Het meten van golfhoogten met de waverider

tekst: Lieuwe van der Velde - foto: Twee golfmeet boeien klaar voor actie compleet met de driehoek constructie

De golfhoogte meetboei (waverider)

Toen ik in 1974 voor het eerst bij Rijkswaterstaat in Hoorn kwam, kwam ik in aanraking met een grote hoeveelheid meetinstrumenten die ik nog nooit had gezien. Samen met mijn stagebegeleider gingen we naar het Kleine Oost in Hoorn, want daar aan de Karperkuil stond de werkplaats. Met name 1 instrument vond ik zeer interessant en dat was de golfmeetboei. En er zat een antenne op en dan wil je als officieel zendamateur daar graag meer van weten uiteraard.

Werkplaats Rijkswaterstaat in Hoorn in 1978

Golfhoogte meten

Hoe bepaalde men vroeger de golfhoogte, dus voor de komst van de waverider of golfmeetboei. Er waren altijd wel een paar mensen aan boord die verrassend goed de golfhoogte konden schatten, maar bij windkracht 10 uit het Noordwesten, waren die vaak nergens te bekennen…...

De vaste meetpaal

De golfwaarnemingen dienen  om een beeld te krijgen van de gedragingen van een golf onder verschillende windrichtingen en snelheden. De mooiste en vooral de warmste golfwaarnemingen waren die vanuit een vuurtoren. En de toren op Texel is daar veel voor gebruikt. (De heer Postma, afkomstig uit Friesland, die hoofd vuurtorenwachter was, vond het altijd leuk als ik langskwam. Dan konden we samen Fries spreken.) Voor deze metingen had men voor het stormseizoen een golfpaal in zee gezet op ongeveer 1000 meter vanaf het strand. Op 1500 meter afstand, lag een meetvlot verankerd. De golfpaal bestond uit een 8 meter lange stalen buis met een diameter van ongeveer 15 cm. Deze buis werd bij rustig weer ongeveer 3 meter de bodem ingespoten. Om bij stormweer en dus meestal slecht zicht de paal goed te kunnen zien, had de paal een rood-witte verdeling om de 50 cm.

Het meetvlot

Voor de aflezing wordt de top van de paal als beginpunt gebruikt. Voorbeeld: men ziet door de verrekijker de golftop op 75 cm en het golfdal op 180 cm. De golfhoogte is dan ongeveer 105 cm. Het meetvlot is een 3 bij 3 meter houten vlot, dat met een ketting en een betonblokje is verankerd. Op het vlot is een 3 meter lange paal geplaatst, weer voorzien van rood/witte banden van 50 cm. Maar elke 50 cm wordt ook nog gemarkeerd door een opgelaste rode staaf. Op de helft van de witte banden is er nog een tussenverdeling. De aflezing geschiedt met een theodoliet, waarvan de horizontale kruisdraad als basislijn fungeert. Voor de verticale beweging gebruikte men uiteraard de verticale kruisdraad.  Als voorbeeld een tekening van het meetvlot.

Stand 1: vlot op een golftop; aflezing 180 cm. Stand 2: vlot in een golfdal; aflezing 90 cm. De golfhoogte is nu dus 90 cm. Dat dit getuur door de verrekijker en de theodoliet een heel gedoe was, is duidelijk. Maar er zijn waarnemers geweest die hier zeer bedreven in waren. En de vuurtorenwachters vonden het wel prima. Een beetje aanspraak was nooit weg. Maar om dit een paar uur vol te houden is veel koffie onmisbaar. Er was duidelijk behoefte aan een instrument dat dit proces kon overnemen. En zo ontstond in de zestiger jaren de Wemelsfelder en later de WR 67. Deze instrumenten werden gemaakt door de firma Van Essen. De Wemelsfelder was voor die tijd een uniek apparaat, daar kom ik in een volgend stukje zeker op terug.

Maar dit waren allemaal instrumenten met een uitlezing achteraf. En er was behoefte aan een instrument, waarbij je direct kon zien hoe hoog de golven waren op een bepaalde plaats. En zo ontstond de golfmeetboei. De golfmeetboei werd en wordt gemaakt door de firma Datawell in Heerhugowaard. Dit buitengewoon betrouwbare instrument was een uitkomst om op grote afstand golfhoogtes te meten. En voor het 50 jarig bestaan van het bedrijf, heeft de huidige directeur er een boek over geschreven. En ik lees niet vaak een boek in 1 stuk door uit, maar dit boek wel…. Buitengewoon interessant en informatief.

Het deksel van de boei

Bovenstuk met flits en zender

Reparaties

De boei was eigenlijk nooit defect. Wel kwam het voor dat in het begin, van het gebruik van de boei, de versnellingsmeter defect raakte. Als de boei los kwam van de verankering, dan ging hij in de branding heen een weer rollen. En daar kon de versnellingsmeter niet tegen. Ook door het (opzettelijk…?) vlak langs de boei varen, ging hij draaien tegen de scheepswand. Dat is onmogelijk gemaakt door het plaatsen van een driehoek buisconstructie op de rubber rand. Op de foto bovenaan dit artikel is deze constructie goed te zien. Maar ik wilde toch graag weten wat er achter het deksel zat in de afsluiting van de boei, en in het begin van de stage, mocht ik voorzichtig het deksel er af halen. Dit deksel bestond uit een stevige ronde RVS plaat met daaronder de print voor de zender, flitslicht en de antenne-aansluiting. Met een Amphenol connector werd het systeem met de rest van de boei verbonden. Op de foto zien we het geheel.

Preflock kasten

De zender bestaat uit een AM gemoduleerde 27 MHz zender, met een bereik van 30 tot 50 km. Bij prachtig stil weer was het bereik nog groter. Maar daar ging het uiteraard niet om. Juist als het stormweer was, moest het geheel goed werken. Daarom legden we de boeien nooit verder van het ontvangststation dan max. 20 km. Met een goede antenne en een zeer goede Philips ontvanger was er meestal geen probleem. De ontvanger zat gemonteerd in de zogenaamde Preflock kasten. Het was een Philips kortegolfontvanger, met motorafstemming en op de foto is hij aardig te zien. (rechter kast onderin).

Ponsband

Boven de ontvanger is een aansluitpaneel voor diverse spanningen. Daarboven zit een HP papier recorder, die de golfhoogte met inkt op een rol papier schreef. En het paneel daarboven is voorzien van een tweetal klokken, die de meettijd bepalen en de tijd waarop er gemeten moet worden. De kast aan de linkerkant bevat het voedingsgedeelte en de unieke digitale klok. Onder de digitale klok zat de 8 bits ponser. Deze ponser sloeg dus de golfhoogte en de tijd en datum op, in een 8 bits code, in een papierstrook. Hiervoor werd papierband gebruikt met een breedte van 1 inch. Belangrijk was om de geoliede ponsband te nemen. Door de wat vettige band gingen de ponsnaalden veel langer mee, en het ponsen ging een stuk soepeler.

Maar hoe meet je nu verticale bewegingen en ook nog nauwkeurig?

De versnellingsmeter

Hiervoor werd door Datawell een versnellingsmeter ontwikkeld die na een halve eeuw na zijn introductie nog steeds volop en vrijwel ongewijzigd wordt gebruikt. Heel lang is deze sensor in zijn bekende doorzichtige kunststof bol een mysterie gebleven. In de tijd dat Rijkswaterstaat Hoorn zelf de boeien kocht, raakte er wel eens een keer een defect en dan haalden we het ding uit de boei. Deze heeft jaren op de kast in de werkplaats in Hoorn gestaan. De stuwende kracht achter de ontwikkeling van de versnellingsmeter was de heer Rademakers. En die had in Amerika ook het patent. Hoe werkte dit geheel: in fig. 1 zien we het principe.

fig. 1

Een zeer dun metalen plaatje (platina/ iridium) wordt aan een kant tussen een kunststof blokje geklemd. Aan de andere kant zijn 2 elektroden aangebracht. Het geheel wordt in een geleidende vloeistof gebracht. Bij een verticale versnelling, zal de doorbuiging van het metalen plaatje evenredig zijn met deze versnelling. Wordt er nu een spanningsverschil aangebracht op de elektroden, dan kan de positie van de metalen plaat en daarmee de grootte van de versnelling worden gemeten. Dit geheel is eenvoudig en zeer bedrijfszeker. Van groot belang is, dat de elektroden precies horizontaal worden geplaatst, zodat alleen de doorbuiging in verticale richting tot spanningsvariaties kan leiden. En in een slingerende boei is dat lastig. Dus er is nog veel meer nodig om dit tot een bruikbaar instrument te maken. Om te beginnen wordt aan de onderzijde van het meetblokje een gewichtje geplaatst, zodat hij horizontaal komt te hangen. (fig. 2)

fig. 2

Uiteindelijk gaat dit meetblokje in de vloeistof en dan wordt het restgewicht van dit blokje belangrijk. Het net genoemde metalen gewichtje heeft een bijdrage aan het restgewicht. Om dit te compenseren worden aan de bovenkant van het blokje kunststof schijven aangebracht. De signaaldraden verlaten het blokje aan de bovenkant en de versnellingsmeter komt hier aan te hangen. Door de invloed van het metalen gewichtje gaat het blokje dan horizontaal hangen. Op deze manier wordt keurig de verticale versnelling gemeten. Maar een boei maakt ook bewegingen in horizontale richting. Om het kantelen van het meetblok bij horizontale versnellingen te onderdrukken wordt het meetblokje geplaatst op een grote ronde schijf. Op de foto van de versnellingsmeter is deze schijf goed te zien. Als de balansschroeven onder het meetblok nu dit complete plateau willen kantelen dan valt dit niet mee, en hierin schuilt de grote stabiliteit van het geheel.

Bij de ontwikkeling van de sensor werd een praktische inslag gekozen. De kunststoffen waar alles van gemaakt is zijn zwaarder dan water. Om een geleidende vloeistof te krijgen met een hoger soortelijk gewicht dan water, werd aanvankelijk suikerwater gekozen. In de beginperiode van Datawell resulteerde dit in grote ketels op het vuur, om het oplossen van suiker te versnellen. Maar uiteindelijk was dit niet de juiste oplossing. Het plakte en de uitzettingscoëfficiënt was niet goed. Ook had suikerwater de neiging om te kristalliseren. Na heel veel experimenten werd uiteindelijk gekozen voor een oplossing van water en glycerine.

De ophanging

Het probleem in het begin was de ophanging van de sensor en het plateau. De basis hiervoor waren de dunne koperdraden van de sensor. Later is het koper vervangen door een draad van platina. Het koper loste vrij snel op in de water glycerine oplossing. De draaddikte was eerst 30 micrometer en is later gereduceerd tot 15 micrometer. Het isoleren (lakken) van de draad heeft nog steeds de volle aandacht en wordt de laatste 20 jaar in eigen beheer gedaan. Trouwens (bijna) alles wordt in eigen beheer uitgevoerd, tot het maken van de printen aan toe.

De oscillator

Alleen het maken van de boei zelf, dus de bol van roestvast staal, wordt door een bedrijf in Duitsland gedaan. Bij ons bezoek aan Datawell in oktober 2015 hebben we het allemaal mogen bekijken. Dit alles is en blijft een technisch hoogstandje, net als de lf oscillator, die de uiteindelijke meettoon verzorgt, die door de zender wordt uitgezonden. Dit is een oscillator zonder kristal, die een grondtoon opwekt van 259 Hz. Dus als de boei stil ligt, meet je exact 259 Hz. Voor elke meter golf komt daar 1,67 Hz bij. Dus een golfpiek en een golfdal van een meter geeft dus een uitlezing van 259-1,67 = 257,33 Hz en 259 + 1,67 Hz = 250,67 Hz. Deze schakeling was en is zeer stabiel. Wel was het zo, dat bij de tewaterlating van de boei, het signaal gedurende korte tijd, sterk verliep. Die enkele keer dat ik niet meeging, bij het leggen van een boei, had ik uiteraard in de werkplaats de ontvanger aan staan en ik hoorde direct dat de boei in het water lag. Het signaal zakte dan altijd naar 248 Hz. Na verloop van minuten herstelde dit zich weer en schommelde het signaal weer netjes om de 259 Hz. Op bijgaande foto is de print te zien.

1,5 Volt batterij

De batterijen

In de waverider zitten rondom 26 grote batterijen. Hiermee kan de boei ongeveer 2 jaar continu functioneren. Het vervangen was niet moeilijk, maar wel lastig. Het luik bovenop de boei was niet groot en je kan er maar met 1 hand in. Maar gewoon rustig blijven en doorzetten, dan lukte het wel. Het waren gewone kool/ zink batterijen. Dus je kon ze wel kwijt bij de gemeente. Maar dat gebeurde bij ons in Hoorn nooit. Ik nam de lege batterijen mee naar mijn vader. Mijn vader was metselleraar aan de LTS in Drachten. Hij zaagde ze op de steenzaag in de lengte door. En op die manier kwam de lange koolstift te voorschijn. Deze brak hij in 2 gedeeltes en sleep er een punt aan. Hij had nu een iets waarmee je prima iets op steen kon aftekenen en daarna met een veger weer kon verwijderen. Als je een gewoon potlood gebruikte, dan was dit bijna niet meer te verwijderen. Tegenwoordig gebruikt men steeds meer Lithium of alkaline batterijen.

Storing

In het meetseizoen, de winter dus, hadden we bij een hogedrukgebied veel last van de 27 MHz zenders. Zelfs vanuit Spanje, stoorden ze ons waverider signaal. Dat hebben we opgelost, door op een getij meetpaal, die in de buurt stond, meestal een Noordzee paal, een 27 MHz ontvangertje te plaatsen. (Dus de boei ontvangen op de paal). En het signaal uit de ontvanger, zonden we dan opnieuw uit, naar de dichtstbijzijnde vuurtoren. Alleen dan op een totaal andere frequentie. Ik gebruikte daarvoor kleine 40 MHz zenders. En van de meetpaal naar een vuurtoren was meestal niet meer dan enkele km. Op de paal stond ook altijd een getijmeter, die ook een signaal naar de toren stuurde. Hiervoor gebruikten we 450 MHz zenders. En om storing te voorkomen ben ik dus uitgeweken naar de 40 MHz. Deze apparaatjes waren destijds kant en klaar te koop bij Bahco in IJmuiden.

Het probleem was nu om het signaal naar de meetkamer in Hoorn te krijgen. Op de toren van Ameland zat een voormalige draadomroep kabel. En deze kabel heeft de PTT destijds voor ons in de centrale op Ameland aangesloten, aan een vaste lijn naar de meetkamer in Hoorn. Maar je kunt geen signaal van 259 Hz over een telefoonlijn sturen. Deze frequentie past niet in het spraakgebied. Daarom vermenigvuldigde ik dit signaal met 10 en deelde dit in Hoorn weer door 10. En zo hadden we een vrijwel storingsvrij boei signaal.

De verankering en de boei

Schade

Ondanks dat er een flitslicht op zit, werd de boei vaak aangevaren en soms zelfs gebruikt als schietschijf. We legden de boei uiteraard ver van de scheepvaartroutes, maar toch raakten ze beschadigd. Ook de verankering ging soms stuk en dan kwamen ze heel vaak in Denemarken op het strand terecht.

De verankering is nog een verhaal apart. Deze moet zodanig lang zijn, dat de boei niet gehinderd wordt in de verticale beweging. Het eerste stuk van de verankering is altijd ongewijzigd gebleven. Deze bestaat uit een dikke rubber pees. Daarna kwam een lang stuk roestvrij staal draad. En het geheel werd op z ’n plaats gehouden door een lange ketting. De ketting op de bodem voldeed erg goed. In het begin gebruikten we daar wel eens een betonblokje voor, maar dat was na een half jaar ver in het zand verdwenen en was er met geen mogelijkheid meer uit te trekken. En de ketting kwam er altijd uit. En mochten de golven erg hoog worden dan was de boei ook nog in staat de ketting een stukje op te tillen.

De verankering op het achterdek. Duidelijk zijn de rubberpees, de staaldraad en de ketting te zien.

Ontvanger

De toekomst

Uiteraard is de elektronica en dus de mogelijkheden van de boei sterk uitgebreid. Maar ook de zware preflock kasten zijn vervangen door de Warem. Deze ontvanger, ontwikkeld door Etrometa In Gorredijk, zette het analoge signaal van de boei om in een digitaal signaal. Etrometa was niet toevallig. Dit bedrijf maakte ook de stappenbaak (getijmetingen) en dus was er een goed contact. De afmetingen van deze ontvanger waren toch iets handiger dan de grote preflock kasten. Maar ook de boei zelf is sterk uitgebreid. Er zijn zelfs boeien gemaakt met een compleet weerstation en akoestische stroommeter. GPS behoort al bijna tot de standaarduitrusting en ook verbinding met een satelliet is mogelijk. En zo gaan de ontwikkelingen op elektronisch gebied de komende jaren in snel tempo door. Maar geweldig is, dat de versnellingsmeter na al die jaren nog precies hetzelfde is gebleven.

Comments are closed.