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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Windmesser
vom Typ umfassend eine Anordnung von emittierenden und
empfangenden Ultraschallsonden, die so angeordnet sind, daß
sie mindestens drei verschiedene
Ultraschallübertragungsbahnen in der Luft definieren, und eine Vorrichtung zur
Messung der Ausbreitungszeiten der Ultraschalle entlang der
verschiedenen Bahnen sowie zur Berechnung der Windrichtung
und -geschwindigkeit aufgrund der gemessenen
Ausbreitungszeiten.
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Es gibt viele Windmesser ganz unterschiedlichen
Typs, doch kann man mit keinem von ihnen unter schwierigen
Bedingungen, insbesondere bei Reif und Schnee, die
Windgeschwindigkeit mit der gewünschten Genauigkeit und mit
genügender Autonomie messen.
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So wird die Funktion von rotierenden Windmessern
durch Reif empfindlich gestört, da der Reibungskoeffizient
der mechanischen Antriebe verändert wird. Zwar können
Reifanlagerungen durch Wärme verhindert werden, doch ist der
Energieverbrauch so hoch, daß die Autonomie sehr begrenzt
ist. Rotierende Windmesser haben außerdem den Nachteil, daß
sie Resultate mit Abweichungen liefern, die unter extremen
Bedingungen (sehr hohe Windgeschwindigkeiten) erheblich
sein können.
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Windmesser ohne beweglichen Teil weisen weniger
Nachteile als rotierende Windmesser auf, doch ist ihre
Funktionsfähigkeit durch Reif- oder Schneeablagerungen auf
ihren empfindlichen Komponenten wie dem Pitotrohr oder
Hitzdraht beeinträchtigt. Diese Empfindlichkeit für Reif
und Schnee findet sich ebenfalls bei den bekannten
Ultraschallwindmessern.
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Letztere bergen noch weitere Nachteile. In
bestimmten Fällen (z.B. US-A-3 633 415) wird die Ausbreitungszeit
zwischen einer emittierenden und einer empfangenden Sonde
durch Messung der Zeitspanne zwischen dem Aussenden eines
Signals und dem Empfang dieses Signals ermittelt, das durch
das Überschreiten einer Schwelle durch das Ausgangssignal
der empfangenden Sonde erfaßt wird. Diese Meßweise reagiert
aber auch auf Störsignale und erfordert die Ausstrahlung
eines Signals relativ hoher Energie, was der Autonomie des
Geräts schadet.
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In anderen Fällen wird die Messung aufgrund der
Phasendifferenz zwischen ausgesandtem und empfangenem
Signal vorgenommen (z.B. FR-A-2 408 145). Auf der Grundlage
der Frequenz des Ultraschallsignals und der Entfernung
zwischen der emittierenden und der empfangenden Sonde
bezieht sich die Phasendifferenz auf mehrere Perioden des
Ultraschallsignals. Es können dann Meßfehler entstehen,
weil man den Null-Phasendifferenzbezug verliert.
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Daher hat die vorliegende Erfindung zum Ziel, einen
Ultraschallwindmesser zu liefern, dessen Funktion durch
Rauhreif oder Schnee nicht beeinträchtigt wird, und der
keinen hohen Energiebedarf und von daher eine große
Autonomie aufweist, und mit dem zuverlässige Messungen der
Ausbreitungszeiten der Ultraschalle zwischen emittierender
und empfangender Sonde gewährleistet sind.
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Dieses Ziel wird mit einem Ultraschallwindmesser
der oben angegebenen Art erreicht, bei dem gemäß der
Erfindung
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- die emittierenden bzw. Emitter- und die
empfangenden bzw. Empfängersonden Niederfrequenzsonden sind,
wobei jede Emittersonde dazu bestimmt ist, ein
Ultraschallsignal in Form eines festgelegten Wellenzugs bei einer
Ultraschallfrequenz zwischen 10 und 200 kHz auszusenden,
und
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- die Meß- und Rechenvorrichtung Vorrichtungen zur
Messung der Ausbreitungszeit durch Korrelation zwischen dem
von einer Emittersonde ausgesandten Signal und dem von
mindestens einer Aufnahme- bzw. Empfängersonde empfangenen
Signal aufweist.
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Durch die Verwendung von Niedrigfrequenzen, die
sich von dem unterscheidet, was allgemein bei bekannten
Ultraschallwindmessern üblich ist, geht man den Problemen
der Reflexion und der Brechung der Ultraschallwellen auf
ihrer Bahn aufgrund möglicher Hindernisse, auf die sie
stoßen könnten (Schnee, Sand, Nebel, ...), aus dem Weg.
Außerdem wird die Empfindlicheit für Schnee und Rauhreif
dadurch verringert, daß die Wellen Störmaterial besser
durchdringen können. Daher ist es sinnvoll, jede Sonde
gegen Rauhreifablagerungen mit einem Schwinggewebe zu
verkleiden, das das Durchkommen von Ultraschallschwingungen
nicht wesentlich stört.
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Indem man die Ausbreitungszeit durch Korrelation
mißt, geht man den oben beschriebenen, mit der
Empfangserfassung durch Überschreiten einer Schwelle oder der
Phasendifferenzmessung verbundenen Nachteilen aus dem Weg.
Um eine so aussagekräftige Korrelation wie möglich
durchzuführen, weisen die verwendeten Emitter- und
Empfängersonden vorzugsweise einen weiten oder erweiterten
Durchlaßbereich auf.
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Die Korrelation kann auf nur zwei Ebenen
durchgeführt werden, d.h. nach Digitalisierung der ausgesandten
und empfangenen Signale auf nur einem Bit.
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Alle Emitter- und Empfängersonden können so
angeordnet werden, daß sie ein redundantes System bilden, d.h.
ein System, mit dem eine Anzahl von Messungen der
Ausbreitungszeit vorgenommen werden kann, die über der notwendigen
Mindestanzahl zur Bestimmung des Vektors
Windgeschwindigkeit (Richtung und Verhältniszahl) liegt. Diese
Mindestanzahl ist gleich vier, wenn die
Schallgeschwindigkeit in der Umgebungsluft unbekannt ist, oder drei, wenn
diese Geschwindigkeit bekannt ist, beispielsweise bestimmt
durch eine Messung der Umgebungstemperatur. Dank der
Redundanz können die Messungen auch bei Ausfall einer Sonde
fortgesetzt, ein Vertrauensbereich für jede Messung
festgelegt und ein eventueller systematischer Fehler festgestellt
werden.
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Vorzugsweise sind die Emitter- und Empfängersonden
Mehrrichtungssonden und bilden eine Anordnung, in der jede
Emittersonde ein Ultraschallsignal aussendet, das von
mehreren Empfängersonden aufgenommen werden kann.
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So kann mit einer Mindestzahl an Sonden ein
redundantes System erreicht werden.
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Andere Besonderheiten und Vorteile des Windmessers
der Erfindung gehen aus der Lektüre der nachfolgenden
Beschreibung hervor, die beispielhaften, aber nicht
erschöpfenden Charakter hat und sich auf folgende
Zeichnungen bezieht, auf denen:
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- Fig. 1 eine sehr schematische Ansicht einer
Ausführungsart eines Ultraschallwindmessers der Erfindung
darstellt;
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- Fig. 2A und 2B Detailansichten zur
Erweiterungsmontage des Durchlaßbereichs der Sonden des Geräts der
Fig. 1 sind;
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- Fig. 3A, 3B und 3C Kurven sind, die die
Erweiterung des Durchlaßbereichs darstellen, die mit der
Montagevorrichtung der Fig. 2 erreicht wurde;
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- Fig. 4 Diagramme zeigt, die ein von einer Sonde
ausgestrahltes Signal und dasselbe, von einer anderen Sonde
empfangene Signal darstellen, um das Prinzip der
Ausbreitungszeitmessung durch Korrelation zu verdeutlichen;
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- Fig. 5 ein Organigramm ist, das die während eines
Meßzyklus vorgenommenen, sukzessiven Schritte darstellt,
und
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- Fig. 6 eine Detailansicht einer mit einer
Schutzvorrichtung in Form von Schwinggewebe versehenen
Ultraschallsonde ist.
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Ein Ultraschallwindmesser umfaßt eine Anordnung von
emittierenden und empfangenden Ultraschallsonden, die
mindestens drei unterschiedliche, nicht koplanare
Übertragungsbahnen für die Ultraschalle jeweils zwischen
einer emittierenden und einer empfangenden Sonde
definieren. Durch die Messung der Ausbreitungszeiten der
Ultraschalle entlang der drei Bahnen kann man, in Kenntnis der
Schallgeschwindigkeit in der Umgebungsluft, die Richtung
und Geschwindigkeit des Winds berechnen, beispielsweise in
Form von Komponenten des Vektors Geschwindkeit entlang drei
rechtwinklig zueinander angeordneten Achsen. Wenn die
Schallgeschwindigkeit nicht bekannt ist, ist eine Messung
der Ausbreitungszeit entlang einer vierten, von den drei
anderen verschiedenen Bahn notwendig, um die gestellte
Aufgabe zu lösen.
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Mit Bezug zur Fig. 1 wird nachfolgend eine
besondere Ausführungsart eines Windmessers der vorliegenden
Erfindung beschrieben.
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Der auf Fig. 1 dargestellte Ultraschallwindmesser
umfaßt vier emittierende Ultraschallsonden E1, E2, E3, E4
sowie vier aufnehmende Ultraschallsonden R1, R2, R3, R4.
Die Sonden sind paarweise angeordnet und umfassen jeweils
eine Emitter- und eine Empfängersonde, die Seite an Seite
angeordnet sind. Im gezeigten Beispiel befinden sich die
vier Sondenpaare an der Spitze eines regelmäßigen
Tetraeders (dessen Schenkel auf Fig. 1 durch strichgepunktete
Linien dargestellt sind).
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Die Sonden sind Mehrrichtungssonden und so
ausgerichtet, daß der Emitter- oder Aufnahmekegel jeder Sonde
eines Paars die Sonden der drei anderen Paare einschließt.
Im dargestellten Beispiel ist die Achse des Emitter- oder
Empfangskegels aller Sonden zum Schwerpunkt des Tetraeders
hin orientiert, an deren Spitze sie sitzen. Auf diese Weise
wird ein von einer Emittersonde ausgesandtes Signal von
drei verschiedenen Empfängersonden aufgenommen. Alle Sonden
bilden somit zusammen 12 verschiedene Bahnen für die
Ultraschalle, wodurch, unter Berücksichtigung des oben Gesagten,
ein redundantes System hergestellt ist.
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Natürlich kann auch jegliche andere Anordnung der
Emitter- und Empfängersonden vorgesehen werden,
vorausgesetzt, es ergeben sich mindestens drei verschiedene, nicht
koplanäre Bahnen, wenn die Schallgeschwindigkeit in der
Umgebungsluft bekannt ist, oder vier verschiedene, nicht
koplanäre Bahnen, wenn die Schallgeschwindigkeit in der
Umgebungsluft nicht bekannt ist.
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Außerdem kann man anstelle der Emittersonden, die
sich von den Empfängersonden unterscheiden, Sonden
verwenden, die sowohl aufnehmen als auch emittieren, indem
geeignete Umstellvorrichtungen für ihre Funktionsweise
vorgesehen werden.
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In dem auf Fig. 1 dargestellten Beispiel werden die
Sonden von einem Aufbau getragen, der sich aus Haltearmen
11, 12, 13, 14 zusammensetzt, die so angeordnet sind, daß
sie die Bahnen der Ultraschalle zwischen den Sonden nicht
stören. Die Arme verbinden die Sonden mit einem Fuß 16.
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Die Arme 11 bis 14 und der Fuß 16 sind röhrenförmig
und dienen als Führung für die Durchführung der Stromleiter
18, die jede Sonde an einen Schaltkreis 20 zur Erregung der
Emittersonden und Behandlung der von den Empfängersonden
produzierten Elektrosignale anschließen.
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Gemäß einer der Eigenschaften der Erfindung wird
jede Ausbreitungszeit der Ultraschalle zwischen einer
Emitter- und einer Empfängersonde durch Korrelation zwischen
dem von der Emittersonde ausgegebenen Signal und dem von
der Empfängersonde aufgenommenen Signal gemessen.
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Um die Korrelation so aussagekräftig wie möglich zu
machen, weisen die verwendeten Ultraschallsonden
vorzugsweise einen weiten oder erweiterten Durchlaßbereich auf.
Die Erweiterung des Durchlaßbereichs einer Sonde,
beispielsweise der Sonde E1, wird durch Impedanzanpassung mit
Hilfe eines Stromkreises vom Typ R, L, C erreicht, dessen
Komponenten im gleichen Gehäuse untergebracht sind wie der
den piezoelektrischen Ultraschallwandler der Sonde
tragenden. Auf Fig. 2A und 2B wird ein solcher
Impedanzanpassungsschaltkreis jeweils für einen Wandler TE einer
Emittersonde und für einen Wandler TR einer Empfängersonde
dargestellt. Beim Aussenden weist der
Impedanzanpassungsschaltkreis eine Induktanz LE in Serie mit einem Widerstand
RE an einer ersten Klemme des Wandlers TE (Eingangsklemme)
auf, wobei die andere Klemme des Wandlers Masse hat. Beim
Empfang weist der Impedanzanpassungsschaltkreis eine
Induktanz LR und einen parallelen Widerstand RR zwischen einer
ersten Klemme des Wandlers TR (Ausgangsklemme) und der
Masse auf, wobei die andere Klemme des Wandlers Masse hat.
Die kapazitive Komponente der
Impedanzanpassungsschaltkreise wird durch die Streukapazität der Wandler
hergestellt.
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In dem weiter oben geschilderten Fall eines
Wandlers, der sowohl als Emitter als auch als Empfänger
fungieren kann, wird ein vom Schaltkreis 20 gesteuerter
Schaltkreis an die erste Klemme des Wandlers angeschlossen, um
diese entweder mit einer Eingangsklemme zu verbinden, und
zwar über einen Impedanzanpassungsschaltkreis wie den auf
Fig. 2A dargestellten, oder mit einer Ausgangsklemme über
einen Impedanzanpassungsschaltkreis wie den auf Fig. 2B
dargestellten.
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Fig. 3A und 3B zeigen die
Spannung-Frequenz-Übertragungslinien einer Sonde vor und nach der
Impedanzanpassung. Auf Fig. 3A sieht man, daß die Sonde vor der
Impedanzanpassung einen relativ engen Durchlaßbereich
aufweist, der auf die spezifische Frequenz Fc der Sonde
zentriert ist. Der durch die Erweiterung durch
Impedanzanpassung erlangte Effekt ist auf Fig. 3B dargestellt.
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Dieser Erweiterungseffekt kann beim Empfang durch
Codierung des empfangenen Signals auf zwei Ebenen oder
Alles-oder-nichts-Codierung (1 oder 0) verstärkt werden,
indem für eine gegebene Ausstrahlungskraft eine
Spannungsschwelle gewählt wird, die einer so extrem wie möglichen
Frequenz an jedem Ende des Durchlaßbereichs entspricht. Die
gestrichelten Linien auf Fig. 3C stellen den
Durchlaßbereich nach Anpassung, aber vor dem Vergleich mit der
festgelegten Spannungsschwelle (gleiche Kurve wie auf
Fig. 3B) dar, und die ununterbrochene Linie zeigt den
Durchlaßbereich nach Vergleich mit der festgelegten
Schwelle.
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Gemäß einer weiteren Besonderheit der Erfindung
sind die verwendeten Ultraschallsonden
Niederfrequenzsonden, d.h. mit einer spezifischen Frequenz zwischen 10
und 200 kHz, vorzugsweise zwischen 15 und 40 kHz.
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Die Korrelation wird zwischen dem ausgesandten und
dem empfangenen Signal, die beide auf einem Bit (d.h. zwei
Zuständen) codiert sind, durchgeführt.
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Im gezeigten Beispiel ist das emittierte Signal für
alle Emittersonden gleich und weist die Form eines
vorbestimmten Wellenzugs auf (Linie a der Fig. 4). Das für das
auf zwei Ebenen codierte, emittierte Signal stehende
numerische Wort wird in einem Speicher 22 gespeichert, der zum
Schaltkreis 20 gehört (Fig. 1). Die sukzessiven Bits, die
das im Speicher 22 gespeicherte Wort bilden, werden
sequentiell gelesen, und zwar durch Ansteuerung der Adressierung
des Speichers 22 mit Hilfe von Signalen, die von einem
Steuer- und Rechenstromkreis 30 mit Mikroprozessor
geliefert werden. Der Speicher 22 kann ein Fest- oder ROM-
Speicher sein, in dem das das emittierte Signal
darstellende numerische Wort fortlaufend gespeichert wird, oder
ein Arbeits- oder RAM-Speicher, der vom Stromkreis 30
geladen wird. Der Leserhythmus der Bits und die innere
Codierung der Sequenz werden so gewählt, daß sie ein
frequenzmoduliertes Analogsignal mit einer
Bandmittenfrequenz von vorzugsweise zwischen 20 und 30 kHz und mit
einem Durchlaßbereich von vorzugsweise zwischen 5 und
10 kHz bilden. Dieses Signal wird auf den Eingang eines
Demultiplexer-Schaltkreises 26 mit vier Ausgängen
appliziert, an die die Emittersonden E1 bis E4 über
entsprechende Verstärker 281 bis 284 angeschlossen sind. Die
Befehlssignale des Demultiplexer-Schaltkreises 26 werden
vom Stromkreis 30 in der Weise geliefert, daß eine
ausgewählte Emittersonde erregt wird.
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Als Reaktion auf die Ausgabe des von einer
Emittersonde bestimmten Ultraschallwellenzugs nehmen die
Empfängersonden (außer der Sonde, die direkt neben der
Emittersonde liegt) diesen Wellenzug mit den den
Ausbreitungszeiten der Ultraschallwellen bis zu ihnen entsprechenden
Verzögerungen auf. Die Linie b auf Fig. 4 zeigt den von
einer Sonde nach einer Verzögerungszeit t empfangenen
Wellenzug. Die Bestimmung der Ausbreitungszeit erfolgt,
indem der Wert der Zeitverzögerung zwischen ausgesandtem
und empfangenem Signal ermittelt wird, bei dem die
Überlagerung der beiden Signale am größten ist.
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Die von den Sonden R1 bis R4 produzierten
elektrischen Signale werden mit Hilfe von entsprechenden
Verstärkern 321 bis 324 verstärkt und dann auf entsprechende
Analog-Digital-Umsetzerschaltkreise 34&sub1; bis 34&sub4; appliziert.
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Im betrachteten Fall einer Codierung auf nur zwei
Ebenen besteht jeder Umsetzerschaltkreis 34&sub1; bis 34&sub4; aus
einem Komparator, dessen Auslöseschwelle wie oben anhand
Fig. 3C beschrieben gewählt wird. Die am Ausgang der
Umsetzerschaltkreise 34&sub1; bis 34&sub4; verfügbaren Bits werden auf die
entsprechenden Eingänge eines Multiplexers 36 appliziert,
dessen Ausgang an einen Arbeits- oder RAM-Speicher 38
angeschlossen ist. Die Erfassung im Speicher 38 erfolgt im
Rhythmus der Adressierungs-Ansteuerungssignale, die vom
Stromkreis 30 produziert und auf den Speicher 38 appliziert
werden, wobei der Erfassungsrhythmus im Speicher 38 dem
Leserhythmus im Speicher 22 entspricht.
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Im betrachteten Beispiel umfaßt ein Basismeßzyklus
die Erfassung von 12 numerischen Worten, die den von den
Empfängersonden produzierten Signalen für die 12
Ultraschallbahnen entsprechen, in bestimmten Bereichen des
Speichers 36. Jeder Meßzyklus umfaßt vier Unterzyklen, die
durch sukzessive Ansteuerung der vier Emittersonden
durchgeführt werden. Jeder Unterzyklus umfaßt eine Folge von
drei sukzessiven Ausstrahlungen des codierten
Ausgabesignals. Der Multiplexer 36 wird von den vom Stromkreis 30
produzierten Signalen angesteuert, damit während jedes
Unterzyklus die sukzessive Erfassung der numerischen Worte,
die den von den drei Empfängersonden, die die von der
angesteuerten Emittersonde ausgestrahlten Signale empfangen,
produzierten Signalen entsprechen, ermöglicht wird.
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Die Erfassung des codierten und von einer
Empfängersonde produzierten Signals im Speicher 38 erfolgt
während einer Zeitspanne, die zum Zeitpunkt tm beginnt und
beim Zeitpunkt tM nach Beginn der Aussendung des Wellenzugs
durch die Emittersonde endet. Die Zeiten tm und tM werden
so gewählt, daß die gemessenen Ausbreitungszeiten unter
allen Umständen in einer Zeitspanne zwischen tm und tM
liegen.
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Die Korrelationsbehandlung der ausgestrahlten und
digitalisiert empfangenen Signale besteht folglich darin,
den Zeitabstand dt zwischen den erfaßten ausgestrahlten und
empfangenen Signalen herauszufinden, während dessen die
Überlagerung der beiden Signale am größten ist. Die
gesuchte Ausbreitungszeit t ist dann gleich tm + dt
(Fig. 4).
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Vorausgesetzt, daß das ausgestrahlte,
digitalisierte Signal die Form eines Wortes aus n Bits und das
empfangene, digitalisierte Signal die Form eines Wortes aus
N Bits hat (N größer n), besteht die Korrelationsbehandlung
in der Praxis darin,
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- ein logisches UND zwischen jedem Bit des
ausgesandten Wortes und dem entsprechenden Bit unter den n
ersten des empfangenen Worts herzustellen, z.B.:
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ausgesandtes Wort: 1 1 0 0 0 1 1 1
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empfangenes Wort: 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 0 0 0
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Ergebnis: 0 0 0 0 0 1 1 0
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- die Anzahl von Einsen im Ergebnis zu zählen
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- das empfangenene Wort eines Bits nach links zu
verschieben, und
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- die gleichen Schrittte bis zur (N-n)ten
Verschiebung zu wiederholen.
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Die gesuchte zeitliche Verschiebung dt ist dann die
der Verschiebung des empfangenen Worts, wofür die Anzahl
von Einsen im Ergebnis am höchsten ist.
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Die Korrelationsbehandlung wird durch Programm mit
Hilfe des Stromkreises 30 mit Mikroprozessor vorgenommen.
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Anhand der zwölf im Speicher 38 während eines
Basismeßzyklus gespeicherten numerischen Worte können zwölf
Ausbreitungszeiten bestimmt werden, die den Bahnen in einer
Richtung und in die andere Richtung entlang der sechs
Schenkel des Tetraeders entsprechen, an dessen Spitze die
Sonden sitzen.
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Diese redundante Meßreihe kann auf mehrere Arten
ausgewertet werden.
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Zunächst können die empfangenen, digitalisierten
Signale einer Kohärenzprüfung unterzogen werden, damit nur
solche berücksichtigt werden, in denen die Anzahl an Einsen
in einem vorbestimmten Wertebereich liegt, der vom
numerischen Motiv abhängt, der dem ausgestrahlten Signal
entspricht.
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Unter den empfangenen Signalen, die die
Kohärenzprüfung bestanden haben, kann eine begrenzte Anzahl
berücksichtigt werden, damit nur die absolut notwendige
Mindestanzahl an Ausbreitungszeitwerten entlang der
verschiedenen, nicht koplanären Bahnen erhalten wird, anhand
derer man die Windgeschwindigkeit und -richtung berechnen
kann. Diese Mindestanzahl ist gleich drei, wenn die
Schallgeschwindigkeit auf der Grundlage beispielsweise einer mit
einem im Apparat vorhandenen Fühler vorgenommenen
Temperaturmessung bekannt ist. Diese Mindestanzahl ist gleich
vier, wenn die Schallgeschwindigkeit eine zusätzliche
Unbekannte ist.
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Als Beispiel sucht man die Komponenten vx, vy, vz
des Vektors Windgeschwindigkeit in einem
Vergleichskoordinatensystem, das von den gegenseitig rechtwinkligen
Achsen Ox, Oy und Oz gebildet wird, die wie folgt definiert
sind (Fig. 1):
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- Mittelpunkt 0 im Mittelpunkt des von den
Sondenpaaren E1-R1, E2-R2, E3-R3 und E4-R4 gebildeten Dreiecks
gelegen,
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- Achse Ox geht durch die von den Sonden E1-R1
besetzte Spitze,
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- Achse Oy ist Parallel zum Schenkel, der die von
den Sonden E2-R2 und E3-R3 besetzten Spitzen verbindet,
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- Achse Oz geht durch die von den Sonden E4-R4
besetzte Spitze.
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Wenn man mit tij die Ausbreitungszeit entlang des
Wegs bezeichnet, der die Emittersonde Ei mit der
Empfängersonde Rj verbindet (wobei i und j zwischen 1 und 4 liegen
und i nicht gleich j ist), und mit ij die Komponente
(Verhältniszahl und Vorzeichen) des Vektors
Windgeschwindigkeit entlang einer Achse bezeichnet, die parallel zu
diesem Weg verläuft und von der Emittersonde zur
Empfängersonde hin orientiert ist, erhält man:
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wobei d die Länge der Ausbreitungswege, d.h. die Länge der
Schenkel des Tetraeders und c die Schallgeschwindigkeit
ist.
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Mit dem obenstehenden Gleichungssystem, das die
verschiedenen Werte für ij liefert, kann man die gesuchten
Komponenten vx, vy und vz berechnen, indem man drei
Gleichungen (wenn c bekannt ist) oder vier Gleichungen
(wenn c unbekannt ist) von denen nimmt, die den auf der
Grundlage der erhaltenen Signale, die die Kohärenzprüfung
bestanden haben, berechneten Zeiten entspricht.
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Die Redundanz kann auch genutzt werden, indem man
eine Berechnung anstellt, bei der eine für
Redundanzprobleme geeignete mathematische Methode angewandt wird und
die Komponenten des Vektors Windgeschwindigkeit berechnet
werden können, indem man für diese einen Vertrauensbereich
festlegt.
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Solche mathematischen Methoden sind an sich
bekannt. Als Beispiel kann man sich auf die von Tarantola
und Valette in Reviews of Geophysics and Space Physics,
Vol. 20, No. 2, S. 219-232, Mai 1982, beschriebene Methode
der inversen Auflösung von Systemen* beziehen.
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Als zusätzlicher Vorteil der Redundanz ergibt sich
die Möglichkeit, einen eventuellen systematischen Fehler
festzustellen. Dieser kann nämlich als eine zusätzliche
Unbekannte gelten, was zu einem neuen redundanten System
führt, dessen Redundanz im Vergleich zum vorhergehenden
System um 1 verringert wird.
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Fig. 5 ist ein Organigramm, das die verschiedenen
Hauptphasen des vom Stromkreis mit Mikroprozessor 30 in
Gang gesetzten Prozesses zusammenfaßt. Diese verschiedenen
Phasen sind:
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- Ansteuerung einer Emittersonde Ei (Etappe 41)
durch Ansteuerung des Demultiplexers 26, ausgehend von
i = 1 bis i = 4;
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- Ansteuerung des von einer Empfängersonde Rj
(Etappe 42) produzierten Signals, durch Ansteuerung des
Multiplexers 36, wobei man j zwischen 1 und 4 schwanken
läßt und j ungleich i ist;
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- Ausstrahlung des vorbestimmten Wellenzugs
(Etappe 43) durch Lesebefehl des in den Speicher 22
eingespeicherten numerischen Worts;
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- Einspeicherung des angesteuerten und
digitalisierten Signals in einen ersten Bereich des Speichers 38
zwischen den Zeitpunkten tm und tM gemäß der Ausstrahlung
(Etappe 44);
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- Ansteuerung des von einer zweiten Empfängersonde
produzierten Signals (j = j+1 und zurück zur Etappe 42),
neuerliche Ausstrahlung des vorbestimmten Wellenzugs und
Einspeicherung des neuen angesteuerten Signals in einem
zweiten Bereich des Speichers 38;
* Anm. d. Übers.: Da die entsprechende Abhandlung nicht
vorlag, war eine genaue Übersetzung der beschriebenen
Methode nicht möglich
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- Ansteuerung des von einer dritten Empfängersonde
produzierten Signals (zurück zur Etappe 42), neuerliche
Ausstrahlung des vorbestimmten Wellenzugs und
Einspeicherung des neuen angesteuerten Signals in einem dritten
Bereich des Speichers 38;
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- Prüfung j = 4 (Etappe 45) und Rückkehr zur
Etappe 41 zum Ansteuern der zweiten Emittersonde (i = i+1)
und Wiederholung der oben ausgeführten Schritte der
Ansteuerung der dritten und vierten Emittersonde auf die
gleiche Art;
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- wenn alle Emittersonden angesteuert wurden
(Prüfung i = 4 bei Etappe 46), Durchführung der
Kohärenzprüfung an den gespeicherten, digitalisierten Signalen
(Etappe 47), indem man sicherstellt, daß die Anzahl Einsen
in den numerischen Worten, die diese Signale darstellen,
zwischen zwei vorbestimmten Werten liegt;
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- Berechnung der Ausbreitungszeiten tij durch
Anwendung eines im Festspeicher des Stromkreises mit
Mikroprozessor 30 gespeicherten Korrelationsprogramms;
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- Berechnung der Komponenten vx, vy, vz durch
Anwendung eines im Festspeicher des Stromkreises mit
Mikroprozessor 30 gespeicherten Rechenprogramms (Etappe 49);
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- Speicherung der berechneten numerischen Werte der
Komponenten vx, vy, vz im Arbeitsspeicher des Stromkreises
mit Mikroprozessor 30 (Etappe 50) und
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- Übermittlung der berechneten Werte von vx, vy, vz
an ein Verwaltungszentrum (Etappe 51).
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Gegebenenfalls umfaßt die Etappe 47 der Berechnung
der Komponenten vx, vy, vz eine vorausgehende Phase der
Erfassung eines Temperaturwerts, der von einem am Gerät
montierten Temperaturfühler geliefert wird, gefolgt von
einer Phase des Lesens des der gemessenen Temperatur
entsprechenden Schallgeschwindigkeitswerts in einem
Festspeicher. Die eigentliche Berechnung der Komponenten vx,
vy, vz wird entweder durch Ansteuerung der Mindestanzahl
der Ausbreitungszeiten, die für die Auflösung des Systems
notwendig sind, oder durch Anwendung einer für die
Behandlung von Redundanzproblemen geeigneten Methode
durchgeführt, wie die o.g. Methode von Tarantolä und Valette.
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Die Übermittlung der berechneten numerischen Werte
der Komponenten vx, vy, vz kann über eine Leitung 39
erfolgen (Fig. 1), die den Schaltkreis 20 mit einem
Verwaltungszentrum oder einem Emitter verbindet, von wo aus diese
Werte an ein weiter entferntes Verwaltungszentrum
übermittelt werden können.
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Die Stromversorgung der Komponenten des
Schaltkreises 20 wird mit Hilfe einer autonomen Stromquelle wie
einer (nicht dargestellten) Batterie sichergestellt.
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Wie schon gesagt, bietet der erfindungsgemäße
Ultraschallwindmesser den besonderen Vorteil, daß er in
problematischen Umgebungen eingesetzt werden kann. Dadurch,
daß er praktisch unempfindlich gegenüber Rauhreif und
Schnee ist, und dank seiner hohen Autonomie ist er
insbesondere zur Installation im Gebirge geeignet.
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Die Abweisung von Rauhreif kann noch verstärkt
werden, wenn jede Sonde, wie auf Fig. 6 gezeigt, zum Schutz
mit einem Schwinggewebe verkleidet wird.
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Auf Fig. 6 ist die Sonde, z.B. E1, mit ihrem
zylindrischen Gehäuse 60, das an einem Ende den
Ultraschallmeßwandler 62 (Schwingquarz) trägt und die
Impedanzanpassungskomponenten enthält, koaxial in einer röhrenförmigen
Halterung 64 angeordnet, mit der sie über (nicht dargestellte)
Radialarme verbunden ist. Im rundlaufenden Zwischenraum 66
zwischen dem Gehäuse 60 und der Halterung 64 kann Luft
zirkulieren.
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Die Enden der Halterung 64, die die der Sonde
überragen, sind mit Gewebe 68 verschlossen. Dieses Gewebe ist
reifabweisend, läßt jedoch die Ultraschallwellen (besonders
die Niederfrequenzwellen) hindurch. Wie auf Fig. 6 gezeigt,
ist das Gewebe 68 gewellt, so daß es schwingen kann. Die
Schwingungen, die keine andere Stromquelle als den Wind zu
ihrer Aufrechterhaltung brauchen, verhindern die Ablagerung
von Rauhreif auf dem Gewebe selbst. Das Material, aus dem
das Gewebe besteht, kann einem für Schutzgewebe für
Radaranlagen verwandten und bekannten Gewebe entsprechen, einem
Material, auf dem sich praktisch kein Rauhreif hält.
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Wie auf Fig. 8 gezeigt, ist das Gewebe 68 um den
äußeren Umfang der Enden der Röhrenhalterung 64 befestigt
und nimmt daher jeweils genau die Form einer Scheibe an.
Bei Bedarf können den Geweben auch andere Formen gegeben
werden, indem man sie auf geeignete Bewehrungen montiert.
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Bei der oben beschriebenen Ausführungsweise wird
die Erfassung der Messungen während eines Basismeßzyklus
durch sukzessives Ansteuern der vier Emittersonden
erreicht, und für jede angesteuerte Emittersonde durch
sukzessives Ansteuern der von den drei Empfängersonden
produzierten Signale, die die von der Emittersonde ausgesandten
Signale empfangen.
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Als Variante kann man auf das Multiplexing der
Ausstrahlungen und Empfänge über die Zeit verzichten und statt
dessen eine gleichzeitige Durchführung von Ausstrahlungen
und Empfängen vornehmen, indem man die von den
verschiedenen Emittersonden ausgestrahlten Signale unterschiedlich
codiert, so daß die von den verschiedenen Sonden kommenden
Signale getrennt empfangen werden können. Diese Trennung
wird erreicht, indem man das empfangene Signal getrennt mit
jedem ausgesandten Signal korreliert. Danach müssen die
ausgesandten Signale unbedingt so ausgewählt werden, daß
ihre Interkorrelation keine Peaks aufweist
(Weiß-Interkorrelation).