NL1009847C2 - Werkwijze en inrichting voor het bepalen van de slibconcentratie in een vloeistof. - Google Patents

Description

Korte aanduiding: Werkwijze en inrichting voor het bepa len van de slibconcentratie in een vloeistof

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze en inrichting voor het bepalen van de slibconcentratie in een vloeistof.

Een dergelijke werkwijze en inrichting zijn in het vak 5 bekend en worden bijvoorbeeld toegepast om de hoeveelheid door een rivier en dergelijke meegevoerd slib te bepalen.

Het probleem van slibtransport en -afzetting speelt een rol bij het openhouden van havens die aan een rivier of kanaal zijn gelegen. Zo dient Nederland de Westerschelde - dat 10 deel van de rivier de Schelde, dat uitmondt in de Noordzee - regelmatig uit te baggeren om de haven van Antwerpen in België bereikbaar te houden. Dit is nodig, omdat het door de Schelde meegevoerd slib, dat afkomstig is uit België en Frankrijk, zich in de Westerschelde afzet. Nederland wil nu = 15 dat België bijdraagt aan de kosten van de baggerwerkzaamhe-den, terwijl België op zijn beurt een deel van de kosten wil verhalen op Frankrijk, omdat daar de Schelde ontspringt. Derhalve is het van belang dat de relatieve hoe- : veelheden slib, die worden getransporteerd door de rivier, - 20 nauwkeurig en over langere tijdsperioden kunnen worden bepaald.

De bekende metingen zijn troebelheidsmetingen, waarbij over een korte afstand de absorptie van licht door de slib- ~ deeltjes wordt bepaald. De bekende meetmethode en de in- ~ 25 richting voor het uitvoeren daarvan hebben verscheidene ~ nadelen. In de eerste plaats heeft deze optische methode een geringe penetratiediepte, zodat alleen puntmetingen : kunnen worden uitgevoerd, d.w.z. de concentratie van het ~ slib wordt alleen op bepaalde punten gemeten. Aangezien 30 slib zich in het algemeen niet gelijkmatig verplaatst in natuurlijke stromingen, zoals in een rivier, maar veelal ~ pulserend in de vorm van grote hoefijzervormige wervel- ~ structuren ("horseshoe vortices") , kan uit deze puntmetin- 1009847 , 2 gen van de slibconcentratie het totaaldebiet van slib niet nauwkeurig worden berekend. In de tweede plaats is voor het bepalen van het slibdebiet, naast de slibconcentratie, ook informatie over de stroomsnelheid nodig, waarvoor afzonder-5 lijke meetmethoden moeten worden toegepast. In de derde plaats zijn dergelijke optische systemen zeer gevoelig voor de afzetting van verontreinigingen op de daarin aanwezige lenzen e.d., welke afzetting aanleiding tot meetfouten geeft. Regelmatig onderhoud van met name deze onderdelen 10 van de inrichting is derhalve noodzakelijk. Vanwege deze onderhoudsgevoeligheid zijn de bekende meetsystemen niet geschikt voor continue meetopstellingen.

De onderhavige uitvinding heeft ten doel een werkwijze en inrichting voor het bepalen van het slibdebiet te ver-15 schaffen, waarbij genoemde nadelen zijn verminderd of in zijn geheel geëlimineerd.

In het bijzonder heeft de onderhavige uitvinding ten doel een dergelijke werkwijze te verschaffen, waarbij de slibconcentratie over de gehele breedte en eventueel de 20 hoogte van de vloeistof, in het bijzonder stromend water zoals een rivier wordt bepaald, evenals de daarbij behorende momentane transportsnelheid.

De werkwijze voor het bepalen van de slibconcentratie volgens de onderhavige aanvrage wordt gekenmerkt, doordat 25 de werkwijze de stappen omvat van: - het uitzenden van ten minste één ultrasone geluidsgolf over een akoestisch pad tussen transducenten; - het meten van de demping van het ontvangen signaal van de ultrasone geluidsgolf ten opzichte van de sig- 30 naalsterkte van de uitgezonden geluidsgolf; en - het berekenen van de slibconcentratie uit de gemeten demping.

De uitvinding berust op het algemene inzicht dat ultrasone geluidsgolven door in een vloeistof gedispergeerde 35 vaste stofdeeltjes worden gedempt. Deze demping wordt onder meer veroorzaakt door verstrooiing van de geluidsgolven door de slibdeeltjes en door resonantie van deze deeltjes, 1 00984 7 m , 3 in afhankelijkheid van de slibconcentratie. Onderzoek heeft aangetoond dat deze dempingsverschijnselen onder meer afhankelijk zijn van de frequentie van de geluidsgolven, de straal (vorm) van de deeltjes en de dichtheid daarvan. Bij 5 een vaste frequentie van de geluidsgolven overheerst het resonantieverschijnsel voor deeltjes met een kleine diameter, terwijl het verstrooiingsverschijnsel domineert voor deeltjes met een grotere diameter. Dit betekent dat voor slibdeeltjes met een straal in het gebied van tienden van 10 micrometers tot aan enkele honderden micrometers het resonantieverschi jnsel overheerst bij een geschikt gekozen frequentie, zodat dit dempingsverschijnsel geschikt is om de slibconcentratie te bepalen.

Bij de uitvinding worden met voordeel frequenties van 15 de ultrasone geluidsgolven in het laagfrequente gebied, bij voorkeur in het gebied van 25 - 400 kHz gebruikt. Dergelijke geluidsgolven hebben een grote penetratiediepte, zodat I

de volledige breedte en eventueel de hoogte van de vloei- : stof, bijvoorbeeld een rivier kan worden afgetast.

20 Met voordeel worden bij de werkwijze volgens de uitvin- 2 ding de demping van meerdere ultrasone geluidsgolven, uit- ~ gezonden en ontvangen tussen transducenten over verschillende akoestische paden gemeten, en daaruit de slibconcentratie wordt berekend. Op deze wijze wordt de slibconcen- ~ 25 tratie over meerdere akoestische paden gemeten, zodat daaruit een nauwkeuriger gemiddelde slibconcentratie kan worden berekend.

Bij een voorkeursuitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding wordt naast de slibconcentratie, ook de 30 stroomsnelheid van de vloeistof bepaald, zodat ook het slibdebiet kan worden berekend. Ultrasone debietmeters zijn in het vak bekend en worden bijvoorbeeld toegepast om het I

debiet van een fluïdum (gas of vloeistof) in transportleidingen, maar ook het waterdebiet in open water, zoals een 35 rivier of kanaal te meten. Bij dergelijke ultrasone debiet- “

meters zijn ten minste een paar transducenten, gezien in de I

stromingsrichting van het fluïdum, op afstand van elkaar z 1009847 4 opgesteld en worden de geluidsgolven in tegengestelde richtingen over hetzelfde akoestische pad uitgezonden. Uit het verschil in looptijden van de in tegengestelde richting uitgezonden geluidsgolven wordt de stroomsnelheid van het 5 fluïdum berekend. Voorbeelden van dergelijke debietmeters met verschillende akoestische paden, zodat nagenoeg het gehele stromingsprofiel van het fluïdum wordt afgetast, en zodoende de gemiddelde stroomsnelheid zo nauwkeurig mogelijk kan worden bepaald, zijn in de Europese octrooiaanvra-10 gen 0639776 en 0843160 van Aanvraagster beschreven.

Het grote voordeel van bovenstaande uitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding is dat met een en dezelfde meting zowel de stroomsnelheid uit het signaal (tijd) als de slibconcentratie uit de signaalsterkte (am-15 plitude) nauwkeurig kunnen worden berekend, en zodoende het totale slibtransport.

Omdat de bij de werkwijze volgens de uitvinding toegepaste apparatuur niet onderhoudsgevoelig is ten opzichte van de bekende troebelheidsmeters, kan de onderhavige werk-20 wijze met voordeel continu worden uitgevoerd.

Verder kunnen met voordeel geluidsgolven met verschillende frequenties worden uitgezonden.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een inrichting voor het uitvoeren van de werkwijze volgens de uitvinding, 25 welke inrichting in conclusies 9-10 is gedefinieerd.

Opgemerkt dient te worden dat in het vak een ultrasone zandtransportmeter bekend is, die gebruik maakt van hoogfrequent (> 4 Mhz) ultrasoon geluid. Deze meter gebruikt echter alleen de "scattering" van het geluid en niet de 30 resonantie. Een dergelijke meetinrichting heeft echter, evenals de eerder genoemde troebelheidsmeter, een geringe penetratiediepte, zodat deze slechts voor puntroetingen geschikt is.

De uitvinding zal hierna worden toegelicht aan de hand 35 van de bijgevoegde tekening, waarin: I Fig. 1 is een grafiek van de demping als functie van de deeltjesstraal bij verschillende frequenties van de ultra- : 1009847 5 sone geluidsgolven;

Fig. 2-4 zijn grafieken van de demping als functie van de deeltjesstraal bij verschillende dichtheid van de deeltjes en bij een frequentie van 100 kHz, 200 kHz, res-5 pectievelijk 400 kHz;

Fig. 5 is een grafiek van de demping als gevolg van verstrooiing, respectievelijk resonantie als functie van de deeltjesstraal;

Fig. 6-7 tonen de temperatuursafhankelijkheid van de 10 demping bij 2 saliniteiten, die in zoet water en die in zeewater;

Fig. 8 toont een aantal schematische opstellingen van de akoestische meetlijnen, die bij de uitvinding kunnen worden toegepast.

15 Bij de in fig. 1-7 weergegeven grafieken is gebruikt ” gemaakt van het model van Urick voor de voortplanting van : geluid door (zee)water. In dit model wordt de volgende vergelijking voor de signaaldemping gebruikt: ” 20 a=K. (k4.a3/6+k. (p-l)2.s/(s2 + (σ + r)2)) . 1,64.10'6

waarin I

a = de absorptiecoëfficiënt (in dB/m.mg) k= 2.7r/λ; e=2.TT.f; λ= C/f C= geluidssnelheid (m/s) 25 f= frequentie a= deeltjesstraal (m) s= een van de deelt jesstraal a en bulkmodulus B van de elasticiteit afhankelijke factor B= bulkmodulus van de elasticiteit; B= (ω/2.μ))0·5 30 μ= kinematische viscositeit r= 0,5+9/(4.a.B) K= gewichtsconcentratie (in mg/1) p= dichtheidsverhouding Psljb/Pwater' typische waarden voor p zijn: 35 klei: p=l,4 zand: p=2,0 1009847 - 6

In deze vergelijking stelt de term k4.a3/6 de verstrooiing van geluid voor, en weerspiegelt de term k. (p-l)2.s/(s2 + (σ + r)2) de resonantie van sedimentdeeltjes voor.

In fig. l zijn de dempingskrommen getoond voor ver-5 schillende frequenties in het gebied van 25 - 400 kHz als functie van de deeltjesstraal bij p=2,0. Een verandering van de frequentie van 25 kHz naar 400 kHz leidt tot een ongeveer 15 maal grotere demping bij de resonantiepiek. Verder blijkt uit fig. 1 dat de piekresonantie bij grotere 10 frequenties naar een kleinere deeltjesstraal verschuift.

De afhankelijkheid van de demping van de dichtheidsver-houding is in fig. 2-4 voor verschillende frequenties getoond. Een verandering van de dichtheidsverhouding p vanaf 1,5 naar 2,5 leidt tot een 6 maal grotere demping. Deze 15 trend doet zich bij alle frequenties voor. Omdat de concentratie evenredig is met de demping zal een fout in de aanname van p leiden tot een fout in de berekening van de concentratie K. Derhalve zal in de praktijk de bepaling van de signaalsterkte van de ultrasone geluidsgolf worden ge-20 combineerd met een (periodieke) bemonsteringstechniek, en zonodig een herijking van het systeem voor het vaststellen van de dichtheid die per rivier verschillend kan zijn.

Fig. 5 toont de afzonderlijke bijdragen van de verschillende dempingsverschijnselen als functie van de deel-25 tjesstraal bij f= 200 kHz. Uit deze fig. is duidelijk dat voor deeltjes met een straal in het gebied van 0,1-50 micrometer de demping van het signaal ten gevolge van resonantie veel groter is dan de demping, die door verstrooiing wordt veroorzaakt. Dit laatste verschijnsel wordt pas boven : 30 een straal van 300 micrometer significant. Voor andere frequenties verschuiven deze krommen enigszins. Omdat slib-deeltjes in het algemeen afmetingen bezitten in het gebied, waar resonantie overheerst, kan uit de demping als gevolg van resonantie de slibconcentratie worden berekend.

35 In fig. 6-7 is de demping als functie van de temperatuur weergegeven, voor zowel zoet (S=0 ppt; ppt = parts per thousand) als zeewater (S=35 ppt) bij 100 kHz, resp. 200 1 0 0 Q 3 4 7 7 ! kHz. Met betrekking tot de meting van de slibconcentratie kan daaruit het volgende worden geconcludeerd: 100 kHz: demping door sediment: 8. 10'5 dB/m.mg 5 demping door temperatuur: 3. 10'3 dB/m (± 1,5. 10‘3 dB/ra) 200 kHz: demping door sediment: 1,6. 10'4 dB/m.mg 10 demping door temperatuur: 12. 10‘3 dB/m (+ 6. 10‘3 dB/m)

Een verandering van 10°C geeft dus bij 100 kHz hetzelfde effect als een verandering van 20 mg/1 in de kritische 15 slibconcentratie. Bij 200 kHz komt dezelfde temperatuursverandering overeen met een verandering van 40 mg/1 in de kritische slibconcentratie. Hieruit volgt dat de temperatuur eveneens een belangrijke parameter is. Deze temperatuur kan echter direct uit de geluidssnelheid worden bere-20 kend, en de invloed van de temperatuur afhankelijke absorptie van de geluidsgolf door het water kan zodoende automatisch gecompenseerd worden, zodat door de temperatuur geïnduceerde meetfouten worden vermeden.

In fig. 8 zijn verschillende opstellingen van de trans- 2 25 ducenten getekend voor het bepalen van het slibdebiet met behulp van de werkwijze volgens de uitvinding. Fig 8 a en b tonen een enkel akoestisch pad 1 tussen transducenten 2 en 3. De transducenten zijn aan weerszijden van een rivier of kanaal 4 op dezelfde hoogte geplaatst, en zijn in de stro-30 mingsrichting (aangeduid met een pijl) op afstand van elkaar geplaatst. De door de transducent 2 uitgezonden ultra- 2 sone geluidsgolf doorkruist de breedte van de rivier 4 en ‘

wordt ontvangen door de andere transducent 3 aan de overzijde van de rivier 4. Een door de transducent 3 in tegen- I

35 gestelde richting over hetzelfde akoestisch pad 1 uitgezonden geluidsgolf wordt door de transducent 2 ontvangen. De looptijden daarvan worden gemeten. Uit het verschil in - 1009947 - 8 looptijden daarvan wordt de stroomsnelheid van het water in de rivier 4 met behulp van geschikte rekenmiddelen berekend, zoals algemeen bekend is. Verder wordt uit het verschil in signaalsterkte tussen een uitgezonden geluidsgolf 5 en de ontvangen geluidsgolf, de slibconcentratie berekend onder toepassing van de relatie tussen die demping en de slibconcentratie (bijvoorbeeld een tabel of formule), die in de rekenmiddelen kan worden opgeslagen. Het product van stroomsnelheid en slibconcentratie is gelijk aan het slib-10 debiet.

In fig. 8 c-p zijn aan fig. 8 a en b gelijke onderdelen met dezelfde verwijzingscijfers aangeduid. Door het toepassen van meerdere akoestische paden wordt het stromingspro-fiel in de rivier over een grotere hoogte af getast, waar-15 door de nauwkeurigheid van de metingen verbetert. Bij de opstelling volgens fig 8 g en h, resp. fig. 8 o en p zijn de transducenten aan dezelfde zijde van de rivier opgesteld, en is een passieve reflector 5 aan de andere zijde opgesteld.

20 Bij de opstelling met een enkele meetlijn (fig. 8 a en b) of een enkel meetkruis (fig. 8 c en d) wordt de totale slibvracht berekend uit de integraal gemeten momentane vracht, aangevuld met een frequentie afhankelijke dynamische correctiefactor en een van de hoogte van de meetlijn 25 afhankelijke factor.

Bij een zowel in de breedte als hoogte schuin opgesteld dubbel meetkruis (fig. 8 k en 1) wordt de totale slibvracht berekend uit de integraal gemeten momentane vracht, aangevuld met een frequentie afhankelijke dynamische correctie-30 factor.

Bij een zogeheten multipad-opstelling wordt de totale slibvracht berekende uit een sommatie van de individuele momentane deelvrachten per deelgebied, aangevuld met een frequentie afhankelijke dynamische correctiefactor.

35 De hierboven beschreven frequentie afhankelijke dynamische correctiefactor is onder meer evenredig met (p-l)2.s/(s2 + (σ + τ)2 . (c, + c2.V +c3.V2 + c^.aV +c5 .aVz), 1009847 9 waarin de symbolen de reeds eerder genoemde betekenis bezitten en c, - c5 van de rivier afhankelijke coëfficiënten zijn, V de gemeten dynamische snelheid is en aV de gemeten dynamische wervelsterkte is.

5 Voor de meetlijnhoogte afhankelijke correctiefactor, kunnen afhankelijk van de deeltjesgrootteverdeling van slib verschillende modellen worden benut, onder meer dat van Rouse.

1 nnoon “

Claims (10)

1. Werkwijze voor het bepalen van de slibconcentratie in een vloeistof, gekenmerkt doordat de werkwijze de stap-5 pen omvat van: - het uitzenden van ten minste één ultrasone geluidsgolf over een akoestisch pad (1) tussen transducenten (2, 3); - het meten van de demping van het ontvangen signaal 10 van de ultrasone geluidsgolf ten opzichte van het signaal van de uitgezonden geluidsgolf; en - het berekenen van de slibconcentratie uit de gemeten demping.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk dat de frequentie van de ultrasone geluidsgolven in het laag-frequente gebied, bij voorkeur in het gebied van 25 -400 kHz ligt.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk dat de demping van meerdere ultrasone geluidsgolven, uitgezonden en ontvangen tussen transducenten (2, 3) over verschillende akoestische paden (1) wordt gemeten, en daaruit de slibconcentratie wordt berekend. 25

4. Werkwijze volgens één van de voorgaande conclusies 1-3 in stromend water (4), met het kenmerk dat de transdu- I centen (2, 3), gezien in de stromingsrichting van het water (4), op afstand van elkaar zijn geplaatst. 30

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk dat ultrasone geluidsgolven over hetzelfde akoestische pad (l) in tegengestelde richtingen worden uitgezonden, de looptijden daarvan worden gemeten en uit het verschil 35 in looptijd de stroomsnelheid van het water wordt berekend. 1 nnoMT

6. Werkwijze volgens conclusie 5, met het kenmerk dat het slibdebiet wordt berekend uit de stroomsnelheid van het water en de slibconcentratie.

7. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk dat de werkwijze continu wordt uitgevoerd.

8. Werkwijze volgens een van de voorgaande conclusies, met het kenmerk dat ultrasone geluidsgolven met verschiΙ- ΙΟ lende frequenties worden uitgezonden.

9. Inrichting voor het bepalen van de slibconcentratie in een vloeistof, met het kenmerk dat de inrichting ten minste een paar in de vloeistof op te stellen trans- ; 15 ducenten (2, 3) voor het uitzenden en/of ontvangen van ultrasone geluidsgolven over ten minste een akoestisch pad (1) omvat, alsmede met de transducenten verbonden meetmiddelen voor het meten van de signaalsterkte van Z de uitgezonden en ontvangen geluidsgolf, welke verder 20 zijn verbonden zijn met rekenmiddelen voor het bepalen van de slibconcentratie uit de gemeten demping van de signaalsterkte van de ontvangen geluidsgolf ten opzich- ; te van de signaalsterkte van de uitgezonden geluidsgolf. 25

10. Inrichting volgens conclusie 9, met het kenmerk dat de I transducenten (2, 3) in de stromingsrichting van de vloeistof op afstand van elkaar zijn opgesteld, en die “ ultrasone geluidsgolven in tegengestelde richtingen 30 over hetzelfde akoestische pad (1) uitzenden; dat ver- : der met de transducenten (2, 3) verbonden middelen voor z het bepalen van de looptijden van de betreffende geluidsgolven zijn voorzien, alsmede rekenmiddelen voor ~ het berekenen van de stroomsnelheid van de vloeistof. 35 1009847 I