DE19935680A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Schlammkonzentration in einer Flüssigkeit - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Schlammkonzentration in einer Flüssigkeit

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Schlammkonzentration in einer Flüssigkeit, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt: DOLLAR A - das Senden mindestens einer Ultraschallwelle über eine akustische Strecke (1) zwischen Aufnehmern (2, 3) DOLLAR A - das Messen der Dämpfung des empfangenen Signals der Ultraschallwelle bezüglich der Signalstärke der gesendeten Schallwelle und DOLLAR A - das Berechnen der Schlammkonzentration aus der gemessenen Dämpfung. DOLLAR A Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Schlammkonzentration in einer Flüssig­ keit.
Ein derartiges Verfahren und eine entsprechende Vorrich­ tung sind in der Branche bekannt und werden beispielswei­ se angewandt, um die Menge des von einem Fluß u. ä. mitge­ führten Schlamms zu bestimmen. Das Problem des Schlamm­ transports und der Schlammablagerung spielt eine Rolle beim Freihalten von Häfen, die an einem Fluß oder Kanal liegen. So müssen die Niederlande die Westerschelde - der Teil des Flusses Schelde, der in die Nordsee mündet - re­ gelmäßig ausbaggern, damit der Hafen von Antwerpen in Belgien erreichbar bleibt. Dies ist notwendig, da der von der Schelde mitgeführte Schlamm, der aus Belgien und Frankreich stammt, sich in der Westerschelde ablagert. Die Niederlande will nun, daß Belgien sich an den Kosten für die Baggerarbeiten beteiligt, während Belgien sich seinerseits für einen Teil der Kosten an Frankreich hält, weil dort die Schelde entspringt. Deshalb ist es wichtig, daß die relativen Mengen an Schlamm, die von dem Fluß transportiert werden, genau und über längere Zeiträume bestimmt werden können.
Die bekannten Messungen sind Trübungsmessungen, bei denen über eine kurze Entfernung die Absorption des Lichtes be­ stimmt wird. Das bekannte Meßverfahren und die Vorrich­ tung für dessen Anwendung haben mehrere Nachteile. Er­ stens hat dieses optische Verfahren eine geringe Ein­ dringtiefe, so daß nur Punktmessungen durchgeführt werden können, d. h. die Konzentration des Schlamms wird nur an bestimmten Stellen gemessen. Da Schlamm sich im allgemei­ nen in natürlichen Strömungen, wie beispielsweise einem Fluß, nicht gleichmäßig fortbewegt, sondern meist in der Form großer hufeisenförmiger Wirbelstrukturen ("horseshoe vortices"), kann aus diesen Punktmessungen der Schlamm­ konzentration der Gesamtdurchsatz des Schlamms nicht ge­ nau berechnet werden. Zweitens ist zur Bestimmung des Schlammdurchsatzes, neben der Schlammkonzentration, auch Information über die Strömungsgeschwindigkeit erforder­ lich, für die gesonderte Meßverfahren angewandt werden müssen. Drittens sind solche optischen Systeme sehr emp­ findlich gegen Ablagerung von Verunreinigungen auf den darin enthaltenen Linsen u. ä., welche Ablagerung Anlaß zu Meßfehlern gibt. Deshalb ist regelmäßige Wartung ins­ besondere dieser Teile der Vorrichtung erforderlich. We­ gen dieser Wartungsempfindlichkeit sind die bekannten Meßsysteme nicht geeignet für permanente Meßanordnungen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und ei­ ne Vorrichtung zur Bestimmung der Schlammfördermenge zu schaffen, bei denen die erwähnten Nachteile minimiert oder sogar komplett eliminiert werden.
Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, ein solches Verfahren zu schaffen, bei dem die Schlammkonzentration über die Gesamtbreite und eventuell über die Gesamthöhe der Flüssigkeit, insbesondere des strömenden Wassers wie beispielsweise einem Fluß, bestimmt wird, ebenso wie die dazugehörige Transportgeschwindigkeit.
Das Verfahren zur Bestimmung der Schlammkonzentration ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
das Senden mindestens einer Ultraschallwelle über eine akustische Strecke zwischen Aufnehmern,
das Messen der Dämpfung des empfangenen Signals der Ul­ traschallwelle bezüglich der Signalstärke der gesendeten Schallwelle, und
das Berechnen der Schlammkonzentration aus der gemessenen Dämpfung.
Die Erfindung beruht auf der allgemeinen Erkenntnis, daß Ultraschallwellen von in einer Flüssigkeit dispergierten, Staubpartikeln gedämpft werden. Diese Dämpfung wird u. a. verursacht durch Zerstreuung der Schallwellen durch die Schlammpartikel und durch Resonanz dieser Partikel in Ab­ hängigkeit der Schlammkonzentration. Untersuchungen haben gezeigt, daß diese Dämpfungserscheinungen unter anderem abhängig sind von der Frequenz der Schallwellen, dem Ra­ dius (Gestalt) der Partikel und deren Dichte. Bei einer festen Frequenz der Schallwellen dominiert die Reso­ nanzerscheinung für Partikel kleineren Durchmessers, wäh­ rend die Zerstreuungserscheinung dominiert für Partikel größeren Durchmessers. Dies bedeutet, daß für Schlammpar­ tikel mit einem Radius im Bereich von einigen Zehntel Micrometern bis zu einigen Hundert Micrometern die Reso­ nanzerscheinung, bei einer geeignet gewählten Frequenz, vorherrscht, so daß diese Dämpfungserscheinung geeignet ist, um die Schlammkonzentration zu bestimmen.
Bei der Erfindung werden vorteilhaft Frequenzen der Ul­ traschallwellen im niederfrequenten Bereich, vorzugsweise im Bereich von 25-400 kHz, benutzt. Solche Schallwellen haben eine große Eindringtiefe, so daß die komplette Breite und eventuell Höhe der Flüssigkeit, beispielsweise eines Flusses, abgetastet werden kann.
Vorteilhaft wird beim Verfahren gemäß der Erfindung die Dämpfung mehrerer Ultraschallwellen, die zwischen Aufneh­ mern über verschiedene akustische Strecken ausgestrahlt und empfangen werden, gemessen und daraus die Schlammkon­ zentration berechnet. Auf diese Weise wird die Schlamm­ konzentration über mehrere akustische Strecken gemessen, so daß daraus eine genauere durchschnittliche Schlammkon­ zentration berechnet werden kann.
Bei einer Vorzugsausführung des Verfahrens gemäß der Er­ findung wird neben der Schlammkonzentration auch die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit bestimmt, so daß auch der Schlammdurchsatz berechnet werden kann. Ultra­ schalldurchsatzmeßsysteme sind in der Branche bekannt und werden beispielsweise angewandt, um den Durchsatz eines Fluids (Gas oder Flüssigkeit) in Transportleitungen, aber auch den Wasserdurchsatz in offenen Gewässer, wie bei­ spielsweise einem Fluß oder Kanal, zu messen. Bei derar­ tigen Durchsatzmeßsystemen sind mindestens ein Paar Auf­ nehmer, in Strömungsrichtung des Fluids, in einer gewis­ sen Entfernung zu einander angeordnet und werden die Schallwellen in entgegengesetzter Richtung über die glei­ che akustische Strecke ausgestrahlt. Aus dem Unterschied der Laufzeiten der in entgegengesetzte Richtungen ausge­ strahlten Schallwellen wird die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids berechnet. Beispiele solcher Durchsatz­ meßsysteme mit unterschiedlichen akustischen Strecken, durch die nahezu das gesamte Strömungsprofil des Fluids abgetastet wird und so die Durchschnittsströmungs­ geschwindigkeit genauestens bestimmt werden kann, sind in den europäischen Patentanmeldungen 0 639 776 und 0 843 160 des Anmelders beschrieben.
Der große Vorteil der obengenannten Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung ist, daß mit ein und der­ selben Messung sowohl die Strömungsgeschwindigkeit aus dem Meßsignal (Zeit) als auch die Schlammkonzentration aus der Meßsignalstärke (Amplitude) und so der Gesamt­ schlammtransport genau berechnet werden können.
Weil die beim Verfahren gemäß der Erfindung angewandte Meßausrüstung im Vergleich zu den bekannten Trübungsmeß­ geräten nicht wartungsempfindlich ist, kann das vorlie­ gende Verfahren vorteilhaft kontinuierlich ausgeführt werden.
Weiter können in vorteilhafter Weise Schallwellen unter­ schiedlicher Frequenz ausgestrahlt werden.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung für die Ausführung des Verfahrens gemäß der Erfindung, welche Vorrichtung in den Ansprüchen 9-10 definiert ist.
Es sei bemerkt, daß in der Branche ein Ultraschall- Sandtransportmeßgerät bekannt ist, das hochfrequenten (< 4 MHz) Ultraschall benutzt. Dieses Meßgerät benutzt je­ doch nur das "Scattering" (= Zerstreuung) des Schalls und nicht die Resonanz. Eine derartige Meßvorrichtung hat aber, ebenso wie das vorher erwähnte Trübungsmeßgerät, eine geringe Eindringtiefe, so daß dieses nur für Punkt­ messungen geeignet ist.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme der bei­ liegenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 ein Diagramm der Dämpfung als Funktion des Partikelradius bei verschiedenen Frequen­ zen der Ultraschallwellen,
Fig. 2-4 Diagramme der Dämpfung als Funktion des Partikelradius bei unterschiedlicher Dich­ te der Partikel und bei einer Frequenz von 100 kHz, 200 kHz bzw. 400 kHz,
Fig. 5 ein Diagramm der Dämpfung infolge der Zer­ streuung bzw. der Resonanz als Funktion des Partikelradius,
Fig. 6-7 die Temperaturabhängigkeit der Dämpfung bei 2 Salinizitäten (Salzgehalte), die in Süßwasser und die in Meerwasser, und
Fig. 8 mehrere schematische Anordnungen der aku­ stischen Meßstrecken, die bei der Erfin­ dung angewandt werden können.
Bei den in den Fig. 1-7 dargestellten Diagrammen wurde der Modellansatz von Urick für die Fortpflanzungs­ geschwindigkeit des Schalls in (Meer-) Wasser benutzt. In diesem Modell wird folgende Gleichung für die Signaldämp­ fung benutzt:
wobei
α = Absorptionskoeffizient [dB/m.mg]
k = 2.π/λ; ω = 2.π.f; λ = C/f
C = Schallgeschwindigkeit [m/s]
f = Frequenz [Hz]
a = Partikelradius [m]
s = ein vom Partikelradius a und dem "Bulk"modul β der Elastizität abhängiger Faktor
β = "Bulk"modul der Elastizität; β = (ω/2.ν)0,5
ν = kinematische Viskosität [m2/s)
τ = 0,5 + 9/(4.a.β)
K = Gewichtskonzentration [mg/l]
ρ = Dichteverhältnis ρSchlamm/ρWasser;
typische Werte für ρ sind:
Ton: ρ = 1,4
Sand: ρ = 2,0
In dieser Gleichung stellt der Term k4.a3/6 die Zerstreuung des Schalls dar und erfaßt der Term k.(ρ-1)2.s/(s2 + (ρ + τ)2) die Resonanz der Sedimentpartikel.
In der Fig. 1 sind die Dämpfungskurven für unterschied­ liche Frequenzen im Bereich von 25-400 kHz als Funktion des Partikelradius bei ρ = 2,0 dargestellt. Eine Änderung der Frequenz von 25 kHz auf 400 kHz führt zu einer ca. 15 mal stärkeren Dämpfung im Resonanzbereich. Weiter geht aus der Fig. 1 hervor, daß das Resonanzmaximum sich bei höheren Frequenzen zu kleineren Partikelradien hin ver­ schiebt.
Die Abhängigkeit der Dämpfung vom Dichteverhältnis ist in den Fig. 2-4 für unterschiedliche Frequenzen darge­ stellt. Eine Änderung des Dichteverhältnisses ρ von 1,5 auf 2,5 führt zu einer 6 mal stärkeren Dämpfung. Dieses Verhalten zeigt sich bei allen Frequenzen. Weil die Kon­ zentration der Dämpfung proportional ist, wird ein Fehler bei der Annahme von ρ zu einem Fehler in der Berechnung der Konzentration K führen. Deshalb wird in der Praxis die Bestimmung der Signalstärke der Ultraschallwelle mit einer (periodische) Bemusterungstechnik und, falls not­ wendig, eine Neukalibrierung des Systems zur Bestimmung der Dichte, die je nach Fluß unterschiedlich sein kann, kombiniert werden.
Die Fig. 5 zeigt die einzelnen Anteile der verschiedenen Dämpfungsphänomene als Funktion des Partikelradius bei f = 200 kHz. Aus dieser Figur wird klar, daß für Partikel mit einem Radius in der Größenordnung von 0,1-50 Micro­ metern die Dämpfung des Signals infolge der Resonanz viel stärker ist als die Dämpfung infolge der Zerstreuung. Letzteres Phänomen wird erst bei einem Radius größer als 300 Micrometer signifikant. Für andere Frequenzen ver­ schieben sich diese Kurven etwas. Weil Schlammpartikel im allgemeinen Abmessungen im Bereich wo Resonanz dominiert besitzen, kann aus der Dämpfung infolge Resonanz die Schlammkonzentration berechnet werden.
In den Fig. 6-7 ist die Dämpfung als Funktion der Temperatur für sowohl Süß- (s = 0 ppt; ppt = parts per thousand) als auch für Meerwasser (s = 35 ppt) bei 100 kHz bzw. 200 kHz dargestellt. Im Hinblick auf die Messung der Schlammkonzentration kann daraus folgendes geschlossen werden:
100 kHz:
Dämpfung durch Sediment: 8.10-5 dB/m.mg
Dämpfung durch Temperatur: 3.10-3 dB/m (± 1,5.10-3 dB/m)
200 kHz:
Dämpfung durch Sediment: 1,6.10-4 dB/m.mg
Dämpfung durch Temperatur: 12.10-3 dB/m (± 6.10-3 dB/m)
Eine Änderung von 10°C ergibt also bei 100 kHz den glei­ chen Effekt wie eine Änderung von 20 mg/l in der kriti­ schen Schlammkonzentration. Bei 200 kHz stimmt die glei­ che Temperaturänderung mit eine Änderung von 40 mg/l in der kritischen Schlammkonzentration überein. Daraus folgt, daß die Temperatur ebenfalls ein wichtiger Parame­ ter ist. Diese Temperatur kann jedoch direkt aus der Schallgeschwindigkeit berechnet werden, und der Einfluß der von der Temperatur abhängigen Absorption der Schall­ welle durch das Wasser kann somit automatisch kompensiert werden, so daß durch die Temperatur induzierte Meßfehler vermieden werden.
In der Fig. 8 sind verschiedene Anordnungen der Aufneh­ mer zur Bestimmung des Schlammdurchsatzes mit Hilfe des Verfahrens gemäß der Erfindung gezeichnet. Die Fig. 8 a und b zeigen eine einzige akustische Meßstrecke 1 zwi­ schen den Aufnehmern 2 und 3. Die Aufnehmer sind auf bei­ den Seiten eines Flusses oder Kanals 4 in gleicher Höhe positioniert und sind in Strömungsrichtung (mit einem Pfeil angedeutet) in einer gewissen gegenseitigen Entfer­ nung positioniert. Die von dem Aufnehmer 2 ausgestrahlte Ultraschallwelle durchquert die Breite des Flusses 4 und wird von dem anderen Aufnehmer 3 auf der anderen Seite des Flusses 4 empfangen. Eine von dem Aufnehmer 3 in ent­ gegengesetzer Richtung über die gleiche akustische Strecke 1 ausgestrahlte Schallwelle wird von dem Aufnehmer 2 empfangen. Deren Laufzeiten werden gemessen. Aus der Dif­ ferenz der Laufzeiten wird die Strömungsgeschwindigkeit des Wassers im Fluß 4 mit Hilfe geeigneter Rechner be­ rechnet, wie allgemein bekannt ist. Weiter wird aus der Differenz der Signalstärken zwischen ausgestrahlter Schallwelle und empfangener Schallwelle die Schlammkon­ zentration berechnet unter Anwendung der Beziehung zwi­ schen Dämpfung und Schlammkonzentration (beispielsweise eine Tabelle oder Formel), die in den Rechner gespeichert werden kann. Das Produkt aus der Strömungsgeschwindigkeit und der Schlammkonzentration ist gleich dem Schlammdurch­ satz.
In den Fig. 8c-p sind die gleichen Bauteile aus den Fig. 8a und b mit den gleichen Bezugsziffern ver­ sehen. Durch Anwendung mehrerer akustischer Meßstrecken wird das Strömungsprofil im Fluß über eine größere Höhe abgetastet, so daß die Genauigkeit der Messungen verbes­ sert. Bei der Anordnung gemäß den Fig. 8g und h bzw. den Fig. 8o und p sind die Aufnehmer auf beiden Sei­ ten des Flusses aufgestellt und ist ein passiver Reflek­ tor 5 auf der anderen Seite aufgestellt.
Bei der Anordnung mit einer einzigen Meßstrecke (Fig. 8a und b) oder einem einzigen Meßkreuz (Fig. 8c und d) wird die gesamte Schlammfracht aus der integral gemesse­ nen momentanen Fracht, ergänzt mit einem frequenzabhängi­ gen dynamischen Korrekturfaktor und einem von der Höhe der Meßstrecke abhängigen Faktor, berechnet.
Bei einem sowohl in der Breite als auch in der Höhe schräg angeordneten doppelten Meßkreuz (Fig. 8k und l) wird die gesamte Schlammfracht aus der integral gemes­ senen momentanen Fracht, ergänzt mit einem frequenzabhän­ gigen dynamischen Korrekturfaktor, berechnet.
Bei einer sogenannten Multi-Pfad-Anordnung wird die ge­ samte Schlammfracht aus einer Summation der einzelnen mo­ mentanen Teilfrachten pro Teilbereich, ergänzt mit einem frequenzabhängigen dynamischen Korrekturfaktor, berech­ net.
Der oben erwähnte frequenzabhängige, dynamische, Korrek­ turfaktor ist u. a. proportional zu
(ρ-1)2.s/(s2+(σ+τ)2.(c1+c2.V+c3.V2+c4.ΔV+c5.ΔV2))
wobei die Symbole die bereits früher erwähnte Bedeutung besitzen und c1-c5 vom Fluß abhängige Koeffizienten sind, V die gemessene dynamische Geschwindigkeit ist und ΔV die gemessene dynamische Wirbelungsstärke ist.
Für den von der Meßstreckenhöhe abhängigen Korrekturfak­ tor können, abhängig von der Partikelgrößenverteilung des Schlamms, verschiedene Modelle benutzt werden, u. a. das von Rouse.

Claims (10)

1. Verfahren zur Bestimmung der Schlammkonzentration in einer Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren die folgenden Schritte umfaßt:
  • 1. das Senden mindestens einer Ultraschallwelle über eine akustische Strecke (1) zwischen Aufnehmern (2, 3),
  • 2. das Messen der Dämpfung des empfangenen Signals der Ultraschallwelle bezüglich der Signalstärke der gesendeten Schallwelle und
  • 3. das Berechnen der Schlammkonzentration aus der ge­ messenen Dämpfung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Ultraschallwellen im niederfre­ quenten Bereich, vorzugsweise im Bereich von 25-400 kHz, liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Dämpfung mehrerer Ultraschallwel­ len zwischen Aufnehmern über verschiedene akustische Strecken ausgestrahlt und empfangen, gemessen und daraus die Schlammkonzentration berechnet wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche 1-3 in strömendem Wasser (4), dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnehmer (2, 3) in Strömungsrichtung des Wassers (4) in einer bestimmten gegenseitigen Ent­ fernung positioniert sind.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Ultraschallwellen über die gleiche akustische Strecke (1) in entgegengesetzten Richtungen ausge­ strahlt werden, deren Laufzeiten gemessen werden und aus der Differenz der Laufzeiten die Strömungs­ geschwindigkeit des Wassers im Fluß (4) mit Hilfe geeigneter Rechner berechnet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlammdurchsatz aus der Strömungsgeschwin­ digkeit des Wassers und der Schlammkonzentration be­ rechnet wird.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß das Verfahren kontinuier­ lich ausgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß Ultraschallwellen mit un­ terschiedlicher Frequenz ausgestrahlt werden.
9. Vorrichtung zur Bestimmung der Schlammkonzentration in einer Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung mindestens ein Paar von in der Flüs­ sigkeit anzuordnenden Aufnehmern (2, 3) zum Aussen­ den und/oder Empfangen von Ultraschallwellen über mindestens eine akustische Meßstrecke (1), sowie mit den Aufnehmern verbundene Meßgeräte zur Messung der Signalstärke einer ausgestrahlten und empfangenen Schallwelle, welche weiter verbunden sind mit Re­ chengeräten zur Bestimmung der Schlammkonzentration aus der gemessenen Dämpfung der Signalstärke der empfangenen Schallwelle im Vergleich zu der ausge­ strahlte Schallwelle, umfaßt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufnehmer (2, 3) in Strömungsrichtung der Flüssigkeit in einer gewissen gegenseitigen Entfer­ nung aufgestellt sind und die Ultraschallwellen in entgegengesetzten Richtungen über die gleiche aku­ stische Strecke (1) aussenden, und daß die weiter mit den Aufnehmern (2, 3) verbundenen Geräte zur Be­ stimmung der Laufzeiten der betreffenden Schallwel­ len vorgesehen sind, sowie Rechengeräte zur Berech­ nung der Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit vorhanden sind.
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