DE1523248A1

DE1523248A1 - Verfahren zur Bestimmung des Windvektors mit Schallsignalen

Info

Publication number: DE1523248A1
Application number: DE19661523248
Authority: DE
Inventors: Bachem Dr Christian; Gustav Rust
Original assignee: SPRENGER ALBIN KG
Current assignee: SPRENGER ALBIN KG
Priority date: 1966-05-31
Filing date: 1966-05-31
Publication date: 1970-04-23

Description

VERFAHREN ZUR BESTIMMUNG DES WINDVEKTORS MIT SCHALLSIGNALEN Beschreibung : Die Erfindung betrifft einen Windmesser, bei dem die windbedingte iinderung der Laufzeit von Schallsignalen zur Bestimmung des Windes nach Betrag und Richtung dient.
Das erfundene Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass für jede zu bestimmende Windkomponente ein Paar von gegensinnig durchlaufenden Signalstrecken vorgesehen ist.
Der erflndungsgemäße Fortschritt besteht u. a. darin, dass der laufzeitandernde und damit die Messung der einen Komponente störende Einfluss der anderen Windkomponenten dadurch eliminiert wird, dass die Differenz der rezigpken Laufzeiten über die gegensinnig durchlaufenden Strecken gebildet wird. Diese Differenz der reziRpken Laufzeiten ist bei gegebener Streckenlänge der betreffende Windkomponente streng proportional und ist unabhängig von den anderen Windkomponenten und von der Schallgeschwindigkeit selbst.
Bei einer Anordnung nach Abb. 1, wo ein Schallsender (S) mit zwei Empfangern (Eo) und (EN) empfangen wird, enthält die Beziehung zwischen den Schall-Laufzeiten und den Windkomponenten auch die Schallgeschwindigkeit. Die Auswerteformeln führen auf ein Gleichungspaar, worin der Wind im Quadrat neben der Winkelfunktion auftritt. Selbst wenn die Ausdrücke, etwa durch Vernachlässigung des Windquadrates neben dem Schallgeschwindigkeitsquadrat, vereinfacht werden, bleiben die Ausdrücke kompliziert.
Es treten Differenzen von Laufzeitquadraten auf, die zu ihresgleichen bzw. zu Laufzeltprodukten ins Verhältnis zu setzen sind, um die Richtung bzw. die Komponenten und den Betrag des Windes zu bestimmen.
Bei einer erfindungsgemassen Anordnung nach Abb. 2, wo der Sender (S) auf im Empfängerpaar (E1) und (E2) für die Ost-West-Richtung, und gleichzeitig auf ein anderes Empfängerpaar (E3) und (E4) für die Nord-SUd-Richtung arbeitet, ergeben sich für die Auswertung sehr bequeme Ausdrücke :

(1) W12 = D/2 #1/t1 - 1/t2# Ost-West-Komponente

(2) W34 = D/2 #1/t3 - 1/t4# Nord-Süd-Komponente

Diese Ausdrücke für W12 und W34 gelten ohne Vernachlässigung.
Die Schallgeschwindigkeit tritt darin nicht auf, womit auch atmosphärische Einflüsse, wie die Lufttemperatur oder die Luftfeuchte wirkungslos bleiben.
Die mit den Formeln (1) und (2) gegebene Rechenvorschrift lässt sich in dem interessierenden Bereich-0, ? to < t1...t4 < 1,1 to ausreichend genau mit Speichern S1... S4 durchführen, deren Entladung nach einer Exponentialfunktion verläuft, die bei O,) to gestartet und vom zugehörigen Empfängerausgang bei tn gestoppt wird. Die dann vorliegenden Restspannungen der Speicher, paarweise voneinander subtrahiert, ergeben die gesuchten den Windkomponenten proportjonalen Werte.
Eine andere Auswertemethode der Schallsignale verwendet die Differenzen der Laufzeiten selbst, die ohne Umrechnungen unmittelbar mit normalen Zahlern bestimmt werden können.
Es ergeben sich die Ausdrücke (3) W12 = K/D # T ( t2 - t1) 94) W34 = K/D # T (t4 - t3) Diese Formel, worin T die absolute Lufttemperatur-bzw. eine dem Schallgeschwindigkeitsquadrat proportionale GröBe-ist, gilt mit Vernachlzissigung des Windquadrats neben dem Schallgeschwindigkeitsquadrat, was bei Winden mit 0, 1 der Schallgeschwindiglceit eine Abweichung aus der Linearität von 1% bedeutet.
Wahlt man z. B. die Taktfrequenz eines (t2-tl) auszahlenden Zeitmessers mit einem geeigneten Faktor proportinal T, so kann die digitale Anzeige unmittelbar in knots oder in msec* erfolgen.
Errindungsgem. isse Gestaltungen des neuen Verfahrens werden an den Abb. 3-6 beschrieben. Als Schallquellen eignen sich alle belcannten elelctro-akustischen Wandler, besonders solche, mit denen steile Signale erzeugt werden können, mit Längen der ansteigenden Flanken in Mikrosekundenbereich, z. B. Kondensatorsysteme mit leichten Membrane, oder Plättchen und Formkörper aus piezoelel trischen Materialien.
In der Abb. 3 sitzen auf einem Stiel (1) zwei gekreuzte piezoelelctrische Platten (2) und (3),-die im steifen Rahmen (4) gelagert sind. Die Erregung erfolgt mittels Elektroden, die beiderseitig auf den freien Flächen von (2) und (3) aufgebracht sind, z.B. durch Aufdampfen. Die Flachennormalen sind auf die Empfängerpaare E1 2 und E3 orientiert. Bei hohen Genauigkeitsforderungen mag es 6tören, dass Schallerregungen, wie in Abb. 3, die vom Rande der ebenen Membranen 2, 3 ausgehen, das in der Ebene der Membran liegende, ptnmässig von der anderen Membran zu erregende Empfängerpaar bereits vor dem Sollsignal erreichen und die Laufzeitmessung erschweren oder fälschen. Diese Störmöglichkeit wird vermieden mit einem Schallgeber nach Abb. 4, wo ein Stiel (11) einen piezoelektrischen zylindrischen Ring (12) trägt, der radial polarisiert ist.
Schraube (13) und Abdeckmembran (14) dienen der lialterung und dem Wetterschutz. Die Abb. 5 ezeigt ein auf Stiel (21) befestigten aus 2 Hohlkugelkalotten (22) zusammengesetzten Schallgeber. Die Kalotten sind auf einer starren Kugel (22) angebracht und mit einer Membrane (24) gehalten und wetterfest abgedeckt.
Ein bezüglich der Laufzeit fast ebenso gut bei Zylinder und Kugel definiertes Schallsignal erhält man mit einem würfelförmigen Schallgeber, wobei jede einem Empfangernormal zugekehrte WUrfelflache eine Platte aus piezoelelStrischem Stoff trägt. Bei einem Geber nach Abb. 4 treten anstelle des Ringes (12) vier ebene Platten. Ein Geber nach Abb. 5 trägt auf jeder Würfelfläche eine-insgesamt sechs-Platten, wobei der tragende Stiel (21) in Richtung der räumlichen Würfeldiagonale liegend an einer Ecke ansetzt.
Abb. 6 zeigt schematisch eine zur Windmessung nach 3 Koordinaten geeignete Anordnung des Schallgebers und der Schallempfänger.
Auf einem Stiel (31) tragen ein meridionaler Ring (32) und ein aequatorialer Ring (33) die Empfängerpaare E1 E2-E3 E4-E5 E6' die nach ostwest nordsüd zenithnadir orientiert sind. Der Schallgeber S ist auf einer schräg zu allen Empfängerichtungen SEn gelegten Traverse (34).
Die Empfänger E sitzen jeweils auf der Spitze von Speichenstümpfen (35), die radial nach innen zum Sender hinzeigen.
Die Geomebie der Stützen fUr S und die En ist so gewählt, dass der Umweg für ein an den Stützen reflektiertes und auf diesem Umweg einen Empfänger erreichendes Schallsignal ein mehrfaches grösser ist, als die ansteigende Flankenlänge des der Laufzeitmessung dienenden Schallimpuls. Schallgeber und Schallempfäger erhalten Abmessungen die klein sind gegenüber dem Abstand Geber-Empfaxnger.
Grundsätzlich kann auch die Laufzeltmessung mit sinusförmigen Schallsignalen geschehen, indem man diese z. B. auf eine Phasenmessung zurückfUhrt, oder Sender und Empfänger so miteinander rückkoppelt, dass eine von der Schalllaufzeit über SEn= D reziprok abhangige trequenz entsteht. Bei sinusförmiger Schallerregung wird in beiden Fällen die Laufzeitmessung gefälscht durch reflektierte Signale. Die Vorteile der paarigen gegensdnntg durchlaufenden Schallstrecken bleiben auch in diesen beiden Fällen erhalten.
Die Phasenmessung behält entsprechend den Formeln (3) (4) die Schallgeschwindigkeit als Parameter, während die laufzeitreziproken Frequenzen wie (1) (2) davon unabhängig sind.
Für die Auswertung der an den EmNngerausgangen auStretenden Impulse, deren zeitlicher Abstand zum Sendeimpuls ( (1) (2)) bzw. deren gegenseitiger Abstand ( (3) (4)) als WindmaB-dient, bietet die Datenverarbeitungstechriik reiche Möglichkeiten bezilglich Art der Darstellung und FernUbertragung.
Besonders anschaulich ist eine Darstellung der fUr die beiden Windkomponenten gebildeten Analogwerte in einem Zweikoordinatenmeßwerk, worin Betrag und Richtung des Windvektors gezeigt wird.
Der wesentliche Fortschritt, den der neue Windmesser aufweist, ist das Wegfallen aller mechanisch bewegten Teile.
Die Funktion der Schallgeber und Empfänger wird durch wetterfeste Aussenflächen nicht beeinträchtigt.
Vereisung ist weniger kritisch und leichter zu beseitigen als bei mechanischen Windmessern. Hierzu genUgt z. B. ein am Ende des tragenden Stieles 1/11/21/31 eingesetztes elektrisches Heizelement.
Als weiterer Fortschrittt sind die verfahrensgemäß möglichen kleinen Abmessungen eines nach Abb. 6 fUr 2 oder fUr 3 Windkoordinaten gebauten Meßkopfes, der beim heutigen Stande der Technik mit Durchmessern bis herab zu 1 Dezimeter realisierbar ist.

Claims

PatentansPrUche 1. Verfahren zur Bestimmung des Windvektors mit Schallsignalen dadurch gekennzeichnet, dass fUr jede der zu messenden Windkomponenten ein Paar von gegensinnig durchlaufenen Signalstreclcen vorgesehen tst, die in Richtung der zu messenden Komponente beiderseits der Schallquelle angeordnet sind.
2. Verfahren nach Anspruch 1) dadurch gekennzeichnet, dass als Schallsignale Impulse verwendet werden mit einer Lange der ansteigenden Flanke entsprechend etwa 1% o der Schallaufzeit zwischen Geber und Empfänger.
3. Verfahren nach Anspruch 1) und 2) gekennzeichnet durch eine Auswertevorrichtung, worin die Differenzen der reziproken Laufzeiten gebildet werden, die langs der gegensinnig durchlaufenen Signalstrecken zum Zeitpunkt der Windmessung auftreten.
4. Verfahren nach Anspruch 1) und 2) gekennzeichnet durch eine Auswertevorrichtung, worin die Differenz der Laufzeiten longs der gegensinnig durchlaufenen Siganlstrecken gebildet und mit einem der absoluten Lufttemperatur proportionalen Faktor multipliziert wird.
5. Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1) für Windmessung nach zwei Komponenten, gekennzeichnet durch einen aus zwei gekreuzten Ubereinanderstehende Schallgeber.
6. Anordnung nach Anspruch 1) fUr Zwei-und Dreikomponenten-Windmessung gekennzeichnet durch einen ringförmigen oder kugelförmigen Schallgeber.
7. Anordnung zur Windmessung nach Anspruch 1) nach mehreren Komponenten dadurch gekennzeichnet, dass die zu den Empfangern normal orientierten Flache eines starren Würfels mit ebenen schallgebundenen Elementen belegt sind.
8. Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1) gekennzeichnet durch die Halterung der Empfänger auf Vorsprüagen, die so bemessen sind, dass der Umweg eines reflektierten Störslgnals longer, vorzugswelse ein Vielfaches länger, ist als die ansteigende Flanke des der Laufzeitmessung dienenden Schallimpulses.
9. Anordnung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch 1) 3) 4) gekennzeichnet durch eine die gemessenen Windkomponenten in einem ZweikoordlnatenmeBwerk als Windvektor darstellende Anzeigevorrichtung.
10. Anordnung nach Ansprüchen 5), 5), 7), 8) gekennzeichnet durch ein in die tragenden Stiele nahe dem Schallgeber und -Empfanger eingebautes elektrisches Heizelement.

L e e r s e i t e