Möchte man zum Beispiel die Wassermenge bestimmen, die pro Sekunde in einem Fluss oder Bach talwärts fließt, so benötigt man neben dem Tiefenprofil auch noch das Geschwindigkeitsprofil. Für den Volumsfluss V/t folgt dann:
Hier ein Beispiel für ein solches Tiefen- und Geschwindigkeitsprofils:
Wie kann man nun die Tiefen bzw. Geschwindigkeiten messen? Die Tiefen zu bestimmen ist simpel. Man lässt zum Beispiel eine Schnur mit Gewicht von einer Brücke ins Wasser und schaut, wann das Gewicht den Boden erreicht hat. Dann zieht man das Gewicht wieder heraus und bestimmt die Länge des eingeholten Seils. Dies entsprcicht dann der Wassertiefe t.
Bei der Geschwindigkeit ist es etwas schwieriger. Man kann die Strömungsgeschwindigkeit zum Beispiel mit einem an einer Schnur befestigten Tennisball ermitteln. Man lässt diesen h Meter bis zur Wasseroberfläche hinunter und behält dann weiteres Seil der Länge z.B. 5 m locker in der Hand. Danach lässt man den Tennisball ins Wasser und mit der Strömung treiben. Sobald man ihn losgelassen hat startet man die Stoppuhr. Diese stoppt man wieder, sobald das Seil mit der Länge h + 5 m durch den hinfort getriebenen Tennisball stramm gespannt ist.
Mittels Pythagoras kann man die Strecke s leicht ausrechnen, wenn man die Höhe h bis zur Wasseroberfläche kennt. Da wir die Zeit t, die der Tennisball für die Strecke s benötigt hat, auch wissen, lässt sich dessen Geschwindigkeit v leicht nach v = s/ t ermitteln. Dies entspricht dann der Strömungsgeschwindigkeit v des Bachs (zumindest an dessen Wasseroberfläche).
Eine etwas elegantere Methode zur Bestimmung der Strömungsgeschwindigkeit ist der Bau eines Strömungsmessgeräts. Mein Erstes bestand aus zwei Flugzeugpropellern, etwas Mechanik und einem Fahrradtacho. Ich hoffe Christoph und Herbert haben nichts gegen die Veröffentlichung der zum Teil intimen Fotos 😉
Mit der angezeigten Tachogeschwindigkeit fängt man allerdings noch nicht viel an. Man muss den Zusammenhang Tachogeschwindigkeit – Strömungsgeschwindigkeit erst ermitteln. Dies macht man zum Beispiel in einem Schwimmbecken, indem man das Strömungsmessgerät mit einer bekannten Gschwindigkeit v durch das Wasser zieht. Die Gehgeschwindigkeit entspricht ja dann der Strömungsgeschwindigkeit. Man notiert sich für jede Gehgeschwindigkeit die angezeigte Tachogeschwindigkeit. Auf diese Weise erhält man eine Gerade, deren Anstieg k dem Umrechnungsfaktor zwischen Strömungs- und Tachogeschwindigkeit entspricht, voila…
Man kann eventuell auch den am Tacho eingestellten Reifenumfang so abändern, dass gleich eine leicht umrechenbare Tachogeschwindigkeit angezeigt wird z.B. 13.6 km/h entsprechen 1.36 m/s Strömungsgeschwindigkeit. Jetzt steht dem Einsatz des Strömungsmessgeräts nichts mehr im Weg, vorausgesetzt man besitzt Spezialgummistiefel, die beinahe bis zum Hals hinauf reichen. 😉
In der Zwischenzeit bin ich auf einen Durchflusssensor gestoßen, den man sehr leicht mit Arduino auswerten kann. Dabei handelt es sich um das Modell YF-S201. Dieses erhält man für kleines Geld auf ebay oder anderen Geschäften:
Der Durchflusssensor besitzt 3 Anschlüsse: +5V, Ground und Signalausgang. Den Signalausgang verbindet man mit dem Digitalpin 2 des Arduino, +5V mit +5V und Ground mit GND des Arduino.
Hält man den Sensor nun in eine Wasserströmung, so dreht sich das Schaufelrad im Inneren mit einer bestimmten Frequenz. Diese wird über einen magnetischen Hallsensor erfasst und die erzeugten Pulse über die Signalleitung an den Arduino übermittelt. Mit dem Arduino muss man jetzt nur noch die Anzahl der innerhalb einer Sekunde ankommenden Pulse bestimmen. Dies geschieht mit einem sog. Interrupt. Damit man auf die Strömungsgeschwindigkeit zurückrechnen kann, kalibriert man den Sensor erst wieder wie oben beschrieben in einem Schwimmbad, indem man ihn mit verschiedenen Geschwindigkeiten durchs Wasser zieht und dann die jeweils angezeigte Frequenz f notiert. Der Umrechnungsfaktor von Frequenz zu Strömungsgeschwindigkeit wird dann nur noch im Arduinoprogramm eintragen. Fertig ist der kompakte Strömungssensor…
Arduino-Code:
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#include <LiquidCrystal_I2C.h> #include <Wire.h> LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2); // set the LCD address to 0x27 for a 16 chars and 2 line display. ACHTUNG: Adresse kann auch 0x3F sein !!! // Anschlüsse: // GND - GND // VCC - 5V // SDA - ANALOG Pin 4 // SCL - ANALOG pin 5 int flowsensor = 2; unsigned long currentTime; unsigned long lastTime; unsigned long pulse_freq; float velocity; // =========================== // ======= SETUP ========= // =========================== void setup() { pinMode(flowsensor, INPUT); Serial.begin(9600); attachInterrupt(0, pulse, RISING); // Setup Interrupt currentTime = millis(); lastTime = currentTime; lcd.begin(); // initialize the lcd lcd.backlight(); lcd.setCursor(0,0); lcd.print("Stroemungs-"); lcd.setCursor(0,1); lcd.print("messer"); delay(3000); lcd.setCursor(0,0); lcd.print(" "); lcd.setCursor(0,1); lcd.print(" "); } // ======================== // ======= LOOP ========= // ======================== void loop () { currentTime = millis(); // Every second, calculate frequency if(currentTime >= (lastTime + 1000)) { lastTime = currentTime; /* Serial.print(pulse_freq); Serial.println(" Hz"); */ lcd.setCursor(0,0); lcd.print("f = "); lcd.print(pulse_freq); lcd.print(" Hz "); velocity = pulse_freq * 0.023; // calculation of the water-speed. 0.023 is the conversion-factor from frequency to velocity. You have to determine this factor by experiment! lcd.setCursor(0,1); lcd.print("v = "); lcd.print(velocity); lcd.print(" m/s "); pulse_freq = 0; // Reset Counter } } // ============================= // ======= INTERRUPT ========= // ============================= void pulse () // Interrupt function { pulse_freq++; } |
Wenn ich eine Halterung für den Sensor inkl. Arduino gebastelt habe, melde ich mich hier wieder…
