Messung des Durchflusses - Hydrometrie: Theorie und Praxis der Durchflussmessung in offenen Gerinnen - page 145

legten Tonhöhe (Frequenz) ausgesendet wird, ein ruhender Beobachter die gleiche
Tonhöhe ( f 0 ) hört, dass aber, wenn der Beobachter sich relativ zur Quelle bewegt,
die Tonhöhe sich verändert, dass heißt, die Tonhöhe verändert sich durch die Bewe-
gung. Dies wird offensichtlich, wenn z. B. ein Feuerwehrauto mit eingeschaltetem
Alarmhorn an einem fest stehenden Beobachter vorbeifährt: Die Tonhöhe des Sig-
nals des sich nähernden Autos ist eine andere als bei dem sich entfernenden Auto.
Physikalisch ausgedrückt heißt dies, dass die Frequenz von Wellen, z. B. Ultra-
schallwellen, sich ändert, wenn sich der Sender relativ zu einem stationären Emp-
fänger bewegt oder wenn sich bei einem stationären Sender ein reflektierendes Teil
relativ zu einem sich ebenfalls stationären Empfänger bewegt (Bernard 1990 ). Die
daraus resultierende Frequenzverschiebung , auch Dopplerverschiebung genannt, ist
proportional der relativen Geschwindigkeit zwischen dem reflektierenden Teil und
dem Empfänger.
Allgemein gilt für die Dopplerverschiebung:

• bei ansteigender Bewegungsgeschwindigkeit wird die Dopplerverschiebung
größer,
• sich vom Ton entfernen ergibt eine negative Dopplerverschiebung,
• bei Ansteigen der Frequenz (des Tons) steigt auch die Dopplerverschiebung an,
• bei Ansteigen der Geschwindigkeit nimmt die Dopplerverschiebung ab.

Dieser Effekt, auch Dopplereffekt genannt, wird heute vielfältig in Astronomie,
Medizin und industrieller Messtechnik genutzt. Als Beispiel aus dem Alltag kann
die Radar-Verkehrskontrolle genannt werden, bei der das Fahrzeug als Reflektor
dient und die Frequenzverschiebung zwischen dem gesendeten und dem reflektier-
ten Signal proportional der Autogeschwindigkeit ist. Wie das Beispiel der Radar-
Verkehrskontrolle zeigt, ist die Anwendung des Doppler-Effekts nicht auf hörbare
Wellen beschränkt, sondern wird in der Durchflussmesstechnik in einem weiten
Spektrum von Ultraschall über Radar (Mikrowellen) bis hin zum Laser verwendet.
Bei der Nutzung des Dopplereffekts zur Durchflussmessung sind Sender und
Empfänger i. d. R. stationär und das Fließgewässer dient als reflektierendes Teil,
das sich bewegt.
Am Beispiel von Ultraschall soll im Folgenden die Anwendung des Doppler-
Effekts detailliert vorgestellt werden.

4.5.6.3 Ultraschallgeschwindigkeitsmessung nach dem Dopplerprinzip

Messprinzip (s. Abb. 4.25 ): Der von einem Sender mit einer konstanten Frequenz
f 1 in einen Wasserkörper ausgestrahlte Ultraschallstrahl trifft auf im Wasser vor-
handene und in der Strömung mitgeführte reflektierende Partikel wie Festkörper
oder Gasblasen und ein Teil seiner Energie wird seitlich aus dem Strahl gestreut.
Nach dem Dopplerprinzip verschiebt sich die Frequenz, die der Empfänger f 2
misst:

= f 1 cos α
c · v

f 1 − f 2

(4.11)