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Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung mit mindestens einer Sonde zur in-situ Entnahme von gasförmigem Wasser oder anderer Gase, wie beispielsweise Kohlendioxid und/oder Stickstoffverbindungen, aus einem Medium, insbesondere aus einem porösen Medium, wie dem Erdboden, wobei die Sonde ein Sondengehäuse mit einer darin befindlichen Diffusions- und/oder Advektionskammer aufweist, die durch mindestens eine poröse, für gasförmiges Wasser durchlässige Wandung begrenzt ist, wobei die Diffusions- und/oder Advektionskammer einen Gasauslass aufweist, der über eine Ableitung mit einem Analysegerät zur Bestimmung der Isotopensignatur eines in der Diffusions- und/oder Advektionskammer befindlichen Gases verbunden ist, mit mindestens einer Pumpe zum Fördern des Gases vom Gasauslass zum Analysegerät, wobei in der Ableitung mit Abstand zu deren von der Diffusions- und/oder Advektionskammer entferntem Ableitungsende ein Mischer angeordnet ist, der eine Mischkammer mit einem Gaseinlass aufweist, der mit einer Gasquelle für ein Trockengas verbunden ist, wobei die Mischkammer über einen ersten Ableitungsabschnitt mit der Diffusions- und/oder Advektionskammer und über einen zweiten Ableitungsabschnitt mit dem von der Diffusions- und/oder Advektionskammer entfernten Ableitungsende der Ableitung verbunden ist, wobei der Gaseinlass in die Mischkammer mündet und mit einer ersten Zuleitung für das Trockengas verbunden ist, wobei der Gaseinlass in der Mischkammer von dem ersten Ableitungsabschnitt und dem zweiten Ableitungsabschnitt beabstandet ist.
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Eine Sonde für eine derartige Messvorrichtung ist aus
US 5 889 217 bekannt. Bei dieser Sonde dringt das zu untersuchende Gas durch die poröse Wandung hindurch in die Advektionskammer ein. Von dort gelangt das Gas durch den ersten Ableitungsabschnitt hindurch in die oberhalb der Advektionskammer angeordnete Mischkammer. Sobald die Mischkammer gefüllt ist, wird das Gas durch den zweiten Ableitungsabschnitt hindurch aus der Mischkammer abgeleitet. Dazu wird ein Unterdruck an den zweiten Ableitungsabschnitt angelegt und gleichzeitig wird ein unter Druck stehendes Inertgas über die erste Zuleitung in die Mischkammer eingeleitet. Durch diese Maßnahme wird das Proben-Gas in den zweiten Ableitungsabschnitt verdrängt Die Einlassöffnung des zweiten Ableitungsabschnitts ist derart am Boden der Mischkammer angeordnet, dass sie der Auslassöffnung des ersten Ableitungsabschnitts direkt gegenüberliegt.
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Die vorbekannte Messvorrichtung hat den Nachteil, dass sie für kontinuierliche oder diskrete Feldmessungen praktisch nicht geeignet ist, weil kein gleichmäßig verdünnter Gasstrom herzustellen ist oder ein solcher erst nach einem längeren Zeitraum erreicht wird, während dem sich die zu messende Konzentration im Medium schon wieder geändert haben könnte. Ungünstig ist außerdem, dass in dem aus der Advektionskammer entnommenen Gas aufgrund der darin enthaltenen Feuchtigkeit, die bei Gasentnahme etwa im Erdboden ebenso wie zum Beispiel in einem Wasserkörper typischerweise etwa der Wasserdampfsättigung bei gegebener Temperatur am Ort der Probeentnahme entspricht, beim Transport von der Diffusions- und/oder Advektionskammer zum Analysegerät in der Ableitung kondensieren kann, wenn zumindest ein Teilbereich der Ableitung kälter ist als das Gas in der Diffusions- und/oder Advektionskammer bzw. als der Ort der Gasentnahme. Da die relative Häufigkeit der Isotope von miteinander in Kontakt stehenden verschiedenen Phasen von Wasser in der Regel unterschiedlich ist, verändert die Bildung von Kondensat die Isotopensignatur des gasförmigen Wassers. Dies kann zu Fehlern bei der Bestimmung der Isotopensignatur mittels des Analysegeräts führen.
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Aus der
US 5 587 538 ist ferner eine Sonde mit einer Probenkammer bekannt, durch deren Wandung Wasser in die Probenkammer eingeleitet wird. Die Probenkammer ist mit einer Spülleitung verbunden, durch die Wasser in die Probenkammer eingeleitet wird. Außerdem ist die Probenkammer mit einer weiteren Spülleitung verbunden. Diese dient dazu, Helium in die Probenkammer einzuleiten, um diese nach dem Spülen mit Wasser zu trocknen.
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Aus der
DE 297 02 786 U1 ist eine Sonde zur in-situ Entnahme von Bodenluft aus dem Erdboden bekannt Die Sonde hat ein Sondengehäuse mit einer darin befindlichen Diffusions- und/oder Advektionskammer, die durch eine poröse, für die Bodenluft durchlässige Wandung begrenzt ist, die durch einen Schlauch gebildet ist. Die Diffusions- und/oder Advektionskammer ist mit einer ersten Leitung und einer zweiten Leitung verbunden, die unterhalb der ersten Leitung in der Diffusions- und/oder Advektionskammer endet. Wenn das zu untersuchende Gas spezifisch schwerer ist als ein Flutungsmedium, wird das Flutungsmedium durch die erste Leitung in die Diffusions- und/oder Advektionskammer eingeleitet. Wenn das zu untersuchende Gas spezifisch leichter ist als das Flutungsmedium, wird zur Flutung die zweite Leitung verwendet.
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Die Sonde soll einige Tage bis Wochen im Erdboden verbleiben, bis sich genügend Bodenluft in der Diffusions- und/oder Advektionskammer gesammelt hat. Dann wird das Flutungsmedium durch die entsprechende Leitung in die Diffusions- und/oder Advektionskammer eingebracht, um das zu messende Gas derart durch die andere Leitung hindurch aus der Diffusions- und/oder Advektionskammer in die Ableitung zu verdrängen, dass es unverdünnt zur Messung herangezogen werden kann.
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Aus der
US 2012/0060630 A1 ist ferner eine Messvorrichtung mit einer Sonde zur in-situ Entnahme von Gasen aus dem Erdboden bekannt, die ein Sondengehäuse mit einer darin befindlichen Diffusions- und/oder Advektionskammer aufweist, die durch eine poröse, für gasförmiges Wasser durchlässige Wandung begrenzt ist. Die Diffisions- und/oder Advektionskammer weist einen mit einer Ableitung verbunden Gasauslass und eine Zuleitung auf, die mit einer Gasquelle verbunden ist. Über die Zuleitung wird ein von der Gasquelle bereitgestelltes Gas in die Diffusions- und/oder Advektionskammer eingeleitet, das dort volatile organische Komponenten (VOC) aufnimmt und zusammen mit diesen über die Ableitung zu einem Detektor leitet.
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Aus
US 7 520 186 B2 ist eine Messvorrichtung mit einer Sonde zur in-situ Entnahme von Gasen aus dem Erdboden bekannt, die ein Sondengehäuse mit einer darin befindlichen Diffusions- und/oder Advektionskammer aufweist, die durch eine poröse, für gasförmiges Wasser durchlässige Wandung begrenzt ist. Die Diffusions- und/oder Advektionskammer weist einen mit einer Ableitung verbunden Casauslass und eine Zuleitung auf, die mit einer Pumpe verbunden ist. Über die Zuleitung wird ein von der Pumpe gefördertes Gas in die Diffusions- und/oder Advektionskammer geleitet, das dort durch Diffusion in die Kammer gelangte Bodengaskomponenten aufnimmt und zusammen mit diesen Ober die Ableitung zu einem Gassensor geleitet wird. Von dort strömt das Gas über die Zuleitung zurück in die Diffusions- und/oder Advektionskammer. Das Gas wird dabei in einem geschlossenen Kreislauftransportiert.
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Aus der
US 5 010 776 ist eine Messvorrichtung mit einer Sonde zur in-situ Entnahme von Gasen aus dem Erdboden bekannt, die ein Sondengehäuse mit einer darin befindlichen Diffusions- und/oder Advektionskammer aufweist, die durch eine poröse, für gasförmiges Wasser durchlässige Wandung begrenzt ist. Die Diffusions- und/oder Advektionskammer weist einen über eine Ableitung mit einem Analysegerät verbundenen Gasauslass und eine Zuleitung auf, die mit einer Gasquelle verbunden ist. Über die Zuleitung wird ein von der Gasquelle bereitgestelltes Trockengas in die Diffusions- und/oder Advektionskammer eingeleitet, wo es Diffusionsstoffe aufnimmt, die durch die Wandung in die Diffusions- und/oder Advektionskammer gelangen. Anschließend wird das Trockengas über die Ableitung zum Analysegerät geleitet.
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Die Sonde hat außerdem eine weitere Kammer, die über eine weitere Zuleitung mit einer Kalibriergasquelle verbunden ist. Die weitere Kammer ist von der Diffusions- und/oder Advektionskammer durch einen Boden getrennt. Ein in die wettere Kammer eingeleitetes Kalibriergas strömt durch einen porösen Metallring hindurch in den Erdboden. Von dort kann es durch die Wandung in die Diffusions- und/oder Advektionskammer gelangen.
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Aus der
US 5 150 622 ist eine Sonde zur in-situ Entnahme von gasförmigem Wasser aus dem Erdboden bekannt, die ein Sondengehäuse mit Querbohrungen aufweist, die an ihrem einen Ende mit einem gasdurchlässigen Sieb abgedeckt sind und an ihrem anderen Ende mit einer Ableitung verbunden sind, mittels welcher Gas, das aus dem Erdboden durch das Sieb hindurch in die Querbohrungen gelangt, einem Analysegerät zuführbar ist. Das Sondengehäuse hat an seinem unteren Ende eine etwa kegelförmige Spitze, mittels der es in den Erdboden einführbar ist.
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Aus
DE 198 11 699 A1 und
US 7 178 391 B2 sind Sonden zur in-situ Entnahme von gasförmigem Wasser aus dem Erdboden bekannt, die ein Sondengehäuse haben, das mehrere miteinander verschraubte Gehäuseabschnitte aufweist.
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Die
DE 28 07 217 B2 und die
DE 92 18 419 U1 offenbaren Messvorrichtungen mit einer Bodensonde zur in-situ Entnahme von Gasen aus einem Medium und mit einer Pumpe zum Fördern der Gase von der Bodensonde zu einem Probenbehälter oder einem Analysegerät.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Messvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die Messungen mit einer hohen Genauigkeit unter zumindest den meisten antreffbaren Bedingungen erlaubt. Außerdem soll die Sonde der Messvorrichtung sowohl bei der Installation als auch bei der Messung selbst eine nur geringe Störung des zu untersuchenden Systems verursachen.
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Diese Aufgabe wird bezüglich der Messvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass beim Stand der Technik das in der Diffusions- und/oder Advektionskammer befindliche Gas aufgrund der darin enthaltenen Feuchtigkeit, die bei Gasentnahme etwa im Erdboden ebenso wie zum Beispiel in einem Wasserkörper typischerweise etwa der Wasserdampfsättigung bei gegebener Temperatur am Ort der Probeentnahme entspricht, beim Transport von der Diffusions- und/oder Advektionskammer zum Analysegerät in der Ableitung kondensieren kann, wenn zumindest ein Teilbereich der Ableitung kälter ist als das Gas in der Diffusions- und/oder Advektionskammer bzw. als der Ort der Gasentnahme. Da die relative Häufigkeit der Isotope von miteinander in Kontakt stehenden verschiedenen Phasen von Wasser in der Regel unterschiedlich ist, verändert die Bildung von Kondensat die Isotopensignatur des gasförmigen Wassers und verursacht Messfehler bei der Bestimmung der Isotopensignatur. Durch den bei der erfindungsgemäßen Sonde vorhandenen Mischer kann das in der Diffusions- und/oder Advektionskammer befindliche Gas mit einem Trockengas gemischt werden, das keine oder eine sehr viel geringere Feuchte aufweist als das in der Diffusions- und/oder Advektionskammer befindliche Gas. Durch die Beimischung des Trockengases ergibt sich in dem Gasgemisch eine geringere relative Feuchte als in dem Gas der Diffusions- und/oder Advektionskammer. In vorteilhafter Weise wird dadurch die Gefahr, dass das Gas beim Transport von der Diffusions- und/oder Advektionskammer zum Analysegerät kondensiert, vermieden.
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Die erfindungsgemäße Sonde bzw. die Messvorrichtung kann Anwendung finden bei Untersuchungen des natürlichen Wasserkreislaufes, Aufstellung von Wasserbilanzen oder Quantifizierung von einzelnen Wasserflüssen bzw. Wasserhaushaltsgrößen (z. B. Grundwasserneubildung, Verdunstung, Infiltration), Bestimmung der Herkunft von Wasser (z. B. Grundwasser, Abflusskomponenten, Evapotranspiration), Bestimmung des Alters bzw. der Verweilzeit von Wasser (z. B. Boden- und Grundwasser), Untersuchung hydrologischer Prozesse und Zusammenhänge (z. B. Identifikation von Abflusskomponenten, Infiltrationsprozesse, Grundwasserneubildungsprozesse, Fließwege und Fließmechanismen), Untersuchung von hydrogeologischen Verhältnissen, Gesteins-Wasser-Interaktion und geochemischer Entwicklung, Abschätzung von Stofftransport (z. B. Schadstoffe, Herkunft von Versalzung und Kontaminationsprozesse), Untersuchung von Grundwasserqualität, Untersuchungen von Ökosystemen z. B. Pflanzenwasseraufnahme- und landwirtschaftlichen Untersuchungen (z. B. Herkunft von Lebensmitteln, Bewässerungsmechanismen).
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Das Medium, aus dem das Gas mittels der Sonde entnehmbar ist, kann ein poröser Festkörper (poröses Medium), eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, oder ein Gas, insbesondere Luft sein.
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Bei der Erfindung weist der Mischer eine Mischkammer auf, die über einen ersten Ableitungsabschnitt mit der Diffusions- und/oder Advektionskammer und über einen zweiten Ableitungsabschnitt mit dem von der Diffusions- und/oder Advektionskammer entfernten Ableitungsende der Ableitung verbunden ist, wobei der Gaseinlass in die Mischkammer mündet und mit einer ersten Zuleitung für das Trockengas verbunden ist. Durch die Mischkammer wird eine gleichmäßige Durchmischung des in die Diffusions- und/oder Advektionskammer transportierten Gases mit dem Trockengas ermöglicht. Die Mischkammer weist bevorzugt einen größeren Querschnitt auf als der erste Ableitungsabschnitt und/oder der zweite Ableitungsabschnitt Der Mischer bzw. die Mischkammer ist bevorzugt in dem Sondengehäuse angeordnet, so dass die Mischkammer bei im Erdreich bzw. im Medium angeordneten Sondengehäuse etwa die gleiche Temperatur aufweist wie die Diffusions- und/oder Advektionskammer bzw. die Verdünnung in unmittelbarer Nähe zum Ort der Gasentnahme stattfindet, so dass Kondensation vollständig ausgeschlossen werden kann.
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Der Gaseinlass in der Mischkammer ist von dem ersten Ableitungsabschnitt und dem zweiten Ableitungsabschnitt beabstandet. Das durch die poröse Wandung der Diffusions- und/oder Advektionskammer transportierte Gas kann dadurch noch gleichmäßiger mit dem Trockengas durchmischt werden.
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Bei der Erfindung mündet in die Diffusions- und/oder Advektionskammer eine Gaseinlassöffnung, die mit einer zweiten Zuleitung für ein Trockengas verbunden ist. Über die zweite Zuleitung kann dann ein Trockengas in die Diffusions- und/oder Advektionskammer eingeleitet werden, um eine Absolutdruckdifferenz zwischen Diffusions- und/oder Advektionskammer und ihrer Umgebung zu vermeiden oder zumindest soweit zu reduzieren, dass durch die poröse Wandung der Diffusions- und/oder Advektionskammer kein flüssiges Wasser hindurch treten kann.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Sondengehäuse stabförmig mit einem ersten und einem zweiten Axialende ausgestaltet, wobei die Ableitung am ersten Axialende aus dem Sondengehäuse herausgeführt und die erste Zuleitung am ersten Axialende in das Sondengehäuse eingeführt ist. Die Sonde kann dann auf einfache Art und Weise in den Erdboden oder dergleichen Festkörper-Medium eingebracht werden, indem in den Erdboden bzw. das Medium eine Bohrung eingebracht und die Sonde danach derart in die Bohrung eingesetzt wird, dass die Außenwand der porösen Wandung vorzugsweise Flächig an der Innenwand der Bohrung zur Anlage kommt.
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Die zweite Zuleitung ist bevorzugt am ersten Axialende in das Sondengehäuse eingeführt, so dass dann alle Zuleitungen und die Ableitung an derselben Stirnseite des stabförmigen Sondengehäuses angeordnet sind.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung weist das Sondengehäuse zumindest einen ersten Gehäuseabschnitt und einen zweiten Gehäuseabschnitt auf, die in Längserstreckungsrichtung des Sondengehäuses zueinander versetzt sind, wobei die Diffusions- und/oder Advektionskammer und die mindestens eine poröse Wandung in dem ersten Gehäuseabschnitt und die Mischkammer in dem zweiten Gehäuseabschnitt vorgesehen sind, und wobei das Sondengehäuse Verbindungsmittel aufweist, mittels denen der erste Gehäuseabschnitt und der zweite Gehäuseabschnitt lösbar miteinander verbindbar sind. Die Verbindungsmittel können beispielsweise ein an dem einen Gehäuseabschnitt angeordnetes Außengewinde und ein dazu passendes, an dem anderen Gehäuseabschnitt angeordnetes Innengewinde aufweisen.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist mit dem zweiten Gehäuseabschnitt eine Leitungsdurchführung verbunden oder lösbar verbindbar, die einen die erste Zuleitung aufnehmenden ersten Durchtrittskanal und/oder einen die zweite Zuleitung aufnehmenden zweiten Durchtrittskanal und/oder einen die Ableitung aufnehmenden dritten Durchtrittskanal aufweist. Die Leitungsdurchführung dient der Anbringung der Zu- und/oder Ableitungen an das Gehäuse, wobei gleichzeitig die Mischkammer in eine Richtung versiegelt werden kann. Die Zu- und/oder Ableitungen können dabei so in die Durchtrittskanäle der Leitungsdurchführung eingeklebt sein, dass sie nach der Einbringung an der richtigen Position enden (z. B. am unteren Ende der Diffusions- und/oder Advektionskammer). Alternativ könnten die Zu- und/oder Ableitungen auch mittels geeigneter Fittings, wie zum Beispiel Verschraubungen, an die dann entsprechend ausgestaltete Leitungsdurchführung angebracht sein. Insbesondere in diesem Fall kann die Leitungsdurchführung auch ein festes Teil des Gehäuses sein. Um weiterhin das vorteilhafte Merkmal eines ersten Ableitungsabschnittes mit geringerem Querschnitt als die Mischkammer zu erhalten, können dann weitere konstruktive Maßnahmen bzw. Modifikationen von Gehäuseteilen notwendig sein. Zum Beispiel könnte ein geeignetes Bauteil lösbar oder unlösbar zwischen Mischkammer und Diffusions- und/oder Advektionskammer eingebracht werden. In den Durchtrittskanälen sind die Zu- bzw. Ableitungen außerdem vor mechanischer Beschädigung geschützt.
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Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung umgrenzt ein poröser Außenkörper, der aus einem nicht-hydrophoben Material besteht, die der Diffusions- und/oder Advektionskammer abgewandte Außenfläche der Wandung. Der zusätzliche, nicht hydrophobe und ggf hydrophile Außenkörper ermöglicht es, eine künstliche, hinsichtlich der Aufnahme, Speicherung und Leitung von Flüssigkeiten und Gasen weitestgehend bekannte bzw. bestimmbare, konstruktiv anpassbare und ggf konstantere Umgebung um die hydrophile Wandung zu schaffen. Eventuelle, lokal unterschiedliche Einflüsse des umgebenden Mediums auf das Isotopenverhältnis des Gases und dessen Beziehung zu dem Isotopenverhältnis des Flüssigwassers können reduziert oder eliminiert werden. Ferner kann es der Außenkörper gegebenenfalls ermöglichen, gezielt die Gasphase von Wässern bestimmter Potentiale zu beproben.
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Das Analysegerät kann ein Spektrometer zum Bestimmen der oder des Verhältnisses der optischen Absorptionen mindestens zweier in dem Gas enthaltener Spezies von Isotopen bzw. Isotopomeren aufweisen.
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Bei der Erfindung ist die Gasquelle und/oder eine weitere Gasquelle für ein Trockengas über die zweite Zuleitung mit der Gaseinlassöffnung verbunden oder verbindbar. In die Diffusions- und/oder Advektionskammer kann dann Trockengas eingeleitet werden, um den beim Absaugen des in der Diffusions- und/oder Advektionskammer befindlichen Gases in der Diffusions- und/oder Advektionskammer auftretenden Unterdruck zu reduzieren.
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Dabei ist es sogar möglich, dass die Messvorrichtung derart ausgestaltet ist, dass der Massen- oder Volumenstrom des von der Pumpe geförderten Gases im Wesentlichen dem Massen- oder Volumenstrom des über die erste Zuleitung und/oder die zweite Zuleitung der Sonde zugeführten Trockengases entspricht. Durch diese Maßnahme kann der Druck in der Diffusions- und/oder Advektionskammer dem Druck in der Umgebung der Sonde entsprechen, so dass ein Druckabfall an der porösen Wandung der Diffusions- und/oder Advektionskammer, mit der Gefahr, dass flüssiges Wasser aus dem die Sonde umgebenden Medium durch die poröse Wandung hindurch in die Diffusions- und/oder Advektionskammer gedrückt bzw. gezogen wird, vermieden wird. Der Massen- oder Volumenstrom des Trockengases wird bevorzugt mittels einer Regelungseinrichtung an den Massen- oder Volumenstrom des von der Pumpe geförderten Gases angepasst. Dabei wird der der Sonde insgesamt zugeführte Massen- oder Volumenstrom des Trockengases und der Massen- oder Volumenstrom des mittels der Pumpe über die Ableitung abgeleiteten Gases bestimmt und miteinander verglichen. Beim Auftreten einer Abweichung wird der mindestens eine Volumenstrom im Sinne einer Reduzierung der Abweichung verändert.
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Bei Bedarf kann der Massen- oder Volumenstrom des über die erste Zuleitung und/oder die zweite Zuleitung der Sonde zugeführten Trockengases und damit die Verdünnungsrate variiert werden, beispielsweise in festgelegten Sequenzen. Zu diesem Zweck kann die Messvorrichtung Massenstromregler aufweisen. Außerdem können mehrere Sonden angeschlossen und einzeln mit Hilfe von Ventilen und einer Steuerung angesteuert werden.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. 1 und 2 zeigen kein Ausführungsbeispiel gemäß Anspruch 1, dienen jedoch dem Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
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1 einen Längsschnitt einer Sonde zur in-situ Entnahme von gasförmigem Wasser aus dem Erdboden, wobei die Sonde eine Zuleitung und eine Ableitung für ein Gas aufweist,
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2 eine Aufsicht auf eine Leitungsdurchführung, wobei eine Zuleitung und eine Ableitung erkennbar sind,
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3 eine Darstellung ähnlich 1, wobei die Sonde jedoch eine weitere Zuleitung für ein Gas aufweist,
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4 eine Darstellung ähnlich 2, wobei zwei Zuleitungen und eine Ableitung erkennbar sind,
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5 eine Darstellung ähnlich 3, wobei jedoch die Sonde dreidimensional dargestellt ist,
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6 eine Darstellung ähnlich 3, wobei die Sonde jedoch zusätzlich einen porösen Außenkörper aufweist,
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7 eine Darstellung ähnlich 3, wobei die Sonde jedoch zusätzlich einen zumindest abschnittsweise perforierten Schutzkkörper aufweist, und
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8 eine schematische Teildarstellung einer Messvorrichtung, die mehrere Gruppen von Sonden zur in-situ Entnahme von gasförmigem Wasser aus dem Erdboden aufweist, die jeweils über eine Ventilanordnung mit einem Verteiler verbunden sind, wobei der Übersicht halber nur eine Ventilanordnung und eine Gruppe dargestellt ist, bei der nur einige der insgesamt vorhandenen Sonden der Gruppe dargestellt sind.
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Eine im Ganzen mit 1 bezeichnete Sonde zur in-situ Entnahme von Wasserdampf bzw. gasförmigem Wasser aus einem Medium, insbesondere aus dem Erdboden 4, hat ein Sondengehäuse 2, in dem eine Diffusions- und/oder Advektionskammer 3 angeordnet ist. Das Sondengehäuse 2 ist stabförmig ausgestaltet und in Gebrauchsstellung vorzugsweise vollständig in einer in den Erdboden 4 eingebrachten Bohrung 5 oder Lochung angeordnet.
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Wie in 1 erkennbar ist, wird die Diffusions- und/oder Advektionskammer 3 von einer mikroporösen, für Wasserdampf und dergleichen Gase durchlässigen Wandung 6 umgrenzt, die sich in Axialrichtung 7 der Sonde 1 erstreckt und quer zur Axialrichtung 7 hülsenförmig um die Diffusions- und/oder Advektionskammer 3 umläuft. Die Wandung 6 ist vorzugsweise kreiszylindrisch ausgestaltet und koaxial zur Längsmittelachse der Sonde 1 angeordnet. An ihrem einen Axialende ist die Diffusions- und/oder Advektionskammer 3 durch ein Bodenteil 8 verschlossen. Das Bodenteil 8 kann durch ein solides Material, etwa ein Kunststoff oder Metall (z. B. Edelstahl), oder durch die poröse Wandung selbst gebildet sein. Bei Bedarf kann sich der Außenquerschnitt des Bodenteils 8 an dessen der Diffusions- und/oder Advektionskammer 3 abgewandten Stirnende zu dessen freiem Ende des Bodenteils 8 hin verjüngen. Insbesondere kann das Bodenteil 8 außenseitig abgerundet oder konisch ausgestaltet sein.
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Die poröse Wandung 6 besteht aus einem hydrophoben Werkstoff, der verhindern soll, dass flüssiges Wasser durch die Wandung hindurch aus dem Erdboden 4 in die Diffusions- und/oder Advektionskammer 3 gelangt.
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An ihrem von dem Bodenteil 8 entfernten Ende weist die Diffusions- und/oder Advektionskammer 3 einen Gasauslass 9 auf, der über eine Ableitung mit einem Analysegerät 10 verbunden ist, das zur Bestimmung der Isotopensignatur des durch die Wandung hindurch transportierten Gases dient. Das Analysegerät 10 ist an eine Pumpe 11 angeschlossen (siehe 8), die als Vakuumpumpe ausgestaltet ist und dazu dient, das durch die poröse Wandung 6 transportierte, gasförmige Wasser von der Diffusions- und/oder Advektionskammer 3 zum Analysegerät 10 zu transportieren.
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In der Ableitung ist benachbart zu Diffusions- und/oder Advektionskammer 3 ein Mischer angeordnet, der eine Mischkammer 12 aufweist, die über einen ersten Ableitungsabschnitt 13A mit dem Gasauslass 9 und über einen zweiten Ableitungsabschnitt 13B mit dem Analysegerät 10 verbunden ist. Die Mischkammer 12 hat einen größeren Durchlassquerschnitt als der erste Ableitungsabschnitt 13A und der zweite Ableitungsabschnitt 13B.
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Wie in 1 erkennbar ist, weist die Mischkammer 12 einen Gaseinlass 14 für ein dem durch die Wandung 6 transportierten Gas beizumischendes Trockengas auf. Der Gaseinlass 14 ist von dem ersten Ableitungsabschnitt 13A und dem zweiten Ableitungsabschnitt 13B beabstandet und über eine Zuleitung 15 mit einer Gasquelle 16, wie z. B. einer Stickstoffflasche, verbunden. Das Trockengas weist keine oder eine sehr viel geringere Feuchte auf als das durch die Wandung 6 transportierte Gas. In der Mischkammer wird das zuletzt genannte Gas mit dem Trockengas verdünnt, wodurch einer Kondensation des Gases in der Mischkammer, dem zweiten Ableitungsabschnitt 13B und/oder dem Analysegerät 10 entgegengewirkt wird.
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In 1 ist erkennbar, dass das Sondengehäuse 2 ein vom Bodenteil 8 entferntes erstes Axialende 17 und ein am Bodenteil angeordnetes zweites Axialende 18 aufweist. Der zweite Ableitungsabschnitt 13B ist am ersten Axialende etwa in gerader Verlängerung des Sondengehäuses 2 aus diesem herausgeführt (2). Die Zuleitung ist etwa in gerader Verlängerung des Sondengehäuses 2 am ersten Axialende in das Sondengehäuse 2 eingeführt.
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Das Sondengehäuse 2 weist einen ersten Gehäuseabschnitt 19A, einen zweiten Gehäuseabschnitt 19B und einen dritten Gehäuseabschnitt 19C auf, die in Axialrichtung 7 des Sondengehäuses 2 zueinander versetzt bzw. hintereinander angeordnet sind. Die Diffusions- und/oder Advektionskammer 3, die poröse Wandung 6 und das Bodenteil 8 sind in dem ersten Gehäuseabschnitt 19A angeordnet. Die Mischkammer 12 und eine Leitungsdurchführung 20, welche für die Zuleitung 15 und den zweiten Ableitungsabschnittt 13B jeweils einen Durchtrittskanal hat (2), sind in dem zweiten Gehäuseabschnitt 19B vorgesehen.
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Der dritte Gehäuseabschnitt 19C ist als Leitungsschutz- und Einführvorrichtung ausgestaltet, der die Zuleitungen 15, 25 und den zweiten Ableitungsabschnitt 13B umgibt und gegen äußere Einflüsse schützt. Bei dem driften Gehäuseabschnitt 19C kann es sich um ein steifes Rohr handeln, das etwa die gleichen Außenquerschnittsabmessungen hat wie der erste Gehäuseabschnitt 19A Der dritte Gehäuseabschnitt 19C kann offen sein, oder mit einer Dichtmasse oder einem Verschluss mit Aussparungen für die Zuleitungen 15, 25 und den zweiten Ableitungsabschnitt 13B verschlossen sein. Alternativ kann es sich um einen flexiblen Schutzschlauch handeln, der etwa mit Hilfe einer geeigneten PG- oder sonstigen Verschraubung mit dem zweiten Innengewinde 23 des zweiten Gehäuseabschnitts 19B lösbar verschraubt ist und etwa die gleichen oder geringere Außenquerschnittsabmessungen hat wie bzw. als der erste Gehäuseabschnitt 19A.
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An einem von dem Bodenteil 8 entfernten Endbereich des ersten Gehäuseabschnitts 19A ist ein erstes Außengewinde 21 und an einem diesem Endbereich in Montagestellung zugewandten ersten Endbereich des zweiten Gehäuseabschnitts 19B ist ein erstes Innengewinde 22 vorgesehen, das mit dem ersten Außengewinde 21 lösbar verschraubt ist.
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An dem von dem ersten Endbereich des zweiten Gehäuseabschnitts 19B entfernten zweiten Endbereich des zweiten Gehäuseabschnitts 19B ist ein zweites Innengewinde 23 angeordnet, das mit einem an einem Endbereich des dritten Gehäuseabschnitts 19B angeordneten zweiten Außengewinde 24 lösbar verschraubt ist.
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Die Leitungsdurchführung 20 ist in einer Innenhöhlung des zweiten Gehäuseabschnitts 19B angeordnet. Die Leitungsdurchführung 20 hat ein drittes Außengewinde, das mit dem zweiten Innengewinde 23 des zweiten Gehäuseabschnitts 19B lösbar verschraubt ist. Alternativ können die Leitungsdurchführung 20 sowie die entsprechende Innenhöhlung auch unlösbar verbunden sein, entweder in dem sie aus einem Teil gefertigt werden oder indem die Leitungsdurchführung 20 in die entsprechende Innenhöhlung, welche an der Stelle dann kein Innengewinde aufweist, eingeklebt wird. Der dritte Gehäuseabschnitt 19C ist als Hülse ausgestaltet, durch welche die Zuleitung 15 und der zweite Ableitungsabschnittt 13B in gerader Verlängerung der ihnen jeweils zugeordneten Leitungsdurchführung hindurch geführt sind.
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Ein in 3 bis 5 gezeigtes weiteres Ausführungsbeispiel der Sonde 1' weist zusätzlich zu einer ersten Zuleitung 15 für Trockengas eine zweite Zuleitung 25 für Trockengas auf, welche die Diffusions- und/oder Advektionskammer 3 mit der Trockengasquelle 16 verbindet. Die zweite Zuleitung 25 führt durch den dritten Gehäuseabschnitt 19C, einen Durchtrittskanal der Leitungsdurchführung 20, die Mischkammer 12 und den ersten Ableitungsabschnitt 13A hindurch zu einer benachbart zum Bodenteil 8 in der Diffusions- und/oder Advektionskammer 3 angeordneten Gaseinlassöffnung 26. Die zweite Zuleitung 25 ist am ersten Axialende 17 in das Sondengehäuse 2 eingeführt.
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Die Zuleitungen 15, 25 und der zweite Ableitungsabschnitt 13B sind als Schläuche aus biegbarem, chemisch weitgehend inertem, möglichst gasundurchlässigem, hydrophobem Material mit geringer Ab- und Adsorption von Wasser bzw. Wasserdampf ausgestaltet. Zum Beispiel eignen sich Schläuche aus Kunststoff wie z. B. FEP (Perfluorethylenpropylen bzw. Fluorinated Ethylene Propylene). Alternativ können z. B. auch kostenaufwendigere Schläuche aus PFA (Perfluoralkoxylalkan) oder speziellem, z. T. mehrschichtigem Material mit besonders geringer Gasdurchlässigkeit verwendet werden. Abschnittsweise sind auch Leitungen aus Metall, z. B. Edelstahl, denkbar. Besonders vorteilhaft sind Leitungen mit geringem Innendurchmesser, z. B. von 1 Millimeter, damit Totvolumina gering gehalten werden. Aus gleichem Grund sollten die Leitungen auch möglichst geringe Längen aufweisen. Ein ausreichender Gasfluss bei gegebener Länge der Leitungen und gegebenem Bedarf des Analysegeräts 10 bzw. bei gegebener Pumprate muss aber gewährleistet werden können.
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Bei einem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel der Sonde 1'' ist die hülsen- oder rohrförmige mikroporöse Wandung 6 an ihrer der Diffusions- und/oder Advektionskammer 3 abgewandten Außenseite von einem porösen Außenkörper 27 abgedeckt, der die Wandung 6 umgrenzt. An den Stellen, an denen der Außenkörper 27 die Wandung 6 überdeckt, besteht der Außenkörper 27 aus einem nicht hydrophoben und ggf. hydrophilen Material, vorzugsweise einem Keramikwerkstoff, wie er beispielsweise auch bei Saugkerzen Verwendung findet. Die Innenwand des Außenkörpers 27 steht mit der Außenseite der mikroporösen Wandung 6 in engem, vorzugsweise flächigem Kontakt.
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Die Porengrößenverteilung des porösen Werkstoffs des Außenkörpers 27 bestimmt den Anteil der flüssigkeits- und gaserfüllten Poren bei gegebenem Potential des unterirdischen Wassers und kann dabei verschiedentlich gewählt sein. Eine Möglichkeit besteht darin, eine bimodale Porengrößenverteilung vorzusehen, sodass über einen weiten Potentialbereich des Wassers im umgebenden Medium stets eine näherungsweise konstante Anzahl an Poren jeweils mit Flüssigkeit und Gas gefüllt ist. Alternativ können auch ein hoher Anteil relativ großer Poren einen hohen Anteil des lufterfüllten Porenraums und damit eine hohe Gasdurchlässigkeit oder ein hoher Anteil relativ kleiner Poren einen hohen Feuchtegehalt über weite Potentialbereich des Wassers im umgebenden Medium gewährleisten.
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Der Außenkörper 27 ist an seinem dem zweiten Axialende 18 des Sondengehäuses 2 zugewandten Ende geschlossen. Der Abschluss 28 kann durch die poröse Keramik selbst oder ein solides Material, wie Kunststoff oder Metall (z. B. Edelstahl) gebildet sein. An seinem dem ersten Axialende 17 abgewandten Stirnende kann sich der Außenquerschnitt des Außenkörpers 27 zu dessen freiem Ende hin verjüngen. Insbesondere kann der Abschluss 28 außenseitig abgerundet oder konisch ausgestaltet sein. Letztere Ausbildungen ermöglichen eine leichte Einführung der Sonde in den Erdboden 4.
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Bei einem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel der Sonde 1'' ist die hülsen- oder rohrförmige mikroporöse Wandung 6 an ihrer der Diffusions- und/oder Advektionskammer 3 abgewandten Außenseite durch einen Schutzkörper 47 abgedeckt, der die Wandung 6 umgrenzt. Der Schutzkörper 47 ist gegen den zweiten Gehäuseabschnitt 19B abgestützt und mittels einer Verschraubung lösbar mit diesem verbunden. Der Schutzkörper 47 besteht aus einem festen Material, beispielsweise aus Kunststoff und/oder Metall. An den Stellen, an denen der Schutzkörper 47 die Wandung 6 überdeckt, weist der Schutzkörper 47 eine für Gase und Flüssigkeiten durchlässige Perforierung auf. Durch den Schutzkörper 47 ist die mikroporöse Wandung 6 vor mechanischer Beschädigung geschützt. An seinem dem zweiten Gehäuseabschnitt 19B beabstandeten Ende kann sich der Außenquerschnitt des Schutzkörpers 47 zu dessen freiem Ende hin verjüngen, insbesondere kann er konisch ausgestaltet sein. Dadurch wird das Einführen der Sonde in den Erdboden 4 erleichtert.
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8 zeigt eine Messvorrichtung 29, die mehrere Gruppen mit jeweils mehreren Sonden 1' aufweist. Die Sonden 1' der einzelnen Gruppen sind jeweils an einer Ventilanordnung 30 angeschlossen, die für jede Sonde 1' der Gruppe jeweils einen ersten, mit der ersten Zuleitung 15 der betreffenden Sonde 1' verbundenen Trockengasausgang 31, einen zweiten, mit der zweiten Zuleitung 25 der betreffenden Sonde 1' verbundenen Trockengasausgang 32, und einen Absaugeingang 33 aufweist, der mit dem zweiten Ableitungsabschnitt 13B der betreffenden Sonde 1' verbunden ist.
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Mit Hilfe der Ventilanordnung 30 ist jeder erste Trockengasausgang 31 jeweils wahl- oder wechselweise mit einem ersten Trockengaseingang 34 der Ventilanordnung 30 verbindbar. In entsprechender Weise ist jeder zweite Trockengasausgang 32 jeweils wahl- oder wechselweise mit einem zweiten Trockengaseingang 35 der Ventilanordnung 30 verbindbar. Ebenso ist jeder Absaugeingang 33 mittels der Ventilanordnung 30 mit einem Absaugausgang 36 der Ventilanordnung 30 verbindbar. Die Ventilanordnung 30 weist zu diesem Zweck mehrere 2/2-Wegeventile auf, die mittels einer Steuerung verstellbar sind. Alternativ können auch Drehventile verwendet werden. Die Ansteuerung der 2/2-Wegeventile erfolgt elektronisch (z. B. automatisch oder manuell, Letzteres z. B. über Kippschalter) und kann mit einem oder mehreren einstellbaren Massenstromreglern 40, 41, einem Computer 42 und/oder einem Mikro-Controller verbunden sein sowie geeignete Betriebsprogramme einschließen.
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Die ersten Trockengaseingänge 34 sind über einen Verteiler 37 mit einem ersten Trockengasanschluss 38 und die zweiten Trockengaseingänge 35 sind über den Verteiler 37 mit einem zweiten Trockengasanschluss 39 verbunden. Die Absaugausgänge 36 der Ventilanordnung 30 sind über den Verteiler 37 mit einem Absauganschluss 46 verbunden. Alternativ zu einfachen Verteilern können auch hier geeignete Multi-Ventilanordnungen oder Drehventile inklusive Steuerung verwendet werden.
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Wie in 8 weiter erkennbar ist, ist der erste Trockengasanschluss 38 über einen ersten einstellbaren Massenstromregler 40 und der zweite Trockengasanschluss 39 über einen zweiten einstellbaren Massenstromregler 41 mit einer Gasquelle 16 verbunden. In der Leitung zwischen der Gasquelle 16 und den Massenstromreglern 40, 41 sind Druckregler 43, 44 angeordnet. Der Absauganschluss 46 ist über das Analysegerät 10 mit der Pumpe 11 verbunden. Das Analysegerät kann über Druckregler 43, 49 mit der Gasquelle 16 verbunden sein. Die Messergebnisse des Analysegeräts 10 können an einer Anzeige 45, wie zum Beispiel einem Computer-Monitor, dargestellt werden.
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Über die Steuerung wird immer nur eine Sonde 1' mit dem Analysegerät 10 und der Gasquelle 16 bzw. den Massenstromreglern 40, 41 verbunden. Somit kann umgeschaltet werden, welche Sonde gerade mit dem Analysegerät 10 und der Gasquelle 16 bzw. den Massenstromreglern 40, 41 verbunden ist und aktuell für eine Messung verwendet wird. Die Ventilanordnung 30 kann gesteuert werden durch Datum, Uhrzeit, Zeitintervall und/oder ein externes Signal, z. B. von einem externen System, z. B. einem der oder beiden Massenstromreglern 40, 41 oder einem Computer 42. Es kann dabei ein Mikro-Controller verwendet werden. Dieser kann auch die Aufgabe einer eigenständigen Steuerung des Systems, z. B. inklusive der Ventile der Anordnung 30 und der Massenstromregler 40, 41, erfüllen. Alternativ kann die Ventilanordnung 30 auch manuell über Schaltpulte bzw. Kippschalter gesteuert werden.
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Die Steuerung kann dabei in einem Datenspeicher Informationen über jeden Messvorgang speichern. Gespeichert werden kann zum Beispiel: Sonden-Kennung (Nummer), Startuhrzeit Ventilöffnung, Enduhrzeit Ventilöffnung, Spülvorgang Ja/Nein, Datum, die eingestellte und/oder tatsächliche Volumen- und/oder Massenflussrate mindestens eines Massenflussreglers 40, 41, evtl. die GPS Koordinaten der betreffenden Sonde 1'.
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Erwähnt werden soll noch, dass sämtliche Leitungen, so etwa der zweite Ableitungsabschnitt 13B, die erste Zuleitung 15 und die zweite Zuleitung 25 zumindest abschnittweise in Schutzschläuchen 48 angeordnet sein können, die in 8 nur schematisch dargestellt sind.
