1 TAG Heuer 34 by WJ10q00E

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									                      Studienarbeit

                    Berufsakademie Stuttgart
                 Fachrichtung Informationstechnik
                         5. – 6. Semester




                            Thema:

                 Zeitmessung beim Sport




                         Johannes Kress

                             Juli 2003


Johannes Kress              Seite 1                 21.06.2012
Abstract


Diese Studienarbeit beschreibt die verschiedenen Methoden der Zeitmessung die beim
Sport eingesetzt werden. Hierbei wird die Funktionsweise der Zeitmessung erklärt und von
verschiedenen Seiten beleuchtet. Die verschiedenen Zeitmessungsmethoden werden in
mehreren Kriterien mit einander verglichen um die Vor- und Nachteile der jeweiligen
Methode zu verdeutlichen.




Johannes Kress                        Seite 2                           21.06.2012
Danksagung


An dieser Stelle möchte ich mich bei der Firma Sportronic für die Unterstützung bei dieser
Studienarbeit bedanken, mit deren Hilfe ich die Zeitmessmethoden live erleben und
beobachten konnte. Insbesondere gilt der Dank H. Stelling, der sich viel Zeit genommen
hat mich an seinem Fachwissen und Erfahrung teilnehmen zu lassen und mir immer bei
Fragen zur Verfügung stand.
Ein weiterer Dank gilt H. Rose, der die Betreuung dieser Studienarbeit übernahm und
mich vielen Informationen versorgt hat. Durch sein Fachwissen und seine Kontakte in
dieser Branche ist es mir überhaupt möglich gewesen einen Überblick mit vielen
Erfahrungen aus der Praxis zu erhalten.




Johannes Kress                         Seite 3                            21.06.2012
                                                  Inhaltsverzeichnis


1    Geschichte der Zeitmessung ........................................................................................ 4
   1.1    Überblick ............................................................................................................... 4
   1.2    Wichtige Etappen der Zeitmessung ....................................................................... 6
2 Die Handstoppuhr ......................................................................................................... 7
3 Die Lichtschranke ......................................................................................................... 8
   3.1    Verschiedene Bauarten der Lichtschranke ............................................................ 9
     3.1.1     Einfache Reflektions-Lichtschranke ............................................................... 9
     3.1.2     Doppel-Reflektions-Lichtschranke .................................................................. 9
     3.1.3     Funklichtschranke ........................................................................................ 10
   3.2    Aufbau einer Lichtschranke ................................................................................. 10
   3.3    Einsatz einer Lichtschranke ................................................................................. 11
   3.4    Wirtschaftlichkeit einer Lichtschranke .................................................................. 12
4 Video-Zeitmessung ..................................................................................................... 13
   4.1    Funktionsweise der Video-Zeitmessung .............................................................. 13
   4.2    Grenzen der Video-Zeitmessung ......................................................................... 14
   4.3    Wirtschaftlichkeit der Video-Zeitmessung ............................................................ 15
5 Linescan Technologie ................................................................................................. 16
   5.1    Wirtschaftlichkeit der Linescan Technologie. ....................................................... 18
6 Zeiterfassung beim Schwimmen ................................................................................. 19
   6.1    Die Funktionsweise der Anschlagplatte ............................................................... 19
7 Die Transponder Technologie .................................................................................... 20
   7.1    Aktive Transponder ............................................................................................. 20
   7.2    Passive Transponder........................................................................................... 22
     7.2.1     Ablauf der Zeitmessung ............................................................................... 22
     7.2.2     Technische Details der passiven Transponder-Zeitmessung ....................... 23
     7.2.3     Welche Vorteile bringt die Transpondertechnologie mit sich? ...................... 27
     7.2.4     Grenzen der passiven Transpondertechnologie ........................................... 29
   7.3    Kostenvergleich zwischen passiven und aktiven Transponder ............................ 30
   7.4    Wirtschaftlichkeit der Transponder Technologie .................................................. 31
8 Das Teamchip-System ............................................................................................... 31
   8.1    Der Teamchip-Trasponder .................................................................................. 31
   8.2    Die Teamchip Antenne ........................................................................................ 32
9 Zeitmessung bei der Formel 1 .................................................................................... 33
   9.1    TAG Heuer .......................................................................................................... 33
   9.2    Drei Messsysteme ............................................................................................... 34
10     Ausblick ................................................................................................................... 35
11     Quellenverzeichnis .................................................................................................. 36


1 Geschichte der Zeitmessung


1.1 Überblick

Johannes Kress                                           Seite 4                                             21.06.2012
Präzise Zeitmessung ist eine entscheidende Grundlage des Spitzensports. Immer dichter
rücken die Leitungen im Wettkampf zusammen, so dass ein Sieder häufig nicht mehr mit
bloßem Auge bestimmt werden kann.

Leistung und Rekorde gelten als Merkmale des modernen Sports, der sich im 19.
Jahrhundert von England aus in alle Welt verbreitete. Gleichzeitig entwickelten sich die
technischen Voraussetzungen der Sportzeitmessung. Heute reicht die Vielfalt der
Methoden der Zeitmessung von einer Stoppuhr bis hin zu der Transponder-Technologie.

Bis weit ist 20. Jahrhundert stoppte man die sportlichen Wettkämpfe von Hand. Doch
durch die menschliche Wahrnehmung und Reaktionszeit werden die Messergebnisse
stark beeinflusst. Bei den heutigen Zeitmesssystemen ist dies nicht der Fall. Hier löst die
moderne Technik den Menschen ab und ermöglicht Zeitmessungen von größter
Genauigkeit.

England gilt als Mutter land des Modernen Sports. Dort hatte sich im 19. Jahrhundert im
Rahmen sportlicher Wetten wie Pferderennen ein neues Sportideal herausgebildet. Auch
auf dem europäischen Kontinent strebte man schon bald nach den neuen Idealen,
Wettkampf, messbarer Leistung und Rekorden. Die Olympischen Spiele in Athen 1896
förderten die Weltweite Verbreitung des Sports. Sportler maßen ihr Können nun bei
nationalen und internationalen Wettkämpfen. Präzise Zeitmessung war Voraussetzung für
einen objektiven Vergleich der Leistungen.




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1.2 Wichtige Etappen der Zeitmessung


1912 wurde bei den Olympischen Spielen in Stockholm zum ersten Mal das Fotofinish
eingesetzt, da man mit bloßem Auge oft den Gewinner nicht genau ermitteln konnte. So
war man in der Lage den Sieger auf dem Foto zu erkennen und festzuhalten.

1932 wurden in Los Angeles zur Zeitmessung die Chronographen von Omega, Kaliber
1130 eingesetzt, welche die Genauigkeit von einer Zehntelsekunde garantierten. Im
Weiteren wurden die Zeit und das Bild mittels der Kamera mit den zwei Augen (Two Eyes
Camera) festgehalten. Ein Objektiv war auf die Ziellinie das andere auf eine in der Kamera
integrierte Uhr gerichtet. So war es möglich den Bildern die genaue Zeit zuzuordnen.

1948 in St. Moritz ist zum ersten Mal die Lichtschranke zum Einsatz gekommen. Der
Einsatz von autonomen photoelektrischen Zellen ermöglichte das nacheinander
einlaufende Athleten mit der gleichen Präzision erfasst werden konnten.

Im gleichen Jahr wurde in London zum ersten Mal eine Fotofinish-Filmkamera für die
Bestimmung des Zieleinlaufs eingesetzt.

1952 schlug in Helsinki die Zeit des Quarzes. Es werden zum ersten Mal Quarzuhren für
die Zeitmessung eingesetzt. Somit steigt die Genauigkeit der Zeitmessung auf
Hundertstelsekunde.

Die Olympischen Spiele 1968 in Mexico City werden zum ersten Mal vollständig
automatisch gemessen. In der Leichtathletik kommt die Kamera Photoprint zum Einsatz,
die eine Unterscheidung in Tausendstelsekunden ermöglicht. Bei den
Schwimmwettkämpfen werden neuartige Berührungsmatten eingeführt.


Bei den Olympischen Spielen 1972 in München wurden alle sportlichen Leistungen
erstmal ausschließlich elektronisch gemessen. Eine neu entwickelte Kontrollanlage
erkannte Fehlstarts. Aufsehen erregte die unmittelbare Anzeige der Ergebnisse auf einer
Leuchttafel. Sie verglich die durchschnittliche Reaktionszeit mit der Reaktionszeit vom
jedem Sportler. Ein Computer koordinierte die Übermittlung der Ergebnisse von
verschiedenen Wettkampfschauplätzen an Fernschreiber und Fernsehsender. Im
Schwimmen entschieden erstmals Tausendstelsekunden über einen Sieg.

Die erfasste Zeit wurde 1976 in Montreal erstmals auf Videomatrixtafeln direkt angezeigt.
Neben der Zeit wurden weitere Daten über das Sportgeschehen so dem Publikum
präsentiert.

1984 wurde zum ersten Mal direkte und dezentrale Datenverarbeitung eingesetzt.
Dadurch war ein leichter Zugriff auf die Statistiken möglich.

1988 bekam der Computer eine noch wichtigere Rolle. In Calgary und Seoul fanden die
ersten Olympischen Spiele mit der computergesteuerten Zeitmessung statt.

1992 ist zum ersten Mal auf olympischem Niveau die direkt übertragbare elektronische
Bildverarbeitung zum Einsatz gekommen. Die Videotechnik ersetze die Fototechnik und so
konnte der Sieger noch schneller ermittelt werden.
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2 Die Handstoppuhr

                                       Die Stoppuhr gehört zu den Urvätern der
                                       Zeitmessung. Seid es die mechanische Uhr gibt,
                                       wurden auch die ersten mechanische Stoppuhren
                                       hergestellt. Die Genauigkeit dieser Stoppuhren war
                                       aber zu gering. Besonders bei Messungen über
                                       längere Zeiträume waren die Tolleranzen viel zu groß.
                                       Die 50ger Jahre waren die Zeit des Quarzes. Die
                                       mechanische Stoppuhr wurde schnell durch die
                                       digitale Stoppuhr ersetzt, da die digitalen Stoppuhren
                                       viel genauer waren. Die üblichen digitalen
                                       Handstoppuhren besitzen heute eine Genauigkeit von
                                       einer Hundertstelsekunde. Technisch wäre natürlich
                                       eine viel größere Genauigkeit möglich, aber bei einer
                                       Handstoppuhr würde das wenig Sinn machen. Auch
  Abbildung 1: Handstoppuhren der      die genaueste Handstoppuhr nützt nicht viel, wenn
  neuen Generation                     der Mensch, der die auslöst, ungenau ist.
Und das ist das größte Problem der Handstoppuhr. Sie muss immer von einer Person
gestartet und gestoppt werden. Dadurch ergeben sich große Tolleranzen in der
Zeitmessung. Aus diesem Grund wurde in der Entwicklung der Handstoppuhr nicht in die
Genauigkeit, sondern in die Multifunktionalität viel Wert gelegt. Die Handstoppuhren sind
heute in der Lage mehrere Zeiten im Speicher festzuhalten. Beim wiederholten Drücken
der Stopptaste wird jeweils die momentane Zeit im Speicher der Stoppuhr festgehalten.
                                                Auf diese Weise ist es möglich die Zeiten
                                                mehrerer Teilnehmer mit einer Stoppuhr
                                                gleichzeitig zu ermitteln. Obwohl sie
                                                Stoppuhren bis zu 60 Zeitstände speichern
                                                können ist dies aber nur bei einer geringen
                                                Anzahl der Teilnehmer sinnvoll, da man
                                                gegebenenfalls mit den Drücken der
                                                Stoppuhr nicht mehr nachkommt und dadurch
                                                die Genauigkeit der Messung stark leidet.
                                                Um die menschliche Ungenauigkeit zu
                                                vermeiden, besitzen teureren Modelle der
                                                Handstoppuhr einen zusätzlichen, externen
                                                Anschluss für Impulsgeber. Somit ist es dann
                                                möglich externe Impulsgeber, wie z.B. eine
                                                Lichtschranke, anzuschließen, die dann den
                                                Startzeitpunkt und den Stoppzeitpunkt der
                                                Zeitmessung steuern. Zusätzlich bieten
                                                einige Modelle den Anschluss an einen
                                                externen Drucker. Mit diesem Drucker
                                                 können die Zeiten gleich auf dem Papier
  Abbildung 2: Handstoppuhr mit externem         festgehalten werden um später analysiert zu
  Anschluss                                      werden. Der Drucker wird oft verwendet um
                                                 z.B. den Sprecher schnell die gestoppten
Zeiten zukommen zu lassen oder bei den Reklamationen der Sportler einen festen Beweis
in der Hand zu haben.



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Die Handstoppuhr kann sicherlich mit den modernen Zeitmessmethoden bzgl. der
Genauigkeit nicht mithalten, hat aber in anderen Bereichen klare Vorteile. Verglichen mit
anderen Methoden entfällt die Aufbau- und Abbauzeit der Messanlagen bei einer
Handstoppuhr gänzlich. Man in der Lage schnell Zeit zu messen, ohne zeitintensiven Auf-
und Abbau. Da die Handstoppuhr aus technischer Sicht nicht aufwendig ist, ist auch die
Anzahl der möglichen Fehlerquellen sehr gering. Die Handstoppuhr gehört zu den
einfachsten und zugerlässigsten Zeitmessmethoden, die auf dem Markt vorhanden sind.
Diese technische Einfachheit spiegelt sich auch in dem Preis wieder. Die Handstoppuhr
gehört zu den preiswertesten Methoden Zeit zu messen. Die Anschaffungskosten einer
Handstoppuhr erstrecken sich im Bereich von 40€– 150€.
Die Handstoppuhr findet hauptsächlich im Bereich Hobbysport ihren Einsatz, da es dort
nicht stark auf die Genauigkeit der Zeitmessung ankommt. Die finanziellen Mittel sind im
Bereich Hobbysport stark begrenzt. Da bietet die Handsportuhr die einzige Möglichkeit
Zeit zu messen.
Um mit der Stoppuhr auch die Zeiten bei Läufen mit vielen Teilnehmern messen zu
können, wird ein Zielkanal eingesetzt.




 Abbildung 3: Zeitmessung mir einem Zielkanal



Der Zielkanal ist ca. 1m – 1.5m Breit. Die Breite wird so gewählt, dass nur eine Person
gleichzeitig durchpasst. Bei der Zeitaufnahme wird die Zeit mit einer Stoppuhr gestoppt
und mit Hilfe eines Druckers auf Papier festgehalten. Ein paar Meter weiter wird die
Startnummer des Läufers festgehalten. Dies wird in der Regel entweder per Hand oder mit
Hilfe eines Barcodelesers gemacht. Später werden die festgehaltenen Zeiten und
Startnummern zusammengelegt und einander zugeordnet. Diese Messmethode ist aber
sehr fehleranfällig. Falls eine Zeitaufnahme oder Aufnahme der Startnummer versäumt
wurde, ist es später nicht mehr möglich die Zeiten den Startnummern zuzuordnen. Um den
möglichen Schaden in Grenzen zu halten, wird bei der Zeitaufnahme in einem
regelmäßigen Abstand auch die Startnummer festgehalten. So ist es später möglich bei
Fehlern die Startnummer und die Zeiten wieder zu synchronisieren.


3 Die Lichtschranke
Die Lichtschranke gehört zu den einfachen Methoden Zeit beim Sport mit höchster
Präzision zu messen. Der entscheidende Vorteil der Lichtschranke gegenüber der
Nahstoppuhr ist die Tatsache, dass bei der Messung mit der Lichtschranke der
Unsicherheitsfaktor Mensch keine Rolle mehr spielt. Die Zeitmessung geschieht 100%
elektrisch und dadurch natürlich um vieles genauer als eine Handstoppuhr.



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3.1 Verschiedene Bauarten der Lichtschranke
3.1.1 Einfache Reflektions-Lichtschranke

                                             Eine Reflektions-Lichtschranke besteht in der
                                             Regel aus einem Sender, einem Empfänger
                                             und einem Reflektor. Der Sender und der
                                             Empfänger bilden eine Einheit und sind in
                                             einem Gehäuse untergebracht. Der Reflektor
                                             bildet die andere Einheit. Beide Einheuten
                                             werden getrennt links und rechts an auf der
                                             Ziellinie aufgestellt. Die ganze Elektronik ist in
                                             der Sende-Empfangs Einheit untergebracht.
                                             Der Reflektor dient nur dazu das IR-Licht vom
                                             Sender zum Empfänger zurück zu strahlen.
                                             Der Sender besteht aus einer Leuchtdiode, die
                                             infrarotes Licht abstrahlt. Dieses Licht wird
                                             durch Parabolspiegel in eine Richtung gelenkt,
                                             wie bei einer Taschenlampe.
                                             Der Empfänger enthält eine Fotozelle, die das
                                           infrarote Licht empfängt. Man hat sich bewusst
 Abbildung 4 : Reflektionslichtschranke    für das infrarote Licht entschieden, da es
                                           gegenüber dem normalen Licht einen großen
Vorteil bietet. Wenn man bei der Lichtschranke das Licht des sichtbaren Bereichs
verwenden würde, dann würde das Umgebungslicht die Lichtschranke beeinflussen und
auch mögliche Störungen verursachen. Bei dem infraroten Licht ist die Gefahr einer
Störung durch das Umgebungslicht viel geringer.
Die Anschaffungskosten einer einfachen Reflektionslichtsichtschranke belaufen sich auf
ca. 500 €. Damit hebt sich die Lichtschranke preislich sehr stark von einer Handstoppuhr
ab. Trotzdem gehört sie aber zu den preiswerten Methoden die Zeit auf 1/1000s genau zu
Messen.




                                            3.1.2 Doppel-Reflektions-
                                                  Lichtschranke


                                            Eine Doppel-Reflektions-Lichtschranke besteht
                                            aus 2 einfachen Reflektions-Lichtschranken die
                                            zusammengeschaltet sind. Es wird nur dann ein
                                            Signal von der Lichtschranke ausgegeben, wenn
                                            das Licht beider einzelnen Lichtschranken

Johannes Kress                            Seite 9                              21.06.2012
Abbildung 5: Doppel-Reflektions-
Lichtschranke
         gleichzeitig unterbrochen wird. Diesen Aufwand treibt man um die Zeitmessung noch
         störungssicherer zu machen. Es ist sehr unwahrscheinlich, dass beide Lichtschranken
         durch eine Störung verursacht gleichzeitig ein Signal aussenden. Diese zusätzliche
         Sicherheit spiegelt sich natürlich im Preis wieder. Da die Doppel-Reflektions-Lichtschranke
         aus 2 einfachen Reflektions-Lichtschranken besteht, ist sie dementsprechend auch
         nahezu doppelt so teuer. Der Preis einer Doppel-Reflektions-Lichtschranke liegt im
         Bereich von 850 €.




         3.1.3 Funklichtschranke

                                                  Die Funklichtschranke ist vom Aufbau einer
                                                  kabelgebundenen Lichtschranke sehr ähnlich. Der
Abbildung 6: Funklichtschranke
                                                  einige Unterschied ist nur, dass bei einer
                                                  Unterbrechung des Lichtstrahls das Signal nicht
                                                  über Kabel, sondern über Funk zur
                                                  Weiterverarbeitung übermittelt wird. Die
                                                  Funkreichweite der Lichtschranken beträgt
                                                  mehrere hundert Meter. Dadurch ist der Aufbau
                                                  einer Funklichtschranke sehr flexibel. Bei
                                                  Messungen mit mehreren Lichtschranken ist
                                                  diese Flexibilität stakt gefragt, da die Veranstalter
                                                  sich den ganzen Aufwand der Verkabelung
                                                  sparen können. Besonders wenn die Messpunkte
                                                  weit auseinander liegen, kann man damit viel
                                                  Geld beim Aufbau sparen. Das Funksignal wird
                                                  kodiert übertragen um Manipulationen zu
                                                  verhindern und die Anfälligkeit gegen
         Störstrahlung zu minimieren. Der einzige große Schwachpunkt der Funklichtschranke ist
         der höhere Energieverbrauch gegenüber kabelgebundenen Lichtschranken. Die
         Funklichtschranke ist im ständigen Funkkontakt mit dem Empfänger, damit sichergestellt
         ist, dass eine Verbindung da ist. Dies verbraucht viel Energie, so dass die eingebauten
         Akkus nur für ca. 10 Stunden ausreichen. Preislich liegt die Funklichtschranke im Bereich
         750€-800€. Das macht einen Unterschied zu einer einfachen Lichtschranke von ca. 250€.
         Dazu kommen noch die Kosten der aufwendigeren Empfangshardware. Deshalb lohnt sich
         eine Funklichtschranke nur bei Veranstaltungen, bei denen der Aufwand der Verkabelung
         diesen Betrag übersteigen würde oder bei Veranstaltungen mit hohem Budget, da hier
         wiese Kosten nicht ins Gewicht fallen würden.



                                               3.2 Aufbau einer Lichtschranke



         Johannes Kress                          Seite 10                            21.06.2012
          Der Aufbau einer Lichtschranke ist relativ einfach und dauert nur wenige Minuten. Um
          nicht an externe Stromversorgung angewiesen zu sein, enthalten die gängigen Sende-
          Empfangs Einheiten einer Lichtschranke eine eingebaute Batterie. Dadurch ist man beim
          Aufbau viel flexibler. Die Betriebsdauer einer Lichtschranke mit voller Batterie erstreckt
          sich im Bereich von 50-100 Stunden. Danach muss die interne Batterie erneut aufgeladen
          werden.
          Die Sende und Empfangseinheit müssen genau ausgerichtet sein. Der maximale Abstand
          zwischen der Sende und Empfangseinheit beträgt je nach Model ca. 15 -20 Meter. Je
                                      weiter der Abstand zwischen der Sende und Empfangseinheit,
Abbildung 7: Aufbau einer             desto genauer müssen die beiden ausgerichtet werden. Sind
Lichtschranke                         beide Einheiten gut ausgerichtet, wird das auf der Sende-
          Empfangseinheit angezeigt. Danach ist die Lichtschranke sofort betriebsbereit. Falls der
          Strahl des infraroten Lichts unterbrochen wird, sendet die Lichtschranke einen Impuls, der
          dann weiterverarbeitet wird. Um mögliche Störungen zu verringern, kann die Dauer der
          benötigten Unterbrechung angegeben werden.



         3.3 Einsatz einer Lichtschranke

         Die Lichtschranke eignet sich zur Messung der Zeit von einzelnen Personen. Bei
         Zeitmessung von mehreren Personen, kann es leicht vorkommen, dass mehrere Personen
         nah bei einander durch die Lichtschranke durchlaufen. Das stellt ein großes Problem der
         Lichtschranke dar, da die Lichtschranke keine Möglichkeit hat zu erkennen, ob nur eine
         Person durchgelaufen ist, oder mehrere direkt hintereinander. Bei Veranstaltungen mit
         vielen Teilnehmern kann die Lichtschranke oft nur zur Ermittlung der Zeit des Ersten
         genutzt werden oder mit Verbindung mit anderen Methoden der Zeitmessung eingesetzt
         werden. Hier behilft man sich auch mit dem Zielkanal bei dem die Athleten hintereinander
         aufgereiht werden.
         Die Lichtschranke kann nicht nur zur Zeitmessung eingesetzt werden, sondern auch zur
         Bestimmung der momentanen Geschwindigkeit des Athleten. Im Bereich der exakten
         Geschwindigkeitsmessung gibt es zur Lichtschranke kaum Alternativen. Für die
         Geschwindigkeitsmessung werden 2 Lichtschranken in einem kurzem Abstand aufgestellt.
                                                    Wenn beide Lichtschranken ausgelöst werden,
                                                    dann wird die Strecke der Entfernung der
                                                    beiden Lichtschranken durch den
                                                    Zeitunterschied der beiden Lichtschranken
                                                    dividiert. Das Ergebnis ist eine sehr genaue
                                                    Angabe der Momentanen Geschwindigkeit des
                                                    Athleten.




         Johannes Kress                         Seite 11                            21.06.2012
Abbildung 8: Geschwindigkeitsmessung mit
Lichtschranken




         3.4 Wirtschaftlichkeit einer Lichtschranke

         Mit der Lichtschranke allein ist noch keine Zeitmessung möglich. Es bedarf noch einen
         Computer mit entsprechender Hardware und Verbindungskabel. Die Gesamtkosten
         steigen dadurch weit über 1500€ an. Im Hobbysportbereich liegen diese
         Anschaffungskosten weit über dem Limit. Aus diesem Grunde werden die Lichtschranken
         meistens für die Veranstaltungen gemietet. In der Regel liegt der Mietpreis ca. bei 1 % des
         Anschaffungspreises. Falls zusätzlich Techniker notwendig wären, würde das ca. 300€
         zusätzliche Kosten pro Person am Tag bedeuten.
         Wenn man die Kosten im Vergleich zu der Anzahl der Athleten setzt, so ist die
         Lichtschranke aus dieser Hinsicht mit der Wirtschaftlichkeit nicht glänzen. Die Anzahl der
         Athleten ist bei einer Lichtschranke stark begrenzt. Dafür kann die Lichtschranke im
         Bereich der Genauigkeit punkten.




         Johannes Kress                         Seite 12                            21.06.2012
4 Video-Zeitmessung

4.1 Funktionsweise der Video-Zeitmessung

                                       Die Video-Zeitmessung beruht, wie der Name schon
                                       sagt, auf der Aufnahme eines Videosignals, mit Hilfe
                                       von dem es Möglich ist die Zeit der Athleten zu
                                       messen. Um das zu ermöglichen wird eine
                                       hochqualitative Videokamera in Zielbereich
                                       aufgestellt. Die Kamera ist, im Gegensatz der
                                       gewöhnlichen Videokameras, sehr robust und
                                       Wetterbeständig. Sie muss auch unter schwierigsten
                                       Wetterbedingungen einwandfrei funktionieren und
                                       ein klares Bild liefern. Die Kamera verfügt über ein
                                       starkes Zoom-Objektiv, da es oft vorkommt, dass die
                                       Kamera nicht direkt an der Ziellinie aufgestellt
 Abbildung 9: Kamera der Video-        werden kann, sondern einige Meter seitlich entfernt.
 Zeitmessung                           Mit einem starken Zoom-Objektiv ist die Kamera
                                       auch in großer Entfernung in der Lage klare und
scharfe Bilder zu liefern. Um später die Zeit dem Geschehen auf dem Video zuordnen zu
können, schickt die Videokamera die momentane Zeit der intern eingebauten Uhr am
Bildrand im Videosignal mit. Die Zeit wird beim Start auf Null gesetzt und wird ab da in
das Videosignal mit eingeblendet und ausgezeichnet. Dadurch ist es später immer möglich
zu jedem aufgenommenen Zeitpunkt die genaue Zeit zuzuordnen.
Die einfachste Variante der Aufzeichnung ist das Videosignal der Kamera mit einem
Videorekorder aufzunehmen. Der Videorekorder muss aber einige Kriterien erfüllen, um
für die Video-Zeitmessung geeignet zu sein. Der Videorekorder hat mehrere Videoköpfe
(meistens 6 Stück) um einer sehr gute Aufzeichnungsqualität zu haben. Das Bild muss auf
dem Videoband scharf und störungsfrei sein. Man muss im Stande sein jeden Sportler auf
dem Bild genau zu erkennen, auch wenn er mitten im Feld von mehreren Sportlern um ihn
herum eingeschlossen ist. Der Videorekorder verfügt über eine exakte Zeitlupenfunktion,
bei der es möglich ist Bild für Bild vor und zurück zu spulen. Diese Funktion ist ganz
wichtig. Damit wird nach dem Rennen der Sieger genau ermittelt. Man spult die Kamera
                                                               genau an den Zeitpunkt
                                                               zurück, an dem der erste die
                                                               Ziellinie überquert. Die
                                                               Siegerzeit kann bequem am
                                                               Bildrand abgelesen werden.
                                                               Der Sportler wird dabei
                                                               anhand der Rückennummer
                                                               identifiziert. Auf diese Weise
                                                               werden auch die weiteren
                                                               Platzierungen ermittelt. Die
                                                               Zeitauflösung bei solchem
                                                               Videosystem liegt maximal
                                                               bei 1/100s. In der Regel liegt
                                                              aber die Zeitauflösung bei
   Abbildung 10: Aufzeichnung mit einer Videokamera           1/50s da das Fernsehsignal in

Johannes Kress                         Seite 13                             21.06.2012
Europa 50 Bilder / s überträgt.
Die Kamera wird gewöhnlich seitlich über der Ziellinie angebracht, so dass sie in einem
Winkel zwischen 25-40 Grad von oben die Sportler filmt. Bei einem breiten Zielleinlauf ist
eine Videokamera oft nicht ausreichend. Sie kann nicht die ganze Breite des Zieleinlaufs
erfassen. Wenn die Kamera weiter weg positioniert wird, kann sie zwar alles erfassen, die
Sportler sind aber auf dem Bild so klein, dass sie nicht mehr richtig erkannt werden
können. In solchen Fällen werden 2 Kameras positioniert, die dann jeweils nur die Hälfte
des Zieleinlaufs filmen. Beide Videosignale werden zu einem Videosignal gemischt. Dabei
wird das Fernsehbild einfach horizontal in 2 Hälften geteilt.
Im Falle, dass ein Videorecorder kein zufriedenstellendes Ergebnis liefert, besteht auch
die Möglichkeit Video-Zeitmessung auf PC-Basis zu betreiben. Hierbei wird das
Videosignal mit einem PC aufgezeichnet. Um dies tun zu können, muss der PC mit einer
entsprechenden Videokarte ausgestattet sein. Diese Videokarte empfängt die
Videosignale der analogen Videokamera, digitalisiert diese und führt eine Kompression
der Daten aus. Ohne diese Kompression wären die Videodaten viel zu groß. Ein
herkömmlicher PC wäre mit der Datenflut total überfordert. Falls die Videokamera eine
digitale Kamera ist, wird das Videosignal von der Kamera zur Videokarte bereits digital
übertragen. Im Gegensatz zur analogen Übertragung entstehen dabei keine Verluste der
Bildqualität, auch wenn die Übertragungsstrecke sehr lang ist. Die komprimierten Daten
werden von der Videokarte an den PC weitergeleitet und werden danach von der
speziellen Software für die Zeitmessung verarbeitet.




4.2 Grenzen der Video-Zeitmessung

Die Video-Zeitmessung bietet eine sehr günstige und technisch einfache Weise
Zeitmessung bei einer großen Teilnehmerzahl zu realisieren. Diese Technologie hat aber
auch große Schwächen, die oft zu Problemen führen.
Um die Sportler identifizieren zu können, muss die Startnummer der Sportler klar zu
erkennen sein. Dies ist aber oft nicht der Fall. Viele Sportler bringen die Rückennummer
häufig falsch an, dass sie auf dem Videoband nicht mehr eindeutig zu erkennen ist. Nur
mit Hilfe von Beobachtungen der Mitarbeiter und dem Ausschlussverfahren kann der
Sportler noch eindeutig bestimmt werden.
Die Tatsache, dass der Sportler anhand der Rückennummer identifiziert wird, kann auch
zum Betrug verwendet werden. Der Sportler könnte sich mit einem anderen Sportler mit
der gleichen Rückennummer abwechseln. Oft passiert es, dass 2 Teilnehmer mit der
gleichen Rückennummer im Rennen sind, da einer sich auf sein nächstes Rennen
vorbereitet und unerlaubter Weise mit auf der Rennstrecke ist. Das bringt das ganze
Messsystem durcheinander, da es später auf dem Video oft nicht mehr eindeutig
festzustellen ist, wer von den beiden sich legal auf der Rennstrecke befindet.
Wie schon erwähnt, liegt die maximale zeitliche Auflösung bei 1/100 s. Dies ist für schnelle
Sportarten nicht mehr ausreichend. Für Autorennen und anderen Sportarten mit
Geschwindigkeiten über 100 km/h ist diese Methode der Zeitmessung nicht genau genug.
Bei höheren Geschwindigkeiten wird das Bild immer zunehmend unschärfer und die
zurückgelegte Strecke von einem Bild zum nächsten beträgt mehrere Meter. Da ist es
technisch nicht mehr möglich die genaue Zeit zu ermitteln und bei knappen
Entscheidungen kann der Sieger nicht mehr mit 100% Sicherheit bestimmt werden.


Johannes Kress                         Seite 14                            21.06.2012
Bei großer Teilnehmerzahl ist es zeitlich nicht möglich das Band mehrere Minuten in
Zeitlupe ablaufen zu lassen und so für jeden Teilnehmer die exakte Zeit festzuhalten. Die
Zeit wird in der Regel nur für die ersten 10 exakt ermittelt. Die Restlichen Athleten
bekommen nur die Platzierung mitgeteilt. Dies ist aber für viele Sportler unzureichend.
Mit der Videozeitmessung ist es nur mit einem großen Aufwand möglich Zwischenzeiten
oder die Geschwindigkeit der Sportler festzuhalten. Je größer die Teilnehmerzahl ist,
desto höher ist der Aufwand. Aus diesem Grund wird das auch nicht praktiziert.




4.3 Wirtschaftlichkeit der Video-Zeitmessung

Der Preis eines kompletten, analogen Videosystems auf PC-Basis liegt bei ca. 10000€.
Ein digitales Videosystem kostet ca. 11000€. Bei diesen Beträgen kommt für kleinere
Veranstaltungen auch nur die Mietung des Systems in Frage. Bezogen auf die
Teilnehmerzahl liegt die Wirtschaftlichkeit trotz eines viel höheren Preises über dem
Bereich der Lichtschranke. Mit einem Videosystem können ein Vielfaches mehr an
Teilnehmern erfasst werden, als mit einer Lichtschranke. Das Videosystem erfasst auch
mehrere, parallel einlaufende Teilnehmer, was mit einer Lichtschranke nicht möglich ist.
Durch den Einsatz von 2 Kameras kann Blickfeld erweitert werden um noch mehr
Teilnehmer erfassen zu können. Wie schon erwähnt liegt die Genauigkeit der Erfassung
nur bei maximal bei 1/100 Sekunde. Für viele Veranstaltungen im Hobbybereich ist das
aber vollkommen ausreichend.




Johannes Kress                        Seite 15                            21.06.2012
5 Linescan Technologie

Die Linescan Technologie zeichnet sich dadurch aus, dass die Kamera nicht ein
komplettes Bild aufnimmt und als Signal weiterleitet, sondern nur eine vertikale Linie.




      Abbildung 11: Aufzeichnung mit                   Abbildung 12: Aufzeichnung
      einer gewöhnlichen Kamera                        mit einer Linescan-Kamera




Auf den ersten Blick ist der Vorteil dieser Technologie nicht genau ersichtlich. Der
Unterschied zu der gewöhnlichen Videoaufzeichnung ist bar enorm. Da in einer einzigen
Bildlinie viel weniger Bildpunkte sind, als in einem kompletten Bild, kann die Linescan-
Kamera viel häufiger diese Linie abtasten, als die Videokameras die gesamten Bilder.
Dadurch ist mit der Linescan-Kamera eine zeitliche Auflösung von 1/10000s möglich. Das
ist ca. das 100-fache einer Videokamera. Die Bildlinien werden im Innern der Linescan-
Kamera von einem schnellen CCD-Sensor aufgenommen und mit einem Analog-Digital
Wandler in digitale Signale umgewandelt. Die Auflösung des CCD-Sensors ist je nach
                                       Kamera unterschiedlich. Sie bewegen sich in Bereich
                                       von 512 – 8192 Pixel. Da die Bildinformation nur aus
                                       einer Linie besteht, ist es auch bei hoher Auflösung
                                       möglich die Linien schnell abzutasten und in digitale
                                       Werte umwandeln. Die geringe Bildinformation bringt
                                       auch einen großen Vorteil bei der Kommunikation der
                                       Kamera mit dem Computer. Wenn eine Videokamera
                                       so viele Vollbilder zum Computer senden würde, wäre
                                       der Computer hoffnungslos mit Bildinformationen
                                       überflutet. Mit einer Linescan-Kamera kann auch ein
                                       durchschnittlicher PC zur Verarbeitung und
 Abbildung 13: CCD-Sensor einer
 Linescan-Kamera
                                      Speicherung der Videoinformationen verwendet
                                      werden.


Die Bilder, die eine Linescan-Kamera erzeugt, unterscheiden sich sehr von den Bildern
einer Videokamera. Bei der Interpretation der Bilder ist ein Umdenken von dem
gewöhnlichen Bild erforderlich.




Johannes Kress                         Seite 16                             21.06.2012
                    Abbildung 14: Aufzeichnung mit einer Linescan-Kamera


Das Bild sieht auf den ersten Blick die eine Momentaufnahme aus, die etwas verzerrt ist.
Tatsächlich ist das Bild aber keine Momentaufnahme, sondern eine Aufnahme über
mehrere Sekunden. Das Bild wird von rechts nach links zeilenweise aufgebaut. Mit jedem
abtasten der Linescan-Kamera kommt eine Zeile hinzu. Je weiter links auf dem Bild
jemand befindet, desto später wurde der jenige von der Kamera erfasst. Dies ermöglicht
eine sehr genaue Bestimmung der Zeit der Athleten, da man zu jeder Zeile die genaue
Zeit der Aufnahme der Zeile kennt. Unten wird eine Zeitlinie zur Orientierung eingeblendet.
Um die Zeit der Teilnehmer zu bestimmen, muss man mit der Maus den Brustbereich des
Sportlers anklicken. Darauf hin erscheint eine senkrechte, rote Linie in diesem Bereich
(wie in Abbildung 14 zu sehen ist) und die zugehörige Zeit.




 Abbildung 15:
 Linescan-Kameras

Johannes Kress                        Seite 17                             21.06.2012
5.1 Wirtschaftlichkeit der Linescan Technologie.
Preislich liegt ein Linescan-system bei ca. 16000€. Das ist 5000€ mehr verglichen mit dem
Videosystem. Die maximale Teilnehmerzahl ist aber bei beiden Methoden der
Zeitmessung gleich. Dadurch liegt die Linescan-Technologie aus dieser Sicht betrachtet
weit hinter der Videoaufzeichnung. Den viel höheren Preis rechtfertigt die Linescan
Technologie durch eine viel höhere Genauigkeit. Die liegt bei maximal 1/10000 Sekunde
und damit um den Faktor 100 größer, als bei der Videozeitmessung.




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6 Zeiterfassung beim Schwimmen


Die Besonderheiten des Schwimmens haben früher den Einsatz konventioneller Methoden
der automatischen Zeiterfassung unmöglich gemacht. In den Olympischen Spielen von
1956 in Melborne wurde die halbautomatische Zeiterfassung eingeführt. Drei
elektromechanische Zähler wurden jedem Schwimmer zugeordnet. Diese wurden
individuell durch drei Stopper betätigt. Die Kampfrichter konnten mit ihrer subjektiven
Beurteilung eingreifen und die gemessenen Zeiten korrigieren. Das Finale 100m Meter
Freistil in den Olympischen Spielen 1960 in Rom versetzte dieser Methode den
Todesstoss. Der Zeitunterschied zwischen den ersten beiden Schwimmern war
offensichtlich zu groß. Die Kampfrichter wollten aber nicht von ihrer Einschätzung
abweichen und das Resultat blieb einer der letzen Siege der Subjektivität über die
Objektivität.
Die einzig viel versprechende Methode der Zeitmessung beim Schwimmen war die
Entwicklung von robusten, wasserdichten, ca. 1 cm dicken Kontaktplatten mit großer
Oberfläche. Diese Kontaktplatten dürfen nur auf den Kontakt des Schwimmers reagieren,
nicht aber auf den Wellenschlag. Solche Mobile Platten wurden von Seiko 1964 in den
Olympischen Spielen in Tokio eingesetzt.
Der Holländer Maus Gastonides entwickelte eine pneumatische Kontaktplatte, die in der
Europameisterschaft in Utrecht 1966 vorgestellt wurde. Die Platte wurde an den
vorolympischen Wettkämpfen in Mexico-City im gleichen Jahr getestet. Die täglichen
Temperaturunterschiede sowie die Druckunterschiede durch die Höhenlage begrenzten
aber die Leistungen dieser Platte.
Die Techniker von Omega darauf eine elektrische Druckplatte, die auf die
Umgebungseinflüsse unempfindlich war.

                                            Sie wurde 1967 in Winniepeg vorgestellt und
                                            erreichte eine 98%ige Erfolgsrate. Die
                                            Wettkampfsregeln wurden geändert und einzig
                                            der Anschlag des Schwimmers wird noch zur
                                            Zeiterfassung in den Finals akzeptiert. Dank
                                            der Kontaktplatte wurden an den Olympischen
                                            Spielen von 1968 in Mexiko erstmals offiziell
                                            die Zeiten automatisch ermittelt. Seit damals
                                            hat sich eigentlich an dem Prinzip der
                                            Zeitmessung nicht viel verändert. D.h. dass bei
                                            der modernen Zeitmessung der Schwimmer
 Abbildung 16: Einsatz der Anschlagplatten  selbst für die Zeitmessung verantwortlich ist. Er
                                           muss die Anschlagplatte berühren, um den
Chronometer zu stoppen. Zu dem ist diese automatisch und elektronisch ermittelte Zeit
offiziell. Sie hat gegen die von Auge gestoppte Zeit Vorrang.

                                     6.1 Die Funktionsweise der
                                         Anschlagplatte


                                           7 Die Kontaktbänder sowie die
                                             Oberfläche werden so
Johannes Kress                         Seite 19                             21.06.2012
 Abbildung 18: Anbringung der
 Abbildung 17: Anschlagplatten
 Anschlagplatten
    angepasst, dass die ganze Fläche auf die gleiche Kraft
    reagiert (zwischen 2 und 3kg). Die Anschlagplatte reagiert
    auf einen lokalen Druckstoß, nicht aber auf verteilte Stöße,
    was falsche Impulse aufgrund von Wellen ausschließt.
    Die Anschlagplatte setzt sich aus schmalen, aneinander
    gefügten PVC Profilen zusammen, welche in einen Rahmen
    aus rostfreiem Stahl eingefasst sind. Im Innern der
    Anschlagplatte befinden sich die horizontal eingebetteten
    Kontaktbänder. Sobald eine Druckbelastung das Schließen
    des Kontakts verursacht, wird ein Signal an die Computer
    ausgesendet.Die Transponder Technologie

Dank der modernen Technik ist es heutzutage möglich bequem und kostengünstig die
Transpondertechnologie für die Zeitmessung beim Sport einzusetzen. Mit Hilfe der
Transpondertechnologie ist es den Sportveranstaltern zum ersten Mal möglich die Zeit
vieler Teilnehmer automatisch zu erfassen. Die Transponder-Timing-Systeme kombinieren
die automatische Indentifikation mit der Zeitmesstechnik. Es handelt sich um
Hochfrequenz Identifikationssysteme, welche selbst in harten Umgebungsbedingungen,
wie Schmutz, Feuchtigkeit, Extreme Temperaturen, elektromagnetische Störungen bis zu
300 km/h einwandfrei und zuverlässig funktionieren.
Das Kernstück ist ein kleiner, aktiver oder passiver Transponder. Er wird beim Sportler in
die für die erfassung optimale Stelle angebracht. Sobald der Transponder in den
Lesebereich der Empfangs-Antenne gerät, erhält er einen kurzen Impuls mit hoher
Frequenz. Der Transponder schickt über diesen Aktivierungsimpuls seine individuelle
Kennung zurück.


Wie schon erwähnt existieren 2 Arten der Transponder Technologie: Der aktive
Transponder und der passive Transponder



7.1 Aktive Transponder
                                Unter Aktiven Transponder sind die Transponder gemeint,
                                die eine eigene Stromversorgung haben. In der Regel
                                besitzen solche Transponder eine intern eingebaute
                                Batterie. Je nach Bauart haben Transponder häufig auch
                                die Möglichkeit die interne Batterie aufzuladen, falls sie mit
                                der Zeit leer wird. Somit bedürfen die aktiven Transponder
                                einer regelmäßigen Wartung. Es werden aber auch
                                Transponder mit einer lang haltenden, fest eingebauten
                                Batterie hergestellt, die nach dem Erschöpfen der Energie
                                nicht mehr aufgeladen werden kann und der Transponder
  Abbildung 19: Aktiver         somit nicht mehr zu gebrauchen ist. Die Lebensdauer
  Transponder für Autorennen    solcher Transponder beträgt ca. 5 Jahre.


Durch die eigene Stromversorgung kann der aktive Transponder im Bereich der
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Rechweite und der maximalen Messbaren Geschwindigkeit (bis 300 km/h) gegenüber den
passiven Transpondern punkten. Um die Batterie nicht unnötig zu belasten, sendet der
aktive Tranponder nur an den stellen, an denen auch die entprechenden
Empfangsantennen vorhanden sind. Kurz vor der Antenne erhält der Transponder das
Signal zu senden. Daraufhin übermittelt der Transponder seine Kennziffer. Kurze Zeit
danach stoppt der Transponder das Senden und wartet auf die nächste Aufforderung.




Johannes Kress                     Seite 21                          21.06.2012
7.2 Passive Transponder
                            Im Gegensatz zu dem aktiven Tranponder hat der passive
                            Transponder keine eigene Stromversorgung. Die
                            notwendige Energie wird aus dem von den Antennen
                            ausgesendeten Impuls gewonnen. Dieser Impuls besteht
                            aus einem sinusförmigen Signal mit der Frequenz von 130
                            kHz. In dem passiven Transponder befindet sich ein
                            Schwingkreis dessen Resonanzfrequenz genau in diesem
                            Frequenzbereich liegt. Durch diesen Impuls wird der
                            Schwingkreis angeregt zu schwingen. So nimmt er die
  Abbildung 20: Passiver    Energie, des von den Antennen ausgesendeten Impulses,
  Transponder               auf. Die aufgenommene Energie reicht aus um die
  Championchip             Kennziffer des Transponders zu der Antenne
zurückzusenden. Diese Kennziffer besteht aus 64 Bit und ist weltweit ein eindeutig. Diese
Kennziffer wird zusammen mehreren mit Kontrollbits übertragen. Im Falle einer Störung ist
der Computer in der Lage Fehler in der Übertragung erkennen und im Idealfall sie auch zu
korrigieren.


7.2.1 Ablauf der Zeitmessung




Abbildung 21: Ablauf der Zeitmessung bei passiven Transponder


1. Die Antennen, die in den Matten integriert sind, senden ein elektromagnetisches Feld
aus mit der Frequenz von 130 kHz. Alle passiven Transponder in der Reichweite des
elektromagnetischen Feldes nehmen diese Energie auf.


2. Die Antennen hören mit dem senden des Impulses auf. Die Transponder haben jetzt
genug Energie ausgesammelt und ihre eigene, eindeutige Kenziffer zu senden. Der
Transponder übermittelt die Kennziffer auf der gleichen Frequenz von 130 kHz.


3. Die Antennen in den Matten empfangen diese Kennziffer und übermitteln diese an
einen Computer. Auf dem Computer läuft ein Programm, das die Kennziffer mit der
momentanen Uhrzeit abspeichert.


4. Die ganze Prozedur dauert ca. 60-70 ms und dann beginnt alles wieder von vorne.



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7.2.2 Technische Details der passiven Transponder-Zeitmessung




  Abbildung 22: Elektrischer Aufbau der Antenne und des
  Transponders




7.2.2.1 Aufbau der Antenne
                               Die Antenne besteht aus ähnlichen Bauteilen, wie der
                               Transponder selbst. Die Antenne beinhaltet ebenfalls einen
                               elektrischen Schwingkleis mir der Resonanzfrequenz von 134
                               kHz, der aus einer Spule und einen Kondensator besteht.
                               Dieser Schwingkreis ist direkt mit einem Frequenzgenerator
                               verbunden, der genau diese Resonanzfrequenz erzeugt. Um
                               das Erzeugen des Impulses und den Empfang der Daten zu
                               steuern, ist in der Antenne eine Steuereinheit integriert. Diese
                               Steuerteinheit besitzt eine Schnittstelle (in den meisten Fällen
                               RS232), mit der sie die Empfangene Daten an einen
                               Computer weiterleiten kann und von dem Computer das
                               Signal zum aussenden des Impulses erhält.




 Abbildung 23: In den Matten
 eingebaute Antennen


Johannes Kress                           Seite 23                             21.06.2012
Abbildung 24: Impulsreichweite zweier Antennen


Die Antennen sind in robuste Matten eingebaut. Sie sind resistent gegen Wasser und
Schmutz und können problemlos von Motorfahrzeugen überfahren werden. Die Länge und
Breite der Matten liegt in den meisten Fällen in einem Bereich von 1m – 1,5m. Um
trotzdem einen großen Bereich mit den Antennen abdecken zu können, werden mehrere
Matten nebeneinander gelegt. Die relativ geringe Länge und Breite der einzelnen Matten
ist durchaus beabsichtigt. Es soll in Idealfall nur eine Person gleichzeitig über eine Matte
laufen können. Wäre das nicht der Fall, würden sich die Signale mehrere Transponder
überlagern und sich dadurch gegenseitig stören. Mit einer Breite von 1m – 1,5m ist es
relativ sicher, dass nur eine Person gleichzeitig über eine Matte laufen kann. Aus der
Abbildung 24 erkennt man, dass sich der Impuls der Antennen sich in der Mitte der Matten
konzentriert und nach Außen sehr stark abnimmt. Dadurch ist die tatsächliche Messbreite
einer Matte noch geringer.




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Abbildung 25: Verschiedene Anordnungsmöglichkeiten der Antennen




7.2.2.2 Aufbau eines passiven Transponders
Wie schon erwähnt besteht der Transponder aus einem elektrischen Schwingkreis mit der
gleichen Resonanzfrequenz. Weiter enthält der Transponder eine Diode, einen
Kondensator und einen Chip. Auf dem Chip ist die weltweit eindeutige Kennziffer des
Transponders gespeichert. Der Chip übernimmt auch die Aufgabe der Steuerung des
Sendens der Kennziffer. Die Diode wird zum gleichrichten der Wechelspannung
verwendet. Der Kondensator hat eine Funktion als Energiespeicher für den Chip.
Inzischen gibt es eine Vielzahl an passiven Transpondern auf dem Markt. Viele Firmen
haben das potenzial des passiven Transponders erkannt und bieten für viele Sportarten
den passenden Transponder an.




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  Abbildung 26: passiver                         Abbildung 27: universaler passiver
  Transponder am Fahrrad                         Transponder mit flexiblem Band




Abbildung 28: passiver Transponder als Aufkleber für Ski           Abbildung 29: passiver
                                                                   Transponder am Schuh
                                                                   befestigt




7.2.2.3 Ablauf der Kommunikation zwischen der Antenne und dem Transponder


Um den Transponder mit Energie aufzuladen, muss die Antenne einen
elektromagnetischen Impuls aussenden. Dazu fängt der Frequenzgenerator mit der
Frequent von 134 kHz zu schwingen. Da er direkt an den elektrischen Schwingkreis der
Antenne angeschlossen ist, bringt er den Schwingkreis der Antenne zum schwingen.
Dieser Schwingkreis dient als die eigentliche Antene und sendet einen sinusförmigen
Impuls an die Umgebung ab.
Diese elektromagnetische Schwingungen erreichen den Transponder und bringen den
Schwingkreis auf dem Transponder zum schwingen, da er die gleiche Resonanzfrequenz
hat. Durch die Diode wird die Wechselspannung des Schwingkreises gleichgerichtet und
zu dem Kondensator geleitet. Der Kondensator lädt sich dadurch nach und nach immer
mehr auf. Wenn der Kondensator ausreichend Energie aufgesammelt hat, reagiert die
Steuerung im Chip und der Chip sendet die gespeicherte Kennziffer ab. Dies geschieht
durch die Frequenzmodulation. Die Einsen und Nullen werden auf die Grund Frequenz
aufmoduliert.
Die Antenne hat inzwischen mit dem Senden von diesem Impuls aufgehört und empfängt
nun das Signal des Transponders. Das Signal wird anschließend dekodiert und in die

Johannes Kress                            Seite 26                              21.06.2012
digitale Form gebracht, damit es vom Computer bearbeitet werden kann. Der Computer
prüft die Daten um mögliche Fehler zu erkennen und zu korrigieren und speichert die
Kenziffer mit der momentanen Zeit ab.




  Abbildung 31: frequenzmoduliertes           Abbildung 30: Verlauf der Spannung am
  Signal des passiven Transponders            Kondensator




7.2.3 Welche Vorteile bringt die Transpondertechnologie mit sich?
Die Transpondertechnologie bringt in vielen Hinsichten eine Reihe von Vorteilen
gegenüber den anderen Methoden der Zeitmessung.


Vorteile für die Organisatoren des Rennens
      Mit der Transpondertechnologie besteht die Möglichkeit den Teilnehmern des
       Rennens einen besseren Service zu bieten, in dem man die Zwischenzeiten und
       die Endzeit von jedem einzelnen Teilnehmer festhält und ihnen zur Verfügung stellt.
       Der Sportler hat dadurch einen genauen Überblick über seine Leistungen in
       verschiedenen Abschnitten des Rennens.
       Durch eine Computergestützte automatische Zeitmessung ist es möglich nach
       wenigen Bruchteilen von Sekunden die gemessenen Zeiten im Fernsehen und
       anderen Medien zu übertragen. Der Zuschauer ist immer auf dem aktuellen Stand
       und sofort informiert, falls neue Daten zur Verfügung stehen. Dies macht es
       natürlich spannend das Rennen zu verfolgen und resultiert in größeren
       Zuschauerzahlen, was für die Organisatoren vom größten Interesse ist.
      Bei den Zeitmessungen mit dem Zielkanal kann es bei einer großen Anzahl von
       Teilnehmern zu einem Stau an der Ziellinie kommen. Mit der Transponder-
       Zeitmessung ist der Aufbau eines Zielkanals nicht mehr notwendig, da die
       Antennen über die ganze Länge der Ziellinie ausgelegt werden können
      Es besteht die Möglichkeit auch bei einer sehr großen Anzahl von Teilnehmern
       Zwischenzeiten zu messen. Die anderen Methoden der Zeitmessung bieten diese
       Möglichkeit nicht.


Johannes Kress                        Seite 27                            21.06.2012
      Durch die automatisierte Zeitmessung werden viel weniger Mitarbeiter und Helfer
       gebraucht. Während der Zeitmessung müssen die Mitarbeiter nur im Fehlerfall
       eingreifen und aktiv werden, sonst ist ihre Aufgabe das Messsystem zu
       überwachen.
      Automatische Registrierung der Besitzer der Transponder.
       Durch die Automatisierung und computergestützte Zeiterfassung ist das System für
       die Mitarbeiter leicht zu bedienen. Deshalb kann diese Aufgabe auch jemand
       übernehmen, der nicht täglich damit zu tun hat.
      Das System ist sehr vielseitig und kann bei vielen verschiedenen Sportereignissen
       verwendet werden. Die Antennen und die Transponder sind sehr robust und halten
       jeden Witterungsbedingungen stand. Durch leichte Anpassungen kann das
       Transponder-System auch in verschiedensten Sportarten eingesetzt werden. Somit
       braucht der Veranstalter nur ein Mal das Geld zu investieren.


Vorteile für die Teilnehmer
      Die Teilnehmer erhalten immer die exakte Zeit auch wenn sie am Ende des Feldes
       sind. Mit anderen Messsystemen ist es nicht möglich bei großer Teilnehmerzahl für
       jeden Teilnehmer die exakte Zeit festzuhalten. Es ist höchsten möglich eine
       ungefähre Zeit von einem Feld anzugeben in dem der Teilnehmer sich befand. Das
       ist aber für die Sportler oft nicht ausreichend


      Sportler, die oft an den Läufen teilnehmen, haben die Möglichkeit sich einen
       eigenen Transponder zu kaufen. Diesen Transponder können sie dann an allen
       Läufen, an denen mit der Transpondertechnik gemessen wird, benutzen. Durch
       seine robuste und wetterfeste Bauweise kann der eigene Transponder in vielen
       anderen Sportarten eingesetzt werden. Es sind in dieser Hinsicht dem Transponder
       keine Grenzen gesetzt.
      Die Ziellinie ist immer frei. Es bilden sich
       keine Staus. Dieser Punkt ist nicht nur für
       die Veranstalter sehr wichtig, sondern auch
       für die Teilnehmer.




                                                      Abbildung 32: Zielbereich



      Durch das aufstellen mehrerer Checkpoints kann dem Betrug der Teilnehmer stark
       reduziert werden. Es ist jederzeit möglich zu überprüfen, ob ein Teilnehmer alle
       Checkpoints passiert hat und somit keine unerlaubte Abkürzung genommen hat.




Johannes Kress                         Seite 28                           21.06.2012
      Bei einer großen Anzahl von Teilnehmern ist die
       Zeit vom Startsignal bis der letzte Teilnehmer die
       Startlinie überquert relativ lang. Mit dem
       Transpondersystem ist es auch beim Start möglich
       die Zeit des Überquerens der Startlinie von jedem
       Teilnehmer einzeln festzuhalten. Dadurch hat
       jeder Teilnehmer eine faire Chance zu gewinnen,
       auch wenn man als letzter gestartet ist.


                                                              Abbildung 33: Startbereich bei
                                                              großen Teilnehmerzahl


7.2.4 Grenzen der passiven Transpondertechnologie

Zwischen dem Senden des Impulses und dem Empfangen der Kennziffer vergehen 40 -
50 ms (ohne Berücksichtigung des Zeitverbrauchs des Computers). Diese Zeit ist
notwendig, damit der Schwingkreis genug Energie aufgenommen hat. Dies ist ein großer
Nachteil der passiven Transponder. Wenn der Transponder zu schnell über die Antennen
bewegt wird, dann kann der Transponder nicht schnell genug die benötigte Energie
erhalten, während er noch im Empfangsbereich der Antenne ist. Deswegen ist eine
Zeitmessung mit einem passiven Transponder nur bis zur einer Geschwindigkeit von ca.
60 km/h möglich. Das hängt von der Breite der Antennen ab. Die Antennen sind in 2m
langen und 1m breiten Tartan-Matten eingegossen. So lassen sich Systeme von 2m, 4m
oder gar 8m Breite zusammenstellen.
Auch der Messgenauigkeit sind dem passiven Transponder Grenzen gesetzt. Wenn der
Transponder z.B. am Laufschuh festgemacht ist, kommt es bei der Messung der Zeit stark
darauf an, ob bei dem Zeitpunkt des Messens der Fuß mit dem Transponder gerade vorne
oder hinten war.
Da die Transponder über Funk kommunizieren sind sie auch den in der Umwelt
vorhandenen elektromagnetischen Störungen ausgesetzt. Eine elektromagnetische
Störquelle in der Nähe der Antennen kann die Zeitmessung erheblich behindern. Deshalb
müssen von den Veranstaltern alle Möglichen Störquellen beseitigt werden. Leider sind
diese Störquellen oft nicht offensichtlich und schwer zu finden.
Da der Transponder einen Schwingkreis als Antenne hat, ist es bei dem Transponder
wichtig, dass er parallel zu den elektromagnetischen Feldlinien ausgerichtet ist. In dieser
Position hat der Transponder den maximalen Empfang. Wird der Transponder senkrecht
zu den Feldlinien ausgerichtet, ist der Empfang ganz minimal. Wenn der Transponder
beim Laufen am Fuß befestigt wird, ist er ständig in Bewegung und hat dadurch nur einen
Bruchteil von Sekunden den maximalen Empfang.




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7.3 Kostenvergleich zwischen passiven und aktiven
    Transponder

Da der passive Transponder keine Batterie besitzt und aus relativ günstigen elektrischen
Komponenten besteht, ist er dem aktiven Trasponder preislich stark überlegen. Deshalb
kommt der aktive Transponder für die Veranstalter bei Sportereignissen mit einer großen
Teilnehmerzahl nicht in Frage. Diese immensen Kosten kann kein Veranstalter aufbringen.
Der aktive Transponder findet seinen Einsatz in Sportarten, bei denen das Budget hoch ist
und die Teilnehmerzahl relativ gering. Die Formel 1 ist Paradebeispiel für den Einsatz von
den aktiven Transpondern. Hier wäre der Einsatz von passiven Transpondern wegen der
hohen Geschwindigkeiten gar nicht möglich.
Bei den Antennen sieht es Preislich besser für die aktiven Transponder aus, hier der Preis
konstant bleibt. In Gegensatz dazu steigt der Preis bei den passiven Transpondern je nach
Breite der Antennen nahezu linear an.




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7.4 Wirtschaftlichkeit der Transponder Technologie

Aus der wirtschaftlichen Sicht liegt die passive Transponder Technologie bei großen
Veranstaltungen in der Spitze. Es gibt zurzeit keine alternative, die bei mehreren
tausenden Teilnehmern diese Genauigkeit und den Service anbietet. Das ist auch der
Grund, wieso sich diese Technologie so einen großen Erfolg hat. Die Teilnehmerzahl ist
theoretisch unbegrenzt. Die Kosten teilen sich in fixe und variable kosten auf. Zu den fixen
Kosten gehören die Kosten der Antennen und die zugehörige computerbasierte
Zeiterfassung. Zu den variablen Kosten gehören der Preis des Transponders und der
zusätzliche zeitliche Aufwand, der durch die Erfassung der Sportler entsteht. Teilt man
diese Kosten durch die große Teilnehmerzahl, so fällt auf jeden Teilnehmer ein Betrag von
nur wenigen Euro.
Da die aktiven Transponder preislich weit über den passiven Transponder liegen, sind hier
die Variablen kosten viel größer. Pro Teilnehmer entstehen dadurch viel höhere Kosten.
Deswegen wird auch diese Technologie in den Sportarten angewandt, in denen der
passive Transponder an seine physikalischen Grenzen stößt.



8 Das Teamchip-System

8.1 Der Teamchip-Trasponder
Bei dem Teamship-Transponder handelt es sich um einen passiven Transponder, die in
die Startnummer der Sportler eingebaut ist. Die Funktionsweise ist beim Teamchip im
wesentlichem die gleiche, wie bei den bisherigen passiven Transpondern. Der
Transponder beim Teamship-System ist extrem flach und wiegt ca. 3 Gramm. Auf Grund
dieser Eigenschaften kann der Transponder leicht in die Starnummer eingebaut werden,
ohne von den Sportlern als störend empfunden zu werden. Die Größe der Transponder
bewegt sich im Bereich von 45*47mm bis 180*130mm.




          Abbildung 34: Teamchip-Transponder

Auf der Abbildung 34 ist der innere Aufbau des Teamchips gut erkennbar. Der

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elektromagnetische Schwingkreis ist hier nicht mehr kompakt zusammengebaut, sondern
sehr großflächig verteilt. Durch die große Fläche ist der Schwingkreis zum einem sehr
dünn, zum anderen verbessert sich durch die große Fläche auch die Empfangsfähigkeit
des Teamchips. Der eigentliche Chip hat eine Größe von wenigen Millimetern und ist von
der Funktion den bisherigen Chips in den passiven Transpondern gleich.




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          Abbildung 35: Startnummern mit eingebautem Transponder



     Teamchip Antenne

Da der Transponder sich mit der Startnummer in der Brusthöhe befindet, würde eine
Antenne auf dem Boden den Transponder gar nicht erreichen. Deshalb sind die Teamchip
Antennen wie ein Tor aufgestellt, durch das die Sportler durchlaufen müssen.




                 Abbildung 36: Antennen des Teamchipsystems



Die Arbeitsfrequenz der Antennen beträgt 13,56 MHz und ist somit viel höher, als bei
herkömmlichen Transpondern. Ein Standarttor ist ca. 1,50 Meter breit kann durch
Anreihung der Tore beliebig vergrößert werden. Die Breite von 1,50 Meter hat juristische
Gründe. Rein technisch wäre es kein Problem die Tore auch breiter zu gestalten. Dafür
wäre eine höhere Strahlungsstärke nötig, und das würde die gesetzlich erlaubte

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Strahlungsstärke überschreiten. Diese geringe Torbreite ist ein Großer Nachteil des
Teamchipsystems. Für die Scater und Rollstuhlfahrer ist diese Breite nicht ausreichend.
Die Verletzungsgefahr ist da noch zu hoch. Deswegen versucht man die Breite zu erhöhen
ohne Strahlungsstärke zu erhöhen. Die Detektionsszeit beträgt bei der Teamchip Antenne
beträgt ca. 20 ms. Deshalb ist der Teamchip ebenfalls nicht für Geschwindigkeiten über 60
km/h geeignet.



Ein großer Vorteil des Teamchips ist, dass die Messung wieder im Brustbereich stattfindet.
D.h. wer zuerst mit der Brust durch das Ziel kommt, gewinnt. Bei dem passiven
Transpondern, die am Fuß befestigt werden, hängt die Zeit davon am, mit welchem Fuß
der Sportler durch das Ziel läuft. Bei knappen Entscheidungen kann es dadurch
vorkommen, dass Reihenfolge ungerecht verteilt wird. Beim Teamchip können solche
Fehler nicht auftreten.




9 Zeitmessung bei der Formel 1
9.1 TAG Heuer
Seit 1992 ist TAG Heuer ist seit 1992 der offizielle Zeitnehmer bei den Formel 1-Rennen
Dies ist eine große Herausforderung, verbunden mit großem Aufwand.
Zum gigantischen Formel-1-Tross, der einer Saison zu insgesamt 17
Weltmeisterschaftsrennen auf allen fünf Kontinenten zieht, gehören nicht nur die weltweit
bekannten Piloten wie Michael Schumacher, David Coulthard oder Jacques Villeneuve
und ihre schnellen Autos, dazu gehört ein ganzes Heer von Ingenieuren und Technikern,
Betreuern und Beratern. Eine wichtige Rolle spielen auch die 15 Spezialisten der
Zeitmessung von TAG Heuer, dem in Marin bei Neuenburg ansässigen Schweizer
Hersteller von Sportuhren, der seit 1992 offizieller Zeitnehmer der Formel-1-
Weltmeisterschaftsläufe ist.
Die Formel1 ist die einzige Sportart, in der die Zeit auf die Tausendstelsekunde genau
gemessen wird und in der eine Zehntelsekunde eine „Weltreise“ bedeutet. Eine Sportart,
in der sich wegen der großen Geschwindigkeiten und der Anzahl der Fahrzeuge, die sich
gleichzeitig auf dem Parcours befinden, besondere Aufgaben stellen. Die Zeitmessung ist
hier von der entscheidenden Bedeutung, wenn man bedenkt welche Auswirkungen die
gestoppten Zeiten für die Fahrer, die Ingenieure und die Strategie des Fahrerteams
haben.
Mit 15 Ingenieuren und Technikern, mit 15 Tonnen in Container verpacktem Material und
drei mit Elektronik voll gestopften Bussen reist der Chronometrage-Tross von TAG Heuer
an die Formel 1 Rennstrecken in der ganzen Welt. Über die Kosten wird Stillschweigen
bewahrt. Bekannt ist bloß, dass TAG Heuer jährlich 15 Millionen Dollar in das
Sportsponsoring investiert, außer in den Automobilrennsport auch in den alpinen
Skirennsport und in den Segelsport. Dass der Hauptanteil in die Formel 1 fließt, ist
unbestritten. In Europa dauert der Einsatz des Zeitmessungsteams pro
Weltmeisterschaftslauf jeweils mindestens eine Woche.




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9.2 Drei Messsysteme
TAG Heuer hat eine Zeitmessungstechnologie entwickelt, die aus drei autonomen, zwei
davon parallel funktionierenden Systemen besteht. Die Zeiten, als man die Rundenzeiten
mit Stoppuhren in der Hand festhielt, sind längst vorbei, genau seit 1970, obwohl man
auch heute noch Team-Manager mit umgehängten Chronographen beobachten kann. Es
handelt sich dabei eher um ein privates Vergnügen als um ein exaktes Zeitmessen,
vielleicht auch um ein geeignetes Abreagieren von Nervosität. Auf die
Tausendstelsekunde gemessen wird mit elektronischen Photozellen, die an zwei Stellen
des Rundkurses in die Leitplanken sowie bei der Zielinie installiert sind und eine
Infrarotschranke bilden. Bei der Durchfahrt eines Fahrzeugs werden Rundenzeit,
Zwischenzeit und Geschwindigkeit gemessen. Das zweite Messsystem arbeitet mit
Radarsendern. In jedem der Rennboliden ist auf der Höhe der vorderen Aufhängung ein
Sender mit einer eigenen Frequenz eingebaut, und entlang der Piste sind mehrere
Empfangsantennen aufgestellt, die Impulse aufnehmen, welche von den Sendern
ausgestrahlt werden. Auf der Ziellinie registriert eine im Boden verlegte Antenne
Durchfahrt und Geschwindigkeit jedes Wagens. Auf diese Weise kann man die Fahrzeuge
erkennen, Verwechslungen sind ausgeschlossen, auch wenn die mit 300 und mehr
Kilometern pro Stunde vorbeifahrenden Rennwagen nur Sekundenbruchteile voneinander
getrennt sind.
Und schließlich steht an der Ziellinie eine Hochgeschwindigkeits-Videokamera, die die
Durchfahrt jedes Fahrzeugs mit 100 Bildern pro Sekunde festhält. Auf jedem Bild ist auch
die Zeit auf die Tausendstelsekunde angegeben. Dieses System gilt als Absicherung der
beiden ersten Systeme. Alle Informationen der Kamera sind als Dokument gespeichert
und können in Zeitlupe so oft wie gewünscht abgespielt werden.
Die Daten der drei Systeme werden in den Zeitmessraum übermittelt, in dem die TAG-
Heuer- Spezialisten an Monitoren sitzen, die Abläufe kontrollieren und die Resultate an
das Zeitmess-Center-Mobilhome weitergeben, wo nebst den Zwischenzeiten seit
eineinhalb Jahren, seit dem GP von Spanien 1995, auch noch Messungen vom Start und
von den Boxenhalten (Einfahrt, Reifenwechsel, Auftanken, Ausfahrt) eintreffen. In den
Bodenbelag bei den Startplätzen der Rennwagen eingelassene Sensoren nehmen jede
Bewegung wahr und zeigen Frühstarts an, die mit 10 Strafsekunden gebüßt werden. Die
in der Boxenstrasse installierten Antennen messen die limitierte Fahrgeschwindigkeit in
diesem Bereich und Sensoren geben Auskunft über die benötigte Zeit für die Arbeit der
Mechaniker. Damit wird jedem Zuschauer demonstriert, welches Team schnell und
effizient arbeitet, welches anderseits dem ungeduldig wartenden Piloten wertvolle
Sekunden stiehlt. Alle diese Daten und graphischen Darstellungen erscheinen 3/10
Sekunden später auf den 150 Bildschirmen im Circuit (mit acht verschiedenen Kanälen)
und informieren die Fahrer, die Teams, die Rennleitung und die Medien. Und gleichzeitig
vernehmen auch Millionen von Fernsehzuschauern auf ihren Bildschirmen die gleichen
Informationen.




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10 Ausblick

Die technologische Entwicklung hat auch in der Welt der Zeitmessung viele
Veränderungen vollbracht. Dies wird sicherlich auch in der Zukunft weiter so bleiben. Der
Trend geht zu immer Genauigkeit bei der Messung und mehr Service für die Athleten. Die
Transponder Technologie ist ein gutes Beispiel dafür. Hier werden in der Zukunft die
meisten Weiterentwicklungen erwartet. Die Größe der Transponder sicherlich weiterhin
schrumpfen, so dass sie von den Sportlern nicht mehr wahrgenommen werden. Die
maximale Geschwindigkeit der passiven Transponder wird durch schnellere und
effizientere Elektronik weiter erhöht, so dass der Einsatz der passiven Transponder in
vielen schnellen Sportarten möglich sein wird.
Auch preislich wird sich in der Transponder Technologie in der Zukunft viel tun. Vor allem
die Antennen und die computergestützte Zeiterfassung sind momentan ein großer
Kostenpunkt. Durch das immer größer werdende Einsatzgebiet der Transponder und
immer größer werdenden Markt werden die Preise stark zurückgehen.




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11 Quellenverzeichnis




www.sportronic-gbr.de


http://library.thinkquest.org


www.tag-heuer.de


www.championchip.com


www.runwashington.com


www.alge-timing.com


www.hucke-timing.de/


www.dawengo.com/de/


www.teamsoft-sportzeit.de


www.schwarzwaldgalerie.de/vs/furtwangen_uhrenmuseum_2.html


www.sport-zeitmessung.de


www.ks-sport.ch




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