BE1018192A3

BE1018192A3 - Werkwijze en systeem voor het meten van een rheologische gedragsovergang.

Info

Publication number: BE1018192A3
Application number: BE2008/0341A
Authority: BE
Inventors: Marcus Philippus Maria Druyts
Original assignee: M D C E Bvba; Demco Nv
Priority date: 2008-06-20
Filing date: 2008-06-20
Publication date: 2010-07-06
Also published as: EP2136180A3; US20100147055A1; US8356515B2; EP2136180A2

Abstract

Werkwijze voor het meten van een rheologische gedragsovergang tussen een eerste laag met eerste rheologische eigenschappen, typisch een vloeibare sliblaag,en een daaronder gelegen tweede laag met verschilende tweede rheologische eigenschappen, typisch een geconsolideerde sliblaag, waarbij men een voorwerp met behulp van een kabel doorheen de eerste laag tot in de daaronder gelegen tweede laag laat zakken, waarbij een door de rheologische eigenschappen beïnvloede dynamische grootheid van de bewegende kabel met voorwerp of een verandering van deze grootheid wordt gemeten, en waarbij op basis van dit meten vastgesteld wordt wanneer het voorwerp zich in de rheologische grensovergang bevindt.

Description

Werkwijze en systeem voor het meten van een rheologische gedragsovergang

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op een werkwijze en een systeem voor het meten van een rheologische gedragsovergang tussen een eerste laag met eerste rheologische eigenschappen, typisch een vloeibare sliblaag, en een daaronder gelegen tweede laag met verschillende tweede rheologische eigenschappen, typisch een geconsolideerde sliblaag. De onderhavige uitvinding heeft in het bijzonder betrekking op een dergelijke werkwijze en systeem voor het meten van de nautische bodem op basis van een prikmeting.

In een haven of vaargeul bestaat de sliblaag doorgaans uit een vloeibare sliblaag en een geconsolideerde (vaste) sliblaag. De overgang tussen deze lagen is een rheologische gedragsovergang die beschouwd kan worden als de échte nautische bodem. Met name voor de scheepvaart is het van belang om de exacte diepte waarop deze overgang zich bevindt, te kennen.

De stand van de techniek omvat reeds een aantal technieken voor het meten van de nautische bodem, waarbij een onderscheid gemaakt wordt tussen een meting waarbij een voorwerp gesleept wordt, en een prikmeting op een bepaalde locatie.

Zo beschrijft het Belgisch octrooi met publicatienummer 1015773 op naam van Aanvraagster een oplossing waarin de nautische bodem gemeten wordt met behulp van een continu gesleept willekeurig lichaam.

Tevens is het bekend om akoestische signalen te gebruiken teneinde de diepte van de rheologische gedragsovergang te bepalen. Zoals geïllustreerd in figuren IA en 1B, leidt dit tot onnauwkeurige resultaten. Bij een relatief hoge frequentie van 210 KHz wordt het akoestisch signaal gereflecteerd bovenaan de vloeibare sliblaag 8 en niet bij de rheologische gedragsovergang 10. Bij lagere frequenties is het onzeker op welk niveau de reflectie plaatsvindt. Een dergelijke meting laat dus niet toe om nauwkeurig de locatie van de overgang te bepalen.

Verder is een zogenaamde Navitracker bekend die een open neergaande beweging uitvoert in het slib. In de Navitracker wordt de densiteit van de sliblaag gemeten met behulp van een radioactieve bron. De Navitracker kan echter niet tot in de geconsolideerde sliblaag gebracht worden en dus niet de rheologische gedragsovergang bepalen. Een analoge techniek wordt gebruikt in de zogenaamde priksondes waar de sonde doorheen de vloeibare sliblaag tot in de buurt van de vaste sliblaag gestoken wordt, terwijl de dichtheid gemeten wordt. De dichtheid bij het einde van de vloeibare sliblaag 8 is echter nagenoeg dezelfde als de dichtheid in de geconsolideerde sliblaag 9 (zie figuur IA), zodat de rheologische overgang niet nauwkeurig kan worden bepaald.

De onderhavige uitvinding heeft als doel een werkwijze en systeem van het in de aanhef genoemde type te verschaffen voor het op nauwkeurige wijze bepalen van de locatie van de rheologische gedragsovergang.

Daartoe wordt een werkwijze verschaft die zich daarin onderscheidt dat men een voorwerp met behulp van een kabel doorheen de eerste laag tot in de daaronder gelegen tweede laag laat zakken, waarbij een door de rheologische eigenschappen beïnvloede dynamische grootheid van de bewegende kabel met voorwerp of een verandering van deze grootheid wordt gemeten, en waarbij op basis van dit meten vastgesteld wordt wanneer het voorwerp zich in de rheologische grensovergang bevindt.

Wanneer men een voorwerp via een kabel laat zakken, dan komen hierbij een aantal dynamische grootheden kijken, zoals de kracht in de kabel en de snelheid waarmee men de kabel laat zakken. Deze dynamische grootheden worden mede bepaald door de rheologische eigenschappen van de lagen. Door een verandering in een dergelijke grootheid te detecteren kan dus met hoge nauwkeurigheid de locatie van de rheologische grensovergang bepaald worden; de lengte waarover men de kabel heeft laten zakken, bepaalt immers de diepte van de rheologische grensovergang.

Volgens een eerste mogelijke uitvoeringsvorm is de kracht of krachtverandering in de kabel (of een daarvoor representatieve variabele) de dynamische grootheid die gemeten wordt, en wordt de snelheid waarmee men de kabel laat zakken gecontroleerd. De snelheid wordt dan bij voorkeur binnen een bepaald bereik gehouden, welk bereik zodanig is dat de kracht in de kabel een duidelijke sprong vertoont bij overgang van de eerste naar de tweede laag. Nog meer bij voorkeur wordt de snelheid in hoofdzaak constant gehouden op een snelheid die aanzienlijk kleiner is dan de evenwichtssnelheid voor de eerste laag waarvoor de zwaartekracht van het voorwerp gelijk is aan de opwaartse kracht die het voorwerp ondervindt tijdens het zakken.

Volgens een bijzonder voordelige uitvoeringsvorm wordt de snelheid waarmee men het voorwerp laat zakken zodanig ingesteld, dat de kabel in de tweede laag slak (slap) komt, waarbij het slak zijn van de kabel wordt gemeten, bijvoorbeeld door een slappe-kabel-schakelaar.

Volgens een tweede uitvoeringsvorm wordt de snelheid waarmee de kabel zakt gemeten, terwijl de kracht in de kabel wordt gecontroleerd. Hierbij wordt de kracht in de kabel bij voorkeur binnen een bepaald bereik gehouden, welk bereik bij voorkeur zodanig gekozen is dat de snelheidsverandering bij overgang van de eerste naar de tweede laag goed meetbaar is. Nog meer bij voorkeur wordt de kracht in hoofdzaak constant gehouden op een waarde waarvoor de snelheid in de tweede laag groter is dan een bepaalde kritische waarde, en bijvoorbeeld groter is dan 0,25 m/s.

Volgens de voorkeursuitvoeringsvorm van de uitvinding heeft het voorwerp een gemiddelde densiteit die groter is dan de densiteit van de eerste laag en tevens groter is dan de densiteit van de tweede laag. Het voorwerp is bij voorkeur vervaardigd uit een vrij zwaar materiaal zoals staal, en heeft bij voorkeur een vorm die de stroming rond het voorwerp weinig hindert, zoals een bolvorm.

De onderhavige uitvinding betreft verder een systeem dat zich onderscheidt doordat dit systeem omvat: - een vier/hijsinrichting met een kabel en met controlemiddelen voor het controleren van het vieren; - een met deze kabel verbonden voorwerp met een gemiddelde dichtheid die groter is dan deze van de eerste en tweede laag; - meetmiddelen voor het meten van een door de rheologische eigenschappen beïnvloede dynamische variabele van de vier/hijsinrichting, een en andere zodanig dat uit de door de meetmiddelen gemeten dynamische variabele vastgesteld kan worden dat het voorwerp zich in de rheologische grensovergang bevindt.

Volgens een eerste uitvoeringsvorm zijn de controlemiddelen ingericht om de snelheid van het vieren te controleren, en zijn de meetmiddelen ingericht om de kracht of een krachtverandering in de kabel (of een daarvoor representatieve variabele) te meten. Dit gebeurt bij voorkeur volgens de eerste uitvoeringsvorm van de hierboven beschreven werkwijze.

In het geval van een krachtverandering kan bijvoorbeeld een slappe-reep schakelaar gebruikt worden. Een andere mogelijkheid bestaat uit het meten van een voor de kracht representatieve parameter van de motor van de vier-/hijsinrichting (spanning/stroom in het geval van een lineaire motor; druk/debiet in het geval van een hydraulische motor).

Volgens een tweede uitvoeringsvorm zijn de controlemiddelen ingericht om de kracht in de kabel te controleren tijdens het vieren, en zijn de meetmiddelen ingericht om de snelheid van het vieren te meten. Dit gebeurt bij voorkeur volgens de tweede uitvoeringsvorm van de hierboven beschreven werkwijze.

Volgens een mogelijke uitvoering is de vier-/hijsinrichting voorzien van meetmiddelen voor het meten van de lengte van de gevierde kabel.

Volgens een andere mogelijkheid waarbij zich boven de eerste laag water bevindt, is het voorwerp voorzien van drukmeetmiddelen voor het meten van de door de waterkolom uitgeoefende druk in de rheologische grensovergang, teneinde hieruit de diepte van de rheologische grensovergang af te leiden. De waterdruk kan dan bijvoorbeeld ter plaatse van het voorwerp gebracht worden door een buisje waarvan het uiteinde zich in het water boven de eerste laag bevindt.

De uitvinding zal nader toegelicht worden aan de hand van een aantal niet beperkende uitvoeringsvoorbeelden met verwijzing naar de tekening in bijlage, waarin:

Figuur IA grafieken toont van de densiteit en de viscositeit in een typische vaargeul of haven;

Figuur 1B een werkwijze van de stand van de techniek die gebruik maakt van akoestische signalen illustreert;

Figuur 2 een schematische weergave van een uitvoeringsvorm van een systeem volgens de uitvinding illustreert;

Figuur 3 een grafiek toont van de kracht in de kabel in functie van de viersnelheid voor een bol die respectievelijk gevierd wordt in water, vloeibaar slib en geconsolideerd slib;

Figuur 4 een grafiek is van de sleepcoëfficiënt in functie van desnelheid voor water, vloeibaar slib en geconsolideerd slib; en

Figuur 5(A) en (B) een schema van de op het voorwerp werkende krachten tijdens het vieren.

Een lichaam°dat in een vloeistof is ondergedompeld en vrij zwevend is, is onderworpen aan twee krachten: - een neerwaarts gerichte zwaartekracht, inwerkend op het schijnbaar gewicht van het lichaam, zijnde het eigen gewicht min het gewicht van de verplaatste vloeistof; - een opwaarts gerichte kracht veroorzaakt door de stroming van de vloeistof rond het lichaam.

De opwaarts gerichte kracht die gegenereerd wordt door de rheologische eigenschappen en in het bijzonder door de viscositeit van het materiaal waardoor het lichaam zich voortbeweegt, wordt berekend met de volgende formule:

waarbij Fv de kracht in Newton, Cd de sleepcoëf f iciënt, p de dichtheid in kg/m3, v de viersnelheid in m/s en A de oppervlakte van de doorsnede loodrecht op de viersnelheid, is. De sleepcoëfficiënt van het lichaam wordt op zijn beurt bepaald door de vorm van het lichaam, de ruwheid van.het lichaam en het Reynolds getal (de viscositeit). Figuur 4 illustreert de sleepcoëfficiënt in functie van de snelheid voor respectievelijk water, vloeibaar slib en geconsolideerd slib.

Als de opwaartse kracht gelijk is aan de neerwaartse kracht zal het lichaam met constante snelheid dalen; deze snelheid wordt de evenwichtssnelheid genoemd.

Een lichaam dat door middel van een kabel aan een vier-/hijsinrichting is vastgemaakt, zal in bepaalde gevallen nog aan een derde kracht onderworpen zijn, namelijk de kracht die uitgeoefend wordt door de kabel op het lichaam. Deze kabelkracht zal afhankelijk zijn van de snelheid waarmee de kabel wordt gevierd: - wanneer de snelheid van het vieren kleiner is dan de evenwichtssnelheid (zie figuur 5A), dan zal in de kabel een kracht Fkabei optreden die het verschil tussen de zwaartekracht Fzw en de opwaartse kracht Fv compenseert, en blijft de kabel gespannen.

- wanneer de snelheid van het vieren groter of gelijk is aan de evenwichtssnelheid (zie figuur 5B), verdwijnt de kracht in de kabel Fkabei en bij een hogere viersnelheid zal de kabel voorlopen op het lichaam, i.e. de kabel komt slak.

Uit de formule hierboven blijkt dat, bij eenzelfde viersnelheid, het lichaam in een vloeistof met hoge viscositeit een lage ophangkracht (kabelkracht) zal ondervinden, terwijl het lichaam in een vloeistof met lage viscositeit een hoge ophangkracht ondervindt. Omgekeerd geldt dat bij eenzelfde kabelkracht het lichaam zich in de vloeistof met hoge viscositeit trager zal verplaatsen dan in het lichaam met lage viscositeit.

In het geval van een vaargeul of haven zijn in de sliblaag die gelegen is onder de waterkolom 7 typisch twee fases aanwezig(zie figuur la): - de vloeibare slibfase 8 met een lage viscositeit; - de geconsolideerde slibfase 9 met een zeer hoge viscositeit.

Figuur 3 illustreert de kabelkracht in functie van de snelheid voor een voorwerp dat zich respectievelijk doorheen de waterkolom 7, doorheen de vloeibare sliblaag 8 en doorheen de geconsolideerde sliblaag 9 beweegt. Voor een constante snelheid is de kracht in de kabel aanzienlijk lager voor geconsolideerd slib in vergelijking met water of vloeibaar slib.

De hierboven beschreven fysische principes worden aangewend in de werkwijze en het systeem volgens de uitvinding dat hieronder beschreven wordt met verwijzing naar figuur 2.

Volgens het uitvoeringsvoorbeeld van figuur 2 omvat het systeem een vier-/hijsinrichting 21 met een kabel 22 aan het uiteinde waarvan een stalen bol 23 is bevestigd. De vierlij sinrichting is voorzien van middelen 24 voor het instellen van de viersnelheid v. Verder zijn middelen 25 voorzien voor het meten van de kracht in de kabel Fkabei· Tenslotte zijn meetmiddelen 26 voorzien voor het meten van de lengte van de gevierde kabel. Bij het vieren van de bol 23 in een typische vaargeul, zal deze eerst door de waterkolom 27 bewegen, en vervolgens doorheen de eerste laag 28 met lage viscositeit tot in de tweede laag 29 met hoge viscositeit.

De viersnelheid is bij voorkeur lager dan de evenwichtssnelheid in het vloeibaar slib vevi en groter dan de evenwichtssnelheid in de geconsolideerde veV2 (zie figuur 3). Op die manier zal de kabel 22 gespannen zijn wanneer de bol door de eerste laag 28 passeert, terwijl de kabel slap wordt wanneer de bol door de tweede laag 29 gaat. Een dergelijk slap worden van de kabel kan eenvoudig en nauwkeurig gemeten worden, zodanig dat de exacte locatie van de overgang tussen de eerste en de tweede laag nauwkeurig bepaald kan worden, bijvoorbeeld op basis van de metingen uitgevoerd door de meetmiddelen 26.

De vakman zal begrijpen dat de uitvinding niet beperkt is tot het hierboven beschreven uitvoeringsvoorbeeld en dat vele varianten denkbaar zijn, waarbij bijvoorbeeld de kracht in de kabel constant wordt gehouden en de verandering van de viersnelheid gemeten worden. Verder begrijpt de vakman dat de uitvinding niet beperkt is tot het meten van de nautische bodem, maar dat de werkwijze en het systeem eveneens toepasbaar zijn voor het bepalen van een willekeurige rheologische overgang tussen een eerste laag met een eerste viscositeit en een tweede laag met een tweede verschillende viscositeit. De beschermingsomvang wordt dan ook enkel bepaald door de hierna volgende conclusies.

Claims

1. Werkwij ze voor het meten van een Theologische gedragsovergang tussen een eerste laag met eerste Theologische eigenschappen, typisch een vloeibare sliblaag, en een daaronder gelegen tweede laag met verschillende tweede rheologische eigenschappen, typisch een geconsolideerde sliblaag, met het kenmerk dat men een voorwerp met behulp van een kabel doorheen de eerste laag tot in de daaronder gelegen tweede laag laat zakken, waarbij een door de rheologische eigenschappen beïnvloede dynamische grootheid van de bewegende kabel met voorwerp of een verandering van deze grootheid wordt gemeten, en waarbij op basis van dit meten vastgesteld wordt wanneer het voorwerp zich in de rheologische grensovergang bevindt.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de door de rheologische eigenschappen beïnvloede dynamische grootheid de kracht in de kabel zelf of een daarmee gekoppelde variabele is, waarbij tijdens het zakken van het voorwerp deze dynamische grootheid wordt gemeten terwijl de snelheid waarmee de kabel zakt wordt gecontroleerd.

3. Werkwijze volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de snelheid waarmee men de kabel laat zakken binnen een bepaald bereik wordt gehouden, en bij voorkeur in hoofdzaak constant wordt gehouden.

4. Werkwijze volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat men de kabel laat zakken bij een snelheid die aanzienlijk kleiner is dan een evenwichtssnelheid voor de eerste laag, voor welke evenwichtssnelheid de zwaartekracht van het voorwerp gelijk is aan de opwaartse kracht die tijdens het dalen wordt uitgeoefend op het voorwerp.

5. Werkwijze volgens één der conclusies 2-4, met het kenmerk, dat de snelheid waarmee men het voorwerp laat zakken zodanig is dat de kabel in de tweede laag slak komt, waarbij het meten van de krachtverandering in de kabel bestaat uit het detecteren van het slak zijn van de kabel.

6. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de door de rheologische eigenschappen beïnvloede dynamische grootheid de snelheid waarmee de kabel zakt, is, waarbij deze snelheid wordt gemeten terwijl de kracht in de kabel wordt gecontroleerd.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de kracht in de kabel binnen een bepaald bereik wordt gehouden, en bij voorkeur in hoofdzaak constant wordt gehouden.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat de kracht in de kabel ingesteld wordt op een waarde waarvoor de snelheid in de tweede laag groter is dan een bepaalde kritische waarde, bijvoorbeeld groter dan 0,25 m/s.

9. Werkwij ze volgens één der voorgaande conclusies waarbij de eerste laag een eerste densiteit heeft en de tweede laag een tweede densiteit heeft, met het kenmerk, dat het voorwerp een gemiddelde densiteit heeft die groter is dan de eerste en groter is dan de tweede densiteit.

10. Werkwijze volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de lengte waarover men de kabel heeft laten zakken gemeten wordt voor de toestand waarin de bepaalde verandering werd vastgesteld.

11. Systeem voor het meten van een rheologische overgang tussen een eerste laag met eerste rheologische eigenschappen, typisch een vloeibare sliblaag, en een daaronder gelegen tweede laag met tweede rheologische eigenschappen, typisch een geconsolideerde sliblaag, met het kenmerk dat het systeem omvat: - een vier/hijsinrichting met een kabel en met controlemiddelen voor het controleren van het vieren; - een met deze kabel verbonden voorwerp met een gemiddelde dichtheid die groter is dan deze van de eerste en tweede laag ; - meetmiddelen voor het meten van een door de rheologische eigenschappen beïnvloede dynamische variabele van de vier/hijsinrichting, een en andere zodanig dat uit de door de meetmiddelen gemeten dynamische variabele vastgesteld kan worden dat het voorwerp zich in de rheologische grensovergang bevindt.

12. Systeem volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat de controlemiddelen ingericht zijn om de snelheid van het vieren te controleren, en dat de meetmiddelen ingericht zijn om een variabele bepalend voor de kracht of voor een verandering van de kracht in de kabel te meten.

13. Systeem volgens conclusies 12, met het kenmerk, dat de controlemiddelen ingericht zijn om de snelheid van het vieren te controleren, en dat de meetmiddelen ingericht zijn om de kracht in de kabel te meten, waarbij het controleren, resp. meten gebeurt volgens een der conclusies 2-5.

14. Systeem volgens conclusie 11 of 12, met het kenmerk, dat de meetmiddelen een slappe-kabel-schakelaar zijn.

15. Systeem volgens één der conclusies 11-13, waarbij de vier-/hij sinrichting voorzien is van een motor, met het kenmerk, dat de meetmiddelen ingericht zijn om een parameter van de motor die representatief is voor de kracht in de kabel, te meten.

16. Systeem volgens conclusie 11, met het kenmerk, dat de controlemiddelen ingericht zijn om de kracht in de kabel te controleren tijdens het vieren, en dat de meetmiddelen ingericht zijn om de snelheid van het vieren te meten.

17. Systeem volgens conclusie 16, met het kenmerk, dat de controlemiddelen ingericht zijn om de kracht in de kabel te controleren tijdens het vieren, en dat de meetmiddelen ingericht zijn om de snelheid van het vieren te meten, waarbij het controleren, resp. meten gebeurt volgens een der conclusies 6-8.

18. Systeem volgens één der conclusies 11-17, met het kenmerk, dat de vier/hijs inrichting voorzien is van kabellengtemeetmiddelen voor het meten van de lengte van de gevierde kabel.

19. Systeem volgens één der conclusies 11-18, waarbij zich boven de eerste laag water bevindt, met het kenmerk, dat het voorwerp voorzien is van drukmeetmiddelen voor het meten van de door de waterkolom uitgeoefende druk in de rheologische grensovergang, teneinde hieruit de diepte van de rheologische grensovergang af te leiden.

20. Systeem volgens één der conclusies 11-18, met het kenmerk, dat het voorwerp een stalen bol is.