DE4313681C1

DE4313681C1 - Diffusor zur Erzeugung definierter Luftblasen als Meßmedium und Verfahren zur Messung der Fließgeschwindigkeit in langsam und mit freiem Spiegel fließenden Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE4313681C1
Application number: DE19934313681
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Ing Frey
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-04-22
Filing date: 1993-04-22
Publication date: 1994-08-25
Anticipated expiration: 2013-04-23

Description

Die Erfindung betrifft einen Diffusor zur Erzeugung definierter Luftblasen gemäß dem Oberbegriff des An spruchs 1 sowie ein Verfahren zur Messung der Fließge schwindigkeit in langsam fließenden Gewässern gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 19.

Es ist bekannt, daß in stationär durchströmten, vollent wickelten, prismatischen Fließstrecken das logarithmische Geschwindigkeitsverteilungsgesetz gilt. Eine Geschwindig keitsmessung in einem beliebigen Punkt liefert dann die Geschwindigkeitsverteilung über den gesamten Querschnitt. Demgegenüber ist bei nicht prismatischen offenen Gerinnen die Geschwindigkeit in den meisten Fällen über die Tiefe und die Breite ungleichmäßig verteilt. Zeitaufwendige Ge schwindigkeitsmessungen über die Fließtiefe in verschie denen Meßlotrechten sind durchzuführen. Um den Durchfluß zu bestimmen, muß zusätzlich die Abflußtiefe bzw. der Durchflußquerschnitt für den jeweiligen Fließzustand bekannt sein.

Für die lokale Messung der Fließgeschwindigkeit sind z. B. hydrometrische Flügel, mobile Ultraschall- oder Magneti sche-Induktive Meßgeräte und miniaturisierte LDA-Systeme (z. B. DFLDA Diode-Fiber-Laser-Doppler-Anemometer) be kannt.

Der über Geschwindigkeitsmessungen ermittelte Durchfluß wird aber ungenau, wenn während der Meßzeit der Durchfluß nicht konstant bleibt oder die Messung z. B. in Fließ gewässern durch Schiffsverkehr gestört wird.

Zur Messung der Fließgeschwindigkeit in fließenden Flüs sigkeiten sind eine Reihe von Verfahren und Vorrichtungen bekannt.

In der JP 4-29065 (A) wird eine Methode zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit in schnell fließenden Gewässern mit Hilfe von Gasblasen beschrieben, bei dem Diffusoren zur Erzeugung definierter Luftblasen an der Gewässersohle angeordnet werden und das Bild der an der Wasseroberflä che aufgestiegenen Luftblasen mit einer Kamera aufgenom men wird.

Die DE-OS 33 40 479 A1 beschreibt ein Verfahren zur Messung der Strömungsgeschwindigkeit in einem Wasserströ mungsmodul. Bei diesem Verfahren wird in ein Wassertank- Modul Wasser geleitet, das ein großes Volumen feiner, gleichmäßiger Luftblasen enthält, um ein simuliertes Strömungsfeld zu erzeugen. Dieses Strömungsfeld wird mit Licht beleuchtet, wodurch das Strömungsfeld in einem vorgegebenen Querschnitt aufgrund der unregelmäßigen Lichtreflexion der Luftblasen sichtbar gemacht wird. Die Zeit, während welcher die Ansammlung dieser Luftblasen eine vorgegebene Wegstrecke durchläuft, wird optisch bestimmt. Zur Erzeugung der Luftblasen ist eine Blende vorgesehen, womit ein lokaler Druckabfall hergestellt und ein Entgasungsvorgang der im Wasser gelösten Luft er reicht wird.

In der DE-OS 29 12 628 A1 wird ein Verfahren zur Blasenauf stiegsmessung in einer Meßröhre beschrieben. Dieses Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß an dem unteren Ende der Meßröhre durch eine beispielsweise kegelförmig gestaltete Hülse Gas eingeperlt wird, und daß durch an der Meßröhre unterschiedlich weit entfernte Fühler die Aufstiegsgeschwindigkeit der Gasbläschen derart gemessen wird, daß immer dann ein Signal erzeugt wird, wenn ein Gasbläschen einen Fühler passiert.

Eine Vorrichtung zum Messen der Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit in einer Leitung beschreibt die DE-OS 19 34 583. Bei dieser Vorrichtung wird zunächst eine Blase aus einem spezifisch leichteren und mit der Flüssigkeit nicht mischbaren Medium, insbesondere eines Gases, durch eine in dem Boden eines "Rezesses" mit abgerundeten Kanten angeordneten Bohrung in die Leitung eingeführt. Anschließend wird die Zeit gemessen, die die Blase benö tigt, um eine durch zwei feste Meßpunkte in der Leitung definierte Wegstrecke zurückzulegen.

In einer in der DD-PS 2 61 207 A1 beschriebenen Vorrich tung zur Erzeugung von Seifenfilmen in Seifenfilmströ mungsmesser-Rohren, lassen sich im abwärts strömenden Gas in praktisch senkrecht angeordneten Seifenfilmströmungs messer-Rohren weitgehend unabhängig von der Größe des Volumenstromes und ohne Erzeugung störender Drucksprünge Seifenfilme erzeugen.

Die US 4,246,717 beschreibt eine Blasenerzeugungseinrich tung, bestehend aus einem größeren äußeren Rohr und einem oder mehreren kleineren inneren Rohren.

In der JP 60-263863(A) wird ein Bildmeßverfahren zur Messung der Oberflächenströmungsgeschwindigkeit von Flüssen mit Hilfe von Videokameras beschrieben.

Die deutsche Zeitschrift Technische Messen 60 (1993), Seiten 87 bis 98, beschreibt die Anwendung lasertechni scher Meßverfahren in der experimentellen Strömungsmecha nik. Insbesondere werden hierbei die konzeptionellen und gerätetechnischen Grundlagen zusammengefaßt und die Möglichkeiten aufgezeigt, die Laserlichtschnittverfahren und Methoden der digitalen Bildverarbeitung in der strö mungsmeßtechnischen Praxis zu leisten vermögen.

Die besondere Schwierigkeit der Durchflußmessung mittels Luftblasen liegt in der erforderlichen Bereitstellung einer definierten Luftblasenbildung.

Für eine deutliche Blasenspur an der Wasseroberfläche müssen einerseits Blasen in genügender Zahl je Zeitein heit gebildet werden, andererseits dürfen aber nur so wenig Blasen austreten, daß sie sich im Schwarm nicht gegenseitig beeinflussen und damit bezüglich ihrer Steig geschwindigkeit wie Einzelblasen verhalten.

Die Bildung der Luftblasen aus einem Luftversorgungs system erfolgte bisher u. a. mittels:

- Bohrungen in dünnen Blechen ab 0,06 mm Durchmesser,
- Bohrungen in dicken Blechen ab 0,4 mm Durchmesser,
- Glasrohre mit ausgezogenen Spitzen ab 0,025 mm Durchmesser
- Glaskapillaren ab 0,045 mm Durchmesser,
- Injektionskanülen ab 0,2 mm Durchmesser.

Unter Ausnahme der Glasrohre mit ausgezogener Spitze, die jedoch nicht genügend genau reproduzierbar sind, weisen alle anderen Düsen die Nachteile auf, daß sich schon bei sehr niedrigen Drücken Blasenschwärme bilden oder sich bei gleichbleibendem Druck zwar Blasen gleicher Größe erzeugen lassen, die Frequenz aber dabei nicht konstant bleibt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Diffusor zu schaffen, welcher die zur Erzeugung einer deutlichen Blasenspur erforderlichen Blasen in genügender Zahl je Zeiteinheit zu bilden vermag, wobei gewährleistet ist, daß die Blasenbildung nach Größe und Frequenz abso lut gleichmäßig ist, sowie ein Verfahren anzugeben, mit dem es möglich ist, den Gesamtdurchfluß in einem natürli chen oder künstlichen Gewässer ohne umfangreiche, kosten intensive Ein- bzw. Umbauten unmittelbar und kontinuier lich zu messen.

Diese Aufgabe wird durch einen Diffusor zur Erzeugung definierter Luftblasen mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen bzw. durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 19 gelöst.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltungsform des erfin dungsgemäßen Diffusors zeichnet sich dadurch aus, daß die Drossel, das Sackloch und die konische Öffnung in einem Trägerteil eingearbeitet sind.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Diffusors besteht die Drossel aus einer Kanüle allein oder aus einer Kanüle, in deren Öffnung ein Draht angeordnet ist. Der Draht verringert den Öffnungs querschnitt der Kanüle.

In wiederum einer anderen bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Diffusors weist die Kanüle einen Öffnungsquerschnitt von 0,0025 mm² auf.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Diffusors weist die Kanüle einen Öff nungsquerschnitt von 0,01 mm² und der Draht einen Quer schnitt von 0,0078 mm² auf.

Eine andere bevorzugte Ausgestaltungsform des erfindungs gemäßen Diffusors zeichnet sich dadurch aus, daß das Sackloch einen Durchmesser von 2 mm und eine Länge von 14 mm aufweist.

Wiederum eine weitere bevorzugte Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Diffusors zeichnet sich dadurch aus, daß die konische Öffnung an der Eintrittsfläche einen Durchmesser von 2 mm, an der Austrittsfläche einen Durch messer von 4 mm und eine Länge von 1 mm aufweist. Der Draht der Drossel besteht aus Edelstahl, Federstahl oder Glas. Die Kanüle besteht aus Edelstahl, Kunststoff oder Glas. Das Trägerteil kann eine Sechskantschraube sein, in die die Drossel, das Sackloch und die konische Öffnung eingearbeitet sind. Das Trägerteil besteht aus Edelstahl, Stahl oder Kunst stoff.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbe sondere darin, daß es mit einfachen Mitteln durch den erfindungsgemäßen Diffusor möglich ist, Luftblasen in bestimmter Zahl je Zeiteinheit zu bilden, wobei die Blasenbildung nach Größe und Frequenz äußerst gleichmäßig ist.

Die Erfindung wird nachstehend mit Hilfe der Zeichnungen an zwei Ausführungsbeispielen erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1: eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Diffusors und

Fig. 2: ein Anwendungsverfahren des erfindungsgemäßen Diffusors für die Erzeugung definierter Luftblasen zur Messung von Abflüssen, insbesondere im Bereich von einer Brücke.

Fig. 1 zeigt den erfindungsgemäßen Diffusor (12). Er besteht aus der Drossel (6), die in ein Sackloch mündet. Letztes strömungstechnisches Konstruktionselement des erfindungsgemäßen Diffusors ist eine konische Öffnung (5), aus der die Luftblasen in die Flüssigkeit austreten. Sackloch (4) und konische Öffnung (5) liegen in einer Sechskantschraube aus Polyamid, die als Trägerteil (3) ausgebildet ist.

Die Drossel (6) besteht aus einer Kanüle (1) und einem in ihr geführten Draht (2). Die Kanüle (1) besteht aus Edelstahl mit einem Innendurchmesser von 0,115 mm und einem Außendurchmesser von 0,68 mm. Der Draht (2) besteht ebenfalls aus Edelstahl mit einem Durchmesser von 0,10 mm und ist am Kanüleneintritt (7) außen festgelötet. Die Kanüle (1) ist 20 mm lang.

Die Sechskantschraube hat eine Gesamtlänge von 24 mm, der Schaft ist 20 mm lang. Das Sackloch (4) ist 14 mm lang, sein Durchmesser beträgt 2 mm. Die konische Öffnung (5) ist 1 mm lang. Der Durchmesser der konischen Öffnung (5) beträgt an der Eintrittsfläche 2 mm und an der Austrittsfläche 4 mm.

Die Kanüle (1) und der in der Kanüle (1) geführte Draht (2) ragen 2 mm in das Sackloch hinein.

Aus dem Druckluftversorgungssystem tritt die Luft am Kanüleneintritt (7) in den erfindungsgemäßen Diffusor (12) ein.

Durch den am Diffusor (12) bzw. am Kanüleneintritt (7) anliegenden Betriebsdruck und den äußeren hydrostatischen Druck durch die Flüssigkeitssäule ergibt sich ein positiver Diffe renzdruck.

Fig. 2 zeigt ein Anwendungsverfahren der erfindungsgemäßen Diffusoren (12), angeordnet an der Gewässersohle (10) im Bereich einer Brücke, und die Beobachtung der an der Was seroberfläche aufgestiegenen Luftblasen mittels einer CCD Kamera (8).

Dem Anwendungsverfahren zur Messung geringer und zugleich zeitweise schwankender Fließgeschwindigkeiten liegen folgende Überlegungen zugrunde:

Herkömmliche Fließgeschwindigkeitsmeßmethoden wie Flügel- oder Schwimmermessungen bereiten in Gewässern mit sehr geringen Fließgeschwindigkeiten erhebliche Schwierigkei ten. Nimmt zum Beispiel der Abfluß in einem Gewässer extrem ab, kann es dazu führen, daß die mittlere Fließgeschwindigkeit unter 10 mm/s sinkt. Ein Beispiel ist der Spreeabfluß in den Sommermonaten; bei einem Fließquerschnitt mit einer Breite von ca. 60 m und einer Wassertiefe von ca. 2,3 m stellt sich eine mittlere Fließgeschwindigkeit von 3,625 mm/s ein. Dieser Geschwindigkeitswert läßt sich mit herkömmlichen Meßmethoden nicht erfas sen.

Befindet sich der Meßquerschnitt in einer Wasserstraße, so kann die exakte Durchführung der Messungen durch Schiffsverkehr zusätzlich erheblich behindert werden.

Wie sich herausgestellt hat, ist die Durchflußmessung mit Luftblasen ein geeignetes Ver fahren, um den Durchfluß unmittelbar und eindeutig zu ermitteln. Die Messung wurde des halb im Fließquerschnitt unter einer Brücke vorgenommen. Die Gleichmäßigkeit des Fließ querschnittes erlaubte es, sich auf die Durchflußmessung an den Brückenpfeilern zu be schränken. Um die Meßergebnisse durch Grenzschichtentwicklung am Brückenpfeiler nicht zu verfälschen, wurden jeweils Reihen der erfindungsgemäßen Diffusoren (9) an der Ge wässersohle (10) installiert, die 3,0 m in den Fließquerschnitt hineinragen (Fig. 2). Steigt nun eine Luftblase von der Gewässersohle auf, wird sie an jeder Stelle um einen Betrag in Strömungsrichtung abgetrieben, der der örtlichen Geschwindigkeit an dieser Stelle ent spricht. Die horizontale Abdrift, die sie vom Startpunkt an der Gewässersohle (10) bis zur Gewässeroberfläche zurückgelegt hat, multipliziert mit der Aufstiegsgeschwindigkeit der Luftblasen, entspricht genau dem Abfluß in einem der Blasenspur entsprechenden Streifen des Fließquerschnittes. Zur Gesamtabflußermittlung wird das Bild der an der Wasserober fläche aufgestiegenen Luftblasen mit Hilfe einer CCD Kamera (8) aufgenommen, in der die Bilddaten in elektrische Signale mit Halbleiter-Bildsensoren umgesetzt und nachfolgend in einem an die Kamera (8) angeschlossenen Mikroprozessor (in der Zeichnung nicht darge stellt) digital verarbeitet werden, so daß die Kombination der Integrationsfließgeschwin digkeitsmessung mittels aufsteigender Luftblasen und digitaler Bildverarbeitung eine kon tinuierliche direkte Durchflußmessung mit hoher zeitlicher Auflösung ermöglicht.

Bezugszeichenliste

1 Kanüle
2 Draht
3 Trägerteil
4 Sackloch
5 konische Öffnung
6 Drossel
7 Kanüleneintritt
8 Kamera
9 Reihen von Diffusoren
10 Gewässersohle
11 Signalableitung zur Auswerteeinheit
12 Diffusor
13 Brückenträger

Claims

1. Diffusor zur Erzeugung definierter Luftblasen, als Meßmedium zur Messung der Fließgeschwindigkeit in langsam und mit freiem Spiegel fließenden Flüssigkei ten, mit einer Drossel (6) mit einem Öffnungsquer schnitt von 0,002 mm² bis 0,785 mm², die in einem Sackloch (4) mit einem Durchmesser von 1 mm bis 8 mm und einer Länge von 2 mm bis 80 mm endet, wobei die für den Austritt der Luftblasen vorgesehene Öffnung des Sacklochs (4) konisch mit dem Durchmesser des Sackloches (4) von 1 mm bis 8 mm an der Eintrittsflä che und einem Durchmesser von 2 mm bis 10 mm an der Austrittsfläche vorgesehen ist.

2. Diffusor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (6), das Sackloch (4) und die konische Öffnung (5) in einem Trägerteil (3) eingearbeitet sind.

3. Diffusor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Drossel (6) aus einer Kanüle (1) be steht.

4. Diffusor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Drossel (6) aus einer Kanüle (1) besteht, in deren Öffnung ein Draht (2) angeordnet ist.

5. Diffusor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanüle (1) einen Öffnungsquerschnitt von 0,0025 mm² aufweist.

6. Diffusor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanüle (1) einen Öffnungsquerschnitt von 0,01 mm² und der Draht (2) einen Querschnitt von 0,0078 mm² aufweist.

7. Diffusor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Sackloch (4) einen Durchmesser von 2 mm und eine Länge von 14 mm auf weist.

8. Diffusor nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die konische Öffnung (5) an der Eintrittsfläche einen Durchmesser von 2 mm, an der Austrittsfläche einen Durchmesser von 4 mm und eine Länge von 1 mm aufweist.

9. Diffusor nach mindestens einem der Ansprüche 4, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (2) der Drossel (6) aus Edelstahl besteht.

10. Diffusor nach mindestens einem der Ansprüche 4, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (2) der Drossel (6) aus Federstahl besteht.

11. Diffusor nach mindestens einem der Ansprüche 4, 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (2) der Drossel (6) aus Glas besteht.

12. Diffusor nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanüle (1) aus Edelstahl besteht.

13. Diffusor nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanüle (1) aus Kunststoff besteht.

14. Diffusor nach mindestens einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanüle (1) aus Glas besteht.

15. Diffusor nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerteil (3) eine Sechskantschraube ist.

16. Diffusor nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerteil (3) aus Stahl besteht.

17. Diffusor nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerteil (3) aus Edelstahl besteht.

18. Diffusor nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerteil (3) aus Kunststoff besteht.

19. Verfahren zur Messung der Fließgeschwindigkeit in langsam fließenden Gewässern, insbesondere im Bereich einer Brücke, mit Diffusoren zur Erzeugung definier ter Luftblasen, welche an der Gewässersohle angeord net werden, so daß die Luftblasen von der Sohle nach oben aufsteigen und an jeder Stelle um einen Betrag in Strömungsrichtung abgetrieben werden, welcher der örtlichen Geschwindigkeit an dieser Stelle ent spricht, wobei das Bild der an der Wasseroberfläche aufgestiegenen Luftblasen mit einer Kamera beobachtet und aufgenommen wird und von der Kamera Bilddaten in elektrische Signale umgesetzt werden und die elektri schen Signale verarbeitet und ausgewertet werden, da durch gekennzeichnet, daß die Diffusoren (9) jeweils eine Drossel (6) mit einem Öffnungsquerschnitt von 0,002 mm² bis 0,785 mm² aufweisen, die jeweils in ei nem Sackloch (4) mit einem Durchmesser von 1 mm bis 8 mm und einer Länge von 2 mm bis 80 mm endet, wobei die für den Austritt der Luftblasen vorgesehene Öff nung des Sackloches (4) konisch mit dem Durchmesser des Sackloches von 1 mm bis 8 mm an der Eintrittsflä che und einem Durchmesser von 2 mm bis 10 mm an der Austrittsfläche vorgesehen ist, daß die Kamera (8) unter einem Brückenträger (13) angeordnet ist, und daß die elektrischen Signale in einem an die Kamera (8) angeschlossenen Mikroprozessor digital verar beitet werden.