DE1523144C

DE1523144C - Arrangement for the compensation of fluctuations in the speed of sound in water in water-borne sound devices using the Doppler principle

Info

Publication number: DE1523144C
Application number: DE19641523144
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr.phi!. 2800 Lilienthal Thiede
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1964-11-03
Filing date: 1964-11-03
Publication date: 1973-03-15

Description

■ . . nik zur Messung der Luft-Strömungsgeschwindigkeit■. . nik for measuring the air flow velocity

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Korn- 35 an sich bekannten Konstant-A-Generators für die pensation von Schwankungen der Schallgeschwindig- Dopplermessung durch Wasser alsdemübertragungskeit im Wasser in das Doppler-Prinzip, insbesondere medium für die Bewegungsbestimmung über Grund zur Messung des Weges und/oder der Geschwindig- dienstbar gemacht.The invention relates to an arrangement for the constant A generator known per se for the compensation of fluctuations in the sound velocity Doppler measurement by water as the transferability in the water in the Doppler principle, especially a medium for determining movement over the ground made serviceable for measuring the distance and / or the speed.

keit von Wasserfahrzeugen, ausnutzenden Wasser- Dies geschieht nach der Erfindung dadurch, daßability of watercraft, exploiting water This is done according to the invention in that

schallgeräten, die einen ins freie Wasser strahlenden 40 die Korrekturanordnung in an sich bekannter Weise Echosignalsender, einen die reflektierten Wellen auf- als Konstante-Generator ausgebildet ist, der die nehmenden Empfänger und ein die Differenz zwi- Sendefrequenz des Echosignalsenders bestimmt,
sehen Sende- und Empfangsfrequenz bestimmendes Die feste Meßstrecke wird dabei von demjenigensound devices that have an echo signal transmitter radiating into the open water, the correction arrangement in a manner known per se, a constant generator for the reflected waves, which determines the receiving receiver and the difference between the transmission frequency of the echo signal transmitter,
see transmit and receive frequency determining the fixed measuring section is from the one

Meßgerät enthalten, mit einer eine vom Wasser Wasser durchflutet, in dem das Doppler-Prinzip zur , * durchflutete feste Meßstrecke enthaltenden Anord- 45 Messung benutzt wird, während der Konstant-A-Gene- ■ P nung zum Erfassen der jeweiligen Schallgeschwindig- rator aus zwei temperaturunabhängig fest angeordkeit und zur Korrektur der Meßwerte. neten Schallwandlern als Resonanzstrecke mit stehen-Measuring device included, with a water flowing through it, in which the Doppler principle for, * 45 measurement is used, while the constant A-Gene- ■ P tion for recording the respective sound velocity from two temperature-independent fixed arrangements and to correct the measured values. Neten sound transducers as a resonance path with standing

Es ist bekannt, mit einem sogenannten Doppler- den Wellen von einer oder mehreren halben Wellen-Schallog Weg und Geschwindigkeit eines Schiffes auf längen besteht und nach ebenfalls an sich bekannter Grund zu messen, wobei der Weg als Zeitintegral der 50 Weise (vgl. deutsches Patent 811 965) eines sich Geschwindigkeit gewonnen wird. Die mathematische selbst erregenden Systems arbeitet.
Analyse der zur Bestimmung der Geschwindigkeit Die so gewonnene Sendefrequenz kann man aberIt is known to use a so-called Doppler wave of one or more half-wave sound logs to measure the path and speed of a ship for a length of time and based on a known reason, the path being the time integral of the 50 way (see German patent 811 965) a speed is gained. The mathematical self-excitatory system works.
Analysis of the speed used to determine the transmission frequency obtained in this way can, however

herangezogenen Frequenzabweichung der Empfangs- auch zunächst auf einen dem Konstant-A-Generator frequenz von der Sendefrequenz zeigt, daß dieser nachgeschalteten Frequenzvervielfacher oder -unter-Wert der Frequenzabweichung Λ / nicht nur der Ge- 55 setzer schalten, ehe die dann daraus resultierende schwindigkeit ν des Wasserfahrzeuges selbst, sondern Frequenz den Echosignalsender erregt. Man wird auch der Sendefrequenz f_s und dem Kehrwert der diesen Weg insbesondere dann vorziehen, wenn die Schallgeschwindigkeit c im Wasser proportional ist, Anordnung des akustischen Teiles der VorrichtungThe frequency deviation of the received frequency used also initially on a constant A generator frequency from the transmit frequency shows that this downstream frequency multiplier or lower value of the frequency deviation Λ / not only switch the converter before the resulting speed ν of the watercraft itself, but frequency excites the echo signal transmitter. The acoustic part of the device is also preferred to the transmission frequency f _s and the reciprocal value of this path, especially when the speed of sound c in water is proportional

zur Kompensation von Schwankungen der Schall-to compensate for fluctuations in the sound

_/( j ^. _L. / . ^6o geschwindigkeit im Wasser, die sich nach den Ein- _{/ (} j ^. _L. /. ^6o speed in the water, which after the in

c ^s baumöglichkeiten am Wasserfahrzeug richten muß,c ^s must direct construction options on the watercraft,

eine akustische Beeinflussung des Empfängers für diean acoustic influence on the receiver for the

Nun schwankt der Wert der Schallgeschwindigkeit Messung nach dem Doppler-Prinzip befürchten läßt, bekanntlich in Abhängigkeit von Temperatur und Die beschriebene Vorrichtung läßt sich auch inNow the value of the speed of sound fluctuates according to the Doppler principle. is known as a function of temperature and The device described can also be used in

Salzgehalt des Wassers. So können beispielsweise 65 einer Meßstrecke anwenden, deren Konstant-A-Gene-Schallgeschwindigkeiten zwischen c = 1400 m/s und rator nicht unmittelbar am Wasserfahrzeug angec= 1530 m/s auftreten, je nach Jahreszeit und Salz- bracht ist, sondern in einem absenkbaren Schleppgehalt. Das bedeutet, daß bei konstantgehaltener gerät angeordnet ist, das etwa in der Mitte zwischenSalinity of the water. For example, 65 can use a measuring section whose constant A-gene sound velocities between c = 1400 m / s and rator do not occur directly on the watercraft angec = 1530 m / s, depending on the season and salt exposure, but at a lowerable rate Towing salary. This means that when the device is kept constant, it is roughly in the middle between

Schiffsboden und Grund oder in sonst geeigneter Man errechnet eine mittlere Wellenlänge von λ Tiefe geschleppt wird. Das bietet insbesondere bei = 14,65 mm und erhält für 2 λ einen Abstand zwistarken Temperaturgradienten den Vorteil, daß ein sehen Sender S und Empfänger E von 29,3 mm. Diebesserer Kompensationswert als in Oberflächennähe ser Abstand wird fest eingestellt. Die in F i g. 1 nicht erzielt und bei unterschiedlicher Schallgeschwindig- 5 gezeigte mechanische Halterung wird dazu aus einem keit über der Meßstrecke des Schallogs der Schall- Material hergestellt, das im Temperaturbereich zwigeschwindigkeits-Mittelwert benutzt wird. sehen 0 und 30° C nur eine Ausdehnung von unterin der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des geordneter Bedeutung aufweist.Ship bottom and bottom or in any other suitable way a mean wavelength of λ depth is calculated. This provides mm especially at = 14.65 and receive for 2 λ a distance zwistarken temperature gradient the advantage that a see sender S and receiver E of 29.3 mm. The better compensation value than near the surface this distance is fixed. The in F i g. 1 not achieved and at different speed of sound 5 shown mechanical holder is made from a speed over the measuring section of the sound log of the sound material, which is used in the temperature range between speed mean value. see 0 and 30 ° C only an expansion of below in the drawing are exemplary embodiments of the orderly meaning.

Erfindungsgegenstandes dargestellt, und zwar zeigt Der Bandpaß BP ist so ausgelegt, daß sich eineSubject of the invention shown, namely shows the bandpass filter BP is designed so that a

F i g. 1 einen Konstant-2-Generator in einer ersten io Begrenzung der sich erregenden Eigenfrequenzen aufF i g. 1 a constant 2 generator in a first io limitation of the exciting natural frequencies

Ausführung, den Frequenzbereich von /_s = 95 bis 105 kHz ergibt.Execution that results in a frequency range of / _s = 95 to 105 kHz.

F i g. 2 einen Konstant-2-Generator in anderer Um zu hohe Strömungsgeschwindigkeiten desF i g. 2 a constant-2 generator in another To avoid excessive flow velocities of the

Ausführung. Wassers W in der Meßstrecke M zu vermeiden, ge-Execution. To avoid water W in the measuring section M,

In der Meßstrecke M der F i g. 1 wird ein Schwin- nügt es, letztere in einem Beipaß anzuordnen,In the measuring section M of FIG. 1 becomes a Schwin- it is sufficient to arrange the latter in a bypass,

ger als Sender S erregt. Im Abstand 15 Es ist nicht unbedingt nötig, wie in diesem Zahlenbeispiel angenommen, den Abstand der Meßstrecke M ger than transmitter S excited. In the distance 15 It is not absolutely necessary, as assumed in this numerical example, the distance of the measuring section M

d = 2 λ = 4 — gleich vier halben Wellenlängen zu wählen; man d = 2 λ = 4 - to choose equal to four half wavelengths; man

2 kann auch mehr oder weniger — allgemein η —2 can also be more or less - generally η -

halbe Wellenlängen wählen, jedoch höchstens sochoose half wavelengths, but at most so

ist ortsfest ein Wandler als Empfänger E angeordnet, 20 viele, daß der Wert 100/n nicht kleiner wird als derif a transducer is fixed as a receiver E , 20 many that the value 100 / n is not less than the

der an einen Verstärker V mit nachfolgendem Band- Prozentsatz der Änderung der Schallgeschwindig-to an amplifier V with the following band percentage of the change in the sound velocity

paß BP angeschlossen ist. Der Bandpaß BP sorgt keitc.passport is connected to BP. The bandpass filter BP ensures keitc.

dafür, daß sich die Sendefrequenz /_s nur in solchen An Stelle des Empfängers £ in F i g. 1 kann alsfor the fact that the transmission frequency / _{s is} only in such Instead of the receiver £ in F i g. 1 can be used as

Eigenfrequenzen erregen kann, die den vorkommen- Begrenzung der Meßstrecke M auch ein ReflektorCan excite natural frequencies that occur- limiting the measuring section M also a reflector

den Bereich der Schallgeschwindigkeit c überdecken. 25 RE benutzt werden, wobei die Erregung des Sen-cover the range of the speed of sound c. 25 RE can be used, whereby the excitation of the

Hinter dem Bandpaß BP folgt eine Röhre R mit an- ders S in der an sich bekannten Weise nach F i g. 2Behind the bandpass filter BP follows a tube R with another S in the manner known per se according to FIG. 2

geschlossenem Transformator TR, über dessen Aus- erfolgt; hierin ist als Beispiel ein magnetostriktiverclosed transformer TR, which is switched off; here is a magnetostrictive one as an example

gang die Sendefrequenz /_s zur Erregung des Echo- Wandler MW gewählt.gang selected the transmission frequency / _s for exciting the echo converter MW .

signalsenders einerseits und zur Rückführung auf den Unter Ausnutzung der Impedanz des Wassers W, signal transmitter on the one hand and for tracing back to the taking advantage of the impedance of the water W,

Sender 5 andererseits ausgekoppelt werden. 30 ,. ... _r. , , ,, _o . , „,, . λ Transmitter 5 on the other hand are decoupled. 30,. ... _r . ,, ,, _o. , ",,. λ

Ein Zahlenbeispiel erllutert die Arbeitsweise der dxe fur Eigenwerterregung der Meßstrecke M bex η · _y A numerical example explains the mode of operation of the dxe for the eigenvalue excitation of the measuring section M bex η · _y

Vorrichtung näher. durch Z —»- 00 gekennzeichnet ist, wird eine RückSoll ζ. B. eine Sendefrequenz /_s im Bereich von kopplungsschaltung unter Zwischenschaltung eines 100 kHz gewählt werden und ist ein Bereich der Bandpasses BP aufgebaut, die so arbeitet, daß sich Schallgeschwindigkeitc von 1400 bis 1530m/s im 35 . ,,. _A ,, . , , λ „. „
Wasse? W zu erwarten, so bedeutet das eine Zuord- emeganzzahhge Anzahl von stehenden _T-WellenzugenDevice closer. is marked by Z - »- 00, a return setpoint ζ. B. a transmission frequency / _s in the range of coupling circuit can be selected with the interposition of a 100 kHz and a range of bandpass BP is built up, which works so that the speed of soundc from 1400 to 1530m / s in the 35th ,,. _A ,,. ,, λ ". "
Water If W is to be expected, then this means an assignment whole number of standing _T -wave trains

nung von 1465 m/s ± 4,5 % zu 100 kHz + 4,5 °/o. als Eigenwert aufbaut.acceleration of 1465 m / s ± 4.5% at 100 kHz + 4.5 ° / o. builds up as an eigenvalue.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

1 2 Transmission frequency measurement error of ± 4.5% around a patent claim: Average value can occur: Therefore, devices have been built that with

1. Arrangement for the compensation of Schwan temperature sensors the influence of the temperature the speed of sound in water in 5 consider the speed of sound. This However, the Doppler principle, in particular for measuring devices, are operating and circuit-related Path and / or speed of technically complex and satisfying in practice Watercraft, not exploiting water-borne use. ·.

devices that radiate into the open water.

Echo signal transmitter, one of the reflected waves that work without a temperature sensor and at

receiving receiver and the difference which instead with a sound propagation

Determine between the transmission and reception frequency measuring system in the outside water as a reference variable for

mendes measuring device included, with a one of a compensation circuit (USA .-- Patent

Fixed measuring section flooded with water contains 2 841 775) or with an interference switch for the

arrangement for recording the respective 15 control loops (German Auslegeschrift 1 094 471)

Speed of sound and for the correction of the work done in order to add a cor-

Measured values, characterized in introducing correction variable or around the measurement

that the correction arrangement to change in a known per se used sound frequency. These lo-

Way is designed as a constant Α generator, however, solutions are mainly due to the

which the transmission frequency (/ _s ) of the echo signal transmitter ao borrowed circuitry effort no

. definitely. ...,,. 'peaceful way of bypassing the existing

2. Arrangement according to claim 1, which poses technical measurement problems.

indicates that between the constant-genes- The present invention is based on the finding

rator and the echo signal transmitter a frequency from that one multiplies circuit complexity or frequency scaler can be avoided if one uses the reciprocal value of the double

is tet. lermessungen critical quotient / _s / c, i.e. the

3. Arrangement according to claim 1 or 2, because the wavelength λ of the Doppler measurement is characterized in that the measuring section (M) in radiated sound is attached as a constant reference variable of a towing device that can be lowered. Frequency control loop, in which

30 the transmission frequency depending on the actual Velocities of sound in the transmission

medium, d. H. in sea or river water.

For this purpose, the technology of the aviation measurement technology