DE10121137A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung physikalischer Parameter in Boden- und/oder Sedimentprofilen - Google Patents
Vorrichtung und Verfahren zur Messung physikalischer Parameter in Boden- und/oder SedimentprofilenInfo
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Abstract
Es wird eine Vorrichtung zur Messung physikalischer Parameter, insbesondere der magnetischen Suszeptibilität, in Boden- oder Sedimentprofilen bereitgestellt, die ein rohrförmiges Gehäuse (2) aufweist, einen in dem Gehäuse angeordneten Sensor (3) zur Messung des physikalischen Parameters und eine Positionier(ungs?)einrichtung (4, 5, 6) zum Positionieren des Sensors in Längsrichtung in dem Gehäuse.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur
Messung physikalischer Parameter in Boden- und/oder Sediment
profilen.
Die Verschmutzung des Erdbodens und des Wassers beeinträchtigt
die Umwelt und die menschliche Gesundheit beträchtlich. Voraus
setzung für einen effektiven Umweltschutz ist der Nachweis und
die Überwachung von Boden- und/oder Sedimentverschmutzungen.
Aus dem Journal of Geochemical Exploration 66, 1999, Seiten
313-326, ist ein Verfahren zum Erfassen und Kartieren von Ver
schmutzungen von Straßenrändern mittels Messung der magneti
schen Suszeptibilität bekannt. Die Messung der magnetischen
Suszeptibilität erlaubt es, Bereiche zu Identifizieren, in de
nen der Boden eine höhere als die mittlere Konzentration von
Flugaschen und anderen zivilisationsverursachten Stäuben, wie
beispielsweise Stäube aus Kraftfahrzeug- und Flugzeugemissionen
oder von der Stahlproduktion enthält. Diese zivilisationsverur
sachten Verschmutzungen enthalten hochmagnetische Teilchen,
weshalb sie über eine magnetische Suszeptibilitätsmessung nach
gewiesen werden können. Mit dem bekannten Verfahren ist es jedoch
nur möglich, die Oberfläche des Bodens bzw. Sediments zu
vermessen.
Zwar ist es möglich, ein Bohrloch zu erzeugen und eine Suszep
tibilitätsmeßsonde in dem Bohrloch zu positionieren, um so ein
Tiefenprofil zu messen, eine derartige Messung ist jedoch auf
grund der Abmessungen der bekannten Sonden mit den bekannten
Verfahren und Vorrichtungen nur in Bohrlöchern größerer Durch
messer(ca. 10 cm) und größerer Tiefe (< 1 m) möglich. Zum einen
führt eine Beschädigung der Bohrlochinnenwand, beispielsweise
durch Herausbrechen von Gesteins- oder Erdbrocken, zu einer Un
regelmäßigkeit in der Messung. Zum anderen ist eine genaue Tie
fenpositionierung, gerade im flachen Untergrund mit den bishe
rigen Sonden nicht möglich.
Auch ist es möglich, ein Boden- oder Sedimentprofil zu erzeugen
bzw. zu graben und an einer glatten senkrechten Oberfläche des
Profils mit bekannten Verfahren Messungen physikalischer Para
meter (insbesondere Suszeptibilitätsmessungen) durchzuführen.
Dies ist jedoch zum einen durch den Arbeitsaufwand zur Erzeu
gung eines Bodenprofils sehr zeitaufwendig. Zum anderen ist
auch hier eine genaue Tiefenpositionierung der Sonde schwierig
zu erreichen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein
Verfahren zum Messen von physikalischen Parametern, insbesonde
re der magnetischen Suszeptibilität, bereitzustellen, mit der
bzw. mit dem die Datengewinnung im flachen Untergrund ermög
licht bzw. optimiert wird.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Patentan
spruch 1 und ein Verfahren nach Patentanspruch 15. Weiterbil
dungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Ver
fahren sind insbesondere anwendbar zur Messung der magnetischen
Suszeptibilität in Boden- und/oder Sedimentprofilen bis zu einer
Tiefe von etwa 1 Meter. Außer der magnetischen Suszeptibi
lität können noch andere physikalische Parameter, wie bei
spielsweise elektrische Leitfähigkeit, radioaktive Strahlung,
Dichte, und/oder Bodenfarbe mit der Vorrichtung und dem Verfah
ren gemessen werden.
Es folgt die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der
Figuren. Von den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Dar
stellung der Meßvorrichtung;
Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung
einer Hilfsvorrichtung zum Positionie
ren der Meßvorrichtung; und
Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung
eines Teils der Hilfsvorrichtung nach
Fig. 2.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1
zur Messung der magnetischen Suszeptibilität. Die Vorrichtung
weist ein rohrförmiges Gehäuse 2 auf mit einem ersten Ende 2a
und einem diesem gegenüberliegenden zweiten Ende 2b und einer
Länge, die größer ist als der zu messende Tiefenbereich des Bo
dens. Bevorzugt ist die Vorrichtung 1 zur Messung der magneti
schen Suszeptibilität bis zu einer Tiefe von etwa 1 Meter ge
eignet, so daß das rohrförmige Gehäuse 2 eine Länge aufweist,
die größer als 1 Meter ist. Der Durchmesser des rohrförmigen
Gehäuses liegt im Bereich von wenigen Zentimetern, beispiels
weise etwa 4 cm. In dem Gehäuse 2 ist ein Sensor 3 zur Messung
der magnetischen Suszeptibilität vorgesehen. Der Sensor 3 ist
so dimensioniert, daß er in dem Gehäuse 2 in Längsrichtung po
sitionierbar ist. Zum Einstellen der Position des Sensors 3 ist
ein Positionierungssystem, bestehend aus einer Höheneinstell
vorrichtung und einem dazugehörigen Antrieb vorgesehen. Die Höheneinstellvorrichtung
beinhaltet in der in Fig. 1 gezeigten
Ausführungsform einen sich durch das rohrförmige Gehäuse 2 von
seinem ersten Ende 2a bis nahe zu seinem zweiten Ende 2b er
streckenden Zahnriemen 4, der über einen an dem ersten Ende 2a
angeordneten Motor 5 und ein mit diesem verbundenes Getriebe 6
angetrieben wird. Die Stellung der Motorachse wird über einen
Sensor bestimmt. Daraus kann über das Übersetzungsverhältnis
des Getriebes die vertikale Position des Sensors in dem Gehäuse
2 genau bestimmt werden. Der Motor 5 ist seinerseits an einem
an dem ersten Ende 2a des Gehäuses 2 angeordneten Steuerblock 7
angebracht, der eine Motorsteuerung 8, eine Sensorelektronik 9,
eine Stromversorgung 10 und eine Schnittstelle 11 zur Verbin
dung mit einer Datenverarbeitungseinrichtung zur Steuerung des
Meßablaufs und zur Datenaufzeichnung umfaßt. An dem gegenüber
liegenden Ende 2b des Gehäuses ist eine abnehmbare, beispiels
weise abschraubbare Kappe 12 vorgesehen, die das Gehäuse was
ser- und feuchtigkeitsdicht abschließt. Optional ist an der
Stirnseite der Kappe 12 ein Anschlagssensor 13 vorgesehen. In
nerhalb des Gehäuses 2 sind ferner Meß- und Steuerleitungen
zwischen dem Sensor 3 und der Sensorelektronik 9 und der Strom
versorgung 10 geführt.
Es ist ferner ein nicht dargestellter Sensor zur Bestimmung der
Stellung der Motorachse vorgesehen. Die Motorsteuerung 8 ist so
ausgebildet, daß in Abhängigkeit von mittels der Schnittstelle
11 übertragenen vorgegebenen Positionen der Sensor 3 mittels
des Zahnriemenantriebes 4 an vorgegebene Positionen innerhalb
des rohrförmigen Gehäuses 2 gefahren werden kann, wobei aus der
Stellung der Motorachse über das Übersetzungsverhältnis des Ge
triebes die vertikale Position des Sensors 3 im Gehäuse 2 genau
bestimmt werden kann. Die Meßelektronik 9 ist so ausgebildet,
daß die mittels des Sensors 3 gemessenen Werte an die Schnitt
stelle 11 übergeben werden und der Datenverarbeitungseinrich
tung zugeführt werden, wo sie weiterverarbeitet werden können.
Die Genauigkeit der Positionierung und damit der Messung be
trägt etwa 1 mm. Da die Auflösung des Sensors in dieser Ausführungsform
nur etwa 2 cm beträgt, wird die resultierende verti
kale Auflösung für die Suszeptibilitätsmessung dadurch be
stimmt. Mit Modellierung kann dann eine Genauigkeit von ca. 1 cm
erreicht werden.
Das rohrförmige Gehäuse 2 und alle anderen Bauteile in der Nähe
des Sensors wie z. B. der Zahnriemen 4, die Verschlußkappe 12
sind aus einem nicht-magnetischen und nicht elektrisch leitfä
higem Material, wie beispielsweise Kunststoff gefertigt. An
seiner Außenseite ist vorteilhafterweise eine Abstandsskala an
gebracht.
Im Betrieb wird in dem Untersuchungsobjekt, beispielsweise ei
nem Boden, einem See- oder Flußsediment oder einem Gestein mit
einem geeigneten Verfahren, beispielsweise Bohren, Stechen oder
Rammen, ein sich von der Oberfläche 100 bis in eine vorbestimm
te Tiefe erstreckendes Bohrloch 101 eines passenden Durchmes
sers, der etwas größer ist, als der Durchmesser des Gehäuses 2
der Vorrichtung erzeugt. Die Meßvorrichtung 1 wird sodann mit
dem rohrförmigen Gehäuse in das Bohrloch 101 eingeführt, bis
das untere Ende des rohrförmigen Gehäuses am Grund des Bohr
lochs anliegt. Da das rohrförmige Gehäuse 2 länger ist als die
Tiefe des Bohrloches, liegen ein Abschnitt des rohrförmigen Ge
häuses 2, der Steuerblock 7 und der Motor 5 in einem Abstand
oberhalb der Bodenoberfläche 100 und sind einer Bedienung
leicht zugänglich. Die Steuerung des Meßablaufs und die Auf
zeichnung der Meßdaten erfolgt in Echtzeit über einen an die
Schnittstelle 11 angeschlossenen Computer, der bevorzugt ein
Notebook ist. Der Sensor 3 wird mit Hilfe des Positionierungs
systems innerhalb des rohrförmigen Gehäuses in das zu vermes
sende Profil eingeführt und die gewonnenen Meßdaten werden in
geeigneten kurzen Abständen, zum Beispiel ein Meßwert pro Mil
limeter zusammen mit der vertikalen Position des Sensors 3 im
Computer abgespeichert und in Echtzeit graphisch dargestellt.
Während eines Meßlaufs wird das Profil zweimal oder mehrfach
durchfahren, beispielsweise vom ersten, oberen Ende 2a des
rohrförmigen Gehäuses 2 bis zum zweiten, unteren Ende 2b und
wieder zurück, wodurch Positionierungsfehler aufgrund von
Schlupf minimiert werden. Falls erforderlich wird eine Null
punktseichung vorgenommen, bei der als Nullpunkt die Position
des Sensors an der Bodenoberfläche 100 bestimmt wird. Dies er
folgt in einer Ausführungsform aus den Meßdaten, aus denen ein
Übergang von der Atmosphäre in den Boden ersichtlich ist. In
einer abgewandelten Ausführungsform kann manuell der aus über
die Bodenoberfläche 100 herausragende Abschnitt des rohrförmi
gen Gehäuses 2 an der angebrachten Längenskala abgemessen und
manuell in das Steuerungs-(Meßdaten-Erfassungs)programm am Com
puter eingegeben werden.
Abwandlungen der Vorrichtung sind möglich. Beispielsweise kann
der Antrieb anstelle über einen Zahnriemen über einen Keilrie
men oder eine Spindel erfolgen.
Die Vorrichtung weist den Vorteil auf, daß die Messung von Bo
denprofilen an beliebigen Standorten und zu beliebigen Bedin
gungen erfolgen kann. Die vertikale Auflösung der Positionie
rung ist nahezu beliebig genau einstellbar, wobei die Empfind
lichkeit der Messung durch das Verhalten des Sensors bestimmt
wird, der über ein gewisses Volumen integriert. Mit dem verwen
deten Suszeptibilitätssensor wird eine vertikale Auflösung von
ca. 1 bis 2 cm erreicht. Da die Sonde in einem Rohr geführt
wird, kann eine Messung beliebig oft wiederholt werden, ohne
das Profil zu stören, solange das rohrförmige Gehäuse 2 noch in
das Loch 101 eingesteckt ist.
Eine weitere Ausführungsform wird nun anhand der Fig. 2 und
3 beschrieben. Fig. 2 zeigt eine Hilfsvorrichtung 20 zum Erzeu
gen des Bohrloches 101. Die Hilfsvorrichtung 20 besteht aus ei
nem Innenrohr 21, beispielsweise aus einem Metall wie Edelstahl
und einem Außenrohr 22 aus unmagnetischem, nicht leitendem Ma
terial, wie beispielsweise Kunststoff, PVC oder ähnlichem. Die
Durchmesser von dem Innenrohr 21 und dem Außenrohr 22 sind so
bemessen, daß das Innenrohr 21 in dem Außenrohr 22 verschiebbar
ist. Der Innendurchmesser des Außenrohres 22 ist geringfügig
größer als der Außendurchmesser des rohrförmigen Gehäuses 2 der
Vorrichtung 1. Die Länge der Rohre ist größer als die Tiefe des
zu erzeugenden Bohrloches 101 und entspricht etwa der Länge des
rohrförmigen Gehäuses 2 der Vorrichtung 1. An ihrem einen Ende
sind das Innenrohr 21 und das Außenrohr 22 über ein ringförmi
ges Endstück 23 miteinander verbunden, welches an dem Innen-
und dem Außenrohr gewandten Ende einen scharfen Rand 24 zum
Eindringen in den Untergrund aufweist. Das Endstück ist aus
hartem nicht-magnetischem und idealerweise auch nicht elek
trisch leitfähigem Material z. B. Keramik, GFK, Hartplastik
oder ähnlichem gebildet. An dem Endstück 23 gegenüberliegenden
Ende sind das Innenrohr 21 und das Außenrohr 22 über eine
Schlagplatte 25 verbunden, welche einen in das Innenrohr 21
hineinragenden Ansatz 26 aufweist und die an ihrer dem Außen
rohr 22 zugewandten Seite im Bereich des Randes des Außenrohres
22 eine Gummidichtung 27 aufweist, die bezweckt, daß die auf
die Schlagplatte 25 einwirkende Schlagenergie auf das Innenrohr
21 übertragen wird, an dem die Schlagplatte anliegt und verhin
dert, daß das Außenrohr 22 beschädigt wird.
Im Betrieb wird die Hilfsvorrichtung 20 durch Einschlagen bzw.
Einrammen oder Eindrücken in den Boden getrieben. Hierzu wird
mit einem Hammer, Fäustl, Vorschlaghammer oder einem Rüttler
auf die Schlagplatte 25 eingewirkt, bis die Rohre auf die vor
bestimmte Tiefe in den Boden eingetrieben sind. Anschließend
wird das Innenrohr aus Metall entweder von Hand oder mit einer
geeigneten Ziehvorrichtung wie z. B. einem Flaschenzug heraus
gezogen und in das in dem Boden verbleibende Außenrohr 22, wel
ches in Fig. 3 dargestellt ist, wird das rohrförmige Gehäuse 2
der Meßvorrichtung 1 eingesetzt und die Messung durchgeführt.
Damit ist das Bohrloch 101 durch das Außenrohr 22 ausgekleidet,
so daß kein Material aus der Bohrlochwand ausbrechen kann.
In dem herausgezogenen Innenrohr 21 verbleibt beim Herausziehen
eine Boden-, Sediment- bzw. Gesteinsprobe, die nach Herauslösen
aus dem Innenrohr 21 für anderweitige Messungen verwendet werden
kann. In einer Weiterbildung ist das Innenrohr in seiner
Längsrichtung teilbar ausgebildet, so daß es nach Entnahme aus
dem Außenrohr 21 auseinander geklappt werden kann und so die
darin enthaltene Probe leicht herausholbar ist.
Claims (16)
1. Vorrichtung zur Messung physikalischer Parameter, insbe
sondere der magnetischen Suszeptibilität, in Boden- oder Sedi
mentprofilen mit:
einem rohrförmigen Gehäuse (2),
einem in dem Gehäuse (2) angeordneten Sensor (3) zur Messung des physikalischen Parameters, und
einer Positionierungseinrichtung (4, 5, 6) zum Positionieren des Sensors (3) in einer Längsrichtung des Gehäuses (2).
einem rohrförmigen Gehäuse (2),
einem in dem Gehäuse (2) angeordneten Sensor (3) zur Messung des physikalischen Parameters, und
einer Positionierungseinrichtung (4, 5, 6) zum Positionieren des Sensors (3) in einer Längsrichtung des Gehäuses (2).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Positionierungseinrichtung eine Höhenverstelleinrichtung
(4) zum Einstellen der in Betriebsstellung vertikalen Position
des Sensors (3) in dem rohrförmigen Gehäuse (2) und einen An
trieb (5, 6, 8) für die Höhenverstelleinrichtung aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, daß das rohrförmige Gehäuse (2) an seinem in Betriebsstel
lung dem Boden zugewandten Ende eine abnehmbare Abdeckung (12)
aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß das rohrförmige Gehäuse an seinem in Be
triebsstellung dem Boden zugewandten Ende einen Anschlagssensor
(13) aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß das rohrförmige Gehäuse an seiner Außenwand
eine Abstandsskala aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Sensor (3) ein Sensor zur Messung der ma
gnetischen Suszeptibilität ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
das rohrförmige Gehäuse (2) und bevorzugt alle anderen Bauteile
in Sensornähe aus nicht-magnetischem und nicht elektrisch
leitfähigem Material gebildet ist.
8. Hilfsvorrichtung zum Erzeugen eines Bohrlochs für die Vor
richtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch
ein inneres Rohr (21), welches in einem äußeren Rohr (22) ver
schiebbar ist und einer Kraftübertragungseinrichtung (25), wel
che an dem einen Ende der Rohre (21, 22) vorgesehen ist, zum
Übertragen von Kraft auf das Innenrohr (21).
9. Hilfsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Kraftübertragungseinrichtung (25) als Deckelplatte aus
gebildet ist, welche einen in das Innenrohr (21) hineinragenden
Ansatz aufweist.
10. Hilfsvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem Außenrohr (22) und der Deckelplatte (25) eine
Polsterung (27) vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß an dem der Kraftübertragungseinrichtung (25)
gegenüberliegenden Ende des Außenrohres ein Endstück (23) mit
einem scharfen Rand (24) zum Eindringen in den Boden vorgesehen
ist.
12. Hilfsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, da
durch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des Außenrohres
(22) größer als der Außendurchmesser des rohrförmigen Gehäuses
(2) der Vorrichtung (1) ist.
13. Hilfsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, da
durch gekennzeichnet, daß das Innenrohr (21) in Längsrichtung
teilbar ausgebildet ist.
14. Hilfsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß die Kraftübertragungseinrichtung einen
Griff aufweist, womit das innere Rohr aus dem äußeren Rohr her
ausgezogen werden kann, während das äußere Rohr im Boden ver
bleibt.
15. Verfahren zum Messen physikalischer Parameter, insbesonde
re der magnetischen Suszeptibilität, in Boden- oder Sediment
profilen mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis
13, gekennzeichnet durch die Schritte
Vorbereiten eines Bohrloches (101);
Einsetzen der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit dem rohrförmigen Gehäuse (2) in das Bohrloch (101);
Bewegen des Sensors an gewünschte vertikale Positionen inner halb des Gehäuses (2) und Messen des physikalischen Parameters an der jeweiligen Position.
Vorbereiten eines Bohrloches (101);
Einsetzen der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit dem rohrförmigen Gehäuse (2) in das Bohrloch (101);
Bewegen des Sensors an gewünschte vertikale Positionen inner halb des Gehäuses (2) und Messen des physikalischen Parameters an der jeweiligen Position.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
das Bohrloch (101) mittels der Hilfsvorrichtung nach einem der
Ansprüche 8 bis 13 erzeugt wird, wobei das Innenrohr (21) und
das Außenrohr (22) mittels der Kraftübertragungseinrichtung
(25) in den Boden eingetrieben werden und anschließend das In
nenrohr (21) herausgezogen wird, so daß nur das Außenrohr (22)
im Boden verbleibt.
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE2001121137 DE10121137C2 (de) | 2001-04-30 | 2001-04-30 | Vorrichtung und Verfahren zur Messung physikalischer Parameter in Boden- und/oder Sedimentprofilen |
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8304 | Grant after examination procedure | ||
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