DE2558444A1

DE2558444A1 - Vorrichtung zur messung der wassertiefe

Info

Publication number: DE2558444A1
Application number: DE19752558444
Authority: DE
Inventors: Akira Hatai
Original assignee: FUKUMOTO TASHIRO
Current assignee: FUKUMOTO TASHIRO
Priority date: 1974-12-25
Filing date: 1975-12-23
Publication date: 1976-07-08
Also published as: DE2558444B2; US4122429A; DE2558444C3; AU8782175A; JPS5175467A; GB1536690A; FR2296163A1; CA1070817A

Description

DIPL-ING. H. FINK PATENTANWALT · D 7300 ESSLINGEN BEI STUTTGART · HINDENBURGSTRASSE

Pofntanwolt FIN IC - D 7300 Eislfrigen (Nedcor), Hlndenburgstrae« 44

23. Dezember 1975 Beanspruchte Priorität:
Japan, 25. 12. 1974
Patentanmeldung 50-3-26 P6322

Tashiro Fukumoto, Kobe/Japan Vorrichtung zur Messung der Wassertiefe

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Wassertiefe.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Wassertiefe unter Verwendung des Zeitabschnitts, welchen ein Ultraschall-Signal benötigt, um sich im Wasser auszubreiten und durch den Boden oder Fische reflektiert zu werden und zurückzukommen·

Die Üblichen Vorrichtungen zur Messung der Wassertiefe mit Ultraschallimpulsen weisen im allgemeinen eine Anzeigeeinrichtung wie beispielsweise ein Registriergerät oder einen Schreiber auf, wobei zur Anzeige eine Braunsche Röhre verwendet wird. Eine Vorrichtung mit einer solchen Anzeigeeinheit oder -röhre ist groß

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und kostspielig und kann demzufolge nur fUr professionelle Zwecke benutzt werden. Infolgedessen werden in der Praxis kleine Vorrichtungen zur Wassertiefenmessung benutzt, die eine Neonröhre auf einer sich mit einer konstanten Geschwindigkeit drehenden Scheibe aufweisen, wobei die Drehzahl mit den ausgesandten Impulsen synchronisiert ist/ die Neonröhre leuchtet dann auf, wenn das reflektierte Signal empfangen wird.

Wenn bei einer derartigen Einrichtung eine Tiefe von 100 Fuß (ca. 30 m) durch eine Drehung (300 ) einer Scheibe wiedergegeben wird, weil die Schallgeschwindigkeit in Wasser 4800 Fuß/Sek. beträgt, muß die Neonröhre mit einer Geschwindigkeit von 1400 U/Min, rotieren. Wenn die Röhre einen Bezugspunkt (Nullpunkt der Skala) einnimmt, wird ein Impuls ins Wasser abgestrahlt. Wenn der Strahl auf einen Gegenstand (Fisch oder Meeresboden) in einerEntfernung von 50 Fuß auftrifft, wird die Neonrohre auch jeweils dann aufleuchten, wenn sie einen Drehungswinkel von 180 durchlaufen hat. Somit kann das Licht ohne Wahrnehmung des Flimmerns als bewegungsloses Bild an der 50-Fuß-Position einer Skala festgestellt werden.

Bei der Anzeige einer Wassertiefe aufgrund des Lichtes einer sich drehenden Neonröhre muß die Röhre mit einer geringeren Geschwindigkeit rotiert werden, wenn die Wassertiefe größer ist, und umgekehrt. Dies erfordert einen Motor mit einem Drehzahlregler und einer Hochspannungsquelle, um die Röhre hell auszuleuchten, wodurch der Leistungsverbrauch erhöht wird.

Wenn eine derartige Vorrichtung batteriebetrieben wird, so vergrößert eine Erhöhung der Leistungsaufnahme die Größe der Vorrichtung, so daß letztere nicht mehr handlich ist. Darüber hinaus muß eine derartige Rotationsanzeige eine kreisförmige

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Sichtanzeige haben, welche keine intuitive Entscheidung bezüglich der Tiefe ermöglicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die Nachteile der bekannten Vorrichtungen vermeidet und insbesondere diejenigen Nachteile beseitigt, die sich negativ auf eine Verkleinerung und auf die Beleuchtung des Systems auswirken.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Schaltung zur Bereichsunterscheidung vorgesehen ist, um Bezugsimpulse an Zeitintervallen zu erzeugen, in welchen eine Schallwelle sich Über einen Bezugsbereich durch Wasser ausbreitet, welche die Bezugsimpulse und die dem Zeitintervall einer vorbestimmten Zahl von Bezugsimpulsen äquivalenten Impulse umwandelt, wobei diese Impulse als Eingang fUr Gatter und Zähler dienen, und um die Ultraschall-Signale, die von den Impulsen ins Wasser abgegeben wurden, zu Übertragen, wenn die Zähler zurückgestellt sind, und daß ferner von den Gattern Impuls-Ausgangssignale abgegeben und von den Zählerstufen verzögert werden, und daß eine Anzeigeschaltung die Übertragenen Signale empfängt, wobei ein ausgewählter Verzögerungsimpuls, der mit dem empfangenen Signal Übereinstimmt, den Impuls speichert und diesen Impuls Über eine Anzeigeeinrichtung darstellt.

Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß eine Anzeigeeinheit mit vertikal in einer Linie angeordneten Anzeigeelementen vorgesehen ist, wobei die Zahl der Anzeigeelemente gleich der Zahl der Verzögerungsimpulse ist, daß die Anzeigeeinheit eine Grobskala fUr die Wassertiefe aufweist, welche entsprechend den Anzeigeelementen markiert ist, daß BereichsHiarkierungen die Skala in Gruppen unterteilt und

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die Anzeigeskala durch eine Bereichswählscheibe umschaltbar ist, und daß die Bereichsmarkierungen Gruppen von kleineren Skalen-Zahlen enthalten, die in Abständen einer Bezugsdistanz aufgezeichnet sind, welche den Anzeigeelementen entspricht*

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat vorteilhafterweise keinen Rotationsmechanismus, erfaßt jedoch reflektierte Signale zur Messung der Entfernung, die durch eine Vielzahl von vertikal in einer Linie angeordneten Lampen angezeigt wird.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausfuhrungsform der Erfindung anhand von Zeichnungen zur Erläuterung weiterer Merkmale veranschaulicht. Es zeigen:

Fig. 1 eine Außenansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 2 ein Blockschaltbild der Erfindung,

Fig. 3 Impulse an verschiedenen Punkten während des Betriebs im großen Meßbereich,

Fig. 4 eine Schaltung eines Zählers,

Fig. 5 Wellenformen der übertragenen und empfangenen Signale und den Eingang einer Halteschaltung,

Fig. 6 ein Schaltbild der Halteschaltung, Fig. 7 den Aufbau von Decodierern, Fig. 8 die Schaltungsanordnung einer Speicherschaltung,

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Fig. 9 in graphischer Darstellung das Prinzip zur Auswahl

des kleinen Meßbereichs_/und

Fig. 10 Impulse an verschiedenen Punkten im Falle des Betriebs im kleinen Meßbereich.

Das in Fig. 1 dargestellte Gerät weist an seiner Vorderseite 16 lichtemittierende Dioden (LED) 16 auf, die vertikal angeordnet sind. Auf der einen Seite sind diese LED'S oder Lampen 16 für den gesamten Tiefenbereich mit einer jeweils 5 m umfassenden Markierung für eine Wassertiefe von 0 bis 75 m versehen, wie dies aus Fig. 1 deutlich hervorgeht. Auf der anderen Seite der Lampen oder Dioden befindet sich ein Zylinder 27 mit sieben vertikalen Nummereinteilungen, welche den Lampen oder Dioden 16 entsprechen und jeweils einen Meter Wassertiefe bezüglich eines gewählten kleinen Bereichs darstellen. Die Zahlengruppen sind mit Markierungen A bis G gekennzeichnet, wobei jede Zahlengruppe nach jeweils 10m beginnt und den Bereich von 15 m umfaßt; jede Zahlengruppe weist Überlappende Bereiche gegenüber den Nachbarzahlengruppen auf. Der Zylinder 27 wird manuell mittels einer Scheibe 25. gedreht, welche die alphabetischen Markierungen, d.h. Buchstaben trägt. Die großen und kleinen Meßbereiche werden durch entsprechende Betätigung des Schalters 24 eingestellt.

Nach Fig. 2 sind eine Schaltung zur Bereichsunterscheidung, die mit I bezeichnet ist,sowie eine Anzeigeschaltung vorgesehen, wobei letztere mit II bezeichnet ist. Ein einen einheitlichen Impuls liefernder Generator 1 erzeugt einen Bezugsimpuls nach jeweils 1,2mSek. , wobei eine Schallwelle die Wassertiefe von einem Meter in diesem Zeitbereich durchläuft, wie dies in Fig. 3 bei A dargestellt ist. Die Zeit, die eine Schallwelle braucht, um durch einen Gegenstand reflektiert zu werden und um

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zurückzukehren, beläuft sich auf:

2R/v =: 2 · 1/1580 « 1,2 mSek

wobei R die Entfernung in m zwischen dem Objekt und einem Übertrager oder Empfänger für die Schallwelle und ν die Geschwindigkeit der Schallwelle im Wasser (1,580 ra/Sek ) darstellen.

Arbeitsweise bei Grob-Einstellung, d.h. im großen Meßbereich.

Wenn sich der Bereichsschalter 24 in der Stellung "LONG" (für große Meßbereiche befindet, zeigt die Lampe 16 alle 5 m on Wassertiefe an. Die alle 1,2 mSek auftretenden Impulse werden durch einen Teiler 2 durch fUnf geteilt, d.h. in 6 mSek-Impulse, wie dies bei B in Fig. 3 dargestellt ist.

Diese Impulse werden als Eingang an ein UND-Gatter 8 angelegt und durch einen 1 Bit-Binärzähler 4 durch zwei dividiert, d.h. in 12 raSek -Impulse, die ihrerseits durch einen 3 Bit-Binärzähler 6 durch acht dividiert werden, d.h. in 96 mSek -Impulse, welche die Triggerimpulse eines monostabilen Multivibrators sind.

Der Multivibrator 17 erzeugt Ausgangsimpulse E mit einer Impulsbreite von nahezu 1,2 mSek . Ein Start/Stop-Oszillator erzeugt eine Frequenz F von 200 kHz, solange die Impulse mit einer Impulsbreite von etwa 1,2 mSek an ihn angelegt werden. Das hochfrequente Impulssignal wird von einem Verstärker 19 verstärkt und durch einen Duplexer 20 und einen Wandler 21 in Schallwellen dicht unter der Wasseroberfläche vor der Abstahlung ins Wasser umgesetzt. Fig. 3 veranschaulicht die Impulse an verschiedenen Punkten; C und C" sind Impulse in einem 3 Bit-Binär-

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zähler 6. Impulse D sind ebenfalls Eingangsimpulse wie Reset-Impulse, und zwar für einen 4 Bit-Binärzähler 11, der jeweils dann zurückgestellt wird, wenn die Ultraschall-Impulswelle in das Wasser abgestrahlt wird.

Wenn der Schalter 24 die Stellung "LONG" einnimmt, wird eine Spannung Vcc an das UND-Gatter angelegt, so daß dies durchgeschaltet ist und periodische Impulse B alle 6 mSek durch das UND-Gatter 8 und ein ODER-Gatter 10 an einen 4 Bit-Binärzähler 11 angelegt werden, der eine hexadezimale Arbeitsweise ausführt und für sich bekannt ist. Eine Schaltung des Zählers 11 ist in Fig. 4 dargestellt, während die BCD-Zählfolge in der Tabelle dargestellt wird; die Eingangsimpulse B ergeben Ausgangssignale im reinen Binärcode, d.h. A, B, C und D, die ihrerseits Eingangssignale für ein Vierer-Halte- oder Sperr-Gatter 12 darstellen. Der Zähler 11 liefert eine Impulsreihe mit einer 6 mSek Periode (5 m Bereich). Wenn beispielsweise zehn 5-Meter-Impulse (50 m) den Eingang zu diesem Zähler darstellen, ergeben sich an dem Ausgang A, B, C und D entsprechend 0,1,0 und 1·

Tabelle 1

Zählwert 0	A	1	2	3	H	5	6	7	8	9	ιό	11	12	13	IH	15
	B	1	0	1	0	1	0	1	0	1	0	■ ι	0	1	0	1
55	C	0	1	1	0	0	ι·	1	0	0	1	1	0	0	1	1
ί	D	0	0	0	1	1	1	1	0	0	0	0	1	1	1	1
to	0	0	0	0	0	0	1	1	1	1	1	1	1	1

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Tabelle	Q	2	tn+1	■	t η
	1	Q		Vl
tn	O	O
D	1
1
O

s Zeitabschnitt/ bevor der Takt ins Negative Übergeht

Zeit,nach welcher der Takt ins Negative Übergeht.

Die vom Wandler 21 emittierte Ultraschallwelle wird durch ein Hindernis reflektiert und vom Wandler empfangen. Das Empfangssignal gelangt durch den Duplexer 20 und wird vom Verstärker 22 verstärkt. Das verstärkte Signal wird durch einen die Umhüllende erfassenden Detektor 23 als Echosignal aufgenommen, welches einen Eingang, beispielsweise einen Latch-Eingang zu dem Halte-Gatter 12 darstellt. Fig. 5 veranschaulicht das Sendesignal (a), das Empfangssignal.(b), das verstärkte Signal (c) und das Latch-Eingangssignal (d). In Fig. 6 ist ein schematischer Schaltungsaufbau eines Vierer-Halte-Gatters 12 dargestellt, während die Tabelle 2 die Werte-Tabelle angibt. Die Bereichsinformation gelangt an D-Eingänge, während die Echosignale zu dem Latch-Eingang der Schaltung gefuhrt werden. Wie aus der Wert-Tabelle hervorgeht, werden beim Latch-Eingang "1" die D-Eingänge in Q-Ausgänge umgesetzt, während bei einem Latch-Eingang "0" die Q-Ausgänge in den Anfangszustand (0 Meter) zurückkehren. Wenn sich beispielsweise in 45 m Tiefe ein Hindernis befindet, gelangt das Echosignal zu dem Latch-Eingang, wenn der neunte 5-Meter-Irapuls einer Impulsfolge von 6 mSek. oder die Ausgänge des Zählers 11 an die D-Eingänge gelangen. In diesem Beispiel betragen die D-Eingänge DI, D2, D3 und D4 entsprechend 1,0,0 und 1. Nachdem der neunte D-Eingang gezählt wurde, liegt kein Echosignal vor, so daß alle

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Q-Ausgänge in den Null-Zustand zurückverbracht werden. Auf die Latch-Schaltungen wird als Koinzidenzschaltungen Bezug genommen.

Tabelle 3

EINGÄNGE	AUSGÄNGE
DCBA	01234567 8.9
0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 10 0 0 11 0 10 0 0 10 1 0 110 Olli 10 0 0 10 0 1 10 10 10 11 110 0 110 1 1110 1111	1000000000 0100000000 00100000 00 DOOIOOOOOO 0000100000 0000010000 0000001000 0000000100 00 00000 0. 10 0000000001 00 00.0 00000 0000000000 0000000000 0000000000 0000000000 0000000000

Die Ausgänge Q werden durch die BCB-Dezimal-Decodierer 13 und 14 in Dezimalzahlen umgewandelt. Wenn die Q-Ausgänge den neunten 5-Meter-Impuls darstellen, beträgt der Ausgang 9 des Decodierers 1, während die anderen Ausgänge O sind. Wenn kein Eingang vorliegt, ist der Ausgang'O" 1· Da bei dieser Anordnung der nullte Ausgang dann empfangen wird, wenn er abgegeben bzw. Übertragen wird, ergibt sich aus den kontinuierlichen oder aufeinanderfolgenden Aus-

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gangen kein Problem.

Fig. 7 zeigt den logischen Schaltungsaufbau von Decodierern und 14, während die Tabelle 3 die Werte-Tabelle veranschaulicht. Obgleich 16 Dezimal-Ausgänge theoretisch mit den 4 Bit-BCD-Eingängen erhalten werden können, werden hier zwei Schaltungen benutzt, die jeweils 10 Dezimal-Ausgangsanschlüsse haben, die praktisch benutzt werden. Da die Decodierer ein Signal nur fUr etwa 6 aSek ausgeben, wird es von einer Speicherschaltung 15 (Fig. 8) fUr 300 bis 800 mSek gespeichert. Schließlich zeigen die LED-Larapen 16 das Signal an.

Betrieb im kleinen Meßbereich.

Ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß wahlweise in einem kleineren Arbeitsbereich gearbeitet werden kann, wobei jeweils die Wassertiefe von 1 ra angezeigt wird und die Io LED-Lampen, die als Anzeigeelemente während des Betriebs im großen Meßbereich dienen, ebenfalls die Anzeige liefern. Fig. 9 zeigt das Prinzip zur Wahl der kleinen Arbeitsoder Meßbereiche, die sich jeweils gegenüber einem weiteren Meßbereich um 5 m Überdecken, um die Messung zu erleichtern.

Gemäß den Figuren 1 und 2 ist bei der Fein-Messung, d.h. bei der Messung im kleinen Meßbereich der Schalter 24 in die Stellung "SHORT" umzulegen, um eine Spannung Vcc an das UtyD-Gatter anzulegen, welchem der Einheitsimpuls A und der Ausgang eines Flip-Flops 7 als Eingang dienen. Wenn diese drei Eingänge 1 sind, dann gelangt der Ausgang des UND-Gatters durch das ODER-Gatter zu dem 4 Bit-Binärzähler 11.

Der BCD-Dezimal-Decodierer 5 arbeitet in der gleichen Weise, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist; entsprechend Tabelle 3 liegen

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jedoch 3 Bit-Eingänge und Dezimal-Ausgänge 1 bis 7 vor.

Wie bereits erläutert, dienen die 12 raSek (10 m)-Impulse C als Eingangssignale für den Decodierer 5; dessen Ausgänge M, die durch den Schalter 25 gewählt werden, setzen das Flip-Flop 7 jeweils alle 10 m.

Wenn beispielsweise der Bereich B ausgewählt wird, liefert der Decodierer 5 als Ausgangssignal die Welle B, während deren Zeitintervall das UND-Gatter 9 die lOten bis 25ten Einheitsimpulse abgibt. Die anderen Ausgänge P des Flip-Flops 7 stellen den 4 Bit-Binärzähler 3 zurück, der dann 16 Einheitsimpulse A zählt, um einen Reset-Impuls N für das Flip-Flop 7 abzugeben, um das UND-Gatter 9 zu sperren. Die nach dem ODER-Gatter ausgeführte Funktion ist identisch mit der Funktion während der Messung im großen Meßbereich, jedoch zeigen die Lampen 16 jeweils 1 m Wassertiefe an.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erzeugt somit eine Serie von Verzögerungsimpulsen entsprechend der Genauigkeit, mit welcher eine Entfernung gemessen werden soll und auf der Basis der Zeit, zu welcher die Impulse in das Wasser abgegeben werden; durch die Erfindung wird die Zeit erfaßt, zu welcher die Impulse empfangen werden· Vertikal angeordnete Anzeigelampen leuchten entsprechend auf. Erfindungsgemäß wird somit eine grobe Messung wie auch eine intuitive Messung der Wassertiefe ermöglicht, die üblicherweise bestimmt werden muß; darüber hinaus läßt sich durch Änderung eines Bereichswählers eine exaktere Messung durchführen. Die erfindungsgemäße Vorrichtung macht einen Rotationsmechanismus überflüssig und ist wegen ihrer geringen Größe und Leichtigkeit gut zu handhaben.

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Claims

Patentansprüche

IJ Vorrichtung zur Messung der Wassertiefe, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schaltung (i) zur Bereichsunterscheidung vorgesehen ist, um Bezugsimpulse an Zeitintervallen zu erzeugen, in welchen eine Schallwelle sich Über einen Bezugsbereich durch Wasser ausbreitet, welche die Bezugsimpulse und die dem Zeitintervall einer vorbestimmten Zahl von Bezugsimpulsen äquivalenten Impulse umwandelt, wobei diese Impulse als Eingang für Gatter (8,9,10) und Zähler (3,4,6,11) dienen, und um die Ultraschall-Signale, die von den Impulsen ins Wasser abgegeben wurden, zu Übertragen, wenn die Zähler zurückgestellt sind, und daß ferner von den Gattern Impuls-Ausgangssignale abgegeben und von den Zählerstufen verzögert werden, und daß eine Anzeigeschaltung (16,27) die Übertragenen Signale empfängt, wobei ein ausgewählter Verzögerungsimpuls, der mit dem empfangenen Signal übereinstimmt, den Impuls speichert und diesen Impuls Über eine Anzeigeeinrichtung darstellt,
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeigeeinheit mit vertikal in einer Linie angeordneten Anzeigeelementen vorgesehen ist, wobei die Zahl der Anzeigeelemente gleich der Zahl der Verzögerungsimpulse ist, daß die Anzeigeeinheiteine Grobskala für die Wassertiefe aufweist, welche entsprechend den Anzeigeelementen markiert ist, daß Bereichsmarkierungen die Skala in Gruppen unterteilt und die Anzeigeskala durch eine Bereichswählscheibe umschaltbar ist, und daß die Bereichsmarkierungen Gruppen von kleineren Skalen-Zahlen enthalten, die in Abständen einer Bezugsdistanz aufge-

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zeichnet sind, welche den Anzeigeelementen entspricht·

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