Zur Erprobung von Ultraschallschwingern für ingenieurgeodätische Arbeiten

Für einen Nutzer des LEICA – Disto sind die folgenden Probleme wohl nie aufgetreten:

Zur Erprobung von Ultraschallschwingern für ingenieurgeodätische Arbeiten
Dr.-Ing. H. Sefkow (KDT) und Dr.-Ing. M. Möser (KDT), Geodäsie und Kartographie Dresden

1. Messprinzip

Ultraschallgeber und –empfänger finden in verschiedenen Bereichen der Volkswirtschaft Anwendung. Ihre Verwendung für Entfernungsmessungen ist vor allem für Echolotungen in der Schifffahrt bekannt. Die Anwendung des Prinzips im Medium Luft hat sich besonders im westlichen Ausland durchgesetzt und ist im Bergbau der DDR (SDAG Wismut) in einemGerät realisiert worden. Dies genügt jedoch den Anforderungen beispielsweise in der Gebäudeinnenaufnahme nicht. Deshalb wurden im VEB Geodäsie und Kartographie Dresden, DB Forschung und Entwicklung, Untersuchungen von P. Hentschel mit Freiluftschwingern durchgeführt.
Hierbei wurden zwei verschiedene Verfahren erprobt:

Für Laufzeitmessungen eines Lichtimpulses sind spezielle elektronische Zähler, die imPicosekundenbreich arbeiten, erforderlich, die wegen des komplizierten mechanischen Aufbaus nur industriell gefertigt werden können. Die Laufzeit des Lichtes (300000 km/s) von der Haupt- zur Gegenstation ist gegenüber der des Ultraschalls (0,34 km/s) vernachlässigbar klein.


ekem-prinzip1

Bild 1: Prinzipskizze EKEM (E). Es bedeuten: G, E - Ultraschallgeber bzw. -empfänger,ik - Ultraschallimpuls, i4- Impuls mit kürzester Laufzeit, s - Strecke, gebildet aus halberImpulslaufzeit (hier nur s1 bestimmbar!)

ekem-prinzip2

Bild 2: Prinzipskizze EKEM (B). Es bedeuten: B -Blitzlampe, D - Photodiode, G, E - Ultraschallgeber bzw. -empfänger, i -Ultraschallimpuls, iR - reflektierter Impuls (ohne Einfluss), s - Strecke aus einfacher Laufzeitvon i; H, N - Haupt bzw. Neben(Gegen)station

2. Ableitung von Rationalisierungsmitteln aus den Untersuchungen

Die Erprobungsmuster erhielten die Bezeichnung EKEM (Elektronisches-Kurzstrecken-Entfernungs-Messgerät). Nach dem Messprinzip unterscheidet man :

2.1 Zum EKEM (E)

Bei der Entwicklung dieses Rationalisierungsmittels wurde davon ausgegangen, dass vor-handene Technik abgelöst oder sinnvoll ergänzt werden kann.
Bei der Verwendung des Echomessprinzips ist zu berücksichtigen, dass sich der Schall un-gerichtet ausbreitet. Das führt dazu, dass bei der Messung gewisse Voraussetzungen (Bild1) beachtet werden müssen. Daraus ist ableitbar, dass das EKEM (E) zur Ergänzung der vorhandenen Technik geeignet erscheint.
Die Erprobung ergab folgende Bedingungen für seinen Einsatz:

Diese Erfahrungen wurden durch Erprobungen in den Produktionsbereichen Erfurt undMeißen bestätigt. Es zeigte sich, dass Abweichungen in den Messergebnissen eng mit denUmwelteinflüssen und der Oberfläche des reflektierenden Objektes zusammenhängen.

ekem-e

Bild 3: EKEM (E) hier im Vergleich zur Streichholzschachtel

2.2. Zum EKEM (B)

Dieses Gerät besteht aus zwei separaten Einheiten. Der Ultraschallempfänger ist zusammen mit der Ziffernanzeige und Blitzlichtlampe sowie den elektronischen Bauelementen in einem Gehäuse untergebracht, der Ultraschallsender sowie Photodiode und Elektronik in einem zweiten Gehäuse (Bild 4).
Die Reichweite ist maximal 20 m. und es können Entfernungen zu punktförmigen Objekten bestimmt werden. Haupt- und Gegenstation werden getrennt intern mit Spannung versorgt.

ekem-b

Bild 4: EKEM (B) Man vergleiche dazu die Streichholzschachtel

3. Serienfertigung

Das EKEM (B) konnte aufgrund der zur Verfügung stehenden Bauelemente und dererforderlichen Batteriekapazität nicht weiter miniaturisiert werden. Obwohl die Gegenstation zurSignalisierung des Messendpunktes separat aufstellbar ist, wird zum effektiven Messungsablauf eine zweite Person benötigt.
Diese Umstände in Verbindung mit der Masse von 2 kg für die Hautstation führten zurAblehnung durch die Produktion. Die Entwicklung wurde mit der Fertigstellung desErprobungsmusters (Bild 4) beendet.
Die andere Variante, das EKEM (E), konnte nach der Erprobung vervollkommnet werden. So sichert eine Quarzstabilisierung sofort eine ruhige Anzeige und der Temperatureinfluss auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Ultraschalls wird vom Anwender durch einenUmschalter [für drei Temperaturbereiche, d. A.] kompensiert. Die erwähnte Additionskonstante wird automatisch zur gemessenen Strecke addiert und muss nicht mehr separat durch den Nutzer berücksichtigt werden.
Dieses EKEM fand im Gehäuse einer Taschenlampe (für R14 Zellen) Platz und kann somit praktisch in jeder Hemdtasche untergebracht werden.

Tafel 1: Technische Daten des EKEM (E):                                                            (Erprobungsmuster nach Bild 3)

- Masse 590 g (mit R6 Zellen bestückt)
- Abmessungen 184mm* 86mm* 37mm
- Stromversorgung 4*  R6 Batterien entspricht 6V
- Reichweite 0,9 m bis 10 m
- mittl. Messfehler 0,5 % der Streckenlänge

Tafel 2: Technische Daten des EKEM (B):                                                            (Erprobungsmuster nach Bild 4)

- Masse 2 kg (Hauptstation, bestückt mit NC-Akkus)
0,3 kg (Gegenstation mit R6 bestückt)
- Abmessungen 105 mm * 105 mm * 214 mm (Hauptstation ohne Griff)
34 mm *   84 mm *  155 mm (Gegenstation ohne Stab)
- Stromversorgung 2 * NC Akkus á 6 Volt (Hauptstation)
3 * R6 (Gegenstation)
- Reichweite 1,0 m bis 20 m
- mittl. Messfehler 0,5 % der Streckenlänge