OT Ultraschall Anemometer

Zitat:

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Das an Inhomogenitäten aus der Atmosphäre zurückgestreute Signal wird auf Dopplerverschiebung analysiert.

Bei einem ABstand TX/RX von ca.20mm müsste das Schallfeld stark genug sein um eventuelle Störungen zu überdecken.

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Hier kommen zwei Verfahren zusammen.
Wenn an bewegten Wetterfronten etwas reflektiert wird kommt es zu einer Dopplerverschiebung mit geänderter Frequenz.

Im 20cm Bereich gibt es diese Fronten nicht. Hier ändert sich bei konstantem Wind die Frequenz nicht. Die Übertragung geht je nach Wind etwas schneller oder langsamer aber mit konstanter Frequenz.

Die Phase ändert sich und kann speziell bei Übertragung in zwei Richtungen, hin und zurück, gemessen werden.

Mehrdeutigkeiten werden im allgemeinen duch die Messung bei mehreren Frequenzen (2) bestimmt, ("synthetische Wellenlänge" Wellenlänge der Differenzfrequenz der beiden Frequenzen).
Manfred

60m/s wollen wir nicht wirklich auf nem Schiff erleben ;-)

Zitat:

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Zitat von sigo

60m/s wollen wir nicht wirklich auf nem Schiff erleben ;-)

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Vor allem darf die Anzeige dann auch ruhig ein bisschen abweichen.

@sigo...yep, bei 60/ms = 216km/h = 120kn = 12Bf = Orkan oder so wirds jedem Seebär Angst und bange. Habe bisher max 62kn Bö erlebt.

Fürs Messen reicht ja vielleicht auch 40m/se, nur um zu sehen warum man Angst hat.

Beim Check der AVR fiel mir auf, daß die FSK-Demodulation wohl kaum per Software erledigt werden kann. Hat irgendwer eien simplen Hardware-Entwurf gesehen? Der Dynamikbereich um 500 macht mir noch etwas SOrgen!

Bei den AFU's gibts jede Menge aber für hier viel zu kompliziert.

wg: Dynamikbereich 1:500

Was haltet Ihr davon:

1 Sender, welcher dauerhaft rundum sendet (das geht)
3 Empfänger, welche dauerhaft das Signal empfangen

alle Frequenzen + Phasen gleichzeitig messen

Temperatureinflüsse auf die Phase würden kompensiert, da alle 3 Empfänger sich gleich verschieben und wir nur die Unterschiede betrachten, zus. Temperaturmessung kann natürlich auch nix schaden.

Das sollte im kleinen bis mittleren/gehobenen Windbereich sehr genau sein, also da wo man segelt und nicht "überlebt".

Bei sehr starkem Wind, wenn dann z.B: ein Wandler ausfällt, weil die Frequenzverschiebung zu groß ist (weger der 120° Anordnung, ist der Vektor ja max. bei 1 Wandler zu groß), könnte man entweder mit den verbleibenden arbeiten, oder aber mittels verschiedener Sendefrequenzen (fo+/-10% oder so), die Bandbreitenbegrenzung der Wandler umschiffen..
Da eine langsame Frequenzverschiebung des Senders sich immer auf alle Phasen gleich ausübt, kann man "dranbleiben" und verliert auch keine Perioden.

sigo

@sigo das muß man auch in Betracht ziehen. Bisher habe ich noch keine Hinweise auf ein Produkt gefunden,das die Messung so vornimmt. Kennst du eines ?
Hier der einzige Hinweis den ich gefunden habe http://de.wikipedia.org/wiki/Anemometer

Hinweis auf ein Produkt: Nein

In dem Wikipedia Artikel ist ja ziemlich genau beschrieben, wie das Teil mit den 4 Sensoren arbeitet. Offenbar mit der Laufzeitmessung. D.h. man erhält pro Sendung 3 Zeiten, und das reihum. D.h. nach 1 Runde hat man 12 Zeiten zur Verfügung und jeden der 6 Wege hin- und zurück gemessen.

ich will mir das mal zur Variante ThiesClima ansehen.

Ich hänge im Moment im Problembereich Timing/Genauigkeit.
Um 0.1m/s Wind Auflösung zu erreichen, muß ich die Frequenz/Phase auf 340x0,1=3400 Teile genau auflösen. Im Zeitbereich einer Phase bei 40kHz=25us wäre das um die 0.1° bzw. ca 7nS !!
Hab ich mich da verkalkuliert ?
Wenn nicht dann nur mit Hardware lösbar.
Hat jemand Vorschläge ?
8-[

Die Laufzeit für z.B. 34cm ist 1ms.
Die Auflösung von 1/3400 erhält man mit 0,3µs.

@Manf: deine Kalkulation hat hier wenig Relevanz, da hier die Differenz der Luftgeschwindigkeit mit einer Auflösung von 0,1m/s erfasst werden soll.
Der Abstand der Sensoren i.e. die absolute TOF geht nicht in die Rechnung ein. Wie die Sache aussieht habe wir es hier nicht mit Frequenz- sondern nur mit Phasenverschiebung zu tun.

:?: Wie messe ich diese Phasenverchiebung mit geforderter Genauigkeit ?

Zitat:

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

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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

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. \:D/

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

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.

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

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)
](*,) ](*,)

Anbei mal eine Link zu einer Grundsatzdiskussion.
Heftiger und wirklich grundsätzlicher Streit zum Verständnix 8-[

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

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" \:D/

Zitat:

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FMCW mit Sägezahnmodulierter US

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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

200kHz Wandler nehmen

Und was haben die so als Bandbreite angegeben?

Wer hat Datenblätter / Preise / Liefernachweis von US-Tranceivern ca 200Khz 8-[

Hallo catweazlex,
was die Frequenzverschiebung angeht, habt ihr die Frage ja schon gelöst. Sie wäre aber auch durch den Wikipedia-Artikel zu beantworten gewesen:

http://de.wikipedia.org/wiki/Ultrasc...rchflusssensor

Gruss,
stochri

Zitat:

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Ultraschalldurchflusssensoren messen die Geschwindigkeit eines strömenden Mediums (Gas, Flüssigkeit) mit Hilfe akustischer Wellen.
...
Beim Mitführeffekt müssen Ultraschalllaufzeiten mit Genauigkeiten im Nano- bis Pikosekunden-Bereich gemessen werden, hierfür kommt in technischen Geräten u.a. die sogenannte Pulsfrontmethode zum Einsatz. Die Laufzeit kann mit Hilfe eines digitalen Zählers bestimmt werden. Der Zähler wird beim Senden des Ultraschallpulses gestartet und gestoppt, wenn die Amplitude des Empfangssignals innerhalb eines Zeitfensters einen bestimmten Wert erreicht hat. Beschränkungen findet dieses Verfahren bei Störungen, die z.B. durch Kavitation bei hohen Fließgeschwindigkeiten auftreten können.

Von "http://de.wikipedia.org/wiki/Ultraschalldurchflusssensor"

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Ein sehr informativer Beitrag in Wiki, der sich mit der Messung der Geschwindigkeit eines strömenden Mediums (Flüssigkeit) mit Hilfe akustischer Wellen beschäftigt.

Die genannten Zahlenwerte sind für den Umgang mit strömenden Flüssigkeiten zu erwarten, genauso wie die Kavitation, die spontane lokale Verdampfung, von der bei Gasen bisher noch nicht berichtet wurde O:) .

Wiki ist wirklich sehr gut und es steigert seine Qualität ständig, so eine kleine Inkonsistenz wird laufend vorkommen. Das war nicht gemeint um die Entwickler von Windmesssensoren zu verunsichern, oder?

Manfred

Jojo...war schon klar soweit. :mrgreen:

Ich fand den anderen Link aber vieeeel lustiger...von wegen Pressluft im Lautsprecher :-&

Die Tage habe ich bei RS welche gesehen, die auf etwa 200kHz arbeiten. Schau mal selbst nach: http://www.rsonline.de/cgi-bin/bv/ho...p?cacheID=deie

Sonst sind mir noch keine aufgefallen.

Danke harry. MURATA MA200A1 scheint ok, nur der Preis >30 Teuronen :frown:
Wir experimentieren vorerst mit ein paar Schalungsentwürfen bei 40kHz und werden dann sehen was 200kHz bringt. Leider sind keine Phasendiagramme und Frequenzdiagramme angegeben. Ich werde mal nachforschen.
Ich untersuche im Moment, ob der Einsatz von RML in Frage kommt.
Vorerst werden die Konzepte mit Phasenauswertung geprüft .

Notfalls die Wandler selbst ausmessen. Liest Du mal hier mit: https://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=16207
Ist zwar für 40kHz-Wandler, aber sinngemäß gilt es auch für die anderen Typen.

Murata hat übrigens auch eine web-page: http://www.murata.com/

Zitat:

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Die genannten Zahlenwerte sind für den Umgang mit strömenden Flüssigkeiten zu erwarten, genauso wie die Kavitation, die spontane lokale Verdampfung, von der bei Gasen bisher noch nicht berichtet wurde Angel .

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Hallo Manf,
man merkt schon, Du schaust da sehr genau hin !
Ich habe mir mal die Mühe gemacht, das ein wenig zu korrigieren. Schöner wäre es natürlich, wenn man die exakten Formeln und Größenordnungen hinschreiben würde, aber dazu bin ich grade zu faul.

Zitat:

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Das war nicht gemeint um die Entwickler von Windmesssensoren zu verunsichern, oder?

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Ähm, bin mir jetzt nicht ganz sicher wie Du das meinst, aber eigentlich sollte das Pirnzip ja so ziemlich das gleiche sein.

Mal was anderes: Als passionierter US-Reflektor-Konstrukteur: Was hältst Du von diesem Reflektor https://www.roboternetz.de/phpBB2/vi...=152304#152304 und läst sich die Aussage so halten, dass er beim Sender oder Empfänger angebracht wird? Ich meine eher nicht.

Gruss,
stochri[/quote]

Zum Duplex Wandler werde ich gleich auch noch etwas herausbringen. Einen Teil gab es ja schon bei dem Mülleimerdeckel.

Wenn man bündeln möchte, dann wird man es vorteilhaft beim Senden und beim Empfangen tun. Der Richteffekt wird ja dabei stärker.
Man muss dann eben eine Signalweiche einführen mit der man etwas mehr mit Analogtechnik zu tun hat, ganz nach Datenblatt geht es dabei nicht.

Ich finde den Artikel übrigens sehr gut, er wurde auch schon im Roboternetz zitiert und ist auch schon eine ganze Reihe von Jahren alt. Eine selbstgebaute Antenne für Schall war damals kaum üblich und ist es wohl auch jetzt noch nicht.
Manfred

@harry :
wo genau hattest du die Phase-/Impedanz Diagramme von MA200A1 auf deiner angegebenen www.Murata.com gefunden ?
:shock:

http://www.rsonline.de/elektronische...allsensor.html

Unter "techn. Info" stehen im Datenblatt der Frequenzgänge für Wandler.

Es sind allerdings gemischte Datenblätter für 40kHz und 200kHz Wandler und die Daten über der Frequenz sind hier nur für 40kHz Wandler angegeben.

Der weitere Verlauf der Entwicklung am Ultraschall-Anemometer wird als Projekt

ANEMOUS

(gr.Winde )

auf einer eigenen Webseite begleitet und dokumentiert.

Alle die an diesem Projekt [glow=red:a78f66deb6]AKTIV[/glow:a78f66deb6] mitarbeiten möchten, können sich ab 1.3.2006 per PM anmelden und die Zugangsdaten/Kennwort für den Entwicklerbereich erfragen.Bitte gebt in der PM an wie ihr euch die Mitarbeit vorstellt, i.e. wo eure Spezialgebiete liegen.

Gruß
catweazle

Schön, viel Erfolg, ich hoffe wir hören hier dann noch vom weiteren Verlauf im allgemeinen wie Kenndaten und am Ende ein Bild vom Gerät.

Wenn es im Verlauf noch Fragen gibt, kann man ja auch weiter diskutieren.

Manfred

@catweazlex:
Gefundne jhabe ich sie nicht, weil ich nicht danach gesucht habe - dachte, der Link könnte hilfreich sein. Falls da nix zu holen ist, dann gibt es vielleicht den Hinweis auf einen Distributor, der die Datenblätter üblicherweise rausrückt.

Ich stelle hier mal ab und zu ein "Nebenprodukt" unserer Arbeiten als Info rein. Ich hoffe es ist für den einen oder anderen von Nutzen.

USING CODED SIGNALS TO BENEFIT FROM
ULTRASONIC SENSOR CROSSTALK
IN MOBILE ROBOT OBSTACLE AVOIDANCE

http://www-personal.engin.umich.edu/...rs/paper87.pdf

Simple Real-time Sonar with the DSP56824

http://dsplabs.utt.ro/~micha/research/pdfs/AN2086.pdf



*wir suchen Infos/Spezialisten zum Bereich Impedanzen an US-Sendern*

Gruß
catweazle

Zitat:

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*wir suchen Infos/Spezialisten zum Bereich Impedanzen an US-Sendern*

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Dann stelle doch hier im technischen Forum lieber die Fragen direkt, wenn es nicht geheim ist.

Manfred


Zum Stand der Diskussion zu Wandlern und der Phasenmessung.
https://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=16515
https://www.roboternetz.de/phpBB2/ze...ag.php?t=16207

Bild hier  

Geheim ? nein wirklich nicht.
Problemkreis wie folgt :
Wir möchten das Verhalten der elktr. Impedanz eines US-Tx im Nahbereich unter Resonanzbedingungen im besonderen unter Berücksichtigung der akustischen Rückwirkung auf diese abschätzen.

Ziel ist einenWandler zu finden, bei dem diese Rückwirkung möglichst groß ist, ie. Phasen-Veränderung einer stehenden Welle im Bereich 4lambda am Wandler lektronisch zu messen.

Wie ich in einem ander OT gesehen habe beschäftigt ihr euch recht teifgehend mit der Eigenschaft von Wandlern.

Leider gab es ebi Murata auch nach Anfrage diesbezügleich keine Aukunft.

Könnt ihr uns weiterhelfen ?

Gruß
catweazle

Die üblichen preiswerten 40kHz Wandler sind ja auf eine gute Kopplung mit der Umgebung optimiert, seit etlichen Jahren.
Man darf den Wandler eben nur elektrisch lose ankoppeln, wenn man die äußere Kopplung in der Rückwirkung noch mesen will.
Das kommt ja in dem Bild im Vergleich der beiden linken Kurven bei 40kHz zum Ausdruck.
Ob das reicht hängt von der Anwendung ab.
Manfred


https://www.roboternetz.de/phpBB2/ze...?p=62747#62747
Bild hier  

Nachfolgender Graph verdeutlicht meine Anfrage :
Transducer MURATA MA40S

Hieraus wird ersichtlich, daß sich mit steigendem Abstand zwischen Sender und Reflexionsfläche und damit verändertem Phasenwinkel zwischen gesendetem und reflektiertem Signal auch der Impedanzwinkel des Ultraschalltransducers ändert.

Insbesondere fällt auf, daß sich Kurvenabschnitte mit großer Steigung (δϕ/δd = max) periodisch im Abstand der halben Wellenlänge des Ultraschallsignals (ca. 9mm bei 40kHz) wiederholen. Dies deutet auf ein Durchlaufen des Resonanzzustandes bei einer Distanz von jeweils n·λ/2 hin.

Wie sieht das anderen Sendern aus?

Kann man dort auch eine deutliche Impedanzänderung unter Einwirkung des Reflexionssignals erwarten?

Gibt es Graphen für erhältliche Sender 40/100/200/1000 kHz?

Wie müßte eine Anpassung der Lastimpedanz aussehen, damit diese die elektrisch/mechanischen Reflexionen aufnimmt?