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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Dickenmessung mittels Ultraschall, Eisdicke messen


Autor: Tueftler (Gast)
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Guten Tag, werte Bastlerfreunde,

Im Moment sind ja viele Seen in Deutschland zugefroren.
Um nun herauszufinden wie dick die Eisdecke ist, und ob man folglich 
drauf kann oder besser an Land bleibt, wäre es doch toll die Dicke der 
Eisdecke zu bestimmen, ohne ein Loch in das Eis bohren zu müssen.

Meine Idee dazu ist die folgende: Wie bei der Werkstückprüfung mittels 
Ultraschall, könnte man doch einen US-Impuls in das Eis geben und mit 
Hilfe eines Empfängers das Echo auffangen. An Hand der Laufzeit könnte 
man dann die Entfernung zu den jeweiligen Grenzschichten messen, unter 
anderem eben auch die Entfernung zur Trennschicht Wasser-Eis (sollte das 
letzte, späteste Echo sein). Konnte keinen ähnlichen Thread finden, hab 
ich da was übersehen?
Was haltet Ihr davon? Ist das machbar? Hat das oder etwas ähnliches evtl 
schonmal jemand gemacht? Was für einen Sender/Empfänger würdet Ihr dafür 
benutzen? Wie könnte man den US Einkoppeln und Empfangen? mit 
Ultraschall-Gel?


mit freundlichen Grüßen,
Tueftler

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Tueftler schrieb:
> Guten Tag, werte Bastlerfreunde,
>
> Im Moment sind ja viele Seen in Deutschland zugefroren.
> Um nun herauszufinden wie dick die Eisdecke ist, und ob man folglich
> drauf kann oder besser an Land bleibt, wäre es doch toll die Dicke der
> Eisdecke zu bestimmen, ohne ein Loch in das Eis bohren zu müssen.
>
> Meine Idee dazu ist die folgende: Wie bei der Werkstückprüfung mittels
> Ultraschall, könnte man doch einen US-Impuls in das Eis geben und mit
> Hilfe eines Empfängers das Echo auffangen. An Hand der Laufzeit könnte
> man dann die Entfernung zu den jeweiligen Grenzschichten messen, unter
> anderem eben auch die Entfernung zur Trennschicht Wasser-Eis (sollte das
> letzte, späteste Echo sein).


Also wenn der Sende/Empfänger auf dem Eis unmittelbar aufliegt: Dann ist 
es das ERSTE Echo welches Du misst.


 Konnte keinen ähnlichen Thread finden, hab
> ich da was übersehen?
> Was haltet Ihr davon? Ist das machbar? Hat das oder etwas ähnliches evtl
> schonmal jemand gemacht? Was für einen Sender/Empfänger würdet Ihr dafür
> benutzen? Wie könnte man den US Einkoppeln und Empfangen? mit


> Ultraschall-Gel?

Das sollte dann wohl wasserfrei sein, sonst bringst Du Deine Elektronik 
erst im Sommer wieder weg ,-)

Autor: Volker Zabe (vza)
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Andrew Taylor schrieb:
> Also wenn der Sende/Empfänger auf dem Eis unmittelbar aufliegt: Dann ist
> es das ERSTE Echo welches Du misst.

Glaube ich nicht. Was ist mit Luftblasen jeglicher größe, Stöckern, 
Blättern etc. die im Eis gefangen sind.

Ich glaube die Messung wird sehr abhängig vom Ort der Messung und damit 
nicht verlässlich.

Autor: Frank Esselbach (Firma: Q3) (qualidat)
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Vielleicht über massenhafte Messungen und Mittelwertbildung bei Bewegung 
in einem bestimmten Bereich - z.B. von einem ferngesteuerten Modelauto 
aus.

Frank

Autor: Reinhard Kern (Gast)
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Hallo,

derzeit wird ja schon die Eisdicke in der Arktis vom Weltraum aus 
vermessen, ich weiss allerdings nicht mit welchem Verfahren. Aber du 
kannst ja mal rum googeln.

Möglicherweise erübrigt sich dein Vorhaben, weil du bloss noch in google 
earth die Innenalster ansteuern must und da steht die Eisdicke. Ich kann 
ja auch mein eigenes Auto vor der Haustür stehen sehen, ich weiss bloss 
nicht, wie aktuell das ist, sonst könnte ich ab und zu nachschauen, ob 
es noch da ist.

Gruss Reinhard

Autor: Tueftler (Gast)
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Hallo
Vielen Dank für eure zahlreichen Antworten.
Wie Volker bereits sagte werden eben auch zahlreiche Störechos 
zurückkommen, von Luftblasen, Stöckern etc. Aber ich denke diese sollten 
sich durch einen Schwellwert-Komparator oder durch Zeitdiskriminierung 
herausfiltern lassen.
Die Idee mit der Mittelung und, noch besser per ferngesteuertem Auto ist 
auch sehr gut, hab ich noch nicht drangedacht.

Ich denke, die Daten von Satteliten aus dem All werden nicht allzu genau 
sein? Habe im Moment nur einen Satelliten auf Anhieb gefunden, der 
momentan die Eisdicken misst: ENVISAT. Dieser misst die Eisstärke, unter 
anderem am Nordpol mittels Radarstrahlen.

Ausserdem möchte ich selber gerne Basteln und dann auch selber messen 
können, daher die Idee ein solches Gerät zu bauen.

Für weitere Ideen und vor allem konkrete Bauteilhinweise bin ich 
dankbar.
Wie wäre es beispielsweise, einen Echolot-Geber aus dem Segelbereich zu 
benutzen? Hat das bereits jemand gemacht oder weiss jemand, was für ein 
Signal da rein muss?

Grüsse,
Tueftler

Autor: Karl Heinz (kbuchegg) (Moderator)
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Tueftler schrieb:

> Wie Volker bereits sagte werden eben auch zahlreiche Störechos
> zurückkommen, von Luftblasen, Stöckern etc. Aber ich denke diese sollten
> sich durch einen Schwellwert-Komparator oder durch Zeitdiskriminierung
> herausfiltern lassen.

Frage:
Kann man davon ausgehen, dass im Wasser unter der Eisschicht bis in, 
sagen wir, 1m Tiefe, nicht mehr mit Echos zu rechnen ist?

Dann könnte man ja dasjenige Eche nehmen, welches zuletzt zurückkommt. 
Alle Echos dazwischen wären dann Einschlüsse im Eis (oder ein Fisch, der 
zufällig vorbeischwimmt)

Autor: Strubi (Gast)
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Die Idee ist cool. Hab sowas allerdings auch noch nicht angefangen, 
koennte recht komplex sein, da sich's eigentlich im Prinzip der 
Signalverarbeitung im Vergleich zum Radar nichts schenkt.

So ein paar Punkte, die mir dazu einfallen:

1. Murata Ultraschalltransceiver nehmen (100kHz?). Und zwar einer der 
geschlossenen Typen, um den Puls per direkten Kontakt in die Eisschicht 
jagen zu koennen
2. Per DSP-Board (Blackfin EZKIT o.ae.) ein 'Ping' losschicken 
(Ringmodulierter Puls?)
3. Mit demselben Transceiver die Antwort samplen (schnelle ADCs gefragt)

Die grosse Frage ist nu aber: Mit welchen Zeitfenstern haetten wir's zu 
tun?
Mal eben bei Wikipedia Schallgeschwindigkeiten nachgeschaut:

http://de.wikipedia.org/wiki/Schallgeschwindigkeit

Stattliche 3250 m/s im Eis, also bei einer Genauigkeit von 1cm muessten 
wir 0.01 / 3250 Sekunden aufloesen koennen. Also ca. 3 ms. Sagen wir 
mal, ein Ping von 1ms Dauer. Also, Einschwing/Nachschwingzeiten des 
Ultraschalltransceivers nachgucken...

Mit etwas Signalverarbeitung lassen sich aus der Pulsveraenderung auch 
Aussagen ueber die Beschaffenheit des Eises (eingeschlossene Luftblasen) 
machen.

Die andere Variante waere die, Absorption des Signals zu messen und die 
Frequenz per VCO durchzustimmen. Habe aber keine Ahnung, wie gut das 
geht, ausserdem hat man hier das Problem der Vieldeutigkeiten bei der 
Interferenz der reflektierten Wellen.

Bin mal gespannt, was sich da ergibt. Nur nicht entmutigen lassen :-)

Gruesse,

- Strubi

Autor: Gast XIV (Gast)
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>1. Murata Ultraschalltransceiver nehmen (100kHz?). Und zwar einer der
>geschlossenen Typen, um den Puls per direkten Kontakt in die Eisschicht
>jagen zu koennen

Meines Wissens kannst du auch bei Schall nicht höher als die Wellenlänge 
auflösen. Daher wird z.B. in der Medizintechnik mit Frequenzen >1Mhz 
gearbeitet.

Vielleicht ist auch eine kapazitive Messung möglich

Autor: Andrew Taylor (marsufant)
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Karl heinz Buchegger schrieb:
> Tueftler schrieb:
>
>> Wie Volker bereits sagte werden eben auch zahlreiche Störechos
>> zurückkommen, von Luftblasen, Stöckern etc. Aber ich denke diese sollten
>> sich durch einen Schwellwert-Komparator oder durch Zeitdiskriminierung
>> herausfiltern lassen.
>
> Frage:
> Kann man davon ausgehen, dass im Wasser unter der Eisschicht bis in,
> sagen wir, 1m Tiefe, nicht mehr mit Echos zu rechnen ist?

Man hat in jedem Fall das Bodenecho.

Und das (zeitlich betrachtet) in jedem Fall nach dem Echo welches durch 
den Übergang Eis/Wasser bedingt ist.

Und bei den wenigstens Teichen/Seen ist der Boden eben...

Etc.

>
> Dann könnte man ja dasjenige Eche nehmen, welches zuletzt zurückkommt.

Kaum.

Autor: Ulrich (Gast)
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Verzögerungen kann man durch aus auch besser als 1 Wellenlänge auflösen. 
Im Bereich um die Wellenlänge (bzw. Periodendauer) hat man eventuell 
eine Mehrdeutigkeit und muß mit mehr als einer Frequenz messen. Danach 
geht es aber auch mit viel höherer Auflösung (ich habe bis etwa 1 ps 
Auflösung bei 55 MHz geschaft, allerdings mit sonst guten Bedingungen).
Die Bregenzung auf die Wellenlänge hat man aber wenn man wie in der 
Medizin echte Bilder haben will.

 Wenn man nicht durch die Luft muß geht Ultraschall ja üblicherweise 
auch mit höheren Frequenzen, oft mehreren 100 kHz. Die Ausgeprägte 
Resonanz und Einschwingzeiten hat man eigentlich nur bei Ultraschall in 
Luft, für die Materialprüfung ist man eher deutlich unterhalb der 
Resonanz.
Die Auflösung wird auch weniger das Problem sein: die 0.06 ms für 1 cm 
Auflösung sind kein wirkliches Problem. Das werden eher Einschlüsse im 
Eis sein.

Autor: Weingut Pfalz (weinbauer)
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oder n anderer Ansatz,
könnte man mit einem Hubmagnet nen Stößel aufs Eis knallen und aus der
Frequenz und der Ausbreitungsgeschwindigkeit auf die Eisdicke schließen?
wird bei der geologischen Kartierung ja auch so gemacht

Autor: Detlef _a (detlef_a)
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Ich habe mir vor einer Weile einen 'fishfinder' für kleines Geld aus der 
Bucht geschossen. Der taucht unter einem Schwimmkörper und macht 
eigentlich schöne echos vom Grund (Fische habe ich nicht gesehen, aber 
ich kann ja sowieso nicht angeln). Mit dem könnte man die Eisdicke 
möglicherweise messen: den in einen Metalleimer mit Wasser hängen und 
den Eimer in eine Pfütze auf dem Eis stellen, oder so ähnlich, die 
Ankopplung muß gelingen.

Der hat ein LCD display, die Empfindlichkeit läßt sich einstellen.

Ich wette, dass diese Gurke von Echolot auch funzt, wnn man den 
'Schwinger' auf Eis drückt:

http://www.awn.de/eshop.php?action=article_detail&...

Cheers
Detlef

Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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Detlef _a schrieb:
> derzeit wird ja schon die Eisdicke in der Arktis vom Weltraum aus
> vermessen, ich weiss allerdings nicht mit welchem Verfahren.

Radar - was sonst.

Autor: Detlef _a (detlef_a)
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Uhu Uhuhu schrieb:
> Detlef _a schrieb:
>> derzeit wird ja schon die Eisdicke in der Arktis vom Weltraum aus
>> vermessen, ich weiss allerdings nicht mit welchem Verfahren.
>
> Radar - was sonst.

Nein, das habe ich nicht geschrieben.

Autor: Uhu Uhuhu (uhu)
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Detlef _a schrieb:
> Uhu Uhuhu schrieb:
>> Detlef _a schrieb:
>>> derzeit wird ja schon die Eisdicke in der Arktis vom Weltraum aus
>>> vermessen, ich weiss allerdings nicht mit welchem Verfahren.
>>
>> Radar - was sonst.
>
> Nein, das habe ich nicht geschrieben.

Oh, sorry, da habe ich mich auf die Funktion "Markierten Text zitieren" 
verlassen - die hat einen kleinen Fehler: wenn man einen anderen Link 
drückt, als den des Beitrags, in dem der Text markiert ist, dnn wird das 
Zitat falsch zugeschrieben. Aber ich schätze, daß sich das nicht 
vermeiden läßt...

Autor: Sönke Maus (Gast)
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Hallo alle zusammen!
Ich stiess zufaellig auf diese Seite weil ich mir als Eisforscher auch 
Gedanken darueber gemacht habe. Die Messung von Eisdicke mittels 
Ultraschall sollte moeglich sein. Hier ist zum Beispiel eine Studie:
http://oai.dtic.mil/oai/oai?verb=getRecord&metadat...
Das Hauptproblem ist wohl die hinreichend genaue Kopplung des 
Ultraschallinstruments an das Medium Eis. In den meisten Faellen findet 
man Schnee und Frostblumen auf dem Eis, und bevor man da so ein Ding 
installiert hat kann man auch gleich ein Loch bohren. Wenn jemand ein 
günstiges Ultraschallinstrument das einfach und mit 5 Prozent 
Genauigkeit Eisdicke misst, wie z.B. kommerzielle Dickenmesser, erprobt 
hat so wuerde mich das sehr interessieren.

Die Eisdicke in der Arktis kann mit Hilfe von Radar-Messungen 
abgeschätzt werden, bisher mit dem ENVISAT Satelliten, z.B.:
http://envisat.esa.int/handbooks/ra2-mwr/CNTR1-1-3...
und naechste Woche wird der Nachfolger CRYOSAT gestartet.
Gemessen wird allerdings nur der Anteil des Eises der auf Grund der 
Dichtedifferenz Wasser-Eis über dem mittleren Wasserstand (dem 
sogenannten Referenz-Geoid http://de.wikipedia.org/wiki/Geoid) liegt 
(Archimedes' Prinzip). Bei reinem Eis und Wasser hat man etwa 11 mal 
(917/(1000-917) mehr Eis unter als über Wasser, bei Meereis ist der 
Faktor geringer, denn der Auftrieb von Eis in dichterem Meerwasser ist 
grösser. Allerdings ist Meerweis oft dichter als reines Eis, da es 
Salzlake enthaelt. Da auch Schnee auf dem Eis liegt, sowie die Dichte 
von Meereis weiterhin von Luft-und Salzkristallen abhaengt sind die 
Eisdickenabschaetzungen mit ENVISAT/CRYOSAT lokal sehr unsicher, und 
muessen mit direkten Messungen der Eisstruktur/Dichte/Dicke ergänzt 
werden. Auf Skalen von Hunderten von Kilometern relevant für die 
mittlere Eisdicke in der Arktis sind diese Daten leichter zu 
interpretieren - da mitteln sich die Variationen in der 
Eisstruktur/Salzgehalt sozusagen heraus.

Die umfangreichsten (und genaueren) Eisdickendaten aus der Arktis kommen 
von U-Boot Sonar-Messungen - mit denen der Kiel, also der Anteil des 
Eises unter Wasser, ermittelt wird. Viele dieser Daten sind erst im 
letzten Jahrzehnt vom Militaer freigegeben worden und leider ist nicht 
ganz transparent wie sie prozessiert worden sind. Dennoch, unsere 
heutigen Informationen über das Ausdünnen des Arktischen Meereises 
verdanken wir grösstenteils diesen U-Boot Beobachtungen.

Eine wichtige und heutzutage praktisch etablierte Messmethode der 
Meereisdicke  ist Elektromagnetische Induktion. Darueber gibt es 
allerhand zu lesen, hier ist ein guter Vortrag eines Fachmanns:
http://homepage.mac.com/a.pfaffhuber/scope/downloa...
Letztere Messungen können von Flugzeugen durchgefuehrt werden und sind 
ebenfalls wichtig fuer die Validierung von z.B. ENVISAT/Cryosat 
Satelliten Daten.

Ich hoffe dass hat etwas Klarheit verschafft
Besten Gruss
Sönke Maus

Autor: Lukas T. (tapy)
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Öhm, ich glaube ich hätte ne ganz primitive Idee zum Thema letztes 
Signal. Spezifiziere einfach, dass dein Messgerät nur auf Teichen mit 
Wassertiefe > 2 m eingesetzt werden kann. Dann weißt du, bzw. kannst du 
ausrechnen, ab wann du Signale ignorieren kannst.

Also alle Signale nach der hypotetischen Laufzeit des Signals bis zwei 
Meter und zurück ignorieren. Denn: dicker als zwei Meter wird das Eis 
hierzulande kaum sein. Und: Nach zwei Metern kann dann irgendwann der 
Grund kommen. Du nimmst nur das letzt Signal im 
"Zwei-Meter-Zeitfenster". Das müsste dann von der Eis-Wasser-Grenze 
kommen. Oder von einem Fisch.

Ich bin kein Experte für sowas, aber das müsste rein von der Logik her 
eigentlich gehen.

Autor: CAP (Gast)
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Hi zusammen,
ich habe in ähnliches Anliegen, allerdings möchte ich nicht die Eisdicke 
messen, sondern "nur" Objekte aufspühren, welche im Eis eingeschlossen 
sind.
Der Abstand zum Sender/Empfänger soll natürlich auch gemessen werden, 
muss aber nicht so genau sein. Wichtiger ist es, die Größe des Objektes 
zu ermitteln.Was haltet ihr für erfolgversprechender, Radar oder Sonar?
Grüße
CAP

Autor: STK500-Besitzer (Gast)
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>Was haltet ihr für erfolgversprechender, Radar oder Sonar?

Sonar dürfte gehen, ähnlich eines Ultraschall-Dingens vom Frauenarzt 
(andere Ärzte benutzen sowas auch, der Gynekologiker ist aber am 
verbreitesten).

Autor: CAP (Gast)
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Hi,
ich habe mich weiter informiert. Mir wurde eine Ultraschall Einkopplung 
empfohlen. Der Ultraschallgeber kann im Bereich 300 bis 1000Mhz bis zu 
einer Tiefe von 20 Meter messen.
Radar verliert wohl schnell an Intensität und reicht nur wenige Meter 
(was mich verwundert hat, da ich eigentlich dachte, dass es mehrere 
Kilometer dickes Eis durchdringt)
Sonar soll angeblich nicht gut zu bündeln sein und die Überträger sind 
wohl zu groß, was bei mir auch ein Ausschlusskriterium wäre.
Was denkt ihr so oder habt ihr gute Quellen für mich?
Gruß
CAP

Autor: Martin (Gast)
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... Ultraschallgeber kann im Bereich 300 bis 1000Mhz ...

Ultraschall bis 1000 MHz: man lernt doch nie aus.

Autor: STK500-Besitzer (Gast)
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>Radar verliert wohl schnell an Intensität und reicht nur wenige Meter
>(was mich verwundert hat, da ich eigentlich dachte, dass es mehrere
>Kilometer dickes Eis durchdringt)

Hast du ne Mikrowelle in der Küche?
Den gleichen Effekt hast du beim Senden von Radar-Strahlung in Eis...

Autor: CAP (Gast)
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Martin schrieb:
> ... Ultraschallgeber kann im Bereich 300 bis 1000Mhz ...
>
> Ultraschall bis 1000 MHz: man lernt doch nie aus.

Ich meinte natürlich 300 bis 1000 kHz, wobei Ultraschall bis 1,6 GHz 
geht.Somit hast du doch noch etwas gelernt ;)
Gruß
Cap

STK500-Besitzer schrieb:
> Hast du ne Mikrowelle in der Küche?
> Den gleichen Effekt hast du beim Senden von Radar-Strahlung in Eis...

Was möchtest du mir damit sagen?Dass das Eis zu Wasser wird wenn ich 
einen Impuls hindurch jage?

Autor: STK500-Besitzer (Gast)
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>Was möchtest du mir damit sagen?Dass das Eis zu Wasser wird wenn ich
>einen Impuls hindurch jage?

Ds wäre zumindest eine Analogie, warum Radar unter Wasser nicht so 
richtig gut funktioniert.

Autor: STK500-Besitzer (Gast)
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Achja, Funk geht unter Wasser auch nicht richtig gut...

Autor: CAP (Gast)
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Soweit ich weiß wird die Eisdicke sonst auch mittels Radar 
vermessen,zumindest was Satelliten im Erd oder Marsorbit betrifft.
Hast du irgendeine Begründung, warum Radar unter Wasser nicht so gut 
funktioniert, oder warum es bei Eis nicht zum Einsatz kommen kann/soll?

Autor: _Gast-XIV (Gast)
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CAP schrieb:
> i,
> ich habe mich weiter informiert. Mir wurde eine Ultraschall Einkopplung
> empfohlen. Der Ultraschallgeber kann im Bereich 300 bis 1000Mhz bis zu
> einer Tiefe von 20 Meter messen.
Wohl KhZ

Ultraschall (US) geht im 300 kHz Bereich im Wasser locker 100m tief

> Radar verliert wohl schnell an Intensität und reicht nur wenige Meter
> (was mich verwundert hat, da ich eigentlich dachte, dass es mehrere
> Kilometer dickes Eis durchdringt)

Nun, wenn dem nicht so wäre, wie sollte es dann überhaupt funktionieren 
(an Objekten reflektieren?)

> Sonar soll angeblich nicht gut zu bündeln sein und die Überträger sind
> wohl zu groß, was bei mir auch ein Ausschlusskriterium wäre.
> Was denkt ihr so oder habt ihr gute Quellen für mich?
> Gruß
> CAP


Ich vermute das US bei Eis verwendbar ist. Sender und Empfänger müssen 
wohl getrennt aufgebaut werden (zu kurze Umtastzeit). Einkoppeln des 
Signals ist wohl einfach über Wasser oder Gel möglich (an der 
Grenzschicht Eis/Luft wird das wohl durch Totalreflektion unmöglich.

Was du mit einem anständigen System im Wasser sehen kannst sind 
Reflektionen an Grenzschichten. Da Eis aber eine hohe 
Schallgeschwindigkeit hat wirst du mit dort mit höheren Frequenzen 
arbeiten müssen

Autor: Lehrmann Michael (ubimbo)
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Servus Zusammen,

die Eisdicke wird auf "Eisstraßen" mittels Radar gemessen. Das lässt 
auch Rückschlüsse über Eisqualität und evtl. Einschlüsse, etc. zu.
Ultraschall halte ich persönlich nicht für eine adäquate Lösung.

Autor: LuLo (Gast)
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Hallo,


hat mittlerweile jemand von euch die Idee mal in die Tat umgesetzt?
Als ambitionierter Schlittschuhläufer würde ich die Idee gerne mal 
realisieren und suche nach erprobten Realisierungsmöglichkeiten.

Freue mich auf weitere konkrete und erprobte (oder auch misslungene) 
Vorschläge

Viele Grüße



LuLo

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