DE1264836B

DE1264836B - Geschwindigkeitsmessvorrichtung

Info

Publication number: DE1264836B
Application number: DED48738A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dollman Parker
Original assignee: Decca Ltd
Current assignee: Decca Ltd
Priority date: 1964-11-24
Filing date: 1965-11-24
Publication date: 1968-03-28
Also published as: GB1072519A; FR1454788A; US3349614A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

GOIp

Deutsche Kl.: 42 ο -15

Nummer: 1264 836

Aktenzeichen: D 48738IX b/42 ο

Anmeldetag: 24. November 1965

Auslegetag: 28. März 1968

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit eines sich in einem flüssigen oder gasförmigen Medium bewegenden Körpers mittels eines am Körper angebrachten, ein Schallsignal in das Medium aussendenden Schallgebers und eines den Phasenwinkel des Schallsignals zwischen verschiedenen in Bewegungsrichtung des Körpers liegenden Stellen messenden Phasendiskriminators. Diese Vorrichtung kann insbesondere mit einer in dem Körper befindlichen, das Medium in relativer Ruhe zum Körper aufnehmenden Kammer, mit einem ein Schallsignal durch das Medium in der Kammer sendenden Schallgeber und mit einem zweiten den Phasenwinkel dieses Schallsignals zwischen verschiedenen in Fortpflanzungsrichtung des Schallsignals durch die Kammer hegenden Stellen messenden Phasendiskriminator versehen sein. Eine bekannte Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit eines sich in einem flüssigen oder gasförmigen Medium bewegenden Körpers weist zwei Schallmeßstrecken auf. Die erste Meßstrecke befindet sich im Strömungsbereich des Schallträgermediums, dessen Geschwindigkeit zu messen ist, und die zweite Meßstrecke ist in einer Kammer vorgesehen. Die Kammer ist mit Löchern versehen, so daß das Schallträgermedium durch die Löcher in das Innere der Kammer eindringen kann. Das Schallträgermedium befindet sich im Inneren der Kammer in relativer Ruhe, hat jedoch die gleichen statischen Eigenschaften, z. B. Schallgeschwindigkeit, wie das außerhalb der Kammer strömende Schallträgermedium. Für beide Meßstrecken sind zwei unabhängige Empfänger vorgesehen, der Sender ist dagegen der gleiche. Das Meßprinzip besteht darin, daß die Schallwellen, die einmal von dem strömenden Schallträgermedium und das andere Mal von dem ruhenden Schallträgermedium transportiert werden, am Empfangsort einen Phasenunterschied aufweisen. Der Phasenunterschied wird in einem Phasendiskriminator ausgewertet und in einem Anzeigegerät zur Anzeige gebracht. Bekanntlich hängt die Schallgeschwindigkeit in einem Schallträgermedium von mehreren Parametern, unter anderem von der Temperatur ab. Diese Tatsache kann zu Meßfehlern führen. Um diese Meßfehler zu eliminieren, ist bei der bekannten Meßvorrichtung eine Frequenzregelschaltung vorgesehen, die bei Änderung der Schallgeschwindigkeit des Trägermediums die Schallsenderfrequenz entsprechend variiert. Die Genauigkeit dieser Frequenzregelschaltung hängt von ihrer technischen Ausführung ab. Außerdem ist der Regelbereich begrenzt. Das Meßprinzip der bekannten Vorrichtung beruht außerdem auf einem Näherungsverfahren. Dadurch ist die bekannte Vorrichtung auf Geschwindigkeiten Geschwindigkeitsmeßvorrichtung

Anmelder:

Decca Limited, London

Vertreter:

Dipl.-Ing. F. Weickmann,

Dipl.-Ing. H. Weickmann

und Dipl.-Phys. Dr. K. Fincke, Patentanwälte,

8000 München 27, Möhlstr. 22

Als Erfinder benannt:

Bernhard Dollman Parker, London

Beanspruchte Priorität:

Großbritannien vom 24. November 1964 (47 806)

begrenzt, die wesentlich geringer sind als die Schallausbreitungsgeschwindigkeit in dem Trägermedium. Flugzeuge erreichen aber heute bekanntlich Geschwindigkeiten, die im Bereich der Schallgeschwindigkeit und darüber liegen.

Als Aufgabe liegt der Erfindung eine Geschwindigkeitsmeßvorrichtung zugrunde, mit der Geschwindigkeiten eines sich in einem Medium bewegenden Körpers meßbar sind, die etwa gleich oder größer als die Schallgeschwindigkeit in diesem Medium sind. Die Messung soll mit hoher Genauigkeit und ohne Zugrundelegung von Näherungsverfahren erfolgen. Dabei soll der Einfluß der Schallgeschwindigkeit auf den Meßwert ganz oder nahezu ganz eliminiert werden.

Die Aufgabe ist dadurch gelöst, daß an den Ausgang des Phasendiskriminators ein vollständige Phasenperioden zählender Integrator angeschlossen ist. Mit dieser Maßnahme ist von der Rechentechnik Gebrauch gemacht, wobei keine Näherungsverfahren benutzt werden, wie bei den bekannten Vorrichtungen.

Zur Eliminierung der Schallgeschwindigkeit kann — wie bekannt — die Vorrichtung mit einer in dem Körper befindlichen, das Medium in relativer Ruhe zum Körper aufnehmenden Kammer, mit einem ein Schallsignal durch das Medium in der Kammer sendenden Schallgeber und mit einem zweiten, den Phasenwinkel dieses Schallsignals zwischen verschiedenen in Fortpflanzungsrichtung des Schallsignals durch die Kammer liegenden Stellen messenden Phasendiskriminators versehen sein. Erfindungsgemäß kann dabei an den Ausgang des zweiten Phasen-

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diskriminators ein vollständige Phasenperioden zäh- empfangender Wandler 13 vorgesehen, die voneinlender Integrator angeschlossen sein. Weiterhin kann ander einen Abstand D in Richtung der Luftströmung ein die Geschwindigkeit des Körpers ermittelndes, durch den Kanal haben. Um die Störung der Luftdigital arbeitendes Dekodier- und Rechenwerk an die strömung möglichst gering zu halten, werden kleine Ausgänge der beiden Integratoren angeschlossen sein. 5 Wandler verwendet. Für ein Überschallflugzeug muß Die Schallfrequenz liegt nicht unbedingt in dem der empfangende Wandler stromabwärts von dem hörbaren Bereich, sondern gewöhnlich im Ultraschall- sendenden Wandler angeordnet werden. Der sendende gebiet, beispielsweise bei 40 kHz. Wandler 12 wird von einem Ultraschallsignalgeber 15

Die Phasendiskrimmatoren dienen zur Bestimmung gespeist, der ein elektrisches Wechselstromsignal des Phasenwinkels zwischen den Signalen an den ver- io erzeugt, welches in einem charakteristischen Fall eine schiedenen Meßstellen; die Integrierschaltungen spre- Frequenz von 40 kHz hat. Von dem Kanal 11 aus führt chen auf die Ausgangssignale der Phasendiskrimi- ein statiseher Einlaß 16 in eine statische Kammer 17, natoren an und zählen die vollen Perioden der Phasen- die einen weiteren sendenden Wandler 18 und einen änderung. Elektrische Phasendiskriminatorschaltungen weiteren empfangenden Wandler 19 enthält. Der gehören zum Stand der Technik. 15 statische Einlaß 16 bewirkt, daß die Luft in der

Es sind Schaltungen bekannt, die Gleichspannungen Kammer 17 den gleichen statischen Druck und die erzeugen, welche proportional zum Sinus oder Kosinus gleiche Temperatur hat wie die Luft in dem Kanal 11. des Phasenwinkels zwischen zwei Wechselstrom- Die beiden letztgenannten Wandler 18, 19 sind eingängen sind. Solche Gleichspannungen können an zweckmäßigerweise im gleichen Abstand D voneinzueinander senkrechten Spulen eines Phasenwinkel- 20 ander angeordnet wie die Wandler 12, 13, und der anzeigers in Form eines Kreuzspulinstruments angelegt sendende Wandler 18 wird ebenfalls von einem Signalwerden, das einen Rotor hat, welcher eine von den geber 15 gespeist. Im weiteren wird die Funktionsweise angelegten Signalen abhängige Stellung einnimmt und der Vorrichtung beschrieben. Hierfür wird angenomeinen integrierenden Zähler antreibt. men, daß die beiden Wandlerpaare den gleichen

Ein integrierender Phasenmesser zeigt, wenn er 25 Abstand haben. Falls die Abstände verschieden sind, einmal zu Anfang genau eingestellt ist, die totale muß nur eine einfache Korrektion der Phasenbeziehung Phasendifferenz korrekt an, auch wenn diese Phasen- zwischen dem empfangenen und dem gesendeten differenz mehrere volle Perioden enthält. Die totale Signal bei einem der beiden Wandlerpaare angebracht Phasendifferenz längs eines Pfades durch die unter werden, wozu ein von dem Verhältnis der beiden statischem Druck stehende Kammer hängt von der 30 Abstände abhängiger Proportionalitätsfaktor einTemperatur ab. Wenn die Vorrichtung eingeschaltet geführt wird.

wird, muß sie auf die passende Anzahl von vollen Die Phasenbeziehung zwischen dem elektrischen

Perioden eingestellt werden. Der Phasendiskriminator Ausgang des Signalgebers 15 und dem elektrischen bestimmt genau den Bruchteil einer Periode und dient Signalausgang des empfangenden Wandlers 13 wird hauptsächlich dazu, die Grobeinstellung für die 35 mit einem Phasendiskriminator 20 bestimmt, der richtige Anzahl der vollen Perioden zu liefern. In der Sinus und Kosinus-Gleichspannungssignale liefert, die Praxis geschieht dies einfacher mit der Hand, wobei für den Phasenwinkel zwischen den beiden Eingängen man eine Eichung für die Temperatur benutzt. Nur die am Diskriminator in den Zuleitungen 21 und 22 Grobeinstellung wird gebraucht, und daher muß die repräsentativ sind. Diese Sinus- und Kosinussignale Temperatur und die daraus resultierende Korrektion 40 werden in zueinander senkrechte Spulen eines Kreuzlediglich mit ausreichender Genauigkeit bestimmt spulinstruments 23 eingegeben, dessen Rotor eine dem werden, um mit Sicherheit die Anzahl der vollen Phasenwinkel entsprechende Lage einnimmt und Perioden der Phasenänderung richtig zu erhalten. integrierende Zähler antreibt, die die vollen Perioden

Da man das akustische Signal gewöhnlich dadurch der Phasenänderung zählen. Dieses Instrument steuert erzeugt, daß ein elektrisches Signal geeigneter Frequenz 45 eine digitale Kodiereinrichtung 24, so daß diese in einen Wandler eingegeben wird, ist es zweckmäßig, digitale Ausgänge liefert, die für die bestimmte die Phasenbeziehung zwischen einem in den sendenden totale Phasendifferenz charakteristisch sind. Wandler eingespeisten elektrischen Signal und einem Ein weiterer Phasendiskriminator 25 vergleicht die

von einem empfangenden Wandler erzeugten elek- Phase eines von dem empfangenden Wandler 19 irischen Signal auf elektrischem Wege zu bestimmen. 5° stammenden Signals mit einem Signal des Signal-Wie weiter unten erläutert wird, ist die Berechnung gebers 15. Die Sinus- und Kosinusausgänge dieses der Geschwindigkeit aus den beiden Phasenwinkel- Phasendiskriminators 25 werden einem Kreuzspulablesungen relativ einfach; da aber Bord-Digital- instrument 26 zugeführt, das eine digitale Kodierrechner gemeinhin für andere Navigationszwecke einrichtung 27 steuert. Bei dem speziellen Ausführungsohnehin gebraucht werden, ist es zweckmäßig, einen 55 beispiel werden die Ausgänge der digitalen Kodiersolchen Digitalrechner zu benützen und eine digitale einrichtungen 24, 27 in einen Digitalrechner 28 ein-Codiereinrichtung zum Codieren der Phasenwinkel- gespeist, der an einem Anzeiger 29 die Geschwindigausgänge und zum Eingeben der digitalen Information keitsanzeige liefert.

in den Rechner vorzusehen. Die Betriebsweise der Vorrichtung kann wie folgt

Im folgenden wird eine Ausführungsform der ^6o erklärt werden: Es sei angenommen, daß die Frequenz Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben, in der des Generators 15/ ist und die Fortpflanzungsein Schema einer Geschwindigkeitsmeßvorrichtung geschwindigkeit von Schall in Luft bei einer willfür ein Flugzeug dargestellt ist. kürlichen Bezugstemperatur C beträgt. Weiter wird Gemäß der einzigen Zeichnung ist der Körper der zugrunde gelegt, daß die Phasendifferenz zwischen dem Vorrichtung mit 10 bezeichnet. Er weist einen Kanal 11 ⁶5 gesendeten und dem empfangenen Signal in dem auf,, durch den die Luft ungehindert strömen kann. In Kanal 11 gleich Q_x und die Phasendifferenz zwischen diesem Kanal wird die Luftgeschwindigkeit gemessen. dem empfangenen und dem gesendeten Signal in der Zu diesem Zweck ist ein sendender Wandler 12 und ein statischen Kammer gleich Θ_ζ ist. Es ist zweckmäßig,

das Instrument bei Bezugstemperatur und bei einer Luftströmung durch den Kanal 11 gleich Null zu eichen; bei dieser Grundeinstellung beträgt die gesamte Phasenverschiebung N₀ volle Perioden. Es ist jedoch zweckmäßig, die Phasendiskriminatoren so einzustellen, daß sie eine Phasendifferenz Null anzeigen; dann registrieren die Phasendiskriminatoren in Wirklichkeit die Änderungen von dem Bezugspunkt N₀ aus.

Nun sei angenommen, daß im Betrieb durch den Kanal 11 Luft in Richtung der Schallfortpflanzung mit einer Geschwindigkeit V strömt und daß die Temperatur des Systems und der statische Druck so groß ist, daß sich die Schallgeschwindigkeit in Luft auf C₁ geändert hat. Dann beträgt die Anzahl der vollen Perioden der Phasendifferenz zwischen dem Empfänger und dem Sender in dem Kanal 11 gleich JV₀ + JV₁, worin JV₁ die Anzeige an 23 ist. In ähnlicher Weise ist die Anzahl der vollen Perioden der Phasenänderung zwischen dem Sender und dem Empfänger in der statischen Kammer jetzt N₀ + N₂, worin JV₂ die Anzeige an 26 bedeutet. N₁ und N₂ sind also die Änderungen in der Anzahl der Perioden in den beiden Kanälen.

Dann gilt

Folglich

Df

C+V

Df

= N₀

N₁

C₁

= N₀ + N₂

N₀+ N₁ =

Df(N₀ + N₂) Df+V(N₀+'N₂) '

daraus

F(JV₀ + JV₂) = Df
und somit

V=Df\ λΠ-γ-

N₀ + N₁ N₂-N₁

- 1

JV₀"-JV₀ (JV₁+ JV₂)+ JV₁JV₂ J'

da aber

V= a

Θ₂-Θ_χ

α = 2ηΰ/

= 2_VN₀.

Es ist ersichtlich, daß V aus Θ_χ und <9₂ errechnet werden kann, vorausgesetzt daß D, f und N₀ bekannt sind. Der Effekt der Geschwindigkeitsänderungen von Schall in Luft ist eliminiert. Wenn die Vorrichtung bei irgendeiner anderen Temperatur als der Eichtemperatur eingeschaltet wird, sind die Ausgänge der Kreuzspulinstrumente 23, 26 nicht Null wegen der unterschiedlichen Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Schallwellen bei dieser Temperatur. Die Kreuspulinstrumente zeigen den genauen Teilwert von JV, aber wenn die Temperatur von der Eichtemperatur genügend verschieden ist, muß in jedem Kreuzspulinstrument eine ganze Zahl von vollen Umdrehungen eingestellt werden. Dies kann in einfacher Weise unter Zuhilfenahme einer passenden Eichtabelle nach Messung der Temperatur geschehen. Dabei ist nur eine angenäherte

ίο Temperaturmessung erforderlich, da es lediglich notwendig ist, die Anzahl der vollen Perioden der Phasenänderung zu berichtigen. Die Bruchteile einer Periode der Phasenänderung werden automatisch von den Kreuzspulinstrumenten korrekt angezeigt, so daß die Genauigkeit der von der Vorrichtung gelieferten Geschwindigkeitsbestimmung durch diese Einstellung von Hand nicht beeinträchtigt wird, vorausgesetzt, daß die Einstellung für die richtige Anzahl der vollen Perioden vorgenommen wurde.

Für die obige Erläuterung wurde angenommen, daß die sendenden und empfangenen Wandler, wie in der Zeichnung dargestellt, genau gefluchtet sind mit der Richtung der Luftströmung, deren Geschwindigkeit gemessen werden soll. Wenn jedoch der Signalweg durch die Luft oder das andere Medium in einem Winkel zur Strömungsrichtung verläuft, dann wird mit der obigen Rechnung nur die Geschwindigkeitskomponente gemessen, die in Richtung des Signalweges liegt, und es muß ein Korrektionsfaktor eingeführt werden (der Sekans des Winkels zwischen der Strömung des Mediums und der Meßstrecke).

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit eines sich in einem flüssigen oder gasförmigen Medium bewegenden Körpers mittels eines am Körper angebrachten, ein Schallsignal in das Medium aussendenden Schallgebers und eines den Phasenwinkel des Schallsignals zwischen verschiedenen in Bewegungsrichtung des Körpers liegenden Stellen messenden Phasendiskriminators, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des Phasendiskriminators (20) ein vollständige Phasenperioden zählender Integrator (23) angeschlossen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit einer in dem Körper befindlichen, das Medium in relativer Ruhe zum Körper aufnehmenden Kammer, mit einem ein Schallsignal durch das Medium in der Kammer sendenden Schallgeber und mit einem zweiten, den Phasenwinkel dieses Schallsignals zwischen verschiedenen in Fortpflanzungsrichtung des Schallsignals durch die Kammer liegenden Stellen messenden Phasendiskriminator, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des zweiten Phasendiskriminators (25) ■ ein vollständige Phasenperioden zählender Integrator (26) angeschlossen ist und daß ein die Geschwindigkeit des Körpers ermittelndes, digital arbeitendes Dekodier- und Rechenwerk (24, 27, 28, 29) an die Ausgänge der beiden Integratoren (23, 26) angeschlossen ist.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Französische Patentschrift Nr. 1 012 054;
britische Patentschrift Nr. 810 035;
USA.-Patentschrift Nr. 2 480 646.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 520/139 3.68

Bundesdruckerei Berlin