DE1908891A1

DE1908891A1 - Poren-Wasserdruckmesser

Info

Publication number: DE1908891A1
Application number: DE19691908891
Authority: DE
Inventors: Kagie Franciscus Joseph Petrus; Ph Begemann Dr-Ing Heinrich S; Adriaan Vlasblom
Original assignee: STICHTING WATERBOUWKUNDIG LABORATORIUM
Current assignee: STICHTING WATERBOUWKUNDIG LABORATORIUM
Priority date: 1968-02-23
Filing date: 1969-02-21
Publication date: 1969-09-18
Also published as: GB1262747A; FR2002538A1; BE728573A; NL6802638A

Description

«?0 Herne, .^e "!,. ί *■".'. ϊ*\ \-."l 8000 München 25,

FrelllgraJhstraBe 19 Rl«l "''i-I"'*'"¹U 'ttah'i " Elsenacher Straße 17

Po»tfach140 ölpl.-inp. Ke ff. B β Sir PaI-AnW. Belaler

Pat-Anw.H.rrmann-Tr.ntepehl DipJi-PhV*·Eduafd Ββίζΐθΐ Fernsprecher: 398011

Fernsprecher: 50930 ^r ■ * - 398012

51562 D!pl.-Eng. W. Herrmann -TrenfepohS ^39£01J

Telegrammanschrift: _ . _ _ .. _ . ..... _w . __ Telegrammanschrift:

Bahrpatente Herne PATENTANWÄLTE Babetzpat München

Telex 08 229 853 Telex 05 245 42

""]'-. Bankkonten:

Bayrische Verelnsbank Manchen 9S2287 Dresdner Bank AG Herne 202436 PostscheckSionto Dortmund 558 i8

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It FEB. 1969

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^Ref;^: M 01 477 B/Pa

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Zuschrift bitte nach:

Stichting Waterbouwkuhdig Iiäboratorium Stieltjesweg 2, Delft, Niederlande

Poren-Wassördruckmesser

Der Poren-Wasserdruck, d. h. der Druck des- Grundwassers in den Poren zusammenhängenden Erdreichs kann wichtige Anzeigen hinsichtlich der Stabilität und des zu erwartenden Absetzens des Grundes geben.

Zum Messen des Poren-Wasserdruckes sind verschiedene Vorrichtungen bereits bekann't. Die einfachste Vorrichtung ist ein offenes Meßrohr, welches in das Erdreich bis in die gewünschte Tiefe abgesenkt wird. Jedoch ist infolge des Druckgradienten und des Strömungswiderstandes die Messung nicht zuverlässig.

Darüberhinaus ist es bekannt, die Höhe des Wassers in einem solchen Meßrohr mit Hilfe eines Manometers zu bestimmen. In der einfächsten Form ist dieses Rohr mit einem Filter versehen und wird in das Erdreich eingesetzt und vollständig mit Wasser gefüllt. Ein Manometer ist oberhalb des Bodens angeordnet. Ein Fachteil dieser Anordnung besteht darin,

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daß das Manometer immer über das Erdreich vorsteht und dass Temperatureinflüsse und hochsteigende luftblasen die Messungen beeinträchtigen können. Darüberhinaus kann die Menge des für die Messung der Höhe mittels eines Manometers erforder-

liehen Wassers zu einer ungenauen, Messung führen. - - . ■

Um diese Nachteile zu vermeiden, wurden bereits Poren-Wasserdruckmesser entwickelt, bei denen die Druckmessung in wesent- ,; liehen am Meßpunkt im Erdreich erfolgt. Für diesen Zweck ist ^ eine elastische Membran innerhalb des unteren Teiles des Rohres montiert und schließt den unteren Teil des Rohres ab_y welches mit dem umgebenden Erdreich über ein Filter in Verbindung s^eht und vollständig mit Wasser gefüllt wird. Die Membran kann ein Seil eines Kondensators sein und die Kapazität dieses Konden-; sators, die vom Druck abhängt, läßt sich in üblicher Weise messen. Der Vorteil ist darin zu sehen, daß die für die Messung erforderliche Wassermenge gering ist. Nachteilig sind jedoch die komplizierte Einstellung, das Auftreten von Null-Verstellungen durch permanente Deformation der Membran, die-Notwendigkeit von Korrektionen von Schwankungen und die Nichtlinearität der Messung. Darüberhinaus kann die Membran zerstört werden, wenn das Rohr rasch in das Erdreich eingesetzt wird. ^r

In anderen Poren-Wasserdruckmessern findet ein kleines Manometerrohr nach Bourdon Verwendung, in welchem die Blasti si tat abgeleitet wird von einem in Schwingungen versetzten Fadenum einen Wechselkreis zu schaffen, der entsprechend dem Poreiiwasserdruck gemessen werden kann. Eine solche Vorrichtung kann Überlastungen beim Einpressen in das Erdreich nicht widerstehen. . .. " - _

Durch die Erfindung wird ein Poren-Wasserdruckmeßgerät vorgeschlagen, das keinen der oben aufgeführten Nachteile aufweist.

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Das Druckmeßgerät gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch einen zylindrischen Balg im wesentlichen koaxial mit dem unteren Ende des in das Erdreich einzusetzenden Rohres, der unter dem Einfluß einer Federkraft steht,⁴die den Balg nach unten zu strecken versucht, während seine Auswärts- und EinwärtsverSchiebung durch Anschläge begrenzt ist. Der Balg besitzt ferner eine sehr hohe radiale Steifigkeit, während eines seiner Enden mit einem Magnetkern verbunden ist, der eine magnetische Kupplung zwischen einer Primär- und zwei Sekundärwicklungen eines Differentialtransformators herstellt, um ein Wechselstromsignal zu erzeugen, das mit der Deformation des Balges schwankt.

Infolge der hohen radialen Steifigkeit und der begrenzten Durchbiegung kann ein solcher Balg einer beträchtlichen Überlastung widerstehen, so daß das Meßrohr sehr rasch in das Erdreich eingedrückt werden kann. Innerhalb des gewünschten Meßbereiches ist das durch den Differentialtransformator gelieferte Meßsignal im wesentlichen linear relativ zur Verschiebung des Balges und damit zum Wasserdruck.

Insbesondere ist der Differentialtransformator an einen phasenempfindlichen Gleichrichter angeschaltet, mit desen Hilfe die Richtung der Abweichung bestimmt werden kann. Mit Hilfe geeigneter Filter- und Phasenverschiebungsstufen werden die g höheren harmonischen vom Ausgangssignal des Differentialtransformators beseitigt, während unkontrollierbare Phasenverschiebungen im Transformator dadurch beseitigt werden können, daß man eine feste Phasenbeziehung zwischen beiden Sekundärwicklungen und der Spannung an einer dieser Sekundärwicklungen aufrechterhält, welche beispielsweise in Phase oder gegen Phase mit dem Meßsignal gehalten wird und als Steuerspannung für den phasenempfindlichen Gleichrichter verwendet werden kann.

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Vorzugsweise wird das Ausgangssignal durch eine Null-Messung, gemessen, bei der die gleichgerichtete Primär-Versorgungsspannung als Kompsnsationsspannung für die Beseitigung des Einflusses von Schwankungen dieser Spannung verwendet werden kann«,

Darüberhinaus kann ein solcher Kreis sehr leicht kalibriert werden, so daß die Messungen der verschiedenen Vorrichtungen vollständig miteinander verglichen werden können, und--damit--"diese Vorrichtungen voll austauschbar sind. "" -

Die untere Seite des Meßrohres ist durch ein Filter abgeschlossen'., welches vorzugsweise aus einem im wesentlichen konusförmigen· pö"^ rösen Element besteht,- dessen Spitze mit einer konusförmigenfeMe^ tallkappe abgedeckt ist. Der Öffnungswinkel dieser Metallkappe" ist größer als derjenige des Filterelementes,,um dieses gegen :< Verunreinigung zu schützen, wenn es in das Erdreich; eingesteckt ^: wird und trotzdem die Spitze für das Grundwasser während der J Messung zugänglich zu machen. ■-'■ ^; -^: ."";-■ ■■--"

Der Zwischenraum zwischen dem Manometerbalg und" der Innenseite. des Filirerelementes in der Röhre ist vorzugsweisenit einer ■ Flüistgkeit,"'beispielsweise Öl, gefüllt, die den Balg nicht-¹-;- v^- beeinträchtigt. Die Innenseite des Filterelementes ist vom Gl"^; ;' ■' durch einen elastischen Sack oder eine Folie getrennt, die eine/'·: Druckübertragung erlaubt, ohne daß Grundwasser und Öl sich mit-, y einander mischen können. J- ■; , " ; y-\

Die Erfindung soll im folgenden-anhand der Zeichnung erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Porenwasserdruck-iMeßgerät;_·.: gemäß der Erfindung; und in . .'- - - ■ ■ · ■ . :_r

Fig. 2 ein BlOckschaltbild des elektrischen. Teiles dieses ..-Meßgerätes. "

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.Das in Pig. 1 wiedergegebene Poren-Wasserdrückmeßgerät enthält ein in das Erdreich einzusetzendes Rohr 1. und innerhalb des unteren Endes dieses Rohres ein poröses Element 2, das in ζ diesem Ende abdichtend montiert ist. In der Nähe des unteren Endes ist ein Balg 3 im Rohr vorgesehen, der abdichtend mit der Wandung des Rohres T verbunden ist. Eine axial gerichtete Stange 4 ist innerhalb dieses Balges angeordnet und wird von einer Wendel- feder 5 umgeben, die an einem ihrer Enden festgelagert ist, während das andere Ende sich gegen die bewegliche Endfläche des Balges 3 drückt. Um den Balg ist eine Konsole oder ein offenes Gäaäuse 6 angeordnet, welches das Ende der Stange 4 führt und die Auswärtsbewegung des Balges begrenzt. Die Einwärtsbewegung wird ^ durch eine Mutter 7 begrenzt,die auf das Ende der Stange 4 geschraubt ist. Das andere Ende der.Stange 4 ist mit einem magnetisch leitenden Kern 8 eines Differentialtransformators verbunden, der eine Primärwicklung 9 und zwei Sekundärwicklungen 10 und 11 aufweist, die beide symmetrisch bezüglich der Primärwicklung 9 angeordnet sind. Ein auf die Wicklung 9 aufgegebenes Wechselstromsignal wird durch diesen Kern auf die Wic&ungen 10 und 1 Cl* in einem Anteil übertragen, der von der Stellung des Kernes relativ zu diesen Wicklungen und damit vom Zustand des' Balges 3 abhängt. Die Wicklungen TO und 11 sind entgegengesetzt in Reihe geschaltet, so daß in der Neutralstellung die Sekundärspannung, wenigstens annähernd gleich Null wird. Die Wicklungen 10 und 11 sind zu Kreiselementen geschaltet,die weiter unten " noch näher beschrieben werden sollen und beispielsweise auf einer Schalttafel 12, z. B. in Form einer gedruckten Schaltung, montiert sind. Ein Verbindungskabel 13 ist mit der Schalttafel verbunden. Dieses Verbindungskabel führt zur Meßvorrichtung oberhalb des Bodens und wird wasserdi-cht an den untersten Rohr— teil mit Hilfe eines Gummidichtr-inges 14 oder dergleichen und einer Mutter 15 angeklammert . Das Kabel selbst liefert einen Druckausgleich zwischen der umgebenden Luft und der Luft im unteren ^eil des Rohres 1.

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Nachdem das Rohr ins Erdreich eingesetä ist, wirp^der Wasserdruck auf den Balg 3, der infolgedessen, mehr oder .wenige*⁴: zusammengepreßt wird. Entsprechend wird der Kern, des Oiff erentialtransformators verschoben, so daß "bei Erregung der Primärwicklung durch Wechselstrom das Ausgangssignal im wesentlichen linear als Punktion der Balgverschiebung schwankt. · " Λ

Wenn das Rohr 1 in das Erdreich eingeführt ''.is t,dann wird.' , ein Überdruck auf den Balg ausgeübt, der von der Einsetzgeschwindigkeit abhängt. Infolge der Begrenzung, des Einwärtshubes des Balges 3 durch die Mutter 7 und der tiohen Radialfestigkeit des gefalteten zylindrischen Balges, ist, insbeson- _ dere wem die Einwärtsverschiebung begrenzt ist, eine beträchtliche Überlastung, beispielsweise bis zum Fünffachen des Normaldruckes, erlaubt. Infolgedessen kann das Meßrohr in das Erdreich schneller als bei bekannten Poren-Wasserdruckraeßgeraten eingepreßt werden. ^: .

Vorzugsweise berührt der Balg: 3 das Grundwasser nicht;. Infolgedessen ist der Raum außerhalb des Balges vorteilhaft mit Öl gefüllt, welches vom porösen Filterelement 2 durch eine elastische Folie oder einen Sack 17 getrennt ist, der das innerhalb des Rohres 1 liegende Ende dieses Elementes umgibt und für Öl und' Wasser undurchlässig ist. \ ;"._■=".":

Um ein Verstopfen der konusf örmigen Spitze des FiIt er element es während des raschen Einsetzens in das Erdreich, zu verhindern, ist an der Spitze eine Metallkappe 16, beispielsweise mit-HiIfe eines entsprechenden Klebstoffs befestigt. Der Öffnungswinkel dieser Kappe ist größer als derjenige der Spitze, des Elementes 2, so daß zwischen diesen beiden Teilen ein Abstand verbleibt und das Grundwasser bis zur Spitze 2 gelangen kann.

Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Sehalt bild des elektrischen Teiles

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des Poren-Wasserdruckmeßgerätes. Mit Hilfe einer lei-tung 18 ist die Wicklung 9 an einen elektrischen Oszillator 19 oberhalb des Erdbodens angeschlossen, der beispielsweise eine Wechselspannung von 1 kHz liefert. Die Sekundärwicklungen 1Q und sind an die Kreise 20 bzw. 21 angeschlossen, durch welche die höheren Harmonischen ausgefiltert werden und darüberhinaus eine exakte Einstellung der Phasenopposition beider Sekundärspannungen erreichbar ist. An einer Seite ist der Kreis 21 an Masse gelegt und an der andesn Seite an den Kreis 20, dessen andere Seite wiederum zu einer Meßleitung 22 geführt ist. Tn dieser Meßleitung befindet sich eine Einstellvorrichtung

23 für die Kalibrierung des Ausgangssignals. Darüberhinaus ist (^ die Verbindung zwischen den Kreisen 20 und 21 an die leitung

24 angeschaltet. Die Leitungen 18,-22 und 24 und' gegebenenfalls eine Masseleitung bilden eine'n Teil des Kabels 13. Die Teile 20, 21 und 23 sind auf einem Schaltbrett 12 montiert..

Der Kreis 20 kann eine feste Phasenverschiebung liefern, während der Kreis 21 einstellbar ist, so daß eine genaue Einstellung der Phasenbeziehung während der Kalibrierung möglich ist.

Somit erfolgt durch Entfernen der höheren Harmonischen und Einstellung der Phase mit Hilfe des Kreises 21 eine Einstellung des Meßsignals- in der Leitung 22 exakt auf Null in der-Neutralstellung des Kernes 9. Die Null-Binstellungläßt sieh " durch axiale Verschiebung der Wicklungsanordnung erzielen. Die Kalibrierung des Meßsignals wird ferner erhalten mit Hilfe einer Einstellvorrichtung 23. ' ■. " .:■

Die Leitung 22 ist an einen phasenempfindlichen Gleichrichter 26 mit Hilfe eines Linearverstärkers 25 angeschlossen, der durch die Signale auf der Leitung 24 gesteuert wird. Diese Signale sind immer exakt in Ph^se o^dier^^n Phasenöpposition , ■ mit den Meßsignalen auf der Leitung 22, so daß die Kontrolle

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des Gleichrichters 26 unabhängig von unkontrollierbaren Pha-. senverSchiebungen im Differentialtransformator und dem angeschlossenen Kreis ist. Das Ausgangssignal des Gleichrichters entspricht dann exakt der Verschiebung des Transformator- . kernes. ^:.

Das Ausgangssignal des Gleichrichters 26 wird mit dem Ausgangssignal des Oszillators 19 nach Gleichrichtung dieser Ausgangsspannung in einem Gleichrichter 27 verglichen, wobei der Vergleich in einem Komparator 28 erfolgt, der an ein Meßgerät 29 angeschlossen ist, das eine exakte Null-Messung.er« φ gibt. Das Ausgangssignal des Gleichrichters 26 und das Bezugssignal des Gleichrichters 27 hängen in der gleichen Weise von der Spannung des Oszillators 19 ab, so daß der Einfluß von Spannungsschwankungen neutralisiert wird. Der Komparator 28 ist mit einem Handeinstellknopf zur Rückstellung- des Meßge- . : rates 29 auf Null versehen. Die Einstellung dieses Knopfes laßi; sich an einer Skala ablesen, die unmittelbar auf den Wasserdruck geeicht ist. ' .

Im Falle langer Verbindungsleitungen sollte die zum Gleichrichter 27 geführte Bezugs spannung von einer der Klemmen der Primärwicklung 9 des Differentialtransformators, wie durch die gestrichelte Linie angedeutet, abgeleitet werden. Impe- W danz-Anpaßeinrichtungen können in das Verbindungskabel einge-· schaltet werden, um die Kabellänge zu Kompensieren.

Durch die Erfindung erhält man ein Poren-Wasserdruck-Meßge'rät mit einem in das Erdreich einzusetzenden Teil, der eine kräftige und widerstandsfähige Konstruktion aufweist und gegen beträchtliche Überlastungen unempfindlich ist. Die Kalibrierung läßt sich in einfacher Weise durchführen. Außerdem liefert das erfindungsgemäße Druckmeßgerät eine sehr.genaue Messung in einem entsprechenden Meßbereich.

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Der oberhalb des Bodens sitzende elektrische Teil gibt eine genaue Übertragung d§r Meßsignale. Die Meßkreise lassen sich sehr genau kalibrieren, so daß beliebige Meßrohre und Meßkreise miteinander gekoppelt werden können.

Patentansprüche:

9Ö9B38/0197

Claims

Patent a ns ρ r ü c h e : ~ ; "

1, Vorrichtung zum Messen des Druckes des Grundwassers in den Poren zusammenhaftenden Erdreichs, bestehend aus einem in das Erdreich einzusetzenden Rohr, dessen Inneres mit , dem umgebenden Grundwasser über Öffnungen in Verbindung steht und aus Einrichtungen zur Messung des Druckes des Grundwassers, ge k e η η ζ e i c h η e t , durch einen im wesentlichen zylindrischen Bald (3), der im wesentlichen koaxial im unteren Ende des Rohres (1) und mit der Innenwandung des Rohres abgedichtet montiert ist und.unierdem ; Einfluß einer nach unten gerichteten, den Balg (3) "streckenden Feder (5) steht, eine sehr hohe radiale Festigkeit aufweist und in seinem Einwärts- und Auswärtshub durch An^ schlage (6, 7) begrenzt ist, sowie ferner gekennzeichnet durch einen magnetisch leitenden Kern (8), der mit dem beweglichen Ende des Balgs (3) verbunden ist und eine magnetische Kupplung zwischen einer Primärwicklung (9)- .: und zwei Sekundärwicklungen (10, 11) eines Differential-Transformators herstellt, mit dessen Hilfe ein der Verschiebung des Balges entsprechendes Wechselstromsignal erzielbar ist. ■..-,"".--..■

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge k e η η ζ e i c h net, daß jede der Sekundärwicklungen (10, 11) des Differential-Transformators an einen Filter- und dazu in Reihe geschalteten Phasenverschiebungskreis (20", 21) geschaltet ist, die die höheren Harmonischen des Ausgangssignals des Differentialtransformators unterdrücken und ferner zur genauen Einstellung einer Phasenoppasition der Ausgangssignale der beiden Kreise einstellbar .sind.

983Ä/Ö197.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch ge k, e η η zeichnet , daß das Ausgangssignal der in Reihe geschalteten Kreise (21, 22) auf einen phasenempfindlichen Gleichrichter (26) übertragen wird, welcher durch ein von diesen Stufen abgeleitetes Bezugssignal gesteuert ist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, g e k e η η ζ e i c h net durch einen Komparatorkreis (28), in welchem das gleichgerichtete Meßsignal mit dem gleichgerichteten Versorgungssignal für die Primärwicklung (9) des Differential^i-ansformators verglichen wird.

5« Vorrichtung naeh Ansprmch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das gleichzurichtende Versorgungssignal von einer der Klemmen der Primärtransformatorwicklung im Meßrohr (1) abgeleitet ist.'

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gek enn z-e.i c hn et durch eine Impedanzanpassung zur. Komensation des Einflusses der Länge des Verbindungskabels.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Rohr an seinem unteren. Ende durch ein konusförmiges Filterelement abgeschlossen ist, gek e. η η ζ e i c h η et , durch eine konusförmige Metallkappe (16)_T die an. der Spitze des Filterelemente

(2) befestigt ist und einen größeren Öffnungswinkel aufweist als das Filterelement.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e η η zeichnet, daß der Raum zwischen dem Filterelement (2) und dem Balg (3)

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wenigstens im wesentlichen mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, die den Balg nicht beeinträchtigt und vom unteren Ende des Pilterelements (2) durch einen elastischen Sack oder eine Folie (17) getrennt.ist.

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