CH653441A5

CH653441A5 - Einrichtung zur bestimmung der schallausbreitungsgeschwindigkeit in einem sich aendernden medium.

Info

Publication number: CH653441A5
Application number: CH9629/80A
Authority: CH
Inventors: Eric Benoit
Original assignee: Polytronic Ag
Priority date: 1980-12-30
Filing date: 1980-12-30
Publication date: 1985-12-31
Also published as: US4480313A; SE8107541L; SE449665B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur beträgt.

Bestimmung der Schallausbreitungsgeschwindigkeit in einem Somit ist es möglich, die erfindungsgemässe Einrichtung zur sich ändernden Medium. Bestimmungu. a. der Schallausbreitungsgeschwindigkeit in

In vielen Bereichen derTechnik bestet die Notwendigkeit, die einem gasförmigen Medium; der Molmasse in einem Gasgesich infolge Temperaturänderungen der Luft ändernde Schall- 55 misch; der Länge einer Flüssigkeitssäule; zur Messung des Ver-ausbreitungsgeschwindigkeit in dieser Luft zu bestimmen, wofür hältnisses von Bestandteilen eines Mediums mit bekannter allerdings in der Regel keine geeigneten Bestimmungsverfahren Zusammensetzung und dgl. heranzuziehen.

bzw. geeignete Einrichtungen zur Verfügung stehen, die solche Eine beispielsweise Ausführungsform einer erfindungsgemäs-

Messungen fortlaufend gestatten. sen Einrichtung ist nachfolgend anhand der Zeichnung näher

Bekannt ist etwa, ein Glasrohr mit Luft zu füllen, um dann ein 60 erläutert. Es zeigen;

verschiebbares Verschlussplättchen mit vorgegebener Frequenz Fig. 1 eine Messrohranordnung mit einer Beschallungsvorrich-(Harmonische des Grundtones) zu erregen und so im Glasrohr zu tung und einem Schallaufnehmer, in schematischer Darstellung; verschieben, dass infolge der durch die Längenänderung der Fig. 2 ein Prinzipschema der die Messrohranordnung gemäss wirksamen Glasrohrlänge erzielbaren Resonanz Luft-Longitudi- Fig. 1 umfassenden Schaltungsanordnung zur Erzeugung eines nalwellen gleicher Frequenz entstehen, die dann, etwa durch 65 der Schallgeschwindigkeit proportionalen Ausgangssignals; Korkpulver, sichtbar und somit messbar gemacht werden kön- Fig. 3 eine graphische Darstellung des Impulsverlaufes zur nen, aus welchen gemessenen Wellenlängen sich dann die Schall- Ermittlung eines der Schallgeschwindigkeit proportionalen Zeitgeschwindigkeit errechnen lässt. signais, und

Fig. 4 in schematischer Darstellung ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens an ein Schiessziel mit elektronischer Schusslageermittlung.

Die in Fig. 1 gezeigte, an einem beliebigen Ort einsetzbare bzw. anordbare Messrohranordnung umfasst ein Messrohr 1 mit einer stirnseitigen Einlassöffnung 2 und einer verschlossenen Stirnseite 3. Dieses Rohr 1 sitzt auf einem Träger 4 zweckmässig längsverschiebbar auf. Vor der Einlassöffnung 2 auf dem Träger 4 ist weiter ein Lautsprecher 5 angeordnet. Weiter ist in den Mantel des Rohres 1 ein Schallaufnehmer in Form eines Mikro-phones 6 eingesetzt, das in akustischer Verbindung mit dem Innenraum des Rohres 1 steht.

Es wurde gefunden, dass gute Messergebnisse dann erzielt werden, wenn das Messrohr 1 eine Länge von 5A X (fünfviertel Lambda) aufweist, ferner der Abstand des Mikrophons 6 von der verschlossenen Stirnseite 3 des Messrohres 1X/2 (Lambda-Halbe) und ebenfalls der Abstand des Lautsprechers 5 von der Einlassöffnung 2 des Messrohres 1X/2 (Lambda-Halbe) beträgt. Das Messrohr 1 kann beispielsweise aus Eisen oder Glas bestehen.

Für verschiedene Anwendungsbereiche kann aber insbesondere der Abstand zwischen Lautsprecher 5 und Einlassöffnung 2 des Messrohres 1 variabel sein, weshalb die Möglichkeit besteht, Lautsprecher und Messrohr relativ zueinander zu verstellen.

An dieser Stelle sei erwähnt, dass das Messrohr auch an beiden Stirnseiten offen oder auch an beiden Stirnseiten gedeckt sein kann, wiederum je nach Anwendung, was dann lediglich in den Berechnungsformeln zu berücksichtigen ist, wobei dann insbesondere die Eigenfrequenz des Rohres ändert.

Im Falle eines beidseitig gedeckten Messrohres 1 weist dieses dann Ein- und Auslassöffnungen für das betreffende Medium an seiner Mantelfläche auf.

Diese vorbeschriebene Messrohranordnung ist nun als quasi Frequenz-Spannungs-Wandler 10 in eine Schaltungsanordnung 100 zur Erzeugung eines der Schallgeschwindigkeit proportionalen Ausgangssignals gemäss Fig. 2 einbezogen. Wie die beispielsweise Ausführungsform dieser Schaltungsanordnung bereits erkennen lässt, arbeitet dabei das ganze System im wesentlichen als Frequenzfolger analog einem Spannungsfolger der Operatio-nalverstärkertechnik.

Im einzelnen erhält der Lautsprecher 5 des Wandlers 10 bzw. der Messrohranordnung über einen Signalumformer 11 ein 2,4 bis 2,9 KHz-Signal von einem Hauptgenerator 12, dessen Frequenz proportional der Eingangskontrollspannung ist.

Eingangsseitig wird dieser Hauptgenerator 12 über eine Leitung 13 von einer Addierstufe 14 gesteuert, die die Ausgangsspannung eines Integrators 15 und ein 4Hz-Modulationssignal von einem 4Hz-Sinusgenerator 16 addiert.

Die Rückkopplung erfolgt dabei über einen Multiplikator 17, der als Synchrondetektor arbeitet. Dieser Multiplikator 17 erhält einerseits über einen Signalumformer 18 und eine Phasendreh-stufe 19 ein 4Hz-Signal und andererseits über einen Bandpass 20, einen Gleichrichter 21 und einen Mikrophonverstärker 22 das vom Mikrophon 6 der Messrohranordnung 10 aufgenommene Signal.

Wie weiter der Fig. 2 entnommen werden kann, wird ein Frequenzausgang 23 des Hauptgenerators 12 sowie ein 4Hz-Signal von der Phasendrehstufe 19 über die Leitung 24 einem Logikteil 25 zugeführt, an dessen Ausgang 26a, b, ein Signal erscheint, welches in der nachfolgend noch näher zu beschreibenden Weise zur mathematischen Berechnung der im Medium im Innern des Messrohres 1 herrschenden momentanen Schallausbreitungsgeschwindigkeit heranziehbar ist.

Bei der vorbeschriebenen Schaltungsanordnung, welche nur beispielsweise aufgeführt ist und durchaus auch einen anderen Aufbau haben kann, ist zu beachten, dass der Integrator 15 seine Ausgangsspannung solange korrigiert, bis der Mittelwert der Spannung des als Synchrondetektor arbeitenden Multiplikator

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17 Null ist.

Zum Verständnis der Vorgänge bei der erfindungsgemässen Bestimmung der Schallausbreitungsgeschwindigkeit in der Luftsäule im Messrohr 1 ist auf einige physikalische Grundlagen zu verweisen.

Danach ergibt sich die Eigenfrequenz fn für das beidseitig offene oder gedeckte Messrohr 1 nach der Formel n • c fn = ;n = l,23 (1)

2-1 W

und für das einseitig offene Messrohr 1 nach der Formel ta=(n--r) tt;"=1-23 (2)

wobei bedeuten:

f = Frequenz (Hz);

n = Ordnung der Eigenfrequenz (Grundfrequenz und

Harmonische);

c = Schallgeschwindigkeit (m/s), und 1 = Länge des Messrohres (m).

Ferner gilt für die Schallgeschwindigkeit c in einem Gas die Bezeichnung

VyRT

—— (m/s); (3)

wobei bedeuten:

c = die Schallgeschwindigkeit (m/s);

R = die Gaskonstante (J/KMoL°K);

T = die absolute Temperatur y = den Adiabatenexponent, und M = die Molmasse (Kg/KMol) bedeuten.

Am Messrohr 1 gilt weiter f-4-i (4)

wobei f die Frequenz, c die Schallausbreitungsgeschwindigkeit und X (Lambda) die Wellenlänge bedeuten.

Weiter wird angenommen idealisiert)

4

= —j-i ; (5)

wobei X die Wellenlänge und 1 die Länge des Messrohres bedeuten.

Für die Bestimmung der Schallausbreitungsgeschwindigkeit in der Luftsäule im Messrohr 1, welche proportional der mittleren Resonanzfrequenz ist, wird die Anregungsfrequenz, mit welcher die Luftsäule über den Lautsprecher 5 beschallt wird, an das Schwingungsmaximum des Messrohres 1 herangeregelt. Eine solche Regelzeit verläuft in ca. 1 min.

In diesen abgestimmten Kreis wird dann das mit 4Hz modulierte Signal eingespeist, bzw. die der Schallausbreitungsgeschwindigkeit proportionale Ausgangsfrequenz des Wandlers 10 mit der genannten Hilfsfrequenz von 4Hz bzw. mit einer 100 bis 5000 mal kleineren Frequenz moduliert.

Der Mittelwert dieser modulierten Ausgangsfrequenz wird nun zur Zeitmessung herangezogen, um daraus die Schallgeschwindigkeit rechnerisch zu ermitteln, wie dies Fig. 3 mehr im einzelnen veranschaulicht. Hierfür wird dem Logikteil 25 ein Messbefehl 39 erteilt, worauf nach einem Nullübergang der 4Hz-Modulation (Kurve 40 in Fig. 3) die nächste Negativflanke der

3

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

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Haupt- bzw. Resonanzfrequenz (2,7 KHz) einen Startimpuls 41 und, nach vorgegebenen 14 Perioden, die 14. Negativflanke der Hauptfrequenz einen Stoppimpuls 42 erzeugt, die am Ausgang 26a bzw. 26b des Logikteiles 25 erscheinen und die einem Umformer- und Rechner 31 zugeführt werden. Dieser Umfor- 5 mer- und Rechner 31 misst die Zeit t zwischen dem Startimpuls und dem Stoppimpuls und errechnet daraus die Schallgeschwindigkeit s nach der Formel

X

s = 14 • —-— (m/s), (6)

wobei X die Wellenlänge ist.

Wie leicht ersichtlich ist, gestattet somit die vorbeschriebene ^ Einrichtung eine ständige Nachregelung der Resonanzfrequenz in Folge der sich ändernden Luftsäule im Messrohr 1, die in der Regel der Umgebungsluft entspricht, mit der Folge eines sich entsprechend ändernden Zeitsignals, womit auch ständig ein korrigierter Wert der Schallgeschwindigkeit im genannten Medium ermittelt werden kann.

Der primäre Erfindungsgedanke besteht somit darin, in einer Mediumssäule durch Anpassung der Anregungsfrequenz den vorhandenen Resonanzbedingungen zu folgen, den Kreis also ständig abzustimmen, um auf diesem Wege ein der Schallausbrei-25 tungsgeschwindigkeit proportionales Zeitsignal zu gewinnen.

Mit dem kontinuierlichen Vorhandensein eines linear an die Frequenz oder die Schallgeschwindigkeit gebundenen Signals können somit beliebige sich ändernde Parameter eines sich ändernden Mediums bestimmt werden. 30

Neben der Ermittlung der Schallgeschwindigkeit beispielsweise in Luft können somit auch mit dem vorbeschriebenen Verfahren beispielsweise die Molmassen in einem Gasgemisch bestimmt werden, wenn dessen Zusammensetzung bekannt ist. Beispielsweise lässt sich so im Rahmen des Umweltschutzes der 35 02-Anteil im Wasser oder der Stickstoffgehalt in der Abluft messen. Ebenso ist die Darstellung anderer chemischer Analysen denkbar.

Ist die Schallausbreitungsgeschwindigkeit im Medium bekannt, lässt sich zudem auch die Länge einer Flüssigkeitssäule 40 bestimmen.

Weiter sind mit diesem Verfahren ohne weiteres Verhältnismessungen oder Temperaturmessungen an Medien bekannter Zusammensetzung durchführbar.

Somit ergibt sich für das Verfahren ein sehr breites Anwendungsspektrum.

Ein für die Inhaberin wesentlicher Anwendungsbereich besteht in der Messung der Schallausbreitungsgeschwindigkeit in der Umgebungsluft eines Schiesszieles, wie das an einem Schiessziel mit elektronischer Schusslageermittlung gemäss Fig. 4 angedeutet ist.

Das Schiessziel gemäss Fig. 4 umfasst hier eine Scheibenanordnung mit einer, das in der Regel aufgemalte Schiessbild 51 tragenden, auf einem vorderen Holzrahmen 52 aufgezogenen Bespannung 53. In Richtung nach hinten schliesst sich an diesem vorderen Holzrahmen 52 der die Messkammer umschliessende Holzrahmen 54 an. Wie im Querschnitt angedeutet, ist der Messkammer-Rahmen 54 innenseitig mit einer Wärmeisolationsschicht 55 und einer Schallabsorbtionsschicht 56 versehen. Wie erkennbar, ist die Messkammer nach vorn durch eine Bespannung 57 von beispielsweise einer Dicke von 4 bis 5 mm abgeschlossen. Diese Bespannung ist in der Regel mehrschichtig mit einem Kunststoffträger und einer schallabsorbierenden Schicht innenseitig und einer schallreflektierenden Schicht aussenseitig des Trägers. Weiter ist die Membrane nach hinten durch eine ähnliche Bespannung 58 wie die vordere Bespannung 57 abgeschlossen.

Innerhalb der Messkammer, hier auf dem unteren Teil des Messkammer-Rahmens 54, sind drei akustische Sensoren oder Schallaufnehmer 60,61 und 62 angeordnet, welche über entsprechende Verbindungsleitungen 63 mit einem Verstärker 64 verbunden sind, der seinerseits über die Leitung 65 am Umformerund Rechner 31 angeschlossen ist.

Weiter ist am Rahmen 54 die vorbeschriebene erfindungsge-mässe Messrohranordnung 10 in geeigneter Weise angeordnet, welche in vorbeschriebener Weise über die Leiter 5' und 6' mit der vorbeschriebenen Schaltungsanordnung 100 und diese über die Leiter 23 und 24 mit dem Logikteil 25 verbunden ist. Der Logikteil 25 ist in der beschriebenen Weise über die Signalleiter 26a und 26b mit dem Umformer- und Rechner 31 verbunden.

Die Messrohranordnung 10 nimmt nun das sich im Innern der Scheibe befindliche Medium auf, wobei mit dem Verfahren dann die momentane Schallausbreitungsgeschwindigkeit im Innern der Scheibe genau bestimmt und so in bekannter Weise über die Schallaufnehmer 60,61 und 62 die Schusslage im Schiessziel mit grösster, bisher nicht erreichter Genauigkeit ermittelt werden kann.

M

2 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE InderDE-OSNr. 2 943 766 der gleichen Inhaberin wird beispielsweise ausgeführt, dass einerseits die Schusslage in einem

1. Einrichtung zur Bestimmung der Schallausbreitungsge- Schiessziel über die gemessene zeitliche Staffelung des Eintref-schwindigkeit in einem sich ändernden Medium, gekennzeichnet fens einer Treffer-Knallwelle rechnerisch in der Regel nur dann durch ein, zur Aufnahme einer Mediumssäule bestimmtes Mess- 5 präzise ermittelt werden kann, wenn die im Schiessziel herr-rohr (1), vor dessen einer Stirnseite (2) mit vorgegebenem sehende Schallausbreitungsgeschwindigkeit bekannt ist. Ande-Abstand ein Lautsprecher (5) angeordnet ist und dessen Mantel rerseits sei es aber experimentell nachweisbar, dass in geschlosse-an vorgegebener Stelle von einem Schallaufnehmer (6) durch- nen Schiesszielen ein nichtlinearer, sich ständig ändernder Tem-setzt ist, wobei das Messrohr (1), der Lautsprecher (5) und der peraturverlauf herrscht, der mathematisch schwer erfassbar ist Schallaufnehmer (6) einen Frequenz-Spannungs-Wandler (10) in10 und dessen Nichtberücksichtigung zu Fehlern führt, die ausser-einer Schaltungsanordnung (100) zur Erzeugung einer der Schall- halb des von der UIT (Union Internationale de Tir) vorgeschrie-ausbreitungsgeschwindigkeit in der Mediumssäule proportiona- benen Toleranzbereiches für Schiessziele liegen.

len Ausgangsfrequenz (30) bilden, welche Schaltungsmittel zur In Ermangelung von geeigneten Einrichtungen zur Messung

Niederfrequenzmodulation (40) dieser Ausgangsfrequenz, der sich ständig ändernden Schallausbreitungsgeschwindigkeit

Schaltungsmittel zum Abzählen einer vorbestimmten Anzahl 15 wurden deshalb in der genannten DE-OS Nr. 2943 766 zur

Perioden der Ausgangsfrequenz und Schaltungsmittel zum Mes- Überwindung des Problems Mittel zur Konstanthaltung der sen des zeitlichen Abstandes (t) zwischen der ersten (41) und Temperatur und damit der Schallausbreitungsgeschwindigkeit letzten (42) der gezählten Perioden und zur Erzeugung eines der bzw. Mittel vorgeschlagen, durch welche die Schallausbreitungs-

Schallgeschwindigkeit (s) in der Mediumssäule proportionalen geschwindigkeit unberücksichtigt bleiben konnte.

Zeitsignals umfasst. 20 Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, eine Einrich-
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, tung zu schaffen, welche geeignet ist, einen sich ändernden dass das Messrohr (1) eine Länge von einem ganzzahligen Parameter eines sich ändernden Mediums und insbesondere die Vielfachen von X/4 aufweist, wobei X die Wellenlänge ist. sich ändernde Schallausbreitungsgeschwindigkeit in einem sich
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, ändernden Medium, beispielsweise Luft, auf eine der heutigen dass der Abstand des Schallaufnehmers (6) von der demLaut- 25 Technik angepassten Weise zu bestimmen.

Sprecher (5) abgewendeten Stirnseite (3) des Messrohres (1) ein Dies wird nun erfindungsgemäss erreicht durch ein zur Auf-

ganzzahliges Vielfaches von X/4 beträgt, wobei X die Wellenlänge nähme einer Mediumssäule bestimmtes Messrohr, vor dessen ist. einer Stirnseite mit vorgegebenem Abstand ein Lautsprecher
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, angeordnet ist und dessen Mantel an vorgegebener Stelle von dass der Abstand des Lautsprechers (5) von der ihm zugewende- 30 einem Schallaufnehmer durchsetzt ist, wobei das Messrohr, der ten Stirnseite (2) des Messrohres (1) ein ganzzahliges Vielfaches Lautsprecher und der Schallaufnehmer einen Frequenz-Span-von X/4 beträgt, wobei X die Wellenlänge ist. nungs-Wandler in einer Schaltungsanordnung zur Erzeugung
5. Verwendung der Einrichtung nach Anspruch 1 zur Bestim- einer der Schallausbreitungsgeschwindigkeit in der Mediums-mung der Schallausbreitungsgeschwindigkeit in einem gasförmi- säule proportionalen Ausgangsfrequenz bilden, welche Schalgen Medium. 35 tungsmittel zur Niederfrequenzmodulation dieser Ausgangsfre-
6. Verwendung nach Anspruch 5 zur Bestimmung der Mol- quenz, Schaltungsmittel zum Abzählen einer vorbestimmten masse in einem Gasgemisch. Anzahl Perioden der Ausgangsfrequenz und Schaltungsmittel
7. Verwendung der Einrichtung nach Anspruch 1 zur Bestim- zum Messen des zeitlichen Abstandes (t) zwischen der ersten und mung der Länge einer Flüssigkeitssäule. letzten der gezählten Perioden und zur Erzeugung eines der
8. Verwendung der Einrichtung nach Anspruch 1 zur Messung 40 Schallgeschwindigkeit (s) in der Mediumssäule proportionalen des Verhältnisses von Bestandteilen eines Mediums mit bekann- Zeitsignals umfasst.

ter qualitativer Zusammensetzung. Insbesondere für die Anordnung der erfindungsgemässen Ein-
9. Verwendung der Einrichtung nach Anspruch 1 zur Bestim- richtung im Bereich eines Schiesszieles zur Schusslageermittlung mung der Temperatur in einem Medium mit bekannter Zusam- in diesem Ziel kann die Einrichtung zweckmässig so ausgestaltet mensetzung. 43 sein, dass das Messrohr eine Länge von einem ganzzahligen
10. Verwendung der Einrichtung nach Anspruch 1 zur Bestim- Vielfachen von X/4 aufweist; dass ferner der Abstand des Schall-mung des Verhältnisses Cp zu Cv einer bekannten Zusammen- aufnehmers von der dem Lautsprecher abgewendeten Stirnseite setzung. des Messrohres ein ganzzahliges Vielfaches von X/4 beträgt; und dass der Abstand des Lautsprechers von der ihm zugewendeten

50 Stirnseite des Messrohres ein ganzzahliges Vielfaches von X/4