DE10108167C1 - Procedure for the determination of density, adiabatic compressibility and the frequency of stability in water - Google Patents
Procedure for the determination of density, adiabatic compressibility and the frequency of stability in waterInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur akustischen Bestimmung der Dichte, der adiabatischen Kompressibilität und der Stabilitätsfrequenz in Gewässern mittels eines Ultraschall-Dichte-Sensors. DOLLAR A Die Aufgabe der Erfindung, die bestehenden Nachteile bekannter Verfahren zu vermeiden und ein Verfahren zu entwickeln, mit dem eine direkte in-situ-Bestimmung der Dichte und der adiabatischen Kompressibilität in natürlichen Gewässern gewährleistet wird, wird dadurch gelöst, dass die Schallgeschwindigkeit und die akustische Impedanz mittels des Ultraschall-Sensors in situ gemessen und daraus die in-situ-Dichte und die adiabatische Kompressibilität sowie die Stabilitätsfrequenz berechnet werden.The invention relates to a method for acoustically determining the density, the adiabatic compressibility and the stability frequency in water by means of an ultrasound density sensor. DOLLAR A The object of the invention to avoid the existing disadvantages of known methods and to develop a method with which a direct in-situ determination of the density and the adiabatic compressibility in natural waters is ensured is achieved in that the speed of sound and the Acoustic impedance measured in situ using the ultrasonic sensor and from this the in situ density and the adiabatic compressibility as well as the stability frequency are calculated.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Dichte, der adiabatischen Kompressibilität und der Stabilitätsfrequenz in Gewässern entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for determining the Density, adiabatic compressibility and Stability frequency in water according to the Preamble of claim 1.
Bei sehr unterschiedlichen, inhomogenen Konzentrationen von gelösten Substanzen sind Messungen der Dichte in Binnengewässern mit der geforderten Genauigkeit über die bekannten Verfahren nur schwer oder gar nicht durchführbar.At very different, inhomogeneous concentrations of dissolved substances are measurements of the density in Inland waters with the required accuracy over the known methods difficult or not at all feasible.
Das übliche Verfahren der Berechnung von Dichte aus Messungen von Temperatur und elektrischer Leitfähigkeit verwendet eine separate Kalibrierkurve für Süßwasser, die für betrachtete Gewässer modifiziert wird. Die Dichte, auf die Bezug genommen wird, wird im Labor bestimmt.The usual method of calculating density Measurements of temperature and electrical conductivity uses a separate calibration curve for fresh water, which is modified for the water bodies under consideration. The Density referred to is determined in the laboratory certainly.
Dieses Verfahren ist für Gewässer mit einem geringen Salzgehalt und mit nur geringen lokalen und zeitlichen Schwankungen der Zusammensetzungen von gelösten Substanzen anwendbar, nicht aber für Gewässer mit großer Variabilität der Salzzusammensetzung, bedingt zum Beispiel durch starke Grundwasserzuflüsse oder Meromixis.This procedure is for waters with a minor Salinity and with little local and temporal Fluctuations in the composition of dissolved Substances applicable, but not for water with great variability of the salt composition for example due to strong groundwater inflows or Meromixis.
In Tagebauseen, in denen die Konzentration der gelösten Substanzen eine hohe Variabilität in der Vertikalen aufweist, ist eine direktere Messung der Dichte dringend erforderlich, insbesondere dann, wenn ein hoher Anteil von nicht-ionisch gelösten Substanzen enthalten ist, der mit einer Messung der elektrischen Leitfähigkeit nicht erfasst werden kann.In open pit where the concentration of the dissolved Substances have a high variability in the vertical is a more direct measurement of density urgently needed, especially if a high proportion of non-ionically dissolved substances is included with a measurement of the electrical Conductivity cannot be recorded.
Erschwerend kommt bei den Feldmessungen der Dichte hinzu, dass die Bezugswerte der Dichte nicht immer zuverlässig sind, wenn hohe Konzentrationen gelöster Gase vorliegen, die bei Druckentlastung entweichen. Die Messung wird schwierig, weil der flüchtige Anteil an der Dichte verloren geht und weil einige Gase pH- relevant sind, zum Beispiel CO2, H2S, und sich dadurch die chemischen Bedingungen der Wasserproben verändern, bevor die Dichte bestimmt ist. Zusätzliche Schwierigkeiten können entstehen, wenn zum Beispiel beim Injizieren von sauerstofffreien Proben in das Dichte-Messgerät die Proben in Kontakt mit Sauerstoff kommen.To make matters more difficult with field measurements of density, the reference values of density are not always reliable when there are high concentrations of dissolved gases that escape when the pressure is released. The measurement becomes difficult because the volatile part of the density is lost and because some gases are pH-relevant, for example CO 2 , H 2 S, and the chemical conditions of the water samples change before the density is determined. Additional difficulties can arise if, for example, when injecting oxygen-free samples into the density measuring device, the samples come into contact with oxygen.
Es ist aus der DE 195 35 848 C1 bereits ein Sensor für die Dichtemessung unter Laborbedingungen bekannt, bei dem die Abhängigkeit der Dichte von der akustischen Impedanz und der Schallgeschwindigkeit ausgenutzt wird. Die akustische Impedanz wird durch die Messung des Schallreflexionskoeffizienten an der Grenzfläche zwischen Quarzglas und der zu untersuchenden Flüssigkeit ermittelt. Die Schallgeschwindigkeit wird aus der Laufzeit des Schallimpulses durch die Flüssigkeit bestimmt.From DE 195 35 848 C1 it is already a sensor for known the density measurement under laboratory conditions, at the dependence of density on acoustic Impedance and the speed of sound is exploited. The acoustic impedance is determined by measuring the Sound reflection coefficients at the interface between quartz glass and the one to be examined Liquid detected. The speed of sound will from the duration of the sound pulse through the Liquid determined.
Der grundlegende Zusammenhang zwischen Schallgeschwin digkeit, adiabatischer Kompressibilität und Dichte ist bekannt (Gerthsen u. a.: Physik, Ein Lehrbuch zum Gebrauch neben Vorlesungen, Springer-Verlag, 14. Auflage (1982), S. 150-151).The basic relationship between speed of sound, adiabatic compressibility and density is known (Gerthsen et al.: Physics, A textbook for use in addition to lectures, Springer-Verlag, 14th edition ( 1982 ), pp. 150-151).
Aufgabe der Erfindung ist es, die bestehenden Nachteile bekannter Verfahren zu vermeiden und ein Verfahren zu entwickeln, mit dem eine direkte in-situ-Bestimmung der Dichte und der adiabatischen Kompressibilität in natürlichen Gewässern gewährleistet wird.The object of the invention is to overcome the existing disadvantages to avoid known methods and a method develop with which a direct in situ determination of the Density and the adiabatic compressibility in natural waters is guaranteed.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1.This object is achieved by the Features of claim 1.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die
Schallgeschwindigkeit und die akustische Impedanz
mittels des Ultraschall-Sensors gemessen und daraus die
in-situ-Dichte in Abhängigkeit von der Wassertiefe und
die adiabatische Kompressibilität gemeinsam bestimmt
und daraus die Stabilitätsfrequenz zu
According to the method according to the invention, the speed of sound and the acoustic impedance are measured by means of the ultrasound sensor and from this the in-situ density as a function of the water depth and the adiabatic compressibility are jointly determined and from this the stability frequency
N2 = g2(dρi-s/dp - κ.ρi-s)
N 2 = g 2 (dρ is / dp - κ.ρ is )
berechnet, wobei g die Erdbeschleunigung darstellt und p den mit der Wassertiefe zunehmenden Druck.calculated, where g represents the acceleration due to gravity and p the pressure increasing with the depth of the water.
Das wesentliche an dem neuen Verfahren ist die gemeinsame Bestimmung von in-situ Dichte, adiabatischer Kompressibilität und Druck, da man nach Gleichung (5) alle drei Größen benötigt, um die Stabilitätsfrequenz (den stabilisierenden Dichtegradienten) zu berechnen.The essence of the new process is that joint determination of in-situ density, adiabatic Compressibility and pressure because according to equation (5) all three sizes needed to maintain the stability frequency (the stabilizing density gradient).
Die Stabilitätsfrequenz kann direkt in-situ gemessen werden, ohne Verwendung des bisher üblichen Konzepts der potentiellen Dichte, welche keine observable Größe ist.The stability frequency can be measured directly in situ without using the previously used concept the potential density, which is not an observable size is.
Die adiabatische Kompressibilität kann sich als entscheidende Größe bei der Tiefenwassererneuerung in tiefen Binnengewässern und vielleicht auch dem offenen Meer erweisen.The adiabatic compressibility can prove to be crucial size for deep water renewal in deep inland waters and perhaps also the open Prove sea.
Mit dem Verfahren zur direkten Bestimmung der Dichte werden auch nicht-ionisch gelöste Substanzen in Mehrkomponenten-Gemischen berücksichtigt.With the method for direct determination of density are also non-ionically dissolved substances in Multi-component mixtures considered.
Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in den Figuren verdeutlichten Ausführungsbeispieles zur Bestimmung der in-situ-Dichte in dem Tagebausee Merseburg-Ost 1b näher erläutert werden.The invention will be explained below with reference to an embodiment illustrated in the figures for determining the in-situ density in the open-cast mine Merseburg-Ost 1 b.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des bekannten Ultraschall-Sensors zur Messung der Schall geschwindigkeit und der akustischen Impedanz, Fig. 1 is a schematic representation of the known ultrasonic sensor for measuring the speed of sound and the acoustic impedance,
Fig. 2 die graphische Darstellung der mit dem Ultraschall-Sensor nach Fig. 1 bestimmten adiabatischen Kompressibilität im Vergleich zu der berechneten adiabatischen Kompres sibilität in dem Tagebausee, Fig. 2 shows the graphical representation of the measured with the ultrasonic sensor according to Fig. 1, the adiabatic compressibility compared to the calculated adiabatic Kompres sibility in the mining lake,
Fig. 3 die graphische Darstellung der in-situ- Dichte bestimmt mit dem Ultraschall-Sensor gemäß Fig. 1 im Vergleich mit der Berechnung nach der UNESCO-Formel in dem Tagebausee nach Fig. 2 und Fig. 3 shows the graphical representation of the in situ density determined using the ultrasonic sensor according to Fig. 1 in comparison with the calculation according to the UNESCO formula in the mining lake according to Fig. 2 and
Fig. 4 die graphische Darstellung der Stabili tätsfrequenz, bestimmt aus den Werten der Dichte und der adiabatischen Kompressi bilität gemäß den Fig. 2, 3. Fig. 4 shows the graphical representation of the stability frequency, determined from the values of the density and the adiabatic compression, according to FIGS . 2, 3.
Die Dichtemessung beruht auf der Abhängigkeit der
Dichte ρi-s von akustischer Impedanz Zl τ und
Schallgeschwindigkeit cl, wobei gilt
The density measurement is based on the dependence of the density ρ is on the acoustic impedance Z l τ and the speed of sound c l , where
ρi-s = Zl/cl (1)ρ is = Z l / c l (1)
Der für industrielle Anwendungen bekannte Ultraschall-
Sensor besteht entsprechend der Darstellung in der Fig.
1 aus einer Piezokeramik 1, welche an einem
Referenzzylinder, zum Beispiel einem Quarzglaszylinder
2, befestigt ist, durch den der Ultraschallimpuls 3
geleitet wird. Die Schallwelle 3 durchquert zunächst
die Referenz, zum Beispiel das Quarzglas 2, wird dann
an der Grenzfläche 5 zur betrachteten Flüssigkeit, hier
das zu untersuchende Wasser 4, zu einem Teil 6
reflektiert (Reflektionskoeffizient R = AR/AO) und zu
einem weiteren Teil 7 in die angrenzende Flüssigkeit 4
eingestrahlt, wo der ausgesendete Impuls nach einer
gewissen Zeit tl von einem zweiten Sensor 8 nach
Durchlaufen einer Wegstrecke ll, gemessen von der
Grenzfläche 5, registriert wird. Aus diesen Daten kann
man die akustische Impedanz Zl der zu untersuchenden
Flüssigkeit 4 im Verhältnis zur bekannten akustischen
Impedanz Zg der Referenz, zum Beispiel des Quarzglases
2, bestimmen:
The ultrasonic sensor known for industrial applications, as shown in FIG. 1, consists of a piezoceramic 1 which is attached to a reference cylinder, for example a quartz glass cylinder 2 , through which the ultrasonic pulse 3 is conducted. The sound wave 3 first crosses the reference, for example the quartz glass 2 , is then reflected at the interface 5 to the liquid under consideration, here the water 4 to be examined, to a part 6 (reflection coefficient R = A R / A O ) and to another Part 7 is irradiated into the adjacent liquid 4 , where the emitted pulse is registered after a certain time t l by a second sensor 8 after traveling a distance l l , measured from the interface 5 . From this data, the acoustic impedance Z l of the liquid 4 to be examined can be determined in relation to the known acoustic impedance Z g of the reference, for example the quartz glass 2 :
Zl = (1 + R/1 - R)Zg (2)Z l = (1 + R / 1 - R) Z g (2)
Die Schallgeschwindigkeit bestimmt sich daraus zu:
The speed of sound is determined from this:
cl = ll/tl (3)c l = l l / t l (3)
Zur Messung der Amplitude A0 des ausgesendeten Ultraschallimpulses 3 ist an der Piezokeramik 1 ein zweiter Referenzzylinder, zum Beispiel Quarzglaszylinder 11, angeordnet. Die Schallwelle 3 trifft auf dieser Seite auf eine Grenzfläche 9 gegen Luft und wird an dieser Seite nahezu vollständig an der Grenzfläche, zum Beispiel Glaswand 10, reflektiert.To measure the amplitude A 0 of the emitted ultrasound pulse 3 , a second reference cylinder, for example quartz glass cylinder 11 , is arranged on the piezoceramic 1 . The sound wave 3 strikes an interface 9 against air on this side and is almost completely reflected on this side at the interface, for example glass wall 10 .
Eine Kalibriermessung in einer bekannten Flüssigkeit erlaubt die Bestimmung der physikalischen Eigenschaften des Referenzmaterials, hier des Quarzglases, wie akustische Impedanz und Schallgeschwindigkeit. Um die Temperaturabhängigkeit der Kalibrierkonstanten bei den Messungen kompensieren zu können, wird eine Temperaturmessung integriert.A calibration measurement in a known liquid allows the determination of the physical properties the reference material, here the quartz glass, like acoustic impedance and speed of sound. To the Temperature dependence of the calibration constants in the Being able to compensate for measurements becomes a Integrated temperature measurement.
Die in-situ-Dichte ρi-s kann daraus entsprechend der
Gleichung (1) direkt bestimmt werden zu
The in-situ density ρ is can be determined directly from this in accordance with equation (1)
ρi-s = Zl/cl
ρ is = Z l / c l
und die adiabatische Kompressibilität zu
κ = 1/(Zlcl) (4)and adiabatic compressibility too
κ = 1 / (Z l c l ) (4)
Die Genauigkeit beider Werte beträgt derzeit 10-3.The accuracy of both values is currently 10 -3 .
Die in-situ-Bestimmungen der Dichte wurden im Tagebausee in Merseburg-Ost 1b (Deutschland) durchgeführt, der sich durch seine extreme Salzschichtung ausweist. Der Ultraschall-Sensor wurde an einer CTD-Sonde zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit, Temperatur und Tiefe (über Druck) befestigt (Hersteller: Idronaut, Brugherio, Italien), so dass das Dichteprofil in Beziehung zur Tiefe gesetzt werden kann. Dieser See wurde gewählt wegen seines hohen Salzgehaltes (hauptsächlich NaCl) von 5 bis 25 Promille, was die Anwendung der bekannten UNESCO-Formel zur Berechnung der Dichte in bekannter Weise und die Berechnung der Salinität aus der elektrischen Leitfähigkeit und der Temperatur zum Vergleich der adiabatischen Kompressibilität mit Tabellenwerten, um die Funktionalität des neuen Verfahrens zu belegen, ermöglichte.The in-situ determination of the density was carried out in the open-cast mine in Merseburg-Ost 1 b (Germany), which is characterized by its extreme salt stratification. The ultrasound sensor was attached to a CTD probe for measuring the electrical conductivity, temperature and depth (via pressure) (manufacturer: Idronaut, Brugherio, Italy), so that the density profile can be related to the depth. This lake was chosen because of its high salinity (mainly NaCl) of 5 to 25 per mille, which means using the well-known UNESCO formula to calculate density in a known manner and calculating salinity from electrical conductivity and temperature to compare adiabatic compressibility with table values to demonstrate the functionality of the new process.
Die Fig. 2 zeigt die graphische Darstellung der adiabatischen Kompressibilität in diesem Tagebausee im Vergleich zur Bestimmung aus Tabellenwerten, errechnet nach der UNESCO-Formel aus Salinität, Temperatur und Druck. Fig. 2 shows the graphical representation of the adiabatic compressibility in this opencast lake compared to the determination from table values, calculated according to the UNESCO formula from salinity, temperature and pressure.
Fig. 3 zeigt die Dichte in Abhängigkeit von der Tiefe des Tagebausees für drei verschiedene Messmethoden: (Symbole) aus verschiedenen (drei) Tiefen entnommene Wasserproben, (dunkle Linien) ermittelt mit der Ultraschall-Sonde nach Fig. 1 und (helle Linie) über Berechnung nach der UNESCO-Formel aus der elektrischen Leitfähigkeit und der Temperatur. Fig. 3 shows the density as a function of the depth of the mining lake for three different measuring methods: (symbols) of various (three) depths water extracted samples (dark lines) determined by the ultrasonic probe of Fig 1 and (bright line) over. Calculation according to the UNESCO formula from electrical conductivity and temperature.
Die Profile der in-situ-Dichte und der adiabatischen
Kompressibilität entsprechend den Darstellungen in den
Fig. 2 und 3 ermöglichen die Berechnung der
Stabilitätsfrequenz, wie sie in der Fig. 4 in
Abhängigkeit von der Tiefe graphisch dargestellt ist,
nach der Gleichung
The profiles of the in-situ density and the adiabatic compressibility according to the representations in FIGS. 2 and 3 enable the calculation of the stability frequency, as is shown graphically in FIG. 4 as a function of depth, according to the equation
N2 = g2(dρi-s/dp - κ . ρi-s) (5)
N 2 = g 2 (dρ is / dp - κ. Ρ is ) (5)
wobei g die Erdbeschleunigung darstellt und p den mit der Wassertiefe zunehmenden Druck. Nach dieser Gleichung kann die Stabilitätsfrequenz (der stabilisierende Dichtegradient) durch direkte Messung von in-situ Dichte, Druck und adiabatischer Kompressibilität bestimmt werden. where g represents the acceleration due to gravity and p represents the the water depth increasing pressure. After this Equation, the stability frequency (the stabilizing density gradient) by direct measurement of in-situ density, pressure and adiabatic Compressibility can be determined.
11
Piezokeramik
piezoceramic
22
Referenzzylinder (Quarzglaszylinder)
Reference cylinder (quartz glass cylinder)
33
Ultraschall-Welle
Ultrasonic wave
44
Zu untersuchende Flüssigkeit (Wasser)
Liquid to be examined (water)
55
Grenzfläche
interface
66
Teil von part of
33
77
Teil von part of
33
88th
Sensor
sensor
99
Grenzfläche
interface
1010
Glaswand
glass wall
1111
Referenzzylinder (Quarzglaszylinder)
Reference cylinder (quartz glass cylinder)
Claims (1)
N2 = g2(dρi-s/dp - κ.ρi-s)
berechnet wird, wobei g die Erdbeschleunigung darstellt und p den mit der Wassertiefe zunehmenden Druck.Method for acoustically determining the density, the adiabatic compressibility and the stability frequency in water by means of an ultrasonic sensor, characterized in that the speed of sound and the acoustic impedance are measured by means of the ultrasonic sensor and from this the in-situ density as a function of the water depth and the adiabatic compressibility are determined together and from this the stability frequency
N 2 = g 2 (dρ is / dp - κ.ρ is )
is calculated, where g represents the acceleration due to gravity and p the pressure increasing with the depth of the water.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
| D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |