DE3234283C2

DE3234283C2 -

Info

Publication number: DE3234283C2
Application number: DE19823234283
Authority: DE
Inventors: Rolf Ing.(Grad) 2800 Bremen De Ziese
Original assignee: Fried Krupp AG
Current assignee: Fried Krupp AG
Priority date: 1982-09-16
Filing date: 1982-09-16
Publication date: 1990-08-30
Also published as: DE3234283A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Dichtebestimmung von Sedimenten auf Gewässerböden, insbesondere von Schlickschichten in Hafenbecken, Fahrrinnen od. dgl.

In Hafenbecken und Fahrrinnen ist es von Zeit zu Zeit notwendig, auf dem Meeresgrund sich ablagernde Schlickschichten abzubaggern, um die für den Schiffsverkehr erforderliche freie Wassertiefe zu garantieren. Dabei müssen im wesentlichen nur solche Schlickdichten entfernt werden, deren Dichte so groß ist, daß der dem in die Schlickschicht eintauchenden Schiffskiel entgegengesetzte Fahrwiderstand ein zulässiges Maß überschreitet. Schlickschichten nur geringer Dichte hingegen sind, da sie vom Schiffskiel ungehemmt durchdrungen werden können, ungefährlich und müssen erst bei zunehmender Dichte beseitigt werden.

Aus Kostengründen wäre es daher vorteilhaft, Baggerarbeiten zum Schlickabbau erst dann vorzunehmen, wenn die Schlickdichte einen bestimmten Wert erreicht hat. Dies setzt jedoch ein einfaches, praktikables und rentables Verfahren zur Dichtebestimmung der Schlickschichten voraus.

Bei einem bekannten Verfahren zur Dichtemessung bei Abwässerschlämmen (E. P. Papadakis, "Ultrasonic Velocity and Attenuation Measurement Methods with Scientific and Industrial Applications", in Physical Acoustics (Hrsg. W. Mason), Band 12 (1976), Seiten 358-3671) werden von einem elektroakustischen Sender Schallimpulse ausgesendet, die einen in einem Rohr geführten Abwasserstrom durchdringen und von einem gegenüberliegenden elektroakustischen Empfänger aufgenommen werden. Die Schallwellen erfahren in dem Abwasserstrom je nach Schlammanteil eine mehr oder weniger große Dämpfung. Durch Messung der auftretenden Übertragungsverluste kann die Zu- oder Abnahme des Schlammanteils im Wasser als die Dichte des Abwassers erkannt und entsprechende Pumpen zur Erhöhung der Wasser- bzw. Schlammkonzentration gesteuert werden. Ein solches Verfahren ist für die Anwendung in freien Gewässern und bei auf den Gewässerböden abgelagerten Sedimentschichten nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem auf Echolotbasis eine Dichtebestimmung von Sedimenten durchführbar ist.

Die Aufgabe ist bei einem Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung erfindungsgemäß durch die Merkmale im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, daß es auf dem Prinzip der Echolotung mit einem Schallsender und Schallempfänger beruht und damit vom fahrenden Schiff oder schwimmenden Arbeitsgerät aus ohne aufwendige Installations- und Vorbereitungsarbeiten an beliebigen Orten im Hafenbecken oder in der Fahrrinne eingesetzt werden kann. Die Genauigkeit der Dichtebestimmung ist zumindest für den beschriebenen Einsatzzweck des Schlickabbaus in Schiffahrtsstraßen überaus ausreichend.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung zur Dichtebestimmung im nachfolgenden näher beschrieben. Dabei zeigt die Zeichnung ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durchführung des Dichtebestimmungsverfahrens.

Die Vorrichtung, in welche im wesentlichen ein Echolot integriert ist, weist einen an einem Sendegenerator 10 angeschlossenen Unterwasser-Schallsender 11 zum Aussenden gerichteter Schallimpulse (z. B. kurze CW-Schallimpulse) und einen Unterwasser-Schallempfänger 12 für die aus dem Lotbereich zurückkehrenden Echos auf. Schallsender 11 und Schallempfänger 12 sind an einem meeresbodenfernen Meßort 20 angeordnet, z. B. auf einem Schiff oder schwimmenden Arbeitsgerät wie Saugbagger od. dgl. Der Sendegenerator 10 erzeugt zwei unterschiedlich hohe Frequenzen, sog. Primärfrequenzen, von welchen mindestens eine variierbar ist, die gleichzeitig über den Schallsender 11 von dem Meßort 20 aus nach unten ins Wasser abgestrahlt werden. In einem Beispiel beträgt die eine Primärfrequenz konstant 50 kHz, während die andere in einem Frequenzbereich zwischen 38 bis 47 kHz verändert werden kann. Der Schallempfänger 12 empfängt Echos mit wenigstens einer der Primärfrequenzen und infolge der bekannten nicht linearen Übertragungseigenschaft des Wassers eine Differenzfrequenz, auch parametrische Frequenz genannt, welche der Differenz zwischen den Primärfrequenzen entspricht, im Beispiel also je nach Wahl der variablen Primärfrequenz zwischen 12 und 3 kHz beträgt.

Mit den vom Schallsender 11 zum Meeresboden hin abgestrahlten beiden Primärfrequenzen und der im Wasser sich ausbildenden Differenz - oder parametrischen Frequenz - wird ein den Meeresboden überdeckendes Sediment beschallt und damit Grenzschichten an oder in dem Sediment akustisch geortet, so z. B. die obere und untere Grenzschicht einer Schlickschicht mit im wesentlichen konstanter Dichte. Die obere Grenzschicht liegt dabei an der Grenzstelle Wasser/Schlick und die untere Grenzschicht an einer Trennstelle im Schlick, bei welcher ein Dichtesprung auftritt, z. B. zwischen einer stark verfestigten Schlickschicht und mehr wäßrigen Schlickschicht, sog. Mud, oder zwischen einer Schlickschicht und dem Meeresboden. Die vom Schallsender 11 abgestrahlten Schallimpulse werden dabei an den Grenzschichten reflektiert und als Grenzschicht-Echos von dem Schallempfänger 12 erfaßt. Während dabei die hohen Primärfrequenzen an der oberen Grenzschicht weitgehend vollständig reflektiert werden, dringt die tiefe Differenzfrequenz in die Schlickschicht ein und wird erst an der unteren Grenzschicht aufgrund des Dichtesprungs reflektiert. Die Eindringtiefe ist dabei abhängig von der gewählten Differenzfrequenz.

Die an den Grenzschichten erzeugten und vom Schallempfänger 12 aufgenommenen Echos werden über Frequenzfilter 13, 14, die auf eine der Primärfrequenz, vorzugsweise der konstanten Primärfrequenz von 50 kHz, bzw. auf die Differenzfrequenz abgestimmt sind, jeweils einem Echodetektor 15 bzw. 16 zugeführt. In bekannter Weise bestimmt jeder Echodetektor 15, 16 aus der Schallaufzeit die Entfernung r _o und r _u der Grenzschichten zu dem Schallempfänger 12, also zum Meßort 20. Ein Ausführungsbeispiel eines Echodetektors, wie er auch hier verwendet werden kann, ist in der DE-PS 15 66 852 beschrieben. Die Echodetektoren 15, 16 bestimmen weiterhin aus den Amplituden der detektierten Echos die Echopegel.

Die in den Echodetektoren 15, 16 ermittelten Bestimmungsgrößen Entfernung r _o der oberen Grenzschicht und Echopegel EL _o der an der oberen Grenzschicht erzeugten Echos (Echodetektor 15) und die Entfernung r _u der unteren Grenzschicht und der Echopegel EL _u der an der unteren Grenzschicht erzeugten Echos (Echodetektor 16), werden einem Rechner 17 zugeführt, der aus den Bestimmungsgrößen der Dichte ρ der Schlickschicht berechnet und mittels eines Anzeigegerätes 18 ausgibt.

Aus den von dem Echodetektor 15 gelieferten Bestimmungsgrößen berechnet der Rechner 17 zunächst die an der oberen Grenzschicht auftretenden Reflexionsverluste BL _o gemäß Gl. (1) und (2).

TL _o = 20 lg 2r _o - a · 2r _o - BL _o (1)

TL _o = SL - EL _o (2)

wobei:

SL = Sendepegel in dB
EL _o = Echopegel obere Grenzschicht in dB
TL _o = Übertragungsverlust im Bereich Meßort/obere Grenzschicht in dB
r _o = Entfernung Meßort/obere Grenzschicht in m
a = Dämpfungskoeffizient in Wasser in dB/m

sind.

Der Dämpfungskoeffizient a ist frequenzabhängig (Frequenz f) und z. B. für 10°C Wassertemperatur zu berechnen mit

Mit den berechneten Reflexionsverlusten BL _o an der oberen Grenzschicht berechnet der Rechner 17 den Dämpfungskoeffizienten a′ in der Schlickschicht gemäß Gl. (4) und (5) und aus diesen die Dichte ρ nach Gl. (6).

TL _u = 20 lg 2r _u - a · 2r _o - a′ · (2r _u - 2r _o) - 2 BL _o - BL _u (4)

TL _u = SL - EL _u (5)

wobei:

SL = Sendepegel in dB
EL _u = Echopegel untere Grenzschicht in dB
TL _u = Übertragungsverluste im Bereich Meßort/untere Grenzschicht in dB
r _o = Entfernung Meßort/obere Grenzschicht in m
r _u = Entfernung Meßort/untere Grenzschicht in m
a = Dämpfungskoeffizient Wasser in dB/m
a′ = Dämpfungskoeffizient Sediment in dB/m
BL _o = Reflexionsverluste an der oberen Grenzschicht in dB
BL _u = Reflexionsverluste an der unteren Grenzschicht in dB

sind und in Gl. (6) die Dichte ρ in kg/m³ und die Frequenz f in kHz anzusetzen ist.

Da die Reflexionsverluste BL _u an der unteren Grenzschicht unbekannt sind, wird die Ortung der unteren Grenzschicht mit einer Differenzfrequenz wiederholt, die vorzugsweise um eine Oktave höher oder niedriger liegt als die bei der vorangehenden Ortung der unteren Grenzschicht verwendete Differenzfrequenz. Im Beispiel ist die Differenzfrequenz für die erste akustische Ortung der unteren Grenzschicht mit 6 kHz und die Differenzfrequenz zur zweiten Ortung der unteren Grenzschicht mit 3 kHz gewählt. Bei den zeitlich aufeinanderfolgenden Ortungen der unteren Grenzschicht wird daher die variable Primärfrequenz des Sendegenerators auf 44 kHz bzw. 47 kHz eingestellt.

Der von dem Echodetektor 16 bei der zweiten Ortung bestimmte Echopegel wird ebenfalls dem Rechner 17 zugeführt. Unter Einbeziehung der ermittelten bzw. berechneten Bestimmungsgröße BL _o, r _o, r _u stehen mit den bei den beiden Ortungen der unteren Grenzschicht erhaltenen Echopegeln EL _{u 1} und EL _{u 2} im Rechner 17 ein Gleichungssystem aus zwei Gleichungen mit zwei Unbekannten, der frequenzunabhängigien Größe BL _u und der frequenzabhängigen Größe a′, zur Verfügung , das ohne weiteres lösbar ist. Aus Gl. (6) bestimmt sich dann die Dichte ρ der Schlickschicht, die mittels des Anzeigegerätes 18 sichtbar gemacht wird.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So ist es nicht zwingend, die obere Grenzschicht des Sediments mit einer hohen Primärfrequenz zu orten. Theoretisch ist auch die Ortung der oberen Grenzschicht mit der gleichen Differenzfrequenz möglich, mit welcher auch die untere Grenzschicht beschallt wird. Die Verwendung der hohen Primärfrequenz ermöglicht jedoch eine wesentlich bessere Echoerkennung an der oberen Grenzschicht und eine genauere Echoauswertung, als dies mit der tiefen Differenzfrequenz möglich wäre.

Auch kann auf die Bestimmung des Echopegels der oberen Grenzschichtechos verzichtet werden, wenn ein entsprechender, aus den Gl. (4) und (5) unter Berücksichtigung der Ortung mit zwei verschiedenen tiefen Frequenzen sich ergebender Algorithmus im Rechner 17 verwendet wird. Wenn man davon ausgeht, daß die Reflexionsverluste an der oberen Grenzschicht frequenzunabhängig sind, so entfällt die Unbekannte BL _o in dem Gleichungssystem. Die Auswertung der oberen Grenzschichtechos dient dann nur noch der Bestimmung der Entfernung r _o.

Weiterhin ist es nicht notwendig, für Schallsender und Schallempfänger jeweils einen gesonderten elektroakustischen Wandler zu verwenden, wie dies in der Zeichnung dargestellt ist. Für Sender und Empfänger kann in bekannter Weise ein einziger elektroakustischer Wandler benutzt werden. Anstelle der Echopegel können auch die Echoamplituden zur Dichteberechnung herangezogen werden.

Claims

1. Verfahren zur Dichtebestimmung von Sedimenten auf Gewässerböden, insbesondere von Schlickschichten in Hafenbecken, Fahrrinnen, od. dgl., dadurch gekennzeichnet, daß von einem außerhalb des Sediments liegenden Meßort (20) aus, eine obere und eine untere Grenzschicht eines Sediments durch Schallimpulse akustisch aktiv geortet werden, daß die Ortung der unteren Grenzschicht mit zwei unterschiedlichen Schallfrequenzen (f₁, f₂) durchgeführt wird, daß mit den am Meßort (20) empfangenen Grenzschicht-Echos die Grenzschichtentfernungen (r _o, r _u) der unteren und der oberen Grenzschicht zum Meßort (20) und die Echopegel (EL _{u 1}, EL _{u 2}) zumindest der unteren Grenzschicht-Echos bei den beiden unterschiedlichen Schallfrequenzen (f₁, f₂) bestimmt werden, daß mit diesen beiden Echopegeln (EL _{u 1}, EL _{u 2}) und den beiden Grenzschichtentfernungen (r _o, r _u) frequenz- und dichteabhängige Dämpfungskoeffizienten (a′₁, a′₂) des zwischen den Grenzschichten befindlichen Sediments aus dem Gleichungssystem und bestimmt werden, wobeia _{1, 2} = frequenzabhängiger Dämpfungskoeffizient des Wassers bei der Frequenz f₁ bzw. f₂ in dB/m,
a′ _{1, 2} = frequenz- und dichteabhängiger Dämpfungskoeffizient des Sediments bei der Frequenz f₁ bzw. f₂ in dB/m · kHz,
SL = Sendepegel in dB,
EL _{u 1, 2} = Echopegel von der unteren Grenzschicht bei der Frequenz f₁ bzw. f₂ in dB,
TL _{u 1, 2} = Übertragungsverluste im Bereich Meßort/untere Grenzschicht bei der Frequenz f₁ bzw. f₂ in dB,
r _o = Entfernung Meßort/obere Grenzschicht,
r _u = Entfernung Meßort/untere Grenzschicht,ist und die unbekannten Reflexionsverluste BL _o, BL _u an der oberen bzw. unteren Grenzschicht als frequenzunabhängig vorausgesetzt sind, und daß aus den Dämpfungskoeffizienten (a′₁, a′₂) des Sediments die Dichte (ρ) des Sediments ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich der Echopegel (EL _o) der oberen Grenzschicht-Echos bestimmt wird und der nach berechnete Reflexionsverlust (BL _o) an der oberen Grenzschicht in die Dichtebestimmung einbezogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der beiden Schallfrequenzen (f₁, f₂) der Schallimpulse zur Ortung der unteren Grenzschicht als parametrische Frequenz aus der gleichzeitigen Abstrahlung von Primärschallimpulsen mit um die parametrische Frequenz differierenden hohen Primärfrequenzen gewonnen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Ortung der unteren Grenzschicht verwendeten beiden Schallfrequenzen (f₁, f₂) um eine Oktave auseinanderliegen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ortung der unteren Grenzschicht mit den beiden unterschiedlichen Schallfrequenzen (f₁, f₂) zeitlich nacheinander mit jeweils einer Schallfrequenz (f₁, f₂) durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Schallimpulse zur Ortung der oberen Grenzschicht gleich ist mit einer der zur Erzeugung der parametrischen Frequenzen (f₁, f₂) verwendeten Primärfrequenzen.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärschallimpulse mit um die parametrische Frequenz (f₁, f₂) sich unterscheidenden hohen Primärfrequenzen gleichzeitig ausgesandt und empfangene Echos frequenzselektiert werden und daß nur Echos mit der parametrischen Frequenz (f₁, f₂) und mit einer der zwei Primärfrequenzen ausgewertet werden.