DE1448841A1

DE1448841A1 - Method and circuit arrangement for measuring distances, transit times or speeds of propagation, in particular of sound waves in liquid media

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.Method and circuit arrangement for measuring ### ############ running sides or propagation speed sinabesondero of sound waves in liquid media.

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.There have long been known methods with which to use distances of waves with known propagation speed can be measured and with variable propagation speed over known distances, wave transit times or the speed of propagation itself. With the methods mentioned, especially with sound waves as a propagation carrier, in seawater distances or Depth determinations carried out according to the echosounder principle, or the measurement of Temperature and salinity dependent speed of reproduction in the water. The methods for determining distances are based on sound pulses, when determining the speed of sound, mostly with passing waves. So there there is a method for measuring the speed of sound, in which the phase difference is used to determine that between the exciter wave and the via a specified distance of guided wave picked up by a sound receiver, occurs. There are also known methods in which a certain sound path between the sound transmitter and sound receiver as a feedback branch in a generator circuit serves, whereby the frequency of the alternating voltage is a measure of the speed of sound will.

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.Both of these methods, however, have serious weaknesses if very high accuracy of determination is important. They are based on the fact that between the electrical alternating voltage of the sound transmitter and the sound receiver a phase difference that is difficult to determine and is dependent on pressure and temperature the mechanical vibration of the sound generator or sound receiver occur can. This is then entered as an error in the measurements. The procedures mentioned are therefore limited in their area of application. The elimination of this restriction is the aim of the present invention.

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.To describe the concept of the invention, a circuit or measuring arrangement assumed that in Fig. 1 schematically shown is. In it, B denotes a generator with a determined, preferably high frequency gh. The radiator Str is connected to it. Its radiation is absorbed after amplified by a receiver E in the electrical amplifier V and a mixer tube NR or fed to a mixer. A partial voltage from B arrives, possibly via a known travel distance K, also to the mixing tube MR or that with it schematized mixing organ. A is another generator, its alternating voltage sinusoidal and its frequency fn is generally much lower compared to B. is. If the frequency of transmitter B is then modulated with the alternating voltage of A, then both the signal V (t), which over the distance s and the amplifier V to MR, a frequency modulated signal like that of 3 directly over K signal B (t) passed to NR. The signal resulting from mixing However, M (t) will not be frequency-modulated if the transit time is greater than s and K is the same, because then V (t) and B (t) are always the same at all times Frequency and its frequency difference is therefore equal to 0. To make it unequal to zero ## ###### but to make the frequency constant, one of the signals V (t) or B (t) for example V (t) in V by superimposing something on the generator frequency frequency different from B can be transposed.

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.If, however, there is a transit time difference between the transmission link 5 and that via K, then a frequency modulation of the generator frequency from B or the frequency difference from V (t) and B (t) to NR will occur as signal M (t). Here, as a calculation shows, the frequency deviation of the frequency-modulated signal M (t) * i - #### depends on the transit time difference between s and E. If the transit time over K is therefore chosen equal to 0, the transit time over s results and thus with a known s also the speed of sound on the distance s directly from the frequency deviation of the signal M (t). The calculation shows that M (t) is equal In the formula, fh2 - fh1 means the frequency deviation that occurs with the frequency modulation B by the generator A, fw the frequency of the generator A and #t the transit time difference between the sound wave over 5 and-either the electric wave B (t) over K or, if K is a sound comparison path or, in the absence of 1, the transit time over 8 itself. As the specified definition shows, it does not include the phase of the high-frequency sound wave fh. The above stated objective for the invention is thus achieved. With a suitable choice of the frequency fh or fh2 - fh1 and fw, as well as the distance s in the measuring medium, all physically meaningful measuring accuracies can be achieved with a measurement of the frequency deviation of F.

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.A weak point could still be in it in the indicated method can be seen that in the beat tuning of # t the primary frequency deviation fh - fh, the B experiences generator 1 when it is frequency modulated by 2 1, directly into the Measurement as a proportionality factor. However, this influence can go through a further development of the process can still be eliminated.

Das zugehörige Schaltbild hierfür ist in Abb. 2 wiedergegeben.The associated circuit diagram is shown in Fig. 2.

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.The frequency modulation generator A is omitted in it. It is replaced, by an alternating voltage obtained from a frequency modulator FD when its alternating voltage of frequency fw is returned to B and B in frequency modulated with fw.

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- hu P quen ation ein.As a result of this feedback, only an alternating voltage can develop as a frequency modulation voltage for B which fulfills the phase condition according to the self-excitation formula for the feedback. As a result, the modulation frequency fw is directly dependent on the transit time difference across a and K or, if K = 0, on the transit time of e alone. In the circuit according to Fig. 2, the frequency fw is therefore a measure of the transit time. According to the above, neither the phase of the high-frequency excitation wave or the sound wave, nor the primary pre- hu P quen ation a.

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.The application of the method and the circuit arrangement is not limited to sound waves in liquid media. It can do the same in other ways of waves, such as optical or electrical, are applied. This is just the use a corresponding converter is required for the radiator and radiation receiver.

Claims

Claims 1. Method and circuit arrangement for measuring Distances, transit times or speeds of propagation, especially of sound waves in liquid media, characterized in that the radiator (Str) from an in the frequency (with fw) sinusoidally modulated transmitter (B) the basic frequency (fh) is fed and the measurement takes place via a signal (M (t)) that comes from the superposition or mixture (in MR) of two frequency-modulated signals derived from 3 obtained one of which is called a sound wave optical wave or electrical wave, has passed through a measuring section (= s), while the other either directly to the Mixing element (MR) is performed, or via a delay element (K), or a comparison section (K).

2. Method and circuit arrangement for measuring distances, Transit times or propagation speeds, especially of sound waves in liquid Media, characterized in that one or both of the elements according to Claim.i are applied to the mixing element (MR) guided and with the frequency (fw) sinusoidal frequency modulated AC voltage is not fed directly to the mixing element of MR, but only after frequency transposition by known superimposed circuits.

3. Process and circuit arrangement for measuring distances, Transit times or propagation speeds, especially of sound waves in liquid Media, characterized in that the measurement of a transit time (4 t) over a measuring section (s) or a transit time difference ((d through the frequency deviation, the one from the mixing element (NR) exiting frequency-modulated signal takes place.

4. Process and circuit arrangement for measuring distances, Transit times or propagation speeds, especially of sound waves in liquid Media, characterized in that the frequency modulation of the transmitter (B) for the Radiator (Str) takes place via an alternating voltage of a frequency fw, which after frequency demodulationd it exiting from the mixer is frequency-modulated Signal (M (t)) is obtained when this alternating voltage has a feedback line (R) is fed back to the transmitter (B) with sufficient amplitude.

5. Procedure and circuit arrangement for measuring distances, Transit times or propagation speeds, especially of sound waves in liquid Media, characterized in that according to Claims 1 to 3, the measurement of the measured variable (d t) occurs through the frequency (fw) to which the alternating voltage is set, which comes about according to claim 4 by feedback.