De sonische golfhoogtemeter

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 golfhoogtemeter

Blokschema en opbouw van de sonische golfhoogtemeter 3.1. Oscillator

3.2.

Vertragingsschakelingen

3.3.

Ontstekingsschakeling en geluidszender

3.4.

Geluidsontvanger en versterker

3.5.

Poortschakeling en flip-flop

3.6.

Integrator

3.7.

Analoog geheugen

3.8.

Uitgangsschakeling

4

Meetnauwkeurigheid 4.1. Temperatuurgevoeligheid

4.2.

Meetfout als gevolg van de golfhelling

4.3.

Meetfout als gevolg van de wagensnelheid

4.4.

Faseverschuiving als gevolg van _{een beperkt aantal bemonsteringen} Installatie

5.1. Opstelling van de geluidszender _{en de geluidsontvanger} 5.2. Aansluiten van de golfhoogtemeter

5.3. Afregelen van de golfhoogtemeter Onderhoud

6.1.

Geluidszender

6.2.

Geluidsontvanger T. Specificaties Naschrift Referenties

Afleiding van de gebruikte formules 10.1. Formule 1

10.2. Formule

3, 4 en 5

10.3. Formule 6

10.4. 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 zendt

een 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 wordt}

ge-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-flop

De 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.

Integrator

De 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 aan}

_de

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.

Uitgangsschakeling

De 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.

Meetnauwkeurigheid

Is 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

t

Deze 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₎

V1

4.3. 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.

Onderhoud

6.1. 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. De}

mikrofoon 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.

Naschrift

De 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-_

17

TR- TR

1 = L. 1

T 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 + _AV1_t = V1_o

_t7

₂₃

Uit (E) en (F) volgt bij temperatuursveranderingen tussen -20° en 20°

AV1t = AV1t -V12. Ato o AV1t = k_2\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 geldt

AV1 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) volgt

2

- y2 - 2.y.n + n2

x

m Uit

(o)

en (S) volgt

2222 ,

+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 a

Volgens (Y) is b2=a2-Lc2/4

22

y =a { (tga)2 +1} -Lo /24

2-

2

a =(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

7

De 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 en

Vi .Lo«

1 VIt zodat Vw.La [ml (mm) F + 3 2.V1t [m] (PP) - 2)4

25

-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 golfhoogtemeter

Samenstellingstekening 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]

S3

S2

ONTSTEKINGS

CRT. D

BOBINE

MtCROFOON

fig.3

INTEGRATOR

F

P1 N

GEHEUGEN

UITGANGS-

I v.

SCHAKELI NG

1-1 I

-

- - _ _ _ _ _ _

J

P2

f ig.4

OUTPUT

OSCILLATOR

OUTPUT

B

" RESET "

OUTPUT

C

SPANNING OP BOBINE

OUTPUT

E

ONTVANGEN SIGN AAL

UIT MICROFOON

OUTPUT

G

OUTPUT

H

OUTPUT

J

OUTPUT

INTEGRATOR

OUTPUT

M

0

OTRO II II II II II II

Hill

It tL 1,1 L J r f 1 r p LI i, 101

IT;

J II II II!II II II il ¡II II II II II Tek nr . 02 -23 -069

e

fig.5

warAvammtirm,r0.P.A,...'

x'N'

--xxxkwwv.xmalk

_{l''''1"'('-f"r}

1 1 I

Mil IS77;:<4

_*XXV

111

I I i alWM,W4 Ims.6

[NXI

NE

_rrilill

_la'

_'ma

I

_{rX Nrjil}

/

1

1014111Aiiiiive

pia

!

1 '1\1

1 -,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 15}

20

25

2 4 3

fig. 8

5 10 15

₂₀

₂₅

TEMPERATUUR 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

0.3

fig.12

mdsec

WAGENSNELHEID in m/sec

Zender ---4.Bewegingsric --Ontvanger ting _{Meetwagen(neg.)} - 4001111w r.100

I.

VII _ c

L000

L0700

m

Zender Ontvanger ting Meetwagen(pos.) .41--- Bewegingsric

o

o

'f 1g. 10 8 L. CA cn

'5

.c

6 4 co 2 o 2 _{4 6} 8 10 12

TIMING -CIRCUIT 1

(Al)

OSCILLATOR

_IMS1i--7MS21

BOBINE

L

I

ONTSTEKINGS- CIRCUIT (A3)I

I

MS4

MIKROFOON

INTEGRATOR

'TIMING-CIRCUIT 2 (42)

FIP

-1=1- _P1

ANALOGE

SCHAKELING

(45)

FF1

GEHEUGEN

MS5

UITGANGS

-SCHAK ELI NG

P2 VOEDI NG -± 15V JVOEDI NGvi

24,+180

o

S3

L

24V

+

+180 V --.00"

I

TRIGGER

SCHAKELING

MS3

PULSVERSTERKER (44)

S2

--r

fig.15

Oscillator 250 Hz

Reset

AS1

Triggerpuls AS2

Bobine

dStart puls

1

Poort

Ontvangen puls micr.

Blokkering puts

Stop puts

Storage puls

Integrator

Get db

Lab. y Scheepsbouwkunde

TIJD

DIAGRAM

TECHNISCHE HOGESCHOOL

DELFT

Al

SLOT OP 5

fig. 16

0V

IL

0 Get db

26-11-6g ck

Lab. y Scheepsbouwkunde

T IMING CIRCU I T

1

TECHNISCHE HOGESCHOOL

DELFT

A2

9 0

30

120

160

7,8 13 12,14,15

170

60

fig. 17

30 uS

01--t

300 uS

R20

f"--1

T16

Gel. db

26-11-69

Lab.

y Scheepsbouwkunde

TIMING-CIRCUIT 2

TECHNISCHE HOGESCHOOL

DELFT

0V

1=s*

500 uS

01/

Slot op 4

0V

OV

A3

50

4 0

o

7,9 0

120

130

3 0

®

160

140

ISO

180 1

Slot

op 10 T3 T5

fig. 18

R8 R11 D2

1Q1)

= C2

D3 + 24 V R13 OV 15 uS

0

30 uS

10-4

Get

db

26 - 11 - 69 OV

0V

0V

Lab.

y Scheepsbouwkunde

ONTSTEKI NGS CIRCUIT

TECHNISCHE HOGESCHOOL

DELFT

R3

R4 R5

I CI11: Ti T2 R6 D1 R9 R10

14,150

180

170

SLOT OP 1

R4 R3 T2 R5 R6 T3 R9

fig. 19

R11 C5 R10 Re T4 R7 R12

C21 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 C2

Ti

4 R13 16

A4

7,8 0

_{+ 24 V}

®

0 V uS

°

0V 2 uS oiv

A

R26 7

4 0

50

100

1 0

2Q

14.150

'3 0

_

6

®-fi

fL

OV

0

OV 200 u5 0V

SLOT 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 R11

C3

D1 R1 T2 R7 e II A1 P1 C1 T5

e_r_IR13

R5 P2 D4 A2

A3 i

R3 D3 R4 R23 R12 R2 15V R22

Ti

8 R19 R20 T4 R21

A6

18

0II.

17

0-15 14

120

110

10 0

3O

2

1 0

1

0

0

0

20VfY 20V IV

1 1

DELTA

U15 - 0.1 D

+156

(I)O

15V

SLOT OP 7

1

fig. 21

Get

db

Lab. y Scheepsbouwkunde

VOEDI NG

'I 15V

TECHN I SCHE HOGESCHOOL

6 0-0

T2 4

2 0

Cl

14,150

10

10 0

90

11

0-o

16

0-0._____c=gt1

18

17

0-LT-ID3

R5 R3 R1 T3 D2 SLOT

0P3

C6

Ril

NMI

R4

D13X T C7

fig. 22

R6 +15V R8 D6

R99

15V ..._is.

C5 I--1

D7 OV

3045

2

6

1 07

MC 1709

Get

db

+24V

Lab. y Scheepsbouwkunde

VOED1NG +24Ven+150V

TECHN1SCHE

HOGESCHOOL

DELFT

MICR.

fig. 23

R4 +150 V

Get

.

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 TY

O-f

P12 P13 53 INT. EAT OSCILL ATOR

fig. 24

o o /7 0 14 o A2 POOR C1 P14 PSI o 3 NICROPOON 3 10

05

07 09 PIS UTPUT REC

t,

5 L Bolos 1 3 o 05 o

7

o 09 0-11

0

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 ECHNISCHE

moon-L AB. VOOR scHarseatimiNDF

fig. 25

AA" "ST BEN/MLR°1 I TAL 0001011 MATE RIAAL

ar

ECHN1SCHE HOOESCHOOL

LAB. 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