Gerätes auch so einrichten, daß man den Antrieb der Spiegelachse nicht durch das akustische Signal auslöst, sondern die Auslösung anderweitig bewirkt und alsdann ein von der Spiegelachse gesteuerter Kontakt die Echolotsignalauslösung bewirkt. Bei Benutzung von Schallsendern, die mit Druckluft, also mit Ventilen arbeiten, wie Nebelhörnern, Pfeifen, Sirenen, entstehen dabei konstante Verzögerungsfehler, die man in ihrem Einfluß auf die Messung dadurch beseitigen kann, daß man dein auslösenden Kontakt eine solche Stellung gibt, daß die Auslösung des Schallsignals so früh erfolgt, daß die wirksame Schallerzeugung mit dem Nullpunkt der festen Skala zusammenfällt, fler in diesem Falle also nicht mit dem Bewegungsbeginn des Lichtpunktes zusammenfallen darf.
Die beschriebenen Geräte sind in erster Linie für Echolotungen bestimmt; sie sind jedoch auch außerhalb dieses Rahmens für beliebige Zeitmessungen zu verwenden, einerlei ob sie physikalischer, akustischer, ballistischer oder allgemein wissenschaftlicher Natur sind, wozu das Gerät auch deshalb geeignet ist, weil mit ihm nicht nur der Eintritt eines "Leitereignisses (beispielsweise eines Echos), sondern auch die Dauer eines solchen sowie seine Intensität bestimmt werden kann, einerlei ob eine Knall- oder Tonwelle dasselbe verursacht hat. Vor allem aber gestattet das Gerät, allerkleinste Zeiten mit allerhöchster Genauigkeit zu messen, was gerade bei Echolotungen von Flugzeugen aus oder für Schiffe, die in ganz seichtem Wasser fahren, von größter Bedeutung ist. Flughöhen lassen sich dabei selbst dann äußerst zeitgenau bestimmen, wenn sie unterhalb eines Meters liegen und nur nach Dezimetern messen. In der Zeitfolge der Lotung ist es in keiner Weise beschränkt oder festgelegt, da es durch das Aussenden der Schallsignale selbst gesteuert wird, indem das Gerät im Rhvthmus der Ton-oder Knallfolge arbeitet. Man kann daher Einzelmessungen in beliebig langen Zeitabständen ausführen und diese Zeitabstände allmählich kürzen oder steigern, wie die augenblicklichen Bedürfnisse des Fahrens oder des Landens es erfordern. Auch kann man einer Reihe in allerschnellster Zeitfolge abgegebener Schallsignale plötzlich wieder Einzelmessungen in großen Zeitabständen folgen lassen. Ein weiterer Vorteil dieses Gerätes ist es, daß man bei Echolotungen mit ihm auch die Echointensität (besonders bei Luftlotungen zur Prüfung der Beschaffenheit des Geländes in bezug auf seine Eignung für Landung) messen kann. Mit ihm kann man auch die Intensität des ausgesandten Schallsignals in bezug auf seine richtige Stärke kontrollieren, denn nur für diesen Fall lassen sich aus der Echointensität Schlüsse auf die Beschaffenheit der Erdoberfläche oder des Meeresgrundes ziehen.
Neben diesen zahlreichen Vorteilen besitzt die neue Zeitmeßvorrichtung noch den, daß man in sehr einfacher Weise, ohne die Umlaufgeschwindigkeit des Spiegels verändern zu müssen, den Meßbereich des Instruments verändern kann, indem man den in Abb. i dargestellten federnden Endkontakt 16 um die Spiegelachse als Mittelpunkt einstellbar macht. Die Verschiebung dieses Kontaktes kann allmählich oder in Stufen geschehen, aber auch gleichzeitig mit einer Änderung der Umdrehungsgeschwindigkeit erfolgen. Der dadurch erzielte Vorteil liegt darin, daß Lotungen bei kleinen Abständen sehr schnell erfolgen können, da das Instrument alsdann nur eine geringe Winkelverdrehung auszuführen hat. Durch das neue Zeitmeßger ät ist es möglich, auch Sirenen, Pfeifen. Nebelhörner und alle nicht elektrisch betriebenen Schallsender zu dauernden Echolotungen zu verwenden, da es vom Sender selbst gesteuert werden kann und nicht einen Sender steuern muß.
In Abb. i i ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der die projizierte Glasskala 50 nach Abb. 8 innerhalb einer Kegelmantelskala nach Abb.6 für den Kurvenzeiger liegt. Abb. io zeigt die Anordnung der Teile des dazu notwendigen Gerätes. 5o ist die mit Gradteilung versehene Glasscheibe, d9 der rotierende Spiegel, .Io die Kegelmantelskala, 51 die Lampe zur Beleuchtung der Glasteilung, 52 ein Objektiv, 53 und 58 zwei Spiegel, 54 ein rundes Mattscheibenfenster, das in eine durchsichtige Glasscheibe 59 eingesetzt ist.
Ein- Hauptwert des beschriebenen Gerätes besteht noch darin, daß die großen Flughöhen und Wassertiefen durch mehrmalige Umdrehung der Spiegelachse und Projektion der an der Achse befestigten Glasteilung unter gleichzeitiger Umdrehungszählung, die mittleren Tiefen durch einmalige Umdrehung dieser Teilung und die ganz kleinen, bis zu den allerkleinsten Tiefen und Höhen an der neuartigen Kurvenskala unter gleichzeitiger Ablesung der Echo- sowie der Geberintensität, die einen Rückschluß auf die Grund- und Bodenbeschaffenheit zuläßt, gemessen werden können. Dabei arbeitet das neue Gerät auf das ausgesandte Schallsignal hin vollkommen selbsttätig und kann durch Betätigen eines Umschalters, der den im Stromkreis der Magnetspule 26 (Abb. 2) liegenden Schallempfänger ausschaltet und den Kontakt 21 auf einen Schallsender umschaltet, augenblicklich in eine automatische Echoloteinrichtung verwandelt werden, die nun auch die Schallaussendung selbsttägig vornimmt. Dabei ist es möglich, die Zeitfolge der Signale beliebig zu regeln und für kleinere Tiefen größere Skalenteile als auf großen zu benutzen.
Für Landungszwecke von Flugzeugen kann auf der Skala des Zeitmeßgerätes noch ein besonderer Zeiger, etwa in Form eines horizontalen Striches bei waagerechter Lage des Flugzeuges oder eines Flugzeugschattenbihdes, angeordnet werden, der in bekannter Weise die Schräglage des Flugzeuges in der Längsrichtung, gegebenenfalls auch in der Querrichtung kenntlich macht. Dieser Zeiger kann auf der Skala angeordnet sein, er kann je- doch auch als Lichtbild auf die Skala projiziert werden. Dieses Projizieren der Lage des Flugzeuges ist deshalb sehr wichtig, weil bei ganz niedrigen Landungsflughöhen die Flügel oder der Schwanz des Flugzeuges leicht den Boden streifen können, was der Pilot so zu vermeiden in der Lage ist. Will man bei Flugzeuglotgeräten die Zeitfolge der auszusendenden Lotsignale so gestalten, daß bei größeren Fluggeschwindigkeiten eine größere Zahl und bei geringeren Fluggeschwindigkeiten eine kleinere Zahl von Lotsignalen ausgesandt wird, so kann man die Abgabe der Lotsignale z. B. durch ein vom Wind angetriebenes Flügelrad steuern.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: r. Zeitmeßverfahren mittels eines sich in Richtung der Zeitteilung einer Skala relativ zur Skala bewegenden, das punktförmige Bild auf die Skala werfenden Spiegels, insbesondere für Echolotungen von kleinsten Höhen und Tiefen, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn jeder Messung das punktförmige Bild einer Lichtquelle aus der Ruhelage heraus durch das Lotsignal längs einer Zeitteilung in Bewegung gesetzt und die Zeitdauer des Meßvorganges sowie die Intensität des Echos durch zur Bewegungsrichtung des Lichtpunktes senkrechte Verschiebung der Lichtpunktkurve .gemessen wird, deren Größe die Intensität des Echos an einer besonderen, senkrecht zur Zeitskala verlaufenden zweiten Skala und deren Abstand von der Ruhelage des Lichtpunktes die gelotete Tiefe oder Höhe anzeigt.
2. Meßgerät zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch r, gekennzeichnet durch einen in der Ruhelage unter dein Einfluß verdrehender Kräfte stehenden Spiegel, über den ein Lichtstrahl geleitet wird und der, bei Auslösung des Lotsignals in Gang gesetzt, eine Winkelverdrehung ausführt, dabei den Lichtpunkt (r3) über eine Projektionsfläche (7) mit Teilungen führt und bis zu einem federnden Endkontakt (r6) weiterläuft, diesen öffnet und dadurch die den Lichtpunkt erzeugende Lichtquelle (z) auslöscht, abblendet oder verdunkelt, der alsdann vorn federnden Kontakt (r6) mit oder ohne Unterstützung durch Hilfskräfte in die Anfangsstellung schnell zurückgeworfen, durch zusätzliche Kräfte (z z) in den anfänglichen Antriebszustand wieder zurückgeführt wird und durch Betätigen von einem festen Anschlag hintereinanderliegenden federnden Kontakten, die den Antriebszustand herbeiführenden Kräfte selbsttätig aufhebt und in diesem gespannten Zustande bis zu Beginn einer neuen Messung verharrt, während die Ouerablenkung des durch den Spiegel längsbewegten Lichtbündels (r3) in an sich bekannter Weise auf optischem Wege durch Verdrehen eines Spiegels (4i) oder seitliches Schwingen einer Linse (2) im Augenblick des Eintreffens des Echos bewirkt wird.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen derart um die Spiegelachse als Mitte verdrehbar angeordneten federnden Kontakt, daß die Schwingungsweite der Spiegelachse verlängert oder verkürzt werden kann. q.. Einrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch z, gekennzeichnet durch einen von der Spiegelachse gesteuerten Kontakt, der beim Loten das Schallsignal aussendet. 5. Einrichtung nach Anspruch 2 und 3, gekennzeichnet durch einen von der Spiegelachse im Augenblick ihres Bewegungsbeginnes bewegten Kontakt, der in Zusammenarbeit mit einem Relais oder direkt durch Kurzschließen eines im Stromkreise der Lampe liegenden Widerstandes bewirkt, daß diese nur während der Zeit des Vorwärtslaufes des Rades mit überspannung brennt, und der bei Anzugstellung des zeitmessenden Systems in der Ruhelage geschlossen ist und die Lampe mit normaler Spannung brennen läßt. 6. Einrichtung nach Anspruch 2, 3 und 5, gekennzeichnet durch eine zur Erzeugung und seitlichen Ablenkung des Lichtpunktes dienende schwingende Linse, die vor den Polen eines Magneten oder zwischen diese senkrecht zur Lichtstrahlachse (i, to) hineinschwingt und allein oder mit einer an ihr befestigten Blende die Lichtquelle punktförmig abbildet. 7. Einrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen zur Erzeugung und seitlichen Ablenkung des Lichtpunktes dienenden, um seine Achse schwingenden leichten Spiegel, der unter dem Einfluß einer Feder (q.3) steht, die vor oder zwischen den Polen eines Magneten (5) zu schwingen vermag und kurz hinter der Spiegelachse am Spiegel verdrehend eingreift, während eine zweite, schwächere Feder den Spiegel in seine Ruhestellung gegen die erste Feder (:I3) zurückdreht. B. Einrichtung nach Anspruch 2, 3 und 5 bis 7, gekennzeichnet durch die Anordnung einer Zeit- und zweier Intensitätsskalen, die senkrecht zur ersteren verlaufen und von denen die eine zur Ablesung der Intensität des Schallsignals dient und die andere Normal-Echo-Intensitätskurven bewertet. 9. Einrichtung nach Anspruch 2, 3 und 5 bis 8 für in kurzen Zeitabständen wiederholte Echolotungen, gekennzeichnet durch einen mit dem Einfall der Bremse ausgelösten Zeitschalter, der die Bremse nach kurzer Zeit abhebt und damit das zeitmessende System (i5), durch Hilfskräfte angetrieben, in seine Anfangslage zurückkehren läßt. to. Einrichtung nach Anspruch 2, 7, 8 und 9, gekennzeichnet durch eine derartige Zusammenarbeit der Zeitmesserachse mit einer Kurzzeitmesserbremse, daß diese durch einen von der Achse selbstgesteuerten Schleifkontakt für die Zeit der Ablesung an der Kurvenskala uneinfallbar gemacht ist. i i. Einrichtung nach Anspruch 2, 5 und 6 für Luftecholotungen, gekennzeichnet durch einen besonderen Zeiger (etwa in Form eines horizontalen Striches oder eines Flugzeugschattenbildes), der auf der Skala die jeweilige Schräglage des Flugzeuges kenntlich macht. i2. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schall-oder Knallsender von einer durch den Flugwind getriebenen Luftschraube gesteuert wird und so ausgebildet ist, daß die Zeitfolge der Schallsignale mit abnehmender Fluggeschwindigkeit selbsttätig zunimmt. 13. Einrichtung nach .\nspruch 2, 3 und 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß bei Kombination der Kurvenskala mit der Projektionsskala der Glasteilung die Lampe für die Projektion der Glasteilung erst dann aufleuchtet, wenn der Kurvenzeiger am vorletzten Teilstrich seiner Skala steht. 14. Einrichtung nach Anspruch 2, 3 und 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Stromkreise des Meßgerätes ein Umschalter angeordnet ist, der die Magnetspule (i i) der Antriebsvorrichtung Stromlos macht und den bisherigen öffnungskontakt dieser Spule in den Stromkreis eines Schallsenders schaltet, so daß dieser Kontakt den Signalgeber betätigt, wodurch das Meßgerät selbsttätig fortgesetzt Echolotungen vornimmt.