november 1972
LABORATORIUM VOOR
SCHEEPSBOUWKUNDE
TECHNISCHE HOGESCHOOL DELFT
DE SONISCHE GOLFHOOGTEMETER
door
D. Buitenhek Rapport NO. 333
Samenvatting
In dit rapport wordt een sonische afstandmeter beschreven, ontwikkeld door het Laboratorium voor Scheepsbouwkunde van de Technische Hogeschool te Delft, bestemd voor het meten van golfhoogten.
Bijzondere aandacht is besteed aan de voordelen en de nadelen van een sonische golfhoogtemeter.
-2-Inhoud
Inleiding
Beschrijving van het principe van de golfhoogtemeters in gebruik bij het Laboratorium voor Scheepsbouwkunde
2.1. De golfhoogtemeter volgens de geleidbaarheidsmethode
2.2.
De sonische golfhoogtemeterBlokschema en opbouw van de sonische golfhoogtemeter 3.1. Oscillator
3.2.
Vertragingsschakelingen3.3.
Ontstekingsschakeling en geluidszender3.4.
Geluidsontvanger en versterker3.5.
Poortschakeling en flip-flop3.6.
Integrator3.7.
Analoog geheugen3.8.
Uitgangsschakeling4
Meetnauwkeurigheid 4.1. Temperatuurgevoeligheid4.2.
Meetfout als gevolg van de golfhelling4.3.
Meetfout als gevolg van de wagensnelheid4.4.
Faseverschuiving als gevolg van een beperkt aantal bemonsteringen Installatie5.1. Opstelling van de geluidszender en de geluidsontvanger 5.2. Aansluiten van de golfhoogtemeter
5.3. Afregelen van de golfhoogtemeter Onderhoud
6.1.
Geluidszender6.2.
Geluidsontvanger T. Specificaties Naschrift ReferentiesAfleiding van de gebruikte formules 10.1. Formule 1
10.2. Formule
3, 4 en 5
10.3. Formule 610.4. Formule 7 Lijst van symbalen Lijst van figuren Figuren en schema's
1. Inleiding
De golfhoogte wordt, in het proefbassin van het Laboratorium voor Scheepsbouwkunde, gemeten met behulp van golfhoogtemeters volgens de geleidbaarheidsmethode.
In rapport 204 [1] wordt een golfhoogtemeter volgens de geleidsbaarheids-methode vergeleken met een sonische golfhoogtemeter, ontwikkeld door het St. Anthony Falls laboratorium van de Universiteit van Minnesota.[2][3] De ontwikkeling van een sonische golfhoogtemeter, door het Laboratorium voor Scheepsbouwkunde, is gebaseerd op de voordelen die deze golfhoogte-meter biedt ten opzichte van een golfhoogtegolfhoogte-meter volgens de geleidsbaarheids-methode.
Deze voordelen zijn:
Geen verstoring van het wateroppervlak Geen beperking van de wagensnelheid
De nadelen echter van de golfhoogtemeter zijn; het ontstaan van een aantal fouten in het meetsignaal.
Een nulverschuiving en een kalibratie verandering als gevolg van de temperatuur verandering van de lucht
Een nulverschuiving als gevolg van de wagensnelheid Een amplitude fout als gevolg van de golfhelling Een faseverschuiving als gevolg van een beperkt aantal bemonsteringen.
2. Beschrijving van het principe van de golfhoogtemeters in gebruik bij het laboratorium voor Scheepsbouwkunde
2.1. De golfhoogtemeter volgens de geleidbaarheids methode
Het principe van de meting berust op het meten van de elektrische stroom door het water tussen twee vertikaal strak gespannen draden, die zich in het proefbassin bevinden. (fig. 1 en 2).
De stroom door het water blijkt evenredig te zijn met de grootte van de indompeling in het water.
Als de voedingsspanning op de draden konstant gehouden wordt geldt
I = k
1.
L [A] (zie 10.1) 1
Om polarisatie aan de meetdraden te voorkomen, wordt voor het voeden van de meetdraden een wisselspanningsbron gebruikt met een frequentie van 1000 Hz. Met behulp van een stroomtransformator T2 wordt de stroom door de meetdraden gemetenoen omgezet in een spanning evenredig met de gemeten stroom.
Een draaggolfversterker en een fase gevoelige demodulator versterken c.q. de-tekteren het meetsignaal.
De uitgang van de detektor levert nu een spanning evenredig met de indompeling van de meetdraden in het water.
In figuur 2 is een blokschema van dit meetinstrument gegeven. De nadelen van de bij dit meetinstrument behorende opnemer zijn
de opnemer geeft verstoring van het wateroppervlak
bijhogere wagensnelheden dan 2,5 m/sec. is er geen goede meting meer moge-lijk door het trillen van de meetdraden, het opstuwen van het water tegen de meetdraden en de ventilatie achter de meetdraden.
2.2. De sonische golfhoogtemeter
Het principe van de sonische golfhoogtemeting, berust op het meten van de tijd tussen het uitzenden en het ontvangen van een geluidspuls.
Deze meting verloopt als volgt : (fig. 3 en
4)
len geluidsbron zendteen korte geluidspuls uit, die door het wateroppervlak gereflekteerd en door een geluidsontvanger
-5
De tijd die verloopt tussen het uitzenden en het ontvangen van de geluidspuls, wordt gemeten en met behulp van een integrator omgezet in een spanning.
Deze spanning, die evenredig is met de gemeten tijd, wordt overgebracht in een analoog geheugen en kan door een schrijver of ander registratie instrument worden vastgelegd.
De frequentie, waarmee de meting herhaald wordt, bepaalt het oplossend vermogen van de golfhoogtemeter
de maximale afstand van de opnemers (zender en ontvanger) tot het water-oppervlak.
Het oplossend vermogen neemt toe met het toenemen van de herhalingsfrequentie, mar de maximale afstand neemt af met het toenemen van de herhalingsfrequentie. Dit is het gevolg van de eindige snelheid van het geluid in lucht. Er is gezocht
naar een kompromis en bij de in dit rapport beschreven golfhoogtemeter is de her-halings frequentie 240 Hz. De maximale afstand van de opnemers tot het wateropper-vlak is dan
55 cm.
3. Blokschema en opbouw van de sonische golfhoogtemeter fig. 3 en
4)
3.1. Oscillator
De oscillator (A) is een a-stabiele multivibrator, afgeregeld op 240 Hz. Deze oscillator stuurt de vertragingsschakelingen (B) en (G). Met schakelaar S3 is het mogelijk de interne oscillator te vervangen door een extern signaal van b.v. een toongenerator of een andere sonische golfhoogtemeter.
Hierdoor is het mogelijk, twee of meer sonische golfhoogtemeters te syn-chroniseren.
3.2. Vertragingsschakelingen
Deze schakelingen geven een instelbare tijdsvertraging tussen het ingaande signaal en het uitgaande signaal, zodat het mogelijk is een aantal kommando's na elkaar te laten uitvoeren.
De schakeling bestaat uit een mono-stabiele multivibrator. De vertragings-schakeling (B) "reset" de integrator en start de vertragingsvertragings-schakeling (C). De "reset" tijd is
40
sec.De vertragingsschakeling (C) start de ontstekingsschakeling. (D).
3.3. De ontstekingsschakeling en geluidszender
Een thyristor ontlaadt een kondensator door de primaire spoel van een bobine (D). In de secundaire spoel ontstaat daardoor een zo hoge spanning, dat er een vonk overslaat tussen twee elektroden. Deze vonk levert de geluidspuls.
De eerste halve periode van het uitgezonden geluid, is een sinusvormig signaal waarvan de frequentie ongeveer 100 kHz bedraagt.
De vertragingsschakeling (E) stuurt de flip-flop (J), nadat de ontsteking heeft plaats gehad. De bobine is van een type dat gebruikt wordt in bromfietsont-ste4ngen. In figuur 5 is een samenstellingstekening gegeven van de
geluids-ze4der.
3.4. Geluidsontvanger en versterker
De geluidsontvanger bestaat uit een kondensator mikrofoon en een voorversterker. De kondensator mikrofoon is uit de volgende delen samnnesteld
(De tussen haakjes geplaatste cijfers corresponderen met de cijfers in fig.
6).
Een membraan (20) van 44nzijdige gemetaliseerd folie vormt met de elektrode (22) de kp.hdensator.Het memaan wordtevestigd in
een membraa0ouder (3), waarin het wordtge-spannen als de ring
(4)
aangedraaid wordt.(2)
-T-De mikrofoon voorversterker (1)4) is op een gedrukte bedrading gemonteerd en tegen elektrische storingen beschermd door een p-metalen scherm (15). Het geheel is in een messing koker (16) gemonteerd. Bij het ontwerpen van de geluidsont-vanger is er vooral gelet op de volgende punten
bij beschadiging van het membraan, moet snel een nieuw exemplaar kunnen worden aangebracht
de geluidsontvanger moet bestand zijn tegen spatwater, afkomstig van o.a. een scheepsmodel.
Het verwisselen van een membraan duurt + 5 minuten.
3.5.
Poortschakeling en flip-flopDe monostabiele schakeling (G) houdt de poortschakeling(H) gedurende het starten van de geluidspuls en 500p sec. daarna, gesloten voor signalen uit de geluidsontvanger om te voorkomen, dat de schakeling (J) direkt na het starten weer gestopt wordt. Uit de poortschakeling komen dus alleen signalen, die gereflekteerd zijn door het wateroppervlak en de ontvanger niet eerder be-reiken dan 500 psec. na het starten van de geluidspuls.
De flip-flop schakeling (J) is door de vertragingsschakeling (E) direkt
na het zenden van de geluidspuls in de "set" stand gezet. Een signaal uit de poort-schakeling "reset" de flip-flop.
3.6.
IntegratorDe uitgang van de flip-flop (J)
stuurt een integrator (K). De integrator wordt voor het zenden van de geluidspuls in "reset" stand gezet. De uitgangsspanning van de integrator is dan 0 volt. De integrator
integreert een vast aangeboden spanning tussen hettijdstip dat de gelduidspuls verzonden wordt en het ontvangen van de gereflekteerde
pills. De
spanning aande
uitgang van de integrator is dan rechtevenredig met de gemeten tijd.
Ei
Eo =
Ri.0.T (V] 3.7. Analoog gehugen
Omdat de integrator bij iedere
meting, dus 240 maal per seconde, ge"reset" wordt, is het nodig de
uitgangsspanning van de integrator na iedere meting over te brengen in een analoog geheugen.
-8
Dit geheugen bestaat uit een operationele versterker, die als geheugen ge-schakeld is. De vertragingsschakeling (M) wekt de puls op, die zorgt voor de overdracht van het geintegreerde signaal in het geheugen.
3.8.
UitgangsschakelingDe analoge geheugenschakeling wordt gevolgd door de uitgangsschakeling (N) die bestaat uit een operationele versterker, waarvan de versterking zowel in gekalibreerde stappen, als ibntinu regelbaar is.
4.
MeetnauwkeurigheidIs er een grote mate van nauwkeurigheid vereist, dan moet er met het volgende rekening worden gehouden.
4.1. Temperatuurgevoeligheid
De snelheid van het geluid in lucht, is afhankelijk van de luchttemhératuur waarin het geluid zich verplaatst. Bij temperatuur veranderingen tussen
-20oC en +20oC geldt het volgende verband tussen de verandering van de lucht-temperatuur en de geluidssnelheid: (zie 10.2 voor de afleiding van
onder-staande formules)
AV1t k.Ato2 [m/sec]
o,
} x 100 % 273
De amplitude van de golf neemt schijnbaar af met het toenemen van de tempera-tuur. In figuur 7 en 8 zijn deze meetfouten uitgezet als funktie van de
temperatuursverandering.
4.2. Meetfout als gevolg van de golfhelling
De geluidsgolf, door de geluidszender uitgezonden,(gadraagt zich als een bolvormige golf. De golfhoogtemeter meet de kortste afstand tussen de ge-luidszender het wateroppervlak en de geluidsontvanger. Bij hellende oppervlak-ken zal er een meetfout ontstaan, omdat niet het punt loodrecht onder de
op-nemers de kortste afstand tot de opop-nemers heeft maar een punt (B) (fig.9) enigszins daarvan verschoven.
(3)
(4)
(5)
Hierin is
k2 = 0'
6076
Im/sec.graden C]De verandering van de geluidssnelheid geeft een nulverloop van het uitgangs-signaal van de golfhoogtemeter en een kalibratieverandering. Het nulverloop is als volgt te berekenen
to AL = L
o o +277 - 11 [m]
De schijnbare afstand tussen opnemers en het wateroppervlak wordt kleiner voor toenemende temperatuur. Door het veranderen van de geluidssnelheid ontstaat ook een gevoeligheidsverandering die proventueel gelijk is aan
10
-Als de twee brandpunten van een ellips de plaats voorstellen van respektieve-lijk de geluidszender (z.) en de geluidsontvanger (0) terwijl de ellips
het wateroppervlak raakt, dan kan de volgende uitdrukking voor de meetfout worden afgeleid : (zie 10.3)
F2=
Vw2 Vw.La
F3= Lo
fi -
2 V1 .Lo)1
4.[m]
(8)
vit
tDeze fout is in figuur 12 uitgezet als funktie van de wagensnelheid bij een
o
konstante temperatuur
van 20C.
Lo2+Lc2/ Lc2
cos a
2 4-Lo
[ml(6)
Deze meetfout is in figuur 11 uitgezet als funktie van Lo voor verschillende waarden van a.
De getrokken lijnen zijn de berekende meetfouten, terwijl de tijdens experi-menten bepaalde meetfouten, als meetpunten in de figuur zijn
aangegeven. In uitdrukking
(6) is
*
Le = La + 2.Lo.Vw' fml(7)
V14.3. Meetfout als gevolg van de wagensnelheid
Tengevolge van de wagensnelheid verandert de schijnbare afstand tussen de zender en de ontvanger. (fig. 10).
De volgende uitdrukking kan worden afgeleid voor de schijnbare
afstand tussen zender en ontvanger
(voor de volledige afleiding zie
10.4)
Lc = La +2.o.Vw
V1 Iml
De afstand Lo neemt af,
als de meetwagen zich vanuit de geluidsontvanger ge-zien, beweegt in de richting van de geluidszender. De
nulverschuiving als gevolg van de wagensnelheid is als volgt te bepalen
`t,
4.4. Faseverschuiving als gevolg van een beperkt aantal bemonstering.
De tijdsvertraging, die ontstaat door een beperkt aantal bemonsteringen, is maxi-maal gelijk aan de halve bemonsteringstijd en bij deze golfhoogtemeter maximaxi-maal
1
_
'IT- 48,o
[sed i
(9)
De optredende faseverschuiving is dan
Tv.fe.360 Igraden1
(io)
Hierin is
+"
fe [Hz]
In figuur 13 is het verband uitgezet tussen de faseverschuiving van het uit-gangssignaal en de ontmoetingsfreauentie.
13
-Met behulp van de potentiometer "NIVEAU" wordt, door deze potentiometer rechts-om te draaien, de gevoeligheid voor de gereflekteerde signalen vergroot.
De potentiometer wordt zo ingesteld, dat er juist een stabiel en ruisvrij uitgangssignaal op de meter ontstaat. De opnemers moeten tijdens deze af-regeling met de hand of mechanisch ten opzichte van het reflektie oppervlak worden bewogen. De opnemers worden nu in de meetpositie opgesteld en het uitgangssignaal op nul afgeregeld met de potentiometer "BALANS". Het ver-langde bereik wordt ingesteld met de bereikschakelaar en de opnemers worden een bekende afstand ten opzichte van het reflektie oppervlak verplaatst. Met potentiometer "VERSTEEKING" wordt de uitgangsspanning op de gewenste waarde ingesteld. De opnemers worden nu weer in de nulstand teruggebracht en het in-strument is gebruiksklaar.
Op de recorder uitgang kan een galvanometer worden aangesloten. De uitilag van de galvanometer kan met potentiometer "UV. rec" worden ingesteld.
-6.
Onderhoud6.1. Geluidszender
Om een goede werking van de golfhoogtemeter te behouden is het noodzakelijk regelmatig de afstand tussen de elektroden van de geluidszender te kon-troleren. (fig. 5).
De kontrole op de juiste afstelling is mogelijk door inspektie van de elek-troden (6,26) met behulp van een asje, dat door twee daartoe aangebrachte gaten in de zijkanten van de houder (20) gestoken wordt.
Er mag niet meer speiing tussen de elektroden en het asje zijn, dan 0,5 mm. De elektrodenafstand kan bijgesteld worden door eerst de voorplaat
(8)
weg te nemen. Na het bijstellen wordt het asje verwijderd en de voorplaat weer aangebracht. Gebleken is, dat de elektroden niet uit roestvrijstaal of messing vervaardigd mogen zijn.6.2. Geluidsontvanger
Het verwisselen van het membraan is nodig bij beschadiging ervan of bij een slechte werking van de geluidsontvanger. (fig. 6). Het verwisselen van een membraan is als volgt uit te voeren. Verwijder de ring (1) en neem de kon-densator mikrofoon uit de houder. Schroef de bus (3) los en draai de ring
(4)
met behulp van een bijbehorende sleutel uit de bus. Verwijder nu de teflon ring (21) en het membraan.Plaats met een pincet een nieuw membraan (geleidende laag buiten). Monteer de teflon ring (21) en schroef de ring
(4)
vast.De elektrode (22) wordt nu onder de rand gedraaid.
De bus (3) wordt weer gemonteerd, waarna de elektrode zover wordt ingedraaid dat de elektrode zich net aftekent op het membraan, (vuil tussen 4lektrode
en membraan beschadigd het membraan en komt de werking niet ten goede). De kon-tramoer
(8)
wordt vastgedraaid en het geheel gemilteerd in de houder. Demikrofoon voorversterker is te bereiken door de ring (19) los te draaien, waar-na de gehele versterker (14:3 met de afscherm*as (15) uit de buitenbus
(16)
getrokken kan worden. De afschermbus (15) kan verwijderd worden door twee schroeven los te draaien.
7. Specifikaties Netspanning: Meetbereik: Frequentie responsie: Uitgang: Lineariteit; Stabiliteit: Golfhelling: Meetnauwkeurigheid: 15 -220 Volt, + 10%, 50 Hz.
5 cm tot 55 m, verdeeld in 5 meetbereiken;
2cm,
+ 5cm, _It
10cm, + 20cm, + 30cm.Het uitgangssignaal heeft een konstante tijds-vertraging van 2,1 msec.
Uitgangsspanhing max. + 10 volt Uitgangsstroom max. + 20mA. Recorder uitgang max. + 20mA.
0,5%
0,3% van het bereik + 0,2 mm.
max. 15°, bij een afstand van max. 20 cm tussen op-nemers en wateroppervlak.
8.
NaschriftDe in dit rapport beschreven golfhoogtemeter is het resultaat van nauwe samen-werking tussen de medewerkers van de mechanische n elektronische afdelingen van het laboratorium voor Scheepstouwkunde.
Mijn hartelijke dank gaat uit naar de Heer M. Buitenhek voor zijn waardevolle adviezen en naar de Heer P. de Heer voor het door hem verrichte tekenwerk. Voltooiing van dit rapport is mogelijk geworden, door de medewerking van het laboratorium voor Transporttechniek.
9. Referenties
IA Experiments with the Sonic Wave Height Meter
by M. Buitenhek; Rapport no. 204 van het Laboratorium voor Scheepsbouwkunde van de Technische Hogeschool te Delft.
The Sonic Surface-Wave Transducer by John.M. Killen
Technical Paper no. 23, series H van de "University of Minnesota", St. Anthony Falls Laboratory, juli 1959.
Operating Manual for the St. Anthony Falls Hydraulic Laboratory "Sonic Surface-Wave Transducer" by John.V. Killen
Memorandum No. M-90 van de "University of MinnesotX St. Anthony Falls Hydraulic Laboratory.
Modulation Theory by H.S. Black
New York : D. van Nostrand 1953.
Des Ingenieurs Taschenbuch Hate, Berlin 1955.
10. Afleiding van de gebruikte formules 10.1. Formule 1.
Volgens de wet van Ohm geldt
I = en omdat Y =
geldt I = UY [Al
In figuur la is R gelijk aan de weerstand per cm van de tussen de evenwijdige draden bevindende waterkolom.
De vervangweerstand RAT van deze waterkolom, is als volgt te berekenen
1 1 1 1 1 en is dus
Ti7-_
17TR- TR
1 = L. 1T waarin L het aantal cm is, dat de draden zich in het
RAT
water bevinden. Uit (A) en (B) volgt nu dat
I = U.Y.L. [A] (C)
De spanning U en het geleidsvermogen y zijn konstanten zodat uit (C) volgt
I = k .L [Al (D)
-0 0
+At V1t + AV1t = V1o
t7
23
Uit (E) en (F) volgt bij temperatuursveranderingen tussen -20° en 20°
AV1t = AV1t -V12. Ato o AV1t = k2\iti+to 273.2.V1 V1+t°/273 o
vi.At°
o 273.2.V1 t°/273 Ato /273 Hierin is k2 = 0,6076. m/sec.graden C Bij kleine(Aemperatuursverandeingen geldtAV1 k .At t 2 /sec] (F) 1m/sec.1 (G) [m/sec.] (H) [m/sec.] (I) (m/sec.] (J) 19 -10.2. Formule 3, 4 en 5
De geluidssnelheid in lucht is afhankelijk van de temperatuur van de lucht waarin het geluid zich verblaatst.
Yolgens Hütte 5 geldt
o
V1t=V1o[m/secl
(E)273
Hierin is V10 = 331,8 m/sec. bij een lucht temberatuur van 0°C en een luchtdruk van 76 cm kwik.
AL AT =
V1t
zodat t.o.v. een konstante geluidssnelheid Lo schijnbaar verandert als
AL() Lo Lo
V1t V1o Vi.
Uit (M) en (E) volgt
[sec.] (L)
[sec.] (M)
ALo = _Lc{ Erril (N)
273
Door de vervdering van de geluidssnelheid ontstaatok een
gevoeligheidsveTandering, die onafhankelijk van Lo is en dus e ijk aan
to F = = 273 - 1 Lo De procentuële gevoeitgheidsverandering is t - 1} x 100% 273 (p) 20
-Tengevolge van het veranderen van de geluidssnelheid ontstaat er een nulverloop van de uitgangsspanning van de golfhoogtemeter. De afstand tussen de geluidszender, geluidsontvanger en het waterobervlak neemt schijnbaar toe met het afnemen van de geluidssnelheid.
De verandering van de meettijd T is als volgt te schri,iven
AT =
TO - Tt. [sec.] (K)
Hierin is : T0 meettijd bij geluidssnelheid V1o en Tt meettijd bij geluidssnelheid
V1t
10.3 Formule 6 (zie figuur 9)
De ellips stelt de meetkundige plaats voor van de punten waarvoor geldt, dat de som van de afstanden van dat punt tot de brandpunten konstant is. De sonische golfhoogtemeter meet de kortste afstand tussen de geluidszender, het wateroppervlak en de geluidsontvanger, zodat als men de meettijd kon-stant houdt, dus de som van de afstanden tussen de zender en het waterop-pervlak en de ontvanger en het wateroppervlak konstant houdt, het meet-punt op een ellips ligt, waarvan de raaklijn aan de golfhelling de ellips raakt.
De afleiding van deze raaklijn volt uit
x2 v2 a2 b2
Fit is de middelpuntsvergelijking van de ellips. De vergelijking van een rechte lijn is
y = mx + n (R)
Uit
(o)
en (R) volgt2
- y2 - 2.y.n + n2
x
m Uit
(o)
en (S) volgt2222 ,
+a .m ) - y Uit (V) en R) volgt y = m.x. (0) (s)b22
- a2.m2.b2 = 0 (T)De ellips en de lijn y = m.x+n raken elkaar als de discriminant gelijk is aan 0 dus geldt voor de raaklijn aan de ellips
0222
, 222
4.
n - 4(b .n -a.m2.b2)
2 (b +a = 0 (U)hieruit volgt
2 2
22
voor x = O geldt
In figuur 9 geldt Y
2=b+Lc2
a
/4
zodat voor hoek a= 0 waarvoor geldt : b = Lo
a2 = Lo2+Lc2/
Voor (X) is te schrijven
2=2.(tga
2 + b2 y aVolgens (Y) is b2=a2-Lc2/4
22
y =a { (tga)2 +1} -Lo /24
2-
2a =(y+Lc
/4). cos2a
Stellen we (BB) gelijk aan (Z) dan geldt
2 2,, 2 2 2 2
Lo +Lc
/4=y
. cos a +ccs a.Lc/4
y= Lo2+Lc2/4
Lc2)
2
-cos a
De gemaakte meetfout is dan
F2 = y-Lo = +Lc
Lc-
Lo [m] cos a [mJ (z) (AA)-
22 -(Be)(cc)
zodat en T =
2Lo
In figuur 10 is 2 2 a=b
2 " Bij Vw = 0 is : b = Lo en Lc = Da zodat 2 LEZ ao = Lo VIt 2.Lo = Vw. V1t Lc = La + L1 = La VI Vw.2.Lo [sec] (KK) (LL)23
-104 Formule
7De afstand tussen de geluidszender en de geluidsontvanger wordt schijnbaar vergroot of verkleind, afhankelijk van de opstelling van de geluidszender
en de geluidsontvanger, tengevolge van de wagensnelheid fig. 10) Het bepalen van de schijnbare afstand Lc tussen de geluidsontvanger en de geluidszender.
In figuur 10 is
Lc = La+Li
De afgelegde weg van het geluid gedurende een meting is gelijk aan
= V1t = 2.Lo [ml '7F)
De afgelegde weg van de meetwagen is
L1 = Vw.T 1ml (GG)
Is Vw = 0 dan is
Vw.2.Lo Lc = La +
V1t
zodat uit (JJ) en (KK) volgt
2 2 La2 Lo.La.Vw Lo2.Vw2
a
b1 ++
V1t V12
Uit het gelijk ste1len van (LL) en (MM) volgt
b1 = Lo
De gemaakte meetfout is dan 2 Vw Vw.La ) Vlt Vlt.Lo Vw2 Vw.La F3 = Lo - b1 = Lo{ + 2 V1t.Lo)1 V1t . Vw2 Vw.La Vw.La hierin is
«
V1t.Lo enVi .Lo«
1 VIt zodat Vw.La [ml (mm) F + 3 2.V1t [m] (PP) - 2)425
-11. Lijst van Symbolen
= integrator kondensator
cw = voortplantingssnelheid van de golf
Ei = ingangsspanning van de integrator Eo = uitgangsspanning van de integrator
F = gevoeligheidsverandering t.g.v. deluchttemperatuursverandering
FI = procentuele gevoeligheidsverandering t.g.v. de luchttemperatuursverandering
F2 = nulverschuiving als gevolg van de helling van het reflektieoppervlak F3 = nulverschuiving als gevolg van de wagensnelheid
fe = ontmoetings-frequentie van de golf
I = stroom door de meetdraden
k.1 konstante afhankelijkheid van de soortelijke weerstand van de waterkolom
tussen de meetdraden
k2 = konstante afhankelijkheid van de luchtdruk en de zwaartekracht L = lengte van de waterkolom tussen de meetdraden (indompelingslengte) Lo = ingestelde afstand tussen de geluidsopnemers
en het wateroppervlak L = afstand afgelegd door de meetwagen in de meettijd
T.
L2 = afstand afgelegd door het geluid in de meettijd T.
La = afstand tussen de geluidszender en de geluidsontvanger
Lc ,,=schijnbare afstand tussen de geluidszender en de geluidsontvanger
R = weerstand per cm van de zich tussen de meetdraden
bevindende waterkolom Ri = ingangsweerstand van de integrator
Rv = vervangweerstand
T = tijdinperval (meettijd)
Tv = tijdsvertraging door een beperkt aantal bemonsteringen to = temperatuur in oC.
U = voedingsspanning op de meetdraden
V1o = snelheid van geluid in lucht bij een temperatuur van 0°C en een lucht-druk van 76 cm kwik
V1t = snelheid van geluid in lucht bij een temperatuur van t oC en een lucht-druk van 76 cm kwik
Vw = wagensnelheid
Y = geleidingsvermogen per cm van de zich tussen de meetdraden
bevindende waterkolom
= hoek tussen de raaklijn
aan het wateroppervlak op het punt van reflektie en de horizontaal
= fasevtrschuiving t.g.v. een beperkt aantal bemonsteringen
- 26
-12. Lijst van figuren
1 Opnemer voor golfhoogtemeter volgens de geleidbaarheidsmethode Blokschema van golfhoogtemeter volgens de geleidsbaarheidsmethode Blokschema sonische 7olfhoogtemeter
4
Tijddiagram sonische golfhoogtemeterSamenstellingstekening van de geluidszender Samenstellingstekening van de geluidsontvanger
Nulverloop ALo ujAgezet als funktie van de luchttemperatuursverandering
Procentuele kalibratie-verandering als funktie van de temperatuursveranderingen Schematische voorstelling van de opstelling van de geluidszender en de ge-luidsontvanger bij een golfhelling
Schematische voorstelling van de schijnbare afstand tussen de geluidszender en
de geluidsontvanger
Meetfout F2 tengevolge van de golfhelling Nulverloop
F3 ten gevolge van de wagensnelheid
Faseverschuiving ten gevolge van een beperkt aantal bemonsteringen Blokschema van sonsiche golfhoogtemeter
Tijddiagram van sonische golfhoogtemeter Timing circuit 1 Timing circuit 2 Ontstekingscircuit Puls versterker fnaloge schakeling Voeding + 15 V Voeding + 24 V en + 150 V Mikrofoonversterker
Schema chassis golfhoogtemeter Mikrofoonversterker
( a )
1
fig.1
A
OSCILLATOR]
S3S2
ONTSTEKINGS
CRT. DBOBINE
MtCROFOON
fig.3
INTEGRATOR
F
P1 NGEHEUGEN
UITGANGS-
I v.SCHAKELI NG
1-1 I-
- - _ _ _ _ _ _
J
P2
f ig.4
OUTPUT
OSCILLATOR
OUTPUT
B" RESET "
OUTPUT
CSPANNING OP BOBINE
OUTPUT
EONTVANGEN SIGN AAL
UIT MICROFOON
OUTPUT
GOUTPUT
HOUTPUT
JOUTPUT
INTEGRATOR
OUTPUT
M0
OTRO II II II II II IIHill
It tL 1,1 L J r f 1 r p LI i, 101IT;
J II II II!II II II il ¡II II II II II Tek nr . 02 -23 -069e
fig.5
warAvammtirm,r0.P.A,...'
x'N'
--xxxkwwv.xmalk
l''''1"'('-f"r
1 1 IMil IS77;:<4
*XXV
111
I I i alWM,W4 Ims.6
[NXI
NE
rrilill
la'
'maI
rX Nrjil
/1
1014111Aiiiiive
pia
!
1 '1\11 -,n) zixii#A
t\\I 1
Ar4-;
,...t.,:\
Ilk
14-,,
1 %xl m.: .1 0
f:S2
JI77
f ig .6
set D Dyifenhek ifueffintitilo-Ott. UT. KALERIAAL *01114A MICROFOON¿Aat ECHNISCscHHE HOGESCH0OuL
VOØRDELFT
,s .15 VIA 'GEM0,21030
10 5 o
0
vo
o
3
-20°
Lo=10°rnm
_ o 10 1520
25
2 4 3
fig. 8
5 10 1520
25TEMPERATUUR VERLOOP in OC
fig.9
fig 10
E E 15 10 100
o
fig.11
o
A
cs-_A(0
200
300
400
Lo in mm
Cr) 11. 0.1 0,1
0,2
0.3fig.12
mdsecWAGENSNELHEID in m/sec
Zender ---4.Bewegingsric --Ontvanger ting Meetwagen(neg.) - 4001111w r.100I.
VII _ cL000
L0700
m
Zender Ontvanger ting Meetwagen(pos.) .41--- Bewegingsrico
o
'f 1g. 10 8 L. CA cn'5
.c
6 4 co 2 o 2 4 6 8 10 12TIMING -CIRCUIT 1
(Al)
OSCILLATOR
IMS1i--7MS21
BOBINE
L
IONTSTEKINGS- CIRCUIT (A3)I
I
MS4
MIKROFOON
INTEGRATOR
'TIMING-CIRCUIT 2 (42)
FIP
-1=1- P1ANALOGE
SCHAKELING
(45)
FF1
GEHEUGEN
MS5UITGANGS
-SCHAK ELI NG
P2 VOEDI NG -± 15V JVOEDI NGvi24,+180
o
S3L
24V
+
+180 V --.00"
ITRIGGER
SCHAKELING
MS3
PULSVERSTERKER (44)
S2
--r
fig.15
Oscillator 250 Hz
Reset
AS1Triggerpuls AS2
Bobine
dStart puls
1Poort
Ontvangen puls micr.
Blokkering puts
Stop puts
Storage puls
Integrator
Get db
Lab. y Scheepsbouwkunde
TIJDDIAGRAM
TECHNISCHE HOGESCHOOL
DELFT
Al
SLOT OP 5
fig. 16
0VIL
0 Get db26-11-6g ck
Lab. y Scheepsbouwkunde
T IMING CIRCU I T
1TECHNISCHE HOGESCHOOL
DELFT
A2
9 0
30
120
160
7,8 13 12,14,15170
60
fig. 17
30 uS
01--t
300 uS
R20f"--1
T16Gel. db
26-11-69Lab.
y Scheepsbouwkunde
TIMING-CIRCUIT 2
TECHNISCHE HOGESCHOOL
DELFT
0V
1=s*
500 uS
01/Slot op 4
0V
OVA3
50
4 0
o
7,9 0
120
130
3 0
®
160
140
ISO
180 1Slot
op 10 T3 T5fig. 18
R8 R11 D21Q1)
= C2
D3 + 24 V R13 OV 15 uS0
30 uS
10-4
Get
db
26 - 11 - 69 OV0V
0VLab.
y Scheepsbouwkunde
ONTSTEKI NGS CIRCUIT
TECHNISCHE HOGESCHOOL
DELFT
R3R4 R5
I CI11: Ti T2 R6 D1 R9 R1014,150
180
170
SLOT OP 1
R4 R3 T2 R5 R6 T3 R9fig. 19
R11 C5 R10 Re T4 R7 R12C21 R3,R4,en T2
veryall.en
bij korte afstanden
Get. db
26 11 69
Lab. y Scheepsbouwkunde
PULS
VERSTERKER
TECHNISCHE HOGESCHOOL
DELF T
R2 R1 C2Ti
4 R13 16A4
7,8 0
+ 24 V®
0 V uS°
0V 2 uS oivA
R26 74 0
50
100
1 0
2Q
14.150
'3 0
_
6®-fi
fL
OV0
OV 200 u5 0VSLOT OP 12
fig. 20
Get. db
26 -11- 69
Lab. y Scheepsbouwkunde
ANALOGE SCHAKELI NG
TECH N ISCHE HOGESCHOOL
DELFT
(>1 R6 R8 I---R9 R11C3
D1 R1 T2 R7 e II A1 P1 C1 T5e_r_IR13
R5 P2 D4 A2A3 i
R3 D3 R4 R23 R12 R2 15V R22Ti
8 R19 R20 T4 R21A6
180II.
17
0-15 14120
110
10 0
3O
21 0
10
0
0
20VfY 20V IV
1 1DELTA
U15 - 0.1 D+156
(I)O
15V
SLOT OP 7
1fig. 21
Get
db
Lab. y Scheepsbouwkunde
VOEDI NG'I 15V
TECHN I SCHE HOGESCHOOL
6 0-0
T2 42 0
Cl14,150
10
10 0
90
11
0-o
16
0-0._____c=gt1
18
17
0-LT-ID3
R5 R3 R1 T3 D2 SLOT0P3
C6Ril
NMI
R4D13X T C7
fig. 22
R6 +15V R8 D6R99
15V ..._is.C5 I--1
D7 OV3045
26
1 07
MC 1709Get
db
+24V
Lab. y Scheepsbouwkunde
VOED1NG +24Ven+150V
TECHN1SCHE
HOGESCHOOL
DELFT
MICR.
fig. 23
R4 +150 VGet
.db
Lab. vScheepsbouwkunde
MICROFOON VERSTERKER
TECHNISCHE HOGESCHOOL
DELFT
NET Tr. z 26V 22 T=i 52 033 OS 90 130-Bob i ne 11 160
o-170 0 A3i A7 P10 P3 01 o OS -0 09 o /von P1 o -0 TYO-f
P12 P13 53 INT. EAT OSCILL ATORfig. 24
o o /7 0 14 o A2 POOR C1 P14 PSI o 3 NICROPOON 3 1005
07 09 PIS UTPUT RECt,
5 L Bolos 1 3 o 05 o7
o 09 0-110
013 o 17 RETERERD D Eu97991779 0470121 f 25 25 0005 jOEWIZIOD 250 25 20 2 25 95±01 ONTROLEERD 25 0 = 25 20 05 000009 t 200 Gi0 ,sp-lEmA ilA$$1S GOLFHPOTE IMESeR
-I A NG5CHIK s -13 i-9 L RV 1 1329
u8 73®
9 9-9 ,__I=J__090 3 =1-149-L_ _ _ ttd.t. 0 0-* 1-15/113sra19 SS/ 2 013 130 z AAL lIA 14026 TOWING ' erkin9 LA! _ _ J F0120-A1 T ECHNISCHEmoon-L AB. VOOR scHarseatimiNDF
fig. 25
AA" "ST BEN/MLR°1 I TAL 0001011 MATE RIAALar
ECHN1SCHE HOOESCHOOLLAB. VOOR SCHEEPSBOUWKUNDE DELFT
NORMAAL.
MICROFOON VERS TEAKER
*ARMCO
SCHAAL DATUM GEWUZIGD SSTSKSRO db 25A' 25 2.0.2
25-.FI W25 20.1 SECONTROLE00
250 - 25 20.05