DE2847863A1

DE2847863A1 - Ultraschall-windmesser

Info

Publication number: DE2847863A1
Application number: DE19782847863
Authority: DE
Inventors: Nichtnennung Beantragt
Original assignee: DE PRODUITS ET DE TECH POUR L
Current assignee: DE PRODUITS ET DE TECH POUR L
Priority date: 1977-11-03
Filing date: 1978-11-03
Publication date: 1979-05-10
Also published as: JPS623904B2; NL7810975A; JPS54109483A; US4174630A; FR2408145B1; FR2408145A1

Description

PATENTSCHRIFT

"Ultraschall-Windmesser"

Angemeldet durch: Societe d'Exploitation

de Produits et de Techniques pour 1'Aeronautique et 1'Automatique

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Die Erfindung betrifft einen Ultraschall-Windmesser.

Die bisher zur Durchführung dieser Messungen vorgeschlagenen Mittel laufen auf Messungen der Phase oder Ausbreitungsgeschwindigkeit elastischer Wellen hinaus, dabei wurde noch keine statische Lösung vorgeschlagen, um Veränderungen der physikalischen Eigenschaften des Ausbreitungsmediums im Falle von Messungen in nicht abgeschlossenen Medien zu kompensieren.

Andere Geräte benutzen den Doppler-Effekt in abgeschlossenen Medien; ihre Erweiterung zur Messung der Windgeschwindigkeit sowie eine Einbeziehung lokaler Fortpflanzungsbedingungen erscheint nicht möglich.

Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, diese Probleme mit Hilfe eines einfachen und statischen Systems zu lösen, und verfolgt den Zweck, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, Windgeschwindigkeit und -richtung in nicht abgeschlossenen Medien zu messen.

Die Erfindung betrifft effektiv einen Ultraschall-Windmesser, der durch folgendes gekennzeichnet ist: einen Aufbau mit festem Träger, drei Sender-Empfänger-Paare mit bestimmten Abständen, die in bekannten Winkeln zueinander stehen, einen Ultraschallgenerator zur Anregung der Sender dieser Paare, die Verbindung jedes Empfängers mit einer Schaltung, die eine Impedanzanpassung, einen Phasenmesser und Anzeigevorrichtungen enthält, .. wobei die den einzelnen Empfängern zugeordneten Phasenmesser mit einem Rechner verbunden sind.

Die Erfindung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Eichtungen der drei Sender-Empfänger-Paare drei jeweils im rechten Winkel zueinander stehende Ebenen aufspannen.

Die Erfindung ist weiterhin durch das Ziel gekennzeichnet, Einflüsse von Änderungen der Temperatur oder anderer physikalischer Parameter auszuschalten; zu diesem Zweck ist ein viertes Sender-Empfänger-Paar mit bestimmtem Abstand vorgesehen, wobei die Richtung dieses vierten Paares der Raumdiagonalen der von den drei rechten Winkeln aufgespannten Ebenen entspricht.

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Die Erfindung ist weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur des Trägers aus drei Ringen gebildet wird, die eine Kugel abgrenzen, wobei die von diesen drei Ringen aufgespannten Ebenen jeweils senkrecht aufeinanderstehen und die Sender-Empfänger-Paare diametral gegenüberliegend auf jedem der Ringe angebracht sind.

Die Erfindung ist beispielhaft, jedoch nicht in einschränkender Form, auf den beigefügten Zeichnungen dargestellt:

- Abb. 1 zeigt schematisch eine erste Realisierungsmöglichkeit der mechanischen Struktur des Windmessers;

- Abb. 2 ist eine Skizze, in der Windgeschwindigkeit und -richtung als Funktion des Azimut- und Höhenwinkels definiert sind;

- Abb. 3 zeigt eine kugelförmige Realisierungsmöglichkeit der mechanischen Struktur des Windmessers;

- Abb. 4 ist eine Teilschnittansicht, die die Anbringung eines Senders oder Empfängers auf der Trägerstruktur verdeutlicht;

- Abb. 5 stellt eine Seitenansicht der Abb. Zf. von links dar;

- Abb. 6 stellt ein Ubersichtsschaltbild des Ultraschallkopfes dar;

- Abb. 7 zeigt ein Blockschaltbild der in vier identische Module aufgeteilten Erfassungselektronik.

Zweck der Erfindung ist folglich die gleichzeitige Messung der Phasenverschiebung zwischen Sendung und Empfang einer elastischen harmonischen Welle in vier festgelegten Richtungen des Raums. Im beschriebenen System, das jedoch nicht darauf beschränkt ist, spannen drei Sichtungen ein rechtwinkliges Koordinatensystem auf, während die vierte Richtung die Raumdiagonale darstellt. Die Messung der gesamten Phasenverschiebung und die Verarbeitung der Größen ermöglichen anschließend die Bestimmung der Windgeschwindigkeit und -richtung, ausgedrückt zum Beispiel durch Betrag, Höhenwinkel Θ und Azimutwinkel e< .

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Abb. 1 zeigt einen Prinzipaufbau für einen jedoch nicht darauf beschränkten Fall. Die Ausbreitungs richtungen der elastischen Wellen entsprechen den drei Achsen eines rechtwinkligen Koordxnatensystems. Die Phasenverschiebung zwischen Senden und Empfang ist für einen Abstand £ zwischen Sender und Empfänger durch folgende Gleichungen gegeben:

(1) f E₁ R₁ ₌=-Z«L·

* V₊ ν ^T

f Π

V₊ V

hierin ist:

T die Periodendauer der elastischen Welle;

·£. die Entfernung zwischen Sender und Empfänger (die Entfernungen £ brauchen nicht unbedingt gleich zu sein, werden jedoch im vorliegenden Beispiel als gleich angenommen, ohne jedoch auf diesen Fall beschränkt zu sein);

VT die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elastischen Welle im Medium mit der Windgeschwindigkeit Null;

V_x, V , V_z die Vektorkomponenten, welche die Geschwindigkeiten in den drei Koordinatenachsen OX, OY, OZ darstellen;

V die Vektorkomponente der Geschwindigkeit in Richtung der Achse OS.

Damit wird
<5> V₈ = ^

Damit erhält man ein lineares System von vier Gleichungen mit vier Unbekannten V , V , V , :

(6) Vr ₊ V_x = Kf₁

V- + V„ = !

Λτ ₊ ν_ζ =

darin ist	f	« •	1	- 2	TJt	1	+	\
(7)		K =		T		tr+
(8)	f	f				1		V₂
(9)	f		fs;	^R1
(10)				1		^vs
(11)		-»ι
			1
*fr₃*	^E3

	-»>

Die Größen ι ■■,( o» etc. in diesen Gleichungen sind Meßgrößen. Dabei ist zu beachten, daß diese gemessenen Phasenverschiebungen Gesamtphasenverschiebungen zwischen gesendeten und empfangenen Wellen in den vier betrachteten Richtungen sind.

Die Auflösung des Gleichungssystems (6) nach V_x, V_yt V₂ ergibt:

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cf 3 ^φ, 4Ύβθ' . ¥>^f ~Ι

dies erlaubt die Bestimmung der Windgeschwindigkeit und -richtung wie vorhergehend vereinbart (siehe Abb» 2) mit:

Betrag :| \f I = J\^Z + V_y ² +

¥ Azimutwinkel : °< = arc tan

VV 2 ₊ γ 2 χ y

Die vier Paare Fühl er-»Sender-Empfänger sind vorzugsweise auf der Oberfläche einer kugelförmigen Struktur anzuordnen, um aerodynamische Probleme auszuschalten. Dieser kugelförmige Aufbau wird aus geschweißten Rohren aus einem Material mit geringem Ausdehnungskoeffizienten, speziell IWVAR, zusammengesetzt.

Abb. 3 zeigt das Prinzip der Anordnung, in welcher eine entsprechende Drehung um die Achse E₂ B₂ es ermöglicht, sich auf die Großkreise der Kugel zu beschränken. In dieser Anordnung, die jedoch keine Einschränkung bedeutet, liegen die Gruppen ^EiRi» E₂Rp, E^S-z auf den Achsen eines rechtwinkligen Koordinatensystems, E^R^ liegt auf der Raumdiagonalen. Konstruktionsbedingt sind die Abstände zwischen Fühler-Sender und Empfänger in dieser Anordnung, die jedoch keine Einschränkung darstellt₉ jeweils gleich.

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Abb. k zeigt als Detail der technischen Realisierung, die jedoch nicht auf diese Möglichkeit beschränkt ist, die Befestigung eines Wandlers auf einem Rohr des Aufbaus.

In diesem Beispiel wird an Rohr 1, das stellvertretend für jeden der zur Kugelstruktur gehörenden Ringe steht, mit Hilfe eines Befestigungsmittels 2 ein Dämpferblock 3 (speziell aus RYTON) angebracht, an welchem seinerseits ein Sender PE oder Empfänger PR eines Paares befestigt wird.

Der Träger 2 ist in Form zweier durch die Schrauben if verbundener Halbschalen 2. und 2₂ ausgeführt, während Dämpferblock 3 über einen Messingring mit einer Schraube 5 am Träger 2 angebracht wird.

Abb. 6 zeigt einen Ubersichtsplan des Ultraschallkopfes, der im folgenden beschrieben wird. Die Wandler haben die gleichen physikalischen Kennwerte und sind paarweise zugeordnet (PE. mit PR*, etc.). Die vier Wandler PE dienen zur Erzeugung von Ultraschallwellen durch Anregung mit einer im Generator E erzeugten geeigneten elektrischen Welle, während die vier Empfänger PR durch die von der jeweils gegenüberliegenden Sender-Wandler-Einheit PE ausgesandten Ultraschallwellen in Schwingung versetzt werden.

Durch die Vibration wird in jedem Wandler PR eine elektrische Spannung erzeugt; die Impedanz ist angepaßt, um Lastprobleme durch die Zuleitungskabel zu vermeiden. Die an sich bekannten Wandler PE oder PR bestehen aus einem piezoelektrischen Keramikplättchens, das auf die Innenfläche eines als Resonator dienenden Metallschälches geklebt wird; die Resonanzfrequenz des so gebildeten Wandlers, abhängig:

- von der Dicke der Schälchenmembran,

- vom Innendurchmesser des Metallschälchens

und von den Abmessungen des piezoelektrischen Keramikscheibchens, sei für alle Wandler gleich.

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-AO-

Abb. 7 zeigt das Blockschaltbild der Erfassungselektronik, in vier identische Module M1, M2, M3 und MZf unterteilt, die auf die Signale der vier Ultraschallwege des Meßkopfes ansprechen. Um die Zeichnung übersichtlich zu halten, ist nur einer der Wege, VZf, eingezeichnet; auf Grund des identischen Aufbaus der Elektronikmodule wird im folgenden nur einer der Module (MZf) beschrieben.

Der Empfänger RZf erhält eine kleine Wechselspannung, die an den Ausgangsklemmen der Impedanzanpassung AZf anfällt. Diese Spannung wird durch die Schaltkreise des Empfängers auf ein geeignetes Niveau verstärkt und gefiltert. Das Ausgangssignal des Empfängers wird anschließend auf den Eingang des Phasenmessers "^, gegeben, der die Aufgabe hat,

1) eine Analogspannung zu entwickeln, die der auf 360° begrenzten Phasenverschiebung zwischen der am Sender EZf abgegriffenen Bezugswelle Y_ref und der empfangenen Welle (Bruchteil der Phasenverschiebung) proportional ist,

2) die Anzahl der vollen Perioden über oder unter einem beliebig festgesetzten Grundzustand mit korrektem Vorzeichen zu zählen. Die Ergebnisse der Phasenmessung werden auf ein dreistelliges Digitalvoltmeter, das den genauen Winkel anzeigt, und eine zweistellige Zähleranzeige gegeben, so daß der Meßumfang der gesamten Teilphasenverschiebung im Bereich + 99 x 360° angezeigt wird. Die jeweils an den jedem der vier Meßwege zugeordneten Anzeigen abgelesene algebraische Summe entspricht den Größen \ , (8) bis "f. (11) und dient als Berechnungsgrundlage für die Bestimmung der Windgeschwindigkeit und -richtung.

Um eine gleichzeitige Messung auf den vier Meßwegen durchführen zu können, ist ein Synchronisationswerk mit einstellbarer Steuerung vorgesehen.

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-ΛΑ-

Leerseite

Claims

28Λ78Β3

ANSPRÜCHE

I)) Ultraschall-Windmesser, durch folgendes gekennzeichnet: Aufbau mit fester Halterung} drei Sender-Empfänger Paare mit bestimmten Abständen, die in bekannten Winkeln zueinanderstehen; einen Ultraschallgenerator zur Anregung der Sender dieser Paare, jeder der Empfänger ist mit einer Schaltung verbunden, die eine Impedanzanpassung, einen Phasenmesser und Anzeigevorrichtungen enthält; die den einzelnen Empfängern zugeordneten Phasenmesser sind mit einem Rechner verbunden.
2) Windmesser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtungen der drei Sender-Empfänger-Paare ein rechtwinkliges Koordinatensystem aufspannen.
3) Windmesser gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er zur Ausschaltung des Einflusses von Änderungen der Temperatur und anderer physikalischer Parameter ein viertes Sender-Empfänger-Paar mit bestimmtem Abstand enthält, wobei die Richtung dieses vierten Paares der Raumdiagonalen des rechtwinkligen Koordinatensystems entspricht.
Zf) Windmesser gemäß Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur der Halterung aus drei Ringen aufgebaut ist, die von einer Kugelhülle begrenzt werden, wobei die von den drei Ringen aufgespannten Flächen jeweils senkrecht aufeinanderstehen und die Sender-Empfänger-Paare in diametral gegenüberliegenden Stellungen auf jedem der Ringe angebracht sind.
3) Windmesser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur der Halterung aus einem Material mit kleinem Ausdehnungskoeffizienten hergestellt ist.
6) Windmesser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Paaren zugeordneten Sender und Empfänger jeweils über einen Block aus Dämpfungsmaterial an der Struktur der Halterung angebracht sind.

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ORIGINAL IMSPECtED
7) Windmesser gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigevorrichtungen gemeinsam mit einem Synchronisationswerk verbunden sind.

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