DE3100653A1 - "echolotverfahren zur wasserstand- und wellenmessung vom gewaesserboden aus" - Google Patents

Description

• Echolotverfahren zur
• Wasserstand- und Wellenmessung vom Gewässerboden aus Beschreibung In der modernen Küstenforschung werden heute Meßgeräte angestrebt, die auf dem Meeresboden angeordnet werden können. Der Vorteil dieser Anlagen besteht darin, daß sie vor den Gefahren an der Wasseroberfläche durch starke Wellen, Schiffe, Eis, Diebstahl etc. geschützt sind.
• Ferner benötigen sie keine Trägerbauwerke, die durch die Wasseroberfläche reichen, und wegen der oben genannten Gefahren entsprechend stabil und damit bei größeren Wassertiefen sehr aufwendig ausgeführt werden müssen. Ein weiterer Nachteil dieser Bauwerke besteht darin, daß sie die Bewegungen der Wasseroberfläche beeinflussen, so daß Messungen der ungestörten Wellenbewegungen nicht möglich sind.
• Hierdurch stellt sich die Aufgabe, Sensoren zu schaffen, die die Eigenschaften des darüber liegenden Wasserkörpers vom Gewässerboden aus erfassen können.
• Für die Parameter "Wasserstand und Wellen" bietet sich die Anwendung der Echolottechnik an, die sich bereits in der Schiffahrt, Fischerei, Vermessung, Hindernis suche etc. bei der Erfassung des Meeresbodens sehr gut bewährt hat. Da die Grenzfläche Wasser - Luft für Ultraschall ein sehr guter Reflektor ist, wird am Gewässerboden ein Echolot schwinger mit Elektronik angeordnet, der senkrecht nach oben zur Wasseroberfläche gerichtet ist. Durch Echolotung wird laufend der Abstand der Wasseroberfläche vom Gewässerboden als Fixpunkt gemessen und je nach Geräteausführung entweder direkt in der Elektronik am Meeresboden verarbeitet und gespeichert oder zu einer Meßstation an Land per Seekabel oder Funkboje mit Funkstrecke übertragen.
• Hier werden die Wasserstand- und Wellendaten je nach Gerätetype mit oder ohne Schallgeschwindigkeitskorrektur analog auf Echographen dargestellt, auf Analog- oder Digital - Magnetbändern gespeichert oder direkt Rechnern zur weiteren Verarbeitung zugeführt.
• Bei dem praktischen Betrieb solcher Anlagen zeigt sich, daß diese bei relativ ruhigen Wetterlagen einwandfrei funktionieren. Wenn jedoch zusätzliche Reflektoren wie Treibgut, Fische, Quallen etc.
• in die Schallkegel gelangen, die relativ lange an etwa der gleichen Stelle schwdpen, stellt sich die Anlage auf diese Echos ein und ergibt dadurch Fehlmessungen.
• Abhängig von Gewässerboden, Wassertiefe und Wellenhöhe sind Messungen ab einer gewissen Windstärke überhaupt nicht mehr möglich, da dann der gesamte Schallraum über dem Schwinger mit aufgewirbeltem Sand und eingeschlagenen Luftblasen in sehr feiner Verteilung angefüllt ist, so daß über die gesamte Meßstrecke zusätzliche störende Echos entstehen.
• Ein Verfahren, das es dennoch gestattet unter den oben beschriebenen Umständen zu einwandfreien Meßwerten zu gelangen, beschreibt die vorliegende Erfindung: Echolotverfahren zur Wasserstand- und Wellenmessung vom Gewässerboden aus.
• Abbildung 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Echolot - Wasserstand -und Wellenmeßanlage: Auf dem Gewässerboden 1 ist durch geeignete Maßnahmen der Ultraschallschwinger 2 senkrecht nach oben zur Wasseroberfläche 3 gerichtet angebracht. Die Meßdaten der Abstände der Wasseroberfläche 3 vom Ultraschallschwinger 2 werden über das Seekabel 4 zur Landstation 5 übertragen, dort verarbeitet und zum Beispiel auf einem Echographen 6 registriert, wodurch sich das Echogramm 7 ergibt.
• Auf Abbildung 2 ist ein Echogramm 7 dargestellt, das man ohne Signalverarbeitung erhält, wenn sich in der Echolotstrecke zeitweise störende Reflektoren befinden, die die zusätzlichen Echos 8 ergeben Diese Verhältnisse sind auch in Abbildung 3 als Oszillogramm dargestellt. In Y - Richtung ist die Echoamplitude und in X - Richtung die Schallaufzeit angeordnet. Man erkennt, daß die Störechos immer vor dem Nutzecho der Oberfläche eintreffen, wodurch alle Meßverfahren, die nach dem herkömmlichen Echolot prinzip arbeiten, bei dem nach einer gewissen Sperrzeit nach der Schallaussendung das erste eintreffende Echo ausgewertet wird, zu kleine und damit unbrauchbare Meßwerte liefern.
• Bei dem Meßverfahren nach der Erfindung wird nicht wie bei der normalen Echolotung die Zeit vom Aussenden des Schallimpulses bis zum Eintreffen des ersten Echos zur Auswertung herangezogen, sondern es wird die Zeit vom Abklingen des letzten Echos bis zum Ende des Meßbereiches oder erneuten Aussenden eines neuen Schallimpulses zur Auswertung verwendet.
• Voraussetzung zur Anwendung des Meßverfahrens nach der Erfindung sind folgende prinzipielle bekannte Maßnahmen und Eigenschaften der Echolot - Baugruppe: - In Abhängigkeit vom Einsatzort müssen Ultraschallfrequenz, Leistung des Impulsgenerators und Empfindlichkeit des Empfangsverstärkers so bemessen sein, daß es möglich ist, trotz der vorhandenen störenden Zusatzechos das Hauptecho von der Wasseroberfläche zu empfangen und auszuwerten Innerhalb des Schallkegels treten zwischen den einzelnen Reflektoren und den Flanken der Wasserwellen zusätzlich mehrfache Reflexionen auf, deren Laufzeit zusammen länger sein kann als der momentanen Entfernung zwischen Schwinger und Wasseroberfläche entspricht. Hierdurch erscheinen auch störende Echo impulse nach Abklingen des Hauptechos. Diese Erscheinung ist um so geringer je schneter die Schallkegelbreite gewählt wird. In der Praxis müssen Ultraschallschwinger 0 gewählt werden, deren Schallkegel schmaler als + - 3 ist.
• Abbildung 4 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Wasserstand- und Wellenmeßgerätes nach der Erfindung. Der Taktgeber 9 steuert durch Triggerimpulse den Impulsgenerator 10, der einen Hochfrequenzimpuls an den Ultraschallschwinger 2 abgibt und damit die Abstrahlung eines Schallimpulses zur Wasseroberfläche 3 bewirkt.
• Die Echos werden vom Ultraschallschwinger 2 wieder empfangen und auf den Verstärker 11 gegeben, der mit einem so großen Verstärkungsgrad arbeitet, daß alle störenden Zusatzechos und das Oberflächenecho vom Verstärkerausgang über eine Torstufe 12 an die Auswertelogik 19 weiter geleitet werden können.
• Die Torstufe 12 hat bei dem Meßverfahren nach der Erfindung eine besondere Bedeutung, die im Folgenden beschrieben wird: Bedingt durch die Formen der Wasserwellen ändert sich der Reflexionsgrad der Wasseroberfläche für die Schallimpulse sehr stark. Er ist bei horizontaler Oberfläche in den Wellenbergen und - tälern am größten und an den Wellenflanken am kleinsten. Hierdurch treten bei Wellenbergen und - tälern auch Doppelechos auf, die der doppelten Laufzeit Ultraschallschwinger - Wasseroberfläche entsprechen und das Meßverfahren nach der Erfindung stören.
• Die Torstufe 12 hat die Aufgabe, diese Echos zu unterdrücken. Sie ist so bemessen, daß unter Berücksichtigung der möglichen Wasserstandsschwankungen am Meßort die Echos der Wellenberge noch durchgelassen, aber die Doppelechos der Wellentäler gesperrt werden. Hierzu wird die Torstufe 12 durch eine Steuerelektronik 13 gesteuert, die je nach Ausführung der Erfindung durch folgende Maßnahmen realisiert werden kann: - Elektronik 14 erhält von Lotverstärker 11 alle Echoinformationen, woraus sie den mittleren Wasserstand bildet und unter Berücksichtigung der maximal möglichen Wellenhöhe über Elektronik 13 die Torstufe 12 steuert.
• - Elektronik 15, aufgebaut aus LC-, RC-, Sägezahnkippstufen oder digitalen Zählern, wird durch Potentiometer oder digitale Vorwahlschalter manuell oder durch Fernbedienung auf den Wasserstand mit maximaler Wellenhöhe eingestellt und bewirkt über Elektronik 13 die Steuerung der Tor stufe 12.
• - Ein zusätzlich eingebauter Wasserdrucksensor 16 mit seiner Druckelektronik 17 ermittelt den mittleren Wasserstand und steuert unter Berücksichtigung der maximalen Wellenhöhe über Elektronik 13 die Torstufe 12.
• Von der Torstufe 12 gelangen die Echos, die in der oben beschriebenen Weise vor,sortiert sind, an die Auswertungselektronik 19.
• Der Taktgeber 9 triggert eine Zeitelektronik 18, die mit analogen Zeitkreisen oder digitalen Zählern den Referenzimpuls "Bereichsende" für das Meßverfahren erzeugt. Die Zeitelektronik 18 kann entfallen, wenn der Triggerimpuls der nächst folgenden Lotperiode als Referenzimpuls für die Messung genommen wird, wobei der Taktgeber dann zeitgenau arbeiten muß.
• Die Auswertungselektronik 19 wandelt den Zeitraum zwischen dem Abklingen des letzten von der Tor stufe 12 durchgelassenen Echos bis zum Referenzimpuls "Bereichsenden in den Meßwert umP der genau genommen um die Sendeimpulslänge korrigiert werden muß.
• Hierbei sind je nach Ausführung der Erfindung folgende Verfahren möglich: - Die Echos setzen einen Rückwärts - oder Vorwärts - Zähler jedesmal in den Anfangszustand zurück. Vom Ende des letzten Echos läuft der Zähler, gesteuert durch eine der Schallgeschwindigkeit im Wasser entsprechende Mutterfrequenz, frei bis er durch das "Bereichsende" gestoppt wird. Durch Wahl der Zählrichtung und Lage des Bereichsendes kann berücksichtigt werden, daß der Zählwert bei steigendem Wasserstand und Wellentälern zunimmt, woraus sich mit evtl. Umrechnung aus der Zählerstellung die Höhe der Wassersäule über dem Ultraschallschwinger ergibt.
• - Ein digitaler Zähler wird durch den Taktgeber beim Aussenden des SchallsignaZsin den Anfangszustand gesetzt und gestartet, zur so daß er mit einer Schallgeschwindigkeit im Wasser proportionalen Mutterfrequenz läuft. Beim Eintreffen eines Echos wird der momentane Zählerstand in einen Pufferspeicher übernommen, wobei die Elektronik so ausgebildet ist, daß folgende Echos die alten Zählersände im Pufferspeicher überschreiben. Dadurch ergibt sich, daß der Inhalt des Pufferspeichers den Zählerstand des letzten Echos enthält, aus dem sich dann die Höhe der Wassersäule über dem Echolotschwinger ergibt. Die Steuerelektronik 18 "Bereichsende" entfällt bei dieser Schaltung.
• - Die Echos setzen einen stabilisierten Meßkippgenerator mit steigender oder fallender Kurve jedesmal in den Anfangszustand. Vom Abklingen des letzten Echos läuft der Kippgenerator frei bis zum Ende der Kippspannung. Durch das Signal "Bereichsende" wird momentan die Höhe der Kippspannung elektronisch abgegriffen und der Auswertung, einer analogen Signalverarbeitung, zugeführt. Durch Wahl der Kurvenform des Meßkippgenerators kann erreicht werden, daß die Höhe der abgegriffenen und gespeicherten Meßspannung der Wassersäule über dem Ultraschallschwinger entspricht.
• Die analogen oder digitalen Meßwerte der Auswertungselektronik 19 werden der Datenregistrierung 20 zugeführt. Je nach Ausführung der Meßanlage nach der Erfindung werden die Daten entweder analog auf Magnetbändern, einem Schreibgerät oder einem Echographen oder digital auf VLochstreifen oder Magnetbändern gespeichert. Auch können die Meßwerte direkt einem Rechner mit seinen Peripheriegeräten zur weiteren Verarbeitung zugeführt werden.
• Je nach Ausführung des Gerätes nach der Erfindung befindet sich die Meßwertverarbeitung entweder mit im Sensorgehäuse am Gewässerboden oder in einer Meßstation an Land. Im letzteren Fall werden die Meßwerte per Seekabel oder Funk unter Zwischenschaltung einer Funkboje an der Wasseroberfläche zur Landstation übertragen.
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Claims (11)

1. Echolotverfahren zur Wasserstand- und Wellenmessung vom Gewässerboden aus.

   Patentansprüche 1)1 Echolotverfahren zur Wasserstand- und Wellenmessung mit einer am Gewässerboden angebrachten Echolotelektronik mit Signalauswerteschaltungen und zur Wasseroberfläche gerichtetem Ultraschallschwinger dadurch gekennzeichnet, - daß der Schallkegel des Ultraschallschwingers schmaler als + - 30 ist, und - daß die Echos aus dem Empfangsverstärker über eine Torstufe geleitet werden, die alle Echos aus dem Wasserraum bis zur Entfernung des höchsten Wasserstandes und des höchsten möglichen Wellenberges durchläßt und alle späteren Doppel -und Mehrfachechos von der Wasseroberfläche und dem tiefsten Wellental sperrt, und - daß die Echos von der Tor stufe an eine Auswertungselektronik geleitet werden, die den Meßwert aus dem Abklingen des letzten Echos bildet.
2. 2) Tor stufe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, - daß eine Steuerungslogik aus den auftretenden Echos der Wasseroberfläche den mittleren Wasserstand ermittelt und unter Berücksichtigung des maximal möglichen Wellenberges die Torstufe steuert.
3. 3) Tor stufe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, - daß eine Steuerungslogik mit analogen oder digitalen Zeitschaltungen ausgerüstet ist und manuell oder durch Fernsteuerung, Potentiometer, Wahlschalter, digitale Vorwahlschalter oder andere Schalteinrichtungen betätigt werden, die die Torstufe auf den maximalen Wasserstand mit dem maximalen Wellenberg einstellen.
4. 4) Torstufe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, - daß neben dem Ultraschallschwinger zusätzlich ein Wasserdrucksensor mit Elektronik eingebaut ist, der den mittleren Wasserstand bestimmt und die Torstufe unter Berücksichtigung des maximalen Wellenberges steuert.
5. 5) Torstufe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, - daß neben dem Ultraschallschwinger für das Meßverfahren nach der Erfindung ein zweiter Ultraschallschwinger mit einer anderen Lotfrequenz angeordnet ist, dessen Echolotelektronik den mittleren Wasserstand ermittelt und unter Berücksichtigung des maximal möglichen Wellenberges die Torstufe steuert.
6. 6) Auswertungselektronik nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, - daß der Meßwert gebildet wird aus dem zeitlichen Abstand zwischen dem Abklingen des letzten Echos und einem zu dem Zeitpunkt der Schallaussendung zeitlich konstant versetzten Referenzimpuls am Meßbereichsende, der auch der Triggerimpuls für die nächste Echolotung sein kann.
7. 7) Auswertungselektronik nach Anspruch 1 und 6 dadurch gekennzeichnet, - daß ein digitaler Zähler verwendet wird, der mit einer zur Schallgeschwindigkeit im Wasser proportionalen Mutterfrequenz läuft, und der von jedem Echo erneut in den Anfangszustand geschaltet und von dem Referenzimpuls am Meßbereichsende gestoppt wird, so daß die Zählerstellung ein Maß für den Zeitabschnitt vom Abklingen des letzten Echos bis zum Meßbereichsende ist.
8. 8) Auswertungselektronik nach Anspruch 1 und 6 dadurch gekennzeichnet, - daß ein stabilisierter Meßimpulsgenerator läuft, dessen Steigung zur Schallaufzeit im Wasser proportional ist, und der von jedem Echo erneut in den Anfangszustand geschaltet und dessen Kippspannung zur Zeit des Referenzimpulses am Meßbereichsende elektronisch abgegriffen und gespeichert wird, so daß die Meßspannung ein Maß für den Zeitabschnitt zwischen dem Abklingen des letzten Echos und dem Referenzimpuls am Meßberichsende ist.
9. 9) Auswertungselektronik nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, - daß ein Zähler mit einer zur Schallgeschwindigkeit im Wasser proportionalen Mutterfrequenz läuft, der von dem Taktgebersignal bei der Schallimpulsaussendung in den Anfangszustand geschaltet und gestartet wird und dessen Zählerstände durch die Echos in einen Pufferspeicher übernommen werden, wobei die später folgenden Echos die Zählerstände der vorherigen Echos überschreiben, so daß sich nach dem Abklingen des letzten Echos dessen Zählerstand im Pufferspeicher als Meßwert befindet, ohne daß ein zusätzlicher Referenzimpuls am Ende des Meßbereiches notwendig ist.
10. 10) Referenzelektronik für das Ende des Meßbereiches nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, - daß analoge oder digital gesteuerte Zeitschaltungen ausreichender Genauigkeit verwendet werden, die durch den Triggerimpuls für den Impulsgenerator des Ultraschallsenders getriggert werden.
11. 11) Einrichtung nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, - daß als Referenzimpuls der nächste Triggerimpuls des Taktgebers für die nächste Echolotung genommen wird. In diesem Fall erfolgt die Bildung der Meßwerte durch den Zeitabschnitt zwischen dem Abklingen des letzten Echos und dem Beginn der nächsten Echo -lotung.