Akoestische snelheidsmeters (Dopplerverschuiving)

Akoestische snelheidsmeters waarvan de werking is gebaseerd op de dopplerverschuiving van het uitgezonden signaal worden tegenwoordig ook toegepast voor afvoermetingen. Het prin-cipe van deze meetmethode is de Dopplerverschuiving die in het water zwevende deeltjes veroorzaken en waarbij gesteld wordt dat de deeltjes met dezelfde snelheid bewegen als de stroomsnelheid van het water waarin wordt gemeten.

Figuur 7-22 meeTprincipe h-ADcp (brOn: iSO 15769)

De frequentieverschuiving

F

_d van het uitgezonden signaal

F

_s, voor water met snelheid

v

, is,

voor stilstaande ADCP en voor bewegende bron.

met

c

= voortplantingssnelheid van het uitgezonden signaal in water en

a

= de hoek tussen uitgezonden signaal en de stroomrichting van het water. De frequentie van het uitgezonden signaal verandert door het bewegende water en wordt opgevangen door het meetinstrument. De frequentie van het ontvangen signaal wordt vergeleken met het oorspronkelijk uitgezon-den signaal en levert de frequentieverschuiving op. De geluidssnelheid van een akoestisch signaal in water is ongeveer 1500 m/s (zie ook Tabel 6-7). De frequentie van het uitgezonden signaal is in het ultrasone gebied en ligt tussen 300 kHz en 3000 kHz. De frequentieverschui-ving is ongeveer 1/1000 van de signaalfrequentie, dus ongeveer 300 Hz tot 3000 Hz. Uit de bovenstaande formules volgt dat de snelheidsmeting van de ADCP afhankelijk is van de voor-plantingssnelheid van het geluid (

c

). Deze moet bekend moet zijn. Elke afwijking van de aan-genomen geluidssnelheid werkt door in een afwijking van de gepresenteerde water snelheid. Een ADCP gebruikt twee tot vier signaalbundels die een eigen richting hebben. Met drie bun-dels wordt de snelheidsvector is de ruimte gemeten, de vierde bundel dient ter controle van het ontvangen signaal. Met twee bundels kan de snelheidsvector in een vlak worden gemeten.

V

_{deeltje n}

= ^fd

ⁿ

^{. C}

2 . f . cosθ

_n

fd_n = Doppler shift door deeltje n

f = basis frequentie

C = geluidssnelheid

Vdeeltje n = snelheid van deeltje n θ_{n = hoek tussen bewegingsrichting}

deeltje en de akoestische straal 1

1 = deeltjes waar tegen gereflecteerd wordt 2 = stromingsrichting 3 = H-ADCP sensor 4 = signaalbundel 5 = oeverwand 2 5 3 ⁴ V_n θ_n θ_n θ_w θ 161

ligt in de praktijk tussen de 5 en 10%. Veelal wordt een ADM gevalideerd met een varende ADCP-meting.

7.3.3 Akoestische snelheidsmeters (Dopplerverschuiving)

Akoestische snelheidsmeters waarvan de werking is gebaseerd op de dopplerverschuiving van het uitgezonden signaal worden tegenwoordig ook toegepast voor afvoermetingen. Het principe van deze meetmethode is de Dopplerverschuiving die in het water zwevende deeltjes veroorzaken en waarbij gesteld wordt dat de deeltjes met dezelfde snelheid bewegen als de stroomsnelheid van het water waarin wordt gemeten.

Figuur 7-22 Meetprincipe H-ADCP (bron: ISO 15769)

De frequentieverschuiving

F

d van het uitgezonden signaal

F

s, voor water met snelheid

v

, is,

(1 / ) cosα

2 ⋅ + ⋅

= F v c

F

_{d s} voor stilstaande ADCP en

(1 / ) cosα

2 ⋅ − ⋅

= F v c

F

_{d s} voor bewegende bron.

met

c

= voortplantingssnelheid van het uitgezonden signaal in water en

α

= de hoek tussen uitgezonden signaal en de stroomrichting van het water. De frequentie van het uitgezonden signaal verandert door het bewegende water en wordt opgevangen door het meetinstrument. De frequentie van het ontvangen signaal wordt vergeleken met het oorspronkelijk uitgezonden signaal en levert de frequentieverschuiving op. De geluidssnelheid van een akoestisch signaal in water is ongeveer 1500 m/s (zie ook Tabel 6-7). De frequentie van het uitgezonden signaal is in het ultrasone gebied en ligt tussen 300 kHz en 3000 kHz. De frequentieverschuiving is ongeveer 1/1000 van de signaalfrequentie, dus ongeveer 300 Hz tot 3000 Hz. Uit de bovenstaande formules volgt dat de snelheidsmeting van de ADCP afhankelijk is van de voorplantingssnelheid van het geluid (

c

). Deze moet bekend moet zijn. Elke afwijking van de aangenomen geluidssnelheid werkt door in een afwijking van de gepresenteerde water snelheid.

161

ligt in de praktijk tussen de 5 en 10%. Veelal wordt een ADM gevalideerd met een varende ADCP-meting.

7.3.3 Akoestische snelheidsmeters (Dopplerverschuiving)

Akoestische snelheidsmeters waarvan de werking is gebaseerd op de dopplerverschuiving van het uitgezonden signaal worden tegenwoordig ook toegepast voor afvoermetingen. Het principe van deze meetmethode is de Dopplerverschuiving die in het water zwevende deeltjes veroorzaken en waarbij gesteld wordt dat de deeltjes met dezelfde snelheid bewegen als de stroomsnelheid van het water waarin wordt gemeten.

Figuur 7-22 Meetprincipe H-ADCP (bron: ISO 15769)

De frequentieverschuiving

F

d van het uitgezonden signaal

F

s, voor water met snelheid

v

, is,

(1 / ) cosα

2 ⋅ + ⋅

= F v c

F

_{d s} voor stilstaande ADCP en

(1 / ) cosα

2 ⋅ − ⋅

= F v c

F

_{d s} voor bewegende bron.

met

c

= voortplantingssnelheid van het uitgezonden signaal in water en

α

= de hoek tussen uitgezonden signaal en de stroomrichting van het water. De frequentie van het uitgezonden signaal verandert door het bewegende water en wordt opgevangen door het meetinstrument. De frequentie van het ontvangen signaal wordt vergeleken met het oorspronkelijk uitgezonden signaal en levert de frequentieverschuiving op. De geluidssnelheid van een akoestisch signaal in water is ongeveer 1500 m/s (zie ook Tabel 6-7). De frequentie van het uitgezonden signaal is in het ultrasone gebied en ligt tussen 300 kHz en 3000 kHz. De frequentieverschuiving is ongeveer 1/1000 van de signaalfrequentie, dus ongeveer 300 Hz tot 3000 Hz. Uit de bovenstaande formules volgt dat de snelheidsmeting van de ADCP afhankelijk is van de voorplantingssnelheid van het geluid (

c

). Deze moet bekend moet zijn. Elke afwijking van de aangenomen geluidssnelheid werkt door in een afwijking van de gepresenteerde water snelheid.

FOTO 7-1 ADcp’S meT TWee en vier AKOeSTiSche bunDelS (FOTO: TeleDyne rD inSTrumenTS)

Het principe van de werking van een ADCP is dat een signaal wordt uitgezonden dat op ver-schillende afstanden door aanwezige deeltjes in het water wordt teruggekaatst. De tijd van aankomst van het teruggekaatste signaal is een maat voor de afstand waar het signaal van-daan komt (cel) en de frequentieverschuiving is een maat voor de stroomsnelheid in die cel. Daarmee kan een ADCP in een gewenst aantal cellen meten waardoor een goed beeld van de momentane snelheidsverdeling kan worden verkregen. De gebruikte signaalfrequentie bepaald het aantal cellen (‘bins’) waarin de snelheid wordt gemeten. Naarmate de afstand tot de sensor toeneemt worden de cellen groter.

De ADCP zendt een akoestische signaal uit dat zich in het water als een bundel verwijdt. Het uitgezonden hoogfrequente signaal wordt door de ontvangers op de ADCP na enige tijd weer ontvangen vanuit alle richtingen. De reflectiesterkte van de scatter wordt gemeten door het instrument en geeft informatie hoe de signaalsterkte afhangt van de richting. Het sterkste signaal komt vanuit de hoofdrichting van de bundel (loodrecht op de ontvanger) en bevat de informatie over de stroomsnelheid in het interessegebied. De hoofdbundel heeft een openingshoek van circa 4°, zie Figuur 7-23.

Alleen de snelheid uit de hoofdbundel is gebruikt, de signaalsterkte van de zijbundels is 10 tot 20 dB zwakker (ruis) dan van de hoofdbundel. Bij een ADCP met meerdere transducen-ten (twee tot vier) maken de transducentransducen-ten een hoek van 10° tot 30° (merk afhankelijk) met elkaar, zie Figuur 7-25.

De stroomsnelheid wordt in lagen met een hoogte Dh gemeten en als dwars over de rivier wordt gemeten, is er dus snelheidsinformatie in een laag met een bepaalde breedte, spreekt men van cellen, zie Figuur 7-25. De stroomsnelheid wordt per cel gemeten gedurende een tijdsinterval van bijvoorbeeld 2 tot 10 seconden. Het instrument sommeert de gemeten snel-heden over de cellen (gewogen met het celoppervlak) tot een debiet, zie Figuur 7-25. Dat levert het debiet op in het bemeten deel van de dwarsdoorsnede. De onbemeten zones in de dwars-doorsnede worden berekend.

Nabij de bodem en het wateroppervlak, kan een ADCP de stroomsnelheid niet meten. Nabij het oppervlak niet omdat het instrument onderwater hangt, bijvoorbeeld onder een meet-schip en in de eerste laag (zone O) zijn de meetresultaten onbetrouwbaar (instrument eigen-schap). Ook de laag bij de bodem (zone S) levert onbetrouwbare meetresultaten op aangezien de zijlobben de bodem raken, zie Figuur 7-25. Op de vaste bodem kan een sliblaag liggen of bij hogere stroomsnelheden beweegt de bodem als gevolg van sedimenttransport. Rijks-waterstaat Limburg streeft naar een betrouwbare meting, waarbij minstens circa 70% van de kernzone wordt bemeten en 30% van het profiel wordt berekend (zie Figuur 7-24 en zoals aangegeven in Figuur 7-25). Nabij de oever kan een meetschip meestal niet meten als gevolg van ondiepten of kades.

Figuur 7-24 vOOrbeelD beTrOuWbAre en OnbeTrOuWbAre zOneS in heT DWArSprOFiel bij ADcp meTingen (Figuur rijKSWATerSTAAT)

Oever _{Zone 0: geen data Oever}

Kernzone M: gedetailleerde meting van de

stroomsnelheid en -richting

Zone S: geen data

0 50 100 150 200 250 300 0 1 2 3 4 5 Afstand (m) Diepte (m)

Er zijn verschillende opstellingen van de ADCP mogelijk:

• verticaal naar beneden opgestelde ADCP, bijvoorbeeld onder een meetschip;

• horizontaal opgestelde ADCP, meestal een vaste opstelling waarmee de totale afvoer of een deel van de afvoer (bij brede waterlopen) kan worden bepaald;

• verticaal omhoog opgestelde ADCP, op de bodem gemonteerd instrument om gedurende enige tijd continu stroomsnelheden te registreren.

Er zijn enkele specifieke verschillen tussen verticaal en horizontaal opgestelde ADCP’s: • Voor de horizontaal opgesteld ADCP’s zijn, gezien de veel langere meetlengtes dan bij een

verticale opgestelde ADCP, de gevolgen voor de gevoeligheid van variaties in de geluids-snelheid veel groter. De onnauwkeurigheid van een horizontaal opgestelde ADCP is om die reden alleen al wat groter dan van een verticaal opgestelde ADCP.

• Horizontaal opgestelde ADCP’s worden gebruikt om langdurig de afvoer in een water-loop te meten. De H-ADCP kan vanwege de bodem en oever-reflecties niet het gehele doorstroomprofiel bemeten. Ook de openingshoek van de bundels en de hoek tussen de afzonderlijke bundels is van belang. Met een kleine openingshoek kan er verder in de breedte worden gemeten. Met de gemeten stroomsnelheden kan met de

K

-factor methode de afvoer worden afgeleid. De

K

-factormethode is besproken in par. 7.3.2. Omdat het bereik /aantal bruikbare cellen afhankelijk is van de locatie zal niet dezelfde

K

-factor als voor een looptijdmeting kunnen worden gebruikt.

• Vooral bij langdurig optredende lage snelheden van het water zal er geen correlatie be-staan tussen de beweging van de deeltjes in de watermassa die door de ene bundel wordt bemonsterd en de beweging van de deeltjes in de watermassa die door de andere bundel wordt bemonsterd. De nauwkeurigheid bij lage snelheden neemt dan ook sterk af. • Voor verticale ADCP’s geldt dat, om de stroomsnelheid in drie richtingen te meten, er

3 à 4 bundels zijn die onder een bepaalde hoek uit elkaar lopen. De metingen per bun-del worden dus niet in de dezelfde watermassa verricht. Dit stelt zeer hoge eisen aan de correlatie van de beweging van de deeltjes in deze verschillende watermassa’s om een betrouwbaar gemeten de drie-dimensionale snelheidsvector te verkrijgen.

• In rivieren met loskorrelig bodemmateriaal is het sediment bij hoge afvoeren in bewe-ging. Door het bodemtransport lijkt het alsof de bodem hoger ligt dan in werkelijk-heid het geval is. Daarnaast zorgt het transport van bodemmateriaal voor een onjuiste nulreferentie van het schip trimaran. De ADCP gaat uit van een stilstaande bodem en bepaalt de snelheid in de cellen ten opzichte van de bodem (bottom-track). Als de bodem ‘beweegt’ ten gevolge van bodemtransport, moet de nulreferentie op een andere wijze worden bepaald (varen in een lus of DGPS). Met een bewegende bodem worden stroom-snelheden onderschat, de nulreferentie beweegt dan namelijk mee.

• Verticaal op de bodem opgestelde ADCP’s meten de stroomsnelheidsverdeling in een ver-ticaal, maar met de vaste opstelling kan langdurig worden gemeten in tegenstelling tot bijvoorbeeld een ADCP onder een meetschip. Dezelfde beperkingen van de ADCP gelden als genoemd bij de moving-boat methode.

Voor grote waterlopen wordt de moving-boat methode in Nederland vaak toegepast. Het meet-schip is dan uitgerust met een dieptemeter, hoewel de ADCP de diepte onder het meet-schip ook kan meten en een GPS heeft om de ruimtelijke positie te bepalen.

In kleinere waterlopen kunnen akoestische (hand-)instrumenten worden gebruikt die op een stang zijn gemonteerd of op een catamaran/trimaran, zie Foto 7-2 en Foto 7-3. De instrumen-ten die op een stang zijn gemonteerd zijn geschikt voor puntmetingen of metingen in een

verticaal en werken anders dan een ADCP. Het instrument zendt een geluidsgolf uit, meet de echo en herhaalt na een korte tussenpoos een tweede geluidsgolf met echometing. Het ver-schil tussen de echo’s is een maat voor de afstand. Uit deling door de tijd volgt de stroomsnel-heid. Tevens wordt de waterdiepte gemeten door het instrument.

FOTO 7-2 vOOrbeelDen vAn vArenDe ADcp’S (FOTO’S: rijKSWATerSTAAT, TeleDyne rD inSTrumenTS, WS nOOrDerzijlveST)

160

In document Handboek debietmeten in open waterlopen (pagina 165-171)