Wasserkraftnutzung am Stand der Technik wäre heute ohne moderne Durchflussmesssysteme undenkbar. Egal, ob in der Planungsphase, oder später im Einsatz für ökologische, …

… optimierungsrelevante, steuerungs- oder sicherheitstechnische Belange: ohne hydrometrische Instrumente geht es in der Wasserkraft nicht mehr. Dabei haben diese Messsysteme gerade in den letzten 15 bis 20 Jahren noch einmal eine dynamische Weiterentwicklung erfahren. Dem Anwender steht heute eine breite Palette an Messverfahren und –technologien zur Verfügung.

Die Information über den aktuellen Abfluss eines flüssigen Mediums wird durch das durchflossene Volumen pro Zeiteinheit dargestellt. Rechnerisch ergibt sich diese Größe, indem die gemessene Fließgeschwindigkeit mit der Querschnittsfläche des fließenden Wassers multipliziert wird. An sich also eine nicht allzu komplizierte Sache – in der Theorie zumindest. In der Praxis kann Durchfluss- oder Abflussmessung allerdings durchaus komplex werden, vor allem wenn man präzise Daten erhalten möchte. Wollte man früher den Abfluss von kleinen Quellen in Erfahrung bringen, genügte ein größeres, geeichtes Gefäß und eine Uhr. Auf diese Weise konnte mitunter sehr genau auf direkte Art und Weise der Abfluss festgestellt werden. Doch diese Methode hat den gravierenden Haken, dass sie bei etwas größeren Abflüssen nicht mehr funktioniert. Das bedeutet, dass in diesem Fall der Durchfluss indirekt – und zwar über die Wassertiefe gemessen wird, da der Abfluss schließlich eine Funktion der Wassertiefe ist. Eine bewährte, althergebrachte Methode ist die indirekte Messung über standardisierte Profile, die an einem Messwehr quer zum Gewässer installiert werden. Ein Beispiel dafür ist das Thomsonwehr mit dem charakteristischen dreieckigen Einschnitt, das sich durch einen konstanten und natürlich bekannten Öffnungswinkel auszeichnet. Das Wasser fließt als Überfall über den dreieckigen Einschnitt, der üblicherweise aus Metall hergestellt wird. Dank der dreieckigen Form können auch noch sehr kleine Wassermengen einigermaßen akkurat gemessen werden, wobei im besten Fall mit einer Fehlerabweichung von plus-minus 5 Prozent zu rechnen ist. Neben dem bekanntesten dreieckigen Thomsonwehr gibt es noch andere Messwehre mit anderen Formen, wie etwa das Ponceletwehr oder das Rehbockwehr. Ihnen allen ist zu eigen, dass über die Höhe des aufgestauten Wasserspiegels rechnerisch auf die Durchflussmenge geschlossen werden kann.

Fortschritt dank Messflügel
Bei der Ermittlung von Abflüssen in großen, unregelmäßigen Gewässerquerschnitten in Entwicklungs- und Schwellenländern, wo moderne Messtechnik noch nicht so stark vertreten ist, sind aufwändige Messungen immer noch gang und gäbe.  Man setzt auf Wasserstandmessungen, etwa an Lattenpegeln, die täglich abgelesen werden. Allerdings ist für diese Berechnung auch eine Vermessung der Geometrie des Querprofils senkrecht zur Fließrichtung unerlässlich. Erst aus diesen Daten lässt sich der Abfluss schließlich über die Manning-Strickler Formel errechnen:  
Q = v × A in m³/s      – wobei:
v = kst × rhy2/3 × I0.5 in m/s
kst = Rauigkeitsbeiwert in m1/3/s      
rhy = hydraulischer Radius in m2/3
I = Wasserspiegelgefälle (i. d. R.  parallel dem Sohlgefälle) in m/1000 m bzw. ‰
A = Profilquerschnitt senkrecht zur Fließrichtung in m²

Obwohl die Durchflussmessung zu den ältesten hydrometrischen Techniken zählt, entbehrt sie nicht einer gewissen Komplexität. Als Ende des 18. Jahrhunderts die mechanischen Flügel erfunden wurden, setzte sich schnell das Lotrechtenverfahren zur Ermittlung des Gewässerdurchflusses durch. Es handelt sich dabei um ein indirektes Messverfahren, in dem der Durchflussquerschnitt und die mittlere Fließgeschwindigkeit an den präzise vorpositionierten Messlotrechten in Beziehung gesetzt werden. Konkret werden dabei Strömungsmessgeräte eingesetzt, die an der Messlotrechten die Fließgeschwindigkeit des Fließgewässers aufnehmen. Als Standardmessgerät dient der Messflügel. Die Zahl der Schaufelumdrehungen pro Zeiteinheit an einem Messpunkt lässt den Rückschluss auf die punktuelle Fließgeschwindigkeit zu, wobei je nach Art der Messung Einzelpunkte oder ganze dynamische Profile an der Messlotrechten erstellbar sind. Die Vorteile in der Praxis sind bekannt. Die Messflügel-Methode entlang der Messlotrechten gilt als universell und auch als sehr gut mobil verwendbar, da die Messinstrumente üblicherweise kompakt sind. Sie werden heute noch immer bei kleineren bis mittelgroßen Fließgewässern eingesetzt.

Vielzahl an Messverfahren zur Auswahl
Welches Verfahren und welches Durchflussmessgerät für den Anwender nun zum Mittel der Wahl wird, hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab. Zunächst stellt sich die Frage nach dem Standort und den Rahmenbedingungen an der Messstelle, aber natürlich sind auch Qualitätseigenschaften des flüssigen Mediums oder Parameter, wie Druck, Temperatur bzw. Verschmutzungsgrad relevant. Auch die gewünschte Exaktheit der Messung stellt ein weiteres Auswahlkriterium dar. „Im Hinblick auf die Durchflussmessung gibt es keine andere Messgröße in der Wasserkraft, die durch so viele Verfahren bestimmbar ist“, schreiben etwa DI Mark Guggenberger und Ing. Florian Senn unter Ägide von Prof. DI Dr. Helmut Jaberg in ihrem 2013 in der zek HYDRO erschienen Artikel „Messtechnik in der Wasserkraft“. „Für konkrete Anwendungen haben sich spezielle Messverfahren etabliert, so dass eine Vielzahl an Möglichkeiten zur Durchflussmessung angeboten wird.“ Die Wissenschaftler verweisen darauf, dass grundsätzlich zwischen primären und sekundären Methoden unterschieden wird. Die direkten Messmethoden werden aufgrund ihrer hohen Genauigkeit zur Eichung und Kalibrierung von Durchflussmessgeräten im Labor verwendet. Der zeitlich gemittelte Durchfluss wird dabei über die in einem definierten Zeitraum zugeflossene Masse, welche sich als Differenz aus den Wägungen vor und nach dem Zufluss ergibt, bestimmt. Mithilfe der gemessenen Temperatur lassen sich die Dichte und damit der Volumenstrom ermitteln. Sekundärmethoden zur Messung des Durchflusses beruhen beispielsweise auf dem Wirkdruck, der Geschwindigkeit, der elektromagnetischen Induktion, dem Coriolis-Effekt oder der Wirbelfrequenz. Prüfstände ohne freie Oberflächen setzen üblicherweise auf Venturi-Rohre oder induktive Durchflussmessgeräte.

Durchflussmessung im Rohr
Gerade im Bereich der Wasserkraft kommt auch der Durchflussmessung in geschlossenen Systemen, wie einer Rohrleitung, große Bedeutung zu. Eine sehr bewährte und dabei flexible Messmethode stellt die akustische Durchflussmessung auf Basis des Laufzeitdifferenzprinzips dar. Der Ansatz ist verblüffend einfach. Das Prinzip beruht auf der Tatsache, dass sich ein Schallsignal in einem ruhenden Medium nach allen Richtungen mit der Geschwindigkeit a ausbreitet, dass sich allerdings die Relativgeschwindigkeit des Schallsignals mit der Geschwindigkeit des umgebenden Fluidums w ändert. Das heißt konkret, dass bei Nulldurchfluss oder Stillstand in der Rohrleitung die Laufzeiten der emittierten Ultraschallsignale identisch sind. Sobald sich jedoch das Medium zu bewegen beginnt, ändert sich die Geschwindigkeit der Ultraschallsignale. In Strömungsrichtung überlagern sich die beiden Geschwindigkeiten, es kommt zu einer Beschleunigung des Signals im Ausmaß a + w. Der umgekehrte Effekt tritt bei der Bewegung gegen die Fließrichtung auf, die resultierende verminderte Signalgeschwindigkeit ergibt sich aus a – w. Das Signal braucht also länger, wenn es gegen die Fließrichtung eines fließenden Mediums geschickt wird. Aus diesem Prinzip ergibt sich für die Messanordnung, dass die ausgesendeten Signale unterschiedliche Laufzeiten zeigen. Konkret befinden sich an der Rohrleitung Messsensoren, die sowohl aussenden als auch detektieren können. Diese sind in der Lage, die Laufzeitdifferenz zu detektieren, zu der die Fließgeschwindigkeit in der Rohrleitung direkt proportional ist. Durch die bekannte Querschnittsfläche A lässt sich daraus einfach der Durchfluss Q bestimmen. Gerade bei großen Rohrdurchmessern gilt die akustische Durchflussmessung auf Basis der Laufzeitdifferenzmethode als eine der exaktesten Messmethoden. Wie die Forscher der TU Graz berichten, wurden mit dieser Methode    mithilfe von innenliegenden Sensoren Messgenauigkeiten von unter   5  Promille nachgewiesen. State-of-the-Art sind heute dabei Clamp-On-Sensoren, die an der Außenwand der Rohrleitung angebracht werden – im Fall eines Stahlrohrs magnetisch, bei GFK-Rohren mittels Klebstoff. Die Entwicklung dieser außenliegenden Messsensoren stellen durchaus einen Quantensprung in der Hydrometrie dar, zumal sie den Vorteil bieten, dass keine Modifikationen an der Rohrleitung vorgenommen werden müssen, dass der laufende Betrieb dadurch nicht gestört wird und dennoch hoch präzise Messergebnisse erzielt werden. Es gibt heute zahlreiche Anbieter, die diese Messsysteme in hochwertiger Ausführung vertreiben.

Wichtig für die Turbinenoptimierung
Auch im Hinblick auf die Optimierung von Turbinen kann die Durchflussmessung eine wichtige Rolle spielen. Während man heute bei Abnahmeversuchen und Nachweisen von Turbinenwirkungsgraden vorwiegend auf die thermodynamische Wirkungsgradmessung baut, welche per se keine Durchflussmessung darstellt, nutzen die Wasserkrafttechniker bei Turbinenoptimierungen häufig die relative Durchflussmessung mittels Differenzdruckverfahren, bekannt auch unter der Bezeichnung „Winter-Kennedy-Methode“. Eine fundierte Beschreibung dieser Messmethode publizierte DI Siegfried Jank 2015 in zek HYDRO. Er verweist in seinem Fachartikel auf den Umstand, dass für eine Optimierung von Turbinen eine genau relative Messung, wie sie die „Winter-Kennedy-Methode“ darstellt, völlig ausreichend ist – und zudem schnell und kostengünstig erfolgen kann. Für eine Differenzdruckmessung benötigt man zwei Messpunkte am Turbinengehäuse, die einen ausreichend hohen Geschwindigkeitsunterschied und somit auch Druckdifferenz aufweisen. Betrachtet man die Geschwindigkeitsverteilung in der Spirale, so liegt an der Außenseite ein statisch höherer Druck vor als an der Innenseite. Daraus ergibt sich das einfach Verhältnis:
Δp ≈ Q2
Wo wird diese Methode vorrangig eingesetzt? Siegfried Jank schreibt, dass sie ihre hauptsächliche Anwendung bei der Optimierung der Zusammenhangskurve von Leitrad- und Laufradöffnung bei Kaplan-Turbinen hat. Speziell wenn die originären Zusammenhangskurven nicht mehr vorliegen, oder sich die Betriebsparameter oder die Rahmenbedingungen geändert haben, können auf diese Weise Turbinen wieder ins Optimum gebracht werden. Jank nennt als weitere Einsatzmöglichkeiten noch die Optimierung von Umschaltpunkten mehrerer Turbinen, oder etwa eine Dauermessung von Turbinendurchflüssen, falls diese ursprünglich mit einer absoluten Messung kalibriert wurden. Das Messprinzip ist etabliert, sodass viele namhafte Turbinenhersteller an ihren Turbinengehäusen Druckmesspunkte vorinstalliert haben, auf die problemlos zugegriffen werden kann. Als Tipp eines Praktikers rät Siegfried Jank dazu, die Messpunkte vor dem geplanten Messvorgang zu kontrollieren, da sich diese – je nach Gewässer – auch verlegen können. Spülen oder mit Druckluft ausblasen hilft in den allermeisten Fällen. Auch eine Nachrüstung mit Druckmesspunkten ist möglich. Wie der Messvorgang genau abläuft und auf welche Weise die Auswertung erfolgt, lässt sich im Fachartikel von Siegfried Jank nachlesen. Als Alternativen zu dieser Messmethode führt er einerseits auch die Messung von Druckverlusten an längeren Druckrohrleitungen, oder anderseits die temporäre Durchflussmessung auf magnetisch-induktiver Basis an. Letztere wird häufig als Service von etablierten Branchenunternehmen angeboten.

High-End-Darstellung im Labor
Will man heute auf qualitativ wie quantitativ hohem Niveau Strömungen darstellen, so bleibt dies vor allem Forschungseinrichtungen vorbehalten, die in ihren Labors dabei vor allem auf „PIV“ – „Particle Image Velocity“ setzen. Wie Guggenberger, Senn und Jaberg näher erläutern, handelt es sich dabei um ein laseroptisches Messverfahren, mit dessen Hilfe Geschwindigkeitsverteilungen in kompletten Strömungsfeldern gemessen werden – und dies mit hoher zeitlicher wie räumlicher Auflösung. Dabei wird mit einem Hochleistungslaser ein gepulster Lichtabschnitt für wenige Nanosekunden in die zu untersuchende Strömung geschickt. Eine hochauflösende Hochgeschwindigkeitskamera fotografiert in der Folge die der Flüssigkeit beigemengten, mikroskopisch kleinen Schwebeteilchen. Durch den Weg, den ein Partikel zwischen den einzelnen Aufnahmen zurücklegt, und den vorgegebenen Zeitintervall für den Laserpuls lässt sich daraus die Geschwindigkeit berechnen. Das „PIV“ wird unter anderem auch für die Verifizierung von numerischen Strömungsberechnungen herangezogen. Eine wesentliche Voraussetzung für die immer besseren Ergebnisse des „PIV“ waren die Entwicklung von zusehends leistungsfähigeren Kamera-, Speicher- und Computersysteme.

Radarsysteme nutzen Doppler-Effekt
Doch nicht nur in geschlossenen Systemen wie Rohrleitungen hat sich in den letzten Jahren die „nicht-invasive“, also berührungslose Messmethode durchgesetzt. Auch an natürlichen Gewässern und offenen Gerinnen ziehen viele Betreiber heute derartige Messsysteme den althergebrachten Methoden, wie eben der Flügelmessung, vor. Eine relativ neue Messmethode stellt die Radartechnik dar, wie sie von manchen Branchenunternehmen in den letzten Jahren angeboten wird. Gerade für die Wasserkraft respektive Kleinwasserkraft erfordern Betriebsvorgaben, wie etwa die Restwasserdotation, präzise und dabei kontinuierliche Messmethoden, wie sie die moderne Radartechnik heute bieten kann. Das Messprinzip dafür beruht auf dem bekannten Doppler-Effekt. Grundsätzlich wird hierbei die Doppler-Frequenzverschiebung der Fließgeschwindigkeit an der Wasseroberfläche und zugleich über eine Laufzeitmessung der jeweiligen Pegel bestimmt. Der Wasserstand wird üblicherweise berührungslos nach dem Grundprinzip der Laufzeiterfassung eines reflektierten Signals gemessen. Zu diesem Zweck wird ein Radarsignal mit konstanter Frequenz auf die Wasseroberfläche gesendet. Hier wird das Signal teilweise reflektiert und – bedingt durch die Bewegung der Wasseroberfläche – entsprechend dem Doppler-Effekt in der Frequenz verschoben. Das dabei reflektierte und detektierte Signal wird daraufhin einer Spektralanalyse unterzogen, woraus sich letztlich die Fließgeschwindigkeit ermitteln lässt. Wie bei anderen bereits angesprochenen Methoden ergibt sich der Durchfluss dann aus der Kenntnis des Gewässerquerschnitts und der Fließgeschwindigkeit – entsprechend der Formel:
Q= v x A
Ergänzend muss zu dieser Methode festgehalten werden, dass für eine fundierte Aussage die Kenntnis der mittleren Fließgeschwindigkeit erforderlich ist, tatsächlich aber lediglich die Oberflächengeschwindigkeit gemessen wurde. Man benötigt somit einen Umrechnungsfaktor für die mittlere Geschwindigkeit, der von den Rahmenbedingungen an der Messstelle abhängt und bei modernen Messsystemen von der Software bereits vorgegeben wird. Was die Durchflussmessung auf Basis der Radartechnologie für die Wasserkraft interessant macht, ist zum einen, dass kaum oder nur minimaler Bauaufwand entsteht – und zum anderen, dass die Messmethode berührungslos erfolgt. Das bedeutet, dass die Sensorik sowohl sicher vor Hochwasser ist, als auch dass sie nicht durch etwaige Verschmutzungen oder Veralgungen beeinträchtigt werden kann. Limitiert ist diese Technik vor allem dann, wenn die Wasseroberfläche unruhig wird – etwa durch Windeinfluss, oder durch komplexe Gewässertopographien, oder auch bei sehr geringen Fließgeschwindigkeiten.

Bewährte Messtechnik – Ultraschalllaufzeitverfahren
Die Messung über den Doppler-Effekt wurde allerdings nicht erst mit der Radartechnologie in die Hydrometrie eingeführt. Zuvor kamen bereits Ultraschallmesssysteme auf den Markt, die ebenfalls über Doppler-Strömungssensoren verfügen. Sie wurden als alternative Messtechnik auf Basis des Ultraschalllaufzeitverfahrens Anfang der 1990er Jahre entwickelt. Wie Stefan Siedschlag von OTT Hydromet GmbH in seinem 2011 in den „Dresdner Wasserbauliche Mitteilungen“ erschienenen Fachartikel mit dem Titel „Kontinuierliche Durchflussmessung in offenen Gerinnen mit horizontalen Doppler-Strömungssensoren“ schreibt, liegen die Vorteile dieser Messtechnik für die Fließgeschwindigkeitsmessung in Flüssen und Kanälen in der sehr einfachen und kostengünstig zu installierenden Sensorik, die dabei sehr gute Messergebnisse liefert. Ihre kontinuierliche Verbesserung im Hinblick auf Verfügbarkeit und Signalverarbeitungstechnik hat die Technologie mittlerweile in den Rang eines Standardverfahrens erhoben. Das Messprinzip stellt sich folgendermaßen dar: An einem Ufer werden die Horizontalen Ultraschall-Dopplergeräte montiert. Diese emittieren in einem vorgegebenen Abstrahlwinkel gegen und mit der Fließrichtung im Strahl gebündelte Ultraschallsignale. Nach dem Senden schalten, gemäß der Beschreibung von Stefan Siedschlag, die Geräte auf Empfang. Die kleinen Partikel im Wasser, wie Schwebstoffe, Organismen oder größere Luftblasen, reflektieren einen Teil der Ultraschallenergie. Das reflektierte Signal wird mit der gemessenen Frequenzverschiebung nach Doppler von den Sensoren detektiert. Die Elektronik wertet daraufhin die Signale aus, wobei aus der Frequenzverschiebung die Partikelgeschwindigkeit berechnet wird. Siedschlag: „Geht man davon aus, dass sich die Partikel mit derselben Geschwindigkeit wie das sie umgebende Medium Wasser bewegen, so kann letztlich die Fließgeschwindigkeit festgestellt werden.“ Entsprechend den zuvor beschriebenen Messmethoden wird auch bei dieser Methode der Durchfluss über die Querschnittsfläche und die mittlere Fließgeschwindigkeit kalkuliert. Dieses Messverfahren eignet sich hervorragend für Messstellen mit einer uferparallelen Strömung und relativ homogener Geschwindigkeitsverteilung. Ein limitierender Faktor ist der Schwebstoffgehalt, der nicht zu groß sein darf.

Anwendung des Faraday’schen Gesetzes
Gerade bei Gewässerbedingungen, an denen turbulente Abschnitte, oder Verkrautung, oder erhöhter Schwebstoffanteil vorliegen, wird vielfach auf die magnetisch-induktive Messtechnik zurückgegriffen. Sie beruht auf dem Messprinzip nach Faraday. Dessen berühmtes Gesetz besagt, dass eine Spannung induziert wird, wenn sich ein elektrischer Leiter durch ein Magnetfeld bewegt. Die elektrischen Ladungsträger im Wasser sind die Ionen. Die Spannung, die durch deren Bewegung induziert wird, ist proportional der Fließgeschwindigkeit. Das Magnetfeld wird von einer magnetischen Spule im Messgerät erzeugt, das zudem über vier Elektroden verfügt. Diese nehmen die durch die Ionen induzierte Spannung auf und verstärken sie. Im Anschluss werden die Messsignale verarbeitet und letztlich an ein Ausgabe-Interfacegerät geleitet. An diesem Bediengerät können sowohl die Fließgeschwindigkeit als auch der berechnete Durchfluss abgelesen werden. Gerade für mobiles Arbeiten bietet sich die Messmethode mit dem magnetisch-induktiven Sensor an. Die Geräte sind durch die Bank kompakt, leicht zu bedienen und wartungsarm.

Die richtige Technik für den jeweiligen Zweck
Ob an den Lotrechten, ob am Ufer, oder gar in der Sohle installiert, ob akustisch, per Radar oder magnetisch-induktiv: Die modernen Durchflussmessverfahren bieten heute mannigfache Optionen. Sie sind bequemer und einfacher zu bedienen geworden und liefern dabei bessere und schnellere Messergebnisse als die Hochleistungsmessgeräte von vor 50 Jahren. Wesentlich dabei ist vor allen Dingen, das richtige Verfahren für das gegenständliche System, die gegenständlichen Anforderungen und Rahmenbedingungen zu finden. Für diese entscheidende Frage zahlt es sich aus, den fachmännischen Rat eines Branchenexperten einzuholen.