DE10121137C2 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung physikalischer Parameter in Boden- und/oder Sedimentprofilen - Google Patents

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 Sus­ zeptibilitätsmeßsonde in dem Bohrloch zu positionieren, um so ein Tiefenprofil zu messen, eine derartige Messung ist jedoch aufgrund der Abmessungen der bekannten Sonden mit den bekann­ ten Verfahren und Vorrichtungen nur in Bohrlöchern größerer Durchmesser(ca. 10 cm) und größerer Tiefe (< 1 m) möglich. Zum einen führt eine Beschädigung der Bohrlochinnenwand, bei­ spielsweise durch Herausbrechen von Gesteins- oder Erd­ brocken, zu einer Unregelmäßigkeit in der Messung. Zum ande­ ren ist eine genaue Tiefenpositionierung, gerade im flachen Untergrund mit den bisherigen Sonden nicht möglich. Auch ist es möglich, ein Boden- oder Sedimentprofil zu erzeu­ gen bzw. zu graben und an einer glatten senkrechten Oberflä­ che des Profils mit bekannten Verfahren Messungen physikali­ scher Parameter (insbesondere Suszeptibilitätsmessungen) durchzuführen. Dies ist jedoch zum einen durch den Arbeits­ aufwand zur Erzeugung eines Bodenprofils sehr zeitaufwendig. Zum anderen ist auch hier eine genaue Tiefenpositionierung der Sonde schwierig zu erreichen.

Aus K. Knödel, H. Krummel, G. Lange, Geophysik, Handbuch zur Erkundung des Untergrundes von Deponien, Altlasten, Band 3, Springer Verlag 1997, ISBN 3-540-59462-0 ist eine Vorrichtung zur Vermessung von Bochlöchern bekannt, bei der eine Sonde in einem Bohrloch über ein Kabel bewegbar ist.

Aus DE 693 14 289 T2 ist eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Dabei handelt es sich um ein System zum Sammeln von Lochgrundinformation, insbesondere Druck, Temperatur, Bohrerspitzenlast, Bohrerspitzendrehmoment und Lochgrundtemperatur in einem Bohrloch, bei dem ein Bohrlochsensor innerhalb eines Rohrgestänges (Bohrgestänges) autonom bewegbar ist.

Aus DE 39 42 207 A1 und DE 195 10 114 A1 ist jeweils eine Vorrichtung zum Vermessen von Bohrlocheigenschaften bekannt, bei denen ein Messgerät in einem Gehäuse beweglich angeordnet ist.

Aus DE 195 05 855 C1 ist eine Vorrichtung zum Vermessen von Bohrungen bekannt, wobei die Sensoreinheit in einem Gehäuse angeordnet ist, das in dem Bohrloch über ein Bohrlochmesskabel verfahrbar ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen der magnetischen Suszeptibilität, bereitzustellen, mit der bzw. mit dem die Datengewinnung im flachen Untergrund ermöglicht bzw. optimiert wird.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung nach Patentan­ spruch 1 und ein Verfahren nach Patentanspruch 14.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sind insbesondere anwendbar zur Messung der magne­ tischen 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 rohrförmigen Gehäuse 2 ist ein Sensor 3 zur Messung der magnetischen Suszeptibilität vorgesehen. Der Sensor 3 ist so dimensioniert, daß er in dem rohrförmigen 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 rohrförmigen Gehäuse 2 genau bestimmt werden. Der Motor 5 ist seinerseits an einem an dem ersten Ende 2a des rohrförmigen 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 zweiten Ende 2b des Gehäuses ist eine abnehmbare, beispiels­ weise abschraubbare Verschlußkappe 12 vorgesehen, die das Gehäuse was­ ser- und feuchtigkeitsdicht abschließt. Optional ist an der Stirnseite der Verschlußkappe 12 ein Anschlagssensor 13 vorgesehen. In­ nerhalb des rohrförmigen 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 Antriebs durch den Zahnriemen 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 rohrförmigen Gehäuse 2 genau bestimmt werden kann. Die Sensorelektronik 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 und 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 Bodenoberfläche 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 Vorrichtung 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 oberen ersten Ende 2a des rohrförmigen Gehäuses 2 bis zum unteren zweiten 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 Bohrloch 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 2 6 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 (15)

1. Vorrichtung zur Messung eines physikalischen Parameters in Boden- oder Sedimentprofilen mit:
einem Sensor (3) zur Messung des physikalischen Parameters und einer Positionierungseinrichtung (4, 5, 6) zum Positionieren des Sensors in vertikaler Richtung zur Oberfläche des zu untersuchenden Boden- oder Sedimentprofiles,
wobei der Sensor in einem rohrförmigen Gehäuse (2) angeordnet ist und die Positioniereinrichtung (4, 5, 6) so ausgebildet ist, dass sie den Sensor (3) in einer Längsrichtung des rohrförmigen Gehäuses (2) innnerhalb des Gehäuses positioniert,
dadurch gekennzeichnet, daß der physikalische Parameter die magnetische Suszeptibilität ist,
dass die Länge des rohrföhrmigen Gehäuses (2) so dimensioniert ist,
dass die Messung der magnetischen Suszeptibilität bis zu einer Tiefe von etwa 1 m durchführbar ist, und
dass der Durchmesser des rohrförmigen Gehäuses (2) im Bereich bis etwa 4 cm liegt.

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 Antrieb (5, 6, 8) für die Höhenverstelleinrichtung aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Gehäuse (2) an seinem in Betriebsstellung dem Boden zugewandten Ende eine abnehmbare Abdeckung (12) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das rohrförmige (2) Gehäuse an seinem in Betriebsstel­ lung dem Boden zugewandten Ende einen Anschlagssensor (13) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das rohrförmige Gehäuse (2) an seiner Außenwand eine Abstandsskala aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das rohrförmige Gehäuse (2) und bevorzugt alle anderen Bauteile in Sensornähe aus nicht-magnetischem und nicht elektrisch leitfähigem Material gebildet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, weiter gekenn­ zeichnet durch ein inneres Rohr (21), welches in einem äußeren Rohr (22) verschiebbar ist und eine Kraftübertragungseinrichtung (25), welche an dem einen Ende der Rohre (21, 22) vorgesehen ist, zum Übertragen von Kraft auf das Innenrohr (21).

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kraftübertragungseinrichtung (25) als Deckelplatte ausgebildet ist, welche einen in das Innenrohr (21) hineinragenden Ansatz aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwi­ schen dem Außenrohr (22) und der Deckelplatte (25) eine Polsterung (27) vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, 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.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Innendurchmesser des Außenrohres (22) größer als der Außendurchmesser des rohrförmigen Gehäuses (2) der Vorrichtung (1) ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Innenrohr (21) in Längsrichtung teilbar ausgebil­ det ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Kraftübertragungseinrichtung einen Griff aufweist, womit das innere Rohr aus dem äußeren Rohr herausgezogen werden kann, während das äußere Rohr im Boden verbleibt.

14. Verfahren zum Messen der magnetischen Suszeptibilität, in Boden- oder Sedimentprofilen 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 6 mit dem rohrförmigen Gehäuse (2) in das Bohrloch (101);
Bewegen des Sensors an gewünschte vertikale Positionen innerhalb des Gehäuses (2) und Messen des physikalischen Parameters an der jewei­ ligen Position.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Bohrloch (101) mittels der Hilfsvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12 erzeugt wird, wobei das Innenrohr (21) und das Außenrohr (22) mittels der Kraftübertragungseinrichtung (25) in den Boden ein­ getrieben werden und anschließend das Innenrohr (21) herausgezogen wird, so daß nur das Außenrohr (22) im Boden verbleibt.