WO2014174014A1 - Apparatus and method for optically detecting flow movements in liquid and/or gaseous media - Google Patents
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- WO2014174014A1 WO2014174014A1 PCT/EP2014/058343 EP2014058343W WO2014174014A1 WO 2014174014 A1 WO2014174014 A1 WO 2014174014A1 EP 2014058343 W EP2014058343 W EP 2014058343W WO 2014174014 A1 WO2014174014 A1 WO 2014174014A1
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- G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
- G01P5/26—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting optical wave
Definitions
- the invention relates to a device and a method for the optical detection of flow movements in liquid and / or gaseous media.
- the invention can be used, in particular, for investigating the groundwater flow movement on dams or tunnels or planning icing measures for tunneling in the protection of a built-up frost body, for collecting data from groundwater flow models and for plausibility testing of flow models. to safeguard evidence in remediation measures and groundwater intake reaches in water management and to study for thermal aquifer storage and to monitor the flow and suspended matter of gaseous media.
- Groundwater is always in motion. From the location of groundwater recharge (infiltration of precipitation) to the discharge into a spring fill, the groundwater moves through sediment bodies and structures of the subsoil. The flow direction and speed are given by the usually unspecified structures and permeabilities of the substrate, the hydraulic pressure gradient, etc. Since these parameters are variable, the groundwater often does not move directly to the exit points.
- the local groundwater flow conditions at the affected sites must be clarified via pre-installed well levels.
- the height difference of the groundwater level measured at adjacent levels is used to determine the direction of the flow gradient.
- the groundwater flow can be conventionally determined by indirect measurements, i. E.
- the groundwater flow direction and velocity are determined by measuring groundwater levels at adjacent well levels and using the reflectance and permeability of the subsoil.
- this indirect measurement does not always provide the required information quality and resolution, in the case of non-correlatable water levels, with extensive level networks, with an insufficient number of levels or with shallow groundwater gradients.
- the construction of well levels is costly and can not always be constructed in the required number and / or locations (as is the case in urban or industrial areas, for example) to obtain the desired information.
- groundwater flow movements In addition to the indirect measurement of the groundwater flow movements, these can also be determined by means of "in-situ” or “single-hole measuring methods".
- the groundwater flow is measured directly in individual groundwater outfalls such as well levels, with only one well level is required to collect this data.
- This direct measurement of the groundwater flow direction and velocity takes place at discrete depths of radially flowed level pipe sections.
- the groundwater movement can be measured at different depths of the aquifer, this provides a detailed picture of the spatial flow conditions in the aquifer.
- the information gain is independent of / supplementary to groundwater level measurements and pumping tests.
- the measurement results reflect the flow situation at the immediate location of the well level and can only be transferred to the wider environment with knowledge of the lithological conditions.
- the radial groundwater flow velocity at well levels ranges between 1 cm / s and 1 cm / day (five orders of magnitude).
- the addition of flow markers is required.
- the fountain level or Brunnenringraum z.
- electrolytes dyes or radioisotopes introduced or artificially generated marker, z. B. heat pulses.
- Many direct methods can only map a limited speed range due to the different properties of the markers used. More recent methods, such as the PHREALOG measuring method, the "colloidal borescope” or the "darkfield probe", use the natural suspended matter contained in the groundwater as a marker. Since these are suspended with the flow movement, their drift forms the flow movement.
- Suspended matter is illuminated and optically recorded by CCD camera.
- the flow motion is then computationally calculated by PIV (Particle Image Velocimetry) on the drift of suspended solids.
- PIV Particle Image Velocimetry
- the optical measurement of the flow movement with the help of naturally occurring flow markers has decisive advantages over methods which use artificial markers: a) Permanent suspended solids enable a continuous, automated flow measurement with any measurement duration. This allows timely and highly resolved monitoring of flow in wells and documentation of flow changes over time. With procedures that require the use of artificial markers is an automatic monitoring is not possible or only with great effort and high costs.
- the measuring technique Since there are no sensory elements in the measuring medium, the measuring technique is highly robust in a chemically aggressive environment.
- PHREALOG developed a measurement method (GFV) for the optical measurement of groundwater flow movement in levels.
- the measuring technology has been used commercially by PHREALOG since 1999 (DE 42 30 919 A1 and DE 199 45 852 A1).
- a fundamental distinguishing feature compared to the known, comparable optical methods is the illumination of the measuring field by laser.
- US Pat. No. 4,206,999 describes a method by which flow movements are detected optically on the basis of the drift of microscopic particles by means of photomultipliers.
- the considered image plane by means of a side on the Illuminated image plane incident laser beam.
- the laser beam is formed differently.
- the photomultiplier is followed by a pulse width analyzer.
- US Pat. No. 4,391,137 describes a method with which flow movements in wells can be determined by means of artificially generated temperature anomalies, wherein flow direction as well as speed are detected.
- Thermistors and heating element are in a moldable, with porous Med ium or Schüttg ut, such as.
- porous Med ium or Schüttg ut As sand or glass beads, filled container installed. This arrangement is retracted into the well pipe and fixed in a defined measuring depth. The moldable container lays against the well inner wall, so that the horizontal groundwater flow flows through the porous medium.
- the porous medium has the task of ensuring a uniform laminar flow in the measuring space and suppressing thermal convection. Now, a heat pulse is set on the heating element, which is transported in conformity with the flow in the porous medium to the u mate thermistors.
- US 4 396 943 describes a method by which flow movements in pipes are detected by means of the drift of particles by means of an endoscopic device.
- US Pat. No. 4,963,019 describes an optical method which essentially corresponds to the "colloidal borescope” method, but works with a photomultiplier tube. Information on the use of cameras or corresponding optics can not be found.
- the flow characteristics of a fluid are determined by introducing an electrolyte pulse at a highly localized point within the fluid without disturbing the flow field of the fluid or the shape of the pulse, and then the voltage or conductivity thereacross Point around is mapped to determine the speed and direction of fluid flow.
- US-A-5 339 694 discloses a probe for determining the physical quantities of groundwater.
- the probe is cylindrical.
- sensors are arranged uniformly on its circumference and parallel to the course of its longitudinal center axis, which sensors measure the electrical resistance values of groundwater influenced by a tracer liquid and located in the immediate vicinity of the probe.
- a salt water is proposed as a tracer fluid, which must diffuse through a membrane into the ground water, which transports the conductive flues ⁇ stechnik and produces a detectable for the sensors conductive measurement field. The extent, shape and movement size of the field are measured by the sensors.
- US-B-6 227 045 discloses a probe for monitoring the velocity and direction of groundwater flow seepage comprising an electric heater and a plurality of temperature sensors arranged equidistant from the heater.
- the probe with the heater and the temperature sensors is inserted into a monitoring well and positioned so that it is submerged in the groundwater.
- Energy is supplied to the heater, and the temperature response at the temperature sensors is measured and recorded. From the measured temperature response, the groundwater flow velocity and direction are calculated and recorded.
- the temperature sensors may be resistive temperature detectors, thermocouples or other temperature detection devices of the prior art.
- DE-B-101 49 024 describes a method for determining the physical quantities of groundwater pending in a borehole by introducing an aqueous, groundwater-diffusing solution in a predetermined space and a probe for carrying out the method.
- the measuring principle is based on the generation and observation of the behavior of artificially generated anomalies of conductivity and temperature. During the measuring process, the time-dependent, direction-specific changes of these two parameters are determined with adapted geoelectric arrangements and temperature sensors. Due to the parallel measurements, an increase of the accuracy is achieved and the extension of the range of application is made possible.
- the borehole system makes it possible to measure slow groundwater flow velocities in the range of more than 1 m / d. This goal was achieved with the development of the tracer ring space method.
- the method makes it possible to replace the disadvantageous measurement of the flow characteristics over a specific time unit by a method.
- Preparing a formed radially tracer diffusion and also measuring the time period of the tracer transport between its input and the detection are detrimental at low Strömungsgeschwind ig ⁇ possibilities to the measured times from.
- the conditions of measuring the flow velocity and direction of the groundwater in boreholes depend as far as possible on the accurate measurement of even the smallest flow velocities.
- the known method concentrates deshal b on the existing groundwater flow with the lowest speeds and solves the gestel lte task characterized in that a horizontally aligned object plane illuminated in Meßabsch nitt a borehole and focused by means of optics on the image plane of a Videosensormod module and as a real Schmg product is made assessable.
- the solution according to DE-A-42 30 919 requires a tracer in the form of fl uorescent particles for suspending the values of the groundwater behavior to be determined, which suspended in the liquid make the flow and its direction visible.
- the location deviation of the tracer caused by the transport of the flow is continuously regis terized as a migration of virtual light sources on the image plane or the camera sensor surface and is evaluated directly by means of downstream image processing.
- the device generally has a cylindrical shape.
- Packers are arranged at their upper and lower ends. Forming between them an annular hollow cylinder, defined by the cylindrical surface and the bore wall, in which the device for visual and optical measurement of the properties of the groundwater takes place.
- the solution uses in its technical conceptions of the method and the apparatus design of the device exactly working equipment, but here an evaluation of calculable information from fast available data is not obtainable.
- the horizontal direction of flow of the groundwater is measured by means of a camera according to the dark field principle without the introduction of artificial tracers.
- the light emitted by a light source in the direction of the camera lens is referred to as so-called.
- the images are recorded on video in depth-stationary measuring probes and the direction of particle motion is statistically evaluated and visualized using special software.
- the "darkfield probe” 1998 is a development of the University of Leoben, Austria; in cooperation with the former Fa. GECOmaschinetechnik, now FUGRO Austria GmbH (www.fugroaustria.at ' ) and is commercially available.
- the method is similar to the "colloidal borescope” or consists of a conventional well inspection camera with a different optic and a light source placed below the probe in the direction of the camera.
- the instrument described in the context of the "Oak Ridge” system bears a strong similarity to a prior device which was the subject of US-A-4 963 019, the main differences being in the type of illumination (laser versus lamp) and the imaging device ("Optiram” vs. CCD camera for the versions of Foster and Fyda or Kearl).
- the tool consists of a down-facing camera with a microscope objective, a light source directed towards the camera, creating a "bright field” effect, a magnetometer for detecting tool alignment, holding cables, and / or a Betracher- / recording package at the head of the shaft.
- SCBFM scanning colloidal borescope flowmeter
- the scanning feature allows you to reach maybe a three-dimensional analysis of the flow so that swirling, not representative flow cells ⁇ identified and detected "fast-le flow paths" and may be characterized.
- the Lawrence Livermore National Laboratory's (LLN L) scanning colloidal borescope flow meter (SCBFM) flowscope adds another to the basic concept of Colloidal Boroscope instruments by Kearl and Foster and Fyda characteristic for: d ie Brennebe ⁇ ne is over a distance of almost 1/2 m away continuously adjusting bar, so that after the tool has been placed in a target depth in the peak interval of the measuring portion, an area of the image "planes "can be visualized and visualized without the tool being moved.
- ISPFS In Situ Permeable Flow Sensor
- the downstream side of the probe becomes relatively warm compared to the upstream side.
- the direction and magnitude of the flow are calculated from the measured temperature distribution at the surface of the probe.
- the ISPFS sensor provides unambiguous information, in particular a point estimate of the direction and velocity of groundwater flow on a scale of about one cubic meter. Under the assumption of uniform flow and uniform flow, the ISPFS sensors allow precise measurement of groundwater flow velocities in the range of lxlOE-5m / s to 5xlOE-8m / s.
- the ISPFS sensor provided unique information (Pun kt laen the Grundwasserströ ⁇ mung vectors) to the above-mentioned demonstration points under both natural and under disturbed (d. E. Prevailing during the renovation) conditions.
- Measurement of groundwater flow on a small scale may be critical to optimizing the refurbishment design or developing a job-related conceptual model.
- ISPFS sensors provide information at extremely low cost over a longer period of time. After the sensors have been installed, the data is collected via an automatic system. Since, in particular at low flow velocities, the groundwater flow of hydrofluoric pressure fluctuations over time is variable in direction and velocity, with low flow movements there is a random distribution of the temperature mark, so that an accurate evaluation is not possible given is.
- DE-A-199 57 808 describes a method and a device for determining substance concentrations and / or the flow velocity in gases, aerosols and dusts by analyzing scattered light.
- the flow parameters of Grundwasserfl plexierien d by supplying markings in the form of z.
- dyes and temperature anomalies on appro priate detectors detect the displacement of the marker with the groundwater flow.
- optical methods have also been used which use substances already contained and suspended in the groundwater as markers.
- the object of the invention is to provide a method and a device for improved optical detection of flow movements in liquid and / or gaseous media, in particular in groundwater.
- the inventions proposed a method for the optical detection of flow movements in liquid and / or gaseous media, wherein in the method
- Vorlichtstreuung to one of the illumination side opposite Vorlichtstrereuungsseite radiating stray light or at least a part of which is passed through at least one optical element to an image capture plane of a camera
- a motion vector is determined.
- a measurement cell having or defining a measurement plane for positioning in the medium to be examined, wherein the measurement plane has at least one detection region within which particles in the medium are optically detectable,
- a lighting unit for exposing the detection area to a substantially parallel light beam
- a camera for detecting at least a part of a light scattering resulting from the exposure of particles in the detection area as stray light
- the illumination unit and the camera are arranged on opposite sides of the measurement plane, namely on a lighting side and a Vorlichtstrereuungsseite, and
- the pre-light scattering of particles to be examined is used in order to investigate their movement profile (speed, possibly speed change and flow direction and, if necessary, change in direction of flow).
- This concept according to the invention can be realized according to two variants.
- the first variant is characterized indicates that the light beam irradiates the illumination of the particles as transmitted light component in the optical path leading to a camera. In this variant, therefore, the light exit side of the illumination unit is located opposite the light entry side of the optical path. The majority of the pre-light scattering or the entire pre-light scattering is likewise coupled into the optical path.
- the light beam also penetrates the detection range of the measurement plane, but does not reach the light entry end of the optical path but is directed laterally past this.
- the Vorlichtstreuung is here coupled partially into the optical path.
- This second variant has the advantage that no transmitted light component of the light beam reaches the optical path. There is therefore no need to separate this transmitted light component from the scattered light, as is expediently carried out in the first variant.
- the first variant of the invention will first be described, wherein parts of this description can also refer to the second variant.
- the measuring plane has at least one detection area, which is illuminated from one side of the measuring plane (illumination side) by means of a light beam, the light beam preferably having parallel light beams.
- this exposure results in scattered light which, inter alia, also reaches the side of the measurement plane (scattered light side) opposite the illumination side, namely as a pre-light scattering.
- the utilization of the light scattering due to their intensity is particularly suitable for optically detecting or localizing particles.
- the scattering light (or at least a part thereof) radiating as a pre-light scattering to the pre-light scattering side as well as the transmitted light portion of the exposure light beam which passes the detection area of the measurement plane without being scattered become in the first variant according to the invention d at least one optical element (i.e., along an optical path) is guided to an image pickup plane (image plane of the optically imaging system) of a camera.
- the camera takes a Seq uence of images of acquisition ⁇ range corresponding to the object plane of the system on. On the basis of this image sequence, a motion vector of a particle moving along the measuring plane can then be determined by the image evaluation method.
- the camera is erfind ungshunt in receiving the images d provided to filter out the transmitted light portion of the light beam bundle of BL LEVEL ⁇ processing unit before reaching the imaging plane of the camera.
- the camera excludes me only the Vorl ichtstreuung on.
- filtering out in the sense of the invention is meant, in particular, a blocking, otherwise blocking, absorbing and / or diverting the transmissive portion.
- the optical element has at least one facing the Erfas ⁇ sungs Scheme the measurement plane scattered light inlet end, which is provided with a material transparent to the scattered light window element.
- the illumination unit has at least one light beam bundle outlet end, which faces the or a He ⁇ detection area of the measurement planes and the scattered light entrance end is opposite, and if the exit end is provided with a transparent window for the light beam element ,
- the light beam passes through the detection area of the measuring plane and passes through the optical element is directed, wherein the scattered light or at least a part thereof by the at least one optical element to the image recording plane of the camera is ge ⁇ passes.
- the optical element has at least one scattering light which faces the detection area of the measuring plane and which is provided with a transparent window element for the scattered light.
- the illumination unit may have at least one light beam exit end that faces the detection area or the measurement plane and faces the scattering entrance end, and that the exit end has an optical exit that allows the light beam to exit laterally Deflection element, in particular prism is provided.
- the invention is particularly suitable for one-hole drilling measurements, wherein the measuring probe, so the device is introduced into an existing hole (well level).
- Oberhal b and b of the underhal eigentl cozy measurement range areplanl ichgue sogenan nth packer or Abschott ⁇ elements which prevent the measurement range between the packers or Abschottelementen d urch angularly extending flow to the measuring plane is compromised. In this way, one essentially measures horizontal currents, undisturbed.
- the two baffle elements are mecha ⁇ cally above about poss ichst thin, the fl ow only unommetl I connected impairing bracing.
- the illumination light and the light of the light scattering should be as close as possible to the measurement plane or the measuring range of the Measuring level within the measuring volume introduced or taken ⁇ who. This is expediently achieved with as little as possible influencing of the flow through the fact that the light-conducting elements designed to guide the illumination light to the detection area and to detect the light of the pre-scattering from the detection area or the image of the light source are as thin as possible Projecting object plane. If several measuring levels or measuring levels with several detection areas are provided per measuring probe or device, there are correspondingly also a plurality of pairs of light guide elements of the kind described above and the corresponding properties.
- clothes can thus be provided innerhal b to define the measuring volume a plurality of measurement levels, each with Minim ⁇ least a detection area or within a measuring plane or Any artwork least one of the measured levels of a plurality of detection areas, each sensing area is exposed and urchtoolt d and wherein the pre-light scattering generated per detection area is recorded by a sequence of images and the image evaluation taking place per image sequence for each at least one particle, a motion vector is determined.
- the filtering out of the transmission component of the light beam of the illumination unit can be carried out by reflection and / or absorption and / or extraction.
- an optical light suppression element such.
- a light-conducting element light guide
- the transmitted light portion of the optical path can be "out".
- Suitable particles to be optically detected for determining the flow direction and velocity are, on the one hand, inherently suitable in the medium.
- existing particles or artificially generated or entered measuring particles (tracers) which have been introduced for the purpose of measuring the fluidic properties of the medium in this.
- special metering devices can be used with which the particles can be introduced into the well level near the measuring volume or in the measuring volume. Examples of such metering devices are described in DE-A-199 52 541, DE-A-199 52 542 and DE-C-44 43 307.
- the illumination unit has a light exit surface and the optical path has a light entry surface and that both surfaces are opposite and the detection region of the measurement plane is arranged between both surfaces.
- the respective light exit surface or light entry surface on which gravitational particle deposition can take place inclined to align with the measuring plane, in which case the respective other surface, ie. the light entrance or the light exit surface, preferably can run parallel to the measurement plane.
- both variants of the invention may be provided in an embodiment of the method or the device with multiple detection areas within a common measurement plane or within different measurement levels,
- the illumination unit has an exposure source and a number of light exit surfaces that is the same as the number of detection areas, that a number of optical paths with entry surfaces is provided that is the same as the number of detection areas, and
- This arrangement has the advantage that multiple detection areas can be sequentially or cyclically exposed to illumination light, using only a single light source is used; Likewise, with only a single camera, the pre-light scattering components can be optically detected and recorded sequentially from the individual illuminated detection areas when they are illuminated.
- the respective Lichtumlenkikien preferably include optical prisms or the like.
- the individual detection areas are expediently arranged along an imaginary circular line. This can then rotary actuators on the light generation side and on the
- Vorlichtstrelichtungslichtingiteseite be synchronized or on both sides, rotating elements can be rotated by means of a central, single drive.
- the light-guiding elements to their Lichtaustritts.
- Light-contact surfaces having ends tapered conically and / or have optical deflecting elements, in particular prisms.
- the design of a light-guiding element as an optical tube with a conical tapering towards the window surface fulfills a further purpose.
- the tapered construction does not significantly affect the flow in the vicinity of the detection area.
- this embodiment allows the light beam to completely emit the detection area.
- the distance between the detection area and the light entry surface is low and the light beam is guided past the light entry surface.
- These conditions are best met when the beam of light is directed at an angle of, say, 10 °. B. 20 ° to 40 ° from the optical axis deflected incident on the plane of the detection area.
- the advantage is that a maximum Vorl ichtstreuung is obtained from particles in the detection area without the fürl ichtanteil falls into the light entry surface.
- the detection areas are ideally at measurement planes being ⁇ ord net, wherein the optical beam path of the light beam can be aligned ieser coupled Drehtel ler on the respective detection range circular bunch and sometimestage- the proportion of scattered light by means of synchronized and urch with U mlenkprismen equipped Drehtel ler d rotation d, so that only one Lichtquel le and lighting unit and only one camera for measuring the flow in several detection areas are required.
- the optical elements and the electronic control may be advantageously housed in the above-mentioned packers or Abschottelementen. It is expedient to carry out the inventive image-capturing measurements of the flow movements in particular well levels in under defencel Ien depth positions of the well level, on the one hand, to the results obtained verg correct and statistically evaluate, and on the other hand, a comprehensive Eind jerk for the interpretation of To get results.
- the invention thus also includes a multi-level embodiment of the method and the device in order to simultaneously be able to carry out measurements in several depths of a well level. In this case, preferably several measuring probes or measuring modules are then transferred to nander (and possibly mechanically coupled together) used within a well level.
- This refinement of the invention initially has the advantage that a measuring insert can be carried out considerably more economically than before, as operating and set-up times can be saved (the conversion of a single measuring probe or a single measuring module into different measuring depths is omitted and a hydraulic stabilization after retraction and Fixing the probe in the well level only occurs once). Another advantage is that more data is added to support the results and to support the statistical evaluation and interpretation of the measurement data.
- the relevant flow rate of interest in the surrounding sediment can be determined as realistically as possible by knowledge of the flow path distortion and the level analysis data usually available (eg drill diameter, filter tube permeability).
- this distortion is determined with the aid of known formula works only from the level-expansion data (the so-called alpha factor - see, for example, Moser, H. & Rauert, W. (1980): Isotope Methods in Hydrology.- in: Matthess, G. (Ed.): Textbook of Hydrogeology, Volume 8, Berlin).
- the application of these formulas does not sufficiently take into account all of the influencing factors that occur in practice. This leads to a high variance of the calculated Flow velocity in the sediment - a reason for the subordinate application of borehole methods.
- a drilling or pipe section is usually hydraulically insulated up and down so that a cylindrical measuring space is formed.
- the optical detection of the fine particles takes place at one point: in the axial center of the flow-through measuring space of a measuring probe or axially in well levels.
- a minimum height of the measuring room or an insulated well level section is required. This height depends, for example, on the caliber of the well pipe and the size and arrangement of the filter openings in the well pipe.
- the desired flow situation then naturally forms preferably in the vertical center of the measuring chamber.
- the image pickup positions must therefore be positioned in the vertical center of the measurement space and thus lie at a predetermined distance from the upper and lower terminus element of the measurement space.
- the distal end of the upper light-guiding element is designed in the shape of a circular cone stump (cone-shaped) and the axis of the optical path runs perpendicular to the base surface of the circular truncated cone, that is to say the light entry surface, and that of the detection region.
- the window openings are located distally at the ends of optical components which protrude, for example in the form of optical tubes into the measuring space and their ends are designed so that they taper towards the window surface run, wherein the size of the window area approximately iert with the Betrach ⁇ processing area.
- these window surfaces are inclined relative to the horizontal plane, so that the material depositing / sedimenting at the stationary measuring position is removed along the inclined window surface.
- Flow modeling results show that designs which only protrude into the measurement space from one end element influence the flow geometry in the measurement space such that flow paths are deflected vertically and the designs are preferably overflowed or underflowed. The deflection of the flow paths leads to a vertical drift of the suspended solids through the viewing surfaces and overall to an asymmetrical, more complex flow geometry in the measuring chamber. This type of arrangement is detrimental effect on the measured value recording and the recon ⁇ constructive tion of the flow geometry.
- the requirement is to arrange components in the measurement space in such a way that, on the one hand, there is no vertical deflection of the flow paths in the measurement space and, on the other hand, to distribute the flow resistance in the measurement space given by the components such that, regardless of the direction of the flow into the flow chamber Measuring chamber is always given a horizontal, approximately identical flow behavior of the arrangement in order to allow the formation of a reconstructable flow geometry.
- the invention further satisfies the requirement that the number of components arranged on circular paths, projecting into the measuring space, is odd, by a number of positions which align a preferential flow direction as a result of the shading d parallel to the flow Specify components to reduce.
- the viewing surface is then such as remplileuch ⁇ tet by a laser beam that the beam path of the laser beam parallel to the optical axis of the optical path of the image and focuses the laser beam in the beam path of the image and is optically terminated at the focal point.
- the coupling of the pre-light scattering (avoiding the coupling of transmitted light) of the light beam can be realized by the angle of the light beam incident on the detection area from the light generation side to the pre-light scattering light receiving side in the range of 0 ° to 90 ° to the measurement level through the coverage area.
- the light beam axis is broken at the Auskoppl ung slanted windows and then no longer runs parallel to the optical axis of the measurement image.
- the laser light beam can not then be focused and terminated in the beam path of the measurement image axis.
- the distance between the light exit surface and the light entry surface should be selected such that on the one hand the particles located on the object plane are reproduced with high separation even with a strong turbidity of the medium to be measured or a high particle density and on the other hand the flow movement in the detection area by the light guide projecting into the measurement volume is only slightly affected.
- the light bundle coming from the illumination side is deflected immediately before reaching the detection area (the measuring plane).
- the deflection of the light beam for example, by a deflection prism in the form z.
- a deflection prism in the form z.
- a so-called “Bauernfeind” prism which is applied to the distal end of the lower light-guiding element, or through a window with angled light-emitting surface.
- both light-guiding elements are located axially opposite one another, but depending on the design of the light deflection of the light bundle, they can be laterally offset relative to one another.
- the medium flowing through can often be cloudy due to a very high level of suspended matter. This causes the optical transmission to be restricted. Incorporated light for illuminating the viewing surface is strongly scattered when coupled out into the flowing medium, so that suspended particles can not be detected individually at some distance from the viewing surface or the contrast of the light spots backscattered by individual particles is resolved. Thus, it is not possible to obtain any images which can be evaluated for determining the flow movement.
- window elements are positioned so ⁇ resulting in that the flowing medium facing windows correspond approximately in the form and extent of the imaged viewing surface, and that the window or the window-bearing In each case, the distal window surface forms the cone tip or the window-carrying element tapers conically towards the window surface.
- space-filling, stationary vortices can form in laminar flows.
- the formation of these vortices can fill a considerable proportion of the measurement volume and thus decisively influence the flow geometry, for example by blocking the flow in a part of the measurement volume through the formation of the stationary vortices, which leads to an increase in the flow rate in other parts of the measurement volume.
- the flow movement in the measuring volume is therefore no longer uniform due to the vortex formation.
- the flow movements in the detection areas are therefore not representative and in this case it can not be concluded with sufficient accuracy of the flow movement in the adjacent rock / soil.
- the requirement to prevent the formation of stationary vortices, which change a rectified, laminar flow in the measuring volume in that the flow resistance in the measuring volume is such that the flow pattern in the measuring volume essentially corresponds to that of the laminar, rectified flow without vortex formation ,
- the flow resistance must remain unchanged and must not change, for example as a result of gravitational settling of particles on the elements determining the flow resistance. Because the flow resistance must be a calculable quantity when determining the flow velocities.
- the Messvol umen is equipped with a definable flow resistance such that from belie ⁇ biger direction of flow out the flowing Med ium an equal resistance is offered, on the one hand a uniform be ⁇ aligned with the aim that the passage of the medium d urch through this flow resistance laminar flow in the measuring volume enforces and on the other hand suppressed an "offset" to the formation of space-filling vortices.
- the flow resistance is carried out in the form of several round braces, which pull the measuring volume from the upper to the lower end element d and the most possible equals uid constants distances to each other and to the light elements on the entire base surface of impartele ⁇ elements distributed angeord net, said the individual struts have the same diameter as or have a smaller diameter than the light-guiding elements.
- Al l Miltoner usedd advances have t he optical fiber elements and the struts to each other congruent cross-sectional shapes (preferably round or streamlined), wherein the cross-sectional area of each Verstre ⁇ environment is facilitated g to or smaller than the cross-sectional area of each light-guiding element.
- FIG. 1 schematically shows the arrangement of a measuring device erfind ungshunten the example of the first variant, in a fountain level (Brun ⁇ nenbohrloch) for determining the direction and speed of a groundwater flow
- FIG. 2 is a schematic representation of the optical, individual lighting components and the internal structure of the measuring device according to the first variant of the invention
- FIG. 3 and 4
- Fig. 1 shows the application situation of a measuring device 10 according to the invention according to a first variant in a well level or borehole 12 in the earth region 14 in order to measure the fluidic properties (direction and speed) of the horizontal groundwater flow at a predetermined depth 16. It should be noted at this point that several measuring devices 10 according to FIG. 1 at the same time in different union depths within the borehole 12 can be angeord net.
- the measuring device 10 has a first upper Abschott- or packer element 18 and a lower second packer element 20, which seal off the measuring volume forming a section between the two packer elements 18,20 insofar as vertically through the borehole 12 flowing groundwater the Ho or not substantially affected.
- the two Abschott- or packer elements 18,20 are connected by struts 22 with each other.
- the Abschott- or packer elements 18,20 stand tubular or rod-shaped optical light guide 24,26 of licht considerdem material (eg., Full material) or each as a window tube 25, 27 formed from their structure and function in combination with other elements the measuring device 10 below with reference to FIG. 2 will be explained in more detail.
- the measuring device 10 has a plurality of pairs of preferably along a circular line angeord Neten light-guiding elements 24,26, ie, with the ends 28,30 of their window tubes 25, 27 facing each other (in the figure n. Only two pairs are Lich shown).
- Each Deschotu bus 25, 27 has at its end 28, 30 a window member 29, 31.
- Between these ends 28,30 is the measuring plane 32 and each a detection area 34, which in turn are arranged within the measuring volume 36 between the two Abschott- or packer elements 18,20.
- groundwater flows with natural or artificial particles that need to be optically detected, in the form of sequences of images with the aid of a camera, which will be explained in more detail below.
- the lower Abschott- or packer element 20 has a lighting unit 38 which is formed as an exposure source 40 in the form of a laser light source for emitting a light beam 42 with parallel light beams 44. So that the light of the illumination source 40 can be guided sequentially to the light-guiding elements 24, it is deflected radially outward by a prism 48 located centrally on a turntable 46, from there by another prism 50 through an opening 52 in the turntable 46 to the light entrance side 53 the light guide 24 to be deflected. The light passes through the light-guiding element 24 (window tube 25) and exits via a slightly bevelled light exit side 54 of its window element 29. The exiting light passes through the focused detection area 34 and is partially scattered there on particles. This pre-scattered light is shown at 56.
- the preliminary scattered light 56 passes through the light entrance side 57 on the window element 31 of the light guide 26 in its window tube 27 and out of its light exit side 58 to another deflection prism 59, which is disposed behind an opening 60 of another turntable 62, which in the upper first Abschott- or packer element 18 is located.
- the deflecting prism 59 is disposed behind an opening 60 of another turntable 62, which in the upper first Abschott- or packer element 18 is located.
- 59 directs the received light radially inwardly toward the center of the turntable 62, where it passes from a deflecting prism 64 arranged there in the direction of the image recording plane 66 of a camera 68.
- the exposure of a detection area or each detection area takes place over a certain period; During this time, a sequence of images from the pre-scattered light is recorded with the camera. By evaluating the images of this sequence, the direction vector and the velocity of individual particles n, which have moved through the detection area 34 within the measurement plane 32 during the exposure time, can be determined. Thereafter, then the Drehtel ler 46 step by step until the next pair of light guide 24,26 rehers.
- the portion 34 of the light beam 42 that does not scatter on particles also enters through the detection area 34.
- This transmitted light component is denoted by the reference numeral 74 and would, if it were detected by the camera 68, disturb the image evaluation and image information. Therefore, it is provided according to the invention to filter out this transmitted light component 74 d by means of an optical undershield element 76.
- This may be a component with a black surface or else a coupling-out optical conductor 78.
- the extraction of the partial light component 74 is possible by using a corresponding lens system, such as the use of achromats 80, 81 in the optical path 82 between the detection area 34 and the camera 68 and in particular before the deflection of the pre-scattered light 56, d. H . before exiting the light guide 26 through t he two achromatic lenses 80, 81, the magnification and the focal points of the image plane and Abbil ⁇ d ungsebene (image pickup plane 66) to (32 d. e. reference) set.
- FIG. 3 shows a further exemplary embodiment as a second variant of the device 10 according to the invention.
- the difference between the devices 10 and 10 ' is in the manner of coupling the pre-scattering light 56 and preventing the transmission of the transmitting portion 74 of the light beam 42, which, after penetrating the detection area 34, is laterally attached to the window member 31 of FIG Light guide 26 is directed past.
- a deflecting prism 84 is mounted on the window element 29, which is designed as Vollzyl indians.
- the light exit surface 54 of the deflection prism 84 is inclined by 30 ° to the axis of the light guide elements 24, 26.
- the light beam bundle 42 is completely guided through the detection area 34 by 60 °, but guided past the light entry surface 57.
- the deflection of the light beam bundle 42 can be realized such that the light guide elements 24, 26 lie parallel to one another.
- the advantage of the solution with attached deflecting prisms 84 is that the light-guiding elements 24, 26 can be arranged symmetrically opposite one another and the flow conditions in the vertical profile of the measuring volume 36 are uniform. The course of flow in the measuring volume 36 is not impaired by asymmetrical arrangements of structural units. It is, however Additional cozy optical components (deflection prisms) and related structure ⁇ steps required to realize the light beam deflection.
- Fig. 4 shows a second exemplary embodiment of the second variant of the measuring device 10 "according to the invention. If their elements in each case resemble those of the measuring devices 10 and 10 'of FIGS. 2 and 3 (in construction and / or function), they are shown in FIG. 2 and 3.
- the upper end of the window member 29 (laser beam outlet) is divided into two FLAE ⁇ surfaces which are inclined to each other by 18 ° and 30 °.
- the inclined by 18 ° surface is the (mirrored) reflecting surface for deflecting the light beam 42 and the inclined at 30 ° surface of the light exit surface 54 will follow the light beam 42 by 60 ° entirely d urch the Erfas ⁇ sungs Society 34 Malawi rch, however, guided past the light entry surface 57.
- tilting of the light exit surface 54 prevents gravitational settling of suspended matter on the light exit surface 54.
- the light guide elements 24, 26 are in the embodiment with inclined window surfaces not parallel opposite but laterally offset in order to be able to sieren the light guide real. This offset can be done by avoiding the positioning of the light guide 24 on a Kreisl inie with g r Clerem radius (as shown in Fig. 4), on which the lower light guide 24 are positio ⁇ ned, or even by an offset on the common position wheel ius of upper and lower light-guiding elements 24, 26.
- the advantage of the solution with windows is that no further optical components are required and the light beam deflection can be advantageously realized only with a modified window element 29.
- the light guide elements 24, 26 are not arranged symmetrically opposite, which may adversely affect the flow situation in the measuring volume 36.
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Abstract
Description
Vorrichtung und Verfahren zur optischen Erfassung von Apparatus and method for optical detection of
Fließbewegungen in flüssigen und/oder gasförmigen Medien Flowing movements in liquid and / or gaseous media
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur optischen Erfassung von Fließbewegungen in flüssigen und/oder gasförmigen Medien. Neben dem Einsatzgebiet der Vermessung beispielsweise von Grundwasserfließbewegungen in Grundwasseraufschlüssen im Allgemeinen lässt sich die Erfindung insbesondere zur Untersuchung der Grundwasserfließbewegung an Dämmen, Tunneln oder bei der Planung von Vereisungsmaßnahmen für einen Tunnelvortrieb im Schutz eines aufgebauten Frostkörpers, zur Datenerhebung von Grundwasserfließmodellen und zur Plausibilitätsprüfung von Fließmodellen, zur Beweissicherung bei Sanierungsmaßnahmen und von Grundwassereinzugs- reichweiten bei der Wasserwirtschaft und zur Untersuchung für thermische Aquifier-Speicher sowie zur Überwachung der Strömung und Schwebstofffracht von gasförmigen Medien einsetzen. The invention relates to a device and a method for the optical detection of flow movements in liquid and / or gaseous media. In addition to the field of application of surveying, for example, groundwater flow movements in groundwater outflows in general, the invention can be used, in particular, for investigating the groundwater flow movement on dams or tunnels or planning icing measures for tunneling in the protection of a built-up frost body, for collecting data from groundwater flow models and for plausibility testing of flow models. to safeguard evidence in remediation measures and groundwater intake reaches in water management and to study for thermal aquifer storage and to monitor the flow and suspended matter of gaseous media.
Die Kenntnis über die Grundwasserfließrichtung und -geschwindigkeit ist für die Planung und die Beweissicherung bei einer Vielzahl von Projekten im Umwelt- und Grundwasserschutz, der Trinkwassergewinnung, des Tief- und Tunnelbaus sowie der Geothermie von großer Bedeutung. In der Bundesrepublik Deutschland wird etwa 64 % der Trinkwasserversorgung vom Grundwasser abgedeckt. Grundwasser ist somit ein primäres Schutzgut. Die immer umfang- reichere Nutzung des Grundwassers, z.B. zur Wasserversorgung oder aber auch als Medium für die geothermische Energiegewinnung, erfordern zunehmend genauere Kenntnisse des lokalen Fließverhaltens. Auch vom Gesetzgeber werden genauere Erkundungen insbesondere unter dem Aspekt der Reinhaltung und nachhaltigen Bewirtschaftung gefordert (EU-Wasserrahmen- richtlinie). In der Bundesrepublik Deutschland sind alle Eingriffe in das Grundwasser - auch das Einbringen von Substanzen (sogenannte Tracer) zur Mes- sung physikalischer Größen des Grundwassers - durch das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) geregelt und damit genehmigungspflichtig . The knowledge of the groundwater flow direction and speed is of great importance for the planning and preservation of evidence in a large number of projects in environmental and groundwater protection, drinking water production, civil engineering, tunneling and geothermal energy. In the Federal Republic of Germany, about 64% of the drinking water supply is covered by groundwater. Groundwater is thus a primary asset. The increasingly extensive use of groundwater, eg for water supply or as a medium for geothermal energy generation, requires increasingly precise knowledge of local flow behavior. Legislators are also calling for more in-depth investigations, especially with regard to cleanliness and sustainable management (EU Water Framework Directive). In the Federal Republic of Germany, all interventions in the groundwater - including the introduction of substances (so-called tracers) to the measuring physical quantities of groundwater - regulated by the Water Resources Act (WHG) and thus subject to authorization.
Grundwasser ist stets in Bewegung. Von dem Ort der Grundwasserneubildung (Versickerung von Niederschlägen) bis zum Austritt in eine Quellschüttung bewegt sich das Grundwasser durch Sedimentkörper und -strukturen des Untergrundes. Die Fließrichtung und -geschwindigkeit werden dabei von den meist nicht näher bekannten Strukturen und Durchlässigkeiten des Untergrundes, dem hydraulischen Druckgefälle usw. vorgegeben. Da diese Parameter wech- selhaft sind, bewegt sich das Grundwasser häufig nicht auf direktem Weg zu den Austrittsstellen. Groundwater is always in motion. From the location of groundwater recharge (infiltration of precipitation) to the discharge into a spring fill, the groundwater moves through sediment bodies and structures of the subsoil. The flow direction and speed are given by the usually unspecified structures and permeabilities of the substrate, the hydraulic pressure gradient, etc. Since these parameters are variable, the groundwater often does not move directly to the exit points.
Im Vorfeld von Projekten, bei denen ein Eingriff in das Grundwasser erfolgt, müssen an den betroffenen Standorten die lokalen Grundwasserfließverhält- nisse über vorab installierte Brunnenpegel geklärt werden. Konventionell wird dazu die Höhendifferenz der an benachbarten Pegeln gemessenen Grundwasserspiegelhöhe genutzt, um die Richtung des Fließgefälles zu ermitteln. In the run-up to projects that involve intervention in groundwater, the local groundwater flow conditions at the affected sites must be clarified via pre-installed well levels. Conventionally, the height difference of the groundwater level measured at adjacent levels is used to determine the direction of the flow gradient.
Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, kann also die Grundwasserfließbewe- gung konventionell durch indirekte Messungen ermittelt werden, d.h. die Grundwasserfließrichtung und -geschwindigkeit werden über die Messung der Grundwasserspiegelhöhen benachbarter Brunnenpegel und anhand des Spiegelgefälles und der Durchlässigkeit des Untergrundes ermittelt. Diese indirekte Messung liefert jedoch nicht immer die erforderliche Informationsgüte und Auf- lösung, und zwar im Fall von nicht korrelierbaren Pegelständen, bei weitständigen Pegelnetzen, bei unzureichender Pegelanzahl oder bei flachen Grundwassergefällen. Der Bau von Brunnenpegeln ist kostenintensiv, auch können diese nicht immer in der erforderlichen Anzahl und/oder an den erforderlichen Stellen errichtet werden (was z.B. in Stadtgebieten oder Industriestandorten gilt), um die gewünschten Informationen zu erhalten. As can be seen from the above, therefore, the groundwater flow can be conventionally determined by indirect measurements, i. E. The groundwater flow direction and velocity are determined by measuring groundwater levels at adjacent well levels and using the reflectance and permeability of the subsoil. However, this indirect measurement does not always provide the required information quality and resolution, in the case of non-correlatable water levels, with extensive level networks, with an insufficient number of levels or with shallow groundwater gradients. The construction of well levels is costly and can not always be constructed in the required number and / or locations (as is the case in urban or industrial areas, for example) to obtain the desired information.
Neben der indirekten Messung der Grundwasserfließbewegungen können diese auch mittels "In-Situ"- oder "Einbohrloch-Messverfahren" ermittelt werden. Hierbei wird in einzelnen Grundwasseraufschlüssen wie Brunnenpegeln die Grundwasserfließbewegung direkt gemessen, wobei nur ein Brunnenpegel erforderlich ist, um diese Daten zu erheben. Diese direkte Messung der Grundwasserfließrichtung und -geschwindigkeit erfolgt in diskreten Tiefen von radial durchströmten Pegelrohrabschnitten. In addition to the indirect measurement of the groundwater flow movements, these can also be determined by means of "in-situ" or "single-hole measuring methods". Here, the groundwater flow is measured directly in individual groundwater outfalls such as well levels, with only one well level is required to collect this data. This direct measurement of the groundwater flow direction and velocity takes place at discrete depths of radially flowed level pipe sections.
Gegenüber indirekten Messungen haben direkte Fließbewegungsmessungen in einzelnen Pegeln die folgenden Vor- und Nachteile: Vorteile: Compared to indirect measurements, direct flow measurements at individual levels have the following advantages and disadvantages: Advantages:
Es ist nur ein Brunnenpegel erforderlich, um die lokale Grundwasser- Fließsituation zu ermitteln. Only one well level is required to determine the local groundwater flow situation.
Für die Messung können vorhandene Brunnenpegel genutzt und weitere Brunnenpegel eingespart werden. For the measurement, existing well levels can be used and further well levels can be saved.
- Die Grundwasserfließbewegung kann in unterschiedlichen Tiefen des Grundwasserleiters gemessen werden, dies liefert ein detailliertes Bild der räumlichen Fließverhältnisse im Grundwasserleiter. - The groundwater movement can be measured at different depths of the aquifer, this provides a detailed picture of the spatial flow conditions in the aquifer.
Der Informationsgewinn ist unabhängig von/ergänzend zu Grundwasserstandsmessungen und Pumpversuchen. The information gain is independent of / supplementary to groundwater level measurements and pumping tests.
Nachteile: Disadvantage:
Fast alle direkt im Brunnenraum messenden Verfahren sind auf Einzelmessungen begrenzt. Sie liefern somit keine hinreichende Datenmenge für eine statistische Bewertung . Die Ergebnisse zeigen teilweise eine hohe Varianz und sind somit nicht immer belastbar. Almost all methods measuring directly in the well room are limited to individual measurements. Thus they do not provide sufficient data for a statistical evaluation. The results sometimes show a high variance and are therefore not always reliable.
Die Messresultate spiegeln die Fließsituation am unmittelbaren Standort des Brunnenpegels wieder und sind nur mit Kenntnis der lithologischen Verhältnisse auf das weitere Umfeld übertragbar. The measurement results reflect the flow situation at the immediate location of the well level and can only be transferred to the wider environment with knowledge of the lithological conditions.
Änderungen des Fließverhaltens infolge von hydraulischen Ereignissen können meist nicht "online" erfasst werden. Changes in the flow behavior due to hydraulic events can usually not be recorded "online".
Es sind Voruntersuchungen erforderlich (Pegelzustand/Ausbau), um die erforderlichen Messbedingungen zu überprüfen. Verfahren, die das Einbringen von künstlichen Tracern erfordern, sind auf Grund eines hohen Rüst- und Messzeitaufwands meist unwirtschaftlich und werden nur dann eingesetzt, wenn mit konventionellen Vorgehensweisen keine Ergebnisse erzielt werden können . Preliminary investigations are required (level condition / removal) to check the required measurement conditions. Procedures that require the introduction of artificial tracers are usually uneconomical due to a high set-up and measuring time and are only used if no results can be achieved with conventional procedures.
Auf Grund der mehrheitlichen Nachteile gegenüber konventionellen Verfahren ist der Einsatz von Einbohrlochverfahren derzeit sehr begrenzt. Due to the majority disadvantages compared to conventional methods, the use of borehole methods is currently very limited.
Die radiale Grundwasser-Durchflussgeschwindigkeit in Brunnenpegeln liegt im Bereich zwischen 1 cm/s und 1 cm/Tag (fünf Größenordnungen). Zu Messungen der überwiegend sehr geringen Fließbewegung ist die Zugabe von Strö- mungsmarkern erforderlich. Hierzu werden in den Brunnenpegel oder den Brunnenringraum z. B. Elektrolyte, Farbstoffe oder Radioisotope eingebracht oder Marker künstlich erzeugt, z. B. Hitzepulse. Viele direkte Verfahren können auf Grund unterschiedlicher Eigenschaften der eingesetzten Marker nur einen begrenzten Geschwindigkeitsbereich abbilden . Neuere Verfahren, wie das PHREALOG-Messverfahren, das "colloidal borescope" oder die "Dunkelfeld- Sonde" nutzen die im Grundwasser enthaltenen natürlichen Schwebstoffe als Marker. Da diese suspendierend mit der Durchflussbewegung mitgeführt wer- den, bildet deren Drift die Fließbewegung ab. Schwebstoffe werden beleuchtet und dabei optisch per CCD-Kamera erfasst. Die Fließbewegung wird dann rechnergestützt per PIV (Particle Image Velocimetry) über den Drift der Schwebstoffe berechnet. Die optische Messung der Fließbewegung mit Hilfe von natürlich vorhandenen Strömungsmarkern hat gegenüber Verfahren, welche künstliche Marker verwenden, entscheidende Vorteile : a) Permanent vorhandene Schwebstoffe ermöglichen eine kontinuierliche, automatisierbare Fließmessung mit beliebiger Messdauer. Dies ermöglicht ein zeitlich unbegrenztes und hoch aufgelöstes Monitoring von Fließbewegungen in Brunnen und die Dokumentation von Fließänderungen im Zeitverlauf. Mit Verfahren, die den Einsatz künstlicher Marker erfordern, ist ein automatisches Monitoring nicht bzw. nur mit hohem Aufwand und hohen Kosten möglich . The radial groundwater flow velocity at well levels ranges between 1 cm / s and 1 cm / day (five orders of magnitude). For measurements of predominantly very low flow, the addition of flow markers is required. For this purpose, in the fountain level or Brunnenringraum z. As electrolytes, dyes or radioisotopes introduced or artificially generated marker, z. B. heat pulses. Many direct methods can only map a limited speed range due to the different properties of the markers used. More recent methods, such as the PHREALOG measuring method, the "colloidal borescope" or the "darkfield probe", use the natural suspended matter contained in the groundwater as a marker. Since these are suspended with the flow movement, their drift forms the flow movement. Suspended matter is illuminated and optically recorded by CCD camera. The flow motion is then computationally calculated by PIV (Particle Image Velocimetry) on the drift of suspended solids. The optical measurement of the flow movement with the help of naturally occurring flow markers has decisive advantages over methods which use artificial markers: a) Permanent suspended solids enable a continuous, automated flow measurement with any measurement duration. This allows timely and highly resolved monitoring of flow in wells and documentation of flow changes over time. With procedures that require the use of artificial markers is an automatic monitoring is not possible or only with great effort and high costs.
b) Da im Grundwasser immer Feinschwebstoffe enthalten sind, die advektiv mit der Strömung mitgeführt werden, ist keine künstliche Markierung er- forderlich, daher b) Since fine groundwater is always present in the groundwater, which are advektiv along with the flow, no artificial marking is required, therefore
ist keine Einsatzgenehmigung nach WHG erforderlich, If no use permit according to WHG is required,
werden Messfehlerquellen reduziert (da kein physiko-chemischer Eingriff erfolgt), reduce sources of measurement errors (since no physico-chemical intervention takes place),
ist keine Vorort-Kalibration erforderlich, no on-site calibration is required
- ist der Einsatzaufwand gering . - The effort is low.
c) Die einfache Handhabung und der geringe Einsatzaufwand reduzieren die Rüstzeit und ermöglichen einen wirtschaftlichen Einsatz. c) The ease of use and the low cost of use reduce set-up time and enable economical use.
d) Da keine sensorischen Elemente im Messmedium liegen, ist die Messtechnik in chemisch aggressiver Umgebung hochrobust. d) Since there are no sensory elements in the measuring medium, the measuring technique is highly robust in a chemically aggressive environment.
e) Es wird eine hohe Datenmenge gewonnen, was die Evaluierung verbessert und somit die Stichhaltigkeit der Messergebnisse erhöht. e) A large amount of data is collected, which improves the evaluation and thus increases the accuracy of the measurement results.
f) Es kann ein breites Geschwindigkeitsspektrum von 10E-2m/s bis 10E- 7m/s ( 1 cm/s bis 1 cm/Tag) abgebildet werden . f) A wide speed spectrum from 10E-2m / s to 10E-7m / s (1 cm / s to 1 cm / day) can be mapped.
g) Nach Einbau der Messapparatur kann die hydraulische Stabilisierung do- kumentiert werden . g) After installation of the measuring equipment, the hydraulic stabilization can be documented.
PHREALOG entwickelte ab 1992 ein Messverfahren (GFV) zur optischen Messung der Grundwasser-Fließbewegung in Pegeln . Die Messtechnik wird von PHREALOG kommerziell seit 1999 eingesetzt (DE 42 30 919 AI und DE 199 45 852 AI) . From 1992, PHREALOG developed a measurement method (GFV) for the optical measurement of groundwater flow movement in levels. The measuring technology has been used commercially by PHREALOG since 1999 (DE 42 30 919 A1 and DE 199 45 852 A1).
Ein grundlegendes Unterscheidungsmerkmal gegenüber den bekannten, vergleichbaren optischen Verfahren (z. B. colloidal borescope, Dunkelfeld-Sonde) ist die Ausleuchtung des Messfelds per Laser. A fundamental distinguishing feature compared to the known, comparable optical methods (eg colloidal borescope, dark field probe) is the illumination of the measuring field by laser.
US-A-4 206 999 beschreibt ein Verfahren, mit dem Fließbewegungen optisch anhand der Drift von mikroskopischen Partikeln per Photomultiplier erfasst werden . Hierbei wird die betrachtete Bildebene mittels eines seitlich auf die Bildebene auftreffenden Laserstrahls ausgeleuchtet. Der Laserstrahl wird dabei unterschiedl ich geformt. Zur Signalverarbeitung ist dem Photomultiplier ist ein Pulsweiten-Analysator nachgeschaltet. US-A-4 391 137 beschreibt ein Verfahren, mit dem Fl ießbewegungen in Brunnen mittels künstlich erzeugter Temperaturanomal ien ermittelt werden können, wobei Fl ießrichtung als auch Geschwind ig keit erfasst werden . Dazu wird eine Anordnung von Thermistoren in einer äquid istanten Entfernung zu einem Heizelement auf einer Kreisebene angeord net, wobei das Heizelement mittig in der Kreisebene positioniert ist. Thermistoren und Heizelement werden in einem formbaren, mit porösem Med ium bzw. Schüttg ut, wie z. B. Sand oder Glasperlen, gefül lten Behälter eingebaut. Diese Anordnung wird in das Brunnenrohr eingefahren und in einer definierten Messtiefe fixiert. Das formbare Behältnis legt sich dabei an die Brunneninnenwand ung an, so dass der horizontale Grundwasserfl uss das poröse Med ium d urchströmt. Das poröse Med ium hat d ie Aufgabe, eine gleichförmige laminare Durchströmung in dem Messraum zu gewährleisten und thermische Konvektion zu unterdrücken . Nun wird am Heizelement ein Wärmeimpuls gesetzt, der konform mit der Durchströmung in dem porösen Medium zu den u ml iegenden Thermistoren transportiert wird . Aus der Zeitdauer zwischen Erzeugung des Hitzepulses und An kunft an einem der Thermistoren wird das Maß der Durchflussgeschwindigkeit ermittelt, wobei die Richtung anhand der radialen Lage des Thermistors, an dem der H itzepuls an¬ trifft, ermittelt wird . US-4 396 943 beschreibt ein Verfahren, mit dem Fl ießbewegungen in Rohren anhand der Drift von Partikeln mittels einer endoskopischen Vorrichtung erfasst werden . US Pat. No. 4,206,999 describes a method by which flow movements are detected optically on the basis of the drift of microscopic particles by means of photomultipliers. Here, the considered image plane by means of a side on the Illuminated image plane incident laser beam. The laser beam is formed differently. For signal processing, the photomultiplier is followed by a pulse width analyzer. US Pat. No. 4,391,137 describes a method with which flow movements in wells can be determined by means of artificially generated temperature anomalies, wherein flow direction as well as speed are detected. For this purpose, an array of thermistors in an equidistant distance to a heating element on a circular level angeord net, wherein the heating element is positioned centrally in the circular plane. Thermistors and heating element are in a moldable, with porous Med ium or Schüttg ut, such as. As sand or glass beads, filled container installed. This arrangement is retracted into the well pipe and fixed in a defined measuring depth. The moldable container lays against the well inner wall, so that the horizontal groundwater flow flows through the porous medium. The porous medium has the task of ensuring a uniform laminar flow in the measuring space and suppressing thermal convection. Now, a heat pulse is set on the heating element, which is transported in conformity with the flow in the porous medium to the u mliegenden thermistors. From the time duration between the generation of the heat pulse and on arrival at one of the thermistors, the measure of the flow rate is determined, the direction of the radial position of the thermistor, where the H itzepuls on ¬ , is determined. US 4 396 943 describes a method by which flow movements in pipes are detected by means of the drift of particles by means of an endoscopic device.
In US-A-4 963 019 wird ein optisches Verfahren beschrieben, das im Wesent- liehen dem "col loidal borescope"-Verfahren entspricht, jedoch mit einem Photomultiplier arbeitet. Hinweise auf die Verwend ung von Kameras bzw. entsprechenden Optiken finden sich nicht. In US-A-5265477 werden die Strömungseigenschaften eines Fluids bestimmt, indem ein Elektrolyt-Impuls an einem hochlokalisierten Punkt innerhalb des Fluids eingeführt wird, ohne das Strömungsfeld des Fluids oder die Form des Impulses zu stören, und anschließend die Spannung oder die Leitfähigkeit um diesen Punkt herum abgebildet wird, um die Geschwindigkeit und die Richtung der Fluidströmung zu bestimmen. US Pat. No. 4,963,019 describes an optical method which essentially corresponds to the "colloidal borescope" method, but works with a photomultiplier tube. Information on the use of cameras or corresponding optics can not be found. In US-A-5265477, the flow characteristics of a fluid are determined by introducing an electrolyte pulse at a highly localized point within the fluid without disturbing the flow field of the fluid or the shape of the pulse, and then the voltage or conductivity thereacross Point around is mapped to determine the speed and direction of fluid flow.
US-A-5 339 694 offenbart eine Sonde zur Bestimmung der physikalischen Größen von Grundwasser. Die Sonde ist zylinderförmig aufgebaut. Auf ihrer Mantelfläche sind gleichmäßig auf ihrem Umfang sowie parallel zum Verlauf ihrer Längsmittenachse Sensoren angeordnet, welche die elektrischen Widerstandswerte von durch eine Tracerflüssigkeit beeinflusstem, in unmittelbarer Nähe der Sonde befindlichem Grundwasser messen. Hier wird als Tracerflüssigkeit die Verwendung eines Salzwassers vorgeschlagen, das durch eine Membran in das Grundwasser diffundieren muss, welches die leitfähige Flüs¬ sigkeit transportiert und ein für die Sensoren erfassbares leitfähiges Messfeld erzeugt. Erstreckung, Form und Bewegungsgröße des Feldes werden durch die Sensoren gemessen. Es ist mit diesem Gerät auch möglich, vertikale und horizontale Fließbewegungen zu messen und damit die Form des Feldes und die Fließgeschwindigkeit sowie -richtung des Grundwassers zu bestimmen. Die Sonde sowie das Verfahren zu ihrer Verwendung weisen den Nachteil auf, dass sie in wasserführenden Bohrlöchern stationär, d.h. fest installiert werden müssen, weil sie nicht über Halte- bzw. Zentriermittel wie Packer verfügen. Der Messvorgang kann großflächig vorgenommen werden, jedoch ist die Messbar- keit der sich im Grundwasser bewegenden leitfähigen Flüssigkeit durch die Sensoren nur unzureichend gegeben. Die Vorrichtung gewährleistet nur Möglichkeiten zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit, jedoch keine Kombination mit anderen Messverfahren. US-A-5 796 679 beschreibt ein Verfahren, mit dem Fließbewegungen in Brunnen akustisch mittels modulierbaren Tonfrequenzen bei Nutzung des Doppier- Verfahrens ermittelt werden können. US- B-6 227 045 offenbart eine Sonde zum Ü berwachen der Geschwindigkeit und Richtung der Grundwasserströmungs-Sickerung, welche eine elektrische Heizvorrichtung und mehrere Temperatursensoren aufweist, d ie äq uid istant von der Heizvorrichtung angeord net sind . Die Sonde mit der Heizvorrichtung und den Temperatursensoren wird in einen Ü berwachungsschacht eingeführt und derart positioniert, dass sie in das Grundwasser eingetaucht ist. Der Heizvorrichtung wird Energ ie zugeführt, und d ie Temperatur- Reaktion an den Temperatursensoren wird gemessen und aufgezeichnet. Aus der gemessenen Temperatur- Reaktion werden d ie Grundwasser-Strömungsgeschwindigkeit und -richtung berechnet, und diese werden aufgezeichnet. Die Temperatursensoren können Widerstandstemperaturdetektoren, Thermoelemente oder andere Temperaturdetektionsvorrichtungen des Standes der Techn ik sein . US-A-5 339 694 discloses a probe for determining the physical quantities of groundwater. The probe is cylindrical. On its circumferential surface, sensors are arranged uniformly on its circumference and parallel to the course of its longitudinal center axis, which sensors measure the electrical resistance values of groundwater influenced by a tracer liquid and located in the immediate vicinity of the probe. Here the use of a salt water is proposed as a tracer fluid, which must diffuse through a membrane into the ground water, which transports the conductive flues ¬ sigkeit and produces a detectable for the sensors conductive measurement field. The extent, shape and movement size of the field are measured by the sensors. It is also possible with this device to measure vertical and horizontal flow movements and thus to determine the shape of the field and the flow velocity and direction of the groundwater. The probe and the method for its use have the disadvantage that they must be stationary in water-bearing boreholes, ie fixed, because they do not have holding or centering means such as packers. The measuring process can be performed over a large area, but the measurability of the conductive liquid moving in the groundwater is insufficiently given by the sensors. The device only provides possibilities for measuring the electrical conductivity, but not in combination with other measuring methods. US Pat. No. 5,796,679 describes a method by which flow movements in wells can be determined acoustically by means of modulated tone frequencies using the doubling method. US-B-6 227 045 discloses a probe for monitoring the velocity and direction of groundwater flow seepage comprising an electric heater and a plurality of temperature sensors arranged equidistant from the heater. The probe with the heater and the temperature sensors is inserted into a monitoring well and positioned so that it is submerged in the groundwater. Energy is supplied to the heater, and the temperature response at the temperature sensors is measured and recorded. From the measured temperature response, the groundwater flow velocity and direction are calculated and recorded. The temperature sensors may be resistive temperature detectors, thermocouples or other temperature detection devices of the prior art.
US- B-6 393 925 besch reibt ein Verfahren, mit dem Fl ießbewegungen in Brun- nen mittels künstlich erzeugter Temperaturanomal ien ermittelt werden können, wobei Fließrichtung als auch -geschwind ig keit erfasst werden . US Pat. No. 6,393,925 describes a process by means of which flow movements in wells can be determined by means of artificially generated temperature anomalies, flow direction as well as velocity being detected.
In DE- B- 101 49 024 ist ein Verfahren zur Bestimmung der physikalischen Größen des in einem Bohrloch anstehenden Grundwassers d urch Einführen einer wässrigen, markierten Lösung mit vom Grundwasser abweichender Leitfähigkeit in einem vorbestimmten Raum u nd eine Sonde zur Durchfüh rung des Verfahrens beschrieben . Das Messprinzip beruht auf der Erzeug ung und Beobachtung des Verhaltens von künstl ich erzeugten Anomal ien der Leitfähig keit und der Temperatur. Während des Messvorgangs werden die zeitabhängigen, richtungsspezifischen Veränderungen dieser beiden Parameter mit angepass- ten geoelektrischen Anordnungen und Temperatursensoren ermittelt. Durch die zeitl ich parallel ablaufenden Messungen wird eine Erhöhung der Genauigkeit erreicht und die Erweiterung des Einsatzbereiches ermögl icht. Das Einbohrlochsystem ermögl icht die Messung langsamer Grundwasserströmungsge- schwind igkeiten im Bereich ab g rößer 1 m/d . Dieses Ziel wurde mit der Entwickl ung des Tracerringraumverfahrens erreicht. Damit werden Störungen des natürl ichen Grundwasserströmungsfeldes vermieden und gleichzeitig eine rad i¬ al g leichmäßige Verteil ung des Tracers als Startzustand für d ie Messungen ge- währleistet. Die bei bekannten Messverfahren infolge des Tracervorgangs auf¬ tretende Vol umenzunahme und daraus resultierende horizontale und vertikale Geschwindigkeitskomponenten werden mit d iesem Prinzip minimiert. Eine Beeinflussung der hyd raul ischen Bedingungen im U ntersuchungsbereich d urch den Tracervorgang wird verhindert. Dies bildet die entscheidende Grundlage für die Messung langsamer Grundwasserbewegungen . H inzu kommt, dass d urch die konstruktive Gestaltung der Sonde und die angewendeten Messverfahren der Einsatz geringer Tracermengen ( < 2000 ml) ermög licht wird . Die DE-A-42 30 919 stellt ein Einzelbohrlochverfahren und eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Ermittlung der Grundwasserströmungsrichtung und -ge- schwind igkeit vor. Das Verfahren eröffnet Mög lichkeiten, das nachteilige Messen der Strömungskennwerte über eine bestimmte Zeiteinheit d urch ein Verfahren abzulösen . Das Herstellen einer radial ausgebildeten Tracerdiffusion sowie auch das Messen der Zeitspanne des Tracertransports zwischen seiner Eingabe und der Detektion wirken sich bei geringen Strömungsgeschwind ig¬ keiten nachteilig auf die Messzeiten aus. Jedoch sind die Gegebenheiten des Messens der Strömungsgeschwind igkeit und -richtung des Grundwassers in Bohrlöchern weitestgehend auf die genaue Messung auch kleinster Strö- mungsgeschwindigkeiten angewiesen . Das bekannte Verfahren konzentriert sich deshal b auf die vorhandene Grundwasserströmung mit kleinsten Geschwind igkeiten und löst d ie gestel lte Aufgabe dadurch, dass im Messabsch nitt eines Bohrlochs eine horizontale ausgerichtete Objektebene ausgeleuchtet und mittels einer Optik auf die Bildebene eines Videosensormod uls fokussiert und als reale Bildg röße prod uziert bewertbar gemacht wird . Die Lösung gemäß DE- A-42 30 919 benötigt zur Darstell ung der zu ermittelnden Werte des Grundwasserverhaltens einen Tracer in Form fl uoreszierender Partikel, die in der Fl üssigkeit suspendiert, die Strömung und ihre Richtung sichtbar werden lassen . Die durch den Strömu ngstransport bed ingte Standortabweichung des Tra- cers wird als Wanderung virtueller Lichtq uellen auf der Bildebene bzw. der Kamerasensorfläche fortlaufend reg istriert und per nachgeschalteter Bildvera rbeitung d irekt ausgewertet. Die Einrichtung weist al lgemein eine zylind rische Form auf. An ihren oberen und unteren Zyl inderenden sind Packer angeord net, d ie zwischen sich einen ringförmigen, d urch d ie Zyl indermantelfläche sowie die Bohrungswand beg renzten Hohlzylinder ausbilden, in dem die Einrichtung zur visuel len und optischen Messung der Eigenschaften des Grundwassers erfolgt. Die Lösung verwendet in ihren technischen Konzeptionen des Verfahrens sowie des apparativen Aufbaus der Vorrichtung genau arbeitende Apparaturen, jedoch ist hier eine Bewertung von rechenbaren Informationen aus schnel l verfüg baren Daten nicht zu erhalten . DE-B-101 49 024 describes a method for determining the physical quantities of groundwater pending in a borehole by introducing an aqueous, groundwater-diffusing solution in a predetermined space and a probe for carrying out the method. The measuring principle is based on the generation and observation of the behavior of artificially generated anomalies of conductivity and temperature. During the measuring process, the time-dependent, direction-specific changes of these two parameters are determined with adapted geoelectric arrangements and temperature sensors. Due to the parallel measurements, an increase of the accuracy is achieved and the extension of the range of application is made possible. The borehole system makes it possible to measure slow groundwater flow velocities in the range of more than 1 m / d. This goal was achieved with the development of the tracer ring space method. Thus disorders of nat are cozy groundwater flow field avoided while a rad i ¬ al g facilitated even distributing clothes of the tracer overall as a starting condition for th e measurements guaranteed. The umenzunahme with known methods of measurement as a result of the tracer operation on ¬ passing volume and the resulting horizontal and vertical velocity components are minimized with d iesem principle. An influence on the hydraulic conditions in the examination area by the tracer process is prevented. This forms the crucial basis for the measurement of slow groundwater movements. In addition, the design of the probe and the measuring methods used make it possible to use small amounts of tracer (<2000 ml). DE-A-42 30 919 discloses a single well method and apparatus for simultaneously detecting groundwater flow direction and velocity. The method makes it possible to replace the disadvantageous measurement of the flow characteristics over a specific time unit by a method. Preparing a formed radially tracer diffusion and also measuring the time period of the tracer transport between its input and the detection are detrimental at low Strömungsgeschwind ig ¬ possibilities to the measured times from. However, the conditions of measuring the flow velocity and direction of the groundwater in boreholes depend as far as possible on the accurate measurement of even the smallest flow velocities. The known method concentrates deshal b on the existing groundwater flow with the lowest speeds and solves the gestel lte task characterized in that a horizontally aligned object plane illuminated in Meßabsch nitt a borehole and focused by means of optics on the image plane of a Videosensormod module and as a real Bildg product is made assessable. The solution according to DE-A-42 30 919 requires a tracer in the form of fl uorescent particles for suspending the values of the groundwater behavior to be determined, which suspended in the liquid make the flow and its direction visible. The location deviation of the tracer caused by the transport of the flow is continuously regis terized as a migration of virtual light sources on the image plane or the camera sensor surface and is evaluated directly by means of downstream image processing. The device generally has a cylindrical shape. Packers are arranged at their upper and lower ends. Forming between them an annular hollow cylinder, defined by the cylindrical surface and the bore wall, in which the device for visual and optical measurement of the properties of the groundwater takes place. The solution uses in its technical conceptions of the method and the apparatus design of the device exactly working equipment, but here an evaluation of calculable information from fast available data is not obtainable.
In DE 199 45 852 AI weist eine Vorrichtung zur Messung von Strömungen in einem Bohrbrunnen obere und untere Abschlusselemente auf, die im Abstand voneinander angeord net sind und zwischen denen ein Messabschnitt gebildet ist, der im wesentlichen frei d urchströmt werden kann, wobei die Abschlusselemente M ittel zum Abd ichten des Bohrbrunnens aufweisen, so dass im Mess¬ abschnitt keine vertikalen Strömungen auftreten . Die Vorrichtung ist weiterhin versehen mit einer Lichtquel le zum Ausleuchten des Messbereichs und mit ei¬ nem Bilderfassungselement, welches das Bild eines Messbereichs innerhal b des Messabschnitts erfasst. Zwischen dem Bilderfassungselement und dem zu beobachtenden Bereich ist mindestens eine rohrförmige optische Vorrichtung angeord net, die mit ihrem freien Ende in den Messabschnitt bis unmittelbar vor den Messbereich h ineinragt und die eine solche Gestalt und solche Abmessungen hat, dass d ie Strömung im wesentlichen unbeeinfl usst ist. In DE 199 45 852 AI has a device for measuring currents in a well upper and lower terminating elements, which are net angeord at a distance from each other and between which a measuring section is formed, which can be flowed through substantially free d, wherein the termination elements M. Having means for Abd the sealing of the well, so that no vertical flows occur in the measuring ¬ section. The apparatus is further provided with a Lichtquel le for illuminating the measurement range and with egg ¬ nem image sensing element which innerhal captures the image of a measurement range b of the measuring portion. At least one tubular optical device is arranged between the image-sensing element and the area to be observed, with its free end projecting into the measuring section until just in front of the measuring area h and having such a shape and dimensions that the flow is substantially uninfluenced is.
Bei dem oben bereits genannten Messverfahren unter Verwend ung der " Dunkelfeld-Sonde" wird die horizontale Fl ießrichtung des Grundwassers mittels Kamera nach dem Dunkelfeld prinzip ohne Einbringung künstlicher Tracer gemessen . Bei der Dunkelfeldtechnik wird das von einer Lichtquel le in Richtung Kameraobjektiv gestrahlte Licht d urch sog . Lichtfallen ausgeblendet, so dass im Idealfal l kein Licht ans Objektiv gelangt. An feinsten Partikeln im Grundwasser, deren Größe weit unter der optischen Auflösung der Kamera l iegt, wird das Licht gestreut und gebeugt und bildet somit die Positionen d ieser Partikel im Kamerabild ab . Die Bilder werden bei tiefenstationärer Messsonde auf Video aufgezeichnet und die Richtung der Partikel beweg ung d urch eine spezielle Software statistisch ausgewertet und sichtbar gemacht. Die " Dunkelfeldsonde" ist 1998 aus einer Entwicklung der Universität Leoben, Österreich; in Zusammenarbeit mit der ehem . Fa . GECO Umwelttechnik, jetzt FUGRO Austria GmbH (www.fugroaustria.at') hervor gegangen und wird kommerziell angeboten . Vom Verfahren her ähnelt es dem "colloidal borescope" bzw. besteht aus einer kon- ventionellen Brunneninspektionskamera mit anderer Optik und unterhalb der Sonde aufgesetzter Lichtquelle in Richtung zur Kamera . In the above-mentioned measuring method using the "dark field probe", the horizontal direction of flow of the groundwater is measured by means of a camera according to the dark field principle without the introduction of artificial tracers. In dark field technology, the light emitted by a light source in the direction of the camera lens is referred to as so-called. Light traps hidden, so that in the ideal case l no light gets to the lens. The finest particles in the groundwater, whose size is far below the optical resolution of the camera, cause the light to scatter and diffract, thus reflecting the positions of these particles in the camera image. The images are recorded on video in depth-stationary measuring probes and the direction of particle motion is statistically evaluated and visualized using special software. The "darkfield probe" 1998 is a development of the University of Leoben, Austria; in cooperation with the former Fa. GECO Umwelttechnik, now FUGRO Austria GmbH (www.fugroaustria.at ' ) and is commercially available. The method is similar to the "colloidal borescope" or consists of a conventional well inspection camera with a different optic and a light source placed below the probe in the direction of the camera.
Das ebenfalls oben bereits erwähnte Verfahren "colloidal borescope" wurde in den frühen 1990er Jahren an dem Oak Ridge National Laboratory (Kearl, P. M . et al . ( 1992) : "Suggested Modifications to Groundwater Sampling procedures Based on Observations from the Colloidal Borescope"; Groundwater Monitoring & Remediation (GWM R), Spring 1992 National Ground Water Association , GROUN D WATER MONITORING REVIEW; V12 N2; P155- 161 ; Kearl, P. M . ( 1997) : "Observation of particle movement in a monitoring well using the col- loidal borescope"- Journal of Hydrology 200 ( 1997) 323-344, Elsevier ) entwickelt. Das im Zusammenhang mit dem "Oak-Ridge"-System beschriebene Instrument weist eine starke Ähnlichkeit zu einer früheren Vorrichtung auf, die Gegenstand von US-A-4 963 019 war, wobei die Hauptunterschiede in dem Typ der Beleuchtung (Laser gegenüber Lampe) und der Bilderzeu- gungsvorrichtung ("Optiram" gegenüber CCD-Kamera für die Versionen von Foster und Fyda bzw. von Kearl) liegen . Das Tool besteht aus einer nach unten gerichteten Kamera mit einem Mikroskop-Objektiv, einer Lichtquelle, die auf die Kamera hin gerichtet ist, wobei sie einen "Hellfeld"-Effekt erzeugt, einem Magnetometer zum Detektieren der Tool-Ausrichtung, Haltekabeln, und/oder einem Betracher-/Aufzeichnungspaket am Kopf des Schachts. Sobald das Tool bis zu der Target-Tiefe hin abgesenkt worden ist, werden Video-Aufzeichnungen gemacht, und Partikel in der mikroskopischen Größenordnung, deren Größe im Bereich von 2- 10 pm liegt, werden als dunkle Objekte detektiert; falls eine nahezu laminare Strömung detektiert wird (die Partikel bleiben während eines Großteils oder der Gesamtheit ihrer Durchquerung des Betrachtungsfelds innerhalb der recht dünnen Fokus-Ebene), können zahlreiche Partikel zu einer einzigen Ablesung beitragen . Dann wird Computer-Software verwendet, um die Partikel zu detektieren, sie zwischen aufeinanderfolgenden Einzelbildern anzupassen, und ihre Geschwindigkeit und Richtung zu berechnen ( Kearl und Roemer 1998) . Dieses Mag netometer-Ausgangssig nal wird an jeder Messtie¬ fenposition aufgezeichnet, um Azimuth-Schätzwerte zu korrig ieren, da ein Verd rehen des Tools unvermeidbar ist, wenn flexible Kabel zur Aufhängung des Instruments verwendet werden . The colloidal borescope method, also mentioned above, was reported to the Oak Ridge National Laboratory in the early 1990's (Kearl, P.M., et al., 1992): "Suggested Modifications to Groundwater Sampling Procedures Based on Observations from the Colloidal Borescope Groundwater Monitoring & Remediation (GWM R), Spring 1992 National Ground Water Association, GROUN D WATER MONITORING REVIEW; V12 N2; P155-161; Kearl, P.M. (1997): "Observation of particle movement in a monitoring well using the colloidal borescope "- Journal of Hydrology 200 (1997) 323-344, Elsevier). The instrument described in the context of the "Oak Ridge" system bears a strong similarity to a prior device which was the subject of US-A-4 963 019, the main differences being in the type of illumination (laser versus lamp) and the imaging device ("Optiram" vs. CCD camera for the versions of Foster and Fyda or Kearl). The tool consists of a down-facing camera with a microscope objective, a light source directed towards the camera, creating a "bright field" effect, a magnetometer for detecting tool alignment, holding cables, and / or a Betracher- / recording package at the head of the shaft. Once the tool has been lowered down to the target depth, video recordings are made and microscopic particles ranging in size from 2 to 10 pm are detected as dark objects; if a near-laminar flow is detected (the particles remain within the fairly thin focus plane for a majority or all of their crossing of the field of view), many particles can contribute to a single reading. Then computer software is used to detect the particles between successive frames and to calculate their speed and direction (Kearl and Roemer 1998). This Mag netometer-Ausgangssig nal is recorded at each Messtie ¬ fenposition to ieren azimuth estimates to CORRECT, since Verd tate the tool is unavoidable when flexible cables are used for suspending the instrument.
Ferner ist es bekannt, mit Hilfe eines sogenan nten "scanning colloidal bores- cope flowmeter" (SCBFM ) zu arbeiten, welches entwickelt wurde, um horizontale Grundwasserströmungsrichtungen und -geschwindigkeiten zu evaluieren . Bei dem SCBFM werden eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD), ein Magnetometer, eine Lichtquel le und ein ferngesteuerter Linsenmechanismus mit variablem Brennpunkt verwendet, um in der mikroskopischen Größenord nung vorliegende Partikel optisch zu verfolgen . Natürlich auftretende Kolloide bewe¬ gen sich advektiv mit der nativen Grundwasserströmung . Du rch Aufzeichnen der Ausgangssignale der CCD-Vorrichtung und d urch Verwend ung hochentwickelter Partikelverfolg ungs-Computersoftware können d ie Kompassrichtung und d ie advektive Geschwindigkeit einer horizontalen Grundwasserströmung in einem Grundwasseraufschluss ( Brunnenpegel, Bohrung) ausgewertet werden . Das Abtast- Feature ermögl icht d ie Auswertung eines etwa 50 cm hohen Inter- valls im Messvolumen . Das Abtast- Feature ermögl icht eine dreidimensionale Auswertung der Strömung, so dass wirbelnde, nichtrepräsentative Strömungs¬ zellen identifiziert und "schnel le Fließpfade" detektiert und charakterisiert werden können . Der Strömu ngsmesser mit Abtast- Kol loidal- Boroskop (Scanning Colloidal Borescope Flow Meter SCBFM ) des Lawrence Livermore National La- boratory ( LLN L) fügt dem Grundkonzept der " Kol loidal- Boroskop"-Instrumente von Kearl und Foster und von Fyda ein weiteres Merkmal hinzu : d ie Brennebe¬ ne ist über eine Distanz von fast 1/2 m hinweg kontinuierlich einstell bar, so dass, nachdem das Tool in einer Target-Tiefe platziert worden ist, in dem Höhenintervall des Messabschnitts ein Bereich der Bild-" Ebenen" optisch d urchfahren und visualisiert werden kann, ohne dass das Tool bewegt wird . Es wird angenommen, dass dies eine höhere Flexibil ität beim Lokal isieren bevorzugter Durchflussbewegungen und Partikel führender Bereiche für das Daten- sammeln ermög licht, ohne dass Turbulenzen verursacht werden, wenn das Tool neupositioniert wird. Da das SCBFM den Partikel-Transport im das Bohrloch direkt visualisiert, erfolgt das Schätzen der Geschwindigkeiten lediglich unter Verwendung einfacher Kalibrierungen des Kameraobjektivs. Das Tool unterliegt jedoch den gleichen Beeinflussungen wie andere im Bohrloch plat- zierter Vorrichtungen dahingehend, dass das Vorhandensein des Sandpacks und Sieben unvermeidlicherweise die Strömungslinien nahe dem Schacht verändern. Kearl (1997) stellte fest, dass mit dem Colloidal-Boroskop- gemessenen Fließgeschwindigkeiten um einen Faktor von eins bis vier reduziert werden sollten, um aus den Messergebnissen die Fluidgeschwindigkeiten im umgebenden Grundwasserleiter abzuleiten, und dass die beobachteten Geschwindigkeiten eine Obergrenze für echte Aquifer-Strömungsraten repräsentieren (siehe auch Scott,J. et al. (2006): "Simulations to Verify Horizontal Flow Measurements from a Borehole Flowmeter" GROUND WATER Vol. 44, No. 3; May-June 2006; pages 394-405). Further, it is known to work with the aid of a so-called "scanning colloidal borescope flowmeter" (SCBFM) developed to evaluate horizontal groundwater flow directions and velocities. In the SCBFM, a charge-coupled device (CCD), a magnetometer, a light source, and a variable-focus remote-controlled lens mechanism are used to optically track particles of microscopic size. Naturally occurring colloids bewe ¬ gen is advectively with the native groundwater flow. By recording highly sophisticated particle tracking computer software, the compass direction and advective velocity of a horizontal groundwater flow in a groundwater well (well level, well) can be evaluated. The scanning feature allows the evaluation of an approximately 50 cm high interval in the measuring volume. The scanning feature allows you to reach maybe a three-dimensional analysis of the flow so that swirling, not representative flow cells ¬ identified and detected "fast-le flow paths" and may be characterized. The Lawrence Livermore National Laboratory's (LLN L) scanning colloidal borescope flow meter (SCBFM) flowscope adds another to the basic concept of Colloidal Boroscope instruments by Kearl and Foster and Fyda characteristic for: d ie Brennebe ¬ ne is over a distance of almost 1/2 m away continuously adjusting bar, so that after the tool has been placed in a target depth in the peak interval of the measuring portion, an area of the image "planes "can be visualized and visualized without the tool being moved. It is believed that this allows greater flexibility in locating preferred flow motions and particles of leading regions for data collection without causing turbulence if Tool is repositioned. Because the SCBFM directly visualizes particle transport downhole, estimating velocities is done using simple calibrations of the camera lens. However, the tool is subject to the same influences as other downhole devices in that the presence of the sandpack and sieving inevitably alters the flowlines near the pit. Kearl (1997) found that colloidal boroscopic flow velocities should be reduced by a factor of one to four to derive the fluid velocities in the surrounding aquifer from the measurement results, and that the observed rates are an upper limit to true aquifer flow rates (see also Scott, J. et al. (2006): "Simulations to Verify Horizontal Flow Measurements from a Borehole Flowmeter", GROUND WATER Vol. 44, No. 3; May-June 2006; pages 394-405).
Schließlich ist auch die Verwendung eines "In Situ Permeable Flow Sensors" (ISPFS) zur direkten Messung der Richtung und Geschwindigkeit von Grundwasser an im Wesentlichen einem einzelnen Punkt in einem nicht konsolidierten, gesättigten Bodensediment bekannt (siehe auch Ballard, S. (1996): "The in situ permeable Flow velocity meter", GROND WATER Vol. 34, No.2; pages 231-240). Nachdem der ISPFS (In-Situ Permeable Flow Sensor) permanent im Boden installiert ist, werden die 30 kalibrierten Temperatursensoren an seiner Oberfläche aktiviert, wobei ein zeitlich und räumlich gleichförmiger Wärmefluss um die Sonde herum hergestellt wird. Eine sich an dem ISPFS-Sensor vorbei- bewegende Grundwasserströmung wird durch eine Veränderung der Temperaturverteilung um die Oberfläche des Tools herum angezeigt, da ein Anteil der von der Sonde ausgehenden Wärme durch das an dem ISPFS-Sensor vorbeiströmende Grundwasser um das Tool herumbewegt wird. Die stromabwärts gewandte Seite der Sonde wird im Vergleich zu der angeströmten Seite relativ warm. Die Richtung und die Größe der Strömung werden aus der gemessenen Temperaturverteilung an der Oberfläche der Sonde berechnet. Der ISPFS- Sensor liefert eindeutige Information, insbesondere eine Punktschätzung der Richtung und Geschwindigkeit der Grundwasserströmung in einem Maßstab von ungefähr einem Kubikmeter. U nter der Voraussetzung einer in Richtung und Geschwindigkeit gleichförmigen Fl ießbewegung können mit den ISPFS- Sensoren präzise Messung von Grundwasser- Fl ießgeschwindigkeiten im Bereich von lxlOE-5m/s bis 5xlOE-8m/s verwendet werden . Der ISPFS-Sensor lieferte eindeutige Information ( Pun ktschätzungen der Grundwasserströ¬ mungsvektoren) an den oben genannten Demonstrationsstellen sowohl unter natürlichen als auch unter gestörten (d . h . den während der Sanierung herrschenden) Bedingungen . Eine Messung der Grundwasserströmung im kleinen Maßstab kann kritisch für das Optimieren des Sanierungs- Desig ns oder das Entwickeln eines stel lenbezogenen konzeptuellen Model ls sein . ISPFS- Sensoren liefern über eine längere Zeitperiode hinweg Information bei extrem nied rigem Kostenaufwand . Nachdem d ie Sensoren installiert worden sind, wird d ie Datenerhebung über ein automatisches System vorgenommen . Da insbesondere bei geringen Fl ießgeschwindigkeiten d ie Grundwasser- Fl ießbewegung aufg rund hyd raul ischer Druckschwankungen im Zeitverlauf variabel in Richtung und Geschwindigkeit ist, erfolgt bei geringen Fl ießbeweg ungen eine d iffuse/d isperse Verteilung der Temperaturmarkierung, so dass dann eine akkurate Auswertung nicht gegeben ist. Finally, the use of an "In Situ Permeable Flow Sensor" (ISPFS) to directly measure the direction and velocity of groundwater at essentially a single point in unconsolidated, saturated bottom sediment is also known (see also Ballard, S. (1996): "The in situ permeable flow velocity meter", GROND WATER vol 34, No.2, pages 231-240). Once the ISPFS (In Situ Permeable Flow Sensor) is permanently installed in the ground, the 30 calibrated temperature sensors on its surface are activated, producing a temporally and spatially uniform heat flow around the probe. A groundwater flow past the ISPFS sensor is indicated by a change in the temperature distribution around the tool's surface, since a portion of the heat from the probe is moved around the tool by the groundwater flowing past the ISPFS sensor. The downstream side of the probe becomes relatively warm compared to the upstream side. The direction and magnitude of the flow are calculated from the measured temperature distribution at the surface of the probe. The ISPFS sensor provides unambiguous information, in particular a point estimate of the direction and velocity of groundwater flow on a scale of about one cubic meter. Under the assumption of uniform flow and uniform flow, the ISPFS sensors allow precise measurement of groundwater flow velocities in the range of lxlOE-5m / s to 5xlOE-8m / s. The ISPFS sensor provided unique information (Pun ktschätzungen the Grundwasserströ ¬ mung vectors) to the above-mentioned demonstration points under both natural and under disturbed (d. E. Prevailing during the renovation) conditions. Measurement of groundwater flow on a small scale may be critical to optimizing the refurbishment design or developing a job-related conceptual model. ISPFS sensors provide information at extremely low cost over a longer period of time. After the sensors have been installed, the data is collected via an automatic system. Since, in particular at low flow velocities, the groundwater flow of hydrofluoric pressure fluctuations over time is variable in direction and velocity, with low flow movements there is a random distribution of the temperature mark, so that an accurate evaluation is not possible given is.
Aufg rund eines permanenten Einbaus der Sonde in einer Bohrung ist nach Ab- schluss der U ntersuchung eine Berg ung der Sonde mit hohem Aufwand verbunden . Daher wird auch ein Verl ust der Sonden insofern in Kauf genommen, als diese im Erd reich verbleiben, was ökologisch jedoch nicht vertretbar ist. As a result of permanent installation of the probe in a bore, after termination of the test, a probe's mount is associated with great expense. Therefore, a loss of the probes is accepted insofar as they remain rich in the earth, which is ecologically unacceptable.
Aus EP-A-0 291 708 ist eine Vorrichtung bekannt, mit der die Geschwindigkeit von lichtstreuenden Objekten, die zu d iesem Zweck belichtet werden, gemessen wird, wobei hierbei das Licht der Vorlichtstreuung der Objekte untersucht wird . From EP-A-0 291 708 a device is known with which the speed of light scattering objects exposed for this purpose is measured, in which case the light of the pre-light scattering of the objects is examined.
Weitere Vorrichtungen zur Messung der Geschwindigkeit und Größe von Partikel n sind aus US-A-5 561 515 und US-A-4 026 655 bekannt. DE-A- 199 57 808 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffkonzentrationen und/oder der Strömungsgeschwind ig keit in Gasen, Aerosolen und Stäuben durch Analyse von Streulicht. Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, sind also in der Vergangenheit eine Vielzahl von unterschiedl ichen Verfahren und Vorrichtungen entwickelt worden, die die strömungstechnischen Parameter von Grundwasserfl ießbewegungen d urch Zuführen von Markierungen in Form von z. B. Elektrolyten, Farbstoffen und Temperaturanomalitäten über geeig nete Detektoren die Verlagerung der Marker mit der Grundwasserd urchströmung erfassen . Desweiteren sind auch optische Verfahren eingesetzt worden, welche bereits im Grundwasser enthaltene und suspendierte, mitgeführte Stoffe als Marker nutzen . Other devices for measuring the velocity and size of particles n are known from US-A-5 561 515 and US-A-4 026 655. DE-A-199 57 808 describes a method and a device for determining substance concentrations and / or the flow velocity in gases, aerosols and dusts by analyzing scattered light. As can be seen from the above, a variety of different methods and devices have been developed in the past, the flow parameters of Grundwasserfl ießbewegungen d by supplying markings in the form of z. As electrolytes, dyes and temperature anomalies on appro priate detectors detect the displacement of the marker with the groundwater flow. Furthermore, optical methods have also been used which use substances already contained and suspended in the groundwater as markers.
Aufgabe der Erfind ung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur verbes- serten optischen Erfassung von Fl ießbewegungen in flüssigen und/oder gasförmigen Med ien, insbesondere im Grundwasser, bereitzustel len . The object of the invention is to provide a method and a device for improved optical detection of flow movements in liquid and / or gaseous media, in particular in groundwater.
Zur Lösung d ieser Aufgabe wird mit der Erfind ung ein Verfahren zur optischen Erfassung von Fl ießbewegungen in flüssigen und/oder gasförmigen Medien vorgeschlagen, wobei bei dem Verfahren To solve this problem, the inventions proposed a method for the optical detection of flow movements in liquid and / or gaseous media, wherein in the method
in dem Med ium ein Messvol umen sowie innerhalb des Messvol umens min¬ destens eine Messebene definiert werden und in Med ium umen a Messvol and umens min ¬ least one measurement plane are defined within the Messvol and
in Erstreckung der Messebene sich bewegende Partikel optisch erfasst werden, indem in the extension of the measuring plane moving particles are optically detected by
- die Messebene in mindestens einem Erfassungsbereich von der einen - the measuring level in at least one coverage area of the one
Seite der Messebene, das heißt von einer Beleuchtungsseite aus mit¬ tels eines Lichtstrahl bündels aus parallelen Lichtstrahlen einer Be¬ leuchtungseinheit belichtet und d urchleuchtet wird, Side of the measuring plane, that is illuminated from a lighting side with ¬ means of a light beam bundle of parallel light rays of a Be ¬ lighting unit and is illuminated,
d urch Partikel , die sich innerhal b des Erfassungsbereiches der Mess- ebene befinden, Streul icht erzeugt wird , By means of particles which are located within the detection range of the measurement plane, scattered light is generated,
als Vorlichtstreuung zu einer der Beleuchtungsseite gegenüberliegenden Vorlichtstreuungsseite abstrahlendes Streul icht oder zumindest ein Teil davon durch mindestens ein optisches Element zu einer Bildaufnahmeebene einer Kamera geleitet wird, as a Vorlichtstreuung to one of the illumination side opposite Vorlichtstrereuungsseite radiating stray light or at least a part of which is passed through at least one optical element to an image capture plane of a camera,
von der Kamera eine Sequenz von Bildern des Erfassungsbereiches aufgenommen wird und from the camera a sequence of images of the detection area is recorded and
- anhand der Bildsequenz bezüglich mindestens eines Partikels durch rechnergestütze Bildauswertung ein Bewegungsvektor ermittelt wird . - Based on the image sequence with respect to at least one particle by computer-aided image analysis, a motion vector is determined.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäße ferner gelöst mit einer Vorrichtung zur optischen Erfassung von Fließbewegungen in flüssigen und/oder gasförmigen Medien, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einer der zuvor genannten Ausprägungen, wobei die Vorrichtung versehen ist mit The above object is further achieved according to the invention with a device for the optical detection of flow movements in liquid and / or gaseous media, in particular for carrying out the method according to one of the aforementioned embodiments, wherein the device is provided with
einer eine Messebene aufweisenden beziehungsweise definierenden Messzelle zur Positionierung in dem zu untersuchenden Medium, wobei die Messebene mindestens einen Erfassungsbereich aufweist, innerhalb dessen im Medium befindliche Partikel optisch erfassbar sind, a measurement cell having or defining a measurement plane for positioning in the medium to be examined, wherein the measurement plane has at least one detection region within which particles in the medium are optically detectable,
einer Beleuchtungseinheit zur Belichtung des Erfassungsbereiches mit einem im Wesentlichen parallelen Lichtstrahlbündel, a lighting unit for exposing the detection area to a substantially parallel light beam,
einer Kamera zur Erfassung von mindestens einem Teil einer bei Belichtung von im Erfassungsbereich befindlichen Partikel entstehender Vor- lichtstreuung als Streulicht, a camera for detecting at least a part of a light scattering resulting from the exposure of particles in the detection area as stray light,
wobei die Beleuchtungseinheit und die Kamera zu entgegengesetzten Seiten der Messebene, nämlich auf einer Beleuchtungseite und einer Vor- lichtstreuungsseite angeordnet sind, und wherein the illumination unit and the camera are arranged on opposite sides of the measurement plane, namely on a lighting side and a Vorlichtstrereuungsseite, and
einem optischen Pfad zwischen dem Erfassungsbereich, also der Objektebene und der Kamera, also der Bildebene, zum Leiten zumindest eines Teils der Vorlichtstreuung zu der Kamera. an optical path between the detection area, ie the object plane and the camera, ie the image plane, for guiding at least part of the pre-light scattering to the camera.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Vorlichtstreuung von zu untersuchenden Partikeln genutzt, um deren Bewegungsprofil (Geschwindigkeit, ggf. Geschwindigkeitsänderung und Strömungsrichtung sowie ggf. Strömungs- richtungsänderung) zu untersuchen. Dieses erfindungsgemäße Konzept lässt sich gemäß zweier Varianten realisieren. Die erste Variante ist dadurch ge- kennzeichnet, dass das Lichtstrahlbündel zur Beleuchtung der Partikel als Durchlichtanteil in den zu einer Kamera führenden optischen Pfad einstrahlt. Bei dieser Variante befindet sich also die Lichtaustrittsseite der Beleuchtungseinheit gegenüber der Lichteintrittsseite des optischen Pfades. Der größte Teil der Vorlichtstreuung bzw. die gesamte Vorlichtstreuung wird dabei ebenfalls in den optischen Pfad eingekoppelt. In the device according to the invention, the pre-light scattering of particles to be examined is used in order to investigate their movement profile (speed, possibly speed change and flow direction and, if necessary, change in direction of flow). This concept according to the invention can be realized according to two variants. The first variant is characterized indicates that the light beam irradiates the illumination of the particles as transmitted light component in the optical path leading to a camera. In this variant, therefore, the light exit side of the illumination unit is located opposite the light entry side of the optical path. The majority of the pre-light scattering or the entire pre-light scattering is likewise coupled into the optical path.
Bei der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Konzeptes durchdringt das Lichtstrahlbündel ebenfalls den Erfassungsbereich der Messebene, gelangt aber nicht in die Lichteintrittsende des optischen Pfades sondern ist an diesem seitlich vorbei gerichtet. Die Vorlichtstreuung wird hierbei zum Teil in den optischen Pfad eingekoppelt. Diese zweite Variante hat den Vorteil, dass kein Durchlichtanteil des Lichtstrahlbündels in den optischen Pfad gelangt. Es bedarf also keinerlei Maßnahmen, diesen Durchlichtanteil vom Streulicht zu sepa- rieren, wie es bei der ersten Variante zweckmäßigerweise erfolgt. In the second variant of the inventive concept, the light beam also penetrates the detection range of the measurement plane, but does not reach the light entry end of the optical path but is directed laterally past this. The Vorlichtstreuung is here coupled partially into the optical path. This second variant has the advantage that no transmitted light component of the light beam reaches the optical path. There is therefore no need to separate this transmitted light component from the scattered light, as is expediently carried out in the first variant.
Nachfolgend wird zunächst die erste Variante der Erfindung beschrieben, wobei sich Teile dieser Beschreibung auch auf die zweite Variante beziehen können . Nach der Erfindung wird innerhalb eines Messvolumens, das in dem zu vermessenen Medium platziert wird, mindestens eine Messebene definiert, in der sich bewegende Partikel befinden, die optisch erfasst werden . Hierzu weist die Messebene mindestens einen Erfassungsbereich auf, der von der einen Seite der Messebene aus (Beleuchtungsseite) mittels eines Lichtstrahlbündels be- leuchtet wird, wobei das Lichtstrahlbündel vorzugsweise parallele Lichtstrahlen aufweist. Durch diese Belichtung entsteht infolge der Lichtstreuung an beleuchteten Partikeln Streulicht, das unter anderem auch zur der Beleuchtungsseite gegenüberliegenden Seite der Messebene (Streulichtseite) gelangt, und zwar als Vorlichtstreuung . Es hat sich gezeigt, dass die Ausnutzung der Vor- lichtstreuung aufgrund deren Intensität besonders geeignet ist, Partikel optisch zu detektieren bzw. zu lokalisieren . Vorlichtstreuungseffekte kann man beispielsweise mit dem bloßen Auge wahrnehmen, indem im (Sonnen-)Gegenlicht oder schräg dazu in der Luft schwebende Partikel sichtbar werden . Das als Vorlichtstreuung zur Vorlichtstreuungsseite abstrahlende Streul icht (oder zumindest ein Teil davon) sowie derjenige Durchl ichtanteil des Belich- tungs- Lichtstrahlbündels, der den Erfassungsbereich der Messebene, ohne ge- streut zu werden, passiert, werden bei der ersten Variante erfind ungsgemäß d urch mindestens ein optisches Element (d . h . längs eines optischen Pfades) zu einer Bildaufnahmeebene ( Bildebene des optisch abbildenden Systems) einer Kamera geleitet. Die Kamera nimmt eine Seq uenz von Bildern des Erfassungs¬ bereichs, der der Objektebene des Systems entspricht, auf. Anhand d ieser Bildseq uenz kann dann d urch Bildauswerteverfahren ein Bewegungsvektor eines sich längs der Messebene bewegenden Partikels ermittelt werden . Bei der ersten Variante ist erfind ungsgemäß bei der Aufnahme der Bilder d urch die Kamera vorgesehen, den Durchlichtanteil des Lichtstrahl bündels der Beleuch¬ tungseinheit vor Erreichen der Bildaufnahmeebene der Kamera herauszufiltern . Damit nimmt also d ie Kamera ausschließl ich noch d ie Vorl ichtstreuung auf. Hereinafter, the first variant of the invention will first be described, wherein parts of this description can also refer to the second variant. According to the invention, within a measuring volume which is placed in the medium to be measured, at least one measuring plane is defined, in which there are moving particles which are optically detected. For this purpose, the measuring plane has at least one detection area, which is illuminated from one side of the measuring plane (illumination side) by means of a light beam, the light beam preferably having parallel light beams. As a result of the light scattering on illuminated particles, this exposure results in scattered light which, inter alia, also reaches the side of the measurement plane (scattered light side) opposite the illumination side, namely as a pre-light scattering. It has been found that the utilization of the light scattering due to their intensity is particularly suitable for optically detecting or localizing particles. For example, it is possible to perceive the effects of light from the naked eye by visualizing particles floating in the (sun) backlight or at an angle to it in the air. The scattering light (or at least a part thereof) radiating as a pre-light scattering to the pre-light scattering side as well as the transmitted light portion of the exposure light beam which passes the detection area of the measurement plane without being scattered, become in the first variant according to the invention d at least one optical element (i.e., along an optical path) is guided to an image pickup plane (image plane of the optically imaging system) of a camera. The camera takes a Seq uence of images of acquisition ¬ range corresponding to the object plane of the system on. On the basis of this image sequence, a motion vector of a particle moving along the measuring plane can then be determined by the image evaluation method. In the first variant hrough the camera is erfind ungsgemäß in receiving the images d provided to filter out the transmitted light portion of the light beam bundle of BL LEVEL ¬ processing unit before reaching the imaging plane of the camera. Thus, the camera excludes me only the Vorl ichtstreuung on.
U nter " Herausfiltern" im Sinne der Erfind ung ist insbesondere ein Abschotten, anderweitiges Blockieren, Absorbieren und/oder Herausleiten des Durchl icht- anteils gemeint. By "filtering out" in the sense of the invention is meant, in particular, a blocking, otherwise blocking, absorbing and / or diverting the transmissive portion.
In vorteil hafter Weiterbild ung kann bei der ersten Variante der Erfind ung ferner vorgesehen sein, dass das optische Element mindestens ein dem Erfas¬ sungsbereich der Messebene zugewandtes Streulicht- Eintrittsende aufweist, das mit einem für das Streulicht transparenten Fensterelement versehen ist. Ferner kann es hierbei zweckmäßig sein, wenn die Beleuchtungseinheit mindestens ein Lichtstrahl bündel-Austrittsende aufweist, das dem oder einem Er¬ fassungsbereich der Messebenen zugewandt ist sowie dem Streulicht- Eintrittsende gegenüber liegt, und wenn das Austrittsende mit einem für das Lichtstrahlbündel transparenten Fensterelement versehen ist. Advantageously Next Image ung may be provided in the first variant of the invent ung further, that the optical element has at least one facing the Erfas ¬ sungsbereich the measurement plane scattered light inlet end, which is provided with a material transparent to the scattered light window element. Furthermore, it may be expedient in this case if the illumination unit has at least one light beam bundle outlet end, which faces the or a He ¬ detection area of the measurement planes and the scattered light entrance end is opposite, and if the exit end is provided with a transparent window for the light beam element ,
Bei der zweiten Variante der Erfind ung kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass das Lichtstrahl bündel d urch den Erfassungsbereich der Messebene hind urch und sein Durchl ichtanteil seitl ich an dem optischen Element vorbei gerichtet ist, wobei das Streulicht oder zumindest ein Teil davon d urch das mindestens eine optische Element zu der Bildaufnahmeebene der Kamera ge¬ leitet wird . Auch bei d ieser zweiten Variante der Erfind ung kann es zweckmäßig sein, wenn das optische Element mindestens ein dem Erfassungsbereich der Messebene zugewandtes Streul icht- Eintrittsende aufweist, das mit einem für das Streulicht transparenten Fensterelement versehen ist. Zusätzlich kann es hierbei zweckmäßig sein, dass d ie Beleuchtungseinheit mindestens ein Lichtstrahl- bündel-Austrittsende aufweist, das dem oder einem Erfassungsbereich der Messebene zugewandt ist sowie dem Streul icht- Eintrittsende gegenüber liegt, und dass das Austrittsende mit einem das Lichtstrahlbündel seitlich austreten lassenden optischen Ablenkelement, insbesondere Prisma versehen ist. M it der Erfindung (gemäß beider Varianten) ist es mög lich, Grundwasser- Fl ießgeschwind ig keiten in einem seh r breiten Geschwindig keitsbereich von 10"8 m/s bis 10"3 m/s, was dem Bereich von 8 mm/Tag bis 8 m/Tag entspricht, zu erfassen , wobei neben der Geschwindigkeit sel bstverständl ich auch die Fl ießrichtung erfasst wird . In the second variant of the invention, it can be expediently provided that the light beam passes through the detection area of the measuring plane and passes through the optical element is directed, wherein the scattered light or at least a part thereof by the at least one optical element to the image recording plane of the camera is ge ¬ passes. Also in this second variant of the invention, it may be expedient if the optical element has at least one scattering light which faces the detection area of the measuring plane and which is provided with a transparent window element for the scattered light. In addition, it may be expedient in this case for the illumination unit to have at least one light beam exit end that faces the detection area or the measurement plane and faces the scattering entrance end, and that the exit end has an optical exit that allows the light beam to exit laterally Deflection element, in particular prism is provided. With the invention (according to both variants) it is possible groundwater flow velocities in a very wide speed range of 10 "8 m / s to 10 " 3 m / s, which is the range of 8 mm / day up to 8 m / day corresponds to, in addition to the speed sel bstverständl I also the flow direction is detected.
Erfindungsgemäß können mehrere Messebenen bzw. Messebenen mit mehreren Erfassungsbereichen vorgesehen sein . Die Messebenen liegen dann übereinander. Die Erfind ung eignet sich insbesondere für Einlochbohr- Messungen, wobei die Messsonde, also die Vorrichtung , in ein vorhandenes Bohrloch ( Brunnenpegel) eingebracht wird . Oberhal b und unterhal b des eigentl ichen Messbereichs befinden sich übl icherweise sogenan nte Packer bzw. Abschott¬ elemente, die verhindern, dass der Messbereich zwischen den Packern bzw. Abschottelementen d urch winklig zur Messebene verlaufende Strömungen beeinträchtigt wird . Auf diese Weise misst man also im Wesentl ichen horizontale Strömu ngen, und zwar ungestört. Die beiden Abschottelemente sind mecha¬ nisch ü ber mögl ichst dünne, den Durchfl uss nur unwesentl ich beeinträchtigende Verstrebungen verbunden . Das Beleuchtungsl icht und das Licht der Vor- lichtstreuung sol lten mögl ichst nahe zur Messebene bzw. zum Messbereich der Messebene innerhal b des Messvolumens eingebracht bzw. aufgenommen wer¬ den . Dies gelingt zweckmäßigerweise unter mög lichst geringer Beeinfl ussung der Strömung dad urch, dass von den Abschottelementen aus mög lichst d ünn ausgeführte Lichtleit- Elemente zum Leiten des Beleuchtungslichts zum Erfas- sungsbereich und zum Erfassen des Lichts der Vorstreuung aus dem Erfassungsbereich bzw. des Abbildes der Objektebene abstehen . Sind pro Messsonde bzw. Vorrichtung mehrere Messebenen bzw. Messebenen mit meh reren Erfassungsbereichen vorgesehen, so existieren dementsprechend auch mehrere Paare von aufeinander zu laufenden Lichtleitelementen der vorstehend be- schriebenen Art und den entsprechenden Eigenschaften . According to the invention, several measurement levels or measurement levels can be provided with a plurality of coverage areas. The measurement levels are then superimposed. The invention is particularly suitable for one-hole drilling measurements, wherein the measuring probe, so the device is introduced into an existing hole (well level). Oberhal b and b of the unterhal eigentl cozy measurement range are Übl icherweise sogenan nth packer or Abschott ¬ elements which prevent the measurement range between the packers or Abschottelementen d urch angularly extending flow to the measuring plane is compromised. In this way, one essentially measures horizontal currents, undisturbed. The two baffle elements are mecha ¬ cally above about poss ichst thin, the fl ow only unwesentl I connected impairing bracing. The illumination light and the light of the light scattering should be as close as possible to the measurement plane or the measuring range of the Measuring level within the measuring volume introduced or taken ¬ who. This is expediently achieved with as little as possible influencing of the flow through the fact that the light-conducting elements designed to guide the illumination light to the detection area and to detect the light of the pre-scattering from the detection area or the image of the light source are as thin as possible Projecting object plane. If several measuring levels or measuring levels with several detection areas are provided per measuring probe or device, there are correspondingly also a plurality of pairs of light guide elements of the kind described above and the corresponding properties.
In weiterer vorteil hafter Ausgestaltung der Erfind ung kann also vorgesehen sein, innerhal b des Messvolumens mehrere Messebenen mit jeweils mindes¬ tens einem Erfassungsbereich oder innerhalb einer Messebene oder mindes- tens einer der Messebenen mehrere Erfassungsbereiche zu definieren, wobei jeder Erfassungsbereich belichtet und d urchleuchtet wird und wobei die pro Erfassungsbereich erzeugte Vorlichtstreuung d urch eine Sequenz von Bildern aufgenommen und d urch pro Bildsequenz erfolgende Bildauswertung für jeweils mindestens einen Partikel ein Bewegungsvektor ermittelt wird . In a further advantageous embodiment of the invent clothes can thus be provided innerhal b to define the measuring volume a plurality of measurement levels, each with Minim ¬ least a detection area or within a measuring plane or Any artwork least one of the measured levels of a plurality of detection areas, each sensing area is exposed and urchleuchtet d and wherein the pre-light scattering generated per detection area is recorded by a sequence of images and the image evaluation taking place per image sequence for each at least one particle, a motion vector is determined.
Wie bereits oben angedeutet, kann bei der ersten Variante das Herausfiltern des Durchl ichtanteils des Lichtstrahlbündels der Beleuchtungseinheit d urch Reflektion und/oder Absorption und/oder Auskoppl ung erfolgen . Für die Absorption eignet sich insbesondere ein optisches Lichtunterdrückungselement wie z. B. ein Bauteil mit schwarzer Fläche, auf die der Durchlichtanteil des Lichtstrahlbündels der Beleuchtungseinheit auftrifft, oder ein Licht absorbierender Hohl körper, in den der Durchlichtanteil des Lichtstrahl bündels der Be¬ leuchtungseinheit eintritt (ohne aus dem Hohl körper wieder heraustreten zu können) . Durch ein lichtleitendes Element ( Lichtleiter) kann der Durchlichtanteil aus dem optischen Pfad "herausgeleitet" werden . As already indicated above, in the first variant, the filtering out of the transmission component of the light beam of the illumination unit can be carried out by reflection and / or absorption and / or extraction. For the absorption is particularly suitable an optical light suppression element such. B. a component with a black surface on which the transmitted light portion of the light beam of the illumination unit impinges, or a light absorbing hollow body, in which the transmitted light portion of the light beam bundle of Be ¬ lighting unit enters (without the hollow body to emerge again). By a light-conducting element (light guide), the transmitted light portion of the optical path can be "out".
Als Partikel , d ie es zur Ermittlung der Strömungsrichtung und -geschwind igkeit optisch zu erfassen gilt, eignen sich einerseits inhärent in dem Medium vor- handene Partikel oder aber auch künstlich erzeugte oder eingegebene Messpartikel (Tracer), die zum Zwecke der Vermessung der strömungstechnischen Eigenschaften des Mediums in dieses eingebracht worden sind . Hier können beispielsweise spezielle Dosiervorrichtungen verwendet werden, mit denen die Partikel in den Brunnenpegel nahe dem Messvolumen bzw. in das Messvolumen eingebracht werden können . Beispiele für derartige Dosiervorrichtungen sind in DE-A- 199 52 541, DE-A- 199 52 542 und DE-C-44 43 307 beschrieben . Suitable particles to be optically detected for determining the flow direction and velocity are, on the one hand, inherently suitable in the medium. existing particles or artificially generated or entered measuring particles (tracers), which have been introduced for the purpose of measuring the fluidic properties of the medium in this. Here, for example, special metering devices can be used with which the particles can be introduced into the well level near the measuring volume or in the measuring volume. Examples of such metering devices are described in DE-A-199 52 541, DE-A-199 52 542 and DE-C-44 43 307.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung (gemäß beider Varianten) kann vorgesehen sein, dass die Beleuchtungseinheit eine Lichtaustrittsfläche und der optische Pfad eine Lichteintrittsfläche aufweist und dass sich beide Flächen gegenüberliegen sowie zwischen beiden Flächen der Erfassungsbereich der Messebene angeordnet ist. Um zu verhindern, dass sich im Laufe der Zeit auf der Lichtaustrittsfläche der Beleuchtungseinheit (oder, je nach Anordnung, auf der Lichteintrittsfläche des zur Kamera führenden optischen Pfads für die erfasste Vorlichtstreuung) Partikel gravitativ absetzen, kann es (bei beiden erfindungsgemäßen Varianten) zweckmäßig sein, die betreffende Lichtaustritts- bzw. Lichteintrittsfläche, auf der gravitativ eine Partikelablagerung erfolgen kann, geneigt zur Messebene auszurichten, wobei dann die jeweils andere Fläche, d .h . die Lichteintrittsoder die Lichtaustrittsfläche, vorzugsweise parallel zur Messebene verlaufen kann . In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung beider Varianten der Erfindung kann bei einer Ausgestaltung des Verfahrens bzw. der Vorrichtung mit mehreren Erfassungsbereichen innerhalb einer gemeinsamen Messebene oder innerhalb unterschiedlichen Messebenen vorgesehen sein, In a further advantageous embodiment of the device according to the invention (according to both variants), it may be provided that the illumination unit has a light exit surface and the optical path has a light entry surface and that both surfaces are opposite and the detection region of the measurement plane is arranged between both surfaces. In order to prevent particles from gravitationally settling on the light exit surface of the illumination unit (or, depending on the arrangement, on the light entry surface of the optical path leading to the camera for the detected pre-light scattering), it may be expedient (in the case of both variants according to the invention) , the respective light exit surface or light entry surface on which gravitational particle deposition can take place, inclined to align with the measuring plane, in which case the respective other surface, ie. the light entrance or the light exit surface, preferably can run parallel to the measurement plane. In a further advantageous embodiment of both variants of the invention may be provided in an embodiment of the method or the device with multiple detection areas within a common measurement plane or within different measurement levels,
dass die Messebene mehrere Erfassungsbereiche aufweist, that the measuring level has several detection areas,
- dass die Beleuchtungseinheit eine Belichtungsquelle und eine der Anzahl der Erfassungsbereiche gleichende Anzahl an Lichtaustrittsflächen aufweist, dass eine der Anzahl der Erfassungsbereiche gleichende Anzahl an optischen Pfaden mit Eintrittsflächen vorgesehen ist und in that the illumination unit has an exposure source and a number of light exit surfaces that is the same as the number of detection areas, that a number of optical paths with entry surfaces is provided that is the same as the number of detection areas, and
dass zwischen der Belichtungsquelle und den Lichtaustrittsflächen einerseits und zwischen den optischen Pfaden und der Kamera andererseits jeweils eine Lichtumlenkeinheit zum Umlenken des Lichts der Belichtungsquelle zum sequentiellen, insbesondere zyklisch sich wiederholenden Austritt aus den Lichtaustrittflächen und zum sequentiellen, insbesondere zyklisch sich wiederholenden Umlenken des Lichts von den optischen Pfaden zur Kamera angeordnet ist, wobei die beiden Lichtumlenk- einheiten synchronisiert sind . that between the exposure source and the light exit surfaces on the one hand and between the optical paths and the camera on the other hand in each case a Lichtumlenkeinheit for deflecting the light of the exposure source for sequential, in particular cyclically recurring exit from the light exit surfaces and the sequential, in particular cyclically repeating redirecting the light of the optical paths to the camera is arranged, wherein the two Lichtumlenk- units are synchronized.
Diese Anordnung hat den Vorteil, dass mehrere Erfassungsbereiche sequentiell bzw. zyklisch mit Beleuchtungslicht beaufschlagt werden können, wobei nur eine einzige Lichtquelle verwendet wird ; ebenso können mit lediglich einer ein- zigen Kamera sequentiell von den einzelnen beleuchteten Erfassungsbereichen dann, wenn diese beleuchtet werden, die Vorlichtstreuungsanteile optisch er- fasst und aufgenommen werden . Die jeweiligen Lichtumlenkeinheiten umfassen dabei vorzugsweise optische Prismen o.dgl . Die einzelnen Erfassungsbereiche sind zweckmäßigerweise entlang einer gedachten Kreislinie angeordnet. Hierbei können dann Drehantriebe auf der Lichterzeugungsseite sowie auf derThis arrangement has the advantage that multiple detection areas can be sequentially or cyclically exposed to illumination light, using only a single light source is used; Likewise, with only a single camera, the pre-light scattering components can be optically detected and recorded sequentially from the individual illuminated detection areas when they are illuminated. The respective Lichtumlenkeinheiten preferably include optical prisms or the like. The individual detection areas are expediently arranged along an imaginary circular line. This can then rotary actuators on the light generation side and on the
Vorlichtstreuungslichtaufnahmeseite angeordnet werden, die synchronisiert sind bzw. auf beiden Seiten können sich drehende Elemente mit Hilfe eines zentralen, einzigen Antriebs gedreht werden . In weiterer zweckmäßiger Weiterführung der Erfindung kann bei beiden Varianten vorgesehen sein, dass die Lichtleitelemente zu ihren die Lichtaustrittsbzw. Lichteintrittsflächen aufweisenden Enden hin konisch verjüngt ausgebildet sind und/oder optische Ablenkelemente, insbesondere Prismen aufweisen . Die Ausführung eines Lichtleitelementes als optisches Rohr mit konisch zur Fens- terfläche zulaufender Verjüngung erfüllt einen weiteren Zweck. Einerseits wird durch die verjüngte Bauform die Strömung im Nahbereich des Erfassungsbereichs nicht entscheidend beeinträchtigt. Andererseits erlaubt es diese Ausführung, dass das Lichtstrahlbündel den Erfassungsbereich vollständig ausleuch- tet, die Distanz zwischen Erfassungsbereich und Lichteintrittsfläche gering ist und der Lichtbündelstrahl an der Lichteintrittsfläche vorbei geführt wird . Diese Bed ingu ngen sind am besten erfül lt, wenn der Lichtbündelstrahl im Winkel von z. B. 20° bis 40° von der optischen Achse abgelenkt auf die Ebene des Erfas- sungsbereichs auftrifft. Der Vorteil ist, dass eine maximale Vorl ichtstreuung ausgehend von Partikeln im Erfassungsbereich erzielt wird, ohne dass der Durchl ichtanteil in die Lichteintrittsfläche fällt. Vorlichtstrelichtungslichtaufnahmeiteseite be synchronized or on both sides, rotating elements can be rotated by means of a central, single drive. In a further expedient continuation of the invention may be provided in both variants, that the light-guiding elements to their Lichtaustrittsbzw. Light-contact surfaces having ends tapered conically and / or have optical deflecting elements, in particular prisms. The design of a light-guiding element as an optical tube with a conical tapering towards the window surface fulfills a further purpose. On the one hand, the tapered construction does not significantly affect the flow in the vicinity of the detection area. On the other hand, this embodiment allows the light beam to completely emit the detection area. tet, the distance between the detection area and the light entry surface is low and the light beam is guided past the light entry surface. These conditions are best met when the beam of light is directed at an angle of, say, 10 °. B. 20 ° to 40 ° from the optical axis deflected incident on the plane of the detection area. The advantage is that a maximum Vorl ichtstreuung is obtained from particles in the detection area without the Durchl ichtanteil falls into the light entry surface.
Nachfolgend werden verschiedene Aspekte der Erfind ung und deren Anwen- d ung beschrieben, die g leichermaßen bei beiden Varianten der Erfind ung gegeben sind . In the following, various aspects of the invention and their application will be described, which are easily given to both variants of the invention.
Die Erfassungsbereiche sind idealerweise kreisförmig auf Messebenen ange¬ ord net, wobei der optische Strahlengang von Lichtstrahl bündel und bildgeben- dem Streulichtanteil mit Hilfe synchronisierter und mit U mlenkprismen ausgestatteter Drehtel ler d urch Rotation d ieser gekoppelten Drehtel ler auf den jeweiligen Erfassungsbereich ausgerichtet werden kann, so dass nur eine Lichtquel le und Beleuchtungseinheit und nur eine Kamera zur Vermessung der Strömung in mehreren Erfassungsbereiche erforderlich sind . The detection areas are ideally at measurement planes being ¬ ord net, wherein the optical beam path of the light beam can be aligned ieser coupled Drehtel ler on the respective detection range circular bunch and bildgeben- the proportion of scattered light by means of synchronized and urch with U mlenkprismen equipped Drehtel ler d rotation d, so that only one Lichtquel le and lighting unit and only one camera for measuring the flow in several detection areas are required.
Die optischen Elemente sowie die elektronische Steuerung (zumindest teil¬ weise) können vorteilhaft in den bereits oben genannten Packern oder Abschottelementen untergebracht sein . Es ist zweckmäßig, die erfind ungsgemäßen bildaufnehmenden Vermessungen der Durchflussbewegungen in insbesondere Brunnenpegeln in unterschiedl ichen Tiefenpositionen des Brunnenpegels durchzuführen, und zwar einerseits, um die gewonnenen Ergebnisse verg leichen und statistisch auswerten zu können, und andererseits, um einen umfassenden Eind ruck für die Interpretation der Ergebnisse zu erhalten . Insoweit umfasst d ie Erfind ung also auch eine Mul- ti- Level-Ausführung des Verfahrens und der Vorrichtung, um zeitgleich Messungen in meh reren Tiefen eines Brun nen pegels du rchfüh ren zu können . H ierbei werden dann vorzugsweise mehrere Messsonden bzw. Messmodu le überei- nander (und gegebenenfalls mechanisch miteinander gekoppelt) innerhalb eines Brunnenpegels eingesetzt. Diese Ausgestaltung der Erfindung hat zunächst den Vorteil, dass ein Messeinsatz erheblich wirtschaftlicher als bisher durchgeführt werden kann, da Einsatz- und Rüstzeiten eingespart werden können (das Umsetzen einer einzelnen Messsonde bzw. eines einzelnen Messmoduls in verschiedene Messtiefen entfällt und eine hydraulische Stabilisierung nach Einfahren und Fixieren der Messsonde im Brunnenpegel fällt nur einmal an). Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass ein Mehrgewinn an Daten zur Stützung der Ergebnisse und zur Stützung der statistischen Auswertung und der Interpretation der Messdaten zu verzeichnen ist. The optical elements and the electronic control (at least partially stabilized) may be advantageously housed in the above-mentioned packers or Abschottelementen. It is expedient to carry out the inventive image-capturing measurements of the flow movements in particular well levels in unterschiedl Ien depth positions of the well level, on the one hand, to the results obtained verg correct and statistically evaluate, and on the other hand, a comprehensive Eind jerk for the interpretation of To get results. In that regard, the invention thus also includes a multi-level embodiment of the method and the device in order to simultaneously be able to carry out measurements in several depths of a well level. In this case, preferably several measuring probes or measuring modules are then transferred to nander (and possibly mechanically coupled together) used within a well level. This refinement of the invention initially has the advantage that a measuring insert can be carried out considerably more economically than before, as operating and set-up times can be saved (the conversion of a single measuring probe or a single measuring module into different measuring depths is omitted and a hydraulic stabilization after retraction and Fixing the probe in the well level only occurs once). Another advantage is that more data is added to support the results and to support the statistical evaluation and interpretation of the measurement data.
Infolge von Bohrung und Brunnenausbau sind die hydraulischen Randbedingungen am und im Brunnenpegel gestört/verändert und die Stromlinien werden beim Durchfluss verzerrt. Im Anstrom zum Brunnen hin erfolgt eine Stromlinienscharung, im Abstrom eine korrespondierende Auffächerung. Die Geschwindigkeit im Brunnen ist in der Regel höher als in der Umgebung, der Durchfluss allgemein laminar. As a result of drilling and well construction, the hydraulic boundary conditions at and in the well level are disturbed / altered and the flow lines are distorted during flow. In Stromstrom to the well there is a Stromlinienscharung, in the outflow a corresponding fanning. The speed in the well is usually higher than in the environment, the flow generally laminar.
In kreisförmigen Brunnenquerschnitten bildet sich idealerweise eine axialsym- metrische Durchflussgeometrie aus, wobei die median durchlaufende Fließbahn die im umgebenden Sediment vorherrschende Fließrichtung am besten widerspiegelt. In circular well cross sections ideally an axial symmetric flow geometry is formed, whereby the median continuous flow path best reflects the prevailing flow direction in the surrounding sediment.
Die maßgeblich interessierende Fließgeschwindigkeit im umgebenden Sedi- ment kann über die Kenntnis der Fließbahnverzerrung und der üblicherweise vorliegenden Pegel-Ausbaudaten (z.B. Bohrdurchmesser, Filterrohr-Durchlässigkeit) möglichst realitätsnah ermittelt werden. In der Praxis wird diese Verzerrung mit Hilfe von bekannten Formelwerken lediglich aus den Pegel- Ausbaudaten ermittelt (der sogenannte Alpha-Faktor - siehe z.B. Moser, H. & Rauert,W. (1980): Isotopenmethoden in der Hydrologie.- in: Matthess, G. (Hrsg.): Lehrbuch der Hydrogeologie, Band 8, Berlin) . Die Anwendung dieser Formeln trägt jedoch nicht allen in der Praxis auftretenden Einflussfaktoren hinreichend Rechnung. Dies führt zu einer hohen Varianz der berechneten Fließgeschwindigkeit im Sediment - ein Grund für die untergeordnete Anwendung von Einbohrloch-Methoden. The relevant flow rate of interest in the surrounding sediment can be determined as realistically as possible by knowledge of the flow path distortion and the level analysis data usually available (eg drill diameter, filter tube permeability). In practice, this distortion is determined with the aid of known formula works only from the level-expansion data (the so-called alpha factor - see, for example, Moser, H. & Rauert, W. (1980): Isotope Methods in Hydrology.- in: Matthess, G. (Ed.): Textbook of Hydrogeology, Volume 8, Berlin). However, the application of these formulas does not sufficiently take into account all of the influencing factors that occur in practice. This leads to a high variance of the calculated Flow velocity in the sediment - a reason for the subordinate application of borehole methods.
Die Kenntnis der sich quer zur Brunnenachse ausbildenden Stromlinienverzer- rung/des Fließbahnverlaufs im Brunnenpegel ist von entscheidender Bedeu¬ tung, um die interessierende Fließgeschwindigkeit im umgebenden Sediment so realitätsnah wie möglich ableiten zu können. Knowing the extends transversely to the fountain-forming axis Stromlinienverzer- tion / of the flow trajectory in the fountain level is of crucial importance ¬ tung, in order to derive the flow rate of interest in the surrounding sediment as realistic as possible.
Bei allen Fließmessverfahren in Brunnenpegeln wird üblicherweise ein Bohr- oder Rohrabschnitt hydraulisch nach oben und unten isoliert, so dass ein zylinderförmiger Messraum gebildet wird. Bei allen bekannten bildaufnehmenden Verfahren erfolgt die optische Erfassung der Feinschwebstoffe an einem Punkt: in der axialen Mitte des durchströmbaren Messraums einer Messsonde bzw. axial in Brunnenpegeln. In all flow measurement methods in well levels, a drilling or pipe section is usually hydraulically insulated up and down so that a cylindrical measuring space is formed. In all known image-receiving methods, the optical detection of the fine particles takes place at one point: in the axial center of the flow-through measuring space of a measuring probe or axially in well levels.
Um Feinschwebstoffe bzw. mikroskopische Partikel optisch vereinzelt zu erfas¬ sen ist eine hohe optische Auflösung erforderlich. Auf Grund des erforderlichen Abbildungsmaßstabs ist bei der Verwendung von bekannten, marktverfügbaren Bildaufnahmesensoren (optischen CCD- oder CMOS-Sensoren) die Größe des betrachteten Bildfeldes dergestalt begrenzt, dass lediglich ein nur sehr begrenzter Ausschnitt aus dem Durchflussfeld erfasst werden kann, über den nicht auf das Maß und die Symmetrie der Stromlinienverzerrung über den gesamten Brunnenquerschnitt zurückgeschlossen werden kann. Es wurde folgende Lösung erdacht, um auf das Maß und die Symmetrie des radialen Stromlinienfeldes über den Brunnenquerschnitt rückschließen zu können: Es werden mehrere, über den Querschnitt des Messraums verteilte Auf¬ nahmepunkte eingerichtet, die idealerweise auf ein und derselben Höhe posi¬ tioniert und auf einer gemeinsamen Kreisbahn innerhalb des Messraums ange- ordnet sind. To Feinschwebstoffe or microscopic particles optically isolated to erfas ¬ sen high optical resolution is required. Due to the required imaging scale, the size of the field of view considered is limited when using known, commercially available imaging sensors (CCD or CMOS optical sensors) in such a way that only a very limited section of the flow field can be detected, beyond which Measure and the symmetry of streamline distortion over the entire well cross section can be deduced. The following solution has been devised in order to be able to deduce the dimension and the symmetry of the radial streamline field over the well cross-section: it can be set up multiple, distributed over the cross section of the measurement space on ¬ sample points which ideally posi ¬ tioniert on the same height and on a common circular path within the measuring space are arranged.
Um die Durchflusssituation quer zur Brunnenachse im Messraum repräsentativ abbilden zu können, welche näherungsweise der Durchflusssituation im Brun- nen ohne eingebaute Messapparatur entspricht, ist eine Mindesthöhe des Messraums bzw. eines isolierten Brunnenpegelabschnitts erforderlich . Diese Höhe ist abhängig beispielsweise von dem Kaliber des Brunnenrohres und der Größe und Anordnung der Filteröffnungen im Brunnenrohr. Die erwünschte Durchflusssituation bildet sich dann naturgemäß vorzugsweise in der vertikalen Mitte des Messraums ab. Die Bildaufnahmepositionen müssen daher idealerweise in der vertikalen Mitte des Messraums positioniert werden und liegen damit in einer vorgegebenen Distanz zum oberen und unteren Abschlusselement des Messraums. In order to represent representatively the flow situation transverse to the well axis in the measuring room, which approximates the flow situation in the well A minimum height of the measuring room or an insulated well level section is required. This height depends, for example, on the caliber of the well pipe and the size and arrangement of the filter openings in the well pipe. The desired flow situation then naturally forms preferably in the vertical center of the measuring chamber. Ideally, the image pickup positions must therefore be positioned in the vertical center of the measurement space and thus lie at a predetermined distance from the upper and lower terminus element of the measurement space.
Um aus diesen Bildaufnahmepositionen auch bei einer hohen Trübe des strömenden Mediums ein hinreichend verwertbares Abbild mit optisch vereinzelbaren Partikelpositionen sowie eine hinreichende Ausleuchtung der Betrachtungsebene zu realisieren, ist es erforderlich, die Distanz zwischen dem Betrachtungsfeld und den Fenstern, über die einerseits Licht in das strömende Medium eingebracht und über die andererseits das von den transportierten Partikeln rückgestreute Licht eingekoppelt wird, kurz zu halten . Die Strecke der optischen Übertragung durch trübes, strömendes Medium ist dann reduziert. So ist gewährleistet, dass aus dem Betrachtungsfeld rückgestreutes Licht einzelner Partikel als Lichtpunkte abbildbar ist. Gleichzeitig darf die Fließsituation hier nicht durch die Nähe optischer Elemente entscheidend beeinträchtigt werden . In order to realize a sufficiently usable image with optically isolatable particle positions as well as a sufficient illumination of the viewing plane from these image pickup positions, even at a high turbidity of the flowing medium, it is necessary, the distance between the field of view and the windows, on the one hand, light in the flowing medium introduced and on the other hand, the backscattered by the transported particles light is coupled to keep short. The distance of the optical transmission through turbid, flowing medium is then reduced. This ensures that backscattered light from individual particles can be reproduced as light points from the field of view. At the same time, the flow situation must not be significantly impaired by the proximity of optical elements.
Das distale Ende des oberen Lichtleitelements ist in der Form eines Kreiskegel- stumpfes ausgeführt (konusförmig) und die Achse des optischen Pfades verläuft senkrecht zur Basisfläche des Kreiskegelstumpfes, also der Lichteintrittsfläche, sowie der des Erfassungsbereichs. The distal end of the upper light-guiding element is designed in the shape of a circular cone stump (cone-shaped) and the axis of the optical path runs perpendicular to the base surface of the circular truncated cone, that is to say the light entry surface, and that of the detection region.
Wie oben diesbezüglich bereits angemerkt, ist es insoweit zweckmäßig, wenn die Fensteröffnungen distal an den Enden von optischen Bauelementen liegen, die beispielsweise in Form von optischen Rohren in den Messraum hineinragen und deren Enden so ausgeführt sind, dass sie konisch zur Fensterfläche hin zulaufen, wobei die Größe der Fensterfläche näherungsweise mit der Betrach¬ tungsfläche korrespond iert. As already noted above in this regard, it is expedient if the window openings are located distally at the ends of optical components which protrude, for example in the form of optical tubes into the measuring space and their ends are designed so that they taper towards the window surface run, wherein the size of the window area approximately iert with the Betrach ¬ processing area.
Um eine optisch einwandfreie Transmission für Ausleuchtung und Bilderfas- sung über liegende Fensterflächen zu gewährleisten, sind diese Fensterflächen gegenüber der horizontalen Ebene geneigt, damit das bei stationärer Messposition sich absetzende/sedimentierende Material entlang der geneigten Fensterfläche abgeführt wird . Fl ießmodell ierungsergebnisse zeigt, dass Bauformen , welche ledig lich nur von einem Abschlusselement aus in den Messraum hineinragen, die Durchfl ussgeometrie im Messraum dergestalt beeinfl ussen, dass Fl ießbahnen vertikal ausgelenkt werden und die Bauformen vorzugsweise über- bzw. unterströmt werden . Die Auslenkung der Fl ießbahnen führt zu einem vertikalen Drift der Schwebstoffe d urch die Betrachtungsflächen und insgesamt zu einer asymmetrischen, komplexeren Durchflussgeometrie im Messraum . Diese Form der Anordnung wirkt sich nachteilig auf die Messwertaufnahme sowie die Rekon¬ struktion der Durchflussgeometrie aus. Es stel lt sich die Anforderung, Bauelemente im Messraum dergestalt anzuordnen, dass einerseits keine vertikale Auslenku ng von Fl ießbahnen im Messraum erfolgt und andererseits den d urch die Bauelemente gegebenen Fl ießwiderstand im Messraum so zu verteilen, dass unabhängig von der Richtung des Anstroms in den Messraum immer ein horizontales, annähernd identisches Durchflussverhalten von der Anordnung vorgegeben wird, um die Ausbild ung einer rekonstruierbaren Durchfl ussgeometrie zu ermögl ichen . In order to ensure an optically flawless transmission for illumination and image capture over lying window surfaces, these window surfaces are inclined relative to the horizontal plane, so that the material depositing / sedimenting at the stationary measuring position is removed along the inclined window surface. Flow modeling results show that designs which only protrude into the measurement space from one end element influence the flow geometry in the measurement space such that flow paths are deflected vertically and the designs are preferably overflowed or underflowed. The deflection of the flow paths leads to a vertical drift of the suspended solids through the viewing surfaces and overall to an asymmetrical, more complex flow geometry in the measuring chamber. This type of arrangement is detrimental effect on the measured value recording and the recon ¬ constructive tion of the flow geometry. The requirement is to arrange components in the measurement space in such a way that, on the one hand, there is no vertical deflection of the flow paths in the measurement space and, on the other hand, to distribute the flow resistance in the measurement space given by the components such that, regardless of the direction of the flow into the flow chamber Measuring chamber is always given a horizontal, approximately identical flow behavior of the arrangement in order to allow the formation of a reconstructable flow geometry.
1. Der Anforderung wird mit der Erfind ung dad urch entsprochen, dass Bauelemente, welche von einem Abschlusselement in den Messraum hinein- ragen, d urch in Form und Länge näherungsweise identische Bauelemente ergänzt werden, die von dem gegenüberl iegenden Abschlusselement mög lichst oder idealerweise spiegelsymmetrisch gegenüberl iegend in den Messraum hineinragen . Simulationsergebnisse zeigen, dass diese Anord- nung den Durchfluss in der Messzelle gegenüber der vorigen Anord nung deutlich geringer beeinflusst. Vertikale Auslenkung von Fl ießbahnen treten n ur untergeordnet auf, es bildet sich eine g leichförmigere Durchfl uss¬ geometrie in der Messzelle aus. Wichtig ist, dass der Fl ießwiderstand im Vertikalprofil des Messraums g leich verteilt ist. 1. The requirement is met with the invention that components which protrude from a terminating element into the measuring space are supplemented by components which are approximately identical in shape and length, as far as possible or ideally mirror-symmetrical from the opposite terminating element projecting into the measuring room opposite. Simulation results show that these arrangements significantly less influence on the flow in the measuring cell compared to the previous arrangement. Ießbahnen vertical deflection of Fl occur for n to subordinate it forms a g leichförmigere ow ¬ geometry in the measuring cell. It is important that the flow resistance in the vertical profile of the measuring space g is evenly distributed.
2. Der Anforderung wird mit der Erfindung ferner dad urch entsprochen, dass die Anzahl der auf Kreisbahnen angeord neten, in den Messraum hineinragenden Bauelemente ungerade ist, um eine Anzahl an Positionen, die eine Vorzugsfließrichtung infolge der Abschattung d urch parallel zur An- strömung ausgerichtete Bauteile vorgeben, zu reduzieren . 2. The invention further satisfies the requirement that the number of components arranged on circular paths, projecting into the measuring space, is odd, by a number of positions which align a preferential flow direction as a result of the shading d parallel to the flow Specify components to reduce.
Die einzel nen erfind ungsgemäßen Aspekte mit den zugehörigen zu erfül lenden Anforderungen lassen sich wie folgt zusammenfassen : The individual NEN inventive aspects with the associated requirements to be fulfilled can be summarized as follows:
Erster Aspekt First aspect
Anforderung : Um aus der Durchflussgeschwindigkeit im Brunnen die Fl ießgeschwind igkeit im umgebenden Sediment so real itätsnah wie mög lich ableiten zu können, ist die Kenntnis der horizontalen Durchflussgeometrie bzw. Ver¬ zerrung der Fl ießbahnen erforderlich . Dazu muss die Form der Durchflussgeometrie erkennbar gemacht werden . Requirement: In order from the flow velocity in the well, the Fl ießgeschwind accuracy in the surrounding sediment so real itätsnah to derive as possible, please include, knowledge of the horizontal flow geometry or Ver ¬ distortion of the liquid is ießbahnen required. For this, the shape of the flow geometry must be made recognizable.
Lösu ng : Um das Maß und die Symmetrie der Fl ießbahnverzerrung ableiten zu können, erfolgt die Bildaufnahme bzw. die optische Erfassung der Fl ießbewe¬ g ung an mehreren, über den horizontalen Querschnitt des Messraums verteilten Positionen, wobei d iese Positionen idealerweise in korrespondierenden Abständen zueinander und auf Kreisbahnen angeord net sind sowie vorzugsweise in der vertikalen M itte des Messraums liegen . Durch die Kombination der an d iskreten Positionen im Messraum ermittelten Fl ießrichtungen und -geschwin- d igkeiten kann die Durchflussgeometrie dann modell haft rekonstruiert werden . Zweiter Aspekt Solu tion: To the dimension and the symmetry of the Fl to derive ießbahnverzerrung, the image pickup and the optical detection of the liquid takes place ießbewe ¬ g ung at several over the horizontal cross section of the measurement space distributed locations, where d hese positions ideally corresponding intervals to each other and on circular paths are angeord net and preferably lie in the vertical M itte the measuring space. By combining the flow directions and velocities determined at the discrete positions in the measurement space, the flow geometry can then be reconstructed in a model. Second aspect
Anforderung : Bauelemente, welche nur von einem Abschlusselement aus in den Messraum hineinragen, bedingen einen asymmetrischen Fl ießwiderstand im Messraum, der zu einer vertikalen Auslenkung der Fließbahnen führt und zu unterschiedl ichen Fl ießgeschwindigkeiten im Vertikalprofil des Messrau ms. Die Durchfl usssituation im Messraum wird damit komplexer und die Ausbild ung einer repräsentativen Stromlinienverzerrung auf der horizontalen Ebene beeinträchtigt. Es stel lt sich die Aufgabe, Bauelemente im Messraum so anzuord- nen, dass Requirement: Components which only protrude into the measuring chamber from one end element cause an asymmetric flow resistance in the measuring space, which leads to a vertical deflection of the flow paths and to different flow velocities in the vertical profile of the measuring chamber. The flow situation in the measuring room becomes more complex and the formation of a representative streamline distortion on the horizontal level is impaired. The task is to arrange components in the measuring room in such a way that
1 ) mög lichst keine vertikale Auslenkung von Fl ießbahnen im Messraum erfolgt und 1) as far as possible, there is no vertical deflection of flow paths in the measuring space and
2) den d urch die Bauelemente gegebenen Fl ießwiderstand im Messraum so zu verteilen, dass unabhängig von der Richtung des rad ialen Anstroms in den Messraum ein annähernd gleicher Fl ießwiderstand gegeben ist, um den Einfluss auf die Ausbild ung der Durchflussgeometrie d urch Bauele¬ mente gering und gleich zu halten . 2) to distribute the flow resistance in the measuring space given by the components in such a way that, regardless of the direction of the radial flow into the measuring space, an approximately equal flow resistance is provided in order to influence the formation of the flow geometry by means of compo ¬ nents low and equal to keep.
Lösung : Die Anforderung wird dad urch gelöst, dass Bauelemente, welche von einem Abschlusselement in den Messraum hineinragen, d urch in Form und Länge näherungsweise identische Bauelemente ergänzt werden, die von dem gegenüberl iegenden Abschlusselement insbesondere idealerweise spiegelsymmetrisch gegenüberl iegend in den Messraum hineinragen . Die Anzahl der auf Kreisbahnen angeord neten, in den Messraum hineinragenden Bauelemente ist ungerade, um eine Vorzugsfließrichtung infolge der Abschattung d urch paral lel zur Anströmung ausgerichtete Bauteile zu vermeiden . Solution: The requirement is solved by virtue of the fact that components which protrude from a terminating element into the measuring space are supplemented by components which are approximately identical in shape and length and project from the opposing terminating element, in particular ideally in mirror-symmetrical fashion, into the measuring space. The number of angeord Neten on circular paths, projecting into the measuring space components is odd in order to avoid a preferential flow direction due to the shading d äl paral lel to flow aligned components.
Dritter Aspekt Anforderung : Um bei sehr geringer Schwebstofffracht das rückgestreute Licht auch von den Schwebstoffen, deren Größe die optische Auflösung des bildaufnehmenden Sensors unterschreitet, in Form von verfolg baren Lichtpunkten zu registrieren, ist eine Ausleuchtung der Betrachtungsfläche mit hoher Lichtin- tensität erforderlich . Gleichzeitig darf die Ausleuchtung keine thermische Aufheizung des strömenden Med iums verursachen, um daraus resultierende kon- vektive Fl ießbeweg ungen zu unterbinden . Lösu ng : Um auch kleinste Partikel optisch kenntlich zu machen und um eine bestmögl iche Lichtausbeute zu erzielen, ist gemäß der ersten Variante eine 100%-Vorlichtstreuung zweckmäßig, was nur bei d irektem Gegenl icht u nd unter Abschattung des einstrahlenden Lichts im anschließenden Strahlengang erzielt werden kann . Daher sind die Fensterflächen fü r Ausleuchtung und Bild- Übertrag ung gegenüberliegend quer zur Betrachtungsfläche angeord net. Die Betrachtungsfläche wird dann mittels eines Laserstrahls dergestalt ausgeleuch¬ tet, dass der Strahlengang des Laserstrahls parallel zur optischen Achse des Strahlengangs des Abbildes verläuft und der Laserstrahl im Strahlengang des Abbildes fokussiert und am Fokuspunkt optisch terminiert wird . Bei der zweiten Variante lässt sich d ie Einkopplung der Voriichtstreuung (unter Vermeidung der Einkopplung des Durchl ichtanteils) des Lichtstrahl bündels realisieren, indem der Win kel des auf den Erfassungsbereich einstrahlenden Lichtbündels von der Lichterzeugungsseite zur Vorlichtstreuung- Lichtaufnahmeseite im Bereich von 0° bis 90° zur Messebene d urch den Erfassungsbereich geleitet wird . Third Aspect Requirement: In order to register the backscattered light also in the form of traceable light points from the suspended matter, whose size is less than the optical resolution of the image-sensing sensor, the illumination of the viewing area is to be monitored with high light intensity. required. At the same time, the illumination must not cause any thermal heating of the flowing medium, in order to prevent resulting convective flow movements. Solution: In order to be able to optically identify even the smallest particles and to obtain the best possible light output, according to the first variant, a 100% pre-light scattering is expedient, which is achieved only with direct counter light and shading of the incident light in the subsequent beam path can be . Therefore, the window surfaces for illumination and image transfer are opposite to the viewing surface. The viewing surface is then such ausgeleuch ¬ tet by a laser beam that the beam path of the laser beam parallel to the optical axis of the optical path of the image and focuses the laser beam in the beam path of the image and is optically terminated at the focal point. In the second variant, the coupling of the pre-light scattering (avoiding the coupling of transmitted light) of the light beam can be realized by the angle of the light beam incident on the detection area from the light generation side to the pre-light scattering light receiving side in the range of 0 ° to 90 ° to the measurement level through the coverage area.
Vierter Aspekt Fourth aspect
Anforderung : Bei hoher Trü be und bei längerem Messbetrieb kann sich in Sus¬ pension im strömenden Med ium befindl iches Material auf horizontale, liegende Fensterflächen ablagern . Dies führt zu einer optischen Abschattung und damit zu einer reduzierten optischen Transmission . Bei den Licht auskoppelnden Fenstern können infolge von thermischer Wand lung an dem abgelagerten Material unterwünschte konvektive Fl ießbewegungen an der Fensterfläche und in der Betrachtungsfläche auftreten . Requirement: At high and Trü be prolonged measuring operation can in Sus ¬ board in flowing Med ium befindl iches material deposited on horizontal surfaces lying window. This leads to an optical shading and thus to a reduced optical transmission. In the light-coupling windows may occur due to thermal Wand ment on the deposited material undesirable convective Fl ießbewegungen on the window surface and in the viewing area.
Lösu ng : Um die optische Transmission an den Fenstern für Ausleuchtung und Bilderfassung insbesondere bei längeren Verweilzeiten und im kontinuierlichen Messbetrieb zu gewährleisten, sind l iegende Fensterflächen gegenüber der ho- rizontalen Ebene geneigt, so dass sich absetzendes/sed imentierendes Material entlang der geneigten Fensterfläche g ravitativ abgeführt wird . Solution: In order to ensure the optical transmission at the windows for illumination and image acquisition, in particular for longer residence times and in continuous measurement operation, lying window surfaces are opposite to the higher windows. tilted rizontalen level so that settling / sed ententierendes material along the inclined window surface is gavatatively removed.
Fünfter Aspekt (gilt vor allem für d ie erste Variante der Erfind ung') Fifth Aspect (applies especially to th e first variant of the invent clothes')
Anforderung : Die Lichtstrahlachse wird bei der Auskoppl ung an geneigten Fenstern gebrochen und verläuft anschließend nicht mehr parallel zur optischen Achse des Messbilds. Der Laserl ichtstrahl kann dann nicht im Strahlengang der Messbildachse fokussiert und terminiert werden . Requirement: The light beam axis is broken at the Auskoppl ung slanted windows and then no longer runs parallel to the optical axis of the measurement image. The laser light beam can not then be focused and terminated in the beam path of the measurement image axis.
Lösu ng : Um die Auslenkung der optischen Achse des Laserstrahls beim Ein- und Auskoppeln in das strömende Medium zu kompensieren, sind gegenüberliegende Fensterflächen parallel zueinander ausgerichtet, so dass die an einer geneigten Fensterfläche gebrochene optische Achse des Laserstrahls beim Wiedereintritt am gegenüberl iegenden Fenster wieder parallel zur ursprünglichen optischen Achse bzw. zur optischen Achse des Messbilds geführt wird . Solution: In order to compensate for the deflection of the optical axis of the laser beam when coupling and decoupling in the flowing medium, opposite window surfaces are aligned parallel to each other, so that the refracted on an inclined window surface optical axis of the laser beam when reentry on the opposite window again parallel is guided to the original optical axis or to the optical axis of the measurement image.
Sechster Aspekt (gilt für die zweite Variante der Erfindung ') Nachteil der Lichtführung gemäß dem fünften Aspekt : Es zeigt sich, dass der die Lichteintrittsfläche passierende Durchlichtanteil sich insofern nachteilig auf die optische Ü bertragung zwischen Objekt- und Bildebene auswirken kann, als dass geringste Verschmutzungen auf der Lichtaustrittsfläche der Beleuch¬ tungseinheit, der Lichteintrittsfläche sowie auf optischen Elementen im Strah- lengang zu unerwünschten Streulichteffekten führen, welche die Bild übertrag ung überlagern können und somit die Abbildungsschärfe des übertragenen Bildes auf der Bildebene beeinträchtigen . Sixth Aspect (applies to the second variant of the invention ') drawback of the light guide according to the fifth aspect: it is apparent that which may adversely transmission affect the optical Ü between object and image plane, the light inlet surface passing through light component in the sense that the slightest soiling on the light exit surface of the lighting ¬ tion unit, the light entry surface and on optical elements in the beam path lead to unwanted scattered light effects, which can superimpose the image transfer and thus impair the image sharpness of the transmitted image on the image plane.
Resultierende Anforderung : Um dies ausschließen zu können, ist es zweckmä- ßig dafür zu sorgen , dass der den Erfassungsbereich passierende Durchl ichtanteil nicht in die gegenüberl iegende Lichteintrittsfläche fäl lt. Gleich¬ zeitig sol l eine mög lichst hohe Vorlichtstreuung ausgehend von Partikeln im Erfassungsbereich erzielt werden . Es stellt sich die Anforderung, dass das von der Beleuchtungsseite aus in den Erfassungsbereich eintretende Licht einerseits den Erfassungsbereich vollständig ausleuchtet und andererseits nicht in die Lichteintrittsfläche fällt. Resulting request: In order to exclude this, it is zweckmä- to provide SSIG that of the detection area passing Highness maybe share not lt in the gegenüberl iegende light entry surface become due direct ¬ time sol l an AS POSSIBLE high Vorlichtstreuung starting from particles in the detection region obtained. become . The requirement arises that the light entering the detection area from the illumination side, on the one hand, completely illuminates the detection area and, on the other hand, does not fall into the light entry area.
Desweiteren sollte die Distanz zwischen Lichtaustrittsfläche und Lichteintrittsfläche so gewählt sein, dass einerseits die auf der Objektebene befindlichen Partikel auch bei einer starken Trübung des zu vermessenden Mediums bzw. einer hohen Partikeldichte trennscharf abgebildet werden und andererseits die Durchflussbewegung im Erfassungsbereich durch die in das Messvolumen hineinragenden Lichtleitelemente nur unwesentlich beeinträchtigt wird . Furthermore, the distance between the light exit surface and the light entry surface should be selected such that on the one hand the particles located on the object plane are reproduced with high separation even with a strong turbidity of the medium to be measured or a high particle density and on the other hand the flow movement in the detection area by the light guide projecting into the measurement volume is only slightly affected.
Alternativer Lösungsansatz : Um dies zu erreichen, wird das von der Beleuchtungsseite kommende, typischerweise parallel zur Achse der Lichtleitelemente verlaufende Lichtbündel unmittelbar vor Erreichen des Erfassungsbereichs (der Messebene) um z. B. 20° bis 40° in Richtung des Lichtstrahls von der gemeinsamen Achse abgelenkt, so dass das Lichtbündel den Erfassungsbereich in einem Anstrahlwinkel von z. B. 70° bis 50° schneidet, wobei die Distanz zwischen Erfassungsbereich und Lichteintrittsfläche so gewählt ist, dass das so abge- lenkte Lichtbündel einerseits den Erfassungsbereich vollständig ausleuchtet und andererseits seitlich an der Lichteintrittsfläche vorbeigeleitet wird . Alternative approach: In order to achieve this, the light bundle coming from the illumination side, typically running parallel to the axis of the light-guiding elements, is deflected immediately before reaching the detection area (the measuring plane). B. 20 ° to 40 ° deflected in the direction of the light beam from the common axis, so that the light beam to the detection area in a beam angle of z. B. 70 ° to 50 °, wherein the distance between the detection area and the light entry surface is selected so that the thus deflected light beam on the one hand completely illuminates the detection area and on the other hand is guided laterally past the light entry surface.
Die Ablenkung des Lichtbündels kann beispielsweise durch ein Ablenkprisma in Form z. B. eines sogenannten "Bauernfeind"-Prismas, welches auf das distale Ende des unteren Lichtleitelements aufgebracht ist, oder durch ein Fenster mit winkliger Lichtaustrittsfläche erfolgen . The deflection of the light beam, for example, by a deflection prism in the form z. As a so-called "Bauernfeind" prism, which is applied to the distal end of the lower light-guiding element, or through a window with angled light-emitting surface.
Idealerweise liegen sich beide Lichtleitelemente axial gegenüber, können aber je nach Ausgestaltung der Lichtablenkung des Lichtbündels seitlich zueinander versetzt sein. Siebter Aspekt Ideally, both light-guiding elements are located axially opposite one another, but depending on the design of the light deflection of the light bundle, they can be laterally offset relative to one another. Seventh aspect
Anforderung : Das durchströmende Medium kann infolge einer sehr hohen Schwebstofffracht häufig trübe sein . Dies bewirkt, dass die optische Transmis- sion eingeschränkt ist. Eingebrachtes Licht zur Ausleuchtung der Betrachtungsfläche wird bei Auskopplung in das strömende Medium stark gestreut, so dass Schwebstoffe in einiger Entfernung von der Betrachtungsfläche optisch nicht mehr einzeln erfasst werden können bzw. der Kontrast der von einzelnen Partikeln rückgestreuten Lichtpunkte aufgelöst wird . Es können somit keine für die Ermittlung der Fließbewegung auswertbaren Bilder gewonnen werden . Requirement: The medium flowing through can often be cloudy due to a very high level of suspended matter. This causes the optical transmission to be restricted. Incorporated light for illuminating the viewing surface is strongly scattered when coupled out into the flowing medium, so that suspended particles can not be detected individually at some distance from the viewing surface or the contrast of the light spots backscattered by individual particles is resolved. Thus, it is not possible to obtain any images which can be evaluated for determining the flow movement.
Lösung : Eine hinreichende optische Erfassung individueller Schwebstoffe (Zuordnung von Kontrastdifferenzen) und Ausleuchtung ist nur unmittelbar an der abzubildenden Objektebene bzw. Betrachtungsfläche gegeben . Daher sind die Fensterflächen für die Bildaufnahme als auch für die Lichtauskopplung im unmittelbaren Nahbereich der Betrachtungsfläche positioniert, so dass auch bei hoher Schwebstofff rächt die auf der fokussierten Betrachtungsfläche transportierten Partikel vereinzelt abbildbar sind . Denn bei einer hohen Trübung des zu vermessenden Mediums bzw. einer hohen Partikeldichte im Medium ist zu berücksichtigen, dass das zur Abbildung der Partikel genutzte vorgestreute Licht nicht vollständig durch Streulicht anderer Partikel, welche ober- und/oder unterhalb des Erfassungsbereichs liegen, überlagert wird, wodurch die Positionserfassung der den Erfassungsbereich passierenden Partikel verhindert bzw. verschlechtert wird, da diese nicht ausreichend trennscharf auf der Bildebene abgebildet werden . Solution: Adequate optical detection of individual suspended matter (assignment of contrast differences) and illumination is only given directly at the object plane or viewing area to be imaged. Therefore, the window areas for the image recording and for the light extraction are positioned in the immediate vicinity of the viewing surface, so that even at high Schwebstofff aft the particles transported on the focused viewing surface are occasionally imaged. For with a high turbidity of the medium to be measured or a high particle density in the medium, it should be taken into account that the pre-scattered light used to image the particles is not completely superimposed by scattered light from other particles which are above and / or below the detection range, whereby the position detection of the particles passing through the detection area is prevented or worsened, since they are not sufficiently focused on the image plane.
Achter Aspekt Anforderung : Im Nahbereich der Betrachtungsfläche werden die Fließverhältnisse durch nahständig positionierte Fensterelemente negativ beeinflusst. Lösung: Um die Einflussnahme auf die Fließverhältnisse am Betrachtungsfeld durch die Fensterelemente zu reduzieren, sind die Fensterelemente so ausge¬ führt, dass die dem fließenden Medium zugewandten Fensterflächen näherungsweise in Form und Umfang der abzubildenden Betrachtungsfläche ent- sprechen und dass die Fenster bzw. die fenstertragenden Elemente konusför- mig ausgeführt sind, wobei jeweils die distale Fensterfläche die Konusspitze bildet bzw. das fenstertragende Element konisch zur Fensterfläche hin zuläuft. Eighth aspect Requirement: In the vicinity of the viewing area, the flow conditions are negatively influenced by closely positioned window elements. Solution: In order to reduce the influence on the flow conditions at the field of view through the window elements, window elements are positioned so ¬ resulting in that the flowing medium facing windows correspond approximately in the form and extent of the imaged viewing surface, and that the window or the window-bearing In each case, the distal window surface forms the cone tip or the window-carrying element tapers conically towards the window surface.
Neunter Aspekt Ninth aspect
Im Messvolumen können sich bei laminaren Strömen raumfüllende, stationäre Wirbel ausbilden. Die Ausbildung dieser Wirbel kann einen erheblichen Anteil des Messvolumens ausfüllen und somit die Durchflussgeometrie entscheidend beeinflussen, indem beispielsweise in einem Teil des Messvolumens durch die Ausbildung der stationären Wirbel der Durchfluss geblockt wird, was zu einer Erhöhung der Durchströmgeschwindigkeit in anderen Teilen des Messvolumens führt. In the measuring volume, space-filling, stationary vortices can form in laminar flows. The formation of these vortices can fill a considerable proportion of the measurement volume and thus decisively influence the flow geometry, for example by blocking the flow in a part of the measurement volume through the formation of the stationary vortices, which leads to an increase in the flow rate in other parts of the measurement volume.
Die Durchflussbewegung im Messvolumen ist infolge der Wirbelbildung somit nicht mehr einheitlich. Die Fließbewegungen in den Erfassungsbereichen sind daher nicht repräsentativ und es kann in diesem Fall nicht hinreichend genau auf die Fließbewegung im angrenzenden Gestein/Boden zurückgeschlossen werden. Es stellt sich die Anforderung, die Ausbildung von stationären Wirbeln, die ein gleichgerichtetes, laminares Strömen im Messvolumen verändern, dadurch zu unterbinden, dass der Strömungswiderstand im Messvolumen derart ist, dass das Durchflussbild im Messvolumen im Wesentlichen dem des laminaren, gleichgerichteten Durchflusses ohne Wirbelbildung entspricht. Der Strömungs- widerstand muss dabei unverändert gleich bleiben und darf sich nicht, beispielsweise durch gravitatives Absetzen von Partikeln auf den Strömungswiderstand bestimmenden Elementen, verändern. Denn der Strömungswider- stand muss bei der Ermittlung der Fl ießgeschwindigkeiten eine kalkulierbare Größe darstellen . The flow movement in the measuring volume is therefore no longer uniform due to the vortex formation. The flow movements in the detection areas are therefore not representative and in this case it can not be concluded with sufficient accuracy of the flow movement in the adjacent rock / soil. There arises the requirement to prevent the formation of stationary vortices, which change a rectified, laminar flow in the measuring volume, in that the flow resistance in the measuring volume is such that the flow pattern in the measuring volume essentially corresponds to that of the laminar, rectified flow without vortex formation , The flow resistance must remain unchanged and must not change, for example as a result of gravitational settling of particles on the elements determining the flow resistance. Because the flow resistance must be a calculable quantity when determining the flow velocities.
H ier bietet sich folgende Lösung an . Das Messvol umen wird mit einem defi- nierbaren Durchströmungswiderstand dergestalt ausgestattet, dass aus belie¬ biger Anströmrichtung heraus dem strömenden Med ium ein gleicher Widerstand entgegengesetzt wird, mit dem Ziel , dass die Passage des Mediums d urch diesen Strömungswiderstand hindurch einerseits einen einheitlich ausge¬ richteten laminaren Durchfluss im Messvol umen erzwingt und andererseits ei- nen "Offset" zur Ausbildung von raumfül lenden Wirbeln unterdrückt. This offers the following solution. The Messvol umen is equipped with a definable flow resistance such that from belie ¬ biger direction of flow out the flowing Med ium an equal resistance is offered, on the one hand a uniform be ¬ aligned with the aim that the passage of the medium d urch through this flow resistance laminar flow in the measuring volume enforces and on the other hand suppressed an "offset" to the formation of space-filling vortices.
Der Strömungswiderstand ist dazu in Form von mehreren runden Verstrebungen ausgeführt, die das Messvolumen vom oberen zum unteren Abschlusselement d urchziehen und die in mög lichst äq uid istanten Abständen zueinander und zu den Lichtelementen auf der gesamten Basisfläche der Abschlussele¬ mente verteilt angeord net sind, wobei die einzelnen Verstrebungen den g leichen Du rchmesser wie oder einen geringeren Du rchmesser als die Lichtleitelemente aufweisen . Al lgemeiner ausged rückt weisen d ie Lichtleitelemente und die Verstrebungen zueinander kongruente Querschnittsformen (vorzugsweise rund oder stromlinienförmig ) auf, wobei die Querschnittsfläche jeder Verstre¬ bung g leich der oder kleiner als die Querschnittsfläche jedes Lichtleitelements ist. The flow resistance is carried out in the form of several round braces, which pull the measuring volume from the upper to the lower end element d and the most possible equals uid constants distances to each other and to the light elements on the entire base surface of Abschlussele ¬ elements distributed angeord net, said the individual struts have the same diameter as or have a smaller diameter than the light-guiding elements. Al lgemeiner ausged advances have t he optical fiber elements and the struts to each other congruent cross-sectional shapes (preferably round or streamlined), wherein the cross-sectional area of each Verstre ¬ environment is facilitated g to or smaller than the cross-sectional area of each light-guiding element.
Die Erfind ung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Erfindung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei : The invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment and with reference to the invention. In detail, they show:
Fig . 1 schematisch die Anordnung einer erfind ungsgemäßen Messvorrichtung am Beispiel der ersten Variante in einem Brunnenpegel ( Brun¬ nenbohrloch) zur Ermittlung der Richtung und Geschwindigkeit einer Grundwasserströmung , Fig . 2 eine schematische Darstell ung der optischen, lichttechnischen Einzelbestandteile sowie des internen Aufbaus der Messvorrichtung gemäß der ersten Variante der Erfind ung und Fig n . 3 und 4 Fig. 1 schematically shows the arrangement of a measuring device erfind ungsgemäßen the example of the first variant, in a fountain level (Brun ¬ nenbohrloch) for determining the direction and speed of a groundwater flow, Fig. FIG. 2 is a schematic representation of the optical, individual lighting components and the internal structure of the measuring device according to the first variant of the invention and FIG. 3 and 4
zwei Ausführungsbeispiele für d ie zweite Variante der Erfind ung . two exemplary embodiments of the second variant of the invention.
Fig . 1 zeigt die Einsatzsituation einer erfind ungsgemäßen Messvorrichtung 10 gemäß einer ersten Variante in einem Brunnenpegel bzw. Bohrloch 12 im Erd- reich 14, um in einer vorgegebenen Tiefe 16 die strömungstechnischen Eigenschaften ( Richtung und Geschwind ig keit) der horizontalen Grundwasserströmung zu vermessen . Es sei an d ieser Stel le angemerkt, dass mehrere Messvorrichtungen 10 gemäß Fig . 1 gleichzeitig in unterschied lichen Tiefen innerhal b des Bohrlochs 12 angeord net sein können . Fig. 1 shows the application situation of a measuring device 10 according to the invention according to a first variant in a well level or borehole 12 in the earth region 14 in order to measure the fluidic properties (direction and speed) of the horizontal groundwater flow at a predetermined depth 16. It should be noted at this point that several measuring devices 10 according to FIG. 1 at the same time in different union depths within the borehole 12 can be angeord net.
Die Messvorrichtung 10 weist ein erstes oberes Abschott- bzw. Packerelement 18 und ein unteres zweites Packerelement 20 auf, die den ein Messvol umen bildenden Abschnitt zwischen den beiden Packerelementen 18,20 insoweit abschotten, als vertikal d urch das Bohrloch 12 strömendes Grundwasser die Ho- rizontalmessung nicht bzw. im Wesentlichen nicht beeinfl usst. Die beiden Abschott- oder Packerelemente 18,20 sind d urch Streben 22 miteinander verbunden . Von den Abschott- bzw. Packerelementen 18,20 stehen rohr- oder stabförmige optische Lichtleitelemente 24,26 aus lichtleitendem Material (z. B. Voll material ) oder je als Fenstertubus 25, 27 ausgebildet ab, deren Aufbau und Funktion in Kombination mit weiteren Elementen der Messvorrichtung 10 nachfolgend anhand von Fig . 2 näher erläutert werden . The measuring device 10 has a first upper Abschott- or packer element 18 and a lower second packer element 20, which seal off the measuring volume forming a section between the two packer elements 18,20 insofar as vertically through the borehole 12 flowing groundwater the Ho or not substantially affected. The two Abschott- or packer elements 18,20 are connected by struts 22 with each other. Of the Abschott- or packer elements 18,20 stand tubular or rod-shaped optical light guide 24,26 of lichtleitendem material (eg., Full material) or each as a window tube 25, 27 formed from their structure and function in combination with other elements the measuring device 10 below with reference to FIG. 2 will be explained in more detail.
Die Messvorrichtung 10 weist mehrere Paare von vorzugsweise entlang einer Kreislinie angeord neten Lichtleitelementen 24,26 auf, d ie mit den Enden 28,30 ihrer Fenstertuben 25, 27 einander gegenüberliegen (in den Fig n . sind jeweils ledig lich zwei Paare gezeigt) . Jeder Fenstertu bus 25, 27 weist an seinem Ende 28, 30 ein Fensterelement 29, 31 auf. Zwischen diesen Enden 28,30 befindet sich die Messebene 32 sowie jeweils ein Erfassungsbereich 34, die wiederum innerhalb des Messvolumens 36 zwischen den beiden Abschott- bzw. Packerelementen 18,20 angeordnet sind . Innerhalb der Messebene 32 strömt Grundwasser mit natürlichen oder künstlichen Partikeln, die es gilt, optisch zu detektieren, und zwar in Form von Sequenzen von Aufnahmen mit Hilfe einer Kamera, was nachfolgend näher erläutert wird . The measuring device 10 has a plurality of pairs of preferably along a circular line angeord Neten light-guiding elements 24,26, ie, with the ends 28,30 of their window tubes 25, 27 facing each other (in the figure n. Only two pairs are Lich shown). Each Fenstertu bus 25, 27 has at its end 28, 30 a window member 29, 31. Between these ends 28,30 is the measuring plane 32 and each a detection area 34, which in turn are arranged within the measuring volume 36 between the two Abschott- or packer elements 18,20. Within the measurement level 32, groundwater flows with natural or artificial particles that need to be optically detected, in the form of sequences of images with the aid of a camera, which will be explained in more detail below.
In diesem Ausführungsbeispiel weist das untere Abschott- bzw. Packerelement 20 eine Beleuchtungseinheit 38 auf, die als Belichtungsquelle 40 in Form einer Laserlichtquelle zur Aussendung eines Lichtstrahlbündels 42 mit parallelen Lichtstrahlen 44 ausgebildet ist. Damit das Licht der Belichtungsquelle 40 sequentiell zu den Lichtleitelementen 24 geführt werden kann, wird es von einem zentral auf einem Drehteller 46 befindlichen Prisma 48 radial nach außen umgelenkt, um dort von einem weiteren Prisma 50 durch eine Öffnung 52 in dem Drehteller 46 zur Lichteintrittsseite 53 des Lichtleitelements 24 umgelenkt zu werden . Das Licht gelangt durch den Lichtleitelement 24 (Fenstertubus 25) hindurch und tritt über eine leicht angeschrägte Lichtaustrittsseite 54 seines Fensterelements 29 aus. Das austretende Licht gelangt durch den fokussierten Erfassungsbereich 34 und wird dort teilweise an Partikeln gestreut. Dieses Vorstreulicht ist bei 56 gezeigt. In this embodiment, the lower Abschott- or packer element 20 has a lighting unit 38 which is formed as an exposure source 40 in the form of a laser light source for emitting a light beam 42 with parallel light beams 44. So that the light of the illumination source 40 can be guided sequentially to the light-guiding elements 24, it is deflected radially outward by a prism 48 located centrally on a turntable 46, from there by another prism 50 through an opening 52 in the turntable 46 to the light entrance side 53 the light guide 24 to be deflected. The light passes through the light-guiding element 24 (window tube 25) and exits via a slightly bevelled light exit side 54 of its window element 29. The exiting light passes through the focused detection area 34 and is partially scattered there on particles. This pre-scattered light is shown at 56.
Das Vorstreulicht 56 gelangt durch die Lichteintrittsseite 57 an dem Fensterelement 31 des Lichtleitelement 26 in dessen Fenstertubus 27 und aus dessen Lichtaustrittsseite 58 zu einem weiteren Umlenkprisma 59, das hinter einer Öffnung 60 eines weiteren Drehtellers 62 angeordnet ist, welcher sich in dem oberen ersten Abschott- bzw. Packerelement 18 befindet. Das UmlenkprismaThe preliminary scattered light 56 passes through the light entrance side 57 on the window element 31 of the light guide 26 in its window tube 27 and out of its light exit side 58 to another deflection prism 59, which is disposed behind an opening 60 of another turntable 62, which in the upper first Abschott- or packer element 18 is located. The deflecting prism
59 lenkt das empfangene Licht radial einwärts zum Mittelpunkt des Drehtellers 62, wo es von einem dort angeordneten Umlenkprisma 64 in Richtung auf die Bildaufnahmeebene 66 einer Kamera 68 gelangt. Die Belichtung eines Erfassungsbereichs bzw. jedes Erfassungsbereichs erfolgt über eine gewisse Zeit; während dieser Zeit wird mit der Kamera eine Bildsequenz aus dem Vorstreuungslicht aufgezeichnet. Durch Auswertung der Bilder dieser Sequenz können dann der Richtungsvektor und die Geschwindigkeit von einzelnen Partikel n, die sich während der Belichtungszeit d urch den Erfassungsbereich 34 innerhal b der Messebene 32 bewegt haben, ermittelt werden . Danach wird dann der Drehtel ler 46 schrittweise bis zum nächsten Paar von Lichtleitelement 24,26 weiterged reht. Hierzu dient ein Drehantrieb 70, der in d iesem Ausführungsbeispiel in Drehantriebseingriff mit dem Drehtel ler 46 im unteren Abschott- bzw. Packerelement 20 angeord net ist, aber ebenso gut auch im oberen Abschott- bzw. Packerelement 18 zum d rehenden Antrieb des dort befindl ichen Drehtel lers 62 angeord net sein kann . Beide Drehtel ler 46,62 sind synchronisiert, was ihre Drehung betrifft, was in d iesem Ausführungsbei- spiel d urch eine mechanische Kopplungsstange 72 erfolgt, aber ebenso g ut auch d urch eine entsprechend synchronisierte Ansteuerung zweier getrennter Antriebe für d ie Drehteller 46,62 realisiert werden könnte. 59 directs the received light radially inwardly toward the center of the turntable 62, where it passes from a deflecting prism 64 arranged there in the direction of the image recording plane 66 of a camera 68. The exposure of a detection area or each detection area takes place over a certain period; During this time, a sequence of images from the pre-scattered light is recorded with the camera. By evaluating the images of this sequence, the direction vector and the velocity of individual particles n, which have moved through the detection area 34 within the measurement plane 32 during the exposure time, can be determined. Thereafter, then the Drehtel ler 46 step by step until the next pair of light guide 24,26 rehers. Serves a rotary drive 70, which is in this embodiment in rotary drive engagement with the Drehtel ler 46 in the lower Abschott- or packer element 20 angeord net, but just as well in the upper Abschott- or packer element 18 for d rehenden drive there befindl ichen Drehtel lers 62 angeord net can be. Both turntables 46, 62 are synchronized with respect to their rotation, which is done in this embodiment by a mechanical coupling rod 72, but also by a correspondingly synchronized activation of two separate drives for the turntables 46, 62 could be realized.
Wie anhand von Fig . 2 zu erkennen ist, tritt d urch den Erfassungsbereich 34 auch derjenige Anteil des Lichtstrahl bündels 42, der nicht an Partikeln gestreut wird . Dieser Durchlichtanteil ist mit dem Bezugszeichen 74 bezeichnet und würde, wenn er von der Kamera 68 erfasst werden wü rde, d ie Bildauswertung und Bild informationen stören . Daher ist erfindungsgemäß vorgesehen, diesen Durchlichtanteil 74 d urch ein optisches Unterd rückungselement 76 herauszufil- tern . Hierbei kann es sich um ein Bauteil mit schwarzer Fläche oder aber um einen Auskoppellichtleiter 78 handel n . Die Auskoppl ung des Du rchlichtanteils 74 gelingt d urch Verwendung eines entsprechenden Linsensystems, wie beispielsweise d urch die Verwendung von Ach romaten 80, 81 im optischen Pfad 82 zwischen dem Erfassungsbereich 34 und der Kamera 68 und insbesondere vor der Umlenkung des Vorstreulichts 56, d . h . vor Austritt aus dem Lichtleitelement 26. Durch d ie beiden Achromaten 80, 81 werden der Abbildungsmaßstab sowie die Fokuspunkte von Bildebene (d . h . Messebene 32) und Abbil¬ d ungsebene ( Bildaufnahmeebene 66) festgelegt. Bei der hier beschriebenen Variante der Erfind ung mit mehreren Erfassungsbereichen 34 sind diese idealerweise entlang einer Kreislinie in der Messebene 32 angeordnet, wobei der optische Strahlengang von Lichtstrahlbündel 42 und Durchl ichtanteil 74 sowie dem bildgebenden Vorstreulichtl 56 mit Hilfe syn- chronisierter und mit Umlenkprismen 50 ausgestatteter Drehtel ler 46, 62 d urch Rotation dieser gekoppelten Drehtel ler auf den jeweiligen Erfassungsbereich 34 ausgerichtet werden kann, so dass nur eine Lichtquelle 40 und Beleuchtungseinheit 38 und nur eine Kamera 68 zur Vermessung der Strömung in mehreren Erfassungsbereiche 34 erforderl ich sind . As shown in FIG. 2, the portion 34 of the light beam 42 that does not scatter on particles also enters through the detection area 34. This transmitted light component is denoted by the reference numeral 74 and would, if it were detected by the camera 68, disturb the image evaluation and image information. Therefore, it is provided according to the invention to filter out this transmitted light component 74 d by means of an optical undershield element 76. This may be a component with a black surface or else a coupling-out optical conductor 78. The extraction of the partial light component 74 is possible by using a corresponding lens system, such as the use of achromats 80, 81 in the optical path 82 between the detection area 34 and the camera 68 and in particular before the deflection of the pre-scattered light 56, d. H . before exiting the light guide 26 through t he two achromatic lenses 80, 81, the magnification and the focal points of the image plane and Abbil ¬ d ungsebene (image pickup plane 66) to (32 d. e. reference) set. In the variant of the invention described here having a plurality of detection regions 34, these are ideally arranged along a circular line in the measurement plane 32, the optical beam path of the light beam 42 and transmitted light component 74 and the imaging preliminary scattered light 56 being synchronized with one another. rotatable and equipped with deflecting prisms 50 Drehtel ler 46, 62 d urch rotation of these coupled Drehtel ler on the respective detection area 34 can be aligned so that only one light source 40 and lighting unit 38 and only one camera 68 for measuring the flow in several detection areas 34 erforderl I am.
In Fig . 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel als eine zweite Variante der er¬ findungsgemäßen Vorrichtu ng 10' gezeigt. Soweit d ie Elemente dieser Vorrichtung 10' konstruktions- und/oder funktionsgleich zu den jeweiligen Elementen der Vorrichtung 10 der Fig . 2 sind, sind sie in Fig . 3 mit den gleichen Bezugszeichen versehen . In Fig. FIG. 3 shows a further exemplary embodiment as a second variant of the device 10 according to the invention. As far as the elements of this device 10 'construction and / or functionally identical to the respective elements of the device 10 of FIG. 2, they are in Fig. 3 provided with the same reference numerals.
Der U nterschied zwischen den Vorrichtungen 10 und 10' ist in der Art der Einkopplung des Vorstreul ichts 56 und in der Verhinderung der Einkoppl ung des Durchl ichtanteils 74 des Lichtstrahl bündels 42 gegeben, der nach dem Durchdringen des Erfassungsbereichs 34 seitlich an dem Fensterelement 31 des Lichtleitelements 26 vorbei gerichtet ist. Zu d iesem Zweck ist auf das Fensterelement 29, das als Vollzyl inder ausgebildet ist, ein Ablenkprisma 84 aufgesetzt. Die Lichtaustrittsfläche 54 des Ablenkprismas 84 ist um 30° zur Achse der Lichtleitelemente 24, 26 geneigt. Das Lichtstrahl bündel 42 wird um 60° vollständig d urch den Erfassungsbereich 34 geleitet, jedoch an der Lichteintrittsfläche 57 vorbei geleitet. Gleichzeitig verhindert die Neig ung der Lichtaustrittsfläche 54 ein gravitatives Absetzen von Schwebstoffen auf der Lichtaustrittsfläche 54. M it dem aufgesetzten Ablenkprisma 84 kann die Umlenkung des Lichtstrahl bündels 42 so real isiert werden, dass die Lichtleitelemente 24, 26 parallel gegenüber liegen . The difference between the devices 10 and 10 'is in the manner of coupling the pre-scattering light 56 and preventing the transmission of the transmitting portion 74 of the light beam 42, which, after penetrating the detection area 34, is laterally attached to the window member 31 of FIG Light guide 26 is directed past. For this purpose, a deflecting prism 84 is mounted on the window element 29, which is designed as Vollzyl indians. The light exit surface 54 of the deflection prism 84 is inclined by 30 ° to the axis of the light guide elements 24, 26. The light beam bundle 42 is completely guided through the detection area 34 by 60 °, but guided past the light entry surface 57. At the same time, tilting of the light exit surface 54 prevents gravitational settling of suspended matter on the light exit surface 54. With the attached deflection prism 84, the deflection of the light beam bundle 42 can be realized such that the light guide elements 24, 26 lie parallel to one another.
Der Vorteil der Lösung mit aufgesetzten Ablenkprismen 84 ist, dass die Lichtleitelemente 24, 26 symmetrisch gegenüber liegend angeord net werden kön- nen und die Durchflussbedingungen im Vertikal profil des Messvolumens 36 einheitlich sind . Der Strömungsverlauf im Messvol umen 36 wird nicht d urch asymmetrische Anord nungen von Baueinheiten beeinträchtigt. Es sind jedoch zusätzl iche optische Bauteile (Ablenkprismen) und damit verbundene Aufbau¬ schritte erforderlich, um die Lichtstrahlablenkung zu realisieren . The advantage of the solution with attached deflecting prisms 84 is that the light-guiding elements 24, 26 can be arranged symmetrically opposite one another and the flow conditions in the vertical profile of the measuring volume 36 are uniform. The course of flow in the measuring volume 36 is not impaired by asymmetrical arrangements of structural units. It is, however Additional cozy optical components (deflection prisms) and related structure ¬ steps required to realize the light beam deflection.
Fig . 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der zweiten Variante der erfin- d ungsgemäßen Messvorrichtung 10" . Soweit deren Elemente jeweils denjenigen der Messvorrichtungen 10 und 10' der Fig n . 2 und 3 gleichen (in Konstruktion und/oder Funktion), sind sie in Fig . 4 mit den g leichen Bezugszeichen wie in den Fign . 2 und 3 bezeichnet. Der U nterschied der Messvorrichtung 10" zur Messvorrichtung 10' ist in der Real isierung der Ablenkung des Lichtstrahl bündels 42 zu sehen, was durch das Fensterelement 29 des Lichtleitelements 24 realisiert wird . Durch die steilen (60°) Strahlungswinkel zur Ausleuchtung des Erfassungsbereichs 34 wird eine maximale Vorlichtstreuung erzielt, ohne dass das Lichtstrahl bündel 42 in die Lichteintrittsfläche 57 fällt. Fig. 4 shows a second exemplary embodiment of the second variant of the measuring device 10 "according to the invention. If their elements in each case resemble those of the measuring devices 10 and 10 'of FIGS. 2 and 3 (in construction and / or function), they are shown in FIG. 2 and 3. The difference of the measuring device 10 "to the measuring device 10 'can be seen in the realization of the deflection of the light beam bundle 42, which is realized by the window element 29 of the light guiding element 24 becomes . Due to the steep (60 °) radiation angle for illuminating the detection region 34, a maximum Vorlichtstreuung is achieved without the light beam bundle 42 falls into the light entrance surface 57.
Das obere Ende des Fensterelements 29 ( Laserstrahlaustritt) ist in zwei Flä¬ chen geteilt, die um 18° und 30° zueinander geneigt sind . Dabei ist die um 18° geneigte Fläche die (verspiegelte) Reflexionsfläche zur Umlenkung des Lichtstrahl bündels 42 und die um 30° geneigte Fläche die Lichtaustrittsfläche 54. Somit wird das Lichtstrahl bündel 42 um 60° vollständig d urch den Erfas¬ sungsbereich 34 hindu rch, jedoch an der Lichteintrittsfläche 57 vorbei geleitet. Gleichzeitig verhindert die Neig ung der Lichtaustrittsfläche 54 ein gravitatives Absetzen von Schwebestoffen auf der Lichtaustrittsfläche 54. The upper end of the window member 29 (laser beam outlet) is divided into two FLAE ¬ surfaces which are inclined to each other by 18 ° and 30 °. The inclined by 18 ° surface is the (mirrored) reflecting surface for deflecting the light beam 42 and the inclined at 30 ° surface of the light exit surface 54 will follow the light beam 42 by 60 ° entirely d urch the Erfas ¬ sungsbereich 34 Hindu rch, however, guided past the light entry surface 57. At the same time, tilting of the light exit surface 54 prevents gravitational settling of suspended matter on the light exit surface 54.
Die Lichtleitelemente 24, 26 liegen bei der Ausführung mit geneigten Fensterflächen nicht parallel gegenüber sondern seitlich versetzt, um d ie Lichtführung real isieren zu können . Dieser Versatz kann durch Ausweichen der Positionierung der Lichtleitelemente 24 auf eine Kreisl inie mit g rößerem Radius erfolgen (wie in Fig . 4 dargestellt), auf dem die unteren Lichtleitelemente 24 positio¬ niert sind, oder auch d urch einen Versatz auf dem gemeinsamen Positionsrad ius von oberen und unteren Lichtleitelementen 24, 26. Der Vorteil der Lösung mit Fenstern besteht darin, dass keine weiteren optischen Bauelemente erforderlich sind und die Lichtstrahlablenkung vorteilhaft lediglich mit einem modifizierten Fensterelement 29 realisiert werden kann. Die Lichtleitelemente 24, 26 sind nicht symmetrisch gegenüber angeordnet, was die Durchflusssituation im Messvolumen 36 nachteilig beeinflussen kann. The light guide elements 24, 26 are in the embodiment with inclined window surfaces not parallel opposite but laterally offset in order to be able to sieren the light guide real. This offset can be done by avoiding the positioning of the light guide 24 on a Kreisl inie with g rößerem radius (as shown in Fig. 4), on which the lower light guide 24 are positio ¬ ned, or even by an offset on the common position wheel ius of upper and lower light-guiding elements 24, 26. The advantage of the solution with windows is that no further optical components are required and the light beam deflection can be advantageously realized only with a modified window element 29. The light guide elements 24, 26 are not arranged symmetrically opposite, which may adversely affect the flow situation in the measuring volume 36.
B E Z U G S Z E I C H E N L I S T E E N G L I S H E S T E
10 Messvorrichtung 10 measuring device
10' Messvorrichtung 10 'measuring device
10" Messvorrichtung 10 "measuring device
12 Bohrloch 12 borehole
14 Erdreich 14 soil
16 Tiefe 16 depth
18 Packerelement/Abschottelement 18 packer element / sealing element
20 Packerelement/Abschottelement 20 packer element / Abschottelement
22 Streben 22 struts
24 (Beleuchtungs-)Lichtleitelement 24 (illumination) light guide
25 Fenstertubus 25 window tubus
26 Lichtleitelement 26 light guide
27 Fenstertubus 27 window tube
28 Lichtstrahlbündel-Austrittsende 28 light beam exit end
29 Fensterelement 29 window element
30 Streulicht-Eintrittsende 30 stray light entering end
31 Fensterelement 31 window element
32 Messebene 32 measuring level
34 Erfassungsbereich 34 coverage area
36 Messvolumen 36 measuring volumes
38 Beleuchtungseinheit 38 lighting unit
40 Belichtungsquelle 40 exposure source
42 Lichtstrahlbündel 42 light beam
44 Lichtstrahlen 44 light beams
46 Drehteller 46 turntable
48 Umlenkprisma 48 deflecting prism
50 Umlenkprismen 50 deflection prisms
52 Öffnung 52 opening
53 Lichteintrittsseite 53 light entry side
54 Lichtaustrittsfläche 54 light exit surface
56 Streulicht 56 stray light
57 Lichteintrittsfläche 57 light entry surface
58 Lichtaustrittsseite 58 light exit side
59 Umlenkprisma 59 deflecting prism
60 Öffnung 60 opening
62 Drehteller 62 turntable
64 Umlenkprisma 64 deflecting prism
66 Bildaufnahmeebene 66 image acquisition level
68 Kamera 68 camera
70 Drehantrieb 70 rotary drive
72 Kopplungsstange 72 coupling rod
74 Durchlichtanteil 74 transmitted light component
76 Unterdrückungselement 76 suppression element
78 Auskoppellichtleiter 78 output optical fiber
80 Achromaten 80 achromats
81 Achromaten 81 achromats
82 Pfad 82 Path
84 Ablenkprisma, Prisma 84 deflection prism, prism
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