DE3026899A1

DE3026899A1 - Water level and wave meter eliminates spurious echoes - using sea-bed press. measurements if echo sounding path is disturbed

Info

Publication number: DE3026899A1
Application number: DE19803026899
Authority: DE
Inventors: Winfried Dipl.-Phys. Dr.rer.nat. 5300 Bonn Bartel; Siegfried R.J. Dipl.-Phys. Dr. 2300 Kiel Fahrentholz
Original assignee: Fahrentholz siegfried Rj dipl-Physdrrernat
Current assignee: Fahrentholz siegfried Rj dipl-Physdrrernat
Priority date: 1980-07-16
Filing date: 1980-07-16
Publication date: 1982-02-25

Abstract

The meter is mounted in a carrier near the seabed. The results of the two types of measurement are evaluated together so that the spurions echos obtained during sounding with relatively large wave heights can be eliminated using the press. and press. fluctuation damping at relatively low wave heights. The press. measurement controls a variable depth aperture via the static water press. and the echo sounding system press. variations. This results in the evaluation of only those echos from the water surface. The logic passes the sounding measurements to the analyser if the echo sounding path is undisturbed, otherwise it passes the press. measurements.

Description

Wasserstand- und Wellenmesser mit gleichzeitiger Water level and wave meter with simultaneous

Anwendung der Echolotung und der Druckmessung am Gewässerboden Beschreibung In der Küstenforschung und Ozeanographie hat sich in den letzten Jahren die Notwendigkeit entwickelt, Wasserstand- und Wellenmeßgeräte zum Einsatz zu bringen, die die Bewegungszustände der Wasseroberfläche vom Meeresboden aus messen und die Ergebnisse über Kabel oder Kabel kombiniert mit Funkbojen zu einer Landstation weiterleiten. Application of echo sounding and pressure measurement at the bottom of the water Description In coastal research and oceanography, the need has increased in recent years developed to bring water level and wave measuring devices to use, which the states of motion Measure the water surface from the sea floor and the results via cables or Route cables combined with radio buoys to a land station.

Bekanntlich ist zur Lösung dieser Aufgabe am besten die Echolotung vom Gewässerboden zur Wasseroberfläche geeignet.It is well known that echo sounding is the best way to solve this problem suitable from the bottom of the water to the surface of the water.

Hierbei wird in der Nähe des Bodens eine Elektronik mit einem Ultraschallschwinger angeordnet, der durch geeignete Maßnahmen senkrecht nach oben zur Wasseroberfläche gerichtet gehalten wird. Durch die Echolotung wird der Abstand der Wasseroberfläche vom Meeresboden sehr genau gemessen, woraus sich dann unter Berücksichtigung der Schallgeschwindigkeit im Wasser der Wasserstand und die Wellenhöhen weitgehend unabhängig von der Wassertiefe auf den Zentimeter genau ergeben.In this case, electronics with an ultrasonic transducer are installed near the floor arranged, which by suitable measures vertically upwards to the water surface is held directed. The echo sounder determines the distance of the Water surface measured very precisely from the sea floor, which then, taking into account the Speed of sound in water, the water level and the wave heights largely independent from the water depth to the centimeter.

Leider haben die in der Natur durchgeführten Meßprogramme gezeigt, daß die theoretisch einwandfreie Funktion dieser Geräte nur bis zu einer gewissen Wellenhöhe möglich ist, deren Größe von den Umweltbedingungen am Meßort abhängt.Unfortunately, the measurement programs carried out in nature have shown that the theoretically perfect function of these devices only up to a certain extent Wave height is possible, the size of which depends on the environmental conditions at the measuring location.

Bei Überschreitung dieses Grenzwertes treten zu den Echos der Wasseroberfläche zusätzliche Echos auf, die die Auswertung der Meßergebnisse erheblich stören. Diese Störechos werden durch echte Reflektoren im Wasser wie z. B. aufgewirbelter Sand, Luftblasen, Fische, Quallen, Pflanzenund andere Schwebstoffe verursacht, die längere Zeit in der Echolotstrecke schweben können.If this limit value is exceeded, the echoes of the water surface occur additional echoes that significantly interfere with the evaluation of the measurement results. These False echoes are generated by real reflectors in the water such as B. blown sand, Air bubbles, fish, jellyfish, plants and other suspended matter will cause the longer Time to hover in the echo sounder range.

Ein anderes bekanntes Verfahren zur Lösung dieser Aufgabe besteht darin, am Meeresboden einen Sensor für Wasserdruck zu stationieren und aus dem statischen Wasserdruck in Verbindung mit den durch die Wellenbewegung verursachten Druckschwankungen unter evtl. Berücksichtigung des atmosphärischen Luftdruckes auf den Wasserstand und die Wellenhöhe zu schließen.Another known method for solving this problem exists to station a sensor for water pressure on the seabed and from the static one Water pressure in connection with the pressure fluctuations caused by the wave movement possibly taking into account the atmospheric air pressure on the water level and close the wave height.

Dieses Meßverfahren ist von den oben geschilderten Störungen unabhängig. Es zeigt sich aber, daß die durch die Wellen hervorgerufenen Druckschwankungen mit zunehmender Wassertiefe ausgeglichen bzw. gedämpft werden Diese Dämpfung ist daher abhängig vom Wasserstand über dem Drucksensor.This measuring method is independent of the disturbances outlined above. But it turns out that those caused by the waves Pressure fluctuations be compensated or attenuated with increasing water depth. This attenuation is therefore dependent on the water level above the pressure sensor.

Es muß deshalb ein Verfahren gefunden werden, daß die Messung des Wasserstandes und der Wellenhöhe bei jeder Wetterlage erlaubt und von den oben geschilderten Störeinflüssen unabhängig ist.A method must therefore be found that the measurement of the The water level and the wave height are allowed in all weather conditions and different from those described above Interference is independent.

Diese Aufgabe wird durch die vorliegende Erfindung Wasserstand- und Wellenmesser mit gleichzeitiger Anwendung der Echolotung und der Druckmessung am Gewässerboden gelöst, die nachfolgend beschrieben wird.This object is achieved by the present invention water level and Wave meter with simultaneous use of echo sounding and pressure measurement on the Dissolved body of water, which is described below.

Abbildung 1 zeigt die Blockschaltung einer möglichen Ausführung nach der Erfindung. Der Taktgeber 1 tastet den Impulsgenerator 2, der über den Schwinger 3 einen Ultraschallimpuls zur Wasseroberfläche 4 abstrahlt. Dieser wird dort reflektiert und als Echo über den Schwinger 3 dem Verstärker 5 zugeführt, der die Echosignale über die Tor stufe 6 an den Stopeingang 7 des Zählers 8 weiterleitet. Beim Senden hat der Taktgeber 1 den Zähler 8 über den Start- und Rücksetzeingang 9 von null gestartet, so daß dieser mit der Frequenz des Muttergenerators 10, die nach der geforderten Auflösung der Digitalisierung gewählt wird, vor -wärts zählt. Die Zählerstellung von 8 wird einem Digital - Analog- Wandler 11 zugeführt, dessen Ausgangsspannung daher mit steigender Zählerstellung wächst, und die an den Komparator 12 weitergeleitet wird.Figure 1 shows the block diagram of a possible implementation the invention. The clock generator 1 scans the pulse generator 2, which is controlled by the oscillator 3 emits an ultrasonic pulse to the water surface 4. This is reflected there and fed as an echo via the oscillator 3 to the amplifier 5, which receives the echo signals via the gate level 6 to the stop input 7 of the counter 8 forwards. On sending the clock generator 1 has the counter 8 via the start and reset input 9 of zero started so that this with the frequency of the mother generator 10, which after the required resolution of the digitization is selected, counts up. The counter of 8 becomes a digital - analog - Converter 11 supplied, whose Output voltage therefore increases with increasing counter position, and that to the comparator 12 is forwarded.

Der Drucksensor 13 ist auf dem gleichen Niveau wie der Echolotschwinger 3 angebracht. Seine Meßwerte werden an die Druck -Elektronik 14 gegeben, die eine Ausgangsspannung proportional zur Wassersäule abgibt. Diese Spannung wird auf den Komparator 12 gegeben und innerhalb einer mit dem Regelorgan 15 einstellbaren Hysteresis mit der der Zählerstellung proportionalen Ausgangsspannung des Digital - Analog - Wandlers 11 verglichen.The pressure sensor 13 is at the same level as the echo sounder transducer 3 attached. Its measured values are given to the pressure electronics 14, the one Output voltage is proportional to the water column. This tension is applied to the Comparator 12 given and within a hysteresis adjustable with the control element 15 with the output voltage of the digital-analog, which is proportional to the counter position - Converter 11 compared.

Der Komparator 12 steuert die Torstufe 6 in der Weise, daß die Torstufe 6 nur dann Echos an den Stopeingang 7 des Zählers 8 weiterleitet, wenn die Zählerstellung im Rahmen der Hysteresis des Komparators mit der Druckmessung übereinstimmt. Nach dem Stoppen des Zählers wird dessen Ergebnis an die EDV 16 zur Verarbeitung oder Registrierung weitergeleitet.The comparator 12 controls the gate stage 6 in such a way that the gate stage 6 only forwards echoes to the stop input 7 of the counter 8 when the counter is set coincides with the pressure measurement within the framework of the hysteresis of the comparator. To stopping the counter, its result is sent to the EDP 16 for processing or Registration forwarded.

Wählt man abhängig von dem Einsatzort der Meßeinrichtung die Breite der Hysteresis des Komparators gerade so groß, daß diese der Grenze des Auflösungsvermögens des Drucksensors der durch die Wellen erzeugten Druckschwankungen entspricht, so wird die Zählerstellung bei kleinen Wellenhöhen durch die Echolotmessung und bei großen Wellenhöhen durch die 4Druckmessung gesteuert, da bei hohem Störechoanfall sofort nach Freigabe der Tor stufe durch den Komparator ein Störecho eintrifft, das den Zähler stoppt.If one chooses the width depending on the place of use of the measuring device the hysteresis of the comparator is just so great that this is the limit of the resolving power of the pressure sensor corresponds to the pressure fluctuations generated by the waves, so the counter is set at small wave heights by the echo sounder measurement and at large wave heights controlled by the 4 pressure measurement, since there is a high incidence of false echoes immediately after Release of the gate stage by the comparator a false echo arrives, which stops the counter.

Abbildung 2 zeigt eine andere zweckmäßige Ausbildung der Erfindung. Der Taktgeber 1 triggert den Impulsgenerator 2 und sendet über den Ultraschallschwinger 3 einen Schallimpuls zur Wasseroberfläche 4 ab, der reflektiert und als Echo über den Schwinger 3 dem Verstärker 5 zugeführt wird. Der Taktgeber 1 startet den Zähler 8 über den Reset - Eingang 9. Der Zähler zählt vorwärts mit der Frequenz 10 des Muttergenerators. Die Zählerstellung wird dem Digital - Analog - Wandler 11 zugeführt, dessen Ausgangsspannung daher mit den Zählimpulsen ansteigt und über die Torstufe 17 dem Komparator 12 zugeführt wird.Figure 2 shows another expedient embodiment of the invention. The clock generator 1 triggers the pulse generator 2 and transmits via the ultrasonic transducer 3 from a sound pulse to the water surface 4, which reflects and echoes over the oscillator 3 is fed to the amplifier 5. The clock generator 1 starts the counter 8 via the reset input 9. The counter counts up with the frequency 10 des Mother generator. The counter is fed to the digital-to-analog converter 11, whose output voltage therefore rises with the counting pulses and over the gate stage 17 is fed to the comparator 12.

Der Wasserdruck wird durch den Sensor 13 gemessen und in der Druckelektronik 14 in eine zur Wassersäule proportionale Spannung umgewandelt, die dem Komparator 12 zugeführt wird.The water pressure is measured by the sensor 13 and in the pressure electronics 14 converted into a voltage proportional to the water column, which the comparator 12 is supplied.

In einem zweiten Zweig wird die Meßspannung des Druckes einem Analog - Digital - Wandler 18 zugeführt und digitalisiert.In a second branch the measuring voltage of the pressure becomes an analog - Digital converter 18 is supplied and digitized.

Beim Eintreffen eines Echos wird der Zähler 8 durch seinen Stopeingang 7 gestoppt und die Torstufe 17 geöffnet, wodurch die Analogspannung der Zähler stellung zum Vergleich mit der Druckmessung am Komparator 12 liegt. Der Komparator ist so geschaltet, daß er prüft, ob im Rahmen der mit dem Stellglied 15 einstellbaren Hysteresis die Echolotmessung mit der Druckmessung übereinstimmt. Wenn dieses der Fall ist, wird der Umschalter 19 so gesteuert, daß die EDV 16 die Messungen der Echolotstrecke erhält. Ist dieses wegen eines Störechos nicht der Fall, so wird die EDV 16 über den Umschalter 19 an den Analog - Digital - Wandler der Druckmessung 14 angeschlossen.When an echo arrives, the counter 8 is stopped by its stop input 7 stopped and the gate stage 17 opened, whereby the analog voltage of the counter position for comparison with the pressure measurement on the comparator 12. The comparator is like this switched that it checks whether under the control element 15th adjustable hysteresis, the echo sounder measurement matches the pressure measurement. If this is the case, the switch 19 is controlled so that the EDP 16 the Receives measurements of the echo sounder path. Isn't that because of a false echo If so, the EDP 16 is connected to the analog-digital converter via the switch 19 the pressure measurement 14 connected.

Vorteilhaft kann der Umschalter 19 mit einem Zeitglied gekoppelt werden, so daß die Umschaltung nicht ständig wechselt sondern in jeder Richtung eine bestimmte Mindestzeit liegen bleibt.The changeover switch 19 can advantageously be coupled to a timing element, so that the switching does not change constantly but a certain one in each direction Minimum time remains.

Durch sinngemäße Abwandlungen der Blockschaltungen nach Abb. 1 und 2 kann das Verfahren nach der Erfindung auch zur Steuerung von Echographen, Analogschreibern, Digital- und Analogspeichern, Magnetbandgerätenetc. verwendet werden.By analogous modifications of the block circuits according to Fig. 1 and 2, the method according to the invention can also be used to control echographs, analog recorders, Digital and analog memories, magnetic tape recorders, etc. be used.

Bei Messungen über große Zeiträume hängen die Meßergebnisse des Drucksensors nicht nur vom statischen und dem durch die Wellen erzeugten Wasserdruck sondern auch von dem Luftdruck an der Wasseroberfläche und der Nullpunktsdrift des Drucksensors und seiner Elektronik ab. Der Drucksensor muß deshalb in gewissen Zeitabständen kalibriert werden.The measurement results of the pressure sensor depend on measurements over long periods of time not only from the static and the water pressure generated by the waves, but also from the air pressure at the water surface and the zero point drift of the pressure sensor and its electronics. The pressure sensor must therefore at certain time intervals be calibrated.

Zu einer anderen Ausführung der Erfindung wird daher unter sinngemäßer Abwandlung der Blockschaltbilder nach Abb. 1 und 2 der Drucksensor und seine Elektronik bei ungestörter Echolotstrecke unter Berücksichtigung des Luftdruckes durch die Echolotung so kalibriert, daß die Druckmessung mit der Echolotmessung übereinstimmt.Another embodiment of the invention is therefore under more analogous Modification of the block diagrams according to Fig. 1 and 2 of the pressure sensor and its electronics with undisturbed echo sounder section taking into account the air pressure by the The echo sounder is calibrated so that the pressure measurement matches the echo sounder measurement.

In einer anderen Ausführung der Erfindung ist diese mit einer zusätzlichen festen Schallstrecke und Elektronik ausgerüstet, um damit die Schallgeschwindigkeit im Wasser bei der Auswertung zu berücksichtigen. Dieses ist wichtig für die Steuerung von Wasserstandsmessern und Pegeln, bei denen eine Genauigkeit von 1 cm gefordert wird. In another embodiment of the invention, this is with an additional Fixed sound path and electronics equipped to keep the speed of sound in the water to be taken into account in the evaluation. This is important for the control of water level meters and gauges where an accuracy of 1 cm is required will.

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Claims

Water level and wave meters with simultaneous use of echo sounding and the pressure measurement at the bottom of the water patent claims 1) water level and wave meter, attached to a support device near the seabed, characterized in that that the known methods - echo sounding from the seabed to the water surface and - Measurement of water pressure applied simultaneously or in quick succession and their Results are evaluated together in a logic so that the false echoes of the Echosounder measurement at relatively high wave heights due to the pressure and damping of the Pressure fluctuations at relatively small wave heights are eliminated by the echo sounder measurement will.

2) Device according to claim 1, characterized in that the pressure measurement about the static water pressure and the pressure fluctuations in the echo sounder system variable depth aperture controls so that only echoes from the water surface are evaluated will.

3) Device according to claim 1, characterized in that the logic If the echo sounder section is undisturbed, the echo sounder measurements and if the echo sounder section is disturbed forwards the pressure measurements for evaluation 4) Device according to claim 1 - 3 characterized in that a logic with an undisturbed echo sounder path under possibly.

With the help of air pressure measurements in the land station, the water pressure measurements calibrated thereby the zero point pin of the pressure sensor and its pressure electronics zu e3iminieren, 5) device according to claim 1 - 4, characterized in that this additionally equipped with a fixed sound path and with corresponding electronics is in order to reduce the influence of the changes in the speed of sound in the water on the Eliminate measurement results.