DE19832881A1 - Vorrichtung zur insbesondere in situ Messung von Reibungseigenschaften von Medien - Google Patents

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (10) zur Messung der Reibungseigenschaften von Medien wie Flüssigkeiten, Flüssigkeits-Feststoffsuspensionen oder Schlicken und dergleichen in Gewässern, insbesondere zur in situ Messung, vorgeschlagen. Dabei ist ein Viskosimeter (12) vorgesehen, das mit einem Einlaß (120) und einem Auslaß (121) versehen ist, wobei über den Einlaß (120) das Medium (11) in das Viskosimeter (12) gebbar ist und über den Auslaß (121) das bezüglich seiner Reibungseigenschaften erfaßte Medium (11) an die Umgebung (13) abgebbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Reibungseigenschaften von Medien wie Flüssigkeiten, Flüssigkeits-Feststoffsuspensionen oder Schlicken und dergleichen in Gewässern, insbesondere zur in situ Messung.

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 Sedimen­ tationsvorgänge 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 Schiff­ barkeit und der kritischen Wassertiefe ist jedoch problematisch, da die die Manövrierfähigkeit von Schif­ fen bzw. Wasserfahrzeugen beeinflussenden Stoffgrößen bisher nur unzureichend erfaßt werden konnten.

Aus der DE-PS 35 26 427 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 Schlick­ schicht kann jedoch 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 regelmäßig jedoch kein direktes Maß für die Schiffbarkeit. Sie steht lediglich in nicht vorhersagbarer Weise im Zusam­ menhang mit der die Schiffbarkeit am meisten beeinflus­ senden Größe, nämlich der Zähigkeit bzw. der Viskosität. So können z. B. unterschiedliche organische Zusammenset­ zungen bei gleicher Dichte deutlich unterschiedliche Zähigkeitseigenschaften und unterschiedliche Reibungs­ eigenschaften hervorrufen.

Aus der DE-OS 44 43 536 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Reibungseigenschaften einer Flüssigkeits-Feststoffsuspension bekannt, mit denen die voraufgeführten Probleme an sich auf hervorragende Weise gelöst werden und mit denen die kritische Wassertiefe zuverlässig bestimmt werden kann, d. h. generell bei der Anwendung auf fluide Medien, die Newton'sche Fließei­ genschaften aufweisen. Um bei der Messung mit der Pumpe ein deutliches Meßsignal zu erhalten, das durch die Zähigkeit und nicht durch Pumpenverluste hervorgerufen wird, ist es nötig, den Druckabfall an der Druckseite der Pumpe zu erhöhen, beispielsweise mit einer Drossel (Lochblende). Dabei kann es bei Suspensionen zu Entmi­ schungen von flüssiger und fester Phase kommen, was zu fehlerhaften Meßergebnissen führt.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der die Reibungseigen­ schaften von Medien wie Flüssigkeiten, Flüssigkeits- Feststoffsuspensionen oder Schlicken und dergleichen, insbesondere bei in situ Messungen, mit hoher Genauig­ keit erfaßt werden kann, wobei die Vorrichtung keine Entmischung des Mediums, unabhängig von der Geschwindig­ keit des Mediums, veranlaßt und somit fortwährend und zuverlässig kritische Wassertiefen von Gewässern auf einfache Weise zuverlässig bestimmt werden können, wobei die Vorrichtung einfach und kostengünstig herstellbar und für entsprechende Messungen bereitstellbar sein soll.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch ein Viskosimeter, das mit einem Einlaß und einen Auslaß versehen ist, wobei über den Einlaß das Medium in das Viskosimeter gebbar ist und über den Auslaß das bezüglich seiner Reibungseigenschaften erfaßte Medium an die Umgebung abgebbar ist.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht im wesentlichen darin, daß mittels dieser Vorrichtung eine kontinuierliche Durchströmung des Viskosimeters des zu messenden Mediums möglich ist, so daß irgendwelche Maßnahmen wie Drosseln, Blenden oder dergleichen, die eine bestimmte Drosselfunktion in bezug auf das die Vorrichtung durchströmende Medium haben, vollständig entfallen und somit eine Verfälschung der von der Vorrichtung gelieferten Signale für deren Weiterbearbei­ tung und Aufbereitung nicht erfolgt. Zudem ist, wie angestrebt, die Vorrichtung an sich einfach im Aufbau und somit kostengünstig, wie ebenfalls angestrebt, herstellbar und folglich auch in großem Umfange bereit­ stellbar, beispielsweise auch zur quasi stationären Messung des Mediums an vorbestimmten Orten in Gewässern.

Voraufgeführt ist die Vorrichtung lediglich im Zusam­ menhang mit deren Einsatz zur Bestimmung der kritischen Wassertiefe zur Bestimmung der Grenze der Schiffbarkeit in Gewässern wie Flußläufen, Randmeergebieten und Hafenanlagen, in denen Sedimentbildung zu erwarten ist, genannt worden. Es sei aber hervorgehoben, daß sich die erfindungsgemäße Vorrichtung auch unmittelbar zum Einsatz für wissenschaftliche geomaritime Aufgaben eignet, um beispielsweise das Sedimentationsverhalten von Gewässern schlechthin zu erforschen, um daraus wiederum Rückschlüsse für die verschiedensten Aufgaben und Anwendungen zu ziehen.

Grundsätzlich gilt für alle genannten und denkbaren Aufgaben, daß die Viskosität des gemessenen Mediums das eigentliche Maß für Untersuchungen mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist und im Falle des erstgenannten Aufgabengebietes ein Maß für die Grenzen der Schiffbarkeit darstellt.

Grundsätzlich ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung der Einsatz beliebig aufgebauter Viskosimeter denkbar. Um aber einen wirklich ungestörten kontinuierlichen Durchstrom des zu erfassenden Mediums durch das Visko­ simeter zu erreichen, ist das Viskosimeter bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung als Rotationsviskosimeter aufgebaut, welches eine Antriebseinrichtung zum Antrieb einer ersten Zylinder­ einrichtung aufweist und eine Meßeinheit, mittels welcher ein Drehmoment einer zweiten Zylindereinrichtung des Rotationsviskosimeters erfaßbar ist. Sogenannte Rotationsviskosimeter sind an sich bekannt, diese Rotationsviskosimeter dienen generell aber dem Zweck, die Viskosität von Medien zu ermitteln, und zwar unter Laborbedingungen schlechthin. Das erfindungsgemäße Rotationsviskosimeter muß hingegen geeignet sein, den bei in situ Messungen auftretenden Umgebungsparametern wie Strömung, Temperatur und Dichte bzw. Dichtegefälle des zu erfassenden Mediums fortlaufend Stand halten zu können. Das Rotationsviskosimeter dieser Art muß somit für einen derart rauhen und ggf. auch fortlaufenden Betrieb geeignet sein.

Grundsätzlich ist es beispielsweise möglich, bei in situ Messungen mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung den Betrieb des Viskosimeters, d. h. den Betrieb der An­ triebseinrichtung und die Auswertung der Informationen bzw. Signale, die die Meßeinheit liefert, von Bord eines Schiffes oder einer marinen Plattform und dergleichen aus vonstatten gehen zu lassen, d. h. den Teil der Vorrichtung, der die in situ Messung durchführt, auf den reinen Meßteil für diese Zwecke zu beschränken und Steuer- und/oder Regelfunktionen eben von Deck eines Schiffes oder einer marinen Plattform aus vonstatten gehen zu lassen. Um aber für bestimmte Einsatzzwecke von einer Vielzahl von elektrischen Verbindungen eben zwischen der Vorrichtung und den Steuer- und/oder Regeleinheiten unabhängig zu sein, kann es sehr sinnvoll und vorteilhaft sein, unmittelbar die Vorrichtung derart auszugestalten, daß diese eine Steuer- und/oder Rege­ lungseinrichtung zum Betrieb des Viskosimeters aufweist, so daß insgesamt eine mit allen ihren Funktionen weit­ gehend autarke Vorrichtung für die in situ Messung zur Verfügung steht und lediglich beispielsweise eine Energieversorgung und Signalleitungen an die Gewässer­ oberfläche gebracht werden müssen. Es ist aber auch möglich, die Vorrichtung insgesamt so autark auszubil­ den, daß diese ohne Verbindung zur Gewässeroberfläche, d. h. zu einem Schiff, einer marinen Plattform oder dergleichen, voll funktionsfähig ist und die erfaßten Werte bzw. Signale des Mediums erst nach dem An-Bord- Holen der Vorrichtung, die dann zwischenzeitlich in der Vorrichtung auch aufgezeichnet wurden, zur Verfügung stehen.

Für bestimmte Zwecke kann es vorteilhaft sein, im Auslaß und/oder im Einlaß des Viskosimeters eine Pumpenein­ richtung vorzusehen, wobei diese Ausgestaltung immer dann in frage kommt, wenn zu erwarten ist, daß die bei der Messung des Mediums zu erwartende Strömungsge­ schwindigkeit unterhalb einer vorbestimmten Größe liegt. In diesem Zusammenhang sei auch noch darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung derart betrieben werden kann, daß diese relativ zu einem Untergrund unbeweglich ist, daß diese durch ein Gewässer geschleppt wird, wenn die Strömung des Gewässermediums zu gering ist, oder aber es kann bei stationärer Postierung relativ zu einem Gewässeruntergrund die vorerwähnte Pumpe bzw. die vorerwähnten Pumpen eingesetzt werden, wenn die Strömung des Gewässermediums zu gering ist.

Die Vorrichtung kann an sich eine beliebige geeignete Gestalt aufweisen, d. h. es können die einzelnen Kompo­ nenten an sich beliebig geeignet in der Vorrichtung angeordnet werden. Dazu weist die Vorrichtung vorteil­ hafterweise ein Gestell auf, in dem im wesentlichen die zur Vorrichtung gehörenden Komponenten aufgenommen sind, wobei es ebenfalls vorteilhaft ist, um die Reibung des Mediums bei in situ Messungen mit der Vorrichtung nicht zu groß werden zu lassen, vorzugsweise ein Gehäuse vorzusehen, mit dem im wesentlichen die zur Vorrichtung gehörenden Komponenten umfaßt sind. Das Gehäuse kann dabei strömungstechnisch derart ausgebildet sein, daß dieses dem umgebenden Medium einen minimalisierten hydrodynamischen Widerstand entgegensetzt.

Um schließlich sicherzustellen, daß der Einlaß und der Auslaß zum Viskosimeter im wesentlichen fortwährend in Strömungsrichtung bzw. der Strömung entgegengesetzten Richtung ausgerichtet sind, ist es schließlich vorteil­ haft, bei der Vorrichtung eine Einrichtung zur Ausrich­ tung der Vorrichtung in einem Gewässer bzw. einem Medium vorzusehen, das eine Ausrichtung in Strömungsrichtung bzw. der der Strömung entgegengesetzten Richtung fort­ während sicherstellt.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nach­ folgende einzige schematische Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles eingehend beschrieben. Diese zeigt:
in der Seitenansicht eine Vorrichtung zur Messung der Reibungseigenschaften von flüssigen Medien, bei der alle Elemente, bis auf Versor­ gungs- und Signalübertragungsleitungen, die zu ihrem bestimmungsgemäßen Erfaß- bzw. Meßbetrieb nötig sind, in der Vorrichtung angeordnet sind.

Zunächst wird Bezug genommen auf die einzige Figur, die die Vorrichtung 10 in ihrer Gesamtheit darstellt. Zentrales Element der Vorrichtung 10 ist ein als Rota­ tionsviskosimeter ausgebildetes Viskosimeter 12, das einen Einlaß 120 zum Eintritt eines in bezug auf seine Reibungseigenschaften zu untersuchendes Medium 11 aufweist und einen Auslaß 121, aus dem das Medium 11, nachdem es das Viskosimeter 12 durchströmt hat, wieder an die Umgebung 13 abgeben wird. Die Umgebung 13 kann beispielsweise ein Gewässer sein, wobei das Gewässer ein fließendes oder auch stehendes Gewässer sein kann. Das als Rotationsviskosimeter ausgebildete Viskosimeter 12 weist einen an sich bekannten Aufbau auf, so daß ein näheres Eingehen auf das Viskosimeter 12 und dessen Funktion nicht erforderlich ist, insbesondere nicht eine Beschreibung in der Form, wie mittels eines Viskosime­ ters 12 die Reibungseigenschaften (Viskosität) eines Mediums 11 bestimmt wird. Das Viskosimeter 12 wird hier nur insoweit beschrieben, als dieses eine erste Zylin­ dereinrichtung umfaßt, die mit einem Antrieb 14 verbun­ den ist, der für einen konstanten Antrieb des ersten Zylinders beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von n = 417 U/min sorgt, und eine zweite Zylindereinrichtung aufweist, die mit einer Meßeinheit 15 verbunden ist. Die Drehzahl muß nicht zwangsläufig konstant sein, sondern kann auch variieren, so daß Fließkurven aufgenommen werden können. Außerdem ist eine Variante möglich, in der ein Rheometer eingesetzt werden kann. Dieses Rheometer wird schubspannungsgesteuert betrieben. Mittels der zweiten Meßeinheit wird das sich im Viskosi­ meter 12 befindliche Medium 11 in bezug auf seine Viskosität derart ermittelt, daß mittels der Meßeinheit 15 das Drehmoment der zweiten Zylindereinrichtung des Viskosimeters 12 erfaßt wird.

In der Vorrichtung 10 ist ebenfalls eine Steuer- und/­ oder Regelungseinrichtung vorgesehen, die für eine konstante, vorwählbare Drehzahl der Antriebseinrichtung 14 für das Viskosimeter 12 sorgt, wobei die Steuer- und Regeleinrichtung 16 auch das von der Meßeinheit 15 erfaßte Drehmoment der zweiten Zylindereinrichtung des Viskosimeters 12 derart aufbereiten kann, daß geeignete Informationen bzw. Signale über eine Leitung 21 zur Oberfläche (Schiff, marine Plattform) hin übertragen werden können. Die Leitung 21 kann darüber hinaus auch Energieversorgungsleitungen für den Betrieb der Meßein­ heit 15, der Antriebseinrichtung 14 sowie der Steuer- und Regeleinheit 16 umfassen.

Im Auslaß 121 und/oder im Einlaß 120 des Viskosimeters 12 kann eine Pumpeneinrichtung 17 angeordnet sein, die regelmäßig dann benötigt wird, wenn die Vorrichtung 10 in einem Gewässer 13 postiert wird, in dem eine relativ geringe Strömungsgeschwindigkeit des Mediums 11 relativ zur Vorrichtung 10 herrscht, beispielsweise bei Still­ stand der Vorrichtung 10 bezogen auf den Gewässerunter­ grund.

Die Vorrichtung 10, vgl. insbesondere die Figur, weist ein Gestell 18 auf, in dem das Viskosimeter 12 derart angeordnet ist, daß das Medium 11 den Einlaß ungehindert anströmen kann bzw. in diesem eintreten kann und den Auslaß 121 wiederum ungehindert verlassen kann. Sinnvoll ist es, den Einlaß 120 und den Auslaß 121 auf einer Achse 122 ausgebildet anzuordnen. Vertikal über dem Viskosimeter 12 ist die Antriebseinrichtung 14 angeord­ net, im wesentlichen axial zu der gleichen Achse wie die Drehachse 140 der Antriebseinrichtung 14. Axial dazu ist die Achse 150 der Meßeinheit 15 angeordnet, wobei beide Achsen 140, 150 im wesentlichen koaxial ausgebildet sind. Die relative Anordnung der Steuer- und/oder Regeleinrichtung 16 zum Viskosimeter 12 ist unerheblich.

Die Vorrichtung 10 wird von einem hier lediglich sche­ matisch strichpunktiert dargestellten Gehäuse 20 umgeben und umschließt im wesentlichen alle zur Vorrichtung 10 gehörenden voraufgeführten Komponenten bzw. Elemente. Das Gehäuse 20 kann derart ausgestaltet sein, daß es einen optimiert geringen hydrodynamischen Widerstand dem Medium 11 gegenüber ausübt.

An der Vorrichtung 10 kann ebenfalls eine Einrichtung 19 zur Ausrichtung der Vorrichtung in einem Gewässer 13 vorgesehen sein, und zwar mit einer derartigen Funktion, daß zumindest der Einlaß 120 des Viskosimeters 12 mit einer maximalen Öffnung zum Medium 11 ausgerichtet ist. Die Einrichtung 19 hat somit eine Leitfunktion, um sicherzustellen, daß sich die Vorrichtung 10 bei der Erfassung bzw. Messung der Reibungseigenschaften des Mediums 11 nicht dreht.

In der Beschreibungseinleitung ist das Medium 11 im Zusammenhang mit Flüssigkeiten, Flüssigkeits-Feststoff­ suspensionen oder Schlicken und dergleichen genannt worden. Es sei darauf hingewiesen, daß die Aufzählung dessen, was unter den Begriff "Medium" 11 fallen kann, hier nicht abschließend gemeint ist. Vielmehr können alle möglichen Arten von Medien, deren Reibungseigenschaften gemessen werden sollen, mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfaßt werden. Im übrigen ist die Vorrichtung 10 nicht nur zu in situ Messung in einem Gewässer 13 geeignet, sondern an sich auch in einer beliebigen Umgebung. Die Vorrichtung 10 kann darüber hinaus auch ihre Meßfunktion beispielsweise an Bord eines Schiffes, einer marinen Plattform oder dergleichen ausführen, wenn nämlich der Einlaß 120 beispielsweise mittels einer Rohrverbindung verbunden bis zu einer entsprechenden Umgebungs- bzw. Gewässer­ tiefe geleitet wird und ggf. auch der Auslaß 121, so daß beispielsweise nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren oder zumindest unter Zuhilfenahme des Prinzips der kommunizierenden Röhren das Medium 11 durch das Viskosimeter 12 geleitet wird.

An einer hakenförmigen Einrichtung 22 kann die Vorrich­ tung 10 über ein Seil 23 beispielsweise in ein Gewässer 13 zur Ausführung der in situ Messung abgesenkt werden, und zwar bis zu einer vorbestimmbaren Tiefe, und nach Ausführung der Messung kann die Vorrichtung 10 dement­ sprechend wieder angehoben und an Bord eines Schiffes oder einer marinen Plattform oder dergleichen gehievt werden. Es ist auch denkbar, in der Vorrichtung 10 elektronische Aufzeichnungsmittel (nicht dargestellt) und/oder Energieversorgungseinrichtungen (Akkumulatoren, ebenfalls nicht dargestellt) vorzusehen, so daß der Betrieb der Vorrichtung 10 unabhängig von Verbindungen wie der erwähnten Leitung bzw. Leitungen 21 abgesetzt beispielsweise auf einem Untergrund seine Meßtätigkeit ausführen kann und zu gegebener Zeit wieder an Bord gehievt werden kann, wo dann die aufgezeichneten Meßer­ gebnisse in weiterverarbeitende bzw. weiterbearbeitende Einrichtungen eingelesen werden können.

Schließlich sei darauf hingewiesen, daß es auch möglich ist, die Vorrichtung 10 nicht relativ zu einem Unter­ grund eines Gewässers 13 stillstehend zu positionieren, sondern auch durch ein Gewässer 13 zu schleppen, insbe­ sondere dann, wenn die Fließgeschwindigkeit des Gewäs­ sers 13 bzw. des Mediums klein ist und somit das Visko­ simeter 12 seine bestimmungsgemäße Funktion nicht oder nur sehr eingeschränkt ausführen könnte. Dazu können ergänzend die erwähnten Pumpeneinrichtungen 17, entweder im Einlaß 120, im Auslaß 121 oder sowohl im Einlaß 120 als auch im Auslaß 121 unterstützend herangezogen werden, um somit eine Mindestfließgeschwindigkeit des Mediums 13 durch das Viskosimeter 12 zu erreichen.

Bezugszeichenliste

10

Vorrichtung

11

Medium

12

Viskosimeter

120

Einlaß

121

Auslaß

122

Achse

113

Umgebung/Gewässer

14

Antriebseinrichtung

140

Achse

15

Meßeinheit

150

Achse

16

Steuer- und/oder Regeleinrichtung

17

Pumpeneinrichtung

18

Gestell

19

Einrichtung zur Ausrichtung (Leiteinrichtung)

20

Gehäuse

21

Leitung

22

Haken

23

Seil

Claims (7)

1. Vorrichtung zur Messung der Reibungseigenschaften von Medien wie Flüssigkeiten, Flüssigkeits-Feststoffsuspen­ sionen oder Schlicken und dergleichen in Gewässern, insbesondere zur in situ Messung, gekennzeichnet durch ein Viskosimeter (12), das mit einem Einlaß (120) und einem Auslaß (121) versehen ist, wobei über den Einlaß (120) das Medium (11) in das Viskosimeter (12) gebbar ist und über den Auslaß (121) das bezüglich seiner Reibungseigenschaften erfaßte Medium (11) an die Umge­ bung (13) abgebbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Viskosimeter (12) als Rotationsviskosimeter ausgebildet ist, welches eine Antriebseinrichtung (14) zum Antrieb einer ersten Zylindereinrichtung des Rota­ tionsviskosimeters aufweist und eine Meßeinheit (15), mittels welcher ein Drehmoment einer zweiten Zylinder­ einrichtung des Rotationsviskosimeters erfaßbar ist.

3. Vorrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung (16) zum Betrieb des Viskosi­ meters (12) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß im Auslaß (121) und/oder im Einlaß (120) des Viskosimeters (12) eine Pumpeneinrichtung (17) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese ein Gestell (18) umfaßt, in dem im wesentlichen die zur Vorrichtung (10) gehörenden Komponenten aufgenommen sind.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß diese eine Einrich­ tung (19) zur Ausrichtung der Vorrichtung in einem Gewässer (13) aufweist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese ein Gehäuse (20) aufweist, mit dem im wesentlichen die zur Vorrich­ tung (10) gehörenden Komponenten umgeben sind.