Ultraschall-Doppler-Profil-Strömungsmesser

Das heute wichtigste Messgerät zur Abfluss- und Strömungsmessung ist der Ultraschall-Doppler-Profil-Strömungsmesser (engl.: Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP)), ein Aktivsonar, das die Doppler-Frequenzverschiebung des Nachhalls von Streukörpern im Wasser (vorwiegend Plankton und Schwebstoffe) zur Bestimmung der lokalen Strömungsgeschwindigkeit nutzt. Das Gerät ist mit drei bis fünf voneinander unabhängigen Schwingern (Transducer) ausgestattet, wobei die gegenüberliegenden jeweils Paare bilden. Jeweils ein Schwingerpaar misst die Horizontalbewegung in einer Richtung, die Vertikalbewegung wird von beiden parallel gemessen. Dazu geben die Geräte in festen Zeitintervallen Schallimpulse im Bereich von 500 kHz–10 MHz ab. Zwischen den Impulsen werden die zurück gestreuten Signale wieder empfangen. Diese erlauben über ihre Laufzeit eine Zuordnung zur relativen Entfernung zum Schwinger. Die Geräte können je nach Bauart und Konfiguration die dreidimensionale Wassergeschwindigkeit in verschiedenen Tiefenhorizonten messen.[1] Mit Hilfe der Beziehung:

u=C\cdot {\frac {F_{\mathrm {D} }}{2\cdot F_{\mathrm {S} }}}

Kopf eines ADCP mit den vier Schwingern

ADCP-Messung in den USA durch USGS

ADCP mit Blickrichtung nach oben, montiert an einem ozeanographischen Messgerät zur Langzeitbeobachtung der Meeresströmung in der Tiefsee

wobei $F_{\mathrm {D} }$ die vom Gerät gemessene Doppler-Frequenzverschiebung und $F_{\mathrm {S} }$ die Frequenz des ausgesendeten Signals ist, kann die relative Geschwindigkeit u des Wasserkörpers berechnet werden.[2] Bei autonom arbeitenden Geräten werden die gemessenen Geschwindigkeiten der verschiedenen Schichten gespeichert und können später ausgelesen werden. Die Geräte können auch im Lotschacht eines Schiffes angebracht sein. Dann wird die relative Geschwindigkeit zwischen Wasserkörper und Schiff gemessen (moving boat Methode). Über ein Laptop oder Rechner können die Messergebnisse jederzeit analysiert werden. Befindet sich die Sohle des Gewässers in der Reichweite des ADCP so ist es möglich, über die relative Geschwindigkeit des Bodens zum Schiff (bottom track), die absolute Wassergeschwindigkeit der einzelnen Schichten unterhalb des Schiffs zu berechnen.[3]

Grundsätzlich ist die Auflösung des Messverfahrens durch die Nachhallunschärfe-Relation

\Delta v_{n}\Delta z={\frac {c^{2}}{2f_{0}}}

begrenzt, wobei $\Delta v_{n}$ die Auflösung der Strömungsgeschwindigkeit, $\Delta z$ die Abstandsauflösung, $c$ die Schallgeschwindigkeit und $f_{0}$ die Mittenfrequenz des Sendesignals sind. Je höher die Frequenz, desto besser ist also die erzielbare Auflösung, desto kürzer ist wegen der frequenzabhängigen Dämpfung auch die Länge des Strömungsprofils. Die Auflösung lässt sich mit Hilfe großer Sendesignalbandbreite gegenüber der Nachhallunschärferelation erhöhen (Breitband-ADCP, BB-ADCP).

Die Bundesanstalt für Gewässerkunde (BfG) in Koblenz hat eine Auswerte-Software AGILA (benannt nach dem Software-Entwickler Matthias Adler) für die einheitliche Auswertung von ADCP-Messdaten entwickelt.[4][5][6] Die Software ist mittlerweile überwiegend im deutschsprachigen Raum als Standard etabliert. Darüber hinaus gibt es aber auch Softwarelösungen, die die herstellerspezifischen Rohdaten weiterverwerten und zusätzliche Auswerteparameter, wie z. B. Schwebstoffgehalt, Trübung etc. zur Verfügung stellen.

Ist zusätzlich zu den Transducern zur Strömungsmessung noch ein weiterer Transducer senkrecht nach oben (bei einem auf dem Grund des Gewässers stehenden Systems) gerichtet so ist es möglich, Parameter wie Wellenhöhe und Wellenperiode zusätzlich zum Strömungsprofil direkt zu messen.[7]

Siehe auch: Wasserschall

Hinweis zur Verwendung des Begriffs ADCP

Wie weiter oben erwähnt, kann ADCP als Abkürzung für Acoustic Doppler Current Profiler gelesen werden, und wird oft auch umgangssprachlich herstellerunabhängig für Strömungsprofiler verwendet, ist jedoch auch eine Handelsmarke von Teledyne RD Instruments[8], Rowe, SonTek und anderen Firmen.

Einzelnachweise

Messtechnische Ausstattung Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP). TU Harburg, archiviert vom Original am 11. Juni 2007; abgerufen am 15. März 2016.
RD Instruments (1987): „RD-MV Model acustic doppler current profiler, Operation and maintenance manual“
Luff, R. (1994): „Ausbreitung passiver, konservativer Substanzen in der Nordsee, unter Verwendung eines hydro- und thermodynamischen Langzeitdatensatzes“, Diplomarbeit im Fach Ozeanographie an der Universität Hamburg
Durchflussmessung - ADCP - Funktion und Anwendung. (PDF; 1,1 MB) Bundesanstalt für Gewässerkunde, abgerufen am 15. März 2016.
Durchflussmessung - Auswertung per Software - AGILA und TIDE. Bundesanstalt für Gewässerkunde, abgerufen am 15. März 2016.
Durchflussmessung - Kurzbeschreibung zu AGILA. (PDF; 0,3 MB) Bundesanstalt für Gewässerkunde, abgerufen am 15. März 2016.
Nortek AWAC. Nortek International, abgerufen am 15. März 2016 (englisch): „Acoustic Surface Tracking (AST). The AST is basically echo-ranging to the surface with the vertically oriented transducer. The beauty of this method of measuring waves is that it circumvents the depth limits imposed by bottom mounted pressure and velocity measurements.“
Product Survey – Acoustic Doppler Current Profilers. (PDF: 0,3 MB) RD Instruments, 26. November 2007, archiviert vom Original am 13. April 2014; abgerufen am 15. März 2016 (englisch).

Weblinks

Michael R. Simpson and Richard N. Oltmann: Discharge-Measurement System Using an Acoustic Doppler Current Profiler with Applications to Large Rivers and Estuaries. In: USGS Water-Supply Paper 2395. 1993, abgerufen am 15. März 2016 (englisch).
Abfluss- und Geschwindigkeitsmessungen mit ADCP. Institut Wasserwesen, Universität München, abgerufen am 15. März 2016.

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[1] Messtechnische Ausstattung Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP). TU Harburg, archiviert vom Original am 11. Juni 2007; abgerufen am 15. März 2016.

[2] RD Instruments (1987): „RD-MV Model acustic doppler current profiler, Operation and maintenance manual“

[3] Luff, R. (1994): „Ausbreitung passiver, konservativer Substanzen in der Nordsee, unter Verwendung eines hydro- und thermodynamischen Langzeitdatensatzes“, Diplomarbeit im Fach Ozeanographie an der Universität Hamburg

[4] Durchflussmessung - ADCP - Funktion und Anwendung. (PDF; 1,1 MB) Bundesanstalt für Gewässerkunde, abgerufen am 15. März 2016.

[5] Durchflussmessung - Auswertung per Software - AGILA und TIDE. Bundesanstalt für Gewässerkunde, abgerufen am 15. März 2016.

[6] Durchflussmessung - Kurzbeschreibung zu AGILA. (PDF; 0,3 MB) Bundesanstalt für Gewässerkunde, abgerufen am 15. März 2016.

[7] Nortek AWAC. Nortek International, abgerufen am 15. März 2016 (englisch): „Acoustic Surface Tracking (AST). The AST is basically echo-ranging to the surface with the vertically oriented transducer. The beauty of this method of measuring waves is that it circumvents the depth limits imposed by bottom mounted pressure and velocity measurements.“

[8] Product Survey – Acoustic Doppler Current Profilers. (PDF: 0,3 MB) RD Instruments, 26. November 2007, archiviert vom Original am 13. April 2014; abgerufen am 15. März 2016 (englisch).