Messung des Wasserstands - Hydrometrie: Theorie und Praxis der Durchflussmessung in offenen Gerinnen - page 66

puls wird an der Wasseroberfläche reflektiert und vom gleichen Sensor, der jetzt
als Empfänger dient, empfangen und in ein elektrisches Signal gewandelt. Die Zeit
zwischen Senden und Empfangen des Impulses, d. h. die Laufzeit, ist direkt propor-
tional zum Abstand Sensor-Wasseroberfläche.
Da die Schallgeschwindigkeit c von Luft bekannt ist ( c = 340 m/s) lässt sich der
Abstand D aus der Laufzeit t und der Schallgeschwindigkeit c nach

(3.9)

D = c · t / 2 [m]

mit

D = Abstand zwischen Sensor und Wasseroberfläche [m]
c = Schallgeschwindigkeit [m/s]
t = Laufzeit [s]

bestimmen.
So entspricht z. B. eine Laufzeit von 0,02 s oder 20 ms bei einer Schallgeschwin-
digkeit von 340 m/s einer Distanz von 3,4 m. Wenn die Gesamttiefe zwischen Sen-
sor und der Gewässersohle bzw. dem Pegelnullpunkt bekannt ist, kann der Wasser-
stand durch einfache Differenzbildung ermittelt werden (vgl. Abb. 3.32 ).
Grundsätzlich ist auch eine Echolotung mit Schallweg im Wasser , bei der das
Ultraschallmessgerät auf der Gewässersohle installiert und die Laufzeit des Ultra-
schalls bis zur Wasser-Luft-Grenzfläche gemessen wird, möglich (Details s. DIN
EN ISO 4373 2009 ). Da aber zum einen die Schallgeschwindigkeit im Wasser stark
proportional zur Temperatur ist und deren Einfluss kompensiert werden muss und
zum anderen bei dieser Messanordnung der oben beschriebene Vorteil der berüh-
rungslosen Messung aufgegeben wird, wird dieses Verfahren in der Hydrometrie
offener Gerinne immer seltener eingesetzt.

Physikalisch-technische Grundlagen: Grundlage für alle akustischen Verfahren
ist die Erzeugung von Schallwellen . Physikalisch gesehen entstehen diese durch
mechanische Schwingungen eines Gegenstandes, die sich auf die Atmosphäre über-
tragen und sich dort rhythmisch ausbreiten. Die Anzahl der Schwingungen pro Zeit-
einheit, z. B. pro Sekunde, ist die Frequenz , die die Dimension Hertz (Hz, MHz,
GHz) hat. Die Wellenlänge , ein weiteres wichtiges Kennzeichen der akustischen
Verfahren, ist der Quotient aus Schallgeschwindigkeit und Frequenz.
Ultraschallwellen sind akustisch-mechanische Schwingungen, deren Frequenz
mit >20 kHz oberhalb der menschlichen Hörbarkeitsgrenze liegt. Dies entspricht in
der Luft einer Wellenlänge von <17 mm. In der Messtechnik werden nach dem Ult-
raschallverfahren arbeitende Messgeräte mit Frequenzen zwischen 20 und 500 kHz
bei Freispiegelgerinnen und bis zu 2 MHz in geschlossenen Rohrleitungen einge-
setzt.
Technisch werden Schallwellen in der Regel mit Hilfe des piezoelektrischen Ef-
fekts (nicht zu verwechseln mit dem piezoresistiven Effekt, s. Kap 3.5.4) erzeugt,
bei dem mittels Druck durch Ladungstrennung eine elektrische Spannung in einem
Kristall entsteht. Dabei werden im Inneren des Kristalls Ionen verschoben und es
entstehen mechanische Schwingungen, z. B. in einer Membrane, die aus einem sol-