DE10328974B4

DE10328974B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Charakterisisierung der Konsistenz von Flüssigkeits-Feststoff-Suspensionen, Schlicken oder Weichsedimenten unterhalb einer Wasseroberfläche

Info

Publication number: DE10328974B4
Application number: DE10328974A
Authority: DE
Inventors: Joerg Rupp; Frank Schmidt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-06-27
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2006-10-05
Anticipated expiration: 2023-06-27
Also published as: DE10328974A1

Abstract

Verfahren zur Charakterisierung der Konsistenz von Flüssigkeits-Feststoff-Suspensionen, Schlicken oder Weichsedimenten unterhalb einer Wasseroberfläche mittels eines oder mehrerer Ultraschallsensoren (7, 8),
dadurch gekennzeichnet, dass ein Tiefenprofil (6) erstellt wird bezüglich der Messgrößen
• Dämpfung (7)
• Schallgeschwindigkeit (7)
• Akustische Impedanz (7).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung der Konsistenz von Flüssigkeits-Feststoff-Suspensionen, Schlicken oder Weichsedimenten nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ebenso betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Messung der Konsistenz nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
Für die sichere Befahrbarkeit von Wasserstraßen ist es erforderlich, dass deren kritische Wassertiefen bekannt sind. Im allgemeinen muss für die Befahrbarkeit von Wasserstraßen eine Mindestwassertiefe garantiert werden. Insbesondere in tidenbeeinflussten Küstengewässern, Flussläufen, aber auch in Hafenanlagen, führen Sedimentationsvorgänge vielfach zur Bildung von Mindertiefen, wobei dort häufig wenig konsolidiertes Sedimentmaterial vorhanden ist. Derartiges Material liegt zu einem beträchtlichen Teil als Feststoffsuspension vor und ist deshalb häufig noch schiffbar. Der Nachweis der Schiffbarkeit und der kritischen Wassertiefe ist jedoch problematisch, da die Manövrierfähigkeit von Schiffen bzw. Wasserfahrzeugen beeinflussenden Stoffgrößen bisher nur unzureichend erfasst werden konnten.

Aus der DE 35 26 427 C2 ist ein Lot zur Messung der Höhe von Schlick oder Schlamm bekannt, bei dem mittels einer Messlanze die Höhe des Schlicks überhalb der festen Sohle gemessen wird. Feststoffsuspensionsschichten können damit nicht vermessen werden. Aus der Höhe der Schlickschicht kann ein Maß für die Mindestwassertiefe und somit für die Schiffbarkeit nicht zuverlässig erhalten werden. Weiterhin ist es bekannt, Echolote oder sogenannte Gamma-Transmissionssonden einzusetzen, die jeweils über die Dichte kalibriert worden sind. Die Dichte von Feststoffsuspensionen ist jedoch kein direktes Maß für die Schiffbarkeit. Sie steht lediglich in nicht vorhersagbarer Weise im Zusammenhang mit der die Schiffbarkeit am meisten beeinflussenden Größe, nämlich der Zähigkeit bzw. der Viskosität. So können z.B. unterschiedliche organische Zusammensetzungen bei gleicher Dichte deutlich unterschiedliche Zähigkeitseigenschaften und unterschiedliche Reibungseigenschaften hervorrufen.

In der Offenlegungsschrift DE 198 32 881 A1 wird ein In-Situ-Rheometer beschrieben, welches im wesentlichen aus einem Rotationsviskosimeter besteht, in das über einen Einlass das zu messende Medium gebbar ist und bei dem über einen Auslauf das Medium wieder an die Umgebung abgegeben wird. Die Nachteile dieses Viskosimeters bestehen vor allem darin, dass das Viskosimeter bewegliche Teile benötigt, die unter den erschwerten Bedingungen einer in-situ-Messung auch entsprechende Abdichtung und Lagerung der rotierenden Welle benötigen. Unter diesen Randbedingungen ist eine exakte Messung des Drehmomentes in dem interessierenden Messbereich nur sehr schwer möglich. Durch das Ansaugen des Mediums durch eine Pumpe besteht zudem die Gefahr, dass die innere Struktur des zu charakterisierenden Stoffes zerstört wird und eine falsche Viskosität gemessen wird.

Des weiteren sind Ansätze zur Beurteilung der Schiffbarkeit bekannt, bei der aus der rückgestreuten Energie eines Mehrfrequenzecholotes [Eden Vorrath und Partner] auf die Schiffbarkeit geschlossen wird. Der Nachteil dieser Methode zeigt sich, wenn man die Randbedingungen für ein Echolot näher beleuchtet. Ein herkömmliches Echolot ist so ausgelegt, dass der ausgesendete Ultraschallimpuls entsprechend den Distanzen zwischen Schiffsboden und Meeresgrund nach Reflexion am Boden ein noch auswertbares Signal am Ultraschallempfangswandler detektieren kann. Um unempfindlich gegenüber Schwebstoffen oder Luftblasen im Wasser zu sein, werden üblicherweise Ultraschallfrequenzen im Bereich 15kHz bis 400kHz verwendet. Ultraschallwandler mit einer Frequenz von 15kHz bieten aufgrund der Wellenlänge eine schlechte örtliche Auflösung, während Echolote mit einer höheren Frequenz (z.B. 400kHz) ein schlechtes Eindringvermögen haben, d.h. die eindringende Welle wird so stark gedämpft, dass der Empfangswandler kein auswertbares Signal mehr erhält. Es gibt nur ein starkes Reflexionssignal von der Grenzschicht Wasser

Schlick.

Für die Beurteilung der Schiffbarkeit von Fluid-Mud- und Schlick ist die Viskosität der entscheidende Parameter. Die Bestimmung von Fließkurven mittels Probennahme und anschließender Auswertung mit einem Laborrheometer ist sehr exakt, jedoch gestaltet sich die Probennahme zeitaufwändig, so dass sie für die Charakterisierung größerer Flächen nicht geeignet ist.

Aus der DD 97 756 ist es bekannt, mittels eines Sende- und Empfangsimpulses eines Echolotes die Beschaffenheit des Bodens unter einer Wasseroberfläche zu ermitteln. Dazu wird die Form und Ausdehnung des Sende- und Empfangsimpulses ausgewertet. Damit soll der Meeresboden hinsichtlich seiner Struktur und Beschaffenheit untersucht werden. Aussagen über Messgrößen oder Zustandsgrößen oberhalb des Bodens im Sinne eines Tiefenprofils werden nicht erstellt.

Aus der DE 42 15 363 A1 ist es bekannt, einen Ultaschallsender und einen Ultraschallempfänger vorzusehen, die in vertikaler Richtung in einem bestimmten Abstand zueinander angebracht sind und deren Hauptrichtungen sich in einem bestimmten Winkel schneiden. Damit lässt sich eine Grenzschicht in Mehrphasengemischen detektieren, wenn dieser Winkel zwischen den beiden Hauptrichtungen der Situation entspricht, dass ein Ultraschallsignal des Senders an der Grenzschicht gerade so reflektiert wird, dass es dann von dem Ultraschallempfänger aufgenommen wird. Wenn diese Situation nicht vorliegt, ist es damit nicht möglich, zu unterscheiden, ob sich der Sensor ingesamt vollständig in einer Phase befindet, in welcher der Phasen sich der Sensor befindet, ob es sich unter Umständen um andere Stoffe handelt, an deren Grenzschicht die Ultraschallwelle unter einem anderen Winkel reflektiert wird und deshalb nicht vom Empfänger detektiert werden kann, oder ob es sich um eine Emulsion mit einem fließenden Übergang der Parameter ohne eine exakte Grenzschicht handelt, so dass die Ultraschallwell lediglich abgelenkt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren vorzuschlagen, mit dem eine bessere Aussage über die Konsistenz des Untergrundes mit einer hohen Ortsauflösung möglich wird. Weiterhin soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem Verfahren nach Anspruch 1 gelöst, wonach ein Tiefenprofil erstellt wird bezüglich der Messgrößen

• Dämpfung
• Schallgeschwindigkeit
• Akustische Impedanz

Vorteilhaft erfolgt also die Messung in situ direkt und unmittelbar mit dem Ablassen eines entsprechenden Sensorsystems. Es ist keine Probennahme mehr erforderlich, um entsprechende Proben anschließend im Labor auswerten zu lassen.

Die Messung der Konsistenz des Untergrundes hat ihre Bedeutung im Rahmen eines optimierten Baggermanagements für die Erhaltung der Schiffbarkeit in Häfen und Wasserstraßen. Speziell in Gebieten mit hoher Sedimentation ist der Übergang zwischen Wasser und Untergrund nicht abrupt, sondern es kommt zu einem mehr oder minder starken Übergang von schwebenden nicht bindigen Formationen (Schwebstoffformationen) zu fließenden bindigen Formationen (Fluid-Mud) bis hin zu breiigen Formationen (Schlick) [Begriffe aus DIN18311].

Dieser Bereich von Sedimenten kann durch unterschiedliche physikalische Parameter beschrieben werden, wobei je nach Aufgabenstellung die Wichtigkeit der Parameter variieren kann.

Um sich im Messgebiet einen Überblick über Sedimentschichten zu verschaffen, wird heute die Zweifrequenzecholotung eingesetzt, die vom Schiff aus linienhaft Sedimentschichten erkennt, wobei die Tiefenlage aus der zeitlichen Ankunftszeit von Echos an Grenzschichten bestimmt wird. Schallgeschwindigkeitsänderungen in den Sedimentschichten werden dabei nicht berücksichtigt, so dass es zu einer fehlerhaften Bestimmung der Mächtigkeit kommt. Dieser Fehler wird durch das erfindungsgemäße Verfahren und Vorrichtung vermieden, indem mit hoher Tiefenauflösung die Schallgeschwindigkeit in der Wassersäule und in den Sedimentschichten bestimmt wird und damit eine Korrektur der Echolotdaten erlaubt bzw. eine Alternative zur Gewinnung entsprechender Daten aufzeigt.

Die Messung der Ultraschall-Dämpfung erlaubt eine Aussage über das viskose Verhalten des Mediums. Durch den Grad der Dämpfung lässt sich dann eine Aussage treffen, ob der Schlick noch befahrbar ist.

Die Messung der akustischen Impedanz erlaubt in Verbindung mit einer Schallgeschwindigkeitsmessung eine ortsaufgelöste Bestimmung der Dichte der verschiedenen Sedimentschichten. Speziell die Tiefenlage eines bestimmten Dichtehorizontes (z.B. Dichtehorizont 1.200 kg/m³) ist für bestimmte Baggeranwendungen der bestimmende Parameter.

Für die Fragestellung der Schiffbarkeit ist der Begriff "Nautische Tiefe" ausschlaggebend, d. h. die Wassertiefe, bei der ein Schiff noch frei fahren oder manövrieren kann. Hierbei kommt es nicht nur auf die Wassertiefe an sondern auch darauf, wie die Konsistenz (Fließfähigkeit) des Untergrundes ist.

Zur Charakterisierung des Untergrundes bezüglich seiner Konsistenz können die nachfolgend beschriebenen Wechselwirkungen zwischen Materialparametern und verschiedenen Ultraschallparametern sowie eine direkte Methode zur Bestimmung der Fließfunktion mittels Ultraschall herangezogen werden.

Die Ausbreitung einer ebenen elastischen Welle kann durch den Schallwechseldruck p(x,t) beschrieben werden.

c ist die Schallgeschwindigkeit, α die Schalldämpfung. Diese beiden Parameter bestimmen die Wellenausbreitung.

Die Schallgeschwindigkeit ist in Flüssigkeiten durch die Kompressibilität ß und die Dichte ρ bestimmt.

Die Dämpfung in einkomponentigen Flüssigkeiten wird beschrieben durch:

mit η_s der Scherviskosität und η_v der Volumenviskosität. Bei den zu charakterisierenden Medien wie Schlicken kommt als weiterer Verlustmechanismus die Streuung hinzu.

Die quadratische Abhängigkeit der Dämpfung von der Frequenz kann im Gegensatz zum Echolot bei einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung aufgrund der kleinen Messzelle vorteilhaft genutzt werden. Durch Auswahl von hohen Ultraschallfrequenzen im MHz – Bereich ergeben sich hohe Ultraschalldämpfungen und eine entsprechend gute messtechnische Auflösung von Dämpfungsunterschieden bei den zu charakterisierenden Medien.
challgeschwindigkeit c und der Dämpfung α liefert die akustische Impedanz Z, definiert als das Produkt aus Dichte ρ und Schallgeschwindigkeit c, Z = ρ·ceine weitere Charakterisierungsmöglichkeit des Mediums. Sie wird berechnet aus der Messung des Reflexionskoeffizienten R bezüglich des Schalldruckes, der an der Grenzfläche zweier Medien 1 und 2 auftritt.

Hierbei ist das Referenz-Medium 1 fester Bestandteil des Ultraschallsensors, so dass die akustische Impedanz des zu charakterisierenden Mediums aus dem Reflexionskoeffizienten eindeutig berechnet werden kann. In Verbindung mit einer Schallgeschwindigkeitsmessung lässt sich so die Dichte des Mediums bestimmen, für die heute noch Grenzwerte für die Schiffbarkeit festgelegt sind (z.B. Dichtehorizont von 1.200 kg/m³).

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 2 wird das Tiefenprofil erweitert hinsichtlich zumindest einer der folgenden Messgrößen:

• Rückgestreute Energie
• Strömungsprofil um oder durch einen Messkörper

Aus der Messgröße der rückgestreuten Energie lässt sich vorteilhaft eine Aussage ableiten über den Schwebstoffgehalt in der Wassersäule, als auch über die Zusammensetzung von Wasser-Feststoff-Suspensionen, da die Rückstreuung abhängt von den Rückstreueigenschaften (Größe und Dichte) der Partikel. So können jahreszeitliche Schwankungen in der Zusammensetzung von Wasser-Feststoff-Suspensionen, z.B. im Sandanteil, anhand der Rückstreuung erkannt werden.

Die bisher beschriebenen Ultraschallparameter zeigen jeweils einen Aspekt des zu charakterisierenden Mediums. Das Fließverhalten der für die Beurteilung der Schiffbarkeit zu charakterisierenden Medien, zeigt jedoch ein komplexes Verhalten. Die Stoffe gehören zu den strukturviskosen Medien. Bei derartigen Stoffen erreicht die Viskosität mit steigender Scherbelastung (Schubspannung, shear stress) zunächst einen Maximalwert, nimmt dann bei weiter zunehmender Belastung stark ab und erreicht ihren Minimalwert. Der Schubspannungswert bei maximaler Viskosität ist die sogenannte Fließgrenze, ab der eine viskose Deformation einsetzt. Sie wird in der Einheit N/m² angegeben und gilt als maximale Belastungsgrenze für den strukturellen Zusammenhalt des Materials. Im Bereich der minimalen Viskosität ist der Stoff vollständig verflüssigt. Der Schubspannungswert, ab dem dieser Zustand erreicht wird, ist die Verflüssigungsgrenze.

Die Strukturviskosität wird also aus der gemessenen Beziehung zwischen Schubspannung und Schergeschwindigkeit abgeleitet.

Für die Erfassung von Deformations- und Fließvorgängen gilt allgemein das Viskosimetriegesetz nach NEWTON:

Bei sogenannten nicht-Newton'schen Stoffen, zu denen strukturviskose Stoffe zählen, sind Schubspannung und Schergeschwindigkeit einander nicht proportional und es gilt dann die Beziehung η = τγ ≠ konstant.

Die Bestimmung der Fließkurve mittels Ultraschall beruht auf folgenden Zusammenhängen.

Die rheometrische Messung mittels Ultraschall beruht auf einer exakten Messung des Strömungsprofils innerhalb eines Rohres und einer 2-Punkt Druckmessung.

Unter der Annahme einer viskosymmetrischen Strömung, d.h. laminares und vollentwickeltes Strömungsprofil, ergeben sich folgende Zusammenhänge:
Verlauf der Schubspannung:

Die Schubspannung ist demnach in der Rohrmitte gleich Null und steigt linear mit dem Rohrradius an. Die Scherrate γ' ergibt sich aus der örtlichen Ableitung des Strömungsprofils:
Scherrate:

Die Viskosität ergibt sich aus dem Quotienten aus Schubspannung und Scherrate:
Viskosität:

Die Ultraschall-Viskositätsmessung ermöglicht also die Bestimmung des Teils der Fließkurve, der dem in der Messzelle sich einstellenden Schubspannungsbereich entspricht. Zur Durchführung der Messung des Strömungsprofils sei beispielsweise auch auf die deutsche Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen DE 197 40 549 A1 verwiesen.

Vorteilhaft werden dabei mehrere der Messgrößen in Kombination ausgewertet, um die Aussagegenauigkeit über die Verhältnisse zu verbessern. Ausgenutzt wird bei der Charakterisierung der Stoffe bezüglich ihrer Stabilität, Fließeigenschaft und Konsistenz der experimentell gefundene Zusammenhang dieser Größen mit Ultraschallparametern.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 3 wird weiterhin die Temperatur gemessen.

Dadurch lässt sich insbesondere der Aussagewert der Messgröße „Schallgeschwindigkeit" verbessern.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 4 wird die Eintauchtiefe des Messkörpers in den Schlick ausgewertet.

Dadurch ergibt sich eine vergleichsweise unmittelbare Messgröße betreffend der Befahrbarkeit.

Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 5 werden die Messungen bei verschiedenen Ultraschallfrequenzen durchgeführt.

Dadurch kann vorteilhaft die Aussagegenauigkeit der Messung verbessert werden.

Bei der Ausgestaltung der Vorrichtung nach Anspruch 6 ist ein Messkörper vorhanden, bei dem in einem durch Rohre oder Flächenelemente definierten Volumen die Sensoren angeordnet sind, wobei auf der Außenseite der Rohre oder Flächenelemente, die das Volumen definieren, Flügel angebracht sind, die sich in vertikaler Richtung erstrecken. Mit der Vorrichtung wird ein Tiefenprofil hinsichtlich der Messgrößen Dämpfung, Schallgeschwindigkeit und akustische Impedanz erstellt.

Durch die Flügel wird vorteilhaft beim Abtauchen der Vorrichtung eine Stabilisierung gegen Drehungen um die Längsachse sowie Taumelbewegungen erreicht. Weiterhin werden die Sensoren geschützt.

Die Beeinflussung der Ultraschallparameter soll anhand einer typischen Messsituation im Bereich eines Hafenbeckens erläutert werden. Die Eintauchsonde wird von einem Schiff oder einer Messplattform mit einer Sinkgeschwindigkeit von bis zu 3 m/s herabgelassen. Während des Herablassens werden folgende Größen gemessen:

• der hydrostatische Druck zur Gewinnung der Tiefeninformation,
• die Schallgeschwindigkeit des Mediums, die Temperatur und der Salzgehalt,
• die Dämpfung des Ultraschallsignals für die jeweiligen Transmissionsstrecken,
• die rückgestreute Energie für drei Frequenzbänder,
• die akustische Impedanz,
• das Strömungsprofil durch den Messkörper,
• der Druckabfall im Messkörper.

Dabei wird eine hohe Messrate von ca. 300 Messungen/s realisiert, um eine genügend hohe örtliche Auflösung und eine ausreichende statistische Grundlage für die Kenngrößenberechnung zu erhalten.

Die Ultraschallwandler können wahlweise einzeln im Pulsecho-Modus betrieben werden oder jeweils paarweise als Messpfad für Transmissionsmessungen betrieben werden. Die Ultraschallwandler, die mindestens zwei unterschiedliche Schwingerfrequenzen aufweisen, dienen dazu, Schallwellen in das Medium einzukoppeln. Diese Schallwellen treten mit dem Medium in Wechselwirkung. Grundsätzlich ist die Anordnung der Ultraschallwandler frei wählbar. Exemplarisch wird hier eine Anordnung beschrieben, die sich zur Bestimmung der Schiffbarkeitsgrenze besonders gut eignet, da sich alle Ultraschallwandler in der gleichen Ebene befinden, so dass die gemessenen akustischen Eigenschaften der gleichen Schicht zugeordnet werden können. Eine entsprechende Vorrichtung ist in der Zeichnung noch näher ausgeführt.

Über die Schallgeschwindigkeit in Verbindung mit Temperatur und Leitfähigkeit wird die Dichte des Salzwassers bestimmt. Mit deren Kenntnis wird über die Druckmessung die exakte Tiefenposition bestimmt. Darüber hinaus dient die Schallgeschwindigkeit aber auch als Messgröße für die Beurteilung von Materialeigenschaften.

Solange sich die Sonde in Wasser mit geringer oder mittlerer Schwebstoffkonzentration befindet, wird die Schallgeschwindigkeit von der flüssigen Phase bestimmt und ist von Temperatur und Salzgehalt maßgeblich bestimmt. Tritt die Sonde in Schlick ein, so ändert sich die Schallgeschwindigkeit sprungartig. Je nach Konsistenz des Schlickes ändert sich die Schallgeschwindigkeit unterschiedlich stark. Schallgeschwindigkeitsänderungen werden nur zu Detektion von Schichten unterschiedlicher Konsistenz herangezogen, da der Einfluss der Temperatur und des Salzgehalts größer ist als der Einfluss der Fließeigenschaften des Materials.

Umfangreiche experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass es eine sehr gute Korrelation zwischen den Fließeigenschaften von Schlicken und Fluid-Mud und der Dämpfungsmessung in Transmission gibt. Die Sedimentschichten, die bezüglich Schiffbarkeit interessant sind, sind dadurch gekennzeichnet, dass sie keinen oder nur einen sehr geringen Sandanteil haben und sich überwiegend aus biologischen Materialien zusammensetzen.

Die Dämpfung in diesen Mehrkomponentensystemen wird überwiegend durch viskose Verlustmechanismen bestimmt, solange die Ultraschallfrequenzen so gewählt sind, dass die Wellenlänge im Vergleich zur Partikelgröße groß ist. Generell tragen zur Dämpfung mehrere Verlustmechanismen bei, die sich aus der Grundabsorption des Trägermediums, den viskosen Verlusten, Streuverlusten und thermischen Verlusten zusammensetzen. Durch Ausnutzung der Frequenzabhängigkeit der Dämpfung, d. h. Auswertung bei mindestens 2 Frequenzen, ergibt sich eine zusätzliche Sicherheit, um Effekte wie zusätzliche Dämpfung durch Gasblasenbildung im Medium (z.B. gärender Schlick, oder erhöhter Sandanteil) zu erkennen.

In einem Grundlagenexperiment wurde Schlick in einem luftdicht verpackten Behälter durchgerührt und anschließend die Ultraschalldämpfung über einen längeren Zeitraum gemessen. Ausgehend von einer hohen Ultraschallanfangsdämpfung nahm die Dämpfung mit zunehmender Konsolidierung des Schlickes ab. Nach erneutem Rühren des Schlickes wurde die Anfangsdämpfung wieder erreicht. Dies zeigt zum einen, dass die noch heute benutzte Messgröße "Dichte" zur Beurteilung der Schiffbarkeit nur bedingt geeignet ist, da durch dieses Experiment die Dichte unverändert bleibt. Zum anderen zeigt dieses Experiment, dass die Ultraschalldämpfung mit der Viskosität korreliert ist.

Die in der Messzelle vorhandene Möglichkeit der Reflexionsmessung ermöglicht die Charakterisierung des Mediums über die rückgestreute Energie. Hierzu wird nach Aussenden eines Ultraschallimpulses die rückgestreute Energie in zwei Zeitfenstern bestimmt. Die rückgestreute Energie ist bei im Wasser verteilten Schwebstoffen proportional zur Schwebstoffkonzentration und in beiden Zeitfenstern annähernd gleich. Bei Eindringen der Messzelle in Schlick, ist die rückgestreute Energie im zweiten Messfenster umso geringer, je höher die Zähigkeit des Schlickes ist. Der Quotient aus den gemittelten Energien liefert als Dämpfungswert einen weiteren Parameter zur Charakterisierung des Schlickes.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt. Die Figuren zeigen dabei:
1: ein erstes Ausführungsbeispiel eines Messkörpers,
2: ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Messkörpers,
3: ein weiteres Ausführungsbeispiel des Messkörpers,
4 bis 6: Diagramme von aufgenommenen Messwerten,
7: die Darstellung einer Fließkurve eines strukturviskosen Mediums und
8: die Darstellung des Profils einer laminaren Strömung in einem Rohr.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Messkörpers 1. Am oberen Ende ist eine Halteöse 2 angebracht, mit der der Messkörper 1 nach oben gezogen werden kann. Der Messkörper 1 weist ein geschlossenes Volumen 3 mit einer Auswerteelektronik 4 auf. Zu seinem unteren Ende hin ist der Messkörper 1 hohlzylindrisch ausgebildet. In die Zylinderwandung integriert befindet sich dabei ein Temperatursensor 5, zwei Drucksensoren 6 zur Tiefenmessung und zur Messung des Druckabfalls in der Messzelle als Grundlage für die direkte Fließkurvenbestimmung, sowie mehrere Ultraschallwandler 7 als Zustandssensoren. Das Volumen im Innern des Hohlzylinders im Bereich des Ultraschallwandlers 7 kann als Ultraschalltransmissionsstrecke verwendet werden. Hier lassen sich beispielsweise die Dämpfung, die rückgestreute Energie sowie die Schallgeschwindigkeit messen.
Im unteren Bereich ist ein weiterer Ultraschallwandler 8 vorgesehen, dessen Abstrahlrichtung vorzugsweise schräg zur Längsrichtung des Zylinders orientiert ist. Beispielsweise mittels dem in der DE 197 40 549 A1 beschriebenen Verfahren lässt sich damit ein Strömungsprofil erfassen. Dieses Strömungsprofil stellt sich beim Abtauchen des Messkörpers 1 ein, indem das Wasser bzw. das Wasser-/Schlickgemisch das Innere des Hohlzylinders durchströmen.
2 zeigt eine andere Ausgestaltung des Messkörpers 201. Der Messkörper 201 ist hier stabförmig ausgebildet, wobei sich am unteren Ende eine Spitze befindet. Auch dieser Messkörper weist die im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Sensoren auf. Die Messung des Strömungsprofils wird hier vorgenommen, indem das Strömungsprofil um die Spitze des Messkörpers 201 ausgewertet wird.
Die Volumina im Inneren des Messkörpers 1 sowie 201 weisen zumindest an der Oberseite Öffnungen auf, durch die das Wasser bzw. das Wasser-Schlickgemisch bei Abtauchen des Messkörpers 1, 201 austreten kann. Gegebenenfalls kann das Volumen anstelle von seitlichen Flächenelementen auch durch Rohre definiert werden, wie dies im Zusammenhang mit 3 erläutert ist.
3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Messkörpers 301. Dieser Messkörper 301 weist wie der im Zusammenhang mit 1 gezeigte Messkörper Rohre 302, 303 auf, die das Volumen bilden, innerhalb dessen die einzelnen Sensoren zur Durchführung der Messungen angeordnet sind. Diese Rohre 302, 303 weisen seitlich außerhalb des Volumens, in dem sich die Sensoren befinden, Flügel 304, 305 auf.
Diese Flügel haben verschiedene vorteilhafte Wirkungen. Zum einen wird der Messkörper 301 durch diese Flügel 304, 305 beim Absenken stabilisiert. Vorteilhaft können also Rotationen des Messkörpers 301 um seine Längsachse vermieden bzw. verringert werden. Ebenso werden dadurch vorteilhaft Taumelbewegungen vermieden bzw. verringert. Weiterhin werden durch die Flügel 304, 305 die Sensoren innerhalb des durch die Rohre 302, 303 gebildeten Volumens geschützt gegen mechanische Beschädigungen. Weiterhin ergeben sich Vorteile bei der Durchführung der Messung. Es hat sich gezeigt, dass Schwebstoffteilchen und Schlick beim Absenken des Messkörpers durch diese Flügel 304, 305 abgeschert und durch Verdichten der Schwebstoffteilchen bzw. des Schlicks nach außen verdrängt werden. Vorteilhaft wird also die lokale Suspension der Schwebstoffteilchen bzw. des Schlicks im Wasser an der Stelle lediglich minimal gestört, die gemessen werden soll. Innerhalb des durch die Rohre 302, 303 gebildeten Volumens fließt die Suspension weitgehend ungestört hindurch. Die Verdrängung und damit zusammen hängende Störungen treten nach außen hin auf.
Vorteilhaft können derartige Flügel nicht nur an Rohren angebracht werden, die ein Volumen für die Sensoren definieren, sondern auch dann, wenn das Volumen durch eine zumindest weitgehend geschlossene Fläche definiert ist. Die Flügel werden dann entsprechend außen an der Fläche angebracht.
Die 4 bis 6 zeigen Messprotokolle der entsprechenden Größen, die an einem Punkt aufgenommen wurden. Die Messgrößen werden dabei zu verschiedenen Tiefen aufgetragen. Die Tiefe ist auf der Ordinate in m abgetragen. Es sind horizontal verlaufende Linien 401 und 402 zu sehen. Die Linie 401 definiert den Bereich, zu dem herkömmlich der Beginn von Schlick definitionsgemäß festgelegt wird. Die Linie 402 definiert im gezeigten Ausführungsbeispiel den Bereich, in dem der Schlick eine Festigkeit erreicht hat, bei der dieser Schlick als nicht mehr schiffbar definiert ist. Die Messungen sind dabei zu unterschiedlichen Frequenzen durchgeführt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel sind 3 Frequenzen verwendet worden.
Bei 4 ist auf der Abszisse die Schallgeschwindigkeit in m/s aufgetragen und auf der Ordinate die Tiefe. Es ist deutlich der bei allen Frequenzen auftretende Sprung in der Schallgeschwindigkeit zu sehen, wenn bei der Tiefe die Linie 401 erreicht wird. Bei Überschreiten der Linie 402 ist ein weiterer Sprung der Schallgeschwindigkeit feststellbar. Wie eingangs beschrieben kann über die Auswertung und Erkennung des Sprungs bei der gemessenen Schallgeschwindigkeit das Erreichen der entsprechenden Schichtgrenzen durch die Sonde erkannt werden.
5 zeigt die Dämpfung des Signals über eine definierte Wegstrecke. Im Ausführungsbeispiel der 5 ist die Dämpfung in dB/cm auf der Abszisse aufgetragen. Hier zeigt sich frequenzabhängig ein geringerer Effekt bei Erreichen der Linie 401. Bei Erreichen der Linie 402 ist wiederum bei allen Frequenzen eine deutliche Änderung der Dämpfung zu beobachten, auch wenn diese Änderung der Dämpfung frequenzabhängig unterschiedlich ausfällt.
Dies gilt ebenso für den in 6 dargestellten Signalverlauf, bei dem die Reflexion des Signals (wiederum in dB/cm) auf der Abszisse aufgetragen ist.
7 zeigt die Darstellung der Fließkurve eines strukturviskosen Mediums. Auf der Ordinate ist die Schubspannung in N/m² aufgetragen, auf der linken Abszisse die Viskosität in kPa·s und auf der rechten Abszisse die Scherrate in (1/s). Mit dem Balken in dem Diagramm ist die Fließgrenze bezeichnet.
8 zeigt eine Darstellung einer laminaren Strömung in einem Rohr. Es ist das Geschwindigkeitsprofil gezeigt sowie der Schubspannungsverlauf.
Vorteilhaft sind die Vorrichtungen so ausgestaltet, dass die Sensoren einfach ausgewechselt werden können. Abhängig von den geologischen Verhältnissen in beispielsweise unterschiedlichen Häfen kann es zweckmäßig sein, die Sensoren austauschbar zu machen, um die Messfrequenzen anpassen zu können.

Claims

Verfahren zur Charakterisierung der Konsistenz von Flüssigkeits-Feststoff-Suspensionen, Schlicken oder Weichsedimenten unterhalb einer Wasseroberfläche mittels eines oder mehrerer Ultraschallsensoren (7, 8), dadurch gekennzeichnet, dass ein Tiefenprofil (6) erstellt wird bezüglich der Messgrößen • Dämpfung (7) • Schallgeschwindigkeit (7) • Akustische Impedanz (7).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Tiefenprofil weiterhin bezüglich wenigstens einer der folgenden Messgrößen erstellt wird: • rückgestreute Energie (7) • Strömungsprofil durch oder um einen Messkörper (8).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin die Temperatur gemessen wird (5).
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintauchtiefe des Messkörpers (1, 201, 301) in den Schlick ausgewertet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung mit mehreren Ultraschallfrequenzen (f1,f2,f3) durchgeführt wird.
Vorrichtung zur Charakterisierung der Konsistenz von Flüssigkeits-Feststoff-Suspensionen, Schlicken oder Weichsedimenten unterhalb einer Wasseroberfläche mittels eines oder mehrerer Ultraschallsensoren (7, 8), dadurch gekennzeichnet, dass ein Tiefenprofil (6) erstellbar ist bezüglich der Messgrößen • Dämpfung (7) • Schallgeschwindigkeit (7) • Akustische Impedanz (7), wobei ein Messkörper (1, 201, 301) vorhanden ist, bei dem in einem durch Rohre (302, 303) oder Flächenelemente definierten Volumen die Sensoren angeordnet sind, wobei auf der Außenseite der Rohre (302, 303) oder Flächenelemente, die das Volumen definieren, Flügel (304, 305) angebracht sind, die sich in vertikaler Richtung erstrecken.