DE3322765A1 - Verfahren zur fehlerpruefung einer unterwasserantenne - Google Patents

Description

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FRIED. KRUPP GESELLSCHAFT MIT BESCHRÄNKTER HAFTUNG in Essen

Verfahren zur Fehlerprüfung einer Unterwasserantenne

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fehlerprüfung einer Unterwasserantenne, die aus einer Vielzahl von räumlich nebeneinander angeordneten hydroakustischen Wandlern oder Wandlergruppen besteht und über einer elektrischen Verbindungsleitung mit einem räumlich entfernt angeordneten Sender und/oder Empfänger verbunden ist. Die Wandler oder Wandlergruppen aus wiederum mehreren Einzelwandlern sind in der Regel vergossen und mit einem Hüllkörper umgeben, der mit der Vergußmasse einstückig sein kann.

Solche Unterwasserantennen lassen sich im eingebauten Zustand an Bord nicht prüfen. Bei Verdacht auf Fehlerhaftigkeit muß vielmehr die gesamte Unterwasserantenne ausgebaut und werksseitig durch Auemessen ihrer Richtcharakteristik überprüft werden. Aufgrund des Vergleichs von Soll- und Ist-Richtcharakteriatik kann ein ausgefallener Wandler ungefähr lokalisiert und nach Zerlegen der Unterwasserantenne ausgewechselt werden. Das Ausmessen der Richtcharakteristik ist aber mit noch sehr großen Meßunsicherheiten behaftet, so daß häufig erst mehrere Wandler herausgenommen und separat geprüft werden müssen,

bevor der eigentlich fehlerbehaftete Wandler erkannt wird. Der Ausbau der Wandler bzw. Wandlergruppen ist aber sehr zelt- und kostenintensiv.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Fehlerprüfung von Unterwasserantennen zu schaffen, mit welchem Uhterwaeserantennen der eingangs genannten Art im eingebauten Zustand an Bord fehlergeprüft und alle Wandler oder Wandlergruppen einzeln auf Funktionstüchtigkeit überprüft werden können.

Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zur Fehlerprüfung einer Unterwasserantenne durch die Merkmale im Kennzeichenteil dee Anspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich die Tatsache zunutze, daß die Admittanz-Ortskurve eines Wandlers oder einer Wandlergruppe bei Abstrahlung in Luft größer ist als bei Abstrahlung in Wasser bzw. in den den Wandler umgebenden Kunststoff. Wird nun die Ankopplung des Wandlers ans Wasser bzw. an den Kunststoff fehlerhaft, ζ. Β. durch Abriß der Klebung zwischen Keramik und umhüllenden Kunststoff, so ändert sich die Admittanz des Wandlers signifikant. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird nunmehr die Admittanz jedes Wandlers bzw. jeder Wandlergruppe oder eine dazu proportionale Größe ermittelt und aus einer Admittanzänderung zwischen Soll-Admittanz und Ist-Admittanz auf Vorhandensein eines Wandlerfehlers geschlossen.

Die Bestimmung der Admittanz erfolgt dadurch, daß der Wandlerstrom bzw. Wandlergruppenstrom bezüglich des Prüfsignals in mindestens zwei Abtastzeitpunk-

ten gemessen wird und zwar mindestens einmal dann, wenn das Prüfsignal einen Extremwert annimmt und einmal mindestens dazu um eine Viertelperiode des Prüfsignals verschoben. Wegen der Periodizität des Prüfsignals kann auch der zweite Abtastpunkt um eine Viertelperiode zuzüglich einem ganzzahlig Vielfachen der Periode des Prüfsignals verschoben sein. Durch diese beiden Abtastungen wird der Realteil oder die Inphasekomponente und der Imaginärteil des Wandlerstroms bzw. des Wandlergruppenstroms erfaßt. Setzt man diese noch ins Verhältnis zur Amplitude des Prüfsignals, so erhält man die Admittanz des Wandlers bzw. der Wandlergruppe in Real- und Imaginärteil. Die vektorielle Addition ergibt die Admittanz des Wandlers bzw. der Wandlergruppe nach Betrag und Phase für die Frequenz des Prüfsignals«

Bine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ergibt sich aus Anspruch 2. Durch die erfindungsgemäße Referenzspannung und deren gleiche Abtastung wird die PrüfSignalspannung am Eingang der Unterwasserantenne oder eine dazu proportionale Größe mit Real- und Imaginärteil erfaßt. Da die Abtastung im Maximum und/oder Minimum der Referenzspannung bzw. um eine Viertelperiode dazu phasenverschoben erfolgt, ist der betragsmäßig größte der Abtastwerte immer der Realteil, während der betragemäßig kleinere Abtastwert den Imaginärteil repräsentiert, der bei phasenrichtiger Abtastung Null ist. Durch die Verwendung des Realteils der am Antenneneingang abgegriffenen Referenzspannung bei der Admittanzbestimmung werden aufgrund von Leitungsdämpfungen in der Verbindungsleitung mögliche Fehler eliminiert. Der Imaginärteil der Referenzspannung dient lediglich zur Kontrolle der phasenrichtigen Abtastung.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich auch aus Anspruch 4. Durch die mindestens viermalige phasenrichtige Abtastung des Wandlerbzw, des Wandlergruppenstroms und durch die Bestimmung der Admittanz aus den Differenzen der jeweiligen einander zugehörigen Abtastwerte werden mögliche Offsetspannungen eliminiert und verfälschen nicht das Meßergebnis.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ergibt sich aus Anspruch 5· Durch diese Maßnahme, läßt sich der den Wandler oder die Wandlergruppe durchfließende Strom in einfacher Weise meßtechnisch erfassen.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich aus Anspruch 7· Durch diese Maßnahmen kann die Unterwasserantenne im On-line-Betrieb getestet und somit ständig überwacht werden. Die Erzeugung eines gesonderten Prüfsignals und damit die Bereitstellung eines separaten PrüfSignalgenerators entfällt. Unterwasserantennen mit amplitudengestaffelten und/ oder phasengeschwenkten Wandlerkombinationen können hinsichtlich ihrer Einzelwandler mit gleich guter Fehlererkennung vermessen werden.

Eine vorteilhafte Vorrichtung zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Anspruch 9 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung enthalten die Ansprüche 10 bis 15.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Fehlerprüfung einer Unterwasserantenne im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung einer

Admittanzkurve eines Wandlers in Wasser (ausgezogen) und Luft (strichliniert),

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Vorrichtung

zur Fehlerprüfung einer Unterwasserantenne ,

Fig. 3 Diagramme des zeitlichen Verlaufs der Ausgangsspannungen einiger Bauelemente der Vorrichtung in Fig. 2,

Fig. 4 ein Steuerschema einer Abtaster-Synchronisiervorrichtung zur phasenrichtigen Steuerung eines Abtasters in Fig. 2,

Fig. 5 eine Darstellung der Abtastwerte einer Unterwasserantenne mit vier nebeneinanderliegenden amplitudengestaffelten Wandlern auf einem Oszillographen.

Eine in Fig. 2 mit 20 bezeichnete Unterwasserantenne weist eine Vielzahl von räumlich nebeneinander angeordneten elektrisch parallel geschalteten hydroakustischen Wandlern 21 auf. Die Wandler 21 können als Sende-« und/oder Empfangswandler arbeiten und sind über eine Verbindungsleitung 23 mit einem von der Unterwasserantenne 20 räumlich entfernt angeordneten Sender und/oder Empfänger (hier nicht dargestellt) verbunden. Die Wandler 21 können in bekannter Weise mittels einer hier nicht dargestellten Vorrichtung zur Richtungsbildung amplitudengestaffeit und/oder elektrisch phasenbewertet sein. An-

stelle der Wandler 21 kann die Unterwasserantenne auch eine Vielzahl von hydroakustischen Wandlergruppen 22, sog. Staves, aufweisen. Jede Wandlergruppe besteht aus einer Mehrzahl quer zur Wandlergruppenreihung angeordneter Einzelwandler, die einander parallel geschaltet sind.

Eine solche vorstehend beschriebene Unterwasserantenne 20 wird auf evtl. vorhandene Fehler der Wandler bzw. der Wandlergruppen nunmehr wie folgt geprüft:

Über die Verbindungsleitung 23 wird ein von einem Prüfsignalgenerator 2k erzeugtes, im wesentlichen sinusförmiges Prüfsignal mit vorgegebener Frequenz in die Antenne 20 für eine vorgebbare Zeitdauer eingespeist. Unter sinusförmigen PrüfSignalen werden Signale mit sinus- oder cosinusförmigem Spannungsverlauf mit vorgegebener Amplitude verstanden. Unmittelbar an jedem Wandler 21 bzw. an jeder Wandlergruppe 22 wird während der Zeit der Prüfsignaleinspeisung der die Wandler 21 bzw. Wandlergruppen 22 durchfließende Strom - oder eine dazu proportionale Größe - mindestens zweimal abgetastet. Eine Abtastung erfolgt dann, wenn das Prüfsignal ein Minimum oder ein Maximum annimmt. Die zweite Abtastung erfolgt hierzu um das (^tn+l) -fache einer Viertelperiode des Prüfsignals verschoben, wobei η eine beliebige von Null an laufende ganze Zahl ist. Um zu einer verbesserten Aussage zu kommen, ist es vorteilhaft, die vorstehenden beiden Abtastungen mehrfach vorzunehmen. Diese Abtastwerte, die einmal den Realteil und einmal den Imaginärteil des Wandlers- bzw. Wandlergruppenstroms repräsentieren, werden über die Verbindungsleitung zum Ort der Prüfsignalerzeugung zurückübertragen.

Bei einer zweiadrigen Verbindungsleitung 23, die jeweils endseitig mit Übertragern 30, 31 abgeschlossen ist, können die Abtastwerte mittels . einer sog. Phantomschaltung über die zwei zur Prüfsignaleinspeisung benutzten Adern der Verbindungsleitung 23 erfolgen. Weist die Verbindungsleitung 23 mehr als zwei Adern auf, so können die Abtastwerte über mindestens eine separate Ader 231 der Verbindungsleitung 23 übertragen werden. Die Abtastwerte können mit Hilfe eines Oszillographen 25 dargestellt werden. Ein solches vom Oszillographen 25 wiedergegebenes Bild ist in Fig. 5 für eine Antenne 20 mit vier Wandlern 21 wiedergegeben.

Die sequentiell übertragenen Abtastwerte des Wandler- bzw. Wandlergruppenstroms werden nunmehr mit dem Extremwert, d.h. mit der Amplitude,des Prüfsignals ins Verhältnis gesetzt. Die so gewonnenen beiden Verhältniswerte für jeden Wandler 21 bzw. für jede Wandlergruppe 22 stellen den Real- und Imaginärteil der Admittanz des jeweiligen Wandlers 21 bzw. der jeweiligen Wandlergruppe 22 dar. Falls an den Wandlern 21 nicht der Strom selbst, sondern eine stromproportionale Größe abgetastet wird, erhält man eine admittanzproportionale Größe, aus welcher sich bei Kenntnis der Proportionalitätsfaktoren die eigentliche Admittanz leicht bestimmen läßt. Da die Admittanzen der ordnungsgemäß arbeitenden Wandler 21 bzw. Wandlergruppen 22 der Antenne bekannt sind, lassen sich durch Vergleich der durch die Abtastungen gewonnenen Ist-Admittanzen mit den bekannten Soll-Admittanzen feststellen, ob einer der Wandler 21 bzw. eine der Wandlergruppen 22 defekt ist. Wie einleitend bereits ausgeführt ist, macht sich ein solcher Defekt in einer signifikan-

ten Vergrößerung der Admittanz bemerkbar.

Die Amplitude des Prüfsignals kann theoretisch am Prüfsignalgenerator 2^lt abgenommen werden. ISn aber Meßfehler infolge von Leitungsdämpfungen auszuschließen, wird aus dem am Antenneneingang anstehenden Prüfsignal eine diesem proportionale phasenstarre Referenzspannung abgeleitet. Die Abtastung wird mit dieser Referenzspannung synchronisiert- Die Referenzspannung wird in gleicher Weise abgetastet, und die Abtastwerte werden in gleicher Weise zurückübertragen, wie dies vorstehend für die Abtastwerte des Wandler- bzw. Wandlergruppenstroms beschrieben ist. Auch die Abtastwerte der Referenzspannung werden auf dem Oszillographen 25 dargestellt. ISn weitere Meßfehler auszuschließen, die z. B. durch Offsetspannungen verursacht werden können, ist es vorteilhaft, sowohl die Referenzspannung als auch den Strom in den einzelnen Wandlern 21 bzw. Wandlergruppen 22 zusätzlich zwei weitere Male, und zwar jeweils um eine Halbperiode des Prüfsignals gegenüber den beiden ersten Abtastungen verschoben, abzutasten. Bei der Gewinnung der Verhältniswerte zur Bestimmung der Admittanz werden dann die Differenzen der jeweils um eine Halbperiode gegeneinander verschobenen Abtastwerte verwendet. Durch die Differenzbildung werden damit Offsetfehler, die sich als Gleichspannungsanteile äußern, eliminiert und verfälschen nicht die Berechnung der Admittanz.

Aus meß technischen Gründen wird bei dem vorstehend beschriebenen Verfahren nicht der die Wandler bzw. Wandlergruppen 22 durchfließende Strom unmittelbar abgetastet, sondern eine hierzu proportionale

Größe, und zwar der Spannungsabfall an einem von diesem Strom durchflossenen Verbraucher. Zur Vereinfachung der AdmittanzbeStimmung soll der Wirkoder Blindwiderstand des Verbrauchers vernachlässigbar klein sein, so daß also hier ein ohmscher Widerstand oder z. B. ein Kondensator in Reihe mit den einzelnen Wandlern 21 bzw. Wandlergruppen 22 zu schalten wäre.

Ist zum Betrieb der Antenne 20 bereits ein Sendesignalerzeuger vorgesehen, so kann dieser als Prüfsignalgenerator 24 verwendet werden. Die Fehlerprüfung der Unterwasserantenne 20 kann darm on-line während des Sendebetriebs durchgeführt werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Prüfverfahrens ist in Fig. 2 als Blockschaltbild dargestellt. Jedem Wandler 21 bzw. jeder Wandlergruppe 22 ist ein Meßelement 26 in Reihe geschaltet, das hier als rein ohmacher Widerstand ausgebildet ist. Als Meßelement 26 kann aber ebenfalls ein Kondensator oder eine Induktivität verwendet werden. Zur Erzeugung der zum Prüfsignal phaaenstarren Referenzspannung ist ein Spannungsteiler 27 aus zwei ohmschen Widerständen 271 und 272 vorgesehen, der den parallelen Reihenschaltungen von Wandlern 21 bzw. Wandlergruppen 22 und Meßelementen 26 - und damit dem Eingang der Antenne 20 - parallelgeschaltet ist.

Die Prüfvorrichtung weist ferner einen Abtaster 28 auf, der eingangsseitig sequentiell auf die Spannungsabfälle an dem Spannungsteiler 27 und an der.

Meßelementen 26 zugreift und ausgangsseitig mit einem Abtastwert-Halteglied 29 verbunden ist, das hier als

Hörverstärker ausgebildet ist. Der Ausgang des Abtastwert-Haltegliedes 29 ist an die Verbindungsleitung 23 zwischen Antenne 20 und Prüfsignalgenerator 2k angeschlossen. Die Verbindungsleitung überträgt die am Ausgang des Abtastwert-Haltegliedes 29 anstehenden Abtastwerte auf den Oszillographen 25 am Ort der Prüfsignalerzeugung. Die Übertragung kann einmal durch eine separate Ader der Verbindungsleitung 23 erfolgen. Sind Prüfsignalgenerator 2k und Verbindungsleitung 23 einerseits und Verbindungsleitung 23 und Antenne 20 andererseits über jeweils einen Übertrager 30 bzw. 31 galvanisch entkoppelt, so kann die Übertragung der Abtastwerte vom Ausgang des Abtastwert-Haltgliedes 29 zum Oszillographen 25 durch eine sog. Phantomschal turig erfolgen, indem der Ausgang des Abtastwert-Haltegliedes 29 mit der Mittelanzapfung der Primärwicklung des Übertragers 31 und der y-Eingang des Oszillographen 25 mit der Mittelanzapfung der Sekundärwicklung des Übertragers 30 verbunden wird.

Eine Abtaster-Synchronisiervorrichtung 32 synchronisiert den Abtaster 28 derart auf die am Spannungsteiler 27 anstehende Referenzspannung, daß nacheinander momentane Spannungswerte der am Spannungsteiler 27 und an den Meßelementen 26 abfallenden Spannungen jeweils mindestens einmal an dem Abtastwert-Halteglied 29 anstehen, wenn die Referenzspannung in einem ersten Abtastzyklus ein Maximum und/oder eixi Minimum erreicht und in einem zweiten Abtastzyklus demgegenüber um das (4tn+l) -fache ihrer Viertelperiode verschoben ist. η ist eine beliebige von Null an laufende ganze Zahl. In Fig. 5 ist für eine Antenne 20 mit vier Wandlern 21 das am Oszil-

lographen erscheinende Ergebnis zweier solcher Abtastzyklen dargestellt. Die Abtastwerte des ersten Abtastzyklus entstehen jeweils dann, wenn die Referenzspannung (0) am Spannungsteiler 27 und die Spannungsabfälle (1 bis ¹I) an den Meßelementen 26 von vier parallelgeschalteten Wandlern 21 im Spannungsmaximum der Referenzspannung abgetastet werden, wobei die aufeinanderfolgenden zugehörigen Abtastwerte jeweils um eine Halbperiode der Referenzspannung gegeneinander verschoben abgegriffen werden. Diese Abtastwerte repräsentieren den Realteil der Spannungen. Im zweiten Abtastzyklus werden dann die Imaginäranteile der Spannungsabfälle erfaßt. Die Reihenfolge der Abtastzyklen kann selbstverständlieh vertauscht werden.

In dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbei spiel ist der Abtaster 28 als Multiplexer 33» ζ. Β. vom Typ CD ^053 oder CD ^067, mit Inhibit-Eingang I und Steuereingang S ausgebildet. Die Abtaster-Synchronisiervorrichtung 32 weist einen Steuerimpulsgenerator 3^ und einen damit synchronisierten Adreßgenerator 35 auf. Der Ausgang des Steuerimpulsgenerators 3k ist mit dem Inhibit-Eingang I und der Ausgang des Adreßgenerators 35 mit dem Steuereingang S des Multiplexers 33 verbunden.

Im einzelnen ist mit dem Spannungsabgriff des Spannungsteilers 27 ein Komparator 36 verbunden, der im Nullpunkt schaltet. Der Ausgang des Komparator s 36 ist mit dem Eingang eines Phaselock-Bausteins 37, z. B. des Typs CD ^0^6, verbunden. Dieser Phaselock-Baustein 37 erzeugt ein Ausgangssignal mit der achtfachen Frequenz des Eingangssignals. Der Ausgang des Phaselock-Bausteins 37 ist mit dem

^ Eingang eines Johnson-Teilers 38, ζ. B. des Typs CD 4022, verbunden. An den acht Q-Ausgängen des Johnson-Teilers 38 ist der an seinem Eingang anstehende Impuls mit einer Phasenverschiebung von k5 abnehmbar. Außerdem liefert der Johnson-Teiler 38 an seinem Ausgang einen Carry-Puls mit dem Tastverhältnis 1:1 und einer Frequenz, die einem Achtel der Eingangsfrequenz entspricht. Der Ausgang des Johnson-Teilers 38 ist einerseits auf den Phaselock-Baustein 37 zurückgeführt und andererseits mit dem Adreßgenerator 35 verbunden. Von den acht Q-Ausgängen des Johnson-Teilers 38 werden lediglich die ungeraden Ausgänge Q__f Q,, Q_, Q_ benutzt, so daß die Ausgangsimpulse an diesen Ausgangen gegeneinander um 90 phasenverschoben sind. Die Ausgänge des Johnson-Teilers 38 sind mit einem Multiplexer 39 des Typs CD ^052 verbunden, dessen Ausgang über ein Differenzierglied kO und einen Inverter ^tI mit dem Inhibit-Eingang I des Multiplexers 33 verbunden ist. Der Aufbau dieses Multiplexers 39 ist im Blockschaltbild schematisch dargestellt. Über seinen Steuereingang wird der Multiplexer 39 so gesteuert, daß in dem ersten Abtastzyklus nur der zwischen dem Q. und Q_ umschaltende Schalter 391 und in dem zweiten Abtastzyklus nur der zwischen dem Q- und Q umschaltende Schalter 392 wirksam ist. Die Signalverläufe am Spannungsteiler 27 und an den Ausgängen der einzelnen Bauelemente des Steuerimpulsgenerators ^k sind in Fig. 3 schematisch dargestellt, und zwar am Spannung; sab griff des Spannungsteilers 27 (a), am Ausgang des Komparators 36 (b), am Ausgang dee Phaselock-Bausteins 37 (^)₁ an den Ausgängen Q,, Q„, Q_, Q_ des Johnson-Teilers 38 (d-g), am Carry-Ausgang des Johnson-Teilers 38 - vund damit am Eingang des

Adreßgenerators 35 - (k) und sowohl an dem Ausgang des Differenzierglieds ^li0 (h) als auch am Tnhibit-Eingang I des Multiplexers 33 (i) für den Fall, daß der Q₁ -Ausgang des Johnson-Teilers 38 mit- dem Inhibit-Eingang I des Multiplexers 33 verbunden ist.

Der Adreßgenerator 35 ist als Binärzähler k2, z. ;3. des Typs CD 4520, ausgebildet. Von den acht Q-Aus gangen des Binärzählers 42 wird der Q,-Ausgang freigelassen, um eine doppelte Abtastrate zu erhalten, d.h.· eine solche Abtastung, bei welcher nicht einmal, sondern zweimal zu den angegebenen Abtaafcxei¹;-punkten die Spannungswerte an den Meßelement ei« und am Spannungsteiler 27 abgetastet werden. Der Q.r,-Ausgang und der Q_-Ausgang des Binärzählers dienen der Steuerung des Multiplexers 39· Die Q^-bis Qr-Ausgänge liefern die Adressen für den Multiplexer 33 und sind mit dessen Adreßeingängen, die insgesamt den Steuerei.ngis.ng des Multiplexers 33 kilden, verbunden. Der Qo-Ausgang des iünarzählers 4:.i ist auf seinen Inhibit-Eingang I z.urückgefuhrt« bus letzte Bit des Binärzählers 42 bewirkt damit da.s Rücksetzen des Binärzählers 42.

Das Steuerschema der Abtast-Synchronisiörvorricbtung 32 mit Adreßgenerator 3^ und Stei.ierimpij.lS"· generator Jk ist in Fig. k dargestellt und bedarf keiner weiteren Erläuterungen. Das Steuerschema ist für eine Antenne mit fünfzehn parallelen Wandlern 21 oder parallelen Wandlergruppen 22 ausgelegt. Jeweils ein Eingang 1 bis 15 des Multiplexers 33 ist jeweils mit dem Spannungsabgriff an einem der mit diesen Wandlern 21 baw. Wandlergruppen 22 in Reihe geschalteten Meßelementen 26 verbunden. Der Eingang 0 ist mit dem Teilorabgriff

des Spannungsteilers 27 verbunden. Für Antennen mit einer größeren Anzahl von Wandlern 21 bzw. Wandlergruppen 22 ist der Multiplexer 33 entsprechend zu vergrößern, und entsprechend der

f5 Binär zähler k2.

Zur Decodierung des Zählerinhalts des Binärzählers 42 sind die Q„- bis Qg-Ausgänge und der Q₀-Ausgang des Binärzählers k2 mit einem Digital-Analog-Wandler 4t 3 verbunden, dessen Ausgang mit einer weiteren separaten Ader 232 der Verbindungsleitung 23 verbunden ist. Diese separate Ader kann z. B. mit dem x-Eingang eines in kartesischen Koordinaten darstellenden Aufzeichnungsgerätes verbunden werden, wobei dann der y-Eingang dieses Auf-/-.eichnungsgerätes an die mit dem Ausgang des Abtastw«rt-Haltegliedes 29 verbundenen Ader 231 anzuschließen wäre. Eine Hilfsschaltimg kh dient, da-/.u, den Binärzähler h2 und den Johnson-Teiler 36 nach Erreichen einer bestimmten Mindestspannung, die aus einem Kleinnetzteil h3 abgeleitet wird, nach Beginn der Prüfsignaleinspeisung definiert auf Null zu setzen.

Die Funktionsweise der beschriebenen Prüfvorrichtung läßt sich aus Fig. 3 und ^li ohne weiteres er-2¹J kennen:

Der Prüfsignalgenerator 2k erzeugt ein sinusförmiges Prüfsignal mit der Kreisfrequenz y). Dieses Prüfsignal wird über den Übertrager JO auf die eine symmetrische Leitung- bildenden beiden Aderts. der Verbindungsleitung 23 eingekoppelt und über den Übertrager 31 dertä Antennen eingang und damit den Wandlern 21 bzw. Wandlergruppen 22 und dem Spannungsteiler 27 zugeführt. Im Komparator J6

wird die sinusförmige Referenzspannung (Fig. 3a) in eine phasenstarre Rechteckspannung (Fig. 3b) umgewandelt. Sobald ein Signal am Inhibit-Eingang I des Multiplexers 33 (Fig. 3 i) ansteht, ward der an einem der Eingänge 0 bis 15 des Multiplexers 33 anliegende Spannungswert momentan auf das Abtastwert-Halteglied 29 durchgeschaltet. Dieser Spannungswert wird verstärkt und über die Verbindungsleitung 23 zum Ort der Prüfsignalerzeugung zurückübertragen. Dieser Wert steht am Ausgang des Abtastwert-Haltegliedes 29 so lange an bis der Multiplexer 33 den nächsten Spannungs-Abtastwert auf das Abtastwert-Halteglied 29 durchschaltet.

Wie es leicht anhand des Steuerschemas in FLg. k und des Spannungsverlaufs in Fig. 3 zu verstehen ist, wird in einem ersten Abtastssylclus zunächst die Spannung am Eingang 0 des Multiplexers 33 viermal abgetastet, und zwar zweimal im Nulldurcbgang der Referenzspannung und zweimal um jeweils dazu l80 phasenverschoben. Der Eingang 0 des Multiplexers 33 ist mit dem Spannungsabgriff d*is Spannungsteilers 27 verbunden. Damit wird jeweils die Referenzspannung viermal abgetastet, wobei die; beiden ersten Abtastwerte jeweils den Imaginärteil der Referenzspannung im ersten und dritten Quadranten und die beiden nachfolgenden Abtastwerte den Imaginärteil der Referenzspannung im zweiten und vierten Quadranten repräsentieren. Die Phasenverschiebung um l80 zwischen den Abtastungen kommt dadurch zustande, daß der Multiplexer 39 über den Q_r,-Ausgang des Binärzählers 42 jeweils von seinem Q..-auf seinen Q_-Ausgang umgeschaltet wird (logisch L bzw«, logisch H). Danach wird dann in gleicher Weise der Spannungsabfall an dem Meßelement 26,

■*· das dem ersten Wandler 21 oder der ersten Wandlergruppe 22 zugeordnet ist, abgetastet und nachfolgend alle übrigen Meßelemente 26.

Nach 4 χ l6 =2 Abtastungen wechselt der logische Zustand des Q--Ausgangs des Binärzählers k2 von L auf H. Damit wird der die Ausgänge Q^ und (L, des Johnson-Teilers 38 abwechselnd verbindende Schalter 392 des Multiplexers 39 wirksam und der andere Schalter 391 unwirksam. Nunmehr wird zunächst wiederum der Eingang 0 des Multiplexers 33 mit dem Abtastwert-Halteglied 29 verbunden. Der Steuerimpuls am Inhibit-Eingang I des Multiplexers 33 wird nunmehr aufgrund des wirksamen zweiten Schalters des Multiplexers 39 synchron mit der Be-

l^c> legung der Q~- und Q_-Ausgänge des Johnson-Teilers erzeugt, also, wie aus Fig. 3 d-g ersichtlich, um 90 gegenüber den ersten Abtastungen verschoben. Dadurch wird nunmehr zunächst die Referenzspannung viermal abgetastet, und zwar zunächst zweimal im Spannungsmaxiraum der Referenzspannung und zweimal im Spannungsminimum. Danach werden in gleicher Weise die Spannungsabfälle an den fünfzehn Meßelementen 26 viermal abgetastet, und zwar wiederum je zweimal im Maximum der Referenzspannung und zweimal

2f-i im Minimum. Diese Werte entsprechen den Realteilen der entsprechenden Spannungen im ersten und dritten bzw. im zweiten und vierten Quadranten.

Die Differenzen der jewei3.s um I80 verschobenen, einander zugehörigen Abtastwerte von den Meßelemen-3C ten 26 aus dem ersten und zweiten Abtastzyklus werden nunmehr mit den Differenzen der um I80 verschobenen einander zugehörigen Abtastwerten der Referenzspannung aus dem zweiten Zyklus ins Verhältnis gesetzt. Die Verhältniswerte ergeben Größen,

die dem Imaginär- bzw. Realteil der Admittanz der einzelnen Wandler proportional sind. Bei richtiger Wahl der Proportionalitätsfaktoren erhält man unmittelbar Imaginär- und Realteil der Admittanz der fünfzehn verschiedenen Wandler. Diese Werte können entweder direkt oder nach vektorieller Addition mit den bekannten Admittanzwerten dieser fünfzehn Wand» ler verglichen werden* Bei signifikanter Abweichung zwischen Ist- und Sollwert liegt ein Fehler in dem jeweiligen Wandler vor. Der somit lokalisierte fehlerhafte Wandler kann dann ausgetauscht werden.

Zweckmäßigerweise sind die Resi stanzwerte der als. ohmsche Widerstände ausgebildeten Meßelemente 26 sehr viel kleiner als die Impedanzen der Wandler bzw. Wandlergruppen 22. Wird als Prüfsignal das Sendesignal einer im Sendebetrieb arbeitenden Antenne 20 selbst verwendet, werden die Resistanz™ werte so gewählt, daß der bei Sendespannung an den Meßelementen 26 jeweils entstehende Spannungsabfall in der Größenordnung von 100 mV bis ~> V liegt, Der Spannungsteiler 27 ist so dimensioniert, daß der am Teilerabgriff abnehmbare maximale Wert, die Spannungsamplitude, wesentlich größer ist als der grö-Qle an den einzelnen Meßelementen .-6 auftretende Spannungsabfall. Der Spannungsteiler 27 ist ebenfalls vorzugsweise als reiner Wirkwiderstand aufzubauen. Ist dies nicht möglich, so ist bei der Admittanzberechnung die von der Impedanz des Spannungsteilers verursachte Phasendrehung zu berücksichtigen.

Die Meßelemente 26 können auch z. B. als Kondensatoren ausgebildet werden. In diesem Fall werden bei der vorstehend beschriebenen Vorrichtung im ersten Abtastzyklus zunächst die Realteile und im zweiten Abtastzyklus die Imaginärteile der je-

welligen Spannungen am Spannungsteiler 27 und an den Meßelementen 26 abgetastet und über die Verbindungsleitung 23 zurückübertragen. Dieses Abtastergebnis ist in Fig. 5 für eine Unterwasserantenne mit vier Wandlern 21 bzw. Wandlergruppen 22 dargestellt.

Bei variabler Prüf Signalfrequenz kann die gesainte Ortskurve der Ist-Admit tanz, aller Wandler 21 bzw. Wandlergruppen 22 vermessen werden.

Die vorstehend beschriebene Vorrichtung zur Prüfung einer Unterwasserantenne wird zweckmäßigerweise in die Antenne integriert und von dem Antennerxhüllkörper mit umschlossen. Als Prüfsignalgenerator wird der bereits vorhandene Sender verwendet.

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Claims (1)

1. 3322755

   PATENTANSPRÜCHE

   Verfahren zur Fehlerprüfung einer Unterwasserantenne, die aus einer Vielzahl von räumlich nebeneinander angeordneten hydroakustischen Wandlern oder Wandlergruppen besteht und über eine elektrische Verbindungsleitung mit einem räumlich entfernt angeordneten Sender und/oder Empfänger verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß über die Verbindungsleitung (23) mindestens ein im wesentlichen sinusförmiges Prüfsignal vorgebbarer Frequenz in die Antenne (20) zumindest kurzzeitig eingespeist wird, daß unmittelbar an jedem Wandler (21) bzw. jeder Wandlergruppe (22) der diesen bzw. diese durchfließende Strom oder eine dazu proportionale Größe mindestens zweimal abgetastet wird, und zwar mindestens einmal, wenn das am Antenneneingang anstehende Prüfsignal einen Extremwert annimmt und mindestens einmal dazu um das (Ίη+l)-fache einer Viertelperiode des Prüfsignals verschoben, wobei η eine beliebige von Null an laufende ganze Zahl ist, daß die Abtastwerte sequentiell über die Verbindungsleitung (23) zurückübertragen werden, daß die Abtastwerte mit dem vorzugsweise am Antenneneingang abgegriffenen Extremwert des Prüfsignals ins Verhältnis gesetzt werden und daß mit den so gewonnenen mindestens zwei Verhältniswerten die Admittanz des Wandler (21) bzw. der Wandlergruppen (22) oder eine dazu proportionale Größe bei Prüfsignalfrequenz bestimmt wird.

   KAE 15-82

   14.06.1983
   GAP Sh/jο

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem am Antenneneingang anstehenden Prüfsignal eine diesem proportionale phasenstarre Referenzspannung abgeleitet und die Abtastung mit der Referenzspannung synchronisiert wird, daß die Referenzspannung in gleicher Weise abgetastet wird und die Abtastwerte zurückübertragen werden und daß bei Gewinnung der Verhältniswerte anstelle des Extremwerts des Prüfsignals der betragsmäßig größte Abtastwert der Referenzspannung verwendet wird.

   3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abweichung des betragsmaßig kleineren Abtastwertes der Referenzspannung von Null als Kontrollgröße für eine Abweichung von der phasenrichtigen Abtastung verwendet wird.

   k. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3i dadurch gekennzeichnet, daß der Strom bzw. die stromproportionale Größe und die Referenzspannung mindestens zwei weitere Male um jeweils eine Halbperiode der Referenzspannung gegenüber den beiden ersten Abtastungen verschoben abgetastet werden und daß bei der Gewinnung der Verhältniswerte die Differenzen der jeweils um eine Halbperiode gegeneinander verschobenen Abtastwerte von Strom bzw. stromproportionaler Größe und Referenzspannung verwendet werden.

   5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis k, dadurch gekennzeichnet, daß als stromproportionale Größe der Spannungsabfall an einem zumindest teilweise von dem Wandler, bzw. Wandlergruppenstrom durchflossenen Verbraucher abgetastet wird,

   dessen Wirk- oder Blindwiderstand vorzugsweise Null ist.

   6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5i dadurch gekennzeichnet, daß die Prüfsignalfrequenz gleich der Resonanzfrequenz der Wandler gewählt wird.

   7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer als Sendeantenne arbeitenden Unterwasserantenne (20) die Sendesignale zugleich als Prüfsignale verwendet werden.

   8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5i dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewinnung der Admittanz-Ortskurve der Wandler (21) bzw. Wandlergruppen (22) eine Vielzahl von Admittanzwerten bei jeweils veränderter PrüfSignalfrequenz bestimmt wird.

   9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen Prüfsignalgenerator (2k), der über eine mehradrige Verbindungsleitung (23) an die Unterwasserantenne (20) angeschlossen ist, durch mit den Wandlern (21) bzw. Wandlergruppen (22) in Reihe geschaltete Meßelemente (26) mit vorzugsweise vernachlässigbar kleinem Blind- oder Wirkwiderstand, wie Widerstand, Kondensator od. dgl., durch einen den Reihenschaltungen von Meßelementen (26) und Wandlern (21) bzw. Wandlergruppen (22) parallelgeschalteten Spannungsteiler (27) zur Erzeugung der Referenzspannung, durch ein ,ausgangsseitig an der Verbindungslei-

   tung (23) angeschlossenes Abtastwert-Halteglied (29), durch einen sequentiell auf die Spannungβabfalle an dem Spannungsteiler (27) und den Meßelementen (26) zugreifenden Abtaster (28), der ausgangsseitig mit dem Abtastwert-Halteglied (29) verbunden ist, und durch eine Abtaster-Synchronisiervorrichtung (32), die den Abtaster (28) auf die Referenzspannung derart synchronisiert, daß nacheinander momentane Spannungswerte der am Spannungsteiler (27) und an den Meßelementen (26) abfallenden Spannungen jeweils dann mindestens einmal an dem Abtastwert-Halteglied (29) anstehen, wenn die Referenzspannung in einem ersten Abtastzyklus ein Maximum und/oder ein Minimum erreicht und in einem zweiten Abtastzyklus demgegenüber um das ('tn+l)-fache ihrer Viertelperiode verschoben ist, wobei η eine beliebige von Null an laufende ganze Zahl ist, oder umgekehrt.

   10. Vorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Abtaster (28) als Multiplexer (32) mit Inhibit- und Steuereingang (I, S) ausgebildet ist, daß die Abtaster-Synchronisiervorrichtung (32) einen eingangsseitig an den Spannungsteiler (27) und ausgangsseitig an den Inhibit-Eingang (I) angeschlossenen Steuerimpulsgenerator (3^) und einen damit synchronisierten Adreßgenerator (35) aufweist, der mit dem Steuereingang (S) des Multiplexers (33) verbunden ist.

   11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Adreßgenerator (35) als Bi-

   närzähler (k2) auegebildet ist, dessen Ausgänge (Q- bis Qq) mindestens teilweise Adreßausgänge (Q- bis Qg) bilden und insoweit mit den Adreßeingangen des Steuereingangs (S) des Multiplexers (33) verbunden sind, daß die Adreßausgänge (Q„ bis Q^-) ferner mit einem Digital-Analog-Wandler (k3) verbunden sind, dessen Ausgang an einer separaten Ader (23l) der Verbindungsleitung (33) angeschlossen ist.

   12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanzwerte, vorzugsweise Resistanz- oder Reaktanzwerte, der Meßeleraente (26) sehr viel kleiner als die Impedanzen der Wandler (21) bzw. Wandlergruppen (22) und vorzugsweise derart bemessen sind, daß bei einem Prüfsignal, das am Sendesignal im Sendebetrieb der Unterwasserantenne (20) entspricht, der jeweilige Spannungsabfall an den Meßelementen (26) in der Größenordnung von 100 mV bis 5 V liegt.

   13· Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler (27) so dimensioniert ist, daß die am Teilerabgriff abnehmbare maximale Spannungsamplitude wesentlich größer ist als der größte Spannungsabfall an den Meßelementen (26).

   14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13» dadurch gekennzeichnet, daß der Spannungsteiler (27) ein reiner Wirkwiderstand ist.

   15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15» dadurch gekennzeichnet, daß der Prüfsignalgene-

   rator (24) und die Verbindungsleitung (23) einerseits und die Verbindungsleitung (23) und die Unterwasserantenne (20) andererseits über jeweils einen Übertrager (30» 31) galvanisch entkoppelt sind, daß der Ausgang des Abtastwert-Halteglieds (29) mit einer Mittelanzapfung der in der Verbindungsleitung (23) angeordneter Primärwicklung des antennenseitigen Übertragers (31) verbunden ist und daß die Abtastwerte an einer Mittelanzapfung der in der Verbindungsleitung (23) angeordneten Sekundärwicklung des prüfsignalgeneratorseitigen Übertragers (30) abnehmbar sind.