DE2935015A1

DE2935015A1 - Verfahren und einrichtung zur ermittlung des durchflusses offener gerinne.

Info

Publication number: DE2935015A1
Application number: DE19792935015
Authority: DE
Inventors: Ing.(grad.) Alfred 2950 Leer Rudolfsen
Original assignee: TRAUERNICHT RUDOLF
Current assignee: TRAUERNICHT RUDOLF
Priority date: 1979-08-30
Filing date: 1979-08-30
Publication date: 1981-03-12

Description

Verfahren und Einrichtung zur Ermittelung des Durchflusses
offener Gerinne In der Wasserwirtschaft ist es erforderlich, die Durchflußmengen offener Gerinne, wie beispielsweise von Flüssen, zu registrieren. Bei fließenden Gewässern, die außerhalb des Tideneinflusses liegen, kann in vielen Fällen jedem vorkommenden Wasserstand ein bestimmter Durchfluß in m3/s zugeordnet werden. Anders ist es jedoch bei Flüssen in Küstennähe, die dem Tideneinfluß unterliegen. Die Ermittlung der effektiven Abflußmenge bereitet dort erhebliche Schwierigkeiten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw.
eine Einrichtung zur Ermittlung des Durchflusses offener Gerinne zu schaffen, bei dem bzw. bei der die erwähnten störenden Einflüsse der Tide (Gezeitenwechsel) leicht berücksichtigt werden können.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung werden von dem Gerinne zwei Meßwerte abgeleitet, die so gewählt sind, daß sie eine eindeutige Aussage über den Durchfluß und die Durchflußrichtung zulassen. Außer den gemessenen Werten bestimmen weitere Größen, die für das Gerinne typisch sind und die sich nur mit dem Flüssigkeitsstand ändern, den Durchfluß. Die für das Gerinne typischen Werte sind individuell für das jeweils zu überwachende Gerinne als eine Funktion des Flüssigkeitsstandes gespeichert. Aus dieser Funktion kann, wenn der Flüssigkeitsstand bekannt ist, der bei diesem Flüssigkeitsstand zu berücksichtigende Wert entnommen werden.
Bei der Ermittlung des Durchflusses aus den gemessenen Werten wird mit Vorteil die aus der Wasserbautechnik bekannte und bei der Berechnung und Dimensionierung von künstlichen Gerinnen angewandte Formel Q = k5 x A x R2/3 x I1/2 zugrunde gelegt.
Darin bedeuten Q der Durchfluß in m3/s, ks der sogenannte Rauhigkeitsbeiwert, A der flüssigkeitsführende Querschnitt, R der sogenannte hydraulische Radius und I das Gefälle des Flüssigkeitsspiegels.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert. In der Zeichnung ist im Längsschnitt symbolisch ein Flußbett dargestellt.
Die Sohle des Flußbettes ist mit 1 bezeichnet und der Wasserspiegel mit 2. Die Fließrichtung des Wassers ist durch einen Pfeil 3 angezeigt. Eine Einrichtung in einer durch eine gestrichelte Linie 4 angedeuteten Meßkabine dient zur Ermittlung des Durchflusses des dargestellten Flußes. Diese Meßkabine 4 ist z.B. am Ufer des Flusses aufgebaut. An zwei, beispielsweise einige hundert Meter auseinanderliegenden Stellen des Flußlaufes wird der Wasserstand gemessen. Dazu dient im dargestellten Fall eine pneumatische Meßeinrichtung zur Wasserstandserfassung. Solche Meßeinrichtungen sind an sich bekannt (z.B. Gerät W 2 M und W 2 K der Firma Rittmeyer). Es sind hier nur die wesentlichen Teile dargestellt. In einem Kompressor 5 wird ein Luftüberdruck erzeugt. Über ein Ventil 6 und eine Druckleitung 8 wird Preßluft an ein Meßrohr 9 herangeführt. Die Luft perlt aus einer Fühlermündung des Meßrohres 9. Über die Druckleitung 8 wird ständig ein schwacher Luftstrom zugeführt. Der Druck in der Leitung hält dann den Druck der Flüssigkeitssäule, der über der Mündung steht.
Über eine von der Meßstelle zurückführende Meßleitung 10 wird dieser Druck zu einem Druckmeßgerät 11 zur Meßkabine 4 zurückgeführt.
Das Druckmeßgerät 11 enthält eine Druckwaage. Eine solche Druckwaage wird einerseits mit einer von dem zu messenden Druck abgeleiteten Kraft beaufschlagt und andererseits von einem Laufgewicht, welches von einem Servomotor getrieben ist, im Gleichgewicht gehalten. Mit der -lotorwelle des Servomotors ist ein Meßwertgeber, z.B. ein Codegeber, gekoppelt. Am Ausgang 12 des Druckmesseres 11 erscheint das Meßergebnis.
Das Meßrohr 13 an der anderen Meßstelle ist in gleicher Weise wie das Meßrohr 9 über ein Ventil 7 und eine Druckleitung 15 mit Druckluft versorgt. Der an der Mündung des Rohres 13 erhaltene Druck wird wiederum über eine Meßleitung 14 zu der Meßeinrichtung in der Kabine 4 zurückgeführt.
In einem Druckdifferenz-Messer 16, der ebenfalls mit einem Waagebalken-System arbeitet, wird die Differenz der in den Meßleitungen 10 und 14 vorliegenden Drücke gemessen. Das Meßergebnis, welches in codierter Form auf der Ausgangsleitung 17 erscheint, ist ein Maß für das Gefälle des Wasserspiegels des Flusses.
Die Mündungen der Meßrohre 9 und 13 liegen auf demselben Niveau. Sie sind fest verankert, so daß sie ihre Lage zueinander nicht ändern. Geringe Abweichungen können durch Justage des Waagebalkensystems ausgeglichen werden.
Das auf der Ausgangsleitung 12 vorliegende, der Tiefe T des Flusses entsprechende Meßsignal und das auf der Ausgangsleitung 17 liegende, dem Gefälle I des Wasserspiegels entsprechende Meßsignal sind einem Mikroprozessor-System 18 zugeführt.
In einem Festwertspeicher (ROM) 19 sind Werte gespeichert, die für die Errechnung des Durchflusses erforderlich sind.
Die gespeicherten Werte sind Punkte einer Kurve, in der Kenngrößen des Flusses über dem Wasserstand aufgetragen sind. Es genügt, einzelne Punkte der Kurve in dem Speicher 19 zu speichern. Der Mikroprozessor 18 kann so programmiert werden, daß Zwischenwerte zwischen diesen Punkten durch Interpolation erhalten werden. Durch die im Speicher 19 gespeicherten Kennwerte werden bei der Durchflußermittlung die für den Fluß typischen Eigenschaften, wie der Rauhigkeitsbeiwert k5 des Flußbettes, der wasserführende Querschnitt A und der sogenannte hydraulische Radius R festgehalten. Der hydraulische Radius ist bekanntlich definiert als der wasserführende Querschnitt A geteilt durch den benetzten Umfang U des Flusses. Der wasserführende Querschnitt des Flusses und der hydraulische Radius ändern sich mit der Tiefe T des Wasserstandes. Daher ist der zu berücksichtigende Wert als eine Funktion des Wasserstandes gespeichert.
Der Mikroprozessor 18 ist so programmiert, daß er in periodischen Zeitabständen den auf der Leitung 12 liegenden Wert für die absolute Wassertiefe und den auf der Leitung 17 liegenden Wert für das Gefälle mit dem zu der jeweiligen Wassertiefe gehörenden Wert der gespeicherten Funktion nach der schon erwähnten Formel verarbeitet und daraus den Durchfluß errechnet. Das Ergebnis wird am Ausgang 20 des Mikroprozessors ausgegeben.
Wenn die sich ergebende Durchflußmenge über eine längere Zeit interessiert, so muß der Mikroprozessor 18 so programmiert werden, daß das Ergebnis der einzelnen Messungen unter Berücksichtigung der Zeitabstände zwischen den Messungen aufsummiert wird.
Das Meßergebnis am Ausgang 20 wird einem Registriergerät 21 zugeführt. Dieses Registriergerät 21 kann z.B. ein graphisches Aufzeichnungsgerät sein. Es ist auch möglich, die Meßergebnisse mittels eines Kassettengerätes zu speichern und die gespeicherten Daten in einer Zentralstelle weiterzuverarbeiten. Auch ist eine Fernübertragung des Meßergebnisses möglich.
In küstennahen Flüssen kann für den Durchfluß ein positives oder ein negatives Meßergebnis erhalten werden. Durch den Tideneinfluß kann bekanntlich Wasser in die Flußmündungen zurückfließen. Mit der Änderung der Fließrichtung ändert sich jedoch auch das Gefälle des Wasserspiegels. Daher wird bei der beschriebenen Meßmethode die Fließrichtung automatisch mit berücksichtigt.
Bei kleineren Flüssen besteht die Schwierigkeit, daß die Kenngrößen des Flusses sich wegen der Verkrautung jahreszeitlich stark ändert. In diesem Fall ist es möglich, je nach Jahreszeit eine unterschiedliche Kenngrößenfunktion für die Berechnung des Durchflusses zugrundezulegen. Zu diesem Zweck kann in dem Speicher 19 eine Kurvenschar gespeichert werden, wobei je nach Jahreszeit jeweils eine andere Kurve der Kurvenschar zugrundegelegt wird.
Der Kompressor 5 in der Meßkabine 4 kann evtl. eingespart werden1 wenn ein Druckluftbehälter vorgesehen ist, der von Zeit zu Zeit gefüllt oder gegen eine gefüllte Flasche ausgewechselt wird.
Um dabei Luft einzusparen, kann vorgesehen werden, daß nur kurz vor den Meßzeitpunkten ein Luftstrom in die Druckleitungen 8 und 15 geleitet wird. Zu diesem Zweck müßten die Drosselventile 6 und 7 steuerbar ausgeführt sein. Die Steuerung der Ventile 6 und 7 kann vom Mikroprozessor 1 8 vorgenommen werden.
In dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird die Ermittlung der Wasserstände T1 und T2 durch eine pneumatische Meßeinrichtung vorgenommen. Es ist jedoch auch möglich, jede beliebige andere Meßmethode, die genügend genau arbeitet, anzuwenden. Beispielsweise kann eine Tauchstab-Meßeinrichtung oder eine Schwimmer-Meßeinrichtung verwendet werden.
Bei der beschriebenen pneumatischen Meßeinrichtung ist jedoch besonders vorteilhaft, daß auf die Übermittlung eleNctrischer Signale zu den Meßpunkten verzichtet werden kann.
Die Verarbeitung aller Signale findet in der Meßkabine statt.
Abschließend sei noch erwähnt, wie die individuellen Eigenschaften des Flusses berücksichtigende Funktion f(T) gewonnen werden kann.
1. Möglichkeit: Der Durchfluß wird mit einem anderen bekannten Verfahren (z.B. Flügelmessung) möglichst genau für verschiedene Gefälle und Wasserstände ermittelt. Es wird für jede Messung das Gefälle, der Wasserstand und der Durchfluß festgehalten.
Aus der schon genannten Formel Q = jl/2 x f(T) läßt sich mit den genannten Größen f(T) berechnen. rIehrere auf diese Weise ermittelte Punkte werden zu einer Kurve erweitert.
2. Möglichkeit: Der wasserführende Querschnitt A wird ausgemessen. Der Wert k5 wird der Beschaffenheit der Sohle des Flußbettes entsprechend einer Tabelle entnommen. R wird aus dem benetzten Umfang und dem Querschnitt A errechnet. Schließlich wird f(T) nach der Beziehung f(T) = k5 x A x R2/3 für mehrere Punkte berechnet, so daß die gewünschte Kurve erhalten wird.

Claims

Patentansprüche 1. Verfahren und Einrichtung zur Ermittlung des Durchflusses offener Gerinne, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Abschnitt des Gerinnes mit möglichst gleichbleibendem flüssigkeitsführenden Querschnitt (A) mittels einer Meßeinrichtung das Gefälle (I) des Flüssigkeitsspiegels und der auf ein Bezugsniveau bezogene Flüssigkeitsstand (T) ermittelt und gespeichert werden und daß unter Zugrundelegung der ermittelten Werte und einer für das Gerinne typischen, vom Flüssigkeitsspiegel abhängigen Funktion der Durchfluß in einer Rechenschaltung ermittelt wird.
2. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Ermittlung des Durchflusses folgende aus der Wasserbautechnik bekannte Formel nach Manning-Gauckler-Strickler zugrunde gelegt wird: Q = v x A = ks x A x R2/3 x I1/2.

Darin bedeuten v die Geschwindigkeit, k5 der sogenannte Rauhigkeitsbetwert, R der hydraulische Radius, A der flüssigkeitsführende Querschnitt und I das Gefälle des Gerinnes.
3. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die für das Gerinne typische Funktion ks x A x R2/3 empirisch ermittelt ist.
4. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Teil k5 x A x R2/3 als für das Gerinne typische und vom Flüssigkeitsstand (T) abhängige Funktion in einem Speicher (19) fest gespeichert ist.
5. Verfahren und Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß für die Rechenschaltung und zur Speicherung der für das Gerinne typischen Funktion und Bereitstellung des jeweils dem vorhandenen Flüssigkeitsspiegel entsprechenden Wertes der Funktion ein Mikroprozessor verwendet wird.
6. Verfahren und Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in periodischen Zeitabständen der Durchfluß ermittelt und die Durchflußmenge über eine Vielzahl von Zeitabständen aufsummiert wird.
7. Verfahren und Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelten Werte für den Durchfluß oder die Durchflußmenge am Aufstellungsort der Einrichtung auf einem Datenträger gespeichert werden.
8. Verfahren und Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchfluß oder die durch die Aufsummierung erhaltene Durchfluß menge als Funktion der Zeit an der Meßstelle graphisch aufgezeichnet werden.
9. Verfahren und Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ermittelten Durchflüsse oder Durchflußmengen fernübermittelt werden.
10. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Meßeinrichtung sowohl positive als auch negative Gefälle des Flüssigkeitsspiegels ermittelt werden können.
11. Verfahren und Einrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Durchflüsse in positiver und negativer Richtung vorzeichenrichtig berüdsichtigt werden.
12. Verfahren und Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefälle (I) mittels einer pneumatischen Meßeinrichtung ermittelt wird, wobei aus dem Absolutdruck, der an zwei auseinanderliegenden Meßstellen erhalten wird, ein Differenzdruck abgeleitet wird, der dem Gefälle proportional ist.