Kontinuierliche Erfassung des Durchflusses - Hydrometrie: Theorie und Praxis der Durchflussmessung in offenen Gerinnen - page 411

Wandlern. Wie Abb. 5.74 zu entnehmen ist, werden die akustischen Wandler im zu
messenden Gewässer so installiert, dass sie einen Winkel von etwa 45° zur Fließ-
richtung bilden. Die Schallimpulse durchlaufen das Gewässer vom Wandler 2 zum
Wandler 1 von der Strömung unterstützt und von 1 nach 2 von ihr gehemmt, wo-
durch sie eine längere Laufzeit benötigen. Aus diesem Laufzeitunterschied lässt
sich die mittlere Fließgeschwindigkeit berechnen, da diese direkt proportional zur
Fließgeschwindigkeit im Messpfad ist und sich damit bei Kenntnis der Querschnitts-
und Strömungsgeometrie der Durchfluss berechnen lässt. Dies setzt voraus, dass
synchron zur Geschwindigkeit auch der Wasserstand gemessen wird, um die vom
jeweiligen Wasserstand abhängige benetzte Querschnittsfläche A zu erhalten. Die
aus der Strömungsgeometrie des Querschnitts resultierende ungleichmäßige Ge-
schwindigkeitsverteilung im Messquerschnitt muss durch Kalibriermessungen
(s. Abschn. „Kalibrierung“) berücksichtigt werden.
Geschichtlich betrachtet, wurde die physikalische Eigenschaft des Wassers,
Schallwellen zu übertragen, erstmals im Jahre 1805 bei Marseille eingesetzt, indem
ein Taucher mit Hilfe eines Hammers akustische Signale unter Wasser aussandte,
die dann aufgenommen werden konnten. Im Ersten Weltkrieg wurde das Verfahren
zur Ortung von U-Booten weiterentwickelt. Zur Abflussmessung wurde das Ultra-
schall-Verfahren jedoch erstmals 1960 in den USA eingesetzt, Anfang der 1970er
Jahre in den Niederlanden (System AKWA 76) und in der Bundesrepublik (Krupp
Atlas Elektronik FLORA 10) weiterentwickelt (Stedtnitz 1989 ). Der entscheiden-
de Durchbruch in der technischen Entwicklung gelang jedoch bei der akustischen
Strömungsmessung erst ab Mitte der 1980er Jahre durch den Einsatz von Mikro-
Prozessoren (HCMOS-Technik). Hierdurch wurde die bisherige analoge Laufzeit-
messung durch digitale absolute Messtechnik ersetzt. Erst dadurch konnten die ge-
ringen Laufzeitdifferenzen (bei Gewässern unter 50 m Breite im Bereich von 10 −8 s)
genügend exakt und reproduzierbar gemessen werden (Knapp 1964 ).
Diese technische Entwicklung spiegelt sich auch in der ISO-Normung wider; die
die Ultraschall-Laufzeitmessverfahren behandelnde ISO 6416 wurde 1985 erstmals
veröffentlicht.
Bevor auf Details der Messtechnik und ihre Anwendung eingegangen wird, soll
auf die bei Ultraschall-Laufzeitmessungen einzuhaltenden Randbedingungen hin-
gewiesen werden:

5.5.3.2 Restriktionen bei der Anwendung des Ultraschall-Laufzeitverfahrens

Wie es schon bei der Nutzung von Ultraschall zur Wasserstandsmessung (Kap. 3.5.5)
und zur mobilen Geschwindigkeitsmessung (Kap. 4.5.6) der Fall war, sind auch
beim Einsatz von Ultraschall zur kontinuierlichen Durchflussmessung einige spezi-
fische Randbedingungen seitens der Geometrie des Messquerschnitts und der Zu-
sammensetzung des Messmediums zu beachten.

1. Messprofil:

Das Profil oberhalb des Messquerschnitts sollte nach einer Faustregel über eine
Strecke von etwa dem Fünffachen der Flussbreite mehr oder weniger konstant