Terreinproef met een STARFLOW ultrasone doppier-debietmeter

Transcriptie

1 Terreinproef met een STARFLOW ultrasone doppier-debietmeter dienst HYDROLOGSCH ONDERZOEK

2 nhoudsopgave 1. NLEDNG UL TRASOON-DOPPLER DEBETMETNGEN 2.1 Het ultrasone doppler-principe Beschrijving van de Unidata STARFLOW Doppier-debietmeter Werking van de STARFLOl/ Oe STA.RFLOW-apparatuur Meting en opslag van de parameters 'vverkingsvoorwaarden en nauwkeurigheid TERRENPROEF MET DE STARFLOW: NSTALLATE EN RESULTATEN 3.1 nstallatie en configuratie van de STARFLOW nstallatie van de gebruikssoftware op de PC Configuratie van de data/agger Opstelling in situ van de STARFLOW nitialisatie van de datalogger Lediging van de datalogger Resultaten Gekozen eenheid: uurwaarden Waterdieptemetingen Snelheidsmetingen Oebietsbepaling BESLUT... 15

3 1. NLEDNG De Dienst Hydrologisch Onderzoek (DHO) is één van de twee cellen van de afdeling Waterbouwkundig Laboratorium en Hydrologisch Onderzoek (WLH) van de Administratie Waterwegen en Zeewezen (AWZ). Deze dienst is belast met het beheer en de monitoring van het hydrametrisch meetnet met 64 stations van de bevaarbare waterlopen en kanalen, waarvan in 31 het debiet wordt bepaald. Daarnaast werd de dienst op 1 maart 1997 bijkomend belast met de monitoring van het limnimetrisch meetnet van de onbevaarbare waterlopen, dat beheerd wordt door de afdeling Water van de administratie Milieu-, Natuur-, Land- en Waterbeheer (AMNAL), Hierdoor liep het aantal door Dl HO te monitoren debietmeetstations op tot 13. n deze vele stations moeten een voldoend aantal debietmetingen uitgevoerd worden voor het opstellen van betrouwbare waterstand-debietsrelaties. Het is daarom nuttig in te spelen op nieuwe interessante snelheid- en debietmeetmethodes. Het gaat hier meer bepaald om akoestische of ultrasone doppler-toestellen, die kunnen ingezet worden op kleinere waterlopen. Dit verslag beschrijft de werking tijdens een terreinproef van 13 tot 28 januari 1998 van een STARFLOW-snelheid-/debietmeter van de firma UNDATA Dit toestel werd, samen met andere snelheid- en debietmeters, reeds vroeger in laboratoriumomstandigheden getest ("Controle debiet- en snelheidsmeters" - technische nota T17, aug. 1997, Waterbouwkundig Laboratorium Borgerhout). DH/98- Terreinproef met een STARFLOW ultrasone doppier-debietmeter 2

4 2. UL TRASOON-DOPPLER DEBETMETNGEN 2.1 Het ultrasone doppier-principe Het doppler-effect is gebaseerd op de "doppler"-(frequentie)verschuiving of doppiershift van een geluidsgolf die door een bewegend voorwerp, bv. een voorbijrijdend voertuig, weerkaatst wordt. Ook in stromend water doet dit effect zich voor wanneer een ultrasoon signaal weerkaatst wordt door een bewegend partikel. Het frequentieverschil van het uitgezonden met het weerkaatste signaal is dan een rechtstreekse maat voor de stroomsnelheid van het partikel. Concreet zendt een op de voorzijde van de meetsonde (sensor, transducer, transmitter) gemonteerd ultrasoon kristal met een vaste frequentie, en dit binnen een kegelvormige bundel, een signaal uit in de te meten vloeistofstroom. Naast het uitzendend kristal is er een ontvangend kristal dat de geluidsenergie opvangt, die weerkaatst werd door partikels als vaste stoffen, luchtbellen, e.d. in de vloeistofstroom. Daar deze weerkaatsers bewegen, verandert ook de frequentie van de weerkaatste geluidsenergie. Deze frequentie- of dopplerverschuiving is evenredig met de snelheid (fig. 1/gedeelte A). Bv. een signaal wordt met een frequentie van 1 MHz uitgezonden en na weerkaatsing ontvangen met een frequentie van 1.1 MHz. De dopplerverschuiving, te weten.1 MHz, wordt naar een snelheid omgezet. Een positieve verschuiving wijst op een voorwaarts gerichte stroming en een negatieve op een omgekeerde. Ultrasone doppier-apparaten kunnen tegenwoordig tijdens een voorafbepaalde meetcyclus honderden dergelijke snelheidsmetingen uitvoeren, waaruit zij een gemiddelde snelheid berekenen die representatief is voor het bereik van de ultrasone signalenbundel Dit bereik bedraagt tot 1 m langsheen de bundel in zuiver water en neemt af naarmate de waterstroom meer sedimentgeladen is. ndien een na verloop van een meetcyclus een groot aantal gemeten doppierverschuivingen of snelheden (in x) uitgezet wordt tegenover het aantal keren waarbij een bepaalde verschuiving optreedt (in y), dan bekomt men een snelheidsverdeling of -histogram zoals afgebeeld door de STARFLOW-software (velocity trace) in fig. 1/gedeelte B. n dit histogram vindt men volgende begrippen: Median: Quartile: Average: Samples: Maximum: de dopplerverschuiving die het oppervlak van de verdeling doormidden deelt de verhouding breedte/hoogte van de verdeling het wiskundig gemiddelde van alle gemeten snelheden het aantal gemeten en in de figuur getoonde doppierverschuivingen de dopplerverschuiving overeenstemmend met de top van het histogram Een goed histogram is smal (quartile tussen 2 en 5%, hier links in de figuur) en wordt bekomen bij laminaire aanstromingsomstandigheden, waarbij de weerkaatsende partikels egaal verdeeld zijn. De gezochte gemiddelde snelheid is deze die aangegeven wordt door de mediaan. DH/98- Terreinproef met een STARFLOW ultrasone doppier-debietmeter 3

5 De signa/ noise of signaalruis wordt veroorzaakt door kleine partikels, die zich samen met vele andere partikels voortbewegen en vage signalen voortbrengen die vaak echo's van echo's zijn en door de meetapparatuur in onjuiste doppierverschuivingen omgezet worden. Deze verschuivingen worden met het oog op de uiteindelijke bepaling van de mediaan door de signaalanalysetechnieken uitgefilterd. De reflecterende partikels kunnen grof en groot zijn, zodat ultrasone snelheidsmetingen in vervuilde en sedimentgeladen waterlopen en riolen geen probleem opleveren. Eén goede weerkaatser kan tijdens zijn doortocht doorheen de signaalbundel (volgens A,B,C in fig. î/gedeelte A) meer dan 1 keer gemeten worden en de resulterende snelheid van één scanning dominant bepalen. De partikels kunnen ook microscopisch van omvang zijn of bestaan uit in het water aanwezige luchtbellen, bladeren, takjes en andere voorwerpen. Hoe zuiverder het water, hoe moeilijker snelheden meetbaar zijn, daar nu luchtbellen moeten instaan voor de weerkaatsing van de akoestische signalen. Met een hoog frequentiesignaal kunnen ultrasone doppier-apparaten ook in (zeer) zuiver water stroomsnelheden meten. De STARFLOW-handleiding gaat dieper in op de omstandigheden, die de kwaliteit van het akoestisch signaal kunnen beïnvloeden, zoals turbulentie, watervegetatie, windwerking aan het wateroppervlak, zeer lage watersnelheden, zeer ondiep water, verstoring van de sensorwerking wegens bedelving onder zand, brokstukken, enz. 2.2 Beschrijving van de Unidata STARFLOW Doppier-debietmeter Werking van de STARFLOW Horizontaal geplaatst op de bodem van een waterloop, zendt de STARFLOW volgens een vooraf te bepalen meetcyclus een continu ultrasoon signaal uit met vaste frequentie. Dit signaal varieert van richting binnen een kegel met een openingshoek van î oo, waarbij de middeilijn een hoek van 3 maakt met het horizontaal vlak (fig. 1/gedeelte A). Ook de watertemperatuur en de batterijspanning van het toestel zijn parameters, die het apparaat kan meten en in zijn ingebouwde datalogger kan opslaan. Ofschoon dit type ultrasone doppier-toestellen verregaand getest werd in kleine waterlopen en afvoerbuizen, is er weinig ervaring met ultrasone doppier-metingen in grote waterlopen. n een niet te diep, geometrisch vrij symmetrisch profiel met symmetrische snelheidsverdeling en zo ideaal mogelijke aanstromingsomstandigheden, kan de STARFLOW op één verticale in het midden geplaatst worden om zo een snelheid te meten, die voor de zone rond deze verticale kenmerkend is. Hoe smaller de meetsectie is, hoe meer deze snelheid de gemiddelde sectiesnelheid benadert, daar de signaalbundel dan bijna de volledige natte sectie kan omvatten. Om in het geval van grotere waterlopen een beeld te krijgen van de snelheidsverdeling 1n een sectie lijkt het aangewezen meerdere doppiersensoren te plaatsen. Een belangrijke voorwaarde is dat de waterdiepte niet te groot mag zijn, daar het bereik van de dopplersignalenbundel dan tekortschiet, des te meer in sedimentgeladen en verontreinigd water. Een Australische firma produceert een profiling Oopp/er-apparaat, dat langsheen een tot 5m hoge verticale op bepaalde punten een watersnelheid meet. DH/98- Terreinproef met een STARFLOW ultrasone doppier-debietmeter 4

6 Studie en ervaring moeten uitwijzen op welke plaatsen in de meetsectie de doppiersensoren best geplaatst worden om het volledige snelheidsveld te scannen en wat de maximale waterdiepte is voor een betrouwbare meting van de gemiddelde watersnelheid. Anderzijds mogen de "ogen" van de sensoren niet boven water komen, daar het beeld van de bekomen doppierverschuivingen dan onbetrouwbaar wordt. De STARFLOW kan ook zó geconfigureerd worden dat de snelheidsmeting uitgeschakeld wordt van zodra de gemeten waterdiepte onder een bepaalde waarde komt. ndien via de STARFLOW-software een sectiegeometrie ingebracht wordt, berekent de STARFLOW ook een debiet, dat vergeleken kan worden met een beschikbare en juiste waterstand-debietsrelatie, die opgebouwd werd m.b.v. klassieke debietmetingen. ndien deze relatie evenwel verstoord wordt door opstuwing (bv. wegens waterplanten), blijft de STARFLOW geschikt om, binnen het toegelaten maximum waterpeil en de minimaal vereiste watersnelheid (2 cm/s), een al was het maar benaderend debiet te geven De STARFLOW-apparatuur Er zijn twee STARFLOW-kits beschikbaar: de 6526-î î tot 2m diepte en de 6526-Sî tot Sm. Het STARFLOW-systeem (fig. î c) bestaat uit: een model STARFLOW-instrument en datalogger (met bidirectionele snelheidsmeting, vervangt model 6526A) een signaalkabel met weersbestendige plug en beluchtingsbuis een roestvrije montage-vatting een 9 pins RS-232 adapterkabel voor aansluiting met een PC gebruikssoftware (Starlog software PDL version 3.5) Met behulp van de geleverde software wordt de datalogger geconfigureerd of geprogrammeerd en worden de opgeslagen gegevens ingelezen. Dit gebeurt met een laptop-pc via een 9 pins RS-232 kabel, die in de signaalkabel verwerkt is en vanuit de datalogger in de PC ingeplugd wordt via de COM RS-232 port. De dataloggerbuffer met een opslagcapaciteit van î 28K kan lineair of circulair geconfigureerd worden; indien lineair wordt niets meer opgeslagen als de buffer vol is en indien circulair worden de oudste data door de nieuwe overschreven. n normaal bedrijf slaat de STARFLOW in zijn ingebouwde datalogger automatisch parameters op zoals waterdiepte, watersnelheid, temperatuur, batterijspanning en eventueel debiet. Deze keuze wordt gemaakt tijdens de configuratie. Dit gebeurt ook voor de instelling van de scan rate. Dit is een tijdsinterval tussen î 5 en 6 s tussen twee meetcycli, waarop de STARFLOW-meetsonde gedurende een fractie van een seconde een continu akoestisch signaal met vaste frequentie (î,563 Mhz) uitzendt, dat partikels in de waterstroming op hun dopplerverschuiving scant en uit honderden aldus bekomen samples een gemiddelde stroomsnelheid berekent. De parameters, die uiteindelijk in de datalogger opgeslagen worden, zijn het resultaat van een middeling van alle gescande parameters tijdens de voorgeprogrammeerde gegevensopslagtijd of log interval. DH/98- Terreinproef met een STARFLOW ultrasone doppier-debietmeter 5

7 Via de signaalkabel voedt een î 2V-batterij de STARFLOW. De werkduur van de batterij is afhankelijk van de ingestelde scan rate en de batterijcapaciteit (in Ah). Er dient hierbij op het volgende gelet te worden: î. ndien de batterij langer dan 3 s ontkoppeld is, zijn de opgeslagen gegevens verloren. 2. Als de batterijspanning onder î îv komt, stopt het apparaat de gegevensopslag. Met het oog op telemetrie kan de STARFLOW rechtstreeks op een standaard datamodem aangesloten worden. Hierdoor zijn ogenblikkelijke oproepen en inlezing van opgeslagen gegevens mogelijk via een telefoonlijn Meting en opslag van de parameters De watersnelheid wordt bepaald door de ultrasone meting (scanning) van de frequentieverschillen op de partikels, die het water meevoert. Tijdens een meetcyclus zendt de sensor volgens een kegelvormige bundel een ultrasoon signaal continu en met een bepaalde frequentie uit, terwijl een ontvangende sensor de door de partikels weerkaatste signalen opvangt. Een meeteenheid detecteert uit 2 tot î metingen de frequentieverschillen, die geanalyseerd worden en omgezet worden in een zgn. doppler-verschuiving. Deze is, verrekend met de geluidssnelheid in het water, een maat voor de watersnelheidcomponent langsheen de signalenbundel De eigenlijke watersnelheid wordt vervolgens bepaald via de cosinus van de hoek, die het ultrasoon signaal maakt met de stroomrichting (fig. î /gedeelte A). De waterdiepte boven het apparaat volgt uit de meting van de hydrostatische druk van het water door een onderaan gemonteerde druksonde. n de signaalkabel is de sonde verbonden met de atmosferische druk via een beluchtingsbuis, die uitmondt in een huls die vochtvorming in de buis tegengaat (drying tube and dessicant). De temperatuur van het water beïnvloedt de snelheid van het geluid in het water en dus ook akoestische doppler-metingen. De geluidssnelheid in water hangt af van de waterdensiteit, die functie is van de druk, het zoutgehalte en het sedimentgehalte, doch voornamelijk van de temperatuur. Deze temperatuur wordt door de STARFLOW gemeten en verrekend bij de correctie van de snelheidsmetingen. n zoet water bij oac bedraagt de geluidssnelheid bij atmosferische luchtdruk î 42 m/s en bij 35 C î 52m/s. n de lucht bedraagt deze snelheid ca. 35m/s. Luchtbellen zijn nuttige weerkaatsingspartikels, doch te veel aëratie in het water kan de geluidssnelheid beïnvloeden. Het debiet volgt uit een berekening indien de STARFLOW voor de berekening en opslag van debieten werd geprogrammeerd en de geometrie van de meetsectie vooraf via de software werd ingevoerd. DH/98- Terreinproef met een STARFLOW ultrasone doppier-debietmeter 6

8 2.2.4 Werkingsvoorwaarden en nauwkeurigheid Volgens de handleiding zijn volgende punten belangrijk bij het gebruik van een STARFLOWapparaat de stroming is best zo laminair mogelijk en de gemeten watersnelheid moet evenredig zijn met de gemiddelde snelheid in de dwarssectie; daar het debiet volgt uit de waterdiepte en de geometrie van de dwarssectie, moet deze sectie stabiel zijn; de stroomsnelheid moet groter zijn dan 2 cm/s; er moeten voldoende vaste partikels in het water zijn en niet te veel luchtbellen; de bodem moet stabiel zijn en slib- en andere afzettingen mogen het apparaat niet begraven; bij lichte afzetting kan het apparaat wel nog behoorlijk blijven werken. De STARFLOW-handleiding geeft een nauwkeurigheid van ca. 2% voor de gemeten snelheid en van ca.,25% voor de waterdiepte. Het apparaat moet horizontaal en verticaal met de stroomrichting uitgelijnd worden. Een hoek van î oo in het horizontale vlak met de stroomrichting levert een snelheidsverlies van î,5% op. n het verticale vlak is deze fout aanzienlijker. De STARFLOW werd tegen de stroomrichting in afgeijkt, doch indien de sensoren gemakkelijk vuil raken kan het apparaat ook zonder noemenswaardig nauwkeurigheidsverlies omgedraaid worden, dus met de stroomrichting mee, zodat de gemeten snelheden negatief zijn. n een dergelijke opstelling mag het STARFLOW-lichaam zelf de snelheidsverdeling natuurlijk niet ernstig verstoren. Het toestel is geijkt voor signalen die kegelgewijs uitgezonden worden bij een hoek van 3 met de horizontale (fig. î/gedeelte A). s, door slechte plaatsing, deze hoek 2 dan bedraagt de fout op de snelheid ca. +8,5% en, indien de hoek 4 is, ca. -î î,5%. Ultrasone doppier-apparaten meten bij ogenblikkelijke scanning snelheden, die in de tijd een grillig verloop met variaties tot î % kunnen geven. Dit is ook niet verwonderlijk daar in natuurlijke waterlopen met turbulenties en pulsaties de ogenblikkelijke watersnelheden in de dwarssectie voortdurend veranderen. Daarom moet ook het grillig verloop van de gescande snelheden uitgevlakt worden over een voldoende lange log interval, d.i. de voorgeprogrammeerde gegevensopslagtijd. DH/98- Terreinproef met een STARFLOW ultrasone doppier-debietmeter 7

9 3. TERRENPROEF MET DE STARFLOW: NSTALLATE EN RESULTATEN 3.1 nstallatie en configuratie van de STARFLOW Het gebruik van de STARFLOW gebeurt in volgende stappen: nstallatie van de gebruikssoftware op de PC Configuratie van de datalogger Plaatsing in situ van het toestel (zie 3.2) nitialisatie van de datalogger Lediging (unload) van de opgeslagen gegevens in de datalogger nstallatie van de gebruikssoftware op de PC Bij het in bruikleen gegeven STARFLOW-apparaat werd de bijhorende software ter beschikking gesteld door MLEUTECH PLC (Excelsiorlaan 57, B-193 Zaventem). De STARFLOW Support Software (versie ) kan onder DOS of onder Windows (met DOS-venster) gebruikt worden Configuratie van de datalogger Zeer belangrijk is dat de datalogger bij de configuratie (scheme) wordt voorzien van een tijdsaanduiding, die overeenstemt met de juiste datum- en uurgegevens van de PC. n het systeemmenu (=)zijn diverse programma's toegankelijk: programma control pannel scheme editor instrument editor CDT editor DOS shell gebruik configuratie en lediging van datalogger programma voor de aanmaak, aanpassing en verwijdering van schemes beheer van de instrumenten voor de schemes wijziging van de STARFLOW configuratie toegang tot DOS Via het programma scheme editorwordt een nieuwe scheme aangemaakt. Deze bevat in het kort volgende elementen: Via Scheme, Create : hardware-venster: general-venster : 6526A- STARFLOW Ultrasonic Doppier nstrument STARFLOW velocity and depth recording (korte beschrijving van de scheme) communications-venster: com1 en 96 baud (over welke PC-port en aan welke snelheid gaan de data vanuit de PC van en naar de ST AR FLOW?) DH/98- Terreinproef met een STARFLOW ultrasone doppier-debietmeter 8

10 program 1-venster : log buffer 1-venster : event 1 :always/datalogging is onafhankelijk van gebeurtenissen buffer: linear/gegevensopslag stopt als de datalogger vol is scan rate: 5min/frequentie van de gegevensscanning log interval: 1 Om in/frequentie van de gegevensopslag volgende gegevenstypes worden opgeslagen: waterhoogte=depth snelheid=veloc batterijspan ni ng=batt debiet=flwrt (te definiëren via de instruments editor) (RAW=op het ogenblik van de log interval) (AVE=gemiddelde van de scan rates) area rating table-venster : table range (m) hier: 2 (max. diepte in m van de meetsectie) area rating table: open channel offset (m): hier:.84 :in de meetsectie bedraagt de afstand van het referentievlak tot de onderkant van het STARFLOW-apparaat.84m file name: c:\starflow\liezele.xac (liezele.xac is het bestand dat in ASC-formaat en hier in mm de meetsectiecoördinaten bevau fig. 2/gedeelte A: via Window, lnstruments : 6526A- STARFLOW Ultrasonic Doppier nstrument 6526A-cm - STARFLOW Flow Rate - Extension (cm 2, mils, mi) (nodig om de STARFLOW debieten te laten berekenen en op te slaan -zie log buffer 1-venster). Deze beide 'instrumenten' worden uitgekozen uit de inséruments editor (via het systeemmenu) Opstelling in situ van de STARFLOW Als locatie voor de proefopstelling met de STARFLOW werd het limnimetrische station van DHO op de Kleine Molenbeek te Liezele-Puurs gekozen (fig. 3a t.e.m. 3e). Hier zijn de omstandigheden gunstig voor een eenvoudige proefopstelling en het bekomen van verifieerbare resultaten. Concreet is het DHO-station uitgerust met: een betrouwbare reeds bestaande H/-relatie voor controle en ijking; een meetsectie met geringe breedte (ca. 3m) en diepte (waterstand bij basisdebiet ca. 3 cm); een meetoverlaat met in baksteen uitgevoerde rechthoekige sectie. Uit de schema's van fig. 2/gedeelten A en B en de foto's van fig. 3a t.e.m. 3e blijkt hoe op ca. 1 Om stroomopwaarts van de DHO-imnigraaf een lange overlaat in baksteen voorhanden is. DH/98- Terreinproef met een STARFLOW ultrasone doppier-debietmeter 9

11 Stroomopwaarts van deze overlaat, tegen de drempel aan, werd de sensor (fig. 1) gemonteerd op een betontegel van 4cm dik, in het midden van de sectie, horizontaal en pal tegen de stroomrichting in geplaatst. De proef verliep van 13 januari 1998 (16.h) tot 28 januari 1998 (16.h), tijdstip waarop de voedingsbatterij nog een ruim voldoende spanning (12.34V) leverde voor een normale werking van het apparaat (beginspanning: 12.6V) nitialisatie van de datalogger Wanneer het STARFLOW-programma op de PC wordt gestart, verschijnt op het scherm het venster Open a Scheme, waaruit de in gecreëerde scheme gekozen wordt: LEZELE.SCM STARFLOW Velocity & Depth Recording Dan volgt de Control Pannel, die alle programma's bevat die de geopende scheme zal gebruiken: nformatie over de geopende scheme wordt verkregen met het commando display scheme info. De datalogger wordt geïnitialiseerd met het commando program STARFLOW with scheme. DH/98- Terreinproef met een STARFLOW ultrasone doppier-debietmeter 1

12 3.1.5 Lediging van de datalogger Met het commando unload data from STARFLOW wordt de datalogger geledigd en wordt een unload file (bv.lezele.u3) aangemaakt. Alle unload-bestanden worden voor de geopende scheme (LEZELE.SCM) opgesomd met het commando list all unload files en kunnen worden verwijderd met delete an unload file. De herhaalde opslag van gegevens in uitvoerbestanden alsook de herlading van de configuratie wordt vermeden met incremental un/oad. Belangrijk is de gegevensoogst, die vervat is in de un/oad file, geschikt te maken voor een vlotte visualisatie, hetzij in tabelvorm hetzij grafisch. Hiertoe kiest men met het commando report editor een bestaande report (bv. LEZELE.R2), waarin alle elementen kunnen gevisualiseerd en aangepast worden: titel (naar keuze) report (afdruk op scherm, bestand of printer, plot, lotus file) hier werd ascii file gekozen om de gegevens later vlot in een excel-bestand te kunnen importeren) date format (tijdsformaat dd/mm/yy hh:mm) file : LEZELE.A3 entries (een keuze van de opgeslagen parameters kan gemaakt worden zoals gedefinieerd in het Log Buffer 1-venster, zie 3. î.2) Een nieuwe report wordt gemaakt met de insert-toets, waarbij alle bovenstaande elementen moeten ingevuld worden. Met display an unload file kan met een nieuwe report (bv. LEZELE.R2), de unload file (bv. LEZELE.U3) en een uitvoerbestand, (bv. LEZELE.A3), aangemaakt worden. Met scheme test mode kan de werking van de STARFLOW in reële tijd, dus op het terrein, opgevolgd worden en met velocity trace kunnen snelheidshistogrammen op het scherm afgebeeld worden. 3.2 Resultaten De proefperiode ( ) was te kort om volmaakt eenduidige resultaten te sorteren in het licht van een ideale variatie aan hydrologische omstandigheden. Zo diende de proef het te stellen met maar één periode van regenactiviteit (fig. 4), resulterend in een was met maximale waterstand op , zodat het beschikbare waterstandsinterval, van aanvang tot einde proef, bij de DHO-imnigraaf begrepen was tussen.68 en 1.14m boven de nul van de peilschaal (=4,m TAW). Het is wenselijk de STARFLOW te ijken met zoveel mogelijk wassen tijdens een proefperiode van meerdere maanden. Het is immers noodzakelijk te achterhalen hoe het toestel reageert op verschijnselen bij wassen, zoals bv. een snelle waterstandstijging, het hysteresisverschijnsel bij stijgend en dalend peil en na te gaan of het toestel wel in staat is bij deze wassen waterstanden en watersnelheden betrouwbaar te meten. DH/98- Terreinproef met een STARFLOW ultrasone doppier-debietmeter 11

13 Ter vergelijking geeft onderstaande tabel voor de Kleine Molenbeek te Liezele enkele topwaterstanden en -debieten van de periode : datum uur î?.oo waterstand in m (nulpunt peilschaal: 4m TAW) debiet (m3/s) De allerlaagste waterstand uit deze periode was.469m op 8 augustus 1996 om 16.h, waarbij het debiet.7 m3/s bedroeg. Het waterstandsinterval van m tijdens de proef is dus slechts een fractie van het interval ( m), waarbinnen de waterstand gedurende bovenvermelde periode aan de DHO-imnigraaf te Liezele heeft geschommeld. n feite is de proefperiode dus te kort om de STARFLOW optimaal te ijken. Om aan een voldoend aantal hoge waterstanden gerelateerd te worden en om tevens de werking van het toestel te onderzoeken bij uiteenlopende omstandigheden (groei van waterplanten, aanslibbing, ijsvorming,... ) moet de werking van de STARFLOW in situ over een veel langere periode bestudeerd worden Gekozen eenheid: uurwaarden Het uitvoerbestand (bv. LEZELE.A3, zie 3.1.5) is een bestand in ASC-formaat, dat vlot in een Excel-rekenblad te importeren is. Hierin kunnen dan naar wens de nodige tabellen en grafieken gemaakt worden. De waterdiepten werden in de STARFLOW-datalogger om de 1 minuten (=log interval) opgeslagen als een gemiddelde van twee waarden, die het resultaat zijn van een scanning om de 5 minuten (=scan rate). Fig. 5a, 5b en 5c geven respectievelijk de waterstanden, snelheden en debieten, zoals ze om de 1 minuten in de datalogger opgeslagen en ingelezen werden. Daar de beschikbare waterstanden van de DHO-imnigraaf gemiddelde uurwaarden zijn ware het verstandiger geweest de log interval op 1 uur (met middeling van 12 scan ratewaarden) vast te stellen en niet op 1 minuten. Hierdoor had een a posteriori omrekening van de 1 minuten-waarden naar uurwaarden kunnen voorkomen worden. Figuren 6a, 6b en 6c tonen resp. de omgerekende uurlijkse STARFLOW-waterstanden t.o.v. de DHO-waterstanden, de uurlijkse STARFLOW-debieten t.o.v. de DHO-debieten en de gemiddelde uurlijkse STARFLOW-snelheden Waterdieptemetingen Ook bij een debietmeting met een ultrasoon doppier-toestel is de meting van de waterstand een essentieel gegeven. Het debiet volgt immers uit de gemiddelde snelheid en het natte oppervlak, dat rechtstreeks van de waterstand afhangt. DH/98- Terreinproef met een STARFLOW ultrasone doppier-debietmeter 12

14 De STARFLOW meet de waterdiepte, d.i. de verticale afstand van de onderkant van de sensor (=bovenkant tegel) tot aan het wateroppervlak. Tijdens de drie terreinbezoeken werd deze afstand manueel gemeten en achteraf vergeleken (zie onderstaande tabel) met de log interval-hoogte. De STARFLOW bleek systematisch een grotere waterdiepte te meten, doch dit verschil dient wel gerelativeerd te worden om reden van volgende punten: het beperkt aantal controles : slechts 3; de STARFLOW-diepte zelf is niet exact want het is een middeling van slechts 2 scan rateafstanden, die onderling aanzienlijk kunnen verschillen; de onnauwkeurigheid van de manuele meting, die minstens 5mm bedraagt. datum en uur manueel gemeten STARFLOW gemeten verschil (cm) waterdiepte (cm) waterdiepte (cm) h h h De juistheid van de waterdieptemeting door de STARFLOW moet een voortdurende zorg zijn, vermits de debieten rechtstreeks volgen uit de berekende natte sectie. Uiteraard zullen deze STARFLOW-debieten ook gerelateerd moeten worden naar de debieten, die gegeven worden door de H/Q-relatie van het DHO-hydrometrisch station. Ook de STARFLOW-waterstand en de waterstand opgetekend door de DHO-imnigraaf moeten onderling vergelijkbaar zijn. Uit fig. 6a blijkt dat beide waterstandsmetingen een gelijkaardig verloop hebben, maar niet congruent zijn. Hier dient wel rekening gehouden te worden met het feit dat de STARFLOW zo'n 1 Om stroomopwaarts, aan de opwaartse kant van de lange overlaat, ingeplant was. Uit fig. 7a blijkt dat de relatie tussen beide waterstandsmetingen niet lineair is, doch gekenmerkt wordt door een duidelijke hysteresis, wijzend op een vertraging van het ene toestel t.o.v. het andere. Bij nader toezien op het Excel-rekenblad blijkt dat de STARFLOW-topwaterstanden zich 2 uur eerder voordoen dan de topwaterstanden aan de limnigraaf. Na opschuiving in de tijd met 2 uur van de STARFLOW-waterstanden, waardoor beide toppen samenvallen, blijkt het hysteresisverschil merkelijk uitgevlakt (fig. 7b). Daar bij de configuratie van de datalogger gelet werd op een juiste instelling van de tijd op de PC, is dit fenomeen niet meteen te verklaren en is verder onderzoek hierover nodig Snelheidsmetingen Uit fig. 5b blijkt hoe grillig het verloop van de log interval-snelheden (om de 1 min opgeslagen) is wegens de turbulente stroming met pulsaties in de meetsectie. Na middeling tot uurwaarden (fig. 6b) is het verloop merkelijk uitgevlakt, doch nog steeds grilliger dan het verloop van de waterstand (fig. 6a). Logischerwijze resulteert dit minder grillig beeld in een gelijkaardig debietsverloop (fig. 6c). DH/98- Terreinproef met een STARFLOW ultrasone doppier-debietmeter 13

15 3.2.4 Debietsbepaling Het STARFLOW-debiet is een rechtstreekse afgeleide van de waterstand, zodat ook hier een tijdsverschuiving +2 uur werd toegepast om het topdebiet te laten samenvallen met dat van de DHO-imnigraaf (fig. 8). Een correlatie tussen de limnigraaf- en STARFLOW-debieten (fig. 9) laat toe een wiskundig verband of regressiekromme te bepalen, hier een derdegraadspolynoom. De limnigraafdebieten QLG zijn functie van de STARFLOW-debieten Osr: QLG = Osr Osr Osr-.23 Deze vergelijking is enkel geldig voor de doorgemeten STARFLOW-debieten, zodat extrapolatie van de polynoom voor Osr groter dan de berekende 1.12 m 3 /s onbetrouwbaar is, ook al omdat bij deze derdegraadsveelterm een buigpunt kan optreden. Voor Osr = is uiteraard QLG = (hier bij QLG = -.23 m 3 /s, zodat de berekening van een 'aansluitings'polynoom tussen Osr = en Osr =.15 m 3 /s aangewezen is, zeker bij grotere afwijkingen). DH/98- Terreinproef met een STARFLOW ultrasone doppier-debietmeter 14

16 4. BESLUT De resultaten van deze terreinproef bieden een interessant perspectief voor de registratie van waterstanden en snelheden in waterlopen met toestellen, die werken volgens het ultrasone doppler-principe. De STARFLOW lijkt een goed instrument te zijn voor continue gegevensregistratie in een vaste opstelling op de rivierbodem, maar is door zijn omvang ongeschikt voor snelheidsmetingen, waarbij de doppier-sensor snel en beweeglijk op verschillende plaatsen langsheen de meetsectie dient verplaatst te worden. Volgende punten dienen speciaal vermeld te worden m.b.t. de beschreven terreinproef: a) De STARFLOW is programmeerbaar om tijdens een periode naar keuze diverse parameters in zijn ingebouwde datalogger op te slaan. b) De debieten, die bepaald werden in de proefsectie te Liezele, komen goed overeen met deze, die via de klassieke wijze met snelheidsmolens bepaald worden. Wel dient vermeld te worden dat de breedte en de diepte van de proefsectie beperkt in afmetingen waren. Ook moet hier nogmaals genoteerd worden dat een verder onderzoek over de in vermelde verschuiving van 2 uur van de topwaterstanden nodig blijft. c) Voor grotere meetsecties lijkt eventueel een andere werkwijze aangewezen te zijn, bv. de opstelling van meerdere STARFLOW-apparaten in de meetsectie. d) Voor debietmetingen, zoals die nu bij de DHO gebeuren met de traditionele snelheidsmolens en elektromagnetische sensoren, bestaan er nu op de markt ultrasone dopplerapparaten, die ogenblikkelijk een waterstand, watersnelheid en eventueel een debiet kunnen geven. Deze apparaten bestaan uit een kleine doppler-meetsonde, die makkelijk op de rivierbodem geplaatst kan worden en verbonden is met een agregaat op het droge, dat de resultaten kan visualiseren en als datalogger kan fungeren. Het is wenselijk dit soort toestellen in waterlopen uit te proberen met het oog op snelle en betrouwbare debietmetingen met een vlotte registratie van parameters als waterstand en watersnelheid. Brussel, augustus 1998 J i u l! ing. Emmanuel Cornet de industrieel ingenieur belast met de studie Gezien, ing. Jozef Heylen hoofd dienst Hydrologisch Onderzoek DH/98- Terreinproef met een STARFLOW ultrasone doppier-debietmeter 15

17 BJLAGEN

18 TERRENPROEF MET EEN STARFLOWULTRASONE DEBETMETER Figuur 1 HYDROLOGSCH ONDERZOEK STARFLOW: WERKNG EN APPARATUUR zijaanzicht uitgezonden signalenbundel bovenaanzicht weerkaatste s A Median = 472mrnls Quartile 34.2% Average = 242mrnls Maximum = 337mrnls ST AR FLOW Trace Mode - COM1: at 96 Bau Samples = 5 ENTER> O=Ouit, +1- Zoom SGNAL NOSE \ B C : zie 2de blad

19 TERRENPROEF MET EEN STARFLOWULTRASONE DEBETMETER Figuur 1 STARFLOW WERKNG EN APPARATUUR Modei6526A STARFLOW nstrument Model 6526A STARFLOW nstrument PVC Vent Tube Unk Model 663V/1 «SOL> 1 metra :Vented Extension Cable Model 663DT Drying Tube 9 Pin 'D' Secket to Computer 6.3mm Quick Conneet Receptacle to 12V Battery c

20 TERRENPROEF MET EEN STARFLOWULTRASONE DEBETMETER Figuur 2 HYDROLOGSCH ONDERZOEK PLAATSNG N STU: DWARSDOORSNEDE EN BOVENAANZCHT.88n.i..86 fn referentievlak.84m = offset --- V - / STARFLOW 2.93m -- A h.6m (dr empel)., c,. dre_mpel (Jang o\j'elëi.al 1.2m STARFLOW 1.46m 8