DE10253869A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Installation und Justierung von Unterwassersensoren - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Installation und Justierung von Unterwassersensoren insbesondere für eine Ultraschallmessung, wobei Arbeiten unter Wasser z. B. durch Taucher vermieden werden. DOLLAR A Hierzu sind die Sensorköpfe (2), beinhaltend jeweils einen Ultraschallsender und -empfänger, einem Einschieberahmen (5) in der Weise zugeordnet, dass die horizontale und vertikale Winkeljustierung der Sensorköpfe (2) auf dem Einschieberahmen (5) selbst erfolgt, also außerhalb des Gewässers durchgeführt werden kann, und der zur Installation in ein auf dem Gewässergrund, insbesondere auf den beiden Uferböschungen, versenktes Installationsprofil (4) eingeschoben wird, wobei ein Ende des Installationsprofils (4) am Gewässerufer aus dem Wasser herausragt. An den Einschieberahmen (5) sind an einem Ende mindestens eine Öse (6) und am anderen Ende mindestens ein Haken (7) angeordnet, so dass durch Zusammensetzen einer beliebigen Anzahl von Einschieberahmen (5) mittels der Haken (7) und Ösen (6) und dem sukzessiven Einschieben in das Installationsprofil (4) die Sensorköpfe (2) an einer genau definierten Stelle des Gewässers positioniert werden können. In dieser Weise können die Sensorköpfe (2) in einfacher Weise justiert, installiert, gewartet, gereinigt und bei gewünschten Neupositionierungen der Messebene verschoben werden, ohne Unterwasserarbeiten beispielsweise durch Taucher erforderlich zu machen. In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die ...

Description

• Die Erfindung betrifft entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ein Verfahren und entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 2 eine Vorrichtung zur Installation und Justierung von Unterwassersensoren insbesandere für eine Ultraschallmessung, wobei Unterwasserarbeiten wie die Installation und Justierung der Sensoren unter Wasser z.B. durch Taucher nicht mehr notwendig sind.
• Zur Erfassung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Förderstroms in fließenden Gewässern dienen im zunehmenden Maße Ultraschallmessverfahren, wobei an mindestens zwei an den gegenüberliegenden Rändern des fließenden Gewässers in Stromrichtung hintereinander angeordneten Unterwasser-Messstellen jeweils mindestens ein Ultraschallsender und -empfänger angeordnet ist. Durch Messung der Laufzeitdifferenz der Ultraschallsignale Δt zwischen beiden Messstellen kann die mittlere Strömungsgeschwindigkeit v gemäß der Gleichung ν = Δt × c2/2 × L × cosφ (1) und daraus bei Kenntnis des Gewässerquerschnitts A und des Wasserstands im Messbereich der Förderstrom Q gemäß der Gleichung Q = ν × A (2)bestimmt werden. Hierbei ist L der Abstand zwischen Ultraschallsender und -empfänger, c die Ultraschallgeschwindigkeit unter Wasser und φ der Winkel zwischen der Strömungsrichtung und der Ultraschallsender und -empfänger verbindenden Geraden. Der Ultraschallsender emittiert eine Ultraschallkeule mit einem typischen Öffnungswinkel von 3° bis 15°. Diese Schallkeule kann vom Ultraschallempfänger nur aufgenommen werden, wenn Sender und Empfänger ausreichend genau aufeinander ausgerichtet sind. Bei bisherigen Verfahren und Vorrichtungen erfolgt diese Justierung der Sende- und Empfangsköpfe bei der Installation und bei den z.B. bei Wasserstandsänderungen notwendigen Positionsänderungen der Sensorköpfe unter Wasser durch personalkostenintensive Taucher. Dies gilt ebenso für die regelmäßigen Überprüfungs-, Wartungs- und Reinigungsarbeiten an den Sensorköpfen.
• So beschreibt die DE 27 03 439 eine Vorrichtung zum Messen der Durchflussmenge oder der zugehörigen Parameter mit zwei Ultraschallwandlern. Hierbei ist in einer bevorzugten Ausführung einer der Ultraschallwandler an einer vertikalen Führung eines gefesselten Schwimmkörpers gelagert, der andere am Rand bzw. auf dem Boden eines Kanals.
• Die Nachteile dieser Vorrichtung sind, dass zum Einen die Installation und die Ausrichtung des Ultraschallwandlers auf dem Boden des Kanals hier unter Wasser, also durch einen Taucher erfolgen muss, zum Anderen, dass der Förderstrom des Gewässers so nicht erfasst werden kann, da sich nicht beide Wandler an den beiden Rändern des Gewässers befinden.
• Nach DE 199 33 473 A1 ist ein Verfahren zum Messen einer horizontalen mittleren Strömungsgeschwindigkeit eines Flusses bekannt, bei dem in einer Vielzahl von Tiefen durch jeweils miteinander konespondierenden Ultraschall-Empfangswandler und Ultraschall-Sendewandler der Ultraschall-Driftwinkel und daraus die mittlere Strömungsgeschwindigkeit bestimmt wird, wobei die Ultraschall-Empfangswandler entlang horizontal angeordneter Zahnstangen mittels Ritzel motorisch beweglich an der Uferböschung und die mit ihnen korrespondierenden Sendewandler fest an der Uferböschung angeordnet sind.
• Der Nachteil dieses Verfahrens zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit mittels Ultraschall ist, dass auch hier die Sensorköpfe mit den Ultraschallsendern und -empfängern unter Wasser durch Taucher installiert und in ihrer Wirkrichtung justiert werden müssen. Der Grund dafür liegt dann, dass sie zum Einen insbesondere bei wechselnden Wasserständen tief genug installiert sein müssen, um stets unter Wasser zu liegen, und zum Anderen auf Grund einer quasigerichteten Schallcharakteristik der Ultraschallsender und -empfänger auf den jeweils korrespondierenden Sensorkopf ausgerichtet sein müssen.
• Der vorliegenden Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen, welche die genannten Nachteile bei der Installation, Justierung, Wartung und Reinigung von Sensorköpfen z.B. für ein Ultraschallmessverfahren in Gewässern vermeiden. Aufgabe der Erfindung ist weiterhin, das Verfahren und die Vorrichtung dergestalt auszuführen, dass Position und Ausrichtung der Sensorköpfe stets genau definiert sind. Aufgabe der Endung ist weiterhin, die Vorrichtung dergestalt auszuführen, dass die Position z.B. bei Wasserstandsänderungen und die Ausrichtung in einfacher Weise ohne Unterwasserarbeiten nachträglich geändert werden kann. Aufgabe der Erfindung ist weiterhin, die Vorrichtung dergestalt auszuführen, dass die Wartung des Sensorkopfs ohne Neujustierung und ohne Unterwasserarbeiten in einfacher Weise erfolgen kann.
• Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch das Verfahren entsprechend der kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch die Vorrichtung entsprechend der kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 2 gelöst.
• Hierzu sind die Sensorköpfe, beinhaltend jeweils einen Ultraschallsender und -empfänger, einem Einschieberahmen in der Weise zugeordnet, dass die horizontale und vertikale Winkeljustierung der Sensorköpfe auf dem Einschieberahmen selbst erfolgt, also außerhalb des Gewässers durchgeführt werden kann, und der zur Installation in ein auf dem Gewässergrund, insbesondere auf den beiden Uferböschungen, versenktes Installationsprofil eingeschoben wird, wobei ein Ende des Installationsprofils am Gewässerufer aus dem Wasser herausragt. An den Einschieberahmen sind an einem Ende mindestens eine Öse und am anderen Ende mindestens ein Haken angeordnet, so dass durch Zusammensetzen einer beliebigen Anzahl von Einschieberahmen mittels der Haken und Ösen und dem sukzessiven Einschieben in das Installationsprofil die Sensorköpfe an einer genau definierten Stelle des Gewässers positioniert werden können. In dieser Weise können die Sensorköpfe in einfacher Weise justiert, installiert, gewartet und bei gewünschter Neupositionierung der Messebene verschoben werden, ohne Unterwasserarbeiten beispielsweise durch Taucher erforderlich zu machen.
• Somit werden die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben durch das bereitgestellte Verfahren und die bereitgestellte Vorrichtung vollkommen gelöst.
• Wertere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind gemäß der kennzeichnenden Merkmale der Unteransprüche beschrieben.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Sensorköpfe im Wesentlichen als Kugeln ausgeführt und mittels durch Schrauben an die Einschieberahmen gepressten Klemmbleche lös- und justierbar befestigt. Der Sernsorkopf ist im Bereich des Ultraschallsende- und -empfangsteils als Kugelschnittebene abgeflacht.
• Die Erfindung wird anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
• 1 in der Aufsicht ein fließendes Gewässer mit darin erfidungsgemäß installierten und justierten Ultraschall-Sensorköpfen 2,
• 2 im Querschnitt ein fließendes Gewässer mit darin erfindungsgemäß installierten und justierten Ultraschall-Sensorköpfen 2,
• 3 in perspektivischer Ansicht einen erfindungsgemäßen Einschieberahmen 5 mit darin installierten und justierten Sensorkopf 2, eingeschoben in ein Installationsprofil 4, und
• 4 im Querschnitt einen erfindungsgemäßen Einschieberahmen 5 mit darin mittels zweier Klemmbleche installierten und justieren Sensorkopf 2.
• 5 im Querschnitt einen erfindungsgemäßen Einschieberahmen 5 mit darin mittels eines Klemmblechs installierten und justierten Sensorkopf 2.
• In 1 ist eine Ultraschallmessvorrichtung zur Erfassung der mittleren Strömungsgeschwindigkeit bzw. des Förderstroms in einem fließenden Gewässer 1 dargestellt, wobei an mindestens zwei an den gegenüberliegenden Rändern des fließenden Gewässers in Stromrichtung hintereinander angeordneten Unterwasser-Messstellen jeweils in einem Sensorkopf 2 ein Ultraschallsender und -empfänger angeordnet ist, der ein gerichtetes Ultraschallsignal 3 mit einem typischen Ausbreitungswinkel von 3° bis 15° emittiert. Die Sensorköpfe 2 sind in einen Einschieberahmen 5 mittels eines Klemmblechs 8 so eingebaut, dass die horizontale und vertikale Winkeljustierung der Sensorköpfe 2 auf dem Einschieberahmen 5 selbst erfolgt, also außerhalb des Gewässers durchgeführt werden kann, und der zur Installation in ein auf den beiden Uferböschungen versenktes Installationsprofil 4 eingeschoben wird, wobei ein Ende des Installationsprofils 4 am Gewässerufer aus dem Wasser herausragt. An den Einschieberahmen 5 sind an einem Ende mindestens eine Öse 6 und am anderen Ende mindestens ein Haken 7 angeordnet, so dass durch Zusammensetzen einer beliebigen Anzahl von Einschieberahmen 5 mittels der Haken 7 und Ösen 6 und dem sukzessiven Einschieben in das Installationsprofil 4 die Sensorköpfe 2 an einer genau definierten Stelle des Gewässers positioniert werden können. Veranschaulicht sind auch die Größen Geschwindigkeit ν, der Abstand der Sensorköpfe L und der Winkel φ zwischen der Strömungsrichtung und der Ultraschallsender und -empfänger verbindenden Geraden.
• 2 zeigt die beiden auf die Uferböschung eines fließenden Gewässers 1 abgelassenen Betonsockel 15 mit den darauf montierten Installationsprofilen 4 und aufeinander ausgerichtete Sensorköpfen 2, die Ultraschallsignale 3 emittieren, und die am Ufer des Gewässers 1 installierten Auswerte- und Steuerungseinheiten 10 und Datenfern-Übertragungseinheiten 11 zur Messdatenerfassung, -auswertung und -übermittlung.
• Die Montage des Sensorkopfs 2 mittels zweier Klemmbleche 8 auf dem Einschieberahmen 5 ist in 3 dargestellt. Durch die kugelige Form des Sensorkopfs 2 kann dabei jederzeit durch Lösen der Schrauben an den Klemmblechen 8 der Ultraschallsende- und -empfangsteil 13 auf den jeweils korrespondierenden Sensorkopf 2 ausgerichtet werden. Hierzu sind keine Unterwasserarbeiten notwendig, da alle Wartungs- Reinigungs- und Justierarbeiten außerhalb des Wassers erfolgen und die Einschiebrahmen 5 mit dem Sensorkopf 2 hierzu in dem auf den beiden Uferböschungen versenkten Installationsprofil 4 herausgezogen werden können, da die Einschieberahmen 5 mittels Haken 7 und Ösen 6 miteinander verbundenen sind. Geführt sind die Einschieberahmen 5 mittels am Installationsprofil 4 angeordneten Führungsstreifen 14 sowie durch an den Einschieberahmen 5 angeordneten Führungsrändern 12a und Führungsbolzen. Die Installationsprofile 4 sind vorzugsweise auf Stahlbetonsockel 15 montiert.
• 4 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, in welcher der Sensorkopf 2 mittels zweier Klemmbleche 8 und Schraubverbindungen reibschlüssig justiert und auf dem Einschieberahmen 5 montiert ist. Der Innendurchmesser der Klemmbleche 8 ist hierbei etwas kleiner als der Außendurchmesser des Sensorkopfs 2. Das Energieversorgungs- und Datenkabel 9 zwischen dem Sensorkopf 2 und der Auswerte- und Steuerungseinheit 10 ist im Installationsprofil 4 verlegt. Die Führung der Einschieberahmen 5 erfolgt am Installationsprofil 4 durch den an dessen Rand ausgebildeten Führungsstreifen 14 zwischen an den Einschieberahmen 5 angeordneten Führungsrändern 12a und Führungsbolzen 12b.
• In 5 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, in welcher der Sensorkopf 2 mittels eines Klemmblechs 8, einer entsprechenden runden Aussparung im Abdeck- und Führungsblech des Einschieberahmens 5 und Schraubverbindungen reibschlüssig justiert und auf dem Einschieberahmen 5 montiert ist.

1

Gewässer, fließendes

2

Sensorkopf, im Wesentlichen als Kugel ausgestalteter

3

Ultraschallsignal, vom Sensorkopf abgestrahltes

4

Installationsprofil

5

Einschieberahmen

6

Öse, am Einschieberahmen angeordnete

7

Haken, am Einschieberahmen angeordneter

8

Klemmblech

9

Energieversorgungs- und Datenkabel

10

Auswerte- und Steuerungseinheit

11

Datenfernübertragungs-Einheit

12

Führungselemente, am Einschieberahmen angeordnete;

12a

Führungsrand;

12b

Führungsbolzen

13

Ultraschallsande- und -empfangsteil, am Sensorkopf angeordneter ebener

14

Führung, am Installationsprofil angeordnete

15

Betonsockel des Installationsprofils

Claims (14)

1. Verfahren zur Installation und Justierung von Unterwassersensoren, wobei Unterwasserarbeiten z.B. durch Taucher vermieden werden, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Sensorköpfe (2) in einem Einschieberahmen (5) eingebaut werden, wobei – die horizontale und vertikale Winkeljustierung der Sensorköpfe (2) auf dem Einschieberahmen (5) selbst erfolgt, also außerhalb des Gewässers durchgeführt werden kann, und – die Einschieberahmen (5) zur Installation in ein auf dem Gewässergrund versenktes Installationsprofil (4) eingeschoben werden, wobei ein Ende des Installationsprofils (4) am Gewässerufer aus dem Wasser herausragt, und b) eine beliebige Anzahl von Einschieberahmen (5), die an einem Ende mindestens eine Öse (6) und am anderen Ende mindestens ein Haken (7) aufweisen, zusammengefügt und durch sukzessives Einschieben in das Installationsprofil (4) der Sensorkopf (2), eingebaut am ersten Einschieberahmen (5), somit an einer genau definierten Stelle des Gewässers positioniert wird.
2. Vorrichtung zur Installation und Justierung von Unterwassersensoren, wobei Unterwasserarbeiten z.B. durch Taucher vermieden werden, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) den Sensorköpfen (2) Einschieberahmen (5) zugeordnet sind, wobei – die horizontale und vertikale Winkeljustierung der Sensorköpfe (2) auf dem Einschieberahmen (5) selbst erfolgt, also außerhalb des Gewässers durchgeführt werden kann, und – die Einschieberahmen (5) zur Installation in ein auf dem Gewässergrund versenktes Installationsprofil (4) eingeschoben sind, wobei ein Ende des Installationsprofils (4) am Gewässerufer aus dem Wasser herausragt, b) an den Einschieberahmen (5) an einem Ende mindestens eine Öse (6) und am anderen Ende mindestens ein Haken (7} angeordnet ist, so dass durch Zusammensetzen einer beliebigen Anzahl von Einschieberahmen (5) mittels der Haken (7) und Ösen (6) und dem sukzessiven Einschieben in das Installationsprofil (4) der am ersten Einschieberahmen (5) eingebaute Sensorkopf (2) an einer genau definierten Stelle des Gewässers positioniert wird.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkopf (2) auf dem Einschieberahmen (5) mittels mindestens eines durch Schrauben an den Einschieberahmen (5) gepressten Klemmblechs (8) lös- und justierbar befestigt ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkopf (2) im Wesentlichen eine kugelige Form aufweist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einschieberahmen (5) zur Führung im Installationsprofil (4) den inneren Rand des Installationsprofils (4) überragende Führungsränder (12a) und Führungsbolzen (12b) aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass der Sensorkopf (2) einen gerichteten Ultraschallsende- und -empfangsteil (13) aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Installationsprofil (4) nach oben hin eine durchgehende Öffnung aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Installationsprofil (4) eine Führung (14) zur Aufnahme des Einschieberahmens (5) aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Installationsprofil (4) in seiner durchgehenden Öffnung ein Energieversorgungs- und Datenkabel (9) zum Sensorkopf (2) führt.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensorkopf (2) mittels eines ein Energieversorgungs- und Datenkabels (9) mit einer Steuerungs- und Auswerteeinheit (10) verbunden ist.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungs- und Auswerteeinheiten (10) der verschiedenen Sensorköpfe (2) untereinander mittels einer Datenfern-Übertragungseinheit (11) verbunden sind.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Installationsprofil (4) als Blechkonstruktion ausgeführt ist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Installationsprofil (4) als eine auf einem Betonsockel (15) angeordnetes Blechprofil ausgeführt ist.
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Installationsprofil (4) als eine Stahlbetonkonstruktion mit Metallprofileinbauten ausgeführt ist.