109476 (15.58MB)

Ministerie van verkeer en Waterstaat,,'
Directoraat-Generaal Rijkswaterstaat
DT:
D E WAVERIDER-GOLFMEETBOEI
HYDRO-INSTRUMENTATIE
INHOUD
1
Inleiding
5
2
Werking
6
3
Mechanisch gedrag van de sensor
3.1.
3.2.
3.3.
3.4.
4
Werking van de binnen- en buitenbol.
Horizontaal gestabiliseerd plateau
Sensorvloeistof.
Versnellingsopnemer
7
7
9
9
10
Elektronische verwerking
4.1. Aansturing versnellingsopnemer
4.2. Signaalverwerking
12
12
14
4.3.
16
Datatransmissie
5
Overdrachtsfunctie
18
6
Batterijvoeding
19
7
Flitslicht
20
8
Het hanteren van de boei
21
9
Specificaties
22
10
Literatuurlijst
23
Bijlage 1
Bijlage 2
Het circuitdiagram van de modulator.
Het circuitdiagram van de zender.
24
25
VOORWOORD
De algemene beschrijving van de Waverider is tot stand gekomen in
samenwerking met Datawell B.V.
Correcties en adviezen zijn gegeven door ing. J. de Bes en ir. H.C. Peters
van het Rijksinstituut voor Kust en Zee afdeling ITH.
De vormgeving van dit document is verzorgd door de afdeling Visuele
Vormgeving van het Rijksinstituut voor Kust en Zee.
De oplage bedraagt 50 exemplaren.
De auteur
Rijswijk
18 november 1993
Rijkswaterstaat
Rijksinstituut v o o r
Kust en
Zee/RIKZ
bibliotheek
Wave rider
Algemene beschrijving
Auteur: J.J.C. van Spronsen.
Werkdocument RIKZ/IT-94.404x
DE WAVERIDER-GOLFMEETBOEI
HYDRO-INSTRUMENTATIE
1
INLEIDING
De Waverider golfmeetboei, verder genoemd de Waverider, is ontwikkeld in de jaren zestig. De opdracht voor de ontwikkeling is gegeven
door het Waterloopkundig Laboratorium Delft aan het toen nog in
oprichting zijnde Datawell B.V.. Vanaf 1964 is Rijkswaterstaat hierbij
betrokken geraakt.
In 1968 is de Waverider door Datawell B.V. in produktie genomen.
Inmiddels wordt de Waverider wereldwijd beschouwd als een standaard
golf hoogte-meter. Gezien het feit dat het gaat om een reeds lang (ca 25
jaar) toegepast instrument, dreigt de kennis betreffende de werking en
de opbouw hiervan bij RWS te vervagen. O m deze kennis op te frissen
en eenduidig vast te leggen werd besloten tot het opstellen van deze
beschrijving.
In deze beschrijving is niet opgenomen de calibratie, de signaalontvangst en de verwerking aan de wal.
Deze handleiding beschrijft het werkingsprincipe van de Waverider. In
de afgelopen jaren zijn er een aantal modificaties aangebracht met
betrekking tot bepaalde details. Daardoor kan de inhoud van deze
beschrijving op detailniveau afwijken voor een bepaald exemplaar.
Echter op hoofdlijnen is de beschrijving geldig voor alle Waveriders.
De Waverider is bij Rijkswaterstaat opgenomen in het Landelijk
Instrumenten Bestand (LIB) van Hydro-instrumentatie en wordt toegepast door diverse meetdiensten van de RWS,
RIJKSINSTITUUT V O O R KUST EN
Za/RIKZ
5
HYDRO-INSTRUMENTATIE
D E WAVERIDER-GOLFMEETBOEI
2
WERKING
De Waverider is een bolvormig op het water drijvend instrument, dat op
een bepaalde positie de verticale uitwijking van het wateroppervlak als
functie van de tijd meet.
De boei is leverbaar met een diameter van 700 mm of 900 mm. De 700
mm golfmeetboei weegt ongeveer 900 N en de 900 mm golfmeetboei
weegt ongeveer 1500 N. De 700 mm boei wordt toegepast onder normale zeecondities. De 900 mm boei wordt, vanwege haar groter
opdrijvend vermogen, toegepast op locaties waar hoge stroomsnelheden optreden.
O p het drijflichaam van de meetboei worden stuwkrachten uitgeoefend
veroorzaakt door wind, stroming en golfbewegingen. O m de boei op de
meetlocatie te houden is het noodzakelijk om deze te verankeren op de
bodem, echter zodanig dat de boei de orbitaal bewegingen van de
golven kan blijven volgen. Dit wordt mogelijk gemaakt door middel van
een flexibele enkelvoudige verankering. Deze is opgebouwd uit een
kettinganker en een elastische rubber pees die door middel van een
korte ketting is vast gemaakt aan de onderzijde van de meetboei. Het
kettinganker weegt voor de 700 mm boei ongeveer 3000 N en voor de
900 mm boei ongeveer 5000 N.
Bij golven met een amplitude groter dan 20 m, is de rek van een rubber
pees te klein om de boei de beweging van het wateroppervlak te laten
volgen. O m grotere amplitudes te kunnen meten worden 2 rubber
pezen in serie toegepast. Bij waterdiepten kleiner dan circa 5 m. functioneert de flexibele verankering onvoldoende, waarmee de ondergrens
met betrekking tot de waterdiepte voor de toepassing van de boei is
aangegeven.
De bolsymmetrisch vorm van het drijflichaam en de constructie van het
aangrijpingspunt van de verankering aan de boei voorkomen zoveel
mogelijk dat de boei gaat kantelen door de golfbewegingen. De verticale component van de boeibewegingen wordt door een versnellingsopnemer gemeten die op een horizontaal gestabiliseerd plateau in de meetboei is gemonteerd.
Alle rotatie-bewegingen worden geelimineerd door het zuiver
horizontaal positioneren van het plateau. Uit de resterende translatiebewegingen wordt de verticale versnelling geselecteerd door de constructie van de versnellingsopnemer.
Golf-
bewegingen
DRIJFLICHAAM
&
VERANKERING
Figuur 1. Blokschema
a(t)
BoeiSENSOR
DUBBELE
INTEGRATOR
u(t)
ZENDER
output
bewegingen
Waverider.
De sensor wordt gevormd door het plateau en de versnellingsopnemer.
Het signaal aft) afkomstig van deze versnellingsopnemer wordt elektronisch tweemaal gei'ntegreerd over de tijd waardoor een tijdsafhankelijk
signaal u(t) wordt verkregen dat een maat is voor de verticale uitwijking,
zie figuur 1. Dit signaal wordt naar de wal verzonden voor verdere
verwerking. Het zendbereik is afhankelijk van de golfhoogte en varieert tussen 50 km bij geringe golfhoogte tot 30 km bij golven hoger dan
10 m.
6
RIJKSINSTITUUT VOOR KUST EN Z E E / R / K Z
D E WAVERIDER-GOLFMEETBOEI
HYDRO-INSTRUMENTATIE
3
MECHANISCHE GEDRAG VAN DE SENSOR
3.1
Werking van de binnen- en buitenbol
Zoals in het vorige hoofdstuk is beschreven, volgt het bolsymmetrische
drijflichaam de golfbewegingen. De bewegingen van het drijflichaam
bestaan uit rotaties en translaties in alle richtingen. O m hieruit de verticale versnelling te kunnen selecteren zijn een aantal mechanische
voorzieningen getroffen.
De eerste selectie wordt bereikt met de uitvoering van de verankering
en met de vorm van het drijflichaam dat relatief ongevoelig is voor de
helling van het wateroppervlak. Echter de golfbewegingen zijn in het
algemeen te heftig om hiermee te kunnen volstaan. Daarom is een
tweede selectie van de te meten grootheid noodzakelijk.
Deze selectie wordt bereikt door een perspex binnenbol cardanisch en
bijna zwevend op te hangen in een eveneens uit perspex bestaande
buitenbol die gevuld is met een vloeistof. De buitenbol is door middel
van PE-schuim star verbonden met het roestvaststalen drijflichaam, zie
figuur 2.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
drijflichaam.
sensorvloeistof binnenbol.
sensorvloeistof buitenbol.
rubberen stootrand.
wateroppervlak.
binnenbol.
plateau.
buitenbol.
PE-schuim.
Figuur 2. Verticale doorsnede
Waverider.
De binnenbol volgt volledig alle translatiebewegingen van het drijflichaam, maar in veel mindere mate de boeirotaties, zodat de binnenbol
redelijk horizontaal gestabiliseerd is.
Als het drijflichaam echter een horizontale versnelling ten gevolge van
de golfbewegingen ondervindt, zal het excentrische zwaartepunt van de
binnenbol een horizontale traagheidskracht ondervinden, waardoor de
totaal ondervonden versnelling niet meer precies verticaal gericht is. Het
zwaartepunt van de binnenbol richt zich naar deze totale versnelling,
waardoor de binnenbol scheef gaat staan ten opzichte van de verticaal.
Daarom is de binnenbol voor de beoogde toepassing nog niet voldoende gestabiliseerd zodat een derde selectie vereist is.
Deze selectie wordt verkregen door in de met dezelfde vloeistof gevulde
binnenbol een perspex plateau nagenoeg zwevend op te hangen. Deze
constructie gedraagt zich als een gedempte slinger met een slingerperiode van ongeveer 40 s die veel groter is dan de periodeduur van de te
meten golfbewegingen. Hierdoor richt het restgewicht van het plateau
zich niet naar de momentane versnelling, maar naar de over langere tijd
gemiddelde versnelling die precies verticaal gericht is, zodat het plateau
zuiver horizontaal gestabiliseerd is.
O m de wrijvingskrachten tussen buitenbol en binnenbol en tussen binRIJKSINSTITUUT VOOR KUST EN
Zn/RIKZ
7
DE WAVERIDER-GOLFMEETBOEI
HYDRO-INSTRUMENTATIE
nenbol en plateau gering te houden dient de vloeistof een lage viscositeit te bezitten. De vloeistof bestaat daarom uit een homogeen
mengsel van water en glycerine. Door de lage viscositeit van de vloeistof
neemt de kans op turbulentie toe. De vormgeving van het plateau is
zodanig dat turbulente bewegingen in de vloeistof zoveel mogelijk worden voorkomen.
De binnen- en buitenbol staan niet in open verbinding met elkaar waardoor vloeistoftransport wordt voorkomen.
O m de uitzetting van de vloeistof door temperatuursinvloeden op te
kunnen vangen is voorzien in een expansieruimte. Hierin kan tevens het
vloeistofniveau in de buitenbol worden afgelezen.
Het vloeistof niveau in de buitenbol is te laag, als de binnenbol en de
cardanische ophanging niet meer volledig zijn ondergedompeld in de
vloeistof. In dat geval treedt er, vanwege de grotere wrijving, instabiliteit
op.
3.2.
Horizontaal gestabiliseerd plateau
Aan de top van de binnenbol is star een metalen buisje, de zogenaamde
pendel, bevestigd waardoor drie platina signaaldraden lopen met een
diameter van enkele microns. Deze signaaldraden worden buiten de
sensor gevoerd via de cardanische ophanging. Aan het uiteinde van de
pendel bevindt zich de pendelprop, een "paddestoelvormig" blok perspex, met een "trompetachtige" doorvoer (zie figuur 3 punt 7). Door deze
doorvoer worden de signaaldraden buiten de pendel gevoerd. Aan deze
signaaldraden is het cirkelvormige plateau opgehangen (zie figuur 3
punt 10). De doorvoer bevindt zich bovendien precies in het middelpunt
van de binnenbol en is zodanig uitgevoerd dat het plateau via de signaaldraden mechanisch niet wordt aangestoten bij draaiende bewegingen van de binnenbol.
1. buitenste afsluitdop.
2. rubber membraan.
3. expansie-ruimte.
4. verticale cardanische beugel.
5. binnenste afsluitdop.
6. pendel.
7. pendelprop.
8. holle cilinder.
9. horizontale cardanische beugel.
10. ophanging.
11. versnellingsopnemer.
12. plateau.
13. elektroden.
14. balansschroef.
15. binnenbol.
16. buitenbol.
17. vereffeningsgewicht.
18. kapje.
Figuur 3. Verticale doorsnede sensor.
8
RIJKSINSTITUUT VOOR KUST EN ZEE/RIKZ
D E WAVERIDER-GOLFMEETBOEI
HYDRO-INSTRUMENTATIE
De drie signaaldraden zijn tussen de pendelprop en het plateau enigszins
vervormd. Deze vervorming vangt heftige schokken op. O p het cirkelvormige perspex plateau is de versnellingsopnemer gemonteerd.
Het vereffeningsgewicht aan de onderzijde van de binnenbol (zie figuur
3 punt 17) zorgt ervoor dat de binnenbol altijd naar zijn evenwichtsstand (pendel verticaal) terugkeert.
Het plateau heeft een soortelijke massa, die vrijwel gelijk is aan die van
de vloeistof, waardoor het plateau bijna in de vloeistof zweeft. Het restgewicht van het plateau is ongeveer 100 mg en bezit een relatief laaggelegen aangrijpingspunt, zodat het plateau na een eventuele beweging
altijd weer naar zijn horizontale evenwichtsstand terugkeert.
Het zuiver horizontaal uitbalanceren van het plateau wordt gerealiseerd
door daarop gewichtjes aan te brengen (grofinstelling) en door de
balansschroef te verstellen (fijninstelling). De balansschroef (zie figuur 3,
punt 14) bevindt zich in een perspex staaf aan de onderzijde van het
plateau.
De versnellingsopnemer is gemonteerd in een perspex doosje van
60x20x80 mm (Ixbxh) en is ingeklemd op het plateau (zie figuur 3 punt
11). Zowel aan de bovenkant als aan de onderkant van het plateau is
een holle cilinder aangebracht met een diameter van 65 mm en een
hoogte van 38 mm. Deze cilinder heeft een dempende werking op de
bewegingen van het plateau en voorkomt turbulentie van de vloeistof in
de nabijheid van de versnellingsopnemer.
3.3
Sensorvloeistof
Het homogeen zijn van de sensorvloeistof is essentieel voor een goede
werking van de Waverider. Deze homogeniteit kan nadelig worden
beinvloed door de vorming van schimmels. Glycerine is een voedingsbodem voor schimmels. Bij een bepaalde temperatuur en een bepaald
zuurstof gehalte zullen de micro-organismen zich gaan vermenigvuldigen. Daarom zijn aan de vloeistof bepaalde stoffen toegevoegd om de
pH-waarde te wijzigen, waardoor de schimmels worden gedood.
De vloeistof kan ook zijn homogeniteit verliezen door de vorming van
luchtbellen, die tot instabiliteit van het plateau kunnen leiden. Deze
luchtbellen kunnen ontstaan, omdat perspex enigszins luchtdoorlatend
is.
Temperatuurvariaties hebben eveneens een belangrijke invloed op de
sensorvloeistof. Als de temperatuur van de binnenbol in korte tijd wordt
verhoogd met circa 25°C , kan er in de vloeistof turbulentie ontstaan
waardoor het plateau zijn stabiliteit verliest. Deze situatie kan zich voordoen, als de boei uit een relatief koele opslagruimte wordt gehaald en in
de felle zon wordt gezet. In het boeicompartiment ontstaat dan een zeer
hoge temperatuur, die vertraagd wordt doorgegeven aan de vloeistof in
de binnenbol.
Aangezien de binnenbol redelijk thermisch gei'soleerd is van het drijflichaam duurt het ongeveer 72 uur, voordat de binnenbol de buitentemperatuur aanneemt bij een verandering van de omgevingstemperatuur.
Daardoor volgt de temperatuur van de binnenbol de over enkele dagen
gemiddelde buitentemperatuur.
Als de buitentemperatuur langdurig lager is dan -5°C, daalt de temperatuur van de sensorvloeistof op den duur ook beneden de -5°C.
Hierdoor treedt er schifting van het mengsel op. Door het verschil in
soortelijke massa gaat het water bovenop het glycerine drijven. Het
water is van de glycerine gescheiden en zal bevriezen, waardoor de
sensor onherstelbaar wordt beschadigd.
Ook mag de temperatuur van het boeilichaam niet langdurig hoger zijn
dan +55°C. Vroeger was de maximum temperatuur +35°C, omdat toen
de expansieruimte kleiner was.
RIJKSINSTITUUT V O O R KUST EN
ZH/RIKZ
9
HYDRO-INSTRUMENTATIE
D E WAVERIDER-GOLFMEETBOEI
Zodra de boei zich in het water bevindt, zal het drijflichaam min of meer
de temperatuur van het omringende water aannemen. De bovengenoemde minimum en maximum temperaturen spelen dan geen rol,
omdat het water 's-winters zelden beneden -5°C komt en 's-zomers
nooit boven +55°C komt. Echter deze extremen zijn wel van belang bij
opslag en transport van de boei.
3.4
Versnellingsopnemer
In hoofdstuk 3.1 is aangegeven dat alle rotaties zijn geelimineerd. De
eliminatie van de horizontale translates vindt plaats door middel van de
versnellingsopnemer.
De versnellingsopnemer, zie figuur 4, bestaat uit een horizontaal gepositioneerd platina staafje met een diameter van 0,2 mm. Het staafje
bevindt zich in een met sensorvloeistof gevuld kanaal met een diameter
van 1 mm. Het staafje is aan een uiteinde ingeklemd en kan aan het
andere uiteinde vrij bewegen tussen twee elektroden. De uitslag van het
staafje wordt door het kanaal begrensd tot circa ± 0,5 mm.
De versnellingsopnemer is star verbonden met het plateau.
1.
2.
3.
4.
elektrode 1.
elektrode 2.
staafje.
kanaal.
§o
Figuur 4. Verticale doorsnede
opnemer.
Als het plateau een versnelling ondervindt loodrecht op de lengte-as van
het staafje, zal het staafje door de optredende traagheidskracht in
tegengestelde richting uitbuigen. Een dergelijke versnelling leidt dus tot
een relatieve verplaatsing van het staafje ten opzichte van het plateau,
hetgeen op elektronische wijze meetbaar is. Door de positie van de elektroden worden alleen relatieve verticale verplaatsingen, ten gevolge van
verticale versnellingen van het plateau, gemeten.
Ten gevolge van de zwaartekracht hangt het staafje in de ruststand niet
precies horizontaal, maar heeft het een statische uitwijking van circa
0,2 mm. Door een mechanische verstelling van het staafje heeft men dit
nagenoeg vereffend. Omdat het staafje ten gevolge van de valversnelling van 9,81 m/s een uitwijking krijgt van 0,2 mm, wordt het lineaire
verband tussen versnelling en uitwijking van het staafje gegeven door
een evenredigheidscoefficient ter waarde van circa 0,2/9,81 » 0,02 mm
per m/s .
2
2
Omdat de uitbuiging van het staafje tussen de elektroden begrensd
wordt tot circa ± 0,5 mm, bedraagt het meetbereik dus ongeveer:
± (0,5/0,02) = ± 25 m/s
In de praktijk komt de verticale versnelling bij golfbewegingen op zee
bijna nooit boven 6 m/s uit. Het meetbereik van ± 25 m/s is ruimschoots voldoende, waardoor de meetwaarde lineair verloopt binnen het
meetgebied.
2
2
10
2
RIJKSINSTITUUT V O O R KUST EN Z E E / R / K Z
D E WAVERIDER-GOLFMEETBOEI
HYDRO-INSTRUMENTATIE
4
ELEKTRONISCHE VERWERKING
4.1
Aansturing versnellingsopnemer
Het staafje van de versnellingsopnemer is geheel omgeven door de
sensorvloeistof. Door het elektrische geleidingsvermogen van de vloeistof is het staafje met elk van de beide elektroden elektrisch verbonden
De grootte van de verbindingsweerstanden hangt af van de soortelijke
weerstand van de vloeistof en van de afstand tussen staafje en elektroden (zie figuur 5).
1.
2.
3.
4.
5.
elektrode 1
elektrode 2
staafje
transformator
oscillator
Figuur 5. Schema
versnellingsopnemer.
De elektroden zijn verbonden met de secundaire zijde van een transformator met middenaftakking. De primaire zijde van de transformator
wordt aangestuurd door een oscillator, waardoor een wisselspanning
met een frequentie van 400 Hz op elektrode 1 en 2 wordt gezet (zie
figuur 5). De elektroden 1 en 2 worden in tegenfase aangestuurd door
een wisselspanning +Ui respectievelijk - U | .
1.
2.
3.
4.
5.
elektrode 1
elektrode 2
staafje
transformator
oscillator
4
R39
Rb
R40
R44
XR
R43
R42
(1-X)R
Ui
Rb
Uo
R41
Figuur 6. Elektrische schema
versnellingsopnemer.
In het elektrisch schema van figuur 6 wordt de versnellingsopnemer
voorgesteld door een potentiometer, waarbij het staafje overeenkomt
met de loper en de vloeistof tussen de elektroden met de weerstand R
van de potentiometer, die circa 7000 Q bedraagt.
De weerstanden Rb vormen de elektrische weerstand van de dunne
platina aansluitdraden en hebben een waarde van ongeveer 400 Q.
In het algemeen bezit de weerstand tussen staafje en elektrode 1 de
RIJKSINSTITUUT VOOR KUST EN Z E E / R / K Z
11
HYDRO-INSTRUMENTATIE
D E WAVERIDER-GOLFMEETBOEI
waarde XR, terwijl de weerstand tussen staafje en elektrode 2 de waarde
(1 -X)R bezit, waarbij 0 < X <1.
Voor de wisselspanning U kan worden geschreven:
0
(XR+R )
R+2R
7-2X
b
U
°~
l
R+2R
r
J
L
b
b
1
1+2R /R
] * U,
b
Aangezien R = 7000 Q en Rb = 400 Q. geldt dat 2 R / R = 0,114 zodat
kan worden geschreven U = 0,897(1-2X)U,.
b
0
Uit het voorafgaande blijkt dat de uitgangsspanning Uo niet alleen
afhangt van de uitbuiging van het staafje, dus van de variabele X, maar
ook van de verhouding R / R .
De vloeistofweerstand R is sterk temperatuurafhankelijk: varieert circa
2,5 % per °C temperatuurverandering. Bovendien kan de geleidbaarheid
veranderen door verouderingsverschijnselen. Daarom moet er gecompenseerd worden voor variaties van de vloeistofweerstand. De functie
van de weerstanden R43 en R44, die hierbij een rol spelen, wordt
beschreven in hoofdstuk 4.2.
Doordat het niet mogelijk is om de statische doorbuiging van het staafje
(circa 0,2 mm) mechanisch geheel op te heffen is het noodzakelijk dit
elektronisch te compenseren. De uitgangsspanning wordt in de
rusttoestand elektronisch op nul afgeregeld met behulp van de aanpassingsweerstanden R39 t/m R42 die zich op de modulatorprint bevinden.
b
Signaal
elektrode 1
Uitgangssignaal
naar modulatorprint
(a)
(b)
Figuur 7. Signaalvormen, zonder versnelling (a) en met versnelling (b).
72
RIJKSINSTITUUT VOOR KUST EN Z E E / R / K Z
HYDRO-INSTRUMENTATIE
D E WAVERIDER-GOLFMEETBOEI
Als het plateau geen verticale versnelling heeft dan bevindt het staafje
zich precies tussen de twee elektroden waardoor de loper van de
potentiometer in de middenstand staat. Dit houdt in dat de spanning U
tussen de loper en de middenaftakking gelijk is aan nul (zie figuur 7a).
Wanneer het staafje naar elektrode 1 buigt dan zal het signaal van
elektrode 1 toenemen en het signaal van elektrode 2 evenredig afnemen. Sommering van deze twee signalen levert het uitgangssignaal dat
in fase is met het signaal van elektrode 1 (zie figuur 7b).Zoals uit figuur
7 blijkt is het uitgangssignaal van de versnellingsopnemer een sinusvormig wisselspanningssignaal dat in fase dan wel in tegenfase is met het
oscillatorsignaal. De amplitude van dit signaal is evenredig met de
grootte van de verticale versnelling en de fase (0 of ri), geeft de richting
aan (+ of -) van de versnelling.
0
4.2
Signaalverwerking
In figuur 8 is het blokschema getekend van de versnellingsopnemer en
de elektronica.
compensatie
vloeistofweerstand
phase
locked
loop
ingang
verticale
versnelling
versnellingsopnemer
versterker
100x
synchro—
ne
detector
uitgang
integrator
T=460s
Figuur 8. Blokschema
VCO
V
zender
signaalverwerking.
De gevoeligheid van de versnellingsopnemer is afhankelijk van de vloeistofweerstand van de sensor. Door temperatuurvariaties zal de
weerstandswaarde van de vloeistof veranderen. Deze weerstandsverandering leidt tot een spanningsverandering over de meetweerstanden
R 4 3 en R 4 4 . O p basis van deze spanningsverandering regelt een compensatie-circuit de oscillatorspanning zodanig dat de wisselspanning
over de potentiometer gelijk blijft. Hiermee wordt de vloeistofweerstand
op temperatuurvariaties gecompenseerd.
Het uitgangssignaal van de versnellingsopnemer is te klein om direct te
bewerken en wordt daarom eerst 100 maal versterkt. O m een signaal te
creeren dat evenredig verloopt met de momentane verticale versnelling
wordt het versterkte uitgangssignaal van de versnellingsopnemer door
een synchrone detector gelijkgericht tot een langzaam varierend signaal.
Daartoe wordt de oscillatorspanning via een Phase Locked Loop aan de
synchrone detector toegevoerd. De Phase Locked Loop levert als
stuursignaal naar de synchrone detector een blokgolfsignaal met een
constante amplitude dat in fase is met het oscillatorsignaal. De amplitude van het oscillatorsignaal bevat variaties als gevolg van de veranderingen van de vloeistofweerstand.
In het uitgangssignaal van de Phase Locked Loop zijn deze variaties niet
meer aanwezig.
De synchrone detector, een fasegevoelige gelijkrichter, vergelijkt het signaal van de 100 maal versterker en het stuursignaal afkomstig van de
RIJKSINSTITUUT V O O R KUST EN
ZEE/RIKZ
13
HYDRO-INSTRUMENTATIE
D E WAVERIDER-GOLFMEETBOEI
Phase Locked Loop in amplitude en fase. De synchrone detector fungeert derhalve als een amplitude-demodulator.
Het uitgangssignaal van de synchrone detector is nu een langzaam
varierend signaal dat in amplitude en polariteit samenhangt met de
amplitude en fase van het wisselspanningssignaal aan de ingang en
daarmee met de grootte en de richting van de verticale versnelling.
Het langzaam varierend signaal wordt daarna tweemaal ge'integreerd
met behulp van twee integratoren. Het dubbele integratieproces verloopt niet ideaal. Hierop wordt in hoofdstuk 5 nader in gegaan.
De uitgangsspanning van de laatste integrator is evenredig met de
momentane verticale uitwijking van het drijflichaam en bezit een gevoeligheid van circa 75 m V / m .
Zoals beschreven in hoofdstuk 2 is de Waverider met enkelvoudige pees
geschikt voor het meten van golfhoogten met een amplitude tot 20 m
(zie figuur 9a) hetgeen overeenkomt met een spanning van
± 20 * 0,075 = ± 1,5 V (zie figuur 9b).
m
V
Hz
(a)
(b)
(c)
Figuur 9. Verticale uitwijking (a), spanningsverloop (b) en het frequentieverloop (c).
Het uitgangssignaal van de laatste integrator wordt aangeboden aan
een V C O (een spanninggestuurde oscillator) en omgezet in een frequentie gemoduleerd signaal. Dit signaal is een kanteelspanning met
een amplitude van 6V en een centrale frequentie van f = 259 Hz (zie
figuur 10), hetgeen overeenkomt met een gemiddelde periodeduur van
3,86 ms.
+ 6V
t
-6V
_ ^
'gem.
Figuur 10. Kanteelspanning
VCO.
De modulatieindex van dit signaal bedraagt 1,86 H z / m . Bij een toename
van de verticale uitwijking zal de frequentie hoger en de periodetijd T
omgekeerd evenredig kleiner worden.
Uitgaande van een golf met een amplitude 20 m zal de frequentie bij
het bereiken van het maximum dus met 20 * 1,86 = + 37,2 Hz verhoogd zijn.
14
RIJKSINSTITUUT V O O R KUST EN Z E E / R / K Z
HYDRO-INSTRUMENTATIE
D E WAVERIDER-GOLFMEETBOEI
De maximale frequentie van het signaal wordt dan f
= 259 + 37,2 =
296,2 Hz en de minimale frequentie wordt dan f
= 259 - 37,2 =
221,8 Hz (zie figuur 9c).
Het frequentie gemoduleerde signaal wordt via een als source-volger
geschakelde FET (Ts 6) naar de zenderprint gestuurd (zie circuitdiagram
modulator bijlage 1).
max
min
4.3
Datatransmissie
De door de V C O uitgestuurde kanteelspanning schakelt een afstembare
oscillator aan en uit waarvan de frequentie gestabiliseerd is met een kristal. Voor de Waverider wordt het kristal gebruikt van het type C R - 7 7 U
dat verkrijgbaar is in de gestabiliseerde frequenties van 26,5 M H z tot
42 M H z . Als twee boeien binnen een straal van 50 km opereren moeten
de zendfreqenties van deze boeien minstens 20 kHz van elkaar verschillen om interferentie te voorkomen.
Het A M signaal wordt via een vermogenstransistor Ts 43 naar de glasfiber staaf-antenne gestuurd (zie circuitdiagram zender bijlage 2). De
antennekring kan worden afgestemd op de resonantiefrequentie met
behulp van een regelbare condensator C72.
Het zendvermogen van de zender is ongeveer 80 m W waarmee het signaal over een afstand van 50 km kan worden verzonden zolang de
amplitude van zeegolven kleiner is dan 10 m.
Bij de Waverider wordt gebruik gemaakt van een staaf-antenne als straler die gemonteerd is op de top van het drijflichaam. Het goed geleidende wateroppervlak en het drijflichaam van de boei fungeren als een
spiegel voor deze staaf-antenne, waardoor deze configuratie hetzelfde
stralingsdiagram bezit als een gewone open-dipool antenne (zie figuur
11).
I
Gespiegelde
straler
Figuur 11. Antenne
I
|
S
*
configuratie.
O m te profiteren van de gunstige voortplantingseigenschappen van
verticaal gepolariseerde elektromagnetische golven boven een goed
geleidend oppervlak is de antenne verticaal opgesteld.
De golflengte is omgekeerd evenredig met de frequentie en zal dus
varieren tussen een bepaalde maximum en minimum waarde als de frequentie varieert tussen 26,5 M H z en 42 M H z . Aangezien de voortplantingssnelheid c van elektromagnetische golven gelijk is aan
3.10 m/s kunnen we de minimale en de maximale golflengte als volgt
berekenen:
s
RIJKSINSTITUUT VOOR KUST EN
ZZE/RIKZ
15
HYDRO-INSTRUMENTATIE
DE WAVERIDER-GOLFMEETBOEI
f
min
= 26,5 M H z =>
maximale golflengte = c / f
= 3 * 10 /26,5 * 10 = 11,32 m
8
mln
6
f =42MHz=>
minimale golflengte = c / f
= 3 * 10 /42 * 10 = 7,14 m
hier uit volgt dat: 1,79 m < /4-golflengte < 2,83 m
m a x
8
6
m a x
1
In de Waverider is de antenne via een afgeschermde kabel gekoppeld
aan de zenderprint. De lengte vanaf de antennevoet tot aan de zenderprint bedraagt ongeveer 0,5 m.
De antennevoet bevindt zich op een hoogte h (afhankelijk van de boeidiameter) boven het wateroppervlak, waardoor voor de antenne-lengte
L geldt:
L = V4A. - h, zie figuur 12.
antenne
Figuur 12. Drijflichaam
met staaf-antenne
Voor een frequentie van circa 27 M H z wordt dus een antenne-lengte
van circa 2 m. toegepast.
76
RIJKSINSTITUUT VOOR KUST EN Z E E / R / K Z
D E WAVERIDER-GOLFMEETBOEI
HYDRO-INSTRUMENTATIE
5
DE OVERDRACHTSFUNCTIE
Er zijn in de overdracht van golfbeweging naar uitgangssignaal, zie
figuur 13, twee storende invloeden aanwezig.
De eerste verstoring wordt gevormd door de dynamische respons van
de verankering.
De krachten veroorzaakt door de golfbewegingen zijn tijdsafhankelijk.
De als gevolg van deze krachten optredende bewegingen zijn afhankelijk van de frequentie van de golfbewegingen. Vanwege de massatraagheid van het drijflichaam, de elasticiteit van de verankering en de demping bezit dit mechanisch systeem een gedempt tweede orde karakter.
De eigenperiode van de verankeringsbewegingen wordt tot een frequentie van circa 0,5 Hz veel kleiner verondersteld dan de periodetijd
van de golven. Hierdoor is de dynamische respons van de ankerlijn in dit
frequentie-gebied vrijwel onafhankelijk van de frequentie.
Bij frequenties boven circa 0,5 Hz leidt de dynamische respons tot een
opslingering bij circa 0,8 Hz en tot een verzwakking van de meetwaarde
bij nog hogere frequenties.
Daarnaast is er een tweede verstoring door het niet ideale gedrag van
de twee integratoren, zie hoofdstuk 4.2. Bij frequenties lager dan 0,1 Hz
treedt als gevolg van het niet ideale gedrag een demping op.
Uit onderstaande figuur blijkt dat het meetbereik van de meetboei door
de twee storende invloeden wordt begrensd van 0,03 Hz tot 0,7 Hz
(±3 dB).
a m p l i t u d e in %
3
4
5 6 7 8 9 1 0
Figuur 13.
RIJKSINSTITUUT V O O R KUST EN
ZEE/RIKZ
2
3
4
5 6 7 8 9 1 0
f in H z .
Overdrachtskarakteristiek.
17
HYDRO-INSTRUMENTATIE
D E WAVERIDER-GOLFMEETBOEI
6
BATTERIJ VOEDING
De voedingsspanning voor de Waverider boei wordt verzorgd door 26
batterijen voor boeien met een diameter van 700 mm. Hiervan zijn
tweemaal dertien batterijen in serie geschakeld die twee parallelle takken vormen (zie figuur 14).
^
+Batt
•
+Batt
BK
BL
-Batt
-Batt
Y
2 series
van 13 cellen
A en C voor
70 cm boei.
y
I
W
1
W
1
B
|C
4 series van
13 cellen A,
B,C en D voor
de 90 cm boei.
D
1
Figuur 14.
Voedingscircuit
Bij boeien met een diameter van 900 mm wordt de voedingsspanning
verzorgd door 52 batterijen. Hiervan zijn dertien batterijen in serie
geschakeld die vier parallelle takken vormen.
Deze leveren een voedingsspanning van ongeveer 21,5 V. Deze spanning is hoog genoeg om de Waverider boei circa 10 maanden operationeel te houden voor de 700 mm boeien en ongeveer 20 maanden voor
de 900 mm boeien.
Gedurende de uitlegperiode van de boei daalt de klemspanning van een
batterij van 1,65 V tot 0,6 V, zodat de spanning van de in serie geschakelde cellen daalt van 21,5 tot 8 V. Deze variabele batterijspanning
wordt elektronisch gestabiliseerd tot een constante spanning van 1 2 V
(zie bijlage 2, het circuitdiagram van de zender). Deze gestabiliseerde
spanning zorgt voor de voeding van de zender en de elektronica. Het
flitslicht wordt direct door de batterijen gevoed.
18
RIJKSINSTITUUT VOOR KUST EN
Za/RIKZ
D E WAVERIDER-GOLFMEETBOEI
HYDRO-INSTRUMENTATIE
7
FLITSLICHT
O p de kop van de Waverider is een glazen cilinder gemonteerd, zie
figuur 15a, die door twee roestvaststalen flensen is ingeklemd. In deze
cilinder bevindt zich een flitslicht dat gedurende 20 s vijf kortstondige
lichtsignalen geeft. Dit lichtsignaal is over een afstand van ca 1 km waar
te nemen. Het flitslicht begint pas te werken als de verlichtingssterkte
van het daglicht beneden een waarde komt van 60 lux.
In het flitsblok, zie figuur 15b, is een lichtgevoelige eel (R61) aangebracht die de verlichtingssterkte meet.
Antenne
RIJKSINSTITUUT V O O R KUST EN Z E E / R / K Z
79
D E WAVERIDER-GOLFMEETBOEI
8
HYDRO-INSTRUMENTATIE
HET HANTEREN VAN DE BOEI
De meetboeien worden uitgelegd met een daarvoor uitgerust schip. De
meetboei wordt via een kraan opgetakeld waarbij de gehele ankerlijn
met ankergewicht vrij moet zijn.
Het optakelen en uitleggen van de boei moet zorgvuldig gebeuren.
Storingsanalyse heeft geleerd dat een aantal defecten te herleiden zijn
naar het onzorgvuldig uitleggen van de boeien op zee.
Bij het uitleggen van de boei dient voorkomen te worden dat de boei
om zijn verticale of horizontale as draait. Het plateau volgt deze bewegingen waardoor blijvende schade kan ontstaan aan de sensor. Het kan
voorkomen dat de signaaldraden twisten. Als het drijflichaam binnen
enkele seconden over een hoek van 90° om de verticale as wordt
gedraaid kan, door de kleine stijfheid van de signaaldraden en de geringe viscositeit van de vloeistof, het plateau deze beweging niet snel
genoeg volgen. Het duurt circa een kwartier voordat het plateau dezelfde hoekverdraaiing heeft ondergaan. De signaaldraden worden na een
of meerdere omwentelingen om de verticale as getordeerd en kunnen
zelfs in elkaar verward raken hetgeen breuk van de draden tot gevolg
kan hebben.
Ook tijdens het vervoer dient men hiermee rekening te houden en dienen de voorschriften voor het vervoer strikt opgevolgd te worden. Het
blijkt dat storingen die ontstaan tijdens het vervoer en het uitleggen van
de boei niet meer te repareren zijn. Een nieuwe sensor is vrij kostbaar
(circa Fl. 20.000,=).
Het bergen van de boei gaat in principe in de volgorde omgekeerd aan
het uitleggen van een boei. Allereerst moet het ankergewicht aan boord
van het schip worden gehesen en daarna de meetboei.
In de praktijk wordt vaak eerst de meetboei en daarna pas het ankergewicht geborgen. Door eerst de meetboei te bergen komt de rubber
pees onder spanning te staan als gevolg van trekkrachten. Door deze
krachten kan de pees breken waardoor de in de pees aanwezige energie
plotseling vrij komt en een terugslag veroorzaakt.
20
RIJKSINSTITUUT VOOR KUST EN Z E E / R / Z C Z
DE WAVERIDER-GOLFMEETBOEI
HYDRO-INSTRUMENTATIE
9
SPECIFICATIES
Drijflichaam en verankering.
(alle gewichten in lucht)
diameter drijflichaam
gewicht zonder verankering
: 700
materiaal drijflichaam
min. toepasbare diepte
: RVS-316.
max. toepasbare diepte
gewicht kettinganker
gewicht pees en ketting
max. golfhoogte
Sensor.
materiaal sensor
vloeistof sensor
diameter plateau
materiaal plateau
tijdconstante plateau
frequentiebereik boei
kantelfrequentie 0 , 0 3 Hz.
kantelfreqentie 0 , 7 Hz.
Versnellingsopnemer.
materiaal staafje
diameter staafje
lengte staafje
materiaal behuizing
evenredigheidscoefficient
versnellingsmeetbereik
Datatransmissie.
zendbereik maximaal
zendfrequentie
vermogen zender
Batterijen.
levensduur
aantal batterijen
RIJKSINSTITUUT V O O R KUST EN Z E E / R / Z C Z
mm of 9 0 0 mm.
: 9 0 0 N v o o r d = 7 0 0 mm.
1 5 0 0 N voor d = 9 0 0 mm.
: circa 5 m, afhankelijk van de verankering.
: afhankelijk van de stroomcondities.
: circa 3 0 0 0 N voor d = 7 0 0 mm.
: circa 5 0 0 0 N voor d = 9 0 0 mm.
: tussen 5 0 en 1 0 0 N.
: circa 2 0 m, indien een rubber pees
wordt gebruikt.
perspex.
mengsel van water en glycerine.
2 5 0 mm.
perspex.
4 0 s.
0 , 0 3 Hz - 0 , 7 Hz ( ± 3 dB).
veroorzaakt door de integratoren.
veroorzaakt door het drijflichaam met
de elastische verankering.
platina.
mm.
4 0 mm.
perspex.
0 , 0 2 mm per m/s
± 2 5 m/s .
0,2
2
2
5 0 km.
van 2 6 , 5 tot 4 2 M H z in stappen van
0,5 MHz.
8 0 mW.
10
20
26
52
maanden voor de 7 0 0 mm boei.
maanden voor de 9 0 0 mm boei.
voor de 7 0 0 mm boei.
voor de 9 0 0 mm boei.
27
D E WAVERIDER-GOLFMEETBOEI
10
LITERATUURLIJST
1.
"Kwaliteitsborging golfmeetboeien"
A . J . M . van der Vlugt
GWIO-(90).11030, 30 maart 1990.
2.
"Operational experiences with Waverider buoys and their moorings"
J.D. Humphery, Institute of Oceanographic Sciences, Somerset
UK.
Report No 145, 1982.
3.
"Operation and service manual for Waverider (3000, 4000, 5000,
and 6000 series)"
P.L. Gerritzen en J.G.A. van Breugel van Datawell B.V., 1983.
4.
"Van Micromolen naar Produktontwikkeling"
Uitgegeven ter gelegenheid van het afscheid van J. van der Wel,
hoofd IOH
diverse auteurs, december 1987.
22
HYDRO-INSTRUMENTATIE
RIJKSINSTITUUT VOOR KUST EN Z E E / R / K Z
HYDRO-INSTRUMENTATIE
RIJKSINSTITUUT VOOR KUST EN Z E E / R / Z C Z
D E WAVERIDER-GOLFMEETBOEI
23
D E WAVERIDER-GOLFMEETBOEI
HYDRO-INSTRUMENTATIE
Bijlage 2
Het circuitdiagram van de zender.
24
RIJKSINSTITUUT VOOR KUST EN Z E E / R / K Z

Download Report