DE10232626B3

DE10232626B3 - Soil water flow meter

Info

Publication number: DE10232626B3
Application number: DE2002132626
Authority: DE
Inventors: Eberhard J. Dr. Sauter
Original assignee: Alfred Wegener Insitut fuer Polar und Meeresforschung
Current assignee: Alfred Wegener Insitut fuer Polar und Meeresforschung
Priority date: 2002-07-14
Filing date: 2002-07-14
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2022-07-15
Also published as: WO2004010149A1

Abstract

Bekannte Bodenwasser-Strömungsmesser zur simultanen in situ-Messung von örtlichen Strömungsgeschwindigkeiten in der untersten Wassersäule in unterschiedlichen Höhen oberhalb eines Gewässerbodens mit mehreren Strömungssensoren bauen häufig so groß, dass eine hohe vertikale Messauflösung kaum realisierbar ist. Auch wird die Bodenströmung durch die Messanordnung meist gestört und sind sehr geringe Strömungsgeschwindigkeiten nicht erfassbar. Der erfindungsgemäße Bodenwasser-Strömungsmesser (11) besteht deshalb aus einem Stab (12) mit vielen direkt daran angeordneten kleinen Strömungssensoren (13). Jeder Strömungssensor (13) wiederum besteht aus einer Richtungsfahne (18), die frei drehbar am Stab (12) befestigt ist, und einer orthogonal zur Richtungsfahne (18) an dieser ebenfalls drehbar befestigten Messfahne (19), die von der Richtungsfahne (18) in die Strömung gedreht wird. Der Auslenkungswinkel der Messfahne (19) ist eine Funktion von der örtlichen Strömungsgeschwindigkeit. Die Auslenkungswinkel aller Messfahnen (19) können insbesondere visuell registriert und mit einem Bildanalyseprogramm zu einem Strömungsprofil zur Erforschung von Austauschprozessen am Grenzübergang Boden-Wasser verarbeitet werden. Der erfindungsgemäße Bodenwasser-Strömungsmesser (11) arbeitet rein strömungsmechanisch und kann sowohl in großen Meerestiefen als auch für Industriezwecke eingesetzt werden.Known soil water flow meters for simultaneous in-situ measurement of local flow velocities in the lowest water column at different heights above a water floor with multiple flow sensors are often so large that a high vertical measurement resolution is hardly feasible. Also, the bottom flow is mostly disturbed by the measuring arrangement and very low flow velocities cannot be detected. The soil water flow meter (11) according to the invention therefore consists of a rod (12) with many small flow sensors (13) arranged directly on it. Each flow sensor (13) in turn consists of a direction flag (18), which is attached to the rod (12) in a freely rotatable manner, and a measuring flag (19), which is also rotatably attached to the direction flag (18) and which is rotatably attached to the direction flag (18). is turned into the current. The deflection angle of the measuring vane (19) is a function of the local flow velocity. The deflection angles of all measuring lugs (19) can in particular be registered visually and processed with an image analysis program into a flow profile for researching exchange processes at the soil-water border crossing. The soil water flow meter (11) according to the invention operates purely in terms of fluid mechanics and can be used both at great sea depths and for industrial purposes.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Bodenwasser-Strömungsmesser zur simultanen in situ-Messung von örtlichen Strömungsgeschwindigkeiten in der untersten Wassersäule in unterschiedlichen Höhen oberhalb eines Gewässerbodens mit einer am Gewässerboden anbringbaren Vertikalanordnung mit mehreren, in unterschiedlichen Höhen fest angeordneten Strömungssensoren und mit einer Registrierungseinrichtung für die Messdaten.The invention relates to a Soil water flow meter for simultaneous in situ measurement of local flow velocities in the lowest water column at different heights above a body of water with one on the water bottom attachable vertical arrangement with several, in different Fixed heights flow sensors and with a registration device for the measurement data.

Austauschprozesse zwischen einem Gewässer-, insbesondere Meeresboden und dem darüber stehenden Wasserkörper sind in starkem Maße vom Strömungsmilieu in der bodennahen Wassersäule abhängig. Bei der planparallelen Überströmung des Meeresbodens bildet sich ein vertikales Strömungsprofil aus, das durch eine näherungsweise logarithmische Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit zum Meeresboden hin charakterisiert ist. Die Form dieses Strömungsprofils steht in direktem Zusammenhang mit der Beschaffenheit des Meeresbodens, mit Viskosität und Partikelgehalt des Meerwassers sowie mit diversen, den Strömungsprozess charakterisierenden physikalischen Größen, die zur Beschreibung der Austauschprozesse wichtig sind. Aus der Form eines in situ-gemessenen Strömungsprofils durch die simultane Messung von örtlichen Strömungsgeschwindigkeiten in unterschiedlichen Höhen in der untersten Wassersäule können etliche der genannten Parameter abgeleitet werden.Exchange processes between one water pollution, especially seabed and the water body above it to a great extent from the current environment dependent in the water column near the ground. at the plane-parallel overflow of the seabed a vertical flow profile is formed from that by an approximate logarithmic decrease in flow velocity to Seabed is characterized. The shape of this flow profile is directly related to the nature of the seabed, with viscosity and particle content of the sea water as well as with various, the flow process characterizing physical quantities used to describe the Exchange processes are important. From the shape of an in situ measured Flow profile through the simultaneous measurement of local flow rates at different heights in the lowest water column can several of the parameters mentioned can be derived.

Mit unterschiedlichen bekannten Messmethoden und diese umsetzenden Bodenwasser-Strömungsmessern gelingt es, Bodenströmungsprofile im Labor und in Gewässern geringerer Wassertiefen in situ zu messen. Dagegen ist die Gewinnung von in situ-Felddaten in der Tiefsee mit insbesondere Wassertiefen von mehr als 2000 m sehr schwierig, da folgende Aspekte zu berücksichtigen sind

– die originale Bodenströmung darf durch das Einbringen des Strömungsmessers nur minimal gestört werden,
– die Messgenauigkeit muss in einem akzeptablen Verhältnis zur absoluten Strömungsgeschwindigkeit stehen,
– der Strömungsmesser muss einer Richtungsänderung der Bodenströmung folgen,
– die vertikale Messauflösung muss im Bereich von einigen Zentimetern liegen und
– der Strömungsmesser sollte dem in bis zu 6000 Meter Wassertiefe herrschenden Druck sowie der korrosiven Wirkung von Meerwasser standhalten.

With various known measurement methods and these implementing soil water flow meters, soil flow profiles can be measured in situ in the laboratory and in waters of shallower water depths. In contrast, the acquisition of in situ field data in the deep sea with water depths of more than 2000 m in particular is very difficult since the following aspects have to be taken into account

- the original floor flow may only be minimally disturbed by inserting the flow meter,
- the measuring accuracy must be in an acceptable relation to the absolute flow velocity,
- the flow meter must follow a change in direction of the floor flow,
- The vertical measurement resolution must be in the range of a few centimeters and
- The flow meter should withstand the pressure prevailing in water depths of up to 6000 meters and the corrosive effects of sea water.

Bei der Messung von Bodenströmungsprofilen im Flachwasser oder im Labor wird insbesondere der Dopplereffekt ausgenutzt. Die Verschiebung der Wellenlänge eines von in der Strömung mitgeführten Partikeln zurückgestreuten Schall- oder Lichtstrahles wird mit einem akustischen Doppler-Profiler oder mit einem optischen Laser-Doppler-Anemometer bestimmt. Die Wellenlängenverschiebung ist dabei eine Funktion von der Strömungsgeschwindigkeit. Zur Erstellung eines Strömungsprofils ist eine aufwändige Apparatur zum vertikalen Verfahren der Messanordnung erforderlich. Eine simultane Erfassung der vertikalen Messwerte ist dadurch nicht möglich. Hinzu kommt, dass jedes auf dem Doppler-Effekt beruhende Verfahren ein bestimmtes Maß an gleichmäßig in der Wassersäule suspendierten Partikeln erfordert, an denen Licht- respektive Schallwellen reflektiert werden können. Über den erfolgreichen Einsatz derartiger Messanordnungen in der Tiefsee, wo häufig nur eine sehr geringe Partikelfracht in der Bodenwassersäule zu beobachten ist, wurde bisher noch nicht berichtet. Generell sind dort nur wenige vertikale in situ-Feldbeobachtungen der Bodenströmung, die im Bereich des untersten Meters über Grund gemacht wurden, bekannt. Insbesondere Gust und Weatherly (1985) realisierten 1985 einen Bodenwasser-Strömungsmesser für die Tiefsee mit Heißfilmdetektoren für die bodennahe Strömung und Savoniusrotoren für die Strömung in höheren Abständen vom Meeresboden (vergleiche Gust, G., Weatherly, G. „Velocities, turbulence, and skin friction in a deep-sea logarithmic layer", Journal of Geophysical Research Vol. 90, No. C3, pp. 4779–4792, May 20, 1985). Der bekannte Bodenwasser-Strömungsmesser mit einer elektronischen Registrierung der erfassten Messdaten besteht aus einem ausladenden, schweren Gestell als tragende Vertikalanordnung, die auf dem Gewässerboden abgesetzt wird und in die mehrere Strömungssensoren eingebracht sind. Die bekannte Anordnung ist jedoch relativ kompliziert zu handhaben, temperaturempfindlich und auch kostenintensiv. Die Strömungsgeschwindigkeit wird beim bekannten Strömungsmesser unter Verwendung verschiedener Messprinzipien (auf Wärmetransport beruhende Heißfilm- und Hitzdrahtdetektoren und strömungsmechanisch in Bewegung versetzte Savoniusrotoren) auf den unterschiedlichen Höhen über dem Gewässerboden gemessen, was den Erhalt konsistenter Daten schwierig macht, insbesondere bei unter variierenden Temperaturbedingungen am Einsatzort. Außerdem bauen die verwendeten Savoniusrotoren – ebenso wie die sonst noch im Bereich der Ozeanographie gebräuchlichen Aanderaa-Strömungsmesser – so groß, dass eine hohe vertikale Messauflösung nicht realisierbar ist. Auch sind sehr geringe Strömungsgeschwindigkeiten insbesondere von unter 3 cm/s mit den rotierenden Strömungsmessern meist nur in unzureichender Genauigkeit erfassbar. Weiterhin ist davon auszugehen, dass die Anbauteile wie Streben und Kabelverbindungen des bekannten Strömungsmessers Turbulenzen und eine gewisse Verfälschung der Strömungsbedingungen am Messort hervorrufen können.When measuring bottom flow profiles in shallow water or in the laboratory, the Doppler effect is particularly evident exploited. The shift in the wavelength of one of the particles carried in the flow backscattered Sound or light beams are made with an acoustic Doppler profiler or determined with an optical laser Doppler anemometer. The Wavelength shift is a function of the flow velocity. For creation a flow profile is a complex device required for vertical movement of the measuring arrangement. A simultaneous It is therefore not possible to record the vertical measured values. Come in addition, that every method based on the Doppler effect is a specific one Degree of evenly in the water column suspended particles, on which light or sound waves can be reflected. On the successful use of such measuring arrangements in the deep sea, where often only to observe a very low particle load in the soil water column has not been reported yet. Generally there are only a few vertical in situ field observations of the ground flow, which are in the area of the lowest Meters above Reason have been made known. In particular Gust and Weatherly (1985) realized a bottom water flow meter for the deep sea in 1985 with hot film detectors for close to the ground flow and Savonius rotors for the flow in higher intervals from the sea floor (see Gust, G., Weatherly, G. "Velocities, turbulence, and skin friction in a deep-sea logarithmic layer ", Journal of Geophysical Research Vol. 90, No. C3, pp. 4779-4792, May 20, 1985). The known Soil water flow meter with an electronic registration of the recorded measurement data from a protruding, heavy frame as a supporting vertical arrangement, those on the water floor is discontinued and into which several flow sensors are introduced. However, the known arrangement is relatively complicated to handle, temperature sensitive and also cost intensive. The flow rate is in the known flow meter using different measuring principles (on heat transport based hot film and hot wire detectors and fluid mechanics Savonius rotors set in motion) on the different Heights above sea bed measured, which makes obtaining consistent data difficult, especially with varying temperature conditions at the place of use. Also build the Savonius rotors used - as well as those else Aanderaa flow meter commonly used in the field of oceanography - so big that a high vertical measurement resolution is not feasible. There are also very low flow rates especially of less than 3 cm / s with the rotating flow meters mostly can only be detected with insufficient accuracy. Still is of it assume that the attachments such as struts and cable connections of the known flow meter Turbulence and a certain distortion of the flow conditions can cause at the measurement site.

Für die vorliegende Erfindung gattungsbildende Bodenwasser-Strömungsmesser sind aus der US 2805572 und aus der Zusammenfassung zu der JP 08105910 A bekannt. Bei der Vorrichtung aus der US 2805572 ist als Vertikalanordnung ein Seil vorgesehen. Als Strömungssensoren werden konusförmige Körper verwendet, in denen jeweils ein Gewichtskörper um eine Achse drehbar gelagert ist und Registriervorrichtungen vorgesehen sind, die die Auslenkung bzw. Drehung des Gewichtskörpers als Maß für die Richtung und die Geschwindigkeit der lokalen Strömung aufzeichnen. Zum Zweck der hydrographischen Beschreibung des großskaligen Wassertransports im Meer durch die Messung relativ hoher Strömungsgeschwindigkeiten im freien Wasserkörper erfolgt jedoch ein Einsatz dieser bekannten Vorrichtung als „Strömungsindikator" in einigem Abstand über dem Meeresboden, wobei die vertikale Verteilung der Registriervorrichtungen mit relativ großen Abständen zueinander erfolgt. Eine hohe Vertikalauflösung der Strömungsmessung in der untersten, sehr bodennahen Bodenströmung zur Strömungsbestimmung in bezug auf dort stattfindende Stoffaustauschprozesse ist nicht erreichbar. Dabei wirken sich auch die große Baugröße des beschriebenen Strömungsindikators sowie dessen Verankerung an Grund mittels Anker oder Gewichtssack und an einem Seil stark limitierend auf die erzielbare Vertikalauflösung aus. Weiterhin ist aus der Zusammenfassung der JP 08105910 A eine Vorrichtung bekannt, bei der ebenfalls als Strömungssensoren Gewichtskörper verwendet werden, die als Pendel aufgehängt sind. Die Auslenkung wird hier optisch erfasst. Diese Vorrichtung ist jedoch zur Messung von sehr langsamen Grundwasser-Fließgeschwindigkeiten im Grundwasserleiter konzipiert und wird in einer Sondenröhre in den porösen Boden gesenkt. Der Grundwasserstrom bewegt in Abhängigkeit von der Fließgeschwindigkeit ein Gewicht, an dessen reflektierender Unterseite ein Lichtstrahl abgelenkt wird. Die flussbedingte Änderung des Ablenkungswinkels wird von einem ortsempfindlichen Detektor registriert. Basisprinzip dieser Vorrichtung ist der Verdrängungsfluss, d.h. die Sonde erzeugt im Boden ein Durchflussvolumen, welches vom Grundwasser komplett gefüllt und durchströmt wird. Anders als im freien Wasserkörper, wo der Fluss leicht umgelenkt werden kann, wird der Grundwasserstrom durch die Öffnung in der Sonde hindurchgezwungen. Eine Tiefseetauglichkeit dieser Vorrichtung ist jedoch nicht gegeben.For the present invention, generic soil water flow meters are known from the US 2805572 and from the summary of the JP 08105910 A known. In the device from the US 2805572 a rope is provided as a vertical arrangement. Conical bodies are used as flow sensors, in each of which a weight body is rotatably mounted about an axis and registration devices are provided which record the deflection or rotation of the weight body as a measure of the direction and speed of the local flow. However, for the purpose of the hydrographic description of the large-scale water transport in the sea by measuring relatively high flow velocities in the free water body, this known device is used as a "flow indicator" at some distance above the sea floor, with the vertical distribution of the registration devices taking place at relatively large distances from one another. It is not possible to achieve a high vertical resolution of the flow measurement in the bottom, very close-to-the-ground floor flow for determining the flow with regard to the mass transfer processes taking place there the vertical resolution that can be achieved JP 08105910 A a device is known in which weight bodies are also used as flow sensors, which are suspended as a pendulum. The deflection is optically recorded here. However, this device is designed for measuring very slow groundwater flow rates in the aquifer and is lowered into the porous soil in a probe tube. Depending on the flow rate, the groundwater flow moves a weight, on the reflecting underside of which a light beam is deflected. The flow-related change in the deflection angle is registered by a location-sensitive detector. The basic principle of this device is the displacement flow, ie the probe creates a flow volume in the ground, which is completely filled and flowed through by the groundwater. Unlike in the free water body, where the river can be easily redirected, the groundwater flow is forced through the opening in the probe. However, this device is not suitable for deep sea use.

Allgemein bekannt sind auch Windfahnen für den Einsatz im Luftraum, die sich unter Windeinfluss in die Windrichtung drehen und diese anzeigen. Aus der DE 1930216 U ist darüber hianus eine ähnliche Vorrichtung bekannt, die aus einer vertikal ausgerichteten Richtungsfahne und einer um eine horizontale Achse frei drehbarer Messfahne mit zugeordneter Winkelfahne besteht, sodass auch die relativ hohe Windgeschwindigkeit angezeigt werden kann. Mit einer derartigen Einzelanordnung kann jedoch kein Strömungsprofil unter Wasser erstellt werden.Wind vanes are also generally known for use in airspace, which rotate under the influence of the wind and display it. From the DE 1930216 U a similar device is known above it, which consists of a vertically aligned directional flag and a measuring flag which can be freely rotated about a horizontal axis and has an associated angle flag, so that the relatively high wind speed can also be displayed. With such a single arrangement, however, no flow profile can be created under water.

Die Aufgabe für die vorliegende Erfindung ist darin zu sehen, einen gattungsgemäßen Bodenwasser-Strömungsmesser der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, dass hochauflösende Profilmessungen von Bodenwasserströmungen ermöglicht werden. Dabei soll der erfindungsgemäße Strömungsmesser insbesondere auch Tiefseeanforderungen erfüllen, einfach aufgebaut und auch einfach zu handhaben sein. Trotzdem sollen die erhaltenen Messdaten sehr genau sein. Weiterhin ist es wesentlich, dass die messtechnisch zu erfassende Bodenströmung durch den Strömungsmesser selbst nur minimal gestört oder verfälscht wird. Daneben soll insbesondere auch noch eine preisgünstige Gestaltung umgesetzt werden, die auch für Einsätze auf Hochseeforschungsschiffen mit ihrem latenten Platz- und Zeitmangel geeignet ist.The object for the present invention can be seen in a generic soil water flow meter of the type described in the introduction so that high-resolution profile measurements of soil water currents allows become. The flow meter according to the invention should also in particular Meet deep sea requirements, simple to set up and easy to use. Still should the measurement data obtained are very accurate. Furthermore, it is essential that the bottom flow to be measured by the flow meter even minimally disturbed or falsified becomes. In addition, an inexpensive design should also be implemented that are also for Calls on ocean-going research ships with their latent lack of space and time suitable is.

Die erfindungsgemäße Lösung hierfür besteht darin, dass die Vertikalanordnung als Stab ausgebildet ist, an dem direkt die Strömungssensoren eng übereinander angeordnet sind, und dass die Strömungssensoren jeweils aus einer vertikal ausgerichteten Richtungsfahne und einer orthogonal dazu ausgerichteten und mit dieser verbundene Messfahne bestehen, von denen die Richtungsfahne um die von dem Stab gebildete vertikale Drehachse und die Messfahne um die quer zur Richtungsfahne verlaufende horizontale Achse frei drehbar befestigt sind, wobei der zu registrierende Auslenkungswinkel einer jeden individuell kalibrierten und durch die Richtungsfahne in Strömungsrichtung ausgerichteten Messfahne eine Funktion von der örtlichen Strömungsgeschwindigkeit ist.The solution according to the invention for this is that the vertical arrangement is designed as a rod on which the flow sensors directly one above the other are arranged, and that the flow sensors each from a vertically aligned directional flag and an orthogonally aligned one and associated with this measurement flag, of which the direction flag about the vertical axis of rotation formed by the rod and the measuring flag freely around the horizontal axis running transversely to the direction flag are rotatably attached, the deflection angle to be registered each individually calibrated and by the direction flag in the direction of flow aligned measuring vane a function of the local flow velocity is.

Der erfindungsgemäße Bodenwasser-Strömungsmesser arbeitet ausschließlich strömungsmechanisch. Er setzt ein relativ einfaches, wenig anfälliges Messprinzip um, das auch in kritischen Umfeldern mit insbesondere hohem Druck, niedriger Temperatur sowie korrosivem Medium hochgenaue Messergebnisse liefert. Damit können mit dem erfindungsgemäßen Bodenwasser-Strömungsmesser erstmals auch in der Tiefsee bei 2000 m bis 6000 m Tiefe und mehr örtlich hochaufgelöste Strömungsprofile der bodennahen Strömung erstellt werden. Hier ist von besonderem Vorteil, dass die gesamte Energieversorgungsproblematik entfällt, die bei Unterwassermessgeräten oft kritisch ist. Die geforderte hohe Vertikalauflösung der Strömungsmessung wird durch eine Miniaturisierung der einzelnen Strömungssensoren, die prinzipiell nurmehr aus zwei orthogonal zueinander angeordneten, in der Bodenwasserströmung anströmbaren Fahnen bestehen, erreicht. Ein weiterer besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Bodenwasser-Strömungsmessers ist darin zu sehen, dass neben den Fahnen selbst keine weiteren Fremdkörper wie Zuleitungen und Anbauteile die Bodenströmung stören können. Für die Messgenauigkeit des erfindungsgemäßen Bodenwasser-Strömungsmessers ist es von grundlegender Bedeutung, dass jede Messfahne bezüglich ihres Auslenkungswinkels unter bekannten Strömungsbedingungen individuell kalibriert wird. Hierzu können in einem Messkanal bekannte Messanordnungen zur Strömungsmessung, beispielsweise ein Akustik-Doppler-Profiler, verwendet werden. Zur Kalibrierung wird die Winkelauslenkung jeder Messfahne bei beispielsweise sechs unterschiedlichen Standardströmungsgeschwindigkeiten bestimmt. Dabei wird ein Stab aus Originalmaterial sowie Idealerweise auf in situ-Temperatur temperiertes Meerwasser desselben Salzgehaltes, wie er am späteren Messort auftritt, im Strömungskanal verwendet. Somit werden identische Viskositätsbedingungen geschaffen und Fehler in Folge unterschiedlicher Turbulenzentwicklung in Strömungs-Lee des Stabes minimiert. Die erfindungsgemäße Messanordnung ist klein, leicht, handlich und einfach bedienbar. Sie ist relativ unempfindlich, lässt sich gut lagern und ist preisgünstig. Somit sind Anwendungen insbesondere in der Tiefsee in Form von dort stationär installierten Messfeldern mit einer Vielzahl solcher Bodenwasser-Strömungsmesser, die regelmäßig abgelesen werden, denkbar. Daraus ergeben sich dann besonders aufschlussreiche Langzeiterkenntnisse in der Erforschung einer Parameterschar in bodennahen Gewässerströmungen.The soil water flow meter according to the invention works exclusively in fluid mechanics. It implements a relatively simple, less sensitive measuring principle that delivers highly accurate measurement results even in critical environments with particularly high pressure, low temperature and corrosive medium. Thus, with the soil water flow meter according to the invention, for the first time also in the deep sea at 2000 m to 6000 m depth and more locally high-resolution flow profiles of the near-ground flow can be created. It is particularly advantageous here that the entire energy supply problem, which is often critical in underwater measuring devices, is eliminated. The required high vertical resolution of the flow measurement is achieved by miniaturizing the individual flow sensors, which in principle only consist of two flags that are arranged orthogonally to one another and can flow in the bottom water flow. Another particular advantage of the soil water flow meter according to the invention can be seen in the fact that, in addition to the flags themselves, no other foreign bodies such as supply lines and attachments can disrupt the soil flow. For the measuring accuracy of the floor according to the invention water flow meter, it is of fundamental importance that each measuring vane is individually calibrated with regard to its deflection angle under known flow conditions. Known measuring arrangements for flow measurement, for example an acoustic Doppler profiler, can be used for this purpose in a measuring channel. For calibration, the angular deflection of each measuring vane is determined at, for example, six different standard flow velocities. A rod made of original material and ideally sea water of the same salinity, as tempered at in-situ temperature, as used at the later measuring location, is used in the flow channel. This creates identical viscosity conditions and minimizes errors due to different turbulence development in the flow lee of the rod. The measuring arrangement according to the invention is small, light, handy and easy to use. It is relatively insensitive, can be stored well and is inexpensive. Applications in the deep sea in the form of measuring fields installed there with a large number of such groundwater flowmeters, which are regularly read, are conceivable. This results in particularly insightful long-term knowledge in the research of a group of parameters in near-surface water currents.

Aus der GB 2 036 333 A ist zwar ein Strömungsmesser mit zumindest zwei übereinander angeordneten Strömungsfahnen bekannt, der jedoch ausschließlich zur Messung der horizontalen Strömung in einem flachen Gewässer eingesetzt werden kann. Eine Tiefseetauglichkeit ist nicht gegeben, die Registrierungseinrichtung mit einer Ableseskala und einem Kompass muss bei der Messung aus dem Wasser ragen. Weiterhin kann ein vertikales Strömungsprofil zeitlich nur durch vertikales Verschieben des Strömungsmessers in der Strömung erstellt werden. Vom Nutzer wird der bekannte Strömungsmesser in die Strömung gehalten. Eine das Messgerät ausrichtende Richtungsfahne ist nicht vorhanden. Die beiden Fahnen, von denen die eine fest mit einer sich drehenden Vertikalwelle verbunden und die andere frei radial drehbar bis zu einer Einraststelle angeordnet ist, werden dann unter dem Anströmdruck des fließenden Wassers nach Strömungs-Lee gedrückt, wobei sie eine Gegenspannung überwinden müssen, welche insbesondere durch eine Rückstellfeder, Reibung in den Drehlagern sowie durch eventuell eingebaute elektromechanische Anzeigegeräte hervorgerufen wird. Diese Drehwiderstände verhindern eine sehr leichtes Ansprechen des Gerätes, welche jedoch zur genauen Erfassung sehr geringer Strömungsgeschwindigkeiten, wie sie beispielsweise für die Bodenwasserzone der Tiefsee typisch sind, unabdingbar ist. Folglich können erst Strömungsgeschwindigkeiten oberhalb eines bestimmten Schwellwertes gemessen werden. Die beschriebenen Drehwiderstände des bekannten Strömungsmessers verlieren ihre Bedeutung jedoch in dem Maß, in dem die Strömungsfahnen größer dimensioniert werden, was zur Bestimmung der Hauptströmungsgeschwindigkeit im Inneren eines Fließgewässers oder Kanals ausreicht. Zur Messung eines vertikal hochauflösendes Strömungsprofils dicht über einem Gewässerboden erscheint der bekannte Strömungsmesser jedoch nicht geeignet zu sein. Demgegenüber zeichnet sich der erfindungsgemäße Bodenwasser-Strömungsmesser durch ein besonders gutes Ansprechverhalten und damit durch eine hohe Empfindlichkeit, auch gegenüber geringen Strömungsgeschwindigkeiten aus. Somit unterscheidet sich der bekannte Strömungsmesser von dem erfindungsgemäßen Bodenwasser-Strömungsmesser in einer ganzen Reihe von bedeutsamen Punkten.From the GB 2 036 333 A a flow meter with at least two flow vanes arranged one above the other is known, but can only be used for measuring the horizontal flow in shallow water. There is no deep sea suitability, the registration device with a reading scale and a compass must protrude from the water during the measurement. Furthermore, a vertical flow profile can only be created in time by vertically shifting the flow meter in the flow. The known flow meter is held in the flow by the user. There is no directional flag pointing the measuring device. The two flags, one of which is fixedly connected to a rotating vertical shaft and the other of which is arranged freely radially rotatable up to a snap-in point, are then pressed to flow lee under the inflow pressure of the flowing water, whereby they have to overcome a counter-tension, which especially caused by a return spring, friction in the pivot bearings and possibly built-in electromechanical display devices. These rotational resistances prevent the device from responding very easily, which is, however, indispensable for the precise detection of very low flow velocities, as are typical, for example, for the bottom water zone of the deep sea. Consequently, flow velocities above a certain threshold value can only be measured. However, the described rotational resistances of the known flow meter lose their importance to the extent that the flow plugs are dimensioned larger, which is sufficient for determining the main flow velocity inside a flowing water or channel. However, the known flow meter does not appear to be suitable for measuring a vertically high-resolution flow profile close above a body of water. In contrast, the soil water flow meter according to the invention is characterized by a particularly good response behavior and thus by a high sensitivity, even with low flow velocities. Thus, the known flow meter differs from the soil water flow meter according to the invention in a number of important points.

Weitere Details zu dem erfindungsgemäßen Bodenwasser-Strömungsmesser werden im Folgenden anhand einiger vorteilhafter Ausführungsformen näher erläutert. Wesentliche Eigenschaft und auch Vorteil des beanspruchten Boden wasser-Strömungsmessers ist die Erstellung einer Profilmessung. Insbesondere der Gradientenverlauf der Bodenwasserströmung und der daraus ableitbaren weiteren Parameter, wie beispielsweise die Schergeschwindigkeit oder die Oberflächenrauigkeit des Gewässerbodens ermöglichen wesentliche Rückschlüsse und Erkenntnisse. Durch die äußerst geringen Abmessungen der einzelnen Strömungssensoren ist deren enge Benachbarung mit einem entsprechend feinen Auflösungsprofil möglich. Dabei können alle Sensoren den gleichen Abstand zueinander aufweisen. Das Auflösungsprofil kann den in der bodennahe Strömung herrschenden Verhältnissen noch weiter angepasst werden, wenn gemäß einer ersten Erfindungsausgestaltung vorgesehen ist, dass die eng benachbarte Anordnung der Strömungssensoren zum Gewässerboden hin zunimmt. Somit hat man im Bereich der größten Gradientenänderung kurz oberhalb des Gewässerbodens die größte Auflösung, die einer lückenlosen Aneinanderreihung der einzelnen Strömungssensoren entspricht. Im darüber liegenden Bereich mit geringeren Parameteränderungen kann die Auflösung durch entsprechend größere Abstände zwischen den Sensoren grober gewählt werden.Further details on the soil water flow meter according to the invention are explained in more detail below on the basis of some advantageous embodiments. basics Property and also advantage of the claimed soil water flow meter is the creation of a profile measurement. In particular the gradient course the bottom water flow and the further parameters that can be derived therefrom, such as, for example enable the shear rate or the surface roughness of the water floor essential conclusions and Findings. Due to the extremely small Dimensions of the individual flow sensors is their close disclosure with a correspondingly fine resolution profile possible. You can all sensors are at the same distance from each other. The resolution profile can prevail in the flow near the ground conditions be further adapted if according to a first embodiment of the invention it is provided that the closely adjacent arrangement of the flow sensors to the water floor increases. So you have in the area of the greatest gradient change just above the water floor the greatest resolution that one gapless Stringing the individual flow sensors corresponds. in the about that area with less parameter changes can be resolved by correspondingly larger distances between the sensors are roughly chosen become.

Die hohe Empfindlichkeit bei der Umsetzung des Messverfahrens wurde bei dem erfindungsgemäßen Bodenwasser-Strömungsmesser durch eine material- und formtechnische Optimierung erreicht. Insbesondere wurde das leichte Ansprech- und Abklingverhalten der Strömungssensoren durch die Form und die technische Beschaffenheit der Messfahne ermöglicht. Weiterhin sind die zur in situ-Strömungsmessung entwickelten Strömungsfahnen materialtechnisch nicht drucklimitiert, das heißt, sie können in beliebiger Wassertiefe eingesetzt werden. Einige Gestaltungsaspekte werden im Folgenden näher erläutert. Insbesondere kann gemäß einer nächsten Erfindungsfortführung vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Richtungsfahne aus einem einseitig offenen, rechteckigen Drahtrahmen, der an seinen beiden offenen Enden über zwei Drahtösen mit dem Stab frei drehbar verbunden ist, und einer im Drahtrahmen angeordneten Anströmungsfläche aufgebaut ist. Ein einseitig offener Drahtrahmen aus beispielsweise einem gegen Salzwasser resistenten Edelstahldraht, vorzugsweise Schweißdraht, ist einfach und gut formreproduzierbar mit geringen Stückkosten herstellbar. Eine spezielle Fertigungshilfe lohnt bereits bei einer Kleinserienproduktion. Weiterhin können in die beiden offenen Enden des Drahtrahmens problemlos kleine Drahtösen eingearbeitet werden, die den Stab als Drehachse umfassen. Ein vertikale Fixierung der einzelnen Strömungssensoren kann über entsprechende Zwischenstücke, die ebenfalls lose oder auch fest am Stab angeordnet sind, erreicht werden. Die Anströmungsfläche zur Bildung der Richtungsfahne kann ebenfalls einfach auf unterschiedliche Weisen im oder am Drahtrahmen befestigt werden. Dabei kann insbesondere der Drahtrahmen quadratisch und die Anströmungsfläche als Kunststofffolie ausgebildet sein, die zwischen der unteren horizontalen und der vertikalen Seite des Drahtrahmens aufgespannt ist und eine von den entsprechenden äußeren Eckpunkten des Drahtrahmens verlaufende Krümmung aufweist, die mit einer deutlich sichtbaren Winkelskala versehen ist. Das Überspannen eines quadratischen Drahtrahmens ermöglicht die Herstellung einer besonders einfachen und leichten, aber robusten Richtungsfahne. Zum visuellen Ablesen der Winkelskala ist die gute Sichtbarkeit der Winkelangaben von Bedeutung, insbesondere in trüberen Wasserverhältnissen. Weitere Informationen zu dieser Ausführungsform sind dem speziellen Beschreibungsteil zu entnehmen.The high sensitivity in the implementation of the measurement method was achieved in the soil water flow meter according to the invention by optimizing the material and shape. In particular, the easy response and decay behavior of the flow sensors was made possible by the shape and the technical nature of the measuring vane. Furthermore, the flow plugs developed for in-situ flow measurement are not limited in terms of material technology, which means that they can be used at any water depth. Some design aspects are explained in more detail below. In particular, according to a next continuation of the invention, it can advantageously be provided that the direction flag is made up of Open, rectangular wire frame, which is freely rotatably connected to the rod at its two open ends via two wire eyelets, and an inflow surface arranged in the wire frame is constructed. A wire frame that is open on one side, for example from a stainless steel wire that is resistant to salt water, preferably welding wire, can be produced easily and reproducibly with low unit costs. A special production aid is already worthwhile for small series production. Furthermore, small wire eyelets can be worked into the two open ends of the wire frame without problems, which enclose the rod as an axis of rotation. A vertical fixation of the individual flow sensors can be achieved by means of corresponding intermediate pieces, which are also arranged loosely or firmly on the rod. The inflow surface for forming the directional flag can also be easily attached in or on the wire frame in different ways. In particular, the wire frame can be square and the inflow surface can be designed as a plastic film that is stretched between the lower horizontal and the vertical side of the wire frame and has a curvature that extends from the corresponding outer corner points of the wire frame and that is provided with a clearly visible angle scale. Covering a square wire frame enables the production of a particularly simple and light, but robust directional flag. The good visibility of the angle information is important for the visual reading of the angle scale, especially in cloudy water conditions. Further information on this embodiment can be found in the special description part.

Bei dem Bodenwasser-Strömungsmesser ist die Messfahne mit der Richtungsfahne derart verbunden, dass der Auslenkungswinkel der Messfahne immer in der Ebene der Richtungsfahne liegt bzw. die Drehachse, um welche die Messfahne ausgelenkt wird, immer orthogonal zur Strömungsrichtung ausgerichtet ist. Somit sorgt die sich in der Bodenströmung ungehindert ausrichtende Richtungsfahne immer für eine optimale Anströmung und damit Auslenkung als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit. Die Messfahne kann gemäß einer nächsten Erfindungsweiterbildung, die sich auf eine Ausbildung der Richtungsfahne mit einem Drahtrahmen bezieht, auf einer herausgezogenen Achse der oberen Drahtöse des Drahtrahmens drehbar gelagert sein und eine von der Achse bis zur Krümmung der Anströ mungsfläche der Richtungsfahne zunehmende Trapezform aufweisen. Durch die Achsenverbindung wird ein leichtes, aber gut drehbares und widerstandsfähiges System aus den beiden Fahnen geschaffen. Weiter oben wurde bereits der wesentliche Einfluss der Ausgestaltung der Messfahne auf das Messverhalten des Strömungsmessers nach der Erfindung erwähnt. Unterschiedliche Versuche haben ergeben, dass eine Messfahne in Trapezform die strömungsdynamisch optimale Form mit dem besten Ansprech- und Abklingverhalten darstellt. Durch die genannte Ausführungsform ist die Messfahne in die Richtungsfahne integriert und reicht bis zur Messskala auf der Richtungsfahne. Damit erfüllt die Messfahne die Funktion eines Zeigers. Ein derartiger Zeiger kann besonders einfach hergestellt werden, wenn gemäß einer nächsten Erfindungsfortführung die Messfahne aus einem auftriebsneutralen hell eingefärbten Kunststoff gefertigt ist. Ein gegen Salzwasser resistente Kunststoff, beispielsweise Polyethylen, garantiert mit seiner weißlichen Farbe eine besonders gute Sichtbarkeit der Messfahne vor dem meist dunklen Hintergrund in der lichtfernen Tiefsee, welches zum Ablesen der Winkelstellung – wie die gute Sichtbarkeit der Skala – von Bedeutung ist. Die Verwendung eines auftriebneutralen Kunststoffes ist in Verbindung mit einem speziell wählbaren, am dem Drehpunkt entgegengesetzten Ende der Messfahne angebrachten Gewicht, bezüglich des Ansprech- und Abklingverhaltens optimal, es wird eine hohe Ansprechempfindlichkeit der Messfahnen erreicht. Dadurch können für einen zwischen 0 cm/s und 15 cm/s kalibrierten Geschwindigkeitsbereich noch Strömungsgeschwindigkeiten unterhalb 3 cm/s mit einer relativen Genauigkeit etwa 0,5 cm/s oder besser gemessen werden. Die untere Grenze des Messbereiches liegt dagegen bei vielen bekannten Strömungsmessern bei 10 cm/s bei einer Auflösung von 1 cm/s.The bottom water flow meter the measurement flag is connected to the direction flag in such a way that the deflection angle of the measuring flag always in the plane of the directional flag lies or the axis of rotation about which the measuring flag is deflected, always orthogonal to the flow direction is aligned. This ensures that the soil flow is unhindered aligning directional flag always for an optimal flow and deflection as a measure of the flow velocity. The measuring flag can be according to a next Invention training, based on a training of the directional flag with a wire frame, on a pulled axis of the upper eyelet of the wire frame to be rotatably supported and one from the axis to for curvature the inflow area of the Have increasing trapezoidal shape. Through the axis connection becomes a light, but easily rotatable and robust system created from the two flags. The above was already the significant influence of the design of the measuring flag on the measuring behavior of the flow meter mentioned after the invention. Different tests have shown that a measuring flag in Trapezoidal shape the optimal flow dynamics Form with the best response and decay behavior. By the aforementioned embodiment the measuring flag is integrated in the directional flag and extends up to to the measuring scale on the direction flag. The measuring flag thus fulfills the function of a Pointer. Such a pointer can be manufactured in a particularly simple manner become, if according to a next invention continuation Measuring flag made from a buoyancy-neutral, light-colored plastic is. A plastic resistant to salt water, for example Polyethylene, with its whitish color, guarantees a special one good visibility of the measuring flag against the mostly dark background in the deep sea, far from the light, which is used to read the angular position - good visibility of the scale - from Meaning is. The use of a buoyancy-neutral plastic is in conjunction with a specially selectable one at the pivot point opposite Weight attached to the end of the measuring flag, with regard to the response and decay behavior optimal, there will be a high sensitivity of the measuring flags reached. This allows for one Speed range calibrated between 0 cm / s and 15 cm / s still flow velocities below 3 cm / s with a relative accuracy of about 0.5 cm / s or can be measured better. The lower limit of the measuring range is on the other hand with many known flow meters at 10 cm / s with a resolution of 1 cm / s.

Gemäß einer nächsten Ausgestaltung der Erfindung kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Messfahne durch Einbringen einer kleinen Gewichtsperle in ihre der Drehachse gegenüberliegende Seite individuell in ihrer Ansprechempfindlichkeit eingestellt ist. Dadurch wird die die Ansprech empfindlichkeit festlegende Rückstellkraft der Messfahnen in der Bodenströmung zu einer genau dosierbaren Schwerkraft. Durch die Masse der Gewichtsperlen, bei denen es sich beispielsweise um Bleiperlen handeln kann, kann damit der Empfindlichkeitsbereich der Messfahnen variabel eingestellt werden. So können beispielsweise die bodennahen Messfahnen am empfindlichsten eingestellt werden, da dort auch die kleinsten Geschwindigkeiten in der Bodenströmung auftreten.According to a next embodiment of the invention can also be provided that the measuring flag by introducing a small bead of weight in its opposite the axis of rotation Page is set individually in its responsiveness. As a result, the restoring force determines the response sensitivity of the measuring lugs in the bottom flow to precisely metered gravity. By the mass of the weight pearls, which may be lead pearls, for example thus the sensitivity range of the measuring flags can be set variably become. So can For example, the measurement tags near the ground are set most sensitive because there are even the lowest speeds in the bottom flow.

Die Vertikalanordnung in Form des Stabes ist das zentrale, tragende Element des Bodenwasser-Strömungsmessers nach der Erfindung. Der Stab beeinflusst durch seine Form die herrschenden Strömungsverhältnisse nur minimal, muss aber eine ausreichende Festigkeit zur Anordnung der Strömungssensoren aufweisen. Nach einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es daher besonders sinnvoll, wenn der Stab als Fiberglasstab ausgebildet ist. Weiterhin kann vorteilhaft am Stab eine Griffplatte angeordnet sein. Dabei kann die Griffplatte aus einem Kunststoff, beispielsweise aus Polyoxymethylen, gefertigt sein. Somit kann der Strömungsmesser von Hand oder in größeren Wassertiefen auch mit Hilfe eines Tauchroboters problemlos abgesetzt werden. Zur sicheren vertikalen Standfestigkeit des Strömungsmessers ist es nach einer anderen Erfindungsfortführung noch vorteilhaft, wenn der Stab an seinem unteren Ende eine Platte oder einen Sedimentanker aufweist. Dabei wird die Platte bei festem Untergrund, der Sedimentanker eher bei weichem Grund, in den er vollständig eingesteckt wird, verwendet. Bei einer Platte zum Aufstellen des Strömungsmessers beispielsweise auf felsigem Grund kann die Griffplatte am oberen Ende des Fiberglasstabes vorgesehen sein. Ist ein Sedimentanker, der für einen guten Halt im Sediment einen kreuzförmigen Querschnitt aufweisen kann, vorgesehen, sollte die Griffplatte kurz oberhalb von diesem angeordnet sein, damit der Sedimentanker sicher und ohne den Fiberglasstab abzuknicken in den Boden einsteckt und ausgerichtet werden kann.The vertical arrangement in the form of the rod is the central, supporting element of the soil water flow meter according to the invention. The shape of the rod influences the prevailing flow conditions only minimally, but it must have sufficient strength for the arrangement of the flow sensors. According to a further embodiment of the present invention, it is therefore particularly useful if the rod is designed as a fiberglass rod. Furthermore, a handle plate can advantageously be arranged on the rod. The handle plate can be made of a plastic, for example polyoxymethylene. Thus, the flow meter can be easily removed by hand or at greater water depths with the help of a diving robot be set. For a safe vertical stability of the flow meter, according to another embodiment of the invention, it is also advantageous if the rod has a plate or a sediment anchor at its lower end. The plate is used on firm ground, the sediment anchor rather on soft ground into which it is fully inserted. In the case of a plate for setting up the flow meter, for example on rocky ground, the handle plate can be provided at the upper end of the fiberglass rod. If a sediment anchor, which can have a cruciform cross-section for a good hold in the sediment, is provided, the grip plate should be arranged just above it so that the sediment anchor can be inserted and aligned safely and without kinking the fiberglass rod.

Nach einer nächsten Erfindungsausgestaltung können die Auslenkungswinkel der Messfahnen unter Einfluss der Bodenströmung von einer visuellen Registriereinrichtung erfasst werden. Diese kann sowohl als sequenzielle Standbild- oder Filmkamera ausgeführt sein, jedoch ist auch eine Laserabtastung oder ein Lichtschrankensystem möglich. Dabei soll an dieser Stelle jedoch bemerkt werden, dass auch andere Registrierungsarten, beispielsweise über mechanische oder magnetische Verschiebeelemente oder über kapazitive Elemente, möglich sind. Der Vorteil nicht-optischer Erfassungssysteme liegt in der Verwendung auch bei nicht transparenten Fluiden, zu denen Flüssigkeiten, aber auch Gase zählen. Die visuelle Erfassung arbeitet vollständig berührungslos und benötigt keine weiteren, gegebenenfalls fehlerverursachenden Elemente am Strömungsmesser selbst. Dabei kann der Bodenwasser-Strömungsmesser nach der Erfindung auf den Betrieb mit Hilfe eines Tauchroboters ausgelegt werden, welcher normalerweise schon standardmäßig über Video-, Fernseh- und/oder Standbildkameras verfügt. Eine Weiterentwicklung des Bodenwasser-Strömungsmesser nach der Erfindung zu einem autonomen System, aber auch der Transfer in völlig andere Anwendungsfelder, beispielsweise in der Industrie, ist denkbar. Gerade hier ist der Einsatz von Lasertastern oder einfachen Lichtschranken denkbar, welche bei über- oder unterschreiten eines kritischen Auslenkwinkels der Messfahne ein Signal ausgeben. Bei industriellen Anwendungen sind die optischen Geräte in der Regel bereits vorhanden und müssten nur mit den Messfahnen kombiniert werden. So können neue Ausführungsformen des Strömungsmesser nach der Erfindung, beispielsweise als Überlaufkontrolle in Überlaufbecken oder als Zu- und Abflusskontrolle in Kläranlagen o.ä. konzipiert werden.After a next invention design can the deflection angles of the measuring flags under the influence of the floor flow of a visual registration device. This can be both be designed as a sequential still or film camera, however, is also a laser scan or a light barrier system possible. It should be noted at this point, however, that others Types of registration, for example mechanical or magnetic Sliding elements or over capacitive elements, possible are. The advantage of non-optical detection systems lies in their use even with non-transparent fluids, to which liquids, but also count gases. The visual recording works completely without contact and does not require any further, possibly error-causing elements on the flow meter itself. The bottom water flow meter can be used according to the invention on operation with the help of a diving robot be interpreted, which is usually already standard via video, TV and / or still cameras. A further development of the soil water flow meter the invention to an autonomous system, but also the transfer in completely other fields of application, for example in industry, are conceivable. Just here is the use of laser sensors or simple light barriers conceivable which over- or fall below a critical deflection angle of the measuring flag Output signal. In industrial applications, the optical equipment usually already exist and would only have to be with the measurement flags be combined. So can new embodiments of the flow meter according to the invention, for example as an overflow control in overflow basins or as inflow and outflow control in sewage treatment plants or similar. be conceived.

Nachdem der Bodenwasser-Strömungsmesser nach der Erfindung mit Hilfe vertikal am Meeresboden verankert worden ist, wird mit Hilfe eines Neigungsanzeigers – bei Einsatz eines Tauchroboters verfügt dieser in der Regel über einen Neigungsanzeiger – die Vertikalstellung der Messanordnung überprüft. Anschließend wird der Tauchroboter im rechten Winkel zur Hauptströmung, die aus Online-Videoaufnahmen der ausgebrachten Strömungsfahnen oder im Wasser driftenden Partikeln ersichtlich ist, ca. 5 m vom aufgestellten Strömungsmesser wegbewegt. Von dieser Position aus wird die Auslenkung der Messfahnen dann einige Minuten gefilmt. Der Auslenkungswinkel der Messfahnen wird bei der Auswertung mittels einer Bildanalysesoftware bestimmt und über die für jede Messfahne im Strömungskanal individuell aufgenommene Kennkurve (Auslenkungswinkel = Funktion (Strömungsgeschwindigkeit)) in einen Geschwindigkeitswert zurückbestimmt (z.B. unter Verwendung einer Spline-Interpolation).After the bottom water flow meter according to the invention have been anchored vertically to the seabed is with the help of a tilt indicator - if a diving robot is used, it has usually about a tilt indicator - the Vertical position of the measuring arrangement checked. Then will the diving robot at right angles to the mainstream, which comes from online video recordings of the spreading plumes or particles drifting in water can be seen, approx. 5 m from installed flow meter moved away. From this position, the deflection of the measuring flags is then filmed for a few minutes. The deflection angle of the measuring flags is determined in the evaluation by means of image analysis software and via the for every Measuring vane in the flow channel individually recorded characteristic curve (deflection angle = function (Flow rate)) determined back to a speed value (e.g. using a spline interpolation).

Werden die Beobachtungen aus einem Kamera-Blickwinkel von annähernd 90° durchgeführt, ist keine Winkelkorrektur erforderlich. Werden jedoch die Messfahnen aus einem Blickwinkel zwischen 75° und 90° aufgenommen, führt dies zu einer Verzerrung des Auslenkungswinkels der Messfahnen. Da sphärisch-trigonometrische Korrekturen zu aufwändig sind, kann die Winkelauslenkung in diesen Fällen mit einem Korrekturfaktor korrigiert werden, welcher über bekannte Winkelmarkierungen auf der Auslenkungsfahne und deren gemessenen Werten ermittelt wird.Are the observations from one Approximate camera viewing angle 90 ° is done no angle correction required. However, the measuring flags from a point of view between 75 ° and Taken up 90 °, does this to a distortion of the deflection angle of the measuring flags. Because spherical-trigonometric Corrections too complex are the angular deflection in these cases with a correction factor to be corrected, which over Known angle markings on the deflection flag and their measured Values is determined.

Ausbildungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigtForms of embodiment of the invention are as follows explained in more detail using the schematic figures. It shows

1 einen Bodenwasser-Strömungsmesser in einer perspektivischen Gesamtansicht mit optionaler Grundplatte, 1 a bottom water flow meter in a perspective overall view with optional base plate,

2 ein Foto eines abgesetzten Bodenwasser-Strömungsmessers mit Sedimentanker, 2 a photo of a remote soil water flow meter with sediment anchor,

3 drei gemessene Strömungsprofile an unterschiedlichen Messorten, 3 three measured flow profiles at different measuring locations,

4 einen Sedimentanker für den Bodenwasser-Strömungsmesser und 4 a sediment anchor for the bottom water flow meter and

5 Kalibierkurven von zwei Strömungsmessern. 5 Calibration curves of two flow meters.

Die 1 zeigt einen Bodenwasser-Strömungsmesser 11 nach der Erfindung zur simultanen in situ-Messung von örtlichen Strömungsgeschwindigkeiten in unterschiedlichen Höhen in der untersten Wassersäule oberhalb eines Gewässerbodens mit einem aus Fiberglas bestehenden Stab 12 als Vertikalanordnung, an dem mehrere Strömungssensoren 13 vertikal dicht benachbart angeordnet sind. Beispielsweise können zehn Strömungssensoren 13 vorgesehen sein, sodass ein Strömungsprofil mit zehn simultanen Messorten erstellt werden kann (in der 1 ist der Bodenwasser-Strömungsmesser 11 in der Mitte unterbrochen dargestellt). Der Abstand zwischen den Strömungssensoren 13 ist hier konstant gewählt und wird durch Zwischenhülsen 14 eingestellt und fixiert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Bodenwasser-Strömungsmesser 11 eine Platte 15 (Durchmesser ca. 300 mm) am unteren Ende des Stabes 12, der in eine Befestigungsbuchse 16 fest eingesteckt wird, auf und kann damit auf festem Gewässergrund aufgestellt werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Griffplatte 17 Abmessungen von 70 mm × 70 mm, der Stab 12 ist 1000 mm lang und hat einen Durchmesser von 6 mm. Das Aufstellen kann in Abhängigkeit von der Aufstelltiefe insbesondere in großen Tiefen von beispielsweise 1260 m oder 2500 m mittels eines Tauchroboters erfolgen, der mit einem Manipulatorarm den Bodenwasser-Strömungsmesser 11 über eine Griffplatte 17 – im Beispiel aus Polyoxymethylen – transportieren und positionieren kann. Dieser kann auch einen nicht weiter dargestellten Neigungssensor zur Kontrolle der vertikalen Positionierung aufweisen.The 1 shows a bottom water flow meter 11 According to the invention for simultaneous in situ measurement of local flow velocities at different heights in the lowest water column above a water floor with a rod made of fiberglass 12 as a vertical arrangement on which several flow sensors 13 are arranged vertically closely adjacent. For example, ten flow sensors 13 be provided so that a flow profile with ten simultaneous measurement locations can be created (in the 1 is the bottom water flow meter 11 shown interrupted in the middle). The distance between the flow sensors 13 is chosen constant here and is replaced by intermediate sleeves 14 set and fixed. In the embodiment shown shows the bottom water flow meter 11 a plate 15 (Diameter approx. 300 mm) at the lower end of the rod 12 that into a mounting bush 16 is firmly plugged in, and can thus be set up on firm water bottom. In the illustrated embodiment, the handle plate 17 Dimensions of 70 mm × 70 mm, the rod 12 is 1000 mm long and has a diameter of 6 mm. Depending on the installation depth, the installation can be carried out in particular at great depths of, for example, 1260 m or 2500 m by means of a diving robot, which uses a manipulator arm to carry out the soil water flow meter 11 via a handle plate 17 - in the example made of polyoxymethylene - can be transported and positioned. This can also have an inclination sensor, not shown, for checking the vertical positioning.

Prinzipiell besteht jeder Strömungssensor 13 aus einer vertikal ausgerichteten Richtungsfahne 18 und einer orthogonal dazu ausgerichteten und mit dieser verbundenen Messfahne 19. Die Richtungsfahne 18 kann sich frei um die von dem Stab 12 gebildete vertikale Drehachse drehen. Die Messfahne 19 hingegen kann sich frei – respektive in einem ausreichend großen Winkelraum – um die quer zur Richtungsfahne 18 verlaufende horizontale Achse drehen. Durch die Richtungsfahne 18 wird jeder Strömungssensor 13 und damit jede Messfahne 19 in die aktuelle Bodenwasserströmung gedreht. Die generelle Strömungsrichtung ist beispielsweise durch den ausgebrachten Strömungsmesser selbst, mittels einer nicht weiter dargestellten Strömungsfahne am Tauchroboter oder durch online-videotechnisch beobachtete, im Bodenwasser driftende Partikel feststellbar. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht jede Richtungsfahne 18 aus einem einseitig offenen, quadratischen Drahtrahmen 20, der im Ausführungsbeispiel eine Kantenlänge von 55 mm aufweist und an seinen beiden offenen Enden über zwei Drahtösen 22 mit dem Stab 12 aus Fiberglasfrei drehbar verbunden ist. Die Außenkante des Drahtrahmens 20 liegt ca. 62 mm von der Mitte des Stabes 12 aus Fiberglas entfernt, sodass der Bodenwasser-Strömungsmesser 11 insgesamt in seinem vertikalen Aufbau sehr kompakt gebaut ist und keine ausladenden Teile aufweist. Die Anströmungsfläche 23 der Richtungsfahne 18 besteht aus einer dünnen Kunststofffolie 24, die über den Drahtrahmen 20 gespannt ist und eine Krümmung 21 aufweist. Entlang dieser sind mit einer in den Drahtrahmen 20 einhängbaren Schablone Winkelangaben aufgetragen, beispielsweise bei 0°, 22,5°, 45°, 67,5° und 90°, sodass die Krümmung 21 in der Anströmungsfläche 23 als Skala fungiert. Die Skala dient dazu, eventuell notwendige Korrekturen bei der Winkelbestimmung vornehmen zu können, falls eine nicht orthogonal zur Richtungsfahne durchgeführte visuelle Beobachtung ausgewertet werden soll. Ein gelbe oder ähnlich helle Kunststofffolie als Anströmungsfläche 23 verbessert dabei die Sichtbarkeit der Skala.In principle, there is every flow sensor 13 from a vertically aligned directional flag 18 and a measurement flag aligned orthogonally to it and connected to it 19 , The direction flag 18 can freely take care of that from the staff 12 formed vertical axis of rotation. The measuring flag 19 on the other hand can freely - or in a sufficiently large angular space - around the transverse to the direction flag 18 Rotate the horizontal axis. By the direction flag 18 every flow sensor 13 and thus every measuring flag 19 rotated into the current bottom water flow. The general direction of flow can be determined, for example, by the flow meter itself, by means of a flow vane (not shown further) on the diving robot or by particles which drift in the groundwater and are observed by video technology. In the illustrated embodiment, there is every direction flag 18 from a square wire frame open on one side 20 , which has an edge length of 55 mm in the exemplary embodiment and at its two open ends via two wire eyelets 22 with the staff 12 is rotatably connected from fiberglass free. The outer edge of the wire frame 20 is about 62 mm from the center of the bar 12 removed from fiberglass, so the bottom water flow meter 11 Overall, its vertical structure is very compact and has no protruding parts. The flow area 23 the direction flag 18 consists of a thin plastic film 24 that over the wire frame 20 is tense and a curvature 21 having. Along these are one in the wire frame 20 Attachable angle template applied, for example at 0 °, 22.5 °, 45 °, 67.5 ° and 90 °, so that the curvature 21 in the inflow area 23 acts as a scale. The scale is used to be able to make any necessary corrections when determining the angle, if a visual observation that is not orthogonal to the direction flag is to be evaluated. A yellow or similarly bright plastic film as the inflow surface 23 improves the visibility of the scale.

Die Messfahne 19 ist über eine herausgezogene Achse 25 an der oberen Drahtöse 22 der Richtungsfahne 18 drehbar ankoppelt. Somit ist die Messfahne 19 zwar mit der Richtungsfahne 18 fest verbunden, kann sich aber trotzdem in der Strömung frei auslenken, wobei der an der Krümmung 21 abzulesende Auslenkungswinkel jeder individuell auf die Messfahne 19 selbst und auf die herrschenden Messbedingungen kalibrierten Messfahne 19 eine Funktion von der örtlichen Strömungsgeschwindigkeit ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel besteht jede Messfahne 19 aus einer 3 mm starken Polyethylen-Kunststoffplatte und ist trapezförmig mit einer Gesamtlänge von 42 mm ausgeprägt. Durch die gewählte weiße Farbe (oder eine andere helle Farbe) der Messfahne 19 ist auch deren gute Sichtbarkeit gewährleistet. Der für die Messfahne 19 gewählte Kunststoff verhält sich auftriebsneutral, sodass ein gutes Ansprech- und Abklingverhalten erreicht wird. Zur Einstellung der Ansprechempfindlichkeit weist die Messfahne 19 in ihrer der Achse 25 gegenüberliegenden Seite 26 eine kleine Gewichtsperle 27 auf. Diese ist im Ausführungsbeispiel aus Blei und hat für eine hohe Ansprechempfindlichkeit bei sehr geringen Anströmgeschwindigkeiten ein Gewicht zwischen 0,075 g und 0,1 g. Für eine geringere Ansprechempfindlichkeit bei höheren Anströmgeschwindigkeiten können Bleiperlen mit einem Gewicht zwischen 0,2 g und 0,25 g eingesetzt werden. Der Vorteil der Kombination aus auftriebsneutralem Kunststoff mit Gewichtseinsätzen ist, dass die Drehung um die Achse 25 nicht durch eine auf die gesamte Messfahne 19 wirkende Schwer- oder Auftriebskraft gebremst wird, sondern dass die als Rückstellkraft wirkende Schwerkraft nur am äußeren Ende der Messfahne 19 wirkt, was wiederum die besondere Leichtgängigkeit und damit das gute Ansprechverhalten des Strömungssensors 13 ermöglicht.The measuring flag 19 is about a pulled out axis 25 at the top wire eyelet 22 the direction flag 18 rotatably coupled. This is the measuring flag 19 with the directional flag 18 firmly connected, but can still freely deflect in the flow, with the curvature 21 deflection angles to be read individually on the measuring flag 19 itself and measuring flag calibrated to the prevailing measuring conditions 19 is a function of the local flow velocity. In the exemplary embodiment shown, there is each measuring flag 19 Made of a 3 mm thick polyethylene plastic plate and is trapezoidal with a total length of 42 mm. By the selected white color (or another light color) of the measuring flag 19 their good visibility is also guaranteed. The one for the measuring flag 19 selected plastic behaves buoyancy-neutral, so that a good response and decay behavior is achieved. The measuring flag shows how to adjust the sensitivity 19 in their the axis 25 opposite side 26 a small pearl of weight 27 on. In the exemplary embodiment, this is made of lead and has a weight between 0.075 g and 0.1 g for high sensitivity at very low inflow velocities. Lead pearls with a weight between 0.2 g and 0.25 g can be used for a lower sensitivity at higher flow velocities. The advantage of the combination of buoyancy-neutral plastic with weight inserts is that the rotation around the axis 25 not by one on the entire measuring flag 19 acting gravity or buoyancy force is braked, but that the gravity acting as a restoring force only at the outer end of the measuring flag 19 works, which in turn makes it particularly easy to move and thus the good response behavior of the flow sensor 13 allows.

In der 2 ist ein Bodenwasser-Strömungsmesser nach der Erfindung in einem Foto bei der Durchführung einer Messversuchsreihe beim Anmelder gezeigt. Die Absetzung erfolgte auf weichem Untergrund. Der Strömungsmesser wurde mit einem Sedimentanker im Boden verankert und vertikal ausgerichtet. Deutlich sind die unterschiedlich ausgelenkten Messfahnen zu erkennen, die ein ausgeprägtes Strömungsprofil in der bodennahen Strömung dokumentieren. Aufgenommene Strömungsprofile und -richtungen an drei verschiedenen Messorten im Europäischen Nordmeer (links AWI-Hausgarten in 2500 m Tiefe, mitte Hakon-Mosby-Schlammvulkan Rand, rechts Hakon-Mosby-Schlammvulkan Mitte, am Vulkan in 1260 m Tiefe) sind den Diagrammen gemäß der 3 zu entnehmen. Aufgetragen ist die Höhe über dem Grund in cm über der Strömungsgeschwindigkeit V(x) in cm/s. Die Fehlerbalken geben die Schwankung der Strömungsgeschwindigkeit über den Beobachtungszeitraum an, die zur genaueren Charakterisierung der Bodenströmung dienen kann. Die Ableseungenauigkeit ist mit etwa 0,2 cm/s deutlich kleiner als die natürliche Schwankungsbreite der Strömungsgeschwindigkeit über den Beobachtungszeitraum.In the 2 a soil water flow meter according to the invention is shown in a photo when carrying out a series of measurements by the applicant. The sedimentation took place on a soft surface. The flow meter was anchored in the ground with a sediment anchor and aligned vertically. The differently deflected measuring vanes can be clearly seen, which document a pronounced flow profile in the flow near the ground. Recorded flow profiles and directions at three different measuring locations in the European Northern Sea (left AWI home garden at 2500 m depth, middle Hakon-Mosby mud volcano rim, right Hakon-Mosby mud volcano center, on the volcano at 1260 m depth) are according to the diagrams 3 refer to. The height above the base is plotted in cm above the flow velocity V (x) in cm / s. The error bars indicate the fluctuation in the flow velocity over the observation period, which can serve to more precisely characterize the bottom flow. The reading inaccuracy is clear at around 0.2 cm / s Lich smaller than the natural fluctuation range of the flow velocity over the observation period.

In der 4 ist ein Sedimentanker 28 zur Verankerung des Bodenwasser-Strömungsmessers nach der Erfindung gezeigt. Mit einer im gezeigten Ausführungsbeispiel gewählten Höhe von 370 mm und einem Außenkreisdurchmesser von 80 mm kann eine sichere vertikale Verankerung erfolgen. Diese kann beispielsweise von einem Tauchroboter vorgenommen werden, der mit einem Manipulatorarm an eine Griffplatte 29, die ca. 100 mm aus dem Sedimentanker 28 hinaussteht, angreifen kann. Der Sedimentanker 28 ist kreuzförmig aufgebaut. Nahezu im Zentrum weist er eine Befestigungsbuchse 30 auf, in die der Stab des Bodenwasser-Strömungsmessers verliersicher einbringbar ist.In the 4 is a sediment anchor 28 shown for anchoring the bottom water flow meter according to the invention. With a height of 370 mm selected in the exemplary embodiment shown and an outer circle diameter of 80 mm, secure vertical anchoring can take place. This can be done, for example, by a diving robot, which uses a manipulator arm on a grip plate 29 that are about 100 mm from the sediment anchor 28 stands out, can attack. The sediment anchor 28 is cross-shaped. Almost in the center it has a mounting bush 30 in which the rod of the soil water flow meter can be inserted captively.

In der 5 sind zwei individuelle Kalibrierkurven von zwei verschiedenen Messfahnen gezeigt. Aufgetragen ist hier der Auslenkungswinkel in Grad über der Hauptströmungsgeschwindigkeit in cm/s. Zur Kalibrierung wird die Winkelauslenkung jeder Messfahne bei ca. sechs unterschiedlichen Standardströmungsgeschwindigkeiten bestimmt. Dabei werden weitgehend die späteren Messbedingungen (gleicher Fiberglasstab, gleiche Wasserviskosität) eingestellt, um Fehler durch unterschiedliche Turbulenzen zu vermeiden. Deutlich ist zwischen den beiden Kalibrierkurven das unterschiedlich individuelle Verhalten der beiden Messfahnen zu erkennen, das bei der interpolierenden Umrechnung der gemessenen Auslenkungswinkel in die entsprechenden Strömungsgeschwindigkeiten berücksichtigt wird.In the 5 two individual calibration curves from two different measuring flags are shown. The deflection angle in degrees above the main flow velocity in cm / s is plotted here. For calibration, the angular deflection of each measuring vane is determined at approximately six different standard flow velocities. The later measurement conditions (same fiberglass rod, same water viscosity) are largely set to avoid errors caused by different turbulences. The different individual behavior of the two measuring vanes can clearly be seen between the two calibration curves, which is taken into account in the interpolating conversion of the measured deflection angles into the corresponding flow velocities.

1111: Bodenwasser-StrömungsmesserSoil water flow meter
1212: StabRod
1313: Strömungssensorflow sensor
1414: Zwischenhülseintermediate sleeve
1515: Platteplate
1616: Befestigungsbuchsemounting bushing
1717: Griffplattegrip plate
1818: Richtungsfahnedirection flag
1919: Messfahnemeasuring vane
2020: Drahtrahmenwire frame
2121: Krümmung (Skala)Curvature (scale)
2222: Drahtösewire loop
2323: AnströmungsflächeAnströmungsfläche
2424: KunststofffoliePlastic film
2525: Achse (von 22)axis (of 22)
2626: Seite (von 19)page (of 19)
2727: Gewichtsperleweight pearl
2828: Sedimentankersediment anchor
2929: Griffplattegrip plate
3030: Befestigungsbuchsemounting bushing

Claims

Soil water flow meter for simultaneous in-situ measurement of local flow velocities in the lowest water column at different heights above a body of water with a vertical arrangement that can be attached to the body of water with several flow sensors fixed at different heights and with a registration device for the measurement data, characterized in that the Vertical arrangement as a rod ( 12 ) is formed on which the flow sensors ( 13 ) are arranged closely one above the other and that the flow sensors ( 13 ) each from a vertically aligned directional flag ( 18 ) and a measurement flag aligned orthogonally to it and connected to it ( 19 ), of which the direction flag ( 18 ) around that of the staff ( 12 ) formed vertical axis of rotation and the measuring flag ( 19 ) around the direction of the flag ( 18 ) horizontal axis are freely rotatable, the deflection angle to be registered of each individually calibrated and determined by the direction flag ( 18 ) measuring vane aligned in the direction of flow ( 19 ) is a function of the local flow velocity.

Soil water flow meter according to claim 1, characterized in that the flow sensors ( 13 ) are arranged towards the bottom of the water with a decreasing distance from each other.

Soil water flow meter according to claim 1 or 2, characterized in that the direction flag ( 18 ) from a rectangular wire frame open on one side ( 20 ), which has two wire eyelets at its two open ends ( 22 ) with the stick ( 12 ) is freely rotatably connected, and one in the wire frame ( 20 ) arranged flow area ( 24 ) is constructed.

Soil water flow meter according to claim 3, characterized in that the wire frame ( 20 ) is square and that the flow area ( 23 ) as a plastic film ( 24 ) which is formed between the lower horizontal and the vertical side of the wire frame ( 20 ) is clamped and one of the corresponding outer corner points of the wire frame ( 20 ) curvature ( 21 ), which is provided with a clearly visible angle scale.

Soil water flow meter according to claim 4, characterized in that the measuring vane ( 19 ) on an extended axis ( 25 ) the upper wire eyelet ( 22 ) of the wire frame ( 20 ) is rotatably mounted and one of the axis ( 25 ) up to the curvature ( 21 ) the flow area ( 23 ) the direction flag ( 18 ) has an increasing trapezoidal shape.

Soil water flow meter after a of claims 1 to 5, characterized in that the measuring flag ( 19 ) is made of a buoyancy-neutral, brightly colored plastic.

Soil water flow meter according to one of claims 1 to 6, characterized in that the measuring vane ( 19 ) by inserting a small pearl of weight ( 27 ) in their side opposite to the axis of rotation ( 26 ) is set individually in its responsiveness.

Soil water flow meter according to one of claims 1 to 7, characterized in that the rod ( 12 ) is designed as a fiberglass rod.

Soil water flow meter according to one of claims 1 to 8, characterized in that on the rod ( 12 ) a grip plate ( 17 ; 29 ) is arranged.

Soil water flow meter according to claim 9, characterized in that the handle plate ( 17 ; 29 ) is made of a plastic.

Soil water flow meter according to one of claims 1 to 10, characterized in that the rod ( 12 ) a plate at its lower end ( 15 ) or a sediment anchor ( 28 ) having.

Soil water flow meter according to one of claims 1 to 11, characterized in that the deflection angle of the measuring lugs ( 19 ) are recorded by a visual registration device under the influence of the ground flow.

Soil water flow meter according to claim 12, characterized in that the visual registration device is a video camera, a laser scanner or a light barrier, where the evaluation of the image-based deflection angle over a Image analysis software is done.