DE19508040C1 - Verfahren zur Messung von Leitfähigkeiten - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Leitfähigkeiten für gasförmige und flüssige Stoffe in porösen Materialien, insbesondere Böden und Sedimenten, unter Verwendung eines Computertomographens.

Neben zirkulierenden Flüssigkeiten, insbesondere dem Bodenwas­ ser, in dem Salze und Gase gelöst sind, stellt die Bodenluft ein weiteres wichtiges Transportmedium für Sauerstoff in Böden oder Sedimenten dar. Sowohl die Flüssigkeits- wie auch die Gaspermea­ bilität eines Bodens bzw. Sedimentes spielt daher für das Boden­ leben und die Pflanzen eine wesentliche Rolle. Der natürliche Gastransport in Böden oder Sedimenten sowie im systematischen Verbund Boden-Atmosphäre vollzieht sich hauptsächlich über den diffusiven Ausgleich. Dabei enthalten vorzugsweise diejenigen Anteile des Porenvolumens, die nicht mit Wasser erfüllt sind, die sogenannte Bodenluft.

Der natürliche Flüssigkeits- bzw. Gastransport in Böden und Se­ dimenten unterliegt jedoch ständigen Schwankungen und äußeren Einflüssen. Insbesondere die ständige Automatisierung der Land- bzw. Forstwirtschaft führt zu einem verstärkten Maschineneinsatz bei der Bearbeitung von Böden. Durch den Einsatz von schweren Arbeitsmaschinen kommt es dadurch zu unnatürlich hohen Druckbe­ lastungen der Böden. Um nun die Auswirkungen derartiger Bela­ stungen auf Bodenfunktionen wie die Bodendurchlüftung und die Wasserleitfähigkeit überprüfen zu können, ist es notwendig, ge­ eignete Verfahren zur Messung der Leitfähigkeiten für gasförmige oder flüssige Stoffe bereitzustellen.

Gemäß dem Stand der Technik wurde ein Verfahren zur Untersuchung von Gasleitfähigkeiten in Tongesteinen zur Auffindung von mögli­ chen Gaslagerstätten vorgeschlagen. Dabei wird ein Probenkern mit Röntgenstrahlen unter Verwendung eines Röntgen-Computertomo­ graphens untersucht. Der zu untersuchende Probenkern wird vor Zuleitung des Edelgases Xenon, welches zur Darstellung von Spal­ ten, Rissen oder ähnlichem im Probenkern dient, evakuiert.

Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, daß hierbei keine Diffusion der Gase unter druckfreien Bedingungen, wie es übli­ cherweise den natürlichen Bedingungen entspricht, stattfindet. Zudem lassen sich die ermittelten Wegsamkeiten nicht zuordnen, d. h. es kann nicht gezeigt werden, ob es sich tatsächlich um Spalten, Risse, etc. handelt, über die ein aktiver Gas- und Flüssigkeitstransport stattfindet und in welchem Umfang (Aus­ breitungsgeschwindigkeit und -menge) sich diese vollzieht.

Die gemäß den bekannten Verfahren ermittelten Ergebnisse lassen somit keine Aussagen über die natürlichen Bedingungen bezüglich der Ausbreitungsgeschwindigkeit, der Ausbreitungsmenge und des Diffusionskoeffizientens von Gasen oder Flüssigkeiten in den Bö­ den oder Sedimenten zu.

Aus der US 53 46 307 ist ein Verfahren zur Messung von Leit­ fähigkeiten mittels der Elektrischen-Widerstands-Tomographie (ERT) bekannt. Hierbei werden in situ spezifische elektrische Widerstandsverteilungen in Bohrlöchern in Boden- oder Gesteins­ körpern gemessen. Dieses bekannte Verfahren dient zur Ermittlung der Verteilung von Boden- oder Gesteinstemperatur. Für eine quantitative und qualitative Messung von Leitfähigkeiten bzw. Permeabilitäten von gasförmigen und flüssigen Stoffen in porösen Materialien ist dieses Verfahren aber nicht geeignet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches es erlaubt, die natürlichen Verhältnisse bezüglich der Leitfähigkeiten bzw. Permeabilitäten für gasförmige und flüssige Stoffe in porösen Materialien quantitativ und qualitativ zu ermitteln und wieder­ zugeben.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die Merkmale des unabhängigen Anspruches.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen be­ schrieben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird auf die Evakuierung der Probenkörper vor Zuführung von Gas oder Flüssigkeit erfindungs­ gemäß verzichtet. Damit ist gewährleistet, daß die Diffusions- bzw. Transportvorgänge unter druckfreien Bedingungen stattfin­ den, die annähernd den natürlichen Gegebenheiten entsprechen. Zudem wird bei der Auswertung der durch die Computertomographie erhaltenen Bilddaten ein Subtraktionsverfahren zur Berechnung der resultierenden Bildparameter verwendet. Dadurch werden ge­ genüber den bekannten Verfahren verbesserte quantitative und qualitative Ergebnisse bezüglich der Leitfähigkeiten von gasför­ migen und flüssigen Stoffen, insbesondere den Diffusionskoeffi­ zienten, der Ausbreitungsgeschwindigkeit und der Ausbreitungs­ menge der zugegebenen Stoffe im Probenkörper, d. h. den Böden oder Sedimenten, erzielt.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens wird eine Probenentnahmevorrichtung mittels einer Lage­ rungsvorrichtung im Computertomographen lagerungsstabil und ortsfest positioniert. Dadurch ist gewährleistet, daß die er­ haltenen Meßergebnisse reproduzierbar sind und somit eine Aus­ sage über die natürlich vorkommenden Bodenbedingungen zulassen.

Zur Ermittlung der Reproduzierbarkeit der Positionierung des Probenkörpers im Computertomographen wird in einer weiteren vor­ teilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vor Zuführung von Gas oder Flüssigkeit eine zweite Aufnahmeserie der bereits definierten und aufgenommenen Schnittbilder durchge­ führt. Dadurch ist gewährleistet, daß die Reproduzierbarkeit bzw. Aussagekraft der ermittelten Meßergebnisse weiter erhöht wird.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles:

In einem ersten erfindungsgemäßen Verfahrensschritt a) wird ein Probenkörper mittels einer zumindest einseitig offen ausgebilde­ ten Probenentnahmevorrichtung aus einer Boden- oder Sedimentpro­ be entnommen. Die Probenentnahmevorrichtung ist dabei zylin­ drisch ausgebildet, kann jedoch auch eine andere Form aufweisen. Die Probenentnahmevorrichtung wird anschließend z. B. mittels eines Deckels verschlossen und abgedichtet. Zur Abdichtung des Probenentnahmekörpers wird eine Silikonmasse verwendet. Die Pro­ benentnahmevorrichtung sowie die entsprechenden Verschlüsse be­ stehen aus Kunststoff, insbesondere PVC. Durch die Abdichtung der Probenentnahmevorrichtung kann eine Austrocknung des Proben­ körpers bis zur Untersuchung im Röntgen-Computertomographen weitgehend verhindert werden.

In einem zweiten erfindungsgemäßen Verfahrensschritt b) wird die Probenentnahmevorrichtung mit einem Gas- oder Flüssigkeitsreser­ voir verbunden.

Als Verbindungselement dient ein kurzer Gummischlauch, der in den Deckel der Probenentnahmevorrichtung eingesetzt wird, wobei diese Verbindung ebenfalls abgedichtet wird. An dem der Proben­ entnahmevorrichtung gegenüberliegenden Ende ist das Verbindungs­ element mit dem Gas- oder Flüssigkeitsreservoir verbunden, wel­ ches als Ballon-Reservoir ausgebildet ist.

In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahrensschritt c) wird die Probenentnahmevorrichtung mit dem angeschlossenen Gas- oder Flüssigkeitsreservoir in den Computertomographen eingebracht. Die Probenentnahmevorrichtung wird dabei mittels einer Lage­ rungsvorrichtung im Computertomographen lagerungsstabil und ortsfest positioniert. Insbesondere wird die Probenentnahme­ vorrichtung auf einer Patientenliege des Computertomographen positioniert. Die ortsfeste Lagerung der Probenentnahmevorrich­ tung und des sich darin befindlichen Probenkörpers ist entschei­ dend für die Reproduzierbarkeit der ermittelten Meßergebnisse. Nach dem Einbringen der Probenentnahmevorrichtung werden defi­ nierte Schnittbilder des Probenkörpers festgelegt und mittels des Computertomographens aufgenommen.

Nach dieser ersten Aufnahmeserie wird eine zweite Aufnahmeserie der bereits definierten Schnittbilder durchgeführt. Diese zweite Aufnahmeserie dient zur Ermittlung der Reproduzierbarkeit der Positionierung des Probenkörpers innerhalb des Computertomogra­ phens.

Nach dieser ersten Aufnahme einer Reihe von Schnittbildern wird in einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahrensschritt d) Gas oder Flüssigkeit aus dem Gas- bzw. Flüssigkeitsreservoir unter druckfreien Bedingungen dem Probenkörper zugeführt. Dabei können dem Probenkörper ein Edelgas, insbesondere das Edelgas Xenon, zugeführt werden. Da das Edelgas Xenon unter Normalbedingungen 4,5fach dichter als Luft ist, kann es als Kontrastmittel auf­ grund seiner Schwächungseigenschaften gegenüber Röntgenstrahlen zur Detektion von Gasleitfähigkeiten verwendet werden. Auch die Zuführung anderer Gase, deren Dichte unterschiedlich von der Dichte von Luft ist, können zugeführt werden. Sollen Leitfähig­ keiten für flüssige Stoffe untersucht werden, werden im Verfah­ rensschritt d) Wasser oder andere wäßrige Lösungen zugeführt.

In einem weiteren erfindungsgemäßen Verfahrensschritt e) werden die im Verfahrensschritt c) definierten Schnittbilder des Pro­ benkörpers nochmals aufgenommen. Dabei erfolgt die Aufnahme der Schnittbilder in vorab definierten Zeitabständen.

Zur Auswertung der aufgenommenen Schnittbilder des Probenkörpers werden in einem weiteren Verfahrensschritt f) die in den Verfah­ rensschritten c) und e) ermittelten Bildwerte mittels eines Sub­ traktionsverfahrens in resultierende Bildparameter umgewandelt. Dabei werden die in den gemäß Verfahrensschritt f) aufgenommenen Schnittbildern erkennbaren Wegsamkeiten im Probenkörper nach der Subtraktion der Bildparameter als helle Flecken erkennbar. Die für diese weißen Flächen gemessenen Schwächungswerte werden um­ gerechnet und ergeben die entsprechende Konzentration des Xenon­ gases in der entsprechenden Schnittebene. Die kleinsten abgebil­ deten Porendurchmesser erreichen dabei einen Äquivalenzdurch­ messer von 0,100 mm. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt dem­ nach die isolierte Darstellung schnell dränender Grobporen die­ ser Größenordnung. Versuche haben ergeben, daß sich nicht alle Poren nach der Subtraktion weiß abheben. Dies bedeutet, daß die­ se Wegsamkeiten nicht oder in nur geringem Ausmaß an den Trans­ portvorgängen im Probenkörper aktiv teilnehmen. Das erfindungs­ gemäße Verfahren ermöglicht somit die selektive Darstellung ak­ tiver Wegsamkeiten bzw. Porenräume im Probenkörper.

Aufgrund der sowohl zeitlich wie auch räumlich exakt definierten Schnittbilder bzw. Schnittebenen des Probenkörpers können der natürliche Diffusionskoeffizient, die Ausbreitungsgeschwindig­ keit und die Ausbreitungsmenge von gasförmigen oder flüssigen Stoffen in porösen Materialien an beliebigen Stellen zerstö­ rungsfrei exakt bestimmt werden.

Claims (10)

1. Verfahren zur Messung von Leitfähigkeiten für gasförmige und flüssige Stoffe in porösen Materialien, insbesondere Böden und Sedimenten, unter Verwendung eines Computer­ tomographens, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

• a) Entnahme eines Probenkörpers mittels einer zumindest einseitig offen ausgebildeten Probenentnahmevorrich­ tung und Abdichtung der Probenentnahmevorrichtung;
• b) Verbindung der Probenentnahmevorrichtung mit einem Gas- oder Flüssigkeitsreservoir;
• c) Einbringen der Probenentnahmevorrichtung in den Computertomographen sowie Festlegung und Aufnahme definierter Schnittbilder des Probenkörpers;
• d) Zuführen von Gas oder Flüssigkeit aus dem Gas- bzw. Flüssigkeitsreservoir unter druckfreien Bedingungen;
• e) Nochmaliges Aufnehmen der in Verfahrensschritt c) definierten Schnittbilder des Probenkörpers; und
• f) Berechnung der resultierenden Bildparameter für jeweils ein definiertes Schnittbild unter Verwendung der in den Verfahrensschritten c) und e) ermittelten Bildwerte mittels eines Subtraktionsverfahrens.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine zylindrisch ausgebildete Probenentnahmevorrichtung verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung des Probenentnahmekörpers gemäß Verfahrensschritt a) mittels einer Silikonmasse durchgeführt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Verfahrensschritt d) eine weitere Aufnahme der in Verfahrensschritt c) definierten Schnittbilder des Pro­ benkörpers durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Verfahrensschritt d) ein Edelgas zugeführt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Edelgas Xenon ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Verfahrensschritt d) Wasser oder wäßrige Lösungen zugeführt werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Gas- oder Flüssigkeitsreservoir ein Ballon- Reservoir verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenentnahmevorrichtung mittels einer Lagerungs­ vorrichtung im Computertomographen lagerungsstabil und ortsfest positioniert wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnahme der Schnittbilder gemäß Verfahrensschritt e) in vorab definierten Zeitabständen vorgenommen wird.