OT Ultraschall Anemometer

[Manf]

Der Abstand der Sensoren i.e. die absolute TOF geht nicht in die Rechnung ein.

Ich glaube wenn wir den Punkt klären können, dann kommen wir mit dem Messverfahren weiter. Eine Frequenzverschiebung ist es nicht, das ist richtig.

Es ist eine verlängerte oder verkürzte Zeit für die der Schall unterwegs ist wenn er sich mit oder gegen den Wind bewegt.
Je länger die Strecke ist und je länger damit der Schall mit dem (oder gegen den) Wind unterwegs ist, desto größer ist die Empfindlichkeit der Anordnung.
Die unterschiedliche Laufzeit wird bei konstanter Frequenz in eine Phasenverschiebung umgesetzt.


Zur Messung von Phasenverschiebungen nimmt man Phasendetektoren. Sehr schöne Beispiele dafür sind die Phasendetektoren des CD4046 der einen Phasendetektor von Typ 1 und von Typ 2 enthält.
Typ 1 ist eine einfaches EXOR Gatter das aus einer kontinuierlichen Phasenverschiebung eine Dreieckfunktion macht.
Typ 2 ist hier interessanter er wandelt eine kontinuierliche Phasenverschiebung in eine Rampenfunktion um.

Zur Funktion des Phasendetektors vom Typ2 nimmt man die beinen Signale deren Phasen man vergleichen möchte und formt sie zu Rechtecksignalen. Mit den negativen Flanken des einen Signals setzt man ein Flipflop und mit den negativen Flanken des anderen Signals setzt man es zurück. Am Ausgang des Filpflops erhält man damit ein PWM Signal das die Phasenverschiebung angibt.
Manfred

[catweazlex]

Dann wären wir etwa bei dem Prinzip wie schon gepostet:

Blockschaltbild eines Wandlers Phasendiff ->Impuls

Bleibt die Frage, womit man hinreichend genau die ankommenden Impulse detektiert. (Jitter/Hysterese)
An einem Präzisions Nulldurchgangsdetektor wird man wohl nicht vorbeikommen.

Wie sieht es mit der Digitalisierung aus ?

Ich habe mir einmal ein Spezialchip (time digital converter) von acam.de angeschaut. Der TDC-GP2 hat eine Auflösung von 65ps, Preis habe ich angefragt.
Vielleicht finden wir einen Weg der solchen Chip nicht benötigt. \/

Ich versuche mal ein Blockdiagramm zu entwerfen und im Simulator die Grenzwerte zu abzuschätzen.

[Manf]

Aus dem empfangenen Signal soll (zum Phasenvergleich) ein Rechtecksignal gebildet werden. Dazu benötigt man einen Komparator, einen schnellen Operationsverstärker (oder ein C-Mos Gatter).

Wenn man erst mal mal bei einer benötigten Zeitauflösung von 300ns bei 34cm Meßstrecke und Messung in einer Richtung bleibt werden keine besonders schnellen Schaltungen benötigt. Man könnte dafür einen Phasenkomparator in CMOS Technik einsetzen.

[sigo]

Warumdenn keine Frequenzverschiebung?

Sinussignal erzeugen
damit den US-Geber ansteuern
und dann das Signal mit dem empfangenen Signal überlagern und es ergibt sich eine hübsche eine Schwebungsfrequenz.

Da die Frequenz unabhängig von der Temperatur usw ist, hat man damit nix zu tun. Dito keine Laufzeitabhängigkeit.

Nun misst man noch die Freqeuenz des Schwebungssignals..
was ja sehr einfach geht..

Rechnung:

Bei 1 m/s Windgeschw. ergibt sich bei 44kHz US eine Frequenzverschiebung von 128Hz. Wenn man die hin- und Rückstrecke überlagert, kommt man sogar auf 256 Hz pro (m/s)
Wenn man die nicht toll zählen kann.
Bei einem Zähltor von 100ms, wären das dann 25 Impulse, bei 0,1m/s immerhin noch 2,5..

Wenn man das Ganze mit 200kHz Ultraschall macht, kommt man entsprechend auf ca. 10 Zählimpulse bei 0,1m/s oder man macht das Zeitfenster kleiner..
Bei 200kHz ergäbe ich eine Schwebungsfrequenz von 580Hz pro 1m/s bzw. hinundzurück sogar 1160Hz.
Das wären dann bei 60m/s 38500kHz einfach, oder 76500 doppelt, also 3850/7700 Zählimpulse pro 0,1s

Das wird wohl die Bandbreite des Ultraschallsensors sowieso nicht hergeben - die des Skippers auch nicht....

Auch hier könnte man aber die Frequenz des Senders am unteren/oberen Rand der Bandbreite anordnen/modulieren und so den Messbereich verdoppeln...

Und, die Dopplermethode funzt über- und unter Wasser gleich
Medium egal

1 Sender und 2,3,4 Empfänger..

Temperatur egal
Medium egal (wenn der Sensor es kann, sonst unterschiedliche Sensoren)
Laufzeit egal
Einseitige Erwärmung (Sonne) egal
Auswertung einfach
(überlagern, und mit 2,3,4 Zählern zählen
vmax: ? hängt von der Bandbreite des Sensors ab, tuts aber immer
Störsicherheit: ?

sigo

[catweazlex]

Herzlich wilkommen Sigo,

wir sitzen hier schon einige zusammen und es rauchen die Köpfe
einige meine es gibt keine Frequenzverschiebung, also keinen Doppler.
...Kopf kratz...bin eigentlich auch der Meinung....
wir haben schon eine Weile "gegoogelt"..
sollte man auf jeden Fall ausdiskutieren ( PN)

[catweazlex]

Anbei mal eine Link zu einer Grundsatzdiskussion.
Heftiger und wirklich grundsätzlicher Streit zum Verständnix

http://www.hifi-forum.de/index.php?a...ead=127&z=last

viel Vergnügen ( hatten wird auch)

noch ein Link http://gerhard.junker.info/publikati...aumakustik.htm
..suche noch weiter

[catweazlex]

Nachdem sich langsam die Nebel gelichtet haben, steht das Konzept fest und wir werden das ganze in die Praxis umsetzen. i.e.

FMCW mit Sägezahnmodulierter US 40 / 200kHz.
Phasenmessung über PLL,
Auswertung via AVR
Ausgabe von Wind-Geschw/Winkel an LCD/NMEA.

Dank an alle , die sich an der "Wegfindung" beteiligt haben.

Möchte das jemand über eine Simulation(Labview..usw) verifizieren ?


Gruß Catweazle von der SY " Tabaluga" \/

[Manf]

FMCW mit Sägezahnmodulierter US

Wenn man von dem 40kHz Wandler ausgeht und die Frequenz über den Bereich von 2kHz verschiebt,
dann kann man das innerhalb von 10ms tun also 2kHz /10ms und erhält bei einer Laufzeit von 1ms eine Schwebung von 200Hz.
Dieses Signal besteht für 10ms also für die Dauer von 2 Perioden.

Wenn der Sweep 100ms dauert also mit 2kHz/100ms dann erhält man bei 1ms Laufzeit eine Schwebung von 20Hz.
Dieses Signal besteht für 100ms also für die Dauer von 2 Perioden.

Eine Tiefpassfilterung mit einer Frequenzmessung mit einer Auflösung von 1/3000 ist damit eher schwierig. Gibt es dazu schon einen Ansatz?

Nicht lieber diskrete Frequenzen CW mit Phasenmessung?
(Der Phasengang der Wandler ist bei FMCW mit Sägezahn genauso als Fehler drin und muss eliminiert werden.)
Manfred

[sigo]

200kHz Wandler nehmen

[H.A.R.R.Y.]

Und was haben die so als Bandbreite angegeben?