NL8103134A

NL8103134A - GROUNDWATER FLOW METER.

Info

Publication number: NL8103134A
Application number: NL8103134A
Authority: NL
Original assignee: Kv Assoc Inc
Priority date: 1980-06-28
Filing date: 1981-06-29
Publication date: 1982-01-18
Also published as: CA1172872A; SE8104053L; SE441962B; NO155217C; NO155217B; ATA286781A; AT386685B; NO812198L; GB2079470A; GB2079470B

Description

\\

' 'VQ.

D HO/JS/1D HO / JS / 1

Grondwaterstromingsmeter.Groundwater flow meter.

De uitviriding heeft betrekking op de meting van de richting en/of grootte van een stroming in het grondwater teneinde vast te stellen wat het effect voor de omgeving is, b.v. rioolwater op natuurlij]<e watersystemen. Voorts is de 5 uitvinding toepasbaar op een groot gebied waarin de snelheid en/of richting van een vloeistofstroom van belang is. Er zijn veel technieken en systemen ontwikkeld om informatie te verschaffen over de richting en/of grootte van een vloeistof-stroming met inbegrip van systemen die betrekking hebben op 10 een verhitting van een buis waardoorheen een vloeistofstroming plaatsvindt waarbij dan de temperatuur van de bewegende vloeistof stroomopwaarts en stroomafwaarts ten opzichte van de warmtebron wordt gemeten teneinde een hyperbolische meting van de stroomsnelheid te verkrijgen.The invention concerns the measurement of the direction and / or magnitude of a flow in the groundwater in order to determine the effect on the environment, e.g. sewage on natural water systems. Furthermore, the invention is applicable to a wide range in which the velocity and / or direction of a liquid flow is important. Many techniques and systems have been developed to provide information about the direction and / or size of a liquid flow, including systems that involve heating a tube through which a liquid flow occurs, then moving the temperature of the moving liquid upstream and measured downstream of the heat source to obtain a hyperbolic flow rate measurement.

15 Er zijn echter nog geen technieken bekend die een meting omvatten van de verstoring van het thermisch veld dat ontstaat door locaal verhitten van een doorlaatbare massa waardoorheen de vloeistof stroomt teneinde een lineaire meting van de grootte van de vloeistofstroming te verkrijgen.However, no techniques are yet known which include a measurement of the thermal field perturbation resulting from locally heating a permeable mass through which the liquid flows to obtain a linear measurement of the magnitude of the liquid flow.

20 De uitvinding ligt ten grondslag aan het inzicht dat de verstoring van een thermisch veld dat gevormd wordt in een poreus medium waardoor een zeer langzaam stromend grondwater-systeem beweegt, gebruikt kan worden om een lineaire meting - van de hoeveelheid van die stroming te verschaffen. Gebleken 25 is dat indien de temperatuurmetingen uitgevoerd zijn in verschillende zones van het verstoorde veld, teneinde het in kaart te brengen, niet alleen de stromingsazimuth vastgesteld kan worden maar ook de hoeveelheid stroming kan worden vastgesteld.The invention is based on the recognition that the disturbance of a thermal field formed in a porous medium through which a very slow flowing groundwater system moves can be used to provide a linear measurement of the amount of that flow. It has been found that if the temperature measurements have been taken in different zones of the perturbed field, in order to map it, not only the flow azimuth can be determined but also the amount of flow can be determined.

30 In een basisuitvoering wordt het thermische veld ge vormd door de overdracht van een vooraf vastgestelde hoeveelheid warmte-energie naar een in hoge mate plaatselijke zone van een poreus, warmtegeleidend medium waardoorheen het grondwater stroomt. De betreffende plaatselijke zone bevindt zich 8103 134 -2- in het midden van een omringend stelsel temperatuurvoelers.In a basic embodiment, the thermal field is formed by the transfer of a predetermined amount of heat energy to a highly localized zone of a porous, heat-conducting medium through which the groundwater flows. The local zone in question is located 8103 134 -2- in the center of a surrounding set of temperature sensors.

Door het temperatuurveranderingsverschil tussen diametraal t- tegenover elkaar gelegen paren voelers vast te leggen, verschaft het paar dat het grootste verschil aangeeft informatie 5 betreffende de stroomrichting, terwijl de amplitude van het verschil een lineaire indicatie van de grootte van de stroming aanduidt.By recording the temperature change difference between diametrically opposed pairs of probes, the pair indicating the largest difference provides information regarding the flow direction, while the amplitude of the difference indicates a linear indication of the magnitude of the flow.

In een dergelijk systeem werd de warmtebron "gepulseerd" waarna de maximale temperatuurverschillen tussen de paren 10 voelers werden geregistreerd. Het bleek dat over een groot gebied van grondwaterstromingssnelheden de temperatuurverschillen een topwaarde bereikten naar dezelfde tijdsperiode volgend op het beëindigen van de warmtepuls en dat de variatie in maximum temperatuurverschil in de richting van de stroming 15 principieel en lineair, gerelateerd was aan de grootte van de stroming van het grondwater.In such a system, the heat source was "pulsed" after which the maximum temperature differences between the pairs of sensors were recorded. It was found that over a wide range of groundwater flow rates, the temperature differences peaked to the same time period following the termination of the heat pulse and that the variation in maximum temperature difference in the direction of flow 15 was in principle and linear, related to the magnitude of the flow of the groundwater.

De uitvinding wordt aan de hand van de tekeningen verduidelijkt. In de tekeningen toont:The invention is elucidated with reference to the drawings. In the drawings shows:

Figuur 1 een schematische weergave van basiskenmerken 20 van de uitvinding?Figure 1 shows a schematic representation of basic features of the invention?

Figuur 2 een grafiek waarin de lineairiteit tussen het maximum temperatuurverschil en de hoeveelheid stroming is aangeduid;Figure 2 is a graph indicating the linearity between the maximum temperature difference and the amount of flow;

Figuur 3. een schema van een uitvoeringsvorm; 25 Figuur 4 een schematisch aanzicht van een uitvoerings vorm van een taster en de bijbehorende meetschakeling;Figure 3. a diagram of an embodiment; Figure 4 shows a schematic view of an embodiment of a probe and the associated measuring circuit;

Figuur 5 een grafiek van bepaalde eigenschappen van de uitvinding; en - Figuur 6 een schema van een gemodificeerde vorm van 30 het besturingsstelsel.Figure 5 is a graph of certain features of the invention; and - Figure 6 shows a schematic of a modified form of the control system.

In figuur 1 zijn bepaalde principes van de uitvinding aangegeven. Een paar temperatuurvoelers 10 en 12, die in de specifieke constructie de vorm hebben van termistors, zijn aangebracht aan weerszijden van een verwarmingselement 14.In figure 1 certain principles of the invention are indicated. A pair of temperature sensors 10 and 12, which in the specific construction are in the form of termistors, are mounted on either side of a heating element 14.

35 De voelers 10 en 12 alsmede het verwarmingselement 14 worden geplaatst in een poreus, warmtegeleidend medium M waardoorheen de stroming vloeit waarvan de stroomkarakteristieken gemeten moeten worden. In het grondwatersysteem kan het poreuse medium de bodem zelf zijn in welk geval het verwarmingselement 8103 134 • ' -3- en de voeler in de bodem gestoken kunnnen worden. Bij voorkeur zijn het verwarmingselement en de voeler ingebed in een poreus of doorlaatbaar medium om een sonde te verkrijgen teneinde een uniforme en nauwkeurige warmtegeleiding te waar-5 borgen. Wanneer de laatste oplossing wordt gekozen dient de poreuse massa gevormd te zijn van nagenoeg bolvormige uniforme deeltjes met een warmtegeleidbaarheid die aanzienlijk groter is dan die van de vloeistof waarvan de stroming gemeten moet worden, waarbij de deeltjesgrootte niet groter is 10 dan ongeveer 1 mm in diameter en voldoende groot moet zijn teneinde de normale grondwaterstroming niet te verstoren, te verhinderen of negatief te beïnvloeden. Een tijdsbepalend element 16 wordt bediend door passende niet getekende middelen teneinde het verwarmingselement 14 te voeden vanuit 15 de voedingsbron 18 gedurende een vooraf vastgestelde tijdsperiode. Op deze Wijze wordt een vooraf vastgestelde hoeveelheid thermische energie geïntroduceerd waarbij de amperemeter 20 in de leiding naar het verwarmingselement 14 is getekend, waarmede wordt aangegeven dat. de inrichting zodanig is dat 20 een besturingsvermogen wordt gevoerd naar het verwarmingselement 14 zodat het verwarmingselement een vooraf vastgestelde hoeveelheid warmte dissipeert gedurende een vooraf vastgestelde tijdsperiode die wordt bepaald door tijdselement 16. Op deze wijze wordt het verwarmingselement 14 gepulseerd 25 teneinde de poreuse massa M te verwarmen en een thermisch veld tot stand te brengen binnen de stroombaan van de vloeistof waarvan de stromingskarakteristieken worden gemeten. Bij afwezigheid van een stroming is het veld gecentreerd rond de plaats van het verwarmingselement 14 en symmetrisch of van een 30 vooraf vastgestelde vorm ten opzichte van dat midden.The sensors 10 and 12 as well as the heating element 14 are placed in a porous, heat-conducting medium M through which flows the flow whose flow characteristics must be measured. In the groundwater system, the porous medium can be the soil itself, in which case the heating element 8103 134 • '-3- and the sensor can be inserted into the soil. Preferably, the heating element and probe are embedded in a porous or permeable medium to obtain a probe to ensure uniform and accurate heat conduction. When the latter solution is selected, the porous mass should be formed of substantially spherical uniform particles with a heat conductivity significantly greater than that of the liquid whose flow is to be measured, the particle size not exceeding 10 mm in diameter and be large enough not to disrupt, prevent or affect normal groundwater flow. A timing element 16 is operated by appropriate means (not shown) to power the heating element 14 from the power source 18 for a predetermined period of time. In this way, a predetermined amount of thermal energy is introduced with the ammeter 20 drawn in the conduit to the heating element 14, indicating that. the device is such that a control power is applied to the heating element 14 so that the heating element dissipates a predetermined amount of heat during a predetermined period of time determined by time element 16. In this way, the heating element 14 is pulsed to form the porous mass M. heating and establishing a thermal field within the flow path of the liquid whose flow characteristics are measured. In the absence of a flow, the field is centered around the location of the heating element 14 and symmetrical or of a predetermined shape relative to that center.

De beide thermistors 10 en 12 zijn gekoppeld met een passende bron 22 en de beide takken van de schakeling zijn gekoppeld met afzonderlijke voelers 10 en 12 omvattend aanvullend aan de variabele weerstand ten gevolge van de voelers, 35 de weerstanden 24 resp. 26 alsmede een gemeenschappelijk variabel weerstandselement 28 dat geaard is teneinde de andere zijde van de voeding 22 te verbinden. De beide weerstanden 24 en 26 hebben dezelfde waarde en de weerstand 28 is variabel 8103 134 ' -4- tenéinde een gecalibreerd instelpunt of een nulpunt op de voltmeter 30 te verkrijgen bij een vooraf vastgestelde temperatuur van de beide thermistors 10 en 12.Both thermistors 10 and 12 are coupled to a suitable source 22 and both branches of the circuit are coupled to separate probes 10 and 12 including in addition to the variable resistance due to the probes, resistors 24 and 24 respectively. 26 as well as a common variable resistance element 28 grounded to connect the other side of the power supply 22. Both resistors 24 and 26 have the same value and resistor 28 is variable 8103 134 '-4 - in order to obtain a calibrated set point or zero point on voltmeter 30 at a predetermined temperature of both thermistors 10 and 12.

Het eerdergenoemde thermische veld, in de aanwezigheid 5 van een vloeistofbeweging of stroming, zal worden verstoord en de afwijking die daardoor ontstaat zal afhankelijk van de stroomrichting de thermistors 10 en 12 verschillend beïnvloeden. Indien b.v. de stroming horizontaal naar rechts: in fig.1 is, zal de waargenomen temperatuur bij de thermistor 12 hoger 10 zijn dan die op 10 en dit temperatuurverschil wordt gemeten . . door de voltmeter 30 en derhalve ter beschikking staan. De verstoring van het thermische veld veroorzaakt door het verwarmingselement 14 wordt dus in kaart gebracht door de voelers 10 en 12, waarbij de amplitude van de spanning op de meter 30 15 indicatief is voor de mate van afwijking of verstoring van het thermisch veld. Gebleken is dat de verschilmeting op 30 tussen de voelers die diametraal tegenover elkaar liggen aan weerszijden van de plaats van het verwarmingselement .14 van waaruit het thermische veld uitstraalt en waarbij deze dia- 20. metrale ligging gericht is op de richting van de vloeistof-stroming, vrijwel lineair is gerelateerd aan de stroomsnelheid. Dit wordt weergegeven in fig.2, waarin de ordinaat het temperatuurverschil tussen paren thermistors in de richting van de stroming is voor verschillende berekende waarden van 25 de stroming door een poreus waterdoorlatend medium.The aforementioned thermal field, in the presence of a liquid movement or flow, will be disturbed and the deviation resulting therefrom will affect the thermistors 10 and 12 differently depending on the direction of flow. If e.g. the flow is horizontal to the right: in Figure 1, the temperature observed at the thermistor 12 will be higher than that at 10 and this temperature difference is measured. . by the voltmeter 30 and are therefore available. Thus, the thermal field disturbance caused by the heating element 14 is mapped by the sensors 10 and 12, the amplitude of the voltage on the meter 30 being indicative of the degree of deviation or disturbance of the thermal field. It has been found that the difference measurement at 30 between the probes diametrically opposed on either side of the location of the heating element 14 from which the thermal field radiates and wherein this diametrical location is directed towards the direction of the liquid flow , is almost linearly related to the flow rate. This is shown in Figure 2, where the ordinate is the temperature difference between pairs of thermistors in the direction of flow for various calculated values of the flow through a porous water-permeable medium.

Fig.5 toont een andere relatie welke verkregen wordt bij lage grondwatersnelheden zoals in fig.2, te weten dat het maximum temperatuurverschil en derhalve het spanningsverschil tussen de thermistors die op één lijn liggen in de stroom-30 richting optreedt ongeveer drie minuten na het starten van de verwarmingspuis in een verwarmingselement 14 ongeacht de grootte van de stroming binnen het gebied.Figure 5 shows another relationship obtained at low groundwater velocities as in Figure 2, namely that the maximum temperature difference and therefore the voltage difference between the thermistors aligned in the current-30 direction occurs about three minutes after starting of the heating pipe in a heating element 14 regardless of the magnitude of the flow within the area.

Fig.3 toont een praktische uitvoering en toont een schakeling volgens het principe uit fig.1. In fig.3 is een 35 passende externe spanningsbron aangeduid met 32, 34 waarbij de positieve zijde 32 gekoppeld is via een met de hand bediende vermogensschakelaar 36 met de voedingslijn 38. De negatieve zijde 34 van de spanningsbron is gekoppeld via een handbe- 8103 134 -5- dieningsdrukknop 38 met de ingang van de tijdsbepaler 40, zodat wanneer de schakelaar 38 wordt ingedrukt, de tijdsbepaler de voedingsschakeling bedient voor een ingestelde periode van 30.seconden. In de uitvoering volgens fig.3 ver-5 oorzaakt de bediening van de tijdsbepaler 40 een bekrachtiging van de relais spoel 42 teneinde de beide schakelaars 44 en 46 te bedienen, waarbij de schakeling door de solenoxde of de relais, binding 42 gesloten wordt via de NPN 48. De NPN 48 is normaal niet geleidend maar wanneer de tijdsbepaler 555 10 bekrachtigd wordt door het indrukken van de drukknop 38 brengt de uitgang op pen 3 aangegeven door het verwijzingscijfer 50 de transistor 48 onder voorspanning teneinde de winding 42 van het relais te bekrachtigen gedurende een tijdsperiode voor het aftellen van de tijdsbepaler 40. Aangezien de tijdsbe-15 paler algemeen bekend is, is alleen de penverbinding getekend alsmede de noodzakelijke externe componentverbindingen voor het verkrijgen van een 30 seconden durende bekrachtiging van de relaiswinding 42.Fig. 3 shows a practical embodiment and shows a circuit according to the principle of Fig. 1. In Figure 3, a suitable external voltage source is designated 32, 34 with the positive side 32 coupled through a manually operated power switch 36 to the power line 38. The negative side 34 of the voltage source is coupled through a manual 8103 134 -5- operating push-button 38 with the input of timer 40, so that when switch 38 is pressed, the timer operates the power circuit for a set period of 30 seconds. In the embodiment of FIG. 3, operation of timer 40 causes actuation of relay coil 42 to operate both switches 44 and 46, the circuit being closed by the solenoid or relay bond 42 via the NPN 48. The NPN 48 is normally non-conductive but when the timer 555 is energized by pressing the push button 38, the output on pin 3 indicated by the reference numeral 50 biases the transistor 48 to energize the winding 42 of the relay during a time period for counting down timer 40. Since the timer is well known, only the pin connection is shown as well as the necessary external component connections to obtain a 30 second energization of the relay winding 42.

Wanneer de winding 42 wordt bekrachtigd sluit de 20 schakelaar 44 het circuit door het verwarmingselement 14, dat voorzien kan zijn van een passende voedingsbron, b.v. de batterij 52. De voedingsbron voedt een elektrisch weerstands-element 14 corresponderend met het verwarmingselement in fig.When the coil 42 is energized, the switch 44 closes the circuit through the heating element 14, which may be provided with an appropriate power source, e.g. the battery 52. The power source supplies an electrical resistance element 14 corresponding to the heating element in fig.

1, hetwelk echter in fig.3 een afzonderlijke positie inneemt, 25 maar hetwelk in feite centraal gelegen is ten opzichte van het vlakke cirkelvormige stelsel 54 van thermistors 56. Nadat het verwarmingselement bekrachtigd is gedurende een tijdsperiode bepaald door het tijdsbepalende element 40, wordt de relaiswinding 52 afgeschakeld en gaan de schakelaars 44 en 46 naar 30 de in fig.3 met getrokken lijnen aangegeven stand. In deze stand is het verwarmingselement 14 niet langer bekrachtigd en koppelt de schakelaar 46 de hoofdvoedingslijn 38 met de ingangspen van een vloeistofkristalweergave element 58. Het element 58 is een DATEL DIGITAL PANEL METER (1.999V Model 35 DS-3100U2I), met een externe instelmogelijkheid met behulp van een 10K variabele potentiometer.1, which, however, occupies a separate position in FIG. 3, but which is in fact centrally located relative to the planar circular array 54 of thermistors 56. After the heating element is energized for a period of time determined by the timing element 40, the relay winding 52 is switched off and switches 44 and 46 go to the position shown in solid lines in FIG. In this position, the heating element 14 is no longer energized and the switch 46 couples the main power line 38 to the input pin of a liquid crystal display element 58. The element 58 is a DATEL DIGITAL PANEL METER (1.999V Model 35 DS-3100U2I), with an external adjustment capability using a 10K variable potentiometer.

De roterende schakelaar 64 wordt gebruikt om het verschil tussen de analoge hoge en lage ingangen uit diametraal 8103 1 34 -6- tegenover elkander gelegen paren thermistors 56 van het stelsel 54 te meten, hetgeen door de verwijzingscijfers60 en 62 wordt aangeduid. Het stelsel 54 opgebouwd uit voelers omvat een cirkelvormig stelsel rond het gemeenschappelijke 5 midden waar het verwarmingselement 14 gelegen is, zodat, de diametraal tegenover elkander gelegen paren voelers via de schakelaar 64 de respektievelijke hoge en lage ingangen op 60 en 62 verschaffen. De potentiometer 68 is zodanig ingericht, dat de top 66 ingesteld kan worden om een passende referentie-10 spanning voor het element 58 te verkrijgen.The rotary switch 64 is used to measure the difference between the analog high and low inputs from diametrically opposed pairs of thermistors 56 of the array 54, which is indicated by reference numerals 60 and 62. The sensor array 54 comprises a circular array around the common center where the heating element 14 is located so that the diametrically opposed pairs of sensors provide the high and low inputs at 60 and 62 through the switch 64. Potentiometer 68 is arranged so that tip 66 can be adjusted to obtain an appropriate reference voltage for element 58.

Fig.6 toont een halfgeleider versie van dat deel van het elektrische systeem uit fig.3 dat het relais 42, 44, 46 elimineert en een voedingsbron in de vorm van een schakeling in de plaats van de batterij 52 verschaft. Een transistor 48 15 van het type volgens fig.3 blijft behouden en wordt gebruikt bij de diode 100 om de noodzaak voor het mechanisch schakelen te elimineren. De operationele versterker 102, de diode 103, de transistoren 104 en 106 van de typen 1N1711 en Mj300l die gekoppeld zijn volgens Darlington opstelling en de vermenig-20 vuldiger 108 vormen een gelijkspanningsvoedingsbron voor het Verwarmingselement 14 wanneer de tijdsbepalende schakeling wordt bediend. Een gelijkspannings-gelijkspanningsomzetter 110 wordt verschaft voor het verkrijgen van spanningen die nodig zijn voor de elementen 102 en 108. Zoals is vermeld 25 wordt het schakelgedeelte volgens fig.6 alleen aangegeven om te illustreren dat halfgeleideroplossingen de voorkeur verdienen.Fig. 6 shows a semiconductor version of that part of the electrical system of Fig. 3 which eliminates the relay 42, 44, 46 and provides a switching power supply in place of the battery 52. A transistor 48 of the type shown in FIG. 3 is retained and is used at diode 100 to eliminate the need for mechanical switching. The operational amplifier 102, diode 103, transistors 104 and 106 of types 1N1711 and Mj3001 coupled according to Darlington arrangement and multiplier 108 form a DC power source for Heater 14 when the timing circuit is operated. A DC to DC converter 110 is provided to obtain voltages required for the elements 102 and 108. As mentioned, the switching portion of Figure 6 is shown only to illustrate that semiconductor solutions are preferred.

Fig.4 toont een andere uitvoeringsvorm. Een sonde 70 omvat een poreuse massa van deeltjesmateriaal 72 met een 30 warmtegeleidbaarheid van tenminste 10 keer die van water. In de massa is een verwarmingselement 74 en een omringend stelsel voelers 76,78,80,82,84 en 86 ingebed. De voelers 76,80,82 en 86 liggen in een gemeenschappelijk vlak en zijn in diametraal tegenover elkander gelegen paren opgesteld, zijn de voelers 35 76,78,82 en 84 in een tweede vlak loodrecht om het eerste liggen, welke eveneens opgesteld zijn in diametraal tegenover elkander liggende paren, terwijl tenslotte de voelers 78,80, 84 en 86 in een .derde vlak gelegen zijn dat eveneens loodrecht 810 3 134 -7- staat en waarbij dan het verwarmingselement 74 in het midden ligt van het bolvormig oppervlak waarop de verschillende voelers gelegen zijn. Indien de lijn door de voelers 76 en 82 in de noordrichting ligt en de uitgangen van de verschillende 5 voelers gekoppeld zijn als ingangen voor een Χ,Υ,Ζ, vergelij-kingsorgaan en de:computer 88, kan de nauwkeurige richting van de grondwaterstroming door de doorlaatbare structuur 72 tgeregistreefd worden door het mechanisme 90 volgens de bekende Χ,Υ,Ζ oplossingstechnieken. Tegelijkertijd wordt de 10 stroomhoeveelheid berekend door de bepaling van het temperatuurverschil tussen diametraal tegenover elkander gelegen punten in het horizontale vlak bevattende de voelers 76,80, 82 en 86, die op één lijn liggen met de stroomrichting.Fig. 4 shows another embodiment. A probe 70 includes a porous mass of particulate material 72 with a heat conductivity of at least 10 times that of water. A heating element 74 and a surrounding array of sensors 76, 78, 80, 82, 84 and 86 are embedded in the mass. The probes 76, 80, 82 and 86 are in a common plane and are arranged in diametrically opposite pairs, the probes 76, 78, 82 and 84 are in a second plane perpendicular to the first, which are also arranged in diametrically opposite pairs, while the probes 78, 80, 84 and 86 are located in a third plane which is also perpendicular to 810 3 134 -7- and wherein the heating element 74 is in the center of the spherical surface on which the different sensors are located. If the line through probes 76 and 82 is north and the outputs of the different 5 probes are coupled as inputs for a Χ, Υ, Ζ, comparator, and the computer 88, the precise direction of the groundwater flow can be determined by the permeable structure 72 is recorded by the mechanism 90 according to the known Ζ, Υ, Ζ solution techniques. At the same time, the flow amount is calculated by determining the temperature difference between diametrically opposite points in the horizontal plane containing the sensors 76,80, 82 and 86 aligned with the flow direction.

Het doel van de poreuse structuur 72 is niet alleen 15 om nauwkeurig de voelers en het verwarmingselement te positioneren en de juiste warmegeleidbaarheid te verkrijgen teneinde het eerder genoemde thermische veld te vormen maar eveneens om een sonde te verschaffen die bruikbaar is in een verschillend type bodem. Alhoewel de verwarmingselementen en de 20 voelers direct .opgesteld kunnen worden in een bodem met een betrekkelijk fijne structuur teneinde een nauwkeurige meting van de richting en de snelheid van de stroming te verkrijgen, kunnen b.v. bodemstructuren met een grove korrelstructuur onnauwkeurige aflezingen geven vanwege de verstoringen van 25 het thermisch veld tengevolge van de bodemdeeltjes zelf. De poreuse structuur 72 bestaat dus uit een agglomeratie van soortgelijke kléine deeltjes waardoorheen .het grondwater .·.>. stroomt teneinde op uniforme wijze de verschillende voelers te beïnvloeden ten opzichte van het thermische veld ontstaan 30 door het verwarmingselement 74.The purpose of the porous structure 72 is not only to accurately position the probes and the heating element and to obtain the correct heat conductivity to form the aforementioned thermal field, but also to provide a probe useful in a different type of soil. Although the heating elements and the sensors can be directly arranged in a bottom with a relatively fine structure in order to obtain an accurate measurement of the direction and speed of the flow, e.g. soil structures with a coarse grain structure give inaccurate readings because of the disturbances of the thermal field due to the soil particles themselves. Thus, the porous structure 72 consists of an agglomeration of similar small particles through which the groundwater. flows in order to uniformly influence the different sensors with respect to the thermal field generated by the heating element 74.

Het stelsel van de verwarmingselementen en de voelers kunnen direct in de met water verzadigde zone van fijn gravel tot een fijne zandbodem geplaatst worden om de stroming te meten of kunnen worden opgenomen in een eindkap van poreus 35 bolvormig materiaal met een passende doorlaatbaarheid. Water dat beweegt door een onregelmatige gevormde bodem beweegt door het doorlaatbare medium waarin de voelers en de verwarmingselementen zijn opgenomen. De stroming is laminair en bij een 8103 134 ^ -8- normale grondwaterstroming continue (V = 900 cm per dag of minder). Het water stroomt door de poreuse eindkap en is ook daar laminair zonder de vorming van grenslagen tussen de sonde en de met water verzadigde natuurlijke bodem waarin de 5 sonde gestoken is. Er ontstaan geen stagnatiepunten zoals in het geval van een vloeistofstroming rond niet poreuse sondes. Teneinde de richting en de hoeveelheid van de stroming vast te stellen wordt de sonde eerst naar het magnetische noorden gericht. Elk tegenover elkander liggend paar voelers wordt 10 op nul ingesteld of op een stabiel verschil. Zoals fig.1 toont wordt een warmtepuls afgegeven in de bodem welke symmetrisch in alle richtingen beweegt. De natuurlijke laminaire stroming beïnvloedt het thermische veld in de poreuse bodem waardoor de naar buiten gerichte warmtestroming vertraagd 15 wordt tot een maximum in de richting waarin de laminaire stroming direct tegengesteld is aan de warmtestroming, waardoor de naar buiten gerichte stroming tot een maximum wordt gebracht in de richting van de laminaire stroming. Voelers die loodrecht op de richting van de stroming liggen zouden 20 geen variaties tengevolge van de laminaire stroming vertonen, aangezien de verstoring van het thermische veld beweegt door de vaste matrix en voor elk paar dus equivalent zal zijn.The system of the heating elements and the sensors can be placed directly in the water-saturated zone of fine gravel to a fine sandy bottom to measure the flow or can be incorporated in an end cap of porous spherical material with appropriate permeability. Water moving through an irregularly shaped bottom moves through the permeable medium that houses the sensors and heating elements. The flow is laminar and with an 8103 134 ^ -8- normal groundwater flow continuous (V = 900 cm per day or less). The water flows through the porous end cap and is also laminar there without the formation of boundary layers between the probe and the water-saturated natural soil into which the probe is inserted. No stagnation points arise as in the case of a liquid flow around non-porous probes. In order to determine the direction and amount of flow, the probe is first directed to magnetic north. Each opposite pair of probes is set to zero or to a stable difference. As shown in Figure 1, a heat pulse is delivered to the soil which moves symmetrically in all directions. The natural laminar flow affects the thermal field in the porous soil thereby delaying the outward directed heat flow to a maximum in the direction in which the laminar flow is directly opposite to the heat flow, thereby maximizing the outward directed flow in the direction of the laminar flow. Sensors perpendicular to the direction of flow would not show variations due to the laminar flow, since the thermal field perturbation moves through the solid matrix and thus will be equivalent for each pair.

De sonde kan gebruikt worden in natuurlijke poreuse bodems van fijn gravel tot fijn zand. Wanneer de deeltjes-25 grootte die van gemiddeld gravel benadert, wordt de stroombaan te onregelmatig om de richting nauwkeurig te meten. Variaties in de warmtegeleidbaarheid door grote deeltjes (de tussen-deeltje geleidbaarheid) domineert de warmte-overdracht tussen de deeltjes hetgeen aanleiding geeft tot een hoge mate 30 van variabiliteit in het vaststellen van de stroomgrootte.The probe can be used in naturally porous soils from fine gravel to fine sand. When the particle size approaches that of average clay, the flow path becomes too irregular to accurately measure the direction. Variations in the heat conductivity by large particles (the inter-particle conductivity) dominate the heat transfer between the particles, giving rise to a high degree of variability in determining the flow size.

Voor het meten van de stroming in gravel is het dus essentiëel dat de stelsel ingebed wordt in de poreuse massa 72 volgens fig.4 , die samengesteld is uit uniforme bolvormige deeltjes in de grote orde van 1-0.1 mm diameter, zolang de stroomsnel-35 heid door het gravel niet zo hoog is dat deze in hoge mate wordt gehinderd door de doorlaatbaarheid van de poreuse massa.Thus, for measuring the flow in gravel, it is essential that the system be embedded in the porous mass 72 of Fig. 4, which is composed of uniform spherical particles in the order of 1-0.1 mm diameter, as long as the flow speed the gravel is not so high as to be greatly hindered by the permeability of the porous mass.

Het vectorveld aangegeven door de amplitude van de paren voelers kunnen aanvullende informatie verschaffen om- 8103134 -9-.The vector field indicated by the amplitude of the pairs of probes can provide additional information such as 8103134-9.

trent de karakteristieken van de grondwaterstroming buiten de richting en de grootte van de stroming. Voor het eerste voorbeeld wordt aangenomen dat er een uniforme horizontale stroming is waardoor alle vectoren corresponderen met de 5 cosinus van de vector oplossing (of primaire richting van de stroming). Indien de kolom water verticaal gezien instabiel is zullen de vectoren echter afwijken van de cosinus van de richting van de hoofdstroming.trent the characteristics of the groundwater flow outside the direction and magnitude of the flow. For the first example, it is assumed that there is a uniform horizontal flow whereby all vectors correspond to the cosine of the vector solution (or primary direction of the flow). However, if the water column is vertically unstable, the vectors will deviate from the cosine of the main flow direction.

Mathematisch kan dit worden beschreven door de functie: 10 y = a cosinus x waarin y = de grootte van de stroming in een richting (x) a = de grootte van de stroming in de hoofdstroomrichting x = de hoek van afwijking van de richting van de hóofd-stroming.Mathematically, this can be described by the function: 10 y = a cosine x where y = the magnitude of the flow in one direction (x) a = the magnitude of the flow in the main flow direction x = the angle of deviation from the direction of the rapid current.

15 Voor een tweede voorbeeld wordt verondersteld dat indien de watermassa een oscillerend karakter heeft, dat wil zeggen heen en weer beweegt met een periode die kleiner is dan die welke nodig is voor een aflezing, het warmtefluxveld de hoofdcomponenten van die beweging zal beschrijven.For a second example, it is assumed that if the water mass has an oscillating character, ie, moves back and forth with a period less than that required for a reading, the heat flux field will describe the main components of that movement.

20 Indien het water een oscillerend karakter heeft met een periode die aanzienlijk groter is dan die van de tijd welke nodig is voor de meting, b.v. grondwater in kustgebieden die gevoelig zijn voor eb en vloed, kunnen opeenvolgende registraties op passende intervallen uitgevoerd worden ten-25 einde de harmonischen van de oscillatiebeweging te beschrijven.If the water has an oscillating character with a period considerably greater than that of the time required for the measurement, e.g. groundwater in coastal areas that are sensitive to ebb and flow, successive registrations can be made at appropriate intervals to describe the harmonics of the oscillatory motion.

Indien een stelsel van drie sondes ingebracht wordtin ondiep grondwater in een driehoeksopstelling, kunnen de eenheden worden gebruikt om de positie en ongeveer het volume 30 van de verplaatsing van een overdracht van water of vloeistof tussen of nabij het stelsel waar te nemen. Het continue registreren van de onafhankelijke sondes kan de stroomom-standigheden wat betreft de richting en de hoeveelheid vaststellen. Elke plotseling toevoeging van volume aan het grond-35 water creëert een naar buiten gerichte stroming waardoor de vastgelegde hoofdstromingsrichting op de onafhankelijke eenheden verplaatst wordt in een richting die begint bij die van de bron van de verplaatsing en die evenredig is met 8103134 -10- het toegevoegde volume. De waarneming is snel aangezien de ingebrachte vloeistofmassa de voelers niet hoeft te bereiken maar slechts het hoofdverschil behoeft te beïnvloeden tengevolge van de gepropageerde verplaatsing.When a system of three probes is introduced into shallow groundwater in a triangular arrangement, the units can be used to sense the position and approximately the volume of displacement of a transfer of water or liquid between or near the system. Continuous recording of the independent probes can determine the flow conditions in direction and quantity. Any sudden addition of volume to the ground water creates an outward flow that moves the recorded main flow direction on the independent units in a direction starting from that of the source of displacement and proportional to 8103134-10- added volume. The observation is rapid since the introduced mass of liquid does not have to reach the sensors but only has to affect the main difference due to the propagated displacement.

5 In aanvulling aan het waarnemen van een afvoer, kan een driehoekstelsel ook worden gebruikt rond een afvoerput teneinde de beweging binnen een het omgrensde gebied vast te stellen. Met een behandeling van het omtrokken water of verdamping van het verpompte water kan het systeem worden ge-10 bruikt om de plaatselijke grondwaterbeweging te isoleren voor het vormen van een stromingscel zodanig dat geen grondwater-stroming het gebied zal verlaten.In addition to sensing a drain, a triangular array may also be used around a drain to determine movement within the bounded area. With treatment of the circulated water or evaporation of the pumped water, the system can be used to isolate the local groundwater movement to form a flow cell such that no groundwater flow will leave the area.

15 8103 13415 8103 134

Claims

A method for measuring a flow characteristic of a liquid, characterized by heating a localized zone of a heat-conducting medium through which the liquid flows, wherein the heat conductivity of the medium is considerably greater than the heat conductivity of the liquid and measuring the temperature of the medium at least two places away from the localized zone and determining a flow characteristic of the liquid from this measurement. 2. A method according to claim 1, characterized in that the heating takes place by heating the medium for a short period of time on said localized area and then performing the measurement.

Method according to claims 1 or 2, characterized in that the measurement takes place by temperature sensors remote from the localized zone. Method according to claim 3, characterized in that the temperature sensing means are arranged around said localized zone.

Method according to claims 1 or 2, characterized in that the measurement is a maximum temperature measurement.

6. Method for measuring the flow characteristic of a liquid, characterized by determining a thermal field in a porous medium within the liquid to be measured, wherein the heat conductivity of the medium is at least 10 times greater than the heat conductivity of the liquid, measuring the temperature maxima within the different zones of the thermal field, and determining a flow characteristic of the liquid from the measurement.

Method according to claim 6, characterized in that the flow characteristic is the flow direction.

Method according to claim 6, characterized in that the flow characteristic is the speed.

Method according to claim 6, characterized in that 35 'both the flow direction and the flow rate are determined.

10. A method of measuring the direction of flow of a liquid characterized by positioning a porous medium in the flow, said medium comprising a set of temperature sensors and having a heat conductivity much greater than that of the liquid, heating of the medium for short periods of time at a localized location remote from the probes and measuring the temperature maxima at the probes due to the heat introduced after the heating has ended and the flow direction has been determined.

11. Method for measuring the direction and magnitude of the flow of a liquid, characterized by positioning a porous medium in the flowing liquid, which medium comprises a set of temperature sensors and has a heat conductivity much greater than that of the liquid, heating the medium for a short period of time at a localized location remote from the sensors, measuring the temperature maximums at the sensors due to the heat supplied after the heating has ended and determining the direction and magnitude of fluid flow from the measurement.

12. Method for measuring the size of a flow in a liquid, characterized by positioning a porous medium in the flow, which medium comprises a pair of temperature sensors which are spaced apart in the flow direction of the liquid and a has heat conductivity much greater than that of the liquid, heating the medium for a short period of time in a localized location at a distance between the 30 temperature sensors, measuring the temperature maxima differences between the sensors due to the applied heat following termination of heating and determining the size of the liquid flow from the measurement.

13. Device for measuring the flow characteristic of a liquid, characterized by a porous medium through which a liquid to be measured can flow and first means 8103 134 -13- for creating a thermal field in the medium, which field has a has a fixed shape when no liquid is flowing and second means for detecting a deviation of the thermal field from the predetermined shape.

Device according to claim 9, characterized in that the first means comprise a heating element and a circuit for energizing the heating element for a predetermined period of time.

Device according to claim 9 or 10, characterized in that the second means comprise a system of temperature sensors in the medium.

16. Device as claimed in claim 9, characterized in that the first means comprise a heating element and the second means comprise a number of temperature sensors, which sensors are placed symmetrically with respect to the heating element.

17. Device according to claim 12, characterized in that the first means comprise a heating element and a circuit for supplying the heating element for a predetermined time.

18. Device according to claim 15, characterized in that the second means also comprise means for determining the maximum temperature differences between certain pairs of sensors.

19. Device according to claim 16 or 17, characterized in that the second means also comprise means for determining maximum temperature differences between certain pairs of the sensors.

20. Method for obtaining a linear measurement of a capillary groundwater flow characterized by providing a porous mass composed of uniform spherical particles with a diameter within the range of 0.1-1.0 mm and a heat conductivity of at least 35 10 times that of water and with a system of heat probes embedded in the mass and a heating source arranged centrally in relation to the probes, embedding the porous mass in the soil in order to be exposed to the groundwater flow, energizing the well for a predetermined period of time, measuring the maximum differences in temperature experienced between diametrically opposed sensors of the system and determining the groundwater flow as a linear function of the measured maximum temperature differences.

Method according to claim 20, characterized by directing the system such that the aximuths of 10 diametrically opposed pairs of probes are known, wherein the groundwater flow direction is additionally determined. 15 8103134