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Meßvorrichtung für in Gewässern suspendierte Sedimente.
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Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung der im Oberbegriff des
Anspruches 1 genannten Art.
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In Gewässern, wie beispielsweise strömenden Flüssen, oder im küstennahen
Meeresbereich werden vom Wasser Sedimente in suspendierter Form aufgenommen und
transportiert. Aus vielfältigen Gründen, z. B. zum Vorbeugen gegen Versandung wird
der Sedimenttransport durch das Wasser untersucht. Es ist dabei der im Wasser suspendierte
Sediment anteil sowohl qualitativ als auch quantitativ zu untersuchen.
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Neben anderen komplizierteren Meßvorrichtungen werden bekannte Meßvorrichtungen
der eingangs genannten Art verwendet, die weiteste Verbreitung genießen. Diese arbeiten
mit einem Sammelbehälter, der unter Wasser vor Ort angeordnet ist und durch eine
definierte Oeffnung Sediment aus den umgebenden Wasser in den strömungsberuhigten
Behälter-
innenraum absetzen läßt. Nach Entfernen des Behälters
kann der Sediment inhalt mit einer Wägeeinrichtung quantitativ bestimmt sowie anschließend
einer qualitativen Analyse zugeführt werden.
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Nachteilig bei diesem Stand der Technik ist zum einen das arbeitsaufwendige
Verfahren, das jeweils ein Aussetzen des leeren Behälters und nach abgeschlossener
Sammelzeit das Rückführen des gefüllten Behälters in ein Labor notwendig macht.
Ferner kann das Sedimentvorkommen nur integrierend über den gesamten Sammelzeitraum
bestimmt werden.
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Schnelle Schwankungen des suspendierten Sedimentanteiles im Wasser
lassen sich nicht bestimmen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, eine Meßvorrichtung
der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der arbeitssparend insbesondere auch
rasche Sedimentschwankungen erfaßbar sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichnungsteiles
des Anspruches 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Konstruktion sammelt das Sediment in der Wägschale
einer Waage, die durch ständige Wägung laufend den Sediment zuwachs bestimmen kann.
Auch schnelle Schwankungen des Sedimentanteiles im Wasser können daher erstmals
gemessen werden. Meßwerte über den augenblicklichen Sedimentanteil des Wassers liegen
sofort vor und können z. B. über Fernübermittlung abgefragt werden. Das Sediment
wird in in der Wägschale konzentrierter Form, aber noch in Wasser suspendiert gewogen.
Da die Wägschale im Wasser taucht, hebt sich der Wasseranteil des Sedimentes bei
der Wägung heraus. Es entfällt das sonst notwendige zeit- und kostenaufwendige Trocknen
des Sedimentes vor der Wägung.
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Weiterhin vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Meßvorrichtung durch
die Merkmale des Anspruches 2 gekennzeichnet.
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Die erfindungsgemäße Waage könnte beispielsweise als Federwaage ausgebildet
sein. Dann wären Wegsensoren vorzusehen, die in Unterwasseranordnung mit der Mög]ichkeit
der Verschmutzung durch Sediment jedoch Probleme aufwerfen würden. Ein Kraftsensor,
z. B. ein Piezo-Sensor vermeidet solche Probleme und hat die Vorteile einer ortsfesten
Aufhängung der Wägschale sowie einfacher elektronischer Meßwertgewinnung. Drucksensoren
sind aber prinzipiell empfindlich gegen den tiefenabhängigen Wasserdruck. Ein auf
einer festen Unterlage montierter Piezo-Kristall, auf dessen Oberfläche die Wägekraft
einwirkt, bestimmt nicht nur diese, sondern auch den von der Wassertiefe abhängigen
Volumendruck des Wassers. Bei größeren Wassertiefen kann die vom Wasserdruck erzeugte
Meßwertanzeige um mehrere Größenordnungen die von der Wägekraft erzeugte Anzeige
überschreiten. Eine Kompensation mittels eines separaten Wasserdrucksensors wäre
schwierig und kostenaufwendig. Mit der erfindungsgemäßen Konstruktion werden diese
Probleme vermieden. Es wird eine handelsübliche Differenzdruckmeßzelle als Kraftsensor
verwendet.
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Differenzdruckmeßzellen mit Membrananordnung bestimmen den Druckunterschied
zwischen den beiden Seiten der Membrananordnung über die druckabhängige Auslenkung
der Membran, beispielsweise über piezo-sensitive Eigenschaften der Membran bzw.
auf dieser vorgesehene Dehnungsmeßstreifen. Derartige Membrananordnungen sind volumendruckunabhängig
und nur empfindlich gegen die Membranauslenkung bzw. -verbiegung. Wird erfindungsgemäß
die Membrananordnung einer Differenzdruckmeßzelle beidseitig demselben Wasserdruck
ausgesetzt, so ergibt dieser keine Anzeige.
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Die Differenzdruckmeßzelle zeigt lediglich die von der auf die Membran
einwirkenden Wägekraft abhängige Aus-
lenkung an. Eine derartige
Waage benötigt also keinerlei externe Kompensationsmaßnahmen für den Wasserdruck
und zeigt unabhängig von der Wassertiefe lediglich die Wägekraft an.
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Weiterhin vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Meßvorrichtung durch
die Merkmale der Ansprüche 3 und 4 gekennzeichnet. Hierdurch ergibt sich eine konstruktiv
einfache und präzise Waagenanordnung.
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Weiterhin vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Meßvorrichtung durch
die Merkmale des Anspruches 5 gekennzeichnet. Durch diese Ausbildung wird der Wägeraum
gegen Umgebungseinflüsse, insbesondere durch Strömungsbewegungen des Wassers, abgeschirmt,
so daß sich das Sediment strömungsberuhigt in der Wägschale absetzen kann und die
Wägeeinrichtung von mechanischen Einwirkungen freigehalten wird.
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Weiterhin vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Meßvorrichtung durch
die Merkmale des Anspruches 6 gekennzeichnet. Suspendiertes Dediment könnte in einfacher
Weise durch eine Oeffnung der Kammer in die Wägschale einfallen. Hierbei ergeben
sich jedoch Probleme z. B. der Abhängigkeit von den Strömungsverhältnissen des die
Meßvorrichtung unter unterschiedlichen Winkeln anströmenden Wassers. Vorteilhaft
ist die Anordnung einer das Wasser von einem Entnahmeort ansaugenden und in die
Wägschale fördernden Pumpe.
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Weiterhin vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Meßvorrichtung durch
die Merkmale des Anspruches 7 gekennzeichnet. Eine solche Einrichtung kann beispielsweise
als Zentrifuge oder Hydrozyklon vorgesehen sein und aus dem Wasser konzentriertes
Sediment als Sedimentbrei der Wägschale zuführen, wodurch zwar der konstruktive
Aufwand
der Meßvorrichtung erhöht, jedoch auch die Anzeigegenauig
keit wesentlich verbessert wird. Insbesondere wird die Anzeigegenauigkeit unabhängig
von der Sedimentkorngröße.
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Weiterhin vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Meßvorrichtung durch
die Merkmale des Anspruches 8 gekennzeichnet. Eine solche Meßvorrichtung kann langfristig,
z. B. über mehrere Stunden oder Tage, in der großvolumigen Wägschale Sediment sammeln
und dabei laufend den zeitlichen Zuwachs sowie die Gesamtmenge anzeigen.
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Weiterhin vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Meßvorrichtung durch
die Merkmale des Anspruches 9 gekennzeichnet. Hierdurch wird sichergestellt, daß
das gegebenenfalls vorkonzentrierte Sediment direkt der Wägschale zugeführt wird
und nicht neben diese gelangt.
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Weiterhin vorteilhaft ist die erfindungsemäße Meßvorrichtung durch
die Merkmale des Anspruches 10 gekennzeichnet. Auf diese Weise wird das Absetzen
des Sedimentes in der Wägschale begünstigt.
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Schließlich ist die erfindungsgemäße Meßvorrichtung vorteilhaft durch
die Merkmale des Anspruches 11 gekennzeichnet. Mit der Spüleinrichtung kann von
Zeit zu Zeit, insbesondere dann, wenn die Wägschale voll ist, deren Innenraum von
Sediment freigespült werden, um erneut Sediment zu sammeln.
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In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise und schematisch
in einem lotrechten Schnitt durch eine Meßvorrichtung dargestellt.
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Ein Gehäuse 1 von beispielsweise zylindrisch um die lotrechte Achse
ausgebildeter Grundform umschließt allseitig wasserdicht einen Wägeraum 2, der von
einer waagerecht fest angeordneten Traverse 3 durchsetzt ist.
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Auf der Traverse 3 ist eine Differenzdruckmesßzelle 4 feststehend
angeordnet. Diese besteht aus einem Rohr 5, dessen Rohrenden sowohl nach oben als
auch nach unten, nach unten durch ein Loch 6 in der Traverse 3, mit dem Wägeraum
2 in Verbindung stehen.
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Im Rohrinneren ist eine das Rohr verschließende Membrananordnung aus
drei blembranen vorgesehen. Die eigentliche Meßmembran 7 ist von geringem Durchmesser
und daher in einer den Querschnitt verringernden Blende 8 des Rohres angeordnet.
Diese Meßmembran 7 besteht beispielsweise aus einer entsprechend dotierten Siliziumscheibe,
die bei Durchbiegung ihre elektrischen Eigenschaften ändert.
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Ihre Oberfläche ist an geeigneten Stellen mit Kabeln 9 kontaktiert,
die durch ein Röhrchen 10 aus dem Gehäuse 1 heraus zu einer nicht dargestellten
Datenverarbeitungsanlage geführt werden. Gegebenenfalls kann die Meßmembran 7 in
elektrischer Brückenanordnung mit mehreren Kabeln kontaktiert sein.
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Derartige üblicherweise verwendete Meßmembranen 7 sind jedoch wasserempfindlich.
Es sind daher auf beiden Seiten der Meßmembran 7 Schutzmembranen vorgesehen. Im
vorliegenden Fall ist eine untere Schutzmembran 11 und eine obere Schutzmembran
12 vorgesehen. Zwischen den Schutzmembranen und der Meßmembran ist jeweils eine
inkompressible Flüssigkeit vorgesehen, die gegenüber der Meßmembran 7 inerte Eigenschaften
aufweist.
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Auf der oberen Schutzmembran 12 ist mittig eine Verstärkungsplatte
13 angeordnet, auf der die Wägekraft in lotrechter Richtung angreift.
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Bei Einwirken von Wägekraft wird die obere Schutzmembran 12 nach unten
ausgelenkt. Da zwischen den Membranen inkompressible Flüssigkeit liegt, wird auch
die Meßmembran 7 entsprechend ausgelenkt und eine Anzeige an den Kabeln 9 erhalten.
Die Membrananordnung ist jedoch völlig unempfindlich gegen wechselnden Wasserdruck,
da dieser sowohl auf der oberen als auch auf der unteren Schutzmembran anliegt und
sich somit hinsichtlich der Auslenkung der Meßmembran 7 aufhebt.
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Unter der Traverse 3 ist eine großvolumige Wägschale 14 angeordnet,
die mit ihrem oberen umlaufenden Rand 15 über Zugstangen 16 an einem Wägebalken
17 aufgehängt ist, der in seiner Mitte über eine Schneide 18 auf der Verstärkungsplatte
13 der oberen Schutzmembran 12 aufsitzt.
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Die Schneide 18 liegt mit ihrem unteren schneidenförmigen Ende in
einer in der Zeichnung nicht erkennbaren Kerbe der Verstärkungsplatte 13 in zentrierender
Führung.
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In den Zugstangen 16 sind weiche Schraubenfedern 19 zwischengeschaltet,
die als Tiefpaß wirken und die Wägeeinrichtung unempfindlich gegen Stöße und Erschütterungen
machen.
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In der dargestellten Anordnung ist ein Wassereinlaß vorgesehen, der
mit einer Pumpe 20 durch eine Saugleitung 21 von einem beliebigen Ansaugort in der
dargestellten Pfeilrichtung Wasser aus der Umgebung ansaugt und über eine Leitung
22 dem Inneren der Wägschale 14 zuführt. Im dargestellten Beispiel mündet die Leitung
22 in einen unter
der Traverse 3 innerhalb des Randes 15 der Wägschale
14 angeordneten, unten offenen Topf 23. Dieser Topf dient zur Strömungsberuhigung
des einströmenden Wassers und begünstigt das Absetzen des Sedimentes in der Wägschale
14, wobei Uberströmen von Sediment über deren Rand 15 verhindert wird. Die Oberseite
des Topfes ist selbstverständlich zum Loch 6 in der Traverse 3 hin geöffnet.
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Die dargestellte Waage kann so lange Sediment aufnehmen und laufend
wägen, bis die Wägschale 14 gefüllt ist.
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Dann muß sie entleert werden. Dies kann in üblicher Weise durch Oeffnen
des Gehäuses 1 und Entnehmen der Wägschale 14 geschehen. Vorteilhaft ist jedoch
die in der Zeichnung dargestellte Spüleinrichtung vorgesehen. Diese besteht aus
einer Wasseransaugleitung 24, durch die mit einer Spülpumpe 25 Wasser angesaugt
und über eine Spülleitung 26 dem Inneren der Wägschale zugeführt wird.
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Die Spülpumpe 25 ist normalerweise ausgeschaltet und wird nur zum
Entleeren der Wägschale 14 eingeschaltet.
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Sediment wird dann aus der Wägschale und dem gesamten Wägeraum 2 ausgespült
und verläßt diesen durch eine untere Ausspülöffnung 27, die außerdem zum Druckausgleich
bei Betätigung der während des Meßvorganges Wasser in den Wägeraum drückenden Pumpe
20 dient.
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Die dargestellte Anordnung kann im Rahmen der Erfindung auf vielfältige
Weise variiert werden.
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So kann beispielsweise die Wägeeinrichtung einen anderen als den dargestellten
Sensor aufweisen. Beispielsweise kann der Wägebalken 17 fest angeordnet und die
Wägekraft durch Beobachten der Auslenkung der Federn 19 ermittelt werden. Auch die
demgegenüber vorteilhafte
Anordnung eines Kraftsensors in Form
der dargestellten Differenzdruckmeßzelle 4 erlaubt eine Reihe von Variationen. Es
können andere Formen der Aufhängung der Wägschale 14 an der Membrananordnung 11,
7, 13 gewählt werden, beispielsweise auch eine Aufhängung an der unteren Schutzmembran
11.
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Die dargestellte Differenzdruckmeßzelle 4 kann ebenfalls in der auf
diesem Gebiet bekannten Technik variiert werden.
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Anstelle der dargestellten Wasseransaugeinrichtung 21, 20, 22, 23
kann eine Einrichtung mit Konzentrierung des Sedimentes vorgesehen sein. Beispielsweise
kann an der Stelle 20 ein Hydrozyklon vorgesehen sein, der durch die Leitung 22
einen verdichteten Sedimentbrei in die Wägschale 14 fördert.
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Auch die Spüleinrichtung 24, 25, 26 kann variiert werden.
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Beispielsweise kann die Pumpe 20 umschaltbar ausgebildet sein und
abwechselnd mit sehr diedriger Förderleistung während des Meßvorganges Wasser mit
geringer Strömung der Wägschale 14 zum Absetzen des Sedimentes zuführen und zum
Spülen auf eine erforderliche sehr hohe Durchsatzleistung umgeschaltet werden.
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Am Gehäuse 1, z. B. auf der Außenseite oder auch im Inneren, kann
in wasserdichter und druckdichter Abkapselung eine elektronische Datenverarbeitungsanlage
vorgesehen sein, die über die Kabel 9 an die Meßmembran 7 angeschlossen ist und
die Wägekraft errechnet. Die Daten können zur späteren Abfrage gespeichert oder
on-line per Kabel oder Funk fernvermittelt werden.
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Ferner können in der Zeichnung nicht dargestellte mechanische Anschläge
zur Wägbegrenzung der mechanischen Teile der Wägeeinrichtung vorgesehen sein, die
beispielsweise bei Erschütterungen oder Schräglagen, z. B. während des Transportes,
die Wägschale 14 und deren Aufhängungsteile 16, 17 in der dargestellten Lage halten,
jedoch in lotrechter Aufstellung geringe lotrechte Wägebewegungen in berührungsfreier
Anordnung zulassen.
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Das dargestellte, den Wägeraum 2 umschließende Gehäuse 1 schützt die
hochempfindliche Waage gegen Umgebungseinflüsse, z. B. starke Wasserströmung. Es
kann jedoch auch eine stark vereinfachte Konstruktion vorgesehen sein, bei der das
Gehäuse zumindest im oberen Bereich offen ist und bei dem aus dem oberhalb der Wägschale
14 frei vorbeiströmenden Wasser suspendiertes Sediment sich frei in die Wägschale
14 absetzen kann. Die dargestellte Wasseransaugeinrichtung 21, 20, 22, 23 kann dann
entfallen.