DE19704001A1 - Windgeschwindigkeitsmessung per Ultraschall - Google Patents

Windgeschwindigkeitsmessung per Ultraschall

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DE19704001A1
DE19704001A1 DE1997104001 DE19704001A DE19704001A1 DE 19704001 A1 DE19704001 A1 DE 19704001A1 DE 1997104001 DE1997104001 DE 1997104001 DE 19704001 A DE19704001 A DE 19704001A DE 19704001 A1 DE19704001 A1 DE 19704001A1
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wind speed
ultrasound
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DE1997104001
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English (en)
Inventor
Jochen Ehnert
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HILSCHER JOHANNES
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HILSCHER JOHANNES
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/24—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave
    • G01P5/245—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave by measuring transit time of acoustical waves

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs I.
Verfahren zur Windmessung sollten möglichst handlich und einfach im Aufbau sein.
Es ist bekannt die Windgeschwindigkeit mit Hilfe eines Schalenkreuzes bzw. eines Flügelrades zu messen. Bei beiden Verfahren, welche sich nur in der Flügelblattform unterscheiden, wird über die Umdrehungsfrequenz die Windgeschwindigkeit ermittelt. Durch den hohen mechanischen Aufwand ist das Einsatzgebiet dieser Anemometer beschränkt. Außerdem können äußere Einflüsse wie Reibung das Meßergebnis verfälschen.
Desweiteren kann die Windgeschwindigkeit mit Hilfe des Staudruckverfahrens ermittelt werden. Hierbei wird der Druck, welcher vom Wind verursacht wird, in die Windgeschwindigkeit umgerechnet. Um die Messung nicht zu verfälschen, ist ein umfangreicher Schutz des Meßrohres nötig.
Eine weitere Möglichkeit, die Windgeschwindigkeit zu messen ist der Hitzdrahtanemometer. Hier wird die Windgeschwindigkeit mit Hilfe eines zuvor elektrisch aufgeheizten Widerstandes ermittelt. Die Windgeschwindigkeit wird aus der Abkühlung des Widerstandes errechnet. Ein Nachteil dieser Methode ist der Umstand, daß Temperaturänderungen des Gasstromes in das Meßergebnis eingehen. Außerdem ist die Meßmethode sehr träge.
Aufgabe der Erfindung ist, die Windgeschwindigkeit möglichst präzise durch ein einfach aufzubauendes Gerät zu ermitteln.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruch I gelöst.
Die Messung der Windgeschwindigkeit erfolgt über ein Ultraschallsignal. Die Zeitdauer zwischen Sendung und Empfang des Signals wird mit der Zeitdauer, die sich aus der Schallgeschwindigkeit c = 340 m/s errechnet, verglichen. Diese Zeitdifferenz (Δt) wird über die Formel
in die reale Windgeschwindigkeit umgerechnet. Zur Ermittlung dienen die beiden Schaltungen (Abb. 1 und 2). Zur Auswertung dient das Computerprogramm.
Der Gesamtaufbau kann sehr stark verkleinert werden, da die Meßstrecke zwischen Sender und Empfänger beliebig verkleinert werden kann und der Digitalteil in einen GAL gebrannt werden kann.
Das Meßergebnis steht fast in Echtzeit zur Verfügung. Windgeschwindigkeitsänderungen werden sofort angezeigt.
Die Empfindlichkeit ist sehr hoch.
Durch vektorielle Addition der Meßwerte von zwei orthogonal zueinander aufgestellten Meßeinheiten kann gleichzeitig zur Windgeschwindigkeit auch die Windrichtung ermittelt werden.
Die Zeitverschiebung Δt (siehe Abb. 1) kann über die Formel
ausgerechnet werden. Wenn man diese Formel nach v auflöst, erhält man
wird wie folgt ermittelt:
Wie in Abb. 1 dargestellt, werden Ultraschallsender und -empfänger in einem beliebigen Abstand s, der maximal die Länge der Periodendauer T betragen darf, aufgestellt. Das Sende- und Empfangssignal werden an die Schaltung (Abb. 2) angeschlossen. Die beiden Signale werden jeweils durch einen Operationsverstärker (OP37) verstärkt. Der Verstärkungsfaktor wird jeweils über eine Gegenkopplung eingestellt, so daß die beiden Signale die gleiche Intensität haben. Beide Signale werden jeweils durch einen zweiten Operationsverstärker (OP37) in Rechteckform gebracht (Diskriminator-Schaltung). Danach werden beide Rechteckspannungen durch ein Differenzierglied geführt, um den Moment des Spannungsanstiegs herauszufiltern. Nun werden über ein Set-Reset-Flipflop, welches aus zwei NAND-Gattern (SN7400 bzw. SN74LS00) aufgebaut ist, die beiden Signale so verknüpft, daß ein Zeitimpuls mit der Impulsbreite Δt entsteht. Dieser Zeitimpuls wird durch ein NAND-Gatter (SN7400 bzw. SN74LS00) invertiert. Dieses Signal wird über ein Tor, bestehend aus zwei NAND-Gattern (SN7400 bzw. SN74LS00) mit einem 10 MHz Taktgeber verknüpft, damit man über die Frequenz des Taktgebers und die Anzahl der Taktschläge die Zeit, in der das Set-Reset-Flipflop durchschaltet, ausrechnen kann, was Δt entspricht. In einer zweiten Schaltung (Abb. 3) werden die Takte über zwei Binärzähler (SN74393 bzw. SN74LS393) gezählt. Diese Zähler werden über einen dritten Zähler (SN74190 bzw. SN74LS190), einen Dekadenzähler aktiviert. Er zählt die Toröffnungen in der ersten Schaltung nach dem Set-Reset-Flipflop. Wird er auf null gesetzt, so aktiviert er gleichzeitig die beiden Binärzähler. Dieses Nullsetzen wird durch den Computer über eine PCMCIA-Karte ausgelöst. Da diese Karte zu langsam ist, um die Zählerdaten direkt zu lesen, sind die Zähler während zehn Toröffnungen aktiviert und werden dann nach zehn Toröffnungen vom Dekadenzähler über ein NAND-Gatter (SN7400 bzw. SN74LS00) gestoppt. Der Computer überprüft ständig, ob der Dekadenzähler zehn Toröffnungen gezählt hat. Dabei werden Bit 1 und 4 des Dekadenzählers durch ein NAND-Gatter (SN7400 bzw. SN74LS00) miteinander verknüpft. Falls beide Bits auf logisch "1" liegen, hat der Dekadenzähler zehn erreicht und das Ausgangssignal des NAND-Gatters liegt auf Masse. Dieses Signal wird vom Computer über die PCMCIA-Karte ausgelesen. Jetzt werden über die PCMCIA-Karte die Zählerdaten ausgelesen (nur 15 Bit, da 16 Bit technisch nicht möglich sind). Die so erhaltenen Daten werden über ein Computerprogramm (Abb. 4), welches in der Programmiersprache LabVIEW 3.1.1 erstellt ist ausgewertet und weiterverarbeitet. Die Daten werden in die Formel
eingesetzt und somit die Windgeschwindigkeit errechnet. Danach rührt der Computer an allen drei Zählern einen Reset aus (Da der verwendete Dekadenzähler keinen Reset-Eingang hat, muß er über die Load-Eingänge auf 0 zurückgesetzt werden.), was gleichzeitig zur Reaktivierung der drei Zähler rührt. Diese Prozedur wiederholt sich ständig.
Um diesen Vorgang zu verdeutlichen ist in der Abb. 5 ein Ablaufplan dargestellt.

Claims (5)

1. Windgeschwindigkeitsmessung per Ultraschall, dadurch gekennzeichnet, daß die Windgeschwindigkeit über die Zeitverschiebung Δt von Ultraschallwellen gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Windgeschwindigkeit über die Formel
ausgerechnet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Toröffnung mit der Zeitdauer Δt über die Schaltung (Abb. 2) entsteht.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß über die Schaltung (Abb. 3) die Zeitdauer von Δt gemessen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß Δt über das Computerprogramm (Abb. 4) in die reale Windgeschwindigkeit umgerechnet wird.
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