DE29821223U1 - Vorrichtung zur Messung von Fluidbewegungen mittels Lichtwellenleiter - Google Patents
Vorrichtung zur Messung von Fluidbewegungen mittels LichtwellenleiterInfo
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Description
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GTCGBMP3.DOC
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Beschreibung
Vorrichtung zur Messung von Fluidbewegungen mittels Lichtwellenleiter
Vorrichtung zur Messung von Fluidbewegungen mittels Lichtwellenleiter
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen und/oder Lokalisieren von Fluidbewegungen
in einem für Fluide zumindest in Teilbereichen durchlässigen Medium, wobei die Fluidbewegungen
in dem durchsickerten und/oder durchströmten Medium mit einem Wärmetransport verbunden
sind und dadurch verursachte Temperaturanomalien in einem Temperaturprofil auftreten,
umfassend mindestens einen Lichtwellenleiter als Temperatursensor in einem durchlässigen
Medium zur Ermittlung von durch Fluidbewegungen verursachten Temperaturanomalien in einem
Temperaturprofil längs des Lichtwellenleiters.
Dem Erkennen, Erfassen und Lokalisieren von Fluidbewegungen in Form von Durchsickerungen
und/oder Durchströmungen durch ein für Fluide zumindest in Teilbereichen durchlässiges Medium
kommt in vielen Bereichen große Bedeutung zu. Wichtige Beispiele für derartige Medien
stellen der Erdboden und/oder Baumaterialien verschiedenster Art dar. Häufig dient das Erfassen
und Lokalisieren der nachzuweisenden Fluidbewegungen dem Erkennen von ungewollten Fließbewegungen.
Dies ist beispielsweise bei der Leckortung an fluidführenden Leitungssystemen (z.B. Wasser, Gas, Öl, Abwasser, Chemikalien, Fernwärme), bei der Schadstellenortung im
Wasserbau (z.B. Talsperren, Dämme, Deiche, Schleusen), bei der Ortung von Schäden an Abdichtungen
(z.B. Deponiedichtungen, Tanks, Speicherbecken) und bei der Überwachung von Sonderabfallen (z.B. Endlager) der Fall.
Es ist seit vielen Jahren bekannt, zu diesem Zweck Temperaturmessungen einzusetzen. Die
Temperatur des Fluids dient dabei als Tracer für die nachzuweisenden Fließbewegungen.
Temperaturmessungen unter Verwendung von Lichtwellenleitern als thermische Sensoren bzw.
Temperatursensoren sind an sich ebenfalls bekannt. Diese bieten den Vorteil, daß entlang eines
bis zu mehreren Kilometer langen Lichtwellenleiters (z.B. Glasfaserleitung) Temperaturprofile
gemessen werden können.
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Aus dem deutschen Gebrauchsmuster DE 93 18 404 Ul ist eine Einrichtung zum Bestimmen von
Temperaturen unter Zuhilfenahme von Lichtwellenleitern bekannt. Dabei wird die Temperaturabhängigkeit
der Rückstreuung in Lichtwellenleitern ausgenutzt und zur Überwachung der Temperaturentwicklung
in Deponien verwendet. Nach der DE 93 18 404 Ul kommen als flächiges Gebilde mit Mäanderform angeordnete Lichtwellenleiter, aber auch in Schneckenform, nach Art
konzentrischer Kreise oder mit Überkreuzungen angeordnete Lichtwellenleiter zum Einsatz. Der
Lichtwellenleiter kann auch innerhalb der Deponie in je einer unterhalb und oberhalb der abdichtenden
Basistonschicht angeordneten Meßebene verlegt werden. Aus den gemessenen Temperaturwerten
kann der geothermische Gradient und die thermische Diffusivität im Bereich der abdichtenden
Basistonschicht und aus den Werten der thermischen Diffusivität das räumliche und zeitliche
Verhalten der Dichtheit der abdichtenden Basistonschicht bestimmt werden. Die Erfassung
von Fluidströmungen - etwa Aussickerungen von Wasser aus dem Innenbereich der Deponie in
den Außenbereich der Deponie - werden in DE 93 18 404 Ul allerdings nicht erwähnt und betrachtet.
Aus der deutschen Patentanmeldung DE 40 19 980 Al ist eine Temperatursensoranordnung
bekannt, die über eine Faseroptik verteilt ist und Raman-Streulicht ausnutzt.
In jüngerer Zeit werden die Temperaturmessungen zum Erfassen und Lokalisieren von Fluidbewegungen
auch mittels faseroptischer Meßsysteme durchgeführt.
Die deutsche Patentschrift 195 06 180 Cl beschreibt ein Verfahren zur Kontrolle und Überwachung
der Dichtigkeit von Deichen, Dämmen, Wehren oder dergleichen Wassersperrbauwerken
mittels Sensoren, wobei die Temperaturverteilung längs des Deiches oder dergleichen im binnenseitigen
Bereich unterhalb der Deich-(Damm)krone ermittelt wird und anhand der Temperaturverteilung
über einen vorgegebenen Zeitabschnitt bei festgestellter Anomalie Ort und Art einer
vorhandenen Leckage (Undichtigkeit) bestimmt werden. Es wird die Temperaturverteilung längs
des Deiches mittels eines faseroptischen, mit Laserlicht beaufschlagten Sensorkabels unter Anwendung
einer Laufzeit- und Intensitätsauswertung des rückgestreuten Laserlichtes gemessen.
Aus der deutschen Patentanmeldung DE 196 21 797 Al ist ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Leckageüberwachung an Objekten und Bauwerken, insbesondere an Dämmen, Deichen,
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Uferbefestigungen, Klärbecken, sonstigen Wasserbauwerken, Speicher- und Rückhalteeinrichtungen
für Flüssigkeiten und dergleichen, durch Ermitteln von thermischen Parametern im
Boden mittels thermischer Sensoren bekannt, wobei als passive Temperatursensoren ein oder
mehrere Lichtwellenleiter eingesetzt werden und im Falle einer Leckage das Leck durch Ermitteln
der Temperaturänderungen im Leckagebereich erfaßt wird. Die Lichtwellenleiter werden im
wesentlichen schlaufenförmig mit vertikal verlaufenden Schlaufenästen, in Hydraulik-Leitungen,
in Hohlrohren oder in Schläuchen oder in durch ein Horizontalbohrverfahren verlegten Rohren
angeordnet.
Die Anwendung dieser Verfahren setzt jedoch voraus, daß sich die Temperatur des strömenden
und/oder sickernden Fluids von der Temperatur des Mediums in der Umgebung des Lichtwellenleiters
unterscheidet und zwar mit der erforderlichen Temperaturdifferenz. In der Praxis ist diese
TemperaturdifFerenz jedoch häufig nicht oder nicht immer gegeben oder kann nur unter technisch
aufwendigen Bedingungen geschaffen werden.
Aus der deutschen Patentschrift DE 41 27 646 C2 ist die Temperaturbestimmung im Erdboden
zur Erfassung von Leckagen an Dämmen und sonstigen Uferbefestigungen, zur Erfassung von
Aussickerungen aus Deponien, zur Erfassung von Undichtigkeiten in Kanal- und Rohrleitungssystemen,
zur Erfassung von aufsteigendem Thermal- und Karstwasser oder zur Erfassung von Abwärmeeinleitungen
bekannt. Die Temperaturmessung erfolgt mittels mehrerer in einer Sensorkette angeordneter Sensoren in einem Hohlgestänge aus zylindrischem Rohr mit einer Kegelspitze,
wobei die Meßsonden als Temperaturfühler verwendete elektrische Meßwiderstände umfassen.
Neben der Temperaturmessung zum Erfassen und Lokalisieren von Fluidbewegungen ist in der
DE 41 27 646 C2 außerdem beschrieben, daß zur Bestimmung der Wärme- bzw. Temperaturleitfähigkeit
des Bodens im Zusammenhang mit der Ermittlung der Eingangsparameter für die Berechnung
von erdverlegten Hochspannungskabeln oder Fernwärmeleitungen oder für allgemeine
geothermische Untersuchungen eine gezielte und definierte Erwärmung der Meßsonde über einen
Heizdraht vorgesehen sein kann. Dabei wird der Anstieg der Temperatur in der Meßsonde während
des Aufheizens der Meßsonde erfaßt, da der Temperaturanstieg proportional zur Wärmebzw.
Temperaturleitfähigkeit des die Meßanordnung umgebenden Bodens ist.
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GTCGBMP3.DOC
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art aufzuzeigen,
die gewährleistet, Fluidbewegungen erfassen und/oder lokalisieren zu können, auch wenn
keine oder nur ein verhältnismäßig geringe Temperaturdifferenz zwischen dem Fluid und dem
durchlässigen Medium in der Umgebung des Lichtwellenleiters (faseroptischer Temperatursensor)
vorliegt, in dem sich das Fluid bewegt. Die Messung sollte dabei einerseits zwar mit der erforderlichen
Genauigkeit, aber andererseits auch auf möglichst einfache Art und Weise erfolgen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Mittel zur zumindest zeitweisen Zufuhr
von Wärme zum Lichtwellenleiter oder Mittel zum zumindest zeitweisen Entzug von Wärme vom
Lichtwellenleiter vorgesehen sind.
Damit wird ermöglicht, daß dem Lichtwellenleiter zumindest zeitweise Wärme zugeführt oder
entzogen wird und entweder anhand einer bezogen auf die erfolgte Wärmezufuhr lokal geringeren
Erwärmung des Lichtwellenleiters und/oder schnelleren Abgabe der zugeführten Wärme vom
Lichtwellenleiter oder anhand einer bezogen auf den erfolgten Wärmeentzug lokal geringere
Kühlung des Lichtwellenleiters und/oder schnelleren Aufnahme von Wärme vom Lichtwellenleiter
die Fluidbewegungen im durchlässigen Medium detektiert werden.
In der Regel wird die Wärmezufuhr zum Lichtwellenleiter mindestens solange durchgeführt, bis
eine Erwärmung mindestens um einen Temperaturbetrag erfolgt, welcher der Temperaturauflösung
des Lichtwellenleiters entspricht. Typische Werte für die Temperaturauflösung liegen bei
etwa 0,5 K oder darunter. Üblicherweise wird die Temperatur aber um einen Betrag zwischen 1
und 100 K, vorzugsweise zwischen 5 und 50 K erhöht oder erniedrigt. Der Wärmetransport vom
erwärmten bzw. gekühlten Lichtwellenleiter weg wird durch verschiedene physikalische Phänomene
hervorgerufen: Zu einem durch reine Wärmeleitung, zum anderen durch advektiven bzw.
konvektiven Wärmetransport. In Bereichen des Lichtwellenleiters, in dessen Umgebung Fluidbewegungen
auftreten, fuhren diese neben der reinen Wärmeleitung zu einem advektiven bzw.
konvektiven Wärmetransport. In Bereichen, in denen keine oder vergleichsweise geringere Fluidbewegungen
vorliegen, ist dieser zusätzlich zur reinen Wärmeleitung stattfindende Wärmetransport
gar nicht vorhanden oder deutlich geringer ausgeprägt.
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Dies fuhrt dazu, daß sich der Lichtwellenleiter bei Wärmezufuhr in Bereichen ohne oder mit vergleichsweise
geringen Fluidbewegungen stärker aufheizt und/oder langsamer die Wärme an die Umgebung abgibt als in vom Fluid durchströmten und/oder durchsickerten Bereichen. Die bezogen
auf die erfolgte Wärmezufuhr lokal geringere Erwärmung des Lichtwellenleiters und/oder die
bezogen auf die erfolgte Wärmezufuhr lokal schnellere Abgabe der zugeführten Wärme vom
Lichtwellenleiter zeigt sich im mit Hülfe des Lichtwellenleiters aufgenommenen Temperaturprofil
als Temperaturanomalie, über die letztlich die nachzuweisenden Fluidbewegungen erfaßt und/oder
lokalisiert werden.
Im alternativen Fall von Kühlung und damit des Entzugs von Wärme vom Lichtwellenleiter kühlt
sich der Lichtwellenleiter bei Wärmeentzug in Bereichen ohne oder mit vergleichsweise geringen
Fluidbewegungen stärker ab und/oder nimmt langsamer die Wärme aus der Umgebung auf als in
vom Fluid durchströmten und/oder durchsickerten Bereichen. Die bezogen auf den erfolgten
Wärmeentzug lokal geringere Kühlung des Lichtwellenleiters und/oder der bezogen auf den erfolgten
Wärmeentzug lokal langsamere Aufnahme von Wärme durch den Lichtwellenleiter zeigt
sich im mit Hilfe des Lichtwellenleiters aufgenommenen Temperaturprofil ebenfalls als Temperaturanomalie,
mit deren Hilfe die nachzuweisenden Fluidbewegungen erfaßt und/oder lokalisiert werden.
Im Rahmen der Erfindung ist unter einem zumindest in Teilbereichen durchlässigen Medium
neben einem einzigen Stoff auch eine Mischung von verschiedenartigen Stoffen in der Umgebung
des Lichtwellenleiters zu verstehen, die zumindest teilweise durchlässig ist. Die Durchlässigkeit
der Stoffe kann unterschiedlich ausgeprägt sein. Beispiele fur ein durchlässiges Medium sind ein
poröses Medium, ein Risse, Klüfte und/oder Kanäle aufweisendes Medium und dergleichen. Ist
der Lichtwellenleiter in einem einzigen Stoff, in verschiedenartigen Stoffen mit im wesentlichen
homogener Durchlässigkeit fur Fluide oder in verschiedenartigen Stoffen mit vergleichbaren
Wärmeleiteigenschaften eingebettet, so kann aus der Anomalie der Temperaturverteilung längs
des Lichtwellenleiters direkt auf eine lokale Fluidbewegung in der Umgebung des Meßpunktes der
Anomalie geschlossen werden. Die Temperaturmessungen detektieren in diesem Fall unmittelbar
die Fluidbewegungen im Medium, d.h. in dem Stoff oder in den Stoffen in der Umgebung des
Lichtwellenleiters. Befindet sich der Licht wellenleiter in verschiedenartigen Stoffen mit unterschiedlichen
Wärmeleiteigenschaften, kann der Fachmann aufgrund von durch seine Fachkenntnis-
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se bekannten Erfahrungswerten oder mittels Berechnungen den unterschiedlichen Wärmetransport
problemlos bestimmen. Daraus kann dann abgeleitet werden, ob eine Fluidbewegung in der Umgebung
des Lichtwellenleiters stattfindet.
Der Lichtwellenleiter wird bevorzugt im wesentlichen über seine gesamte Länge oder über Teilabschnitte
erwärmt oder gekühlt. Dann erstrecken sich die Mittel zur Zufuhr von Wärme oder zum
Entzug von Wärme im wesentlichen über die gesamte Länge oder über Teilabschnitte des Lichtwellenleiters.
Die Teilabschnitte sollten dabei längere Teilabschnitte sein, beispielsweise in der
Größenordnung von mehreren Metern oder 10er Metern.
Besondere Vorteile sind dadurch zu erzielen, daß die Mittel zur Zufuhr von Wärme oder zum
Entzug von Wärme einen oder mehrere elektrische Leiter umfassen. Dann wird der Lichtwellenleiter
über den oder die elektrischen Leiter erwärmt. Beim Anlegen einer Spannung fließt ein
Strom durch den Leiter und bedingt durch den elektrischen Widerstand des Leiters erwärmt sich
dieser dabei. Dadurch wird nicht nur der elektrische Leiter sondern auch seine Umgebung und
damit der Lichtwellenleiter erwärmt.
Dem Lichtwellenleiter kann auch mittels Wärmetausch über ein Heizfluid Wärme zugeführt oder
mittels Wärmetausch über ein Kühlfluid Wärme entzogen werden. Es können eine oder mehrere
Leitungen fur ein Heiz- oder Kühlfluid zum Wärmetausch mit dem Lichtwellenleiter vorgesehen
sein. Der Wärmetausch zwischen Heiz- bzw. Kühlfluid und Lichtwellenleiter erfolgt indirekt.
Die Mittel zur Zuführ von Wärme oder zum Entzug von Wärme können grundsätzlich in jeder
geeigneten Art und Weise verlegt sein. Sie können um den Lichtwellenleiter angeordnet sein,
beispielsweise ihn umschließen oder ihn in der Art einer Wicklung oder als Geflecht umgeben,
oder sie können im wesentlichen parallel zu ihm verlaufen.
Mit Vorteil können die Mittel zur Zufuhr von Wärme oder zum Entzug von Wärme, insbesondere
der oder die Leiter, als Schutzumhüllung gegen mechanische Einwirkungen ausgebildet sein. Da
in der Praxis die meisten im Außenbereich eingesetzten Glasfaserkabel mit einem metallischen
Schutz, beispielsweise einem Schutzgeflecht (Nagetierschutz), umgeben sind, kann dieser metallische
Schutz als elektrischer Leiter zur Erwärmung des Lichtwellenleiters genutzt werden. In
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diesem Fall übt die Schutzumhüllung eine Doppelfunktion aus. Der materielle Aufwand für die
Anwendung der Erfindung kann damit reduziert werden. Außerdem bietet sich die Möglichkeit, in
bereits verlegten Lichtwellenleitern mit metallischem Schutz die Erfindung ohne aufwendige
Maßnahmen einzusetzen, da im wesentlichen nur die Anschlüsse für den Leiter gelegt werden
müssen.
In Weiterbildung der Erfindung können die Mittel zur Zufuhr von Wärme oder zum Entzug von
Wärme mehrfach im wesentlichen entlang dem Lichtwellenleiter angeordnet und an einem Ende
miteinander verbunden sein. Die Mittel zur Zufuhr von Wärme oder zum Entzug von Wärme sind
dann in einer oder mehreren Schlaufen angeordnet. Beispielsweise können die Mittel zum Erwärmen
mindestens zwei sich entlang dem Lichtwellenleiters erstreckende elektrische Leiter umfassen,
wobei die Enden dieser mindestens zwei Leiter an einem Ende elektrisch miteinander verbunden
sind. Damit bildet die elektrischen Leiter eine oder gegebenenfalls mehrere Heizschlaufen.
Der Vorteil liegt darin, daß die elektrischen Anschlüsse für die Leiter an einer Stelle liegen. Sind
beispielsweise mindestens zwei elektrische Leiter in ein Kabel integriert bzw. verlaufen im wesentlichen
parallel zum Lichtwellenleiter, so können die elektrischen Leiter am von der Lichteinspeisung
mittels Laser entfernten Ende miteinander elektrisch verbunden werden und der Lichtwellenleiter
muß lediglich an einem Ende für das Anlegen der Spannung und für die Durchführung
der Messungen zugänglich sein. Die Anschlüsse für den Lichtwellenleiter und die Anschlüsse für
die elektrischen Leiter befinden sich bevorzugt im wesentlichen am selben Ort, sie können aber
auch an unterschiedlichen Stellen vorgesehen sein.
Im Rahmen der Erfindung können Lrchtwellenleiter auf jede geeignete Art und Weise verlegt sein.
Insbesondere können die aus dem zitierten Stand der Technik bekannten Verlegearten gewählt
werden.
Claims (7)
1. Vorrichtung zum Erfassen und/oder Lokalisieren von Fluidbewegungen in einem für Fluide
zumindest in Teilbereichen durchlässigen Medium, wobei die Fluidbewegungen in dem
durchsickerten und/oder durchströmten Medium mit einem Wärmetransport verbunden sind und dadurch verursachte Temperaturanomalien in einem Temperaturprofil auftreten, umfassend mindestens einen Lichtwellenleiter als Temperatursensor in einem durchlässigen Medium zur Ermittlung von durch Fluidbewegungen verursachten Temperaturanomalien in einem
Temperaturprofil längs des Lichtwellenleiters, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel
zur zumindest zeitweisen Zufuhr von Wärme zum Lichtwellenleiter oder Mittel zum zumindest zeitweisen Entzug von Wärme vom Lichtwellenleiter vorgesehen sind.
durchsickerten und/oder durchströmten Medium mit einem Wärmetransport verbunden sind und dadurch verursachte Temperaturanomalien in einem Temperaturprofil auftreten, umfassend mindestens einen Lichtwellenleiter als Temperatursensor in einem durchlässigen Medium zur Ermittlung von durch Fluidbewegungen verursachten Temperaturanomalien in einem
Temperaturprofil längs des Lichtwellenleiters, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel
zur zumindest zeitweisen Zufuhr von Wärme zum Lichtwellenleiter oder Mittel zum zumindest zeitweisen Entzug von Wärme vom Lichtwellenleiter vorgesehen sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Mittel zur Zufuhr von
Wärme oder zum Entzug von Wärme im wesentlichen über die gesamte Länge oder über
Teilabschnitte des Lichtwellenleiters erstrecken.
Teilabschnitte des Lichtwellenleiters erstrecken.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel
zur Zufuhr von Wärme oder zum Entzug von Wärme einen oder mehrere elektrische Leiter umfassen.
zur Zufuhr von Wärme oder zum Entzug von Wärme einen oder mehrere elektrische Leiter umfassen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur
Zufuhr von Wärme oder zum Entzug von Wärme mindestens eine Leitung für ein Heizoder
Kühlfluid zum Wärmetausch mit dem Lichtwellenleiter umfassen.
Kühlfluid zum Wärmetausch mit dem Lichtwellenleiter umfassen.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur
Zufuhr von Wärme oder zum Entzug von Wärme den Lichtwellenleiter zumindest teilweise
umschließen.
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6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur
Zufuhr von Wärme oder zum Entzug von Wärme als Schutzumhüllung des Lichtwellenleiters
gegen mechanische Einwirkungen ausgebildet sind.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur
Zufuhr von Wärme oder zum Entzug von Wärme mehrfach im wesentlichen entlang dem Licht wellenleiter angeordnet sind und an einem Ende miteinander verbunden sind.
Priority Applications (1)
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| DE29821223U DE29821223U1 (de) | 1998-06-08 | 1998-11-27 | Vorrichtung zur Messung von Fluidbewegungen mittels Lichtwellenleiter |
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| DE1998125500 DE19825500C1 (de) | 1998-06-08 | 1998-06-08 | Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Fluidbewegungen mittels Lichtwellenleiter |
| DE29821223U DE29821223U1 (de) | 1998-06-08 | 1998-11-27 | Vorrichtung zur Messung von Fluidbewegungen mittels Lichtwellenleiter |
Publications (1)
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| DE29821223U1 true DE29821223U1 (de) | 1999-04-01 |
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ID=7870249
Family Applications (2)
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| DE1998125500 Revoked DE19825500C1 (de) | 1998-06-08 | 1998-06-08 | Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Fluidbewegungen mittels Lichtwellenleiter |
| DE29821223U Expired - Lifetime DE29821223U1 (de) | 1998-06-08 | 1998-11-27 | Vorrichtung zur Messung von Fluidbewegungen mittels Lichtwellenleiter |
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Country Status (1)
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