Allgemein

Die meisten Nortek-Geräte sind zusätzlich zur Messung von Strömungen auch für Wellenerfassungen geeignet. Zusätzlich zu den nachfolgenden Beschreibungen gibt ein von Nortek erstelltes Dokument ( "Nortek Primers - Getting started with wave measurement [983 KB] ", PDF-Format) einen generellen Überblick zu Prinzipien der Wellenerfassung und erleichtert Anwendern die Auswahl geeigneter Systeme für geplante Untersuchungen.

Der AWAC ist ein ADCP zur Aufzeichnung und Analyse von Strömungen und Seegang. Das Gerät wurde vorrangig als küstennah einzusetzendes, bedienungsfreundliches Monitoringsystem entworfen und ist robust und kompakt gestaltet. Das aus Kunststoff und Titan bestehende Gehäuse ist korrosionsresistent und für langjährige Einsätze unter anspruchsvollen Bedingungen vorgesehen. Der AWAC ist in drei Ausführungen mit Schallfrequenzen von 1 MHz, 600 kHz und in der neuesten Version mit 400 kHz verfügbar.

Der AWAC verbindet dreidmensionale Messungen von Strömungen in Vertikalprofilen mit der Erfassung von Wellenhöhen und Wellenrichtungen (Seegang). Strömungsgeschwindigkeiten und -richtungen werden von der Sohle bis zur Wasseroberfläche gleichzeitig in unterschiedlichen Tiefenschichten mit frei wählbaren Höhen von 0,4 bis maximal 8 m aufgezeichnet.

AWAC

600 kHz Version

Dazu dienen drei Sensoren, die als Schallgeber und -empfänger dienen. Die maximale Reichweite beträgt in Abhängigkeit von der gewählten Version bis zu 100 m. Eine wesentliche Erweiterung des AWAC im Vergleich zum Aquadopp Profiler ist der vierte zentrale und vertikal ausgerichtete Signalgeber/ -empfänger, welcher die akustische Erfassung langer und kurzer Wellen ermöglicht (u.a. windinduzierte Wellen, Sturmwellen, kurzlebige schiffsdinduzierte Wellen). Dieses als Acoustic Surface Tracking (AST) bezeichnete Verfahren ist eine Besonderheit hinsichtlich bodengestützter Wellenerfassung.

Montage und Betrieb

AWAC

Sensoren mit geneigter Ausrichtung

Vorrangig erfolgt die Montage in einem Befestigungsrahmen auf der Sohle, wo das System vor wechselnden Wetter- und Seegangsbedingungen, Eisgang, Schiffsverkehr und Vandalismus weitestgehend geschützt ist. Für Installationen, bei denen sich das Gerät in der Nähe die Messungen störender Strukturen befinden muss, beispielsweise an Pfählen oder Berandungen, wurde eine Konfiguration mit geneigter Ausrichtung der Sensoren entwickelt, wie in der rechten Abbildung und in einer Ausgabe von Ocean News [680 KB] dargestellt. Der AWAC kann im Online-Modus oder Stand-alone betrieben werden. Für den Online-Betrieb gehören abgesicherte Kabel, Backup-Batterien und spezielle Datenspeichereinheiten an Land sowie eine Online-Software zum optionalen Lieferumfang.

AWAC

montiert in Aluminiumrahmen

Häufige Installationen enthalten Übertragungskabel mit Längen von maximal 5 km oder akustische Modems. Ausführliche Beschreibungen unterschiedlicher Möglichkeiten des Datentransfers (Kabel, Funk) finden Sie in der Broschüre des AWAC [616 KB] . Im autonomen Stand-alone-Modus werden die Rohdaten intern abgespeichert und die Stromversorgung erfolgt über externe Batterien in einem zusätzlichen Gehäuse, wie rechts abgebildet. Verschiedene Messoptionen ermöglichen eine variable Betriebsdauer. Bei stündlichen Aufzeichnungen von Wellendaten und Verwendung von Alkaline-Batterien sind Laufzeiten bis zu 4 Monaten möglich. Lithiumbatterien verdoppeln diese auf bis zu 8 Monate.

Akustische Messung von Wellen

Der AWAC erfasst drei Parameter für die Bestimmung von Wellenhöhen und -perioden, was die Resultate wesentlich absichert. Aufgezeichnet werden Drücke, orbitale Wellengeschwindigkeiten und die Höhe der Wasseroberfläche. Der Druck wird mit einem hochauflösenden piezoresistiven Sensor gemessen, die Ermittlung orbitaler Wellengeschwindigkeiten erfolgt wie die Strömungsmessungen anhand der Doppler-Verschiebung und die Wasserspiegellage kann über das Acoustic Surface Tracking (AST), welches einem aufwärts gerichtetem Echolot entspricht, erfasst werden. Das AST basiert auf dem zentralen vertikalen Schallgeber und -empfänger welcher die Wasseroberfläche räumlich (im Subzentimeterbereich) und zeitlich (1 bis 4 Hertz) hochauflösend bestimmt und die Grundlage für die Erfassung sämtlicher Wellen unterschiedlicher Längen ist. Lange Wellen und Sturmwellen können auch mit anderen Verfahren gut aufgezeichnet werden, während kurze lokal bedingte Wellen ohne AST mit alleinigen Messungen von Drücken oder Fließgeschwindigkeiten, insbesondere in zunehmenden Tiefen, kaum aufzuzeichnen sind. Da Wellen zufallsbedingte Ereignisse darstellen, sind Aufzeichnungen über Perioden mit einer Dauer von 512, 1024 oder 2048 Sekunden und mit zeitlichen Auflösungen von einem bis vier Hz notwendig. Das einzigartige Verfahren des AWAC bietet eine umfangreiche Datenbasis für weiterführende Analysen nicht linearer Wellen, transienter Wellen und von Zeitreihenwerten wie maximalen Wellenhöhen, signifikanten Wellenhöhen und Perzentilwerten von Wellenhöhen und –dauer, was andere auf Grund montierte Systeme nicht liefern. Zudem erhöht AST die Qualität weiterer Auswertemethoden, wie der Maximum-Likelihood-Methode, wesentlich.

Verfahren zur Bestimmung von Wellenrichtungen

Ergänzend zu Wellenhöhen zu bestimmende Wellenrichtungen benötigten komplexe Verfahren, entweder die Maximum-Likelihood-Methode (MLM) oder Triplett-Lösungen der SUV-Methode. Die MLM nutzt zeitliche Differenzen der drei räumlich getrennt gemessenen Fließgeschwindigkeiten und der AST-Werte aus. Die Lösung basiert auf dem Versuch die vier Messresultate in eine bestmögliche Übereinstimmung zu bringen. Die Berechnung wird über diskrete Häufigkeitsbestimmungen durchgeführt und liefert als Resultat eine Beschreibung der Energieverteilung über Richtung und Häufigkeit. Vorteile dieser Vorgehensweise liegen in der Unterscheidungsmöglichkeit von Wellen gleicher Frequenz aus unterschiedlichen Richtungen, z.B. bei auflaufenden und reflektierten Wellen. Die SUV-Methode verwendet mit den horizontalen x-, y-Fließgeschwindigkeiten sowie den AST-Daten lediglich drei Arten von Messwerten. Damit ist der Betrieb des AWAC von einer Messboje [832 KB] aus möglich, da Neigung und Ausrichtung intern in ähnlichen Zeitintervallen wie die Wellenmessungen aufgezeichnet werden und als Lagereferenz dienen. Diese Einsatzmöglichkeit der SUV-Methode ist ein Vorteil gegenüber der MLM, welche auf eine feste Verankerung angewiesen ist. Umfangreiche Wellenanalysen können mit der von Nortek entwickelten Storm-Software durchgeführt werden.

Eisdickenmessung

Copyright

Kari Kolari, Norrströmsgrund lighthouse, Luleå city, Sweden 2010

Eis reflektiert akustische Signale in gleichem Maße wie die freie Wasseroberfläche, weshalb mittels Acoustic Surface Tracking die Grenze von Eis zu Wasser erfasst werden kann. Vergleiche mit Referenzmessungen, welche entweder an unbedeckten Wasserflächen oder mit Drucksensoren erfolgen, ergeben Schätzungen der Eisdicke. Die Daten sind beispielsweise bei der Beurteilung der Befahrbarkeit von Fahrrinnen oder zur Abschätzung von Eislasten im Bereich von Offshore-Windanlagen von Nutzen.

Eine ausführliche Beschreibung der Methodik am Beispiel einer Anwendung im Winter 2008/2009 in der Arktis sowie von Resultaten können in diesem Bericht [627 KB] eingesehen werden, weitere Erläuterungen finden sich in einem weiteren von Nortek verfassten Text [742 KB] .

Messungen des Tidenhubs

Alternativ steht ein verbesserter Drucksensor mit einer höheren Genauigkeit von 0,1 % des Messbereichs für den AWAC zur Verfügung. In einer Einsatztiefe von 20 m bei Verwendung eines Drucksensors mit 50 m Messbereich bedeutet dies eine absolute Genauigkeit von 5 cm, was den meisten Anforderungen beispielsweise im Hafenbetrieb entspricht.

ProLog für interne Datenverarbeitung

Prolog

Der Nortek-Prozessor und Logger (ProLog) ist ein Mikrocomputer mit 16 GB Datenspeicherkapazität auf einer separaten Leiterplatte und dient hauptsächlich der Reduzierung von Roh-Wellendaten zu statistischen Wellendaten (bspw. signifikante Wellenhöhe, Wellenrichtungen) bei Online-Anwendungen. Verminderte Datenmengen sind sinnvoll im Zusammenhang mit Übertragungen mit geringen Bandbreiten wie bei akustischen Modems oder via Satelliten. Weiterhin eignet sich der ProLog insbesondere für die Anbindung an externe Controller.

Die Konfiguration erfolgt über eine Registrierkarte in der Standard-Betriebssoftware des AWAC. Die Datenausgabe kann sowohl die kompletten Informationen des Spektrums als auch einfache Parameter zur Beschreibung des Seegangs enthalten. Rohdaten und prozessierte Daten, beides inklusive der Strömungsprofile, werden in unterschiedlichen Dateien auf der SDHC-Karte abgelegt.

Diese können über die AWAC-Software heruntergeladen werden. Als weitere Möglichkeit können Daten mittels eines zum Lieferumfang gehörenden Lesegerätes auf einen PC ausgelesen werden, was insbesondere bei größeren Datenmengen komfortabel ist.

In der Hardware-Architektur wird der ProLog als Hilfsinstrument behandelt, dessen gesamte externe Kommunikation durch den AWAC-Prozessor erfolgt. Das Upgrade der Firmware erfolgt wie bisher mittels der Standard-Betriebssoftware des AWAC, wobei automatisch ebenfalls ein Upgrade der ProLog-Firmware erfolgt, falls dieser vorhanden ist. Das Wellenprozessierungs-Modul kann ausgeschaltet werden, der ProLog dient dann lediglich als 16 GB Datenlogger und kann zudem in dieser eingeschränkten Verwendung auch ausschließlich als Speichererweiterung erworben werden. Der ProLog funktioniert nur mit der ab Januar 2009 eingeführten neueren Midlife-Elektronik.

Software

Die Betriebssoftware dient der Konfiguration des Gerätes, dem Auslesen der Daten, und der Datenkonvertierung von Rohdaten ins ASCII-Format. Für die Kalkulation von Wellenparametern besteht die Wahlmöglichkeit zwischen der nicht-graphischen Quick-Wave-Software und der graphischen Storm-Software. Für Online-Systeme, welche Datenmanagement und die Generierung von Internetinhalten (bspw. prozessierte Ergebnisse oder Graphiken) voraussetzen, wurde die SeaState-Software als Verbindung zu den Strömungs- und Wellendaten des AWAC entwickelt.

Der Vector-Velocimeter ist dank des kleinen und sehr fokussierenden Messvolumens ein hervorragendes Instrument für Wellenmessungen in flachem Wasser, insbesondere auch unter den schwierigen Bedingungen einer Brandungszone. Das Gerät erfasst Strömungsgeschwindigkeiten und Druck mit bis zu 64 Hz und nutzt diese Daten zur Bestimmung von Wellen und Wellenrichtungen, was als PUV-Methode ( Nortek-Dokument: "PUV Wave Measurements [535 KB] ") bezeichnet wird (Druck, P, und Strömungsmessungen in X- und Y-Richtung, englisch: U,V). Der Vector ist in diesem Zusammenhang für Tiefen von 1 bis 10 m vorgesehen.

Das Aquadopp-Strömungsmessgerät ist ebenfalls ein sehr effizienter Wellenpegel zur Erfassung von Höhen und Richtungen. Bei Verwendung des implementierten Diagnosemodus besteht die Möglichkeit einer Konfiguration des Aquadopp um Strömungen und Druck gleichzeitig mit 1 Hz und Wellen inklusive der Richtungen aufzuzeichnen. Diese PUV-Methode ( Nortek-Dokument: "PUV Wave Measurements [535 KB] ") (Druck, P, und Strömungsmessungen in X- und Y-Richtung, englisch: U,V) ist besonders für Tiefen von 2 bis 10 m geeignet. Eine feste Installation auf Grund ist notwendig.

Zusätzlich zu Profilströmungsmessungen können mit dem Aquadopp Profiler Wellen und Wellenrichtungen aufgezeichnet werden. In einem speziellen Wellenmodus lassen sich in Burst-Intervallen mittels eines Drucksensors in zeitlicher Auflösung von einem oder zwei Hz und zeitgleichen Strömungsmessungen in einer vertikalen Zelle Wellenhöhen, -richtungen und -perioden erfassen. Dies wird als PUV-Methode ( Nortek-Dokument: "PUV Wave Measurements") bezeichnet (Druck P, und Strömungsmessungen in X- und Y-Richtung, englisch: U,V). Der Aquadopp Profiler ist vor allem für längere Wellen mit einer Durchlaufzeit von 4 bis 5 Sekunden und für Wassertiefen von 2 bis 10 m geeignet, für kürzere Wellenlängen bzw. größere Tiefen ist der AWAC (s.u.) zu empfehlen.