DE3223393A1

DE3223393A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der durchflussmenge in fluessigkeit

Info

Publication number: DE3223393A1
Application number: DE19823223393
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Kaufm. 3284 Schieder-Schwalenberg Müller; Hermann 4450 Lingen Rosen
Original assignee: MUELLER HANS KANALSANIERUNG
Current assignee: MUELLER HANS KANALSANIERUNG
Priority date: 1982-06-23
Filing date: 1982-06-23
Publication date: 1983-12-29

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung
der Durchlußmenge in Flüssigkeit Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9.
Die Bestimmung von Durchflußmengen in Kanälen ist verschiedentlich von Interesse, insbesondere aber für Abwasser-KanalisatIonen dringlich geworden, nachdem man festgestellt hat, daß hier überaus kostenträchtige und nur mit exakten Daten erfaßbare Probleme auftreten. Die Belastung von Abwassersystemen ist nämlich nur zu einem Teil durch den Anfall von Brauchwasser gegeben, und zwar auch dann, wenn für die Regenwasser-Abführung getrennte Kanalsysteme vorgesehen sind. Immissionen und Infiltratonen in die Abwasser-Kanalisation infolge der Durchlässigkeit bzw. Undichtigkeit der Kanalisation liegen im Mittelwert in der gleichen Größenordnung wie der Abwasseranfall. Infiltrations-Spitzenwerte ergeben sich in unmittelbarer Folge von starken Niederschlägen und weiter treten stark schwankende Werte in Abhängigkeit vom Grundwassers.tand und insbesondere vom Graben-Grundwasserstand auf.
Ersichtlich ließen sich Uberlastungen der Kanali.sation und Fehidimensionierungen bei der Auslegung von Kläranlagen vermeiden, sobald verläßliche statistische Werte über den tatsächlichen Abwasser Anfall ermittelbar sind.
Kanalisationsbereichemit hoher Grund- bzw, Regenwasserinfiltration könnten gezielt besser nbgodichtc't: worden, damit Klaranlagen nicht unnötig durcll hohe Regenwasseranteile beaufschlagtwerden und im übrigen ließe sich das Abwassernetz bedarfsgerecht gestalten.
Zum Stand der Technik ist eine Meßvorrichtunq nach der DE-PS 27 03 439 in Betracht zu ziehen, die eine Ultraschallmessung von Durchflußgeschwindigkeit und Flüssigkeitsspiegel vorsieht, wobei Sender und Empfänger stromauf bzw. stromab zueinander angeordnet sind und der Vergleich der Laufzeitmessungen in der einen und anderen Richtung ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ergibt, während die Laufzeit selbst in ihrem Mittelwert durch den Flüssigkeitspegel verändert wird, da die Ultraschallstrecke schräg von unten auf den Flüssigkeitspiegelqerichtet wird, und als Reflexionsstrahl an den Empfänger gelanqt.
Von meßtechnischen Schwierigkeiten abgesehen ist es ersichti.ch unglücklich, wenn empfindliche Meßgeräte in einem abwasserStrom anzuordnen sind. Neben Dichtigkeitsproblemen, Unannehmlichkeiten der Handhabung und der Gefahr der Beschädigung drchim Abwasser enthaltene Teile und Substanzen muß regelmäßig mit Unsicherheiten für das Meßergebnis gerechnet werden, da der Schmutzanfall auch bei strömungsgünstiger Gestaltung der Meßelemente auf diese einwirkt.
Aufgabe der Erfindung ist es dementsprechend, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zu schaffen, die auch im Langzeitbetrieb zuverlässige und genaue Messungen mit vertretbarem gerätetechnischem und Arbeitsaufwand zu erlangen erlauben.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe mit einem Verfahren nach dem Anspruch 1 und mit einer.Vorrichtung nach dem Anspruch 9 gelöst.
Der Erfindung liegt die besondere Erkenntnis zugrunde, daß Flüssigkeitsoberflächen in der Praxis einen Meßwert für die Strömungsgeschwindigkeit liefern, wenn sie mit einer reflektierbaren Strahlung beaufschlagt und hinsichtlich der Frequenzverschiebung (nach dem Doppler-Prinzip) überwacht werden. Dieses ist überaus wichtig für die Lösung der praktischen Meßaufgabe , bei der darau verzichtet werden kann, in die Flüssigkeit meßtechnisches Gerät - etwa zu Laufzeitmessungen - einzubringen.
Der Meßstrahl ist hier schräg von oben auf die Flüssigkeitsoberfläche zu richten, wobei die Abstrahlrichtung zweckmäßig direkt in Strömungsrichtung gewählt wird, zumindest aber eine Komponente in Strömungsrichtung hat.
Neben der Geschwindigkeit ist auch die Höhe des Flüssigkeitsspiegels mit einem Reflexionsstrahl bestimmbar.
Wenngleich grundsätzlich auch ein schräggerichteter Strah und somit auch ein Doppler-Meßstrahl eine Laufzeitmessung mit Rückschluß auf den Flüssigkeitspegel erlaubt, ist aus Gründen der Meßsicherheit zweckmäßig ein anderer Strahl vertikal auf den Flüssigkeitsspiegel zu richten, um über die.Laufzeitmessung (Echolot) den Flüssigkeitspegel zu messen. Letzterer erlaubt bei bekannter Querschnittsform des Kanals einen Rückschluß auf den Gesamtquerschnitt und dieser liefert - mit der Strömungsgeschwindigkeit verknüpft - ein Maß für die gesuchte Durchflußmenge.
Es versteht sich, daß die Messungen laufend über -Kabel oder auch drahtlos an eine entfernte, z B für' mehrere Meßstellen zentrale, Erfassungsstelle weitergegeben werden können, vorzugsweise wird eine Vorrichtung nach der Erfindung aber eigenständig arbeitend ausgebildet, so daß die Verarbeitung der Meßsignale zu einer digitalen Meßwert form, die Umrechnung in die gesuchten Durchflußmengen, die Abspeicherung der gefundenen Werte wie auch die Taktsteuerung für die Meßwiederhol.ungen mit Taktzeigten zwischen 5 Min und einer Stunde vom Gerät @@@@@@ gesteuert werden. Bei dem geringen Leistungsbedarf modernen elektronischen Geräts kann auch von einer Netzversorgung abgesehen werden, wenn Batterien am Ort die Meßversorgung übernehmen.
Ein Aus führungsbei spiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen: Fig t Ansicht eines Mannloch-Schachts mit einer Meßvorrichtung, Fig. 2 Kanaleinsatz zur Meßvorrichtung nach Fig. 1, Figur 3 Meßkopf zum Kanaleinsatz nach Fig. 2, Fig 4 Blockschaltbild zur Meßvorrichtung und Fig. 5 Blockschaltbild einer Auslese-Vorrichtung.
In Fig. 1 ist ein insgesamt. mit 1 bezeichneter, üblicherweise vollständig unterirdisch gelegener Schacht dargestellt, der oberseitig etwa ebenerdig mit einem Kanaldeckel 2 abschließt und Zugang zu einem unterseitigen Kanal 3 ermöglicht. An dieser Stelle soll eine statistische Langzeitmessung der Durchflußbelastung des Kanals 3 erfolgen, um die Belastung des Kanals für sich, die Belastung des Kanalsystems (in Verbindung mit entsprechenden Messungen anderer Zweigkanäle eines Systems) und auch die Infiltration durch Sickerwasser durch Vergleich mit einem weiter stromab oder stromauf gelegenen Meßpunkt zu ermitteln.
Um definierte Meßverhältnisse zu schaffen, ist ein Kanaleinsatz 4 vorgesehen, der mit einem Rohransatz 5 in das abgehende Kanalrohr eingeschoben wird und mit einem Meßtrager 6 (vgl Fig, 2) näherungsweise an der Kanalwand anliegt und über den Kanalquerschnitt nach oben hinausragt, wo er mit einer Meßplatte 7 die Basis für eine vorjustierte Sender-Empfängereinheit 8 (vgl. Fig 3) bildet Di.e Sender-Empfängereinheit 8 umfaßt drei als Richtstrahler wirkende Sender und drei zugehörige Empfänger, die jeweils an die gleiche Richteinheit angeschlossen werden können. Die Richtungen sind auf eine im Betrieb darunter anzunehmende Oberfläche 9 und Strömungsrichtung 10 durchlaufenden Abwassers gerichtet.
Die gerichteten Strahlen müssen von der Flüssigkeitsoberfläche reflektiert werden, wobei Ultraschallstrahlen, Radarstrahlen oder auch Laserstrahlen in Betracht kommen.
Im vorliegenden Fall finden Ultraschallstrahlen Anwendung Ein erster Strahl 11 ist senkrecht auf die Flüssigkeitsoberfläche 9 gerichtet und wird zur Sender-Empfängereinheit in einem refelktierten Strahl 12 zurückgeworfen und dort empfangen. Ersichtlich ist die Laufzeit zwischen Senden und Empfang ein Maß für den Abstand zwischen der Sender-Empfängereinheit und der FlüssigkeitsoberEXche und dami.t für den Flüssigkeitspegel. Unter Berücksichtigu der Geometrie des Kanals bzw. der Querschnittsform des MeBträgers 6 läßt sich anhand des Flüssigkeitsspiegels der Strömungsquerschnitt bestimmen.
Ein weiterer Strahl 13 ist schräg auf die Flüssigkeitsoberfläche gerichtet, und zwar so, daß er zumindest näherungsweise innerhalb einer in Strömungsrichtung liege den Vertikalebene verläuft. Dieser Strahl wird von den F1Usslgkeitspartlkeln der Ob3fXäche in einem reflektierte Strahl T4 zurückgeworfen, wobei die Eigenbewegung dieser Partikel in Strömungsrichtung zu einer Frequenzverschiebu des Ultraschalls führt, die ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit ist Ein weiterer Strahl 15 ist ähnlich dem.Strahl 13schräg auf die Oberfläche 9 gerichtet, allerdings schräg gegen die Strömungsrichtung, und erzeug einen reflektierten Strahl 16, der auch wiczder zu der Sender-Empfängereinheit zurückgelangt Auci dieser Strahl liefert infolge des Dopplereffekts und der sich daraus ergebenden Frequenzverschiebuncr ein Maß für die Strömungsgeschwindigkeit, wobei die Verwendung zweier Strahlen 13 und 15 ein redundantes Meßergebnis erzeugen, das Meß- und Justierungsfehler zu unterdrücken erlaubt und damit sicherer ist.
Die SenderEmpfAngereinheit 8 besitzt an der Unterseite Richtstrahler bekannter Art, und zwar einen Richtstrahler 17 für die Strahlen 11/12, einen Richtstrahler 18 für die Strahlen 13/14 und einen Richtstrahler 19 für die Strahlen 15/16, wobei die Richtstrahler auch beim Empfang zur Unterdrückung von Streustrahlung dienlich sind. Die Einheit kann als vorgefertigte Einheit ohne zusätzli.che Justiermaßnahmen- und -messungen eingesetzt werden, da der Meßträger selbst nicht nur den Strömunqsquerschnitt, sondern auch die Strömungsrichtung bestimmt und somit gute Voraussetzungen für die Meßgenauigkeit liefert. Die Meßstrahlen selbst sind zum einen , wie der vertikale (Echolot-) Strahl 11,unempfindlich gegen leichte Winkelfehler, zum anderen, wie die Dopplermeß-Strahlen 13 und 15, als Metpaar so miteinander verknüpfbar, daß sifh Justierfehler ausgleichen.
Die Sener-Empfängerelnhelt ist über ein Kabel 20 mit einem Meßbehälter 21 (vgl. Fig. 1) verbunden, der die Sendesignale liefert, die empfangenen Signale aufnimmt und auch weiter verarbeitet. Der Meßbehälter 21 könnte ersichtlich auch mit dem Meßträger 6 verbunden sein, die Möglichkeiten einer diebstahlssicheren Verankerung und insbesondere die Möglichkeit einer Entnahme zur Auswertung gespeicherter Daten lassen eine gesonderte, über ein Kabel mit der Sender-Empfängereinheit verbundene Bauausführung zweckmäßig erscheinen.
Die Funktionen der Vorrichtung werden anhand des Blockschaltbildes gemäß Fig. 4 näher verdeutlicht. Dort sind mit den Bezugszeichen 17, 18 und 19 die bereits zur Fig 3 erwähnten Richtstrahler erkennbar. Der Richtstrahl 17 liefert ein Signal an eine Laufzeit-Auswerteschaltung 22, die aus der Laufzeit einen Wert für den Flüssigkeitspegel und aus diesem einen Wert für den Strömungsquerschnitt erstellt, der an ein Eingangsinterface 23 für einen Mikrocomputer 24 weitergegeben wird. Die Signale der Rictstrahler 18 und 19 werden jeweils auf eine Doppler-Auswerteschaltung 25 bzw. 26 gegeben, die jeweils einen Digitalwert für die Strömungsgeschwindigkeit liefer Die Verknüpfung.beider Werte in einem Summierwerk 27 liefert einen Mittelwert, der gleichfalls an das Interface 23 weitergegeben wird. Ein zusätzlicher Temerpatursensor 28 liefert mit Hilfe einer Auswerteschsitung 29 einen Korrekturwert für die temperaturempfindliche Ultraschalimessung gleichfalls an das Interface 23.
Der Mikrocomputer 24 ist mit einem Betriebsprogramm- und Datenspeicher 30 verbunden, in dem die Funktionen des Geräts vorprogrammiert sind. Im Falle unterschiedlicher Kanal-Profile des Meßträgers 6 kann der Datenspeicher beispielsweise auch Grunddaten oder Korrekturfaktoren für diese Profile enthalten. Desgleichen sind hier feste oder auch variable Taktzeiten programmierbar. Ein Meßwertspeicher 30 ist schließlich vorgesehen, um die bei einem g. über mchrere Monate dauernden Meßlauf anfallen den Daten abzuspeichern. Im Ausführungsbeispiel ist ein Meßwertspeicher von 64 k-Byte vorgesehen. Die gespeicherten Meßdaten können über den Mikrocomputer 24 und ein Ausgabe-Interface 32 sowie ein Anschlußstecker :.33 nl,claru,fen werten. Feine Stromversorgung 34 in Form von batterien erlaubt einen langzeitigen, netzunabhängiger Betrieb.
Die Fig. 5 erläutert noch ein zugehöriges Auswertegerät, das insgesamt mit 34 bezeichnet ist und typischerweise zentral für die Auswertung vieler Meßvorrichtungen eingesetzt wird Wenn der Stecker 33 der Meßvorrichtung nach Fig. 4 mit einem Stecker 35 des Auswerteqeräts 34 verbunden wird, können wir über ein Einganqs-Interface 36 und einen weiteren Mikrocomputer 37 die Daten aus dem Meßwertspeicher 31 in einen Massenspeicher 38 überführt werden.
Der Mikrocomputer 37 besitzt einen Betriebsprogramm-Speicher 39, der ihm die auszuführenden Rechenfunktionen, insbesondere hinsichtlich der statistischen Auswertung aber auch zur Aufarbeitung der Werte vorgibt, wobei diese Aufarbeitung im vorliegenden Fall zum einen in eine Ausgabe über einen Drucker 40 und zum anderen in eine Darstellung über einen Sichtbildschirm 41 führt.

Claims

Patentansprüche: Verfahren zur Bestimmung der Durchflußmenge von Flüssigkeit in einem mit freiem Flüssigkeitsspieqel durch strömten Kanalbereich, bei dem durch miteinander rechnerisch verknüpfter Laufzeit - und/oder FreaUenzmessungen von einem Sender zumindest zum Teil in Strömungsrichtung abgestrahlter und zu einem Empfänger reflektierter Strahlen Meßwerte für den Flüssigkeitspegel und die Strömungsgeschwindiqkeit erhalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung in einem unmittelbar oberhalb des Flüssigkeitsspiegels liegenden Luftraum erfolgt, wobei Strahlen (11 bis 16) einer am Flüssigkeitsspiegel (9) zur Luft hin reflektierter Art verwandt werden und zu jeder Bestimmung mehrere Abstrahlunasrichtungen ausgewertet werden, von denen zumindesteine eine inEzw.gegen die Strömungsrichtung (10) weisende Komponente aufweist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung mit mehreren Strahlen (11 bis 16) fest vorgegebener Abstrahlungsrichtung erfolgt.
3. *verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahl (11) vertikal auf den Flüssigkeitsspiegel (9) geri.chtet ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Strahl (13,15) in einer Vertikalen in Strömungsrichtung (fO) der Flüssigkeit liegenden Ebene schräg auf den FlüssigReitsspiegel (9) abgestrahlt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß ein weiterer Strahl in der vertikalen Ebene abgestrahlt wird, wobei jeweils einer der Strahlen (13,15) schräg in und einer gegen die Strömungsrichtung gerichtet ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Radarstrahlen Anwendung finden.
7 Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Ultraschallstrahlen Anwendung finden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Laserstrahlen Anwendung finden.
9. Vorrichtung zur Bestimmung der Durchlaßmenge von Flüssigkeit in einem mit freiem Flüssigkeitsspiegel durch strömten Kanalbereich,bei dem durch miteinander rechneris< verknüpfter Laufzeit- und/oder Frequenzmessungen von eine Sender zumindest zum Teil in Strömungsrichtung abgestr ffi ter einem Empfänger reflektierter Strahlen Meßwerte für den Flüssigkeitspegel und die Strömungsgeschwindigkeit erhalten dadurch gekennzeichnet, daß der Sender und Empfänger in einem Gerätegehäuse (8) angeordnet sind, das zumindest ei] Richtstrahl-Sender (17,18,19) und zumindest einen Empfäng für die Abstrahlung und den Empfang mehrerer in unterschledliche Richtungen nach unten abgestrahlter Strahlen auPwei-st,.wobei zumindest eine der Richtungen eine Komponente in Strömungsrichtung aufweist.
0. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichn daß sie mehrere abwärtsgerichtete Richtstrahicr (17,1' 19) aufweist, von denen zumindest einer (17) vertikal nach unten gerichtet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Richtstrahler (18,19) schräg abwärts in bzw. gegen die Strömun<jsrichtung geneigt ist.
1,2 Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen den Querschnitt des Kanals im Meßbereich definierenden Kanaleinsatz (4) umfaßt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Sender und Empfänger an dem Kanaleinsatz (4) festgelegt sind.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sie zumindest einen Speicher (31) für digitalisierte Meßwerte umfaßt.
15. Vorrichtung nach einemder Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie zumindest einen Zeitgeber (30) für periodische Messungen aufweist.
16. ffiorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, drdurch gekennzeichnet, daß sie zumindest einen Analog-Digital-Wandler und zumindest einen Rechner (24) zur Meßwertverarbeitung umfaßt.