D9 Druck-/Durchflusssensoren

Thema

Druck- und Durchflusssensoren ermöglichen die direkte Messung des Druckfelds auf der Körperoberfläche des Fisches oder in der umgebenden Flüssigkeit sowie der lokalen Strömungsgeschwindigkeit an bestimmten Punkten. In hydrodynamischen Studien erfassen miniaturisierte, implantierte oder an der Fischoberfläche angebrachte Drucksensoren die auf den Körper wirkende Druckverteilung. Daraus lassen sich die auf den Fisch wirkende Widerstandskraft und der von ihm erzeugte Auftrieb direkt ableiten. Durchflusssensoren, ob elektromagnetisch oder als Hitzdraht, ermöglichen die Messung der Strömungsgeschwindigkeit selbst mit sehr geringer räumlicher und zeitlicher Auflösung. Implantierbare Drucksensoren, die als winzige piezoresistive Elemente ausgeführt sind, messen die Differenz zwischen dem Druck am Implantationspunkt und einem Referenzdruck bzw. den absoluten Druck an diesem Punkt. Der von diesen Sensoren auf der Fischoberfläche gemessene Druck setzt sich aus zwei Komponenten zusammen: dem hydrostatischen Druck, der ausschließlich von der Wassertiefe abhängt, und dem dynamischen Druck, der durch die Wasserströmung über den Fischkörper entsteht. Dieser dynamische Druck steigt proportional zur Dichte des Wassers und zum Quadrat der Strömungsgeschwindigkeit.

Da der dynamische Druck von der Strömungsgeschwindigkeit abhängt, lässt sich die um den Fischkörper gemessene dynamische Druckverteilung zur Rekonstruktion des Geschwindigkeitsfeldes der umgebenden Strömung nutzen. Dies geschieht durch Anwendung des gleichen Energieerhaltungssatzes, der den Zusammenhang zwischen Druck und Geschwindigkeit in einem Fluid beschreibt. So fungiert der mit Drucksensoren bedeckte Fischkörper als eigenes Instrument zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit.

Unter den bereits erwähnten Strömungssensoren messen Hitzdrahtanemometer die Strömungsgeschwindigkeit anhand der Wärmeabgabe eines auf konstanter Temperatur gehaltenen Metalldrahts. Gemäß dem Kingschen Gesetz ist der elektrische Strom, der benötigt wird, um die Temperatur des Drahts trotz der Abkühlung durch die Strömung aufrechtzuerhalten, eine kalibrierte Funktion der Strömungsgeschwindigkeit.

Sollte nicht die Strömungsgeschwindigkeit an einem bestimmten Punkt, sondern der gesamte Durchfluss in einer Richtung gemessen werden, wie beispielsweise in einem Schwimmtunnel, kommen elektromagnetische oder Doppler-Ultraschall-Durchflussmesser zum Einsatz. Diese messen den Durchfluss mit hoher Präzision.

Das aufschlussreichste Verhalten, das uns diese Drucksensoren zeigen, ist, dass sie, wenn sie am Körper des Fisches angebracht sind, die Druckwelle erfassen, die von seiner eigenen Schwanzflosse beim Schlagen erzeugt wird – dieselbe Druckwelle, die zu Beginn dieses Modells als Teil des Druckfeldes auf der Körperoberfläche beschrieben wurde. Diese Erkenntnis erlaubt es uns zu untersuchen, wie der Fisch selbst prinzipiell mit seinem Seitenlinienorgan das Strömungsfeld wahrnehmen könnte, das er beim Schwimmen erzeugt.

ID:2493