DE1448841A1

DE1448841A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zur Messung von Wegstrecken,Laufzeiten oder Ausbreitungsgeschwindigkeiten,insbesondere von Schallwellen in fluessigen Medien

Info

Publication number: DE1448841A1
Application number: DE19621448841
Authority: DE
Inventors: Kroebel Dr Werner
Original assignee: Howaldtswerke Deutsche Werft GmbH
Current assignee: ThyssenKrupp Marine Systems GmbH
Priority date: 1962-05-23
Filing date: 1962-05-23
Publication date: 1969-09-18

Description

Verfahren und Schaltungsanordnung zur Messung ### ############ Laufseiten oder Ausbreitungsgeechwindigkeitensinabesondero von Schallwellen in flüssigen Medien.
Es sind seit langem Verfahren bekannt, mit denen unter Verwendung von Wellen bei bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit Wegstrecken gemessen werden und bei veränderlicher Ausbreitungsgeschwindigkeit über bekannte Distanzen, Wellenlaufzeiten oder die Ausbreitungsgeschwindigkeit selbst. Mit den genannten'Verfahren werden, vor allem mit Schallwellen als Ausbreitungsträger, in Seewasser Entfernungen bzw. Tiefenbestimmungen nach dem Echolotprinzip durchgeführt, oder, die Messung der von Temperatur und Salzgehalt abhängigen Fortpflanzungsgeschwindigkeiten im Wasser. Hierbei wird bei den Bestimmungsmethoden für Entfernungen mit Schallimpulsen gearbeitet, bei Bestimmungen der Schallgeschwindigkeit meist mit durchlaufenden Wellen. So gibt es ein Verfahren zur Schallgeschwindigkeitsmessung, bei dem die Phasendifferenz zur Bestimmung ausgenutzt wird, die zwischen der Erregerwelle und der über eine vorgegebene Wegstrecke geführten, von einem Schallempfänger abgenommenen Welle, auftritt. Es sind auch Verfahren bekannt, bei denen ein bestimmter Schallweg zwischen dem Schall sender und Schallempfänger als Rückkopplungszweig in einer Generatorschaltung dient, wobei die Frequenz der entstehenden Wechselspannung ein Maß für die Schallgeschwindigkeit wird.
Beide genannten Verfahren weisen indessen ernste Schwächen auf, wenn es auf sehr hohe Bestimmungsgenauigkeiten ankommt. Sie liegen darin begründet, daß zwischen der elektrischen Wechselspannung des Schallsenders und des Schallempfängers eine von Druck und Temperatur abhängige, schwer bestimmbare Phasendifferenz gegenuber der mechanischen Schwingung des Schallerzeugers bzwe Schallempfängers auftreten kann. Diese geht dann als Fehler in die Messungen ein Die genanntne Verfahren sind daher in ihrem Anwendungebereich beschränkt. Die Beseitigung dieser beschränkung ist Ziel der vorliegenden Erfindung.
Zur Beschreibung des Erfindungsgedankens wird von einer Schaltungs- bzw. Meßanordnung ausgegangen, die in Abb. 1 schematisch dargestellt ist. In ihr bedeutet B einen Generator einer bcstimtten vorzugsweise hohen Frequenz gh. An ihn ist der Strahler Str angeschlossen. Seine Strahlung wird nach aufname durch einen Empfänger E im elektrischen Verstärker V verstärkt und einer Mischröhre NR bzw. einem Mischorgan zugeführt. Eine Teilspannung von B gelangt, ggfs. über eine bekannte Laufwegstrecke K, ebenfalls an die Mischröhre MR bzw. das hiermit schematisierte Mischorgan. A ist ein weiterer Generator, dessen Wechselspannung sinusförmig und dessen Frequenz fn im allgemeinen gegenübver B wesentlich niedriger ist. Wird dann mit der Wechselspannung von A der Sender B in der Frequenz moduliert, dann ist sowohl das Signal V (t), das über die Wegstrecke s und den Verstärker V an MR geleitet wird, ein frequenzmoduliertes Signal wie auch das von 3 direkt über K an NR weitergegebene Signal B (t). Das als Ergebnis der Mischung entstehende Signal M (t) wird jedoch dann nicht frequenzmoduliert sein, wenn die Laufzeit über s und K gleich groß ist, denn dann haben V (t) und B (t) zu jeder Zeit stets die gleiche Frequenz und ihre Frequenzdifferenz ist daher gleich 0. Um sie ungleich Null ## ###### aber frequenzkonstant zu machen, kann eines der Signale V (t) oder B (t) zum beispiel also V (t) in V durch Überlagerung auf eine etwas von der Generatorfrequenz von B abweichende Frequenz transponiert werden.
Besteht jedoch eine Laufzeitdifferenz zwischen der Übertragungsstrecke 5 und der über K dann wird eine Frequenzmodulation der Generatorfrequenz von B bzw. der Differenzfreuqenz von V (t) und B (t) nach NR als Signal M (t) auftreten. Hierbei ist, wie eine Rechnung zeigt, der Frequenzhub des frequenzmodulierten Signals M (t) *i-#### abhängig von der Laufzeitdifferenz zwischen s und E. Wird daher die Laufzeit über K gleich 0 gewählt, dann ergibt sich die Laufzeit über s und damit bei bekanntem s auch die Schallgeschwindigkeit auf der Wegstrecke s direkt aus dem Frequenzhub des Signais M (t). Und zwar ergibt die Rechnung, daß M (t) gleich ist In der Formel bedeutet fh2 - fh1 den Frequenzhub, der bei der Frequenzmodulation B dur ch den Generator A entsteht, fw die Frequenz des Generators A und #t die Laufzeitdifferenz zwisohlen der Schallwelle über 5 und-entweder der elektrischen Welle B (t) über K oder, wenn K eine Schallvergleichstrecke ist bzw. bein Fehlen von 1-die Laufzeit über 8 selbst. Wie die angegebene Besiehung zeigt, geht in sie die Phase der hochfrequenten Schallwelle fh nicht ein. Damit ist die oben angegebene Zielsetzung für die Erfindung erreicht. Bei geeigneter Wahl der Frequenz fh bzw. fh2 - fh1 und fw, sowie der Wegstrecke s im Meßmedium, können mit einer Messung des Frequenzhubes von F alle physikalisch noch sinnvollen Meßgenauigkeiten erreicht werden.
Eine schwache Stelle könnte in dem angegebenen Verfahrennoch darin gesehen werden, daß in die Beatimmung von # t der primäre Frequenzhub fh - fh, den B bei seiner Frequenzmodulation durch 2 1 den Generator 1 erfährt, direkt in die Messung als Proportionalitätsfaktor eingeht. Indessen kann dieser Einfluß durch eine Weiterbildung des Verfahrens noch eliminiert werden.
Das zugehörige Schaltbild hierfür ist in Abb. 2 wiedergegeben.
In ihr entfällt der Frequenzmodulationsgenerator A. Er ist ersetzt, durch eine Wechselspannung, die aus einem Frequenzmodulator FD erhalten wird, wenn seine Wechselspannung der Frequenz fw nach B zurückgeführt wird und B in der Frequenz mit fw moduliert.
Infolge dieser Rückkopplung kann sich nur eine Wechselspannung als Freuenzmodulationspannung für B entwickeln, die die Phasenbedingung nach der Selbsterregungsformel bei der Rückkopplung erfüllt. Dadurch wird die Modulationsfrequenz fw direkt abhängig von der Laufzeitdifferenz über a und K bzw. bei K = 0 von der Laufzeit von e allein. In der Schaltung nach Abb. 2 wird daher die Frequenz fw ein Maß für die Laufzeit. In dieses Maß geht nach dem Vorstehenden weder die Phase der Hochfrequenzenerregerwelle bzw. der Schallwelle, noch der primäre Pre-

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ein.
Die Anwendung des Verfahrens und der Schaltungsanordnung ist nicht auf Schallwellen in flüssigen Medien beschränkt. Sie kann ebenso auf andere Arten von Wellen, wie optische oder elektrische angewandt werden. Hierzu ist nur die Verwendung eines entsprechenden Wandlers für den Strahler und Strahlenempfänger nötig.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren und Schaltungsanordnung zur Messung von Wegstrecken, Laufzeiten oder Ausbreitungsgeschwindigkeiten, insbesondere von Schallwellen in flüssigen Medien, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahler (Str) von einem in der Frequenz (mit fw) sinusförmig modulierten Sender (B) der Grundfrequenz (fh) gespeist wird und die Messung über ein Signal (M (t) ) erfolgt, daß aus der «berlagerung bzw. Mischung (in MR) zweier von 3 abgeleiteter frequenzmodulierter Signale gewonnen wird, von denen das eine als Schallwelle optische welle oder elektrische Welle, eine Meßstrecke ( = s) durchlaufen hat, während das andere entweder direkt an das Mischorgan (MR) geführt wird, oder über ein Verzögerungsglied (K), oder eine Vergleichsstrecke (K).
2. Verfahren und Schaltungsanordnung zur Messung von Wegstrecken, Laufzeiten oder Ausbreitungsgeschwindigkeiten insbesondere von Schallwellen in flüssigen Medien, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide der nach Anspruch.i an das Mischorgan (MR) geführte und mit der Frequenz (fw) sinusförmig frequenzmodulierte Wechselspannung nicht direkt dem Mischorgan von MR zugeführt wird, sondern erst nach einer Frequenztransponierung durch bekannt Überlagererschaltungen.
3. Verfahren und Schaltungsanordnung zur Messung von Wegstrecken, Laufzeiten oder Ausbreitungsgeschwindigkeiten insbesondere von Schallwellen in flüssigen Medien, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung einer Laufzeit (4 t) über eine Meßstrecke ( s) bzw. einer Laufzeitdifferenz ( (d durch den Frequenzhub, des aus dem Mischorgan (NR) austretenden frequenzmodulierten Signales erfolgt.
4. Verfahren und Schaltungsanordnung zur Messung von Wegstrecken, Laufzeiten oder Ausbreitungsgeschwindigkeiten insbesondere von Schallwellen in flüssigen Medien, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzmodulation des Senders (B) für den Strahler (Str) über eine Wechselspannung einer Frequenz fw erfolgt, die nach Frequenzdenmodulationd es aus dem Mischorgan austretenden frequenzmodulierten Signals (M (t) ) gewonnen wird, wenn diese Wechselspannung über eine Rückkopplungsleitung (R) an den Sender (B) mit genügender Amplitude zurückgeführt wird.
5. Verfahren und Schaltungsanordnung zur Messung von Wegstrecken, Laufzeiten oder Ausbreitungsgeschwindigkeiten insbesondere von Schallwellen in flüssigen Medien, dadurch gekennzeichnet, daß nach Anspruch 1 bis 3 die Messung der Meßgröße (d t) durch die Frequenz (fw) erfolgt, auf die si-ch die Wechselspannung einstellt, die nach Anspruch 4 durch Rückkopplung zustandekommt.