SE441962B

SE441962B - PROCEDURE AND DEVICE FOR SEALING FLOW SPEED AND / OR FLOW DIRECTION IN A FLUID DRAW

Info

Publication number: SE441962B
Application number: SE8104053A
Authority: SE
Inventors: W B Kerfoot; Jr S M Skinner
Original assignee: Kv Assoc Inc
Priority date: 1980-06-28
Filing date: 1981-06-29
Publication date: 1985-11-18
Also published as: CA1172872A; SE8104053L; NO155217C; NO155217B; ATA286781A; AT386685B; NO812198L; NL8103134A; GB2079470A; GB2079470B

Description

8104053-7 nare, ger det par som registrerar den största avdessa differentialer -information om flödets riktning, medan amplituden av differentialen ger en linjär indikation av flödets storlek. 8104053-7, the pair that registers the largest of these differentials provides information about the direction of flow, while the amplitude of the differential gives a linear indication of the magnitude of the flow.

I ett sådant system "pulserades“ värmekällan, varefter de maximala temperaturdifferentialerna mellan paren av avkännare registrerades.In such a system, the heat source was "pulsed", after which the maximum temperature differentials between the pairs of sensors were recorded.

Det visade sig att inom ett vitt område av flödeshastigheter i grund- vatten, temperaturdifferentialerna nådde maximum efter förloppet av samma tid efter upphörandet av "värmepulsen", och att variationen av maximitemperaturens differential i flödets riktning hade ett i huvudsak lineärt förhållande till grundvattnets flödeshastighet.It was found that within a wide range of groundwater flow rates, the temperature differentials reached a maximum after the same time after the cessation of the "heat pulse", and that the variation of the maximum temperature differential in the flow direction had a substantially linear relationship to groundwater flow rate.

Kort beskrivning av ritningsfigurerna Fig 1 är ett schematiskt diagram som illustrerar vissa grunddrag hos uppfinningen.Brief Description of the Drawing Figures Fig. 1 is a schematic diagram illustrating certain basic features of the invention.

Fig 2 är en kurva som illustrerar lineariteten mellan maximala, temperaturens differential och fluidets strömningshastighet.Fig. 2 is a graph illustrating the linearity between the maximum, the temperature differential and the fluid flow rate.

Fig 5 är en schematisk bild visande en utföringsform av uppfinningen.Fig. 5 is a schematic view showing an embodiment of the invention.

Fig 4 är en schematisk vy illustrerande en utföringsform av ett sond- system och därmed förenade mätkretsar.Fig. 4 is a schematic view illustrating an embodiment of a probe system and associated measuring circuits.

Fig 5 är en kurva som illustrerar vissa egenskaper hos uppfinningen.Fig. 5 is a graph illustrating certain features of the invention.

Fig 6 är ett kretsdiagram visande en modifierad form av styrsystemet.Fig. 6 is a circuit diagram showing a modified form of the control system.

Detaljbeskrivning av uppfinningen Fig 1 visar särskilt vissa principer hos den föreliggande uppfin- ningen. Som framgår av figuren är ett par temperaturavkännande organ 10 och 12, som i det speciella illustrerade utförandet har formen av termistorer anordnade på'motsatta sidor om ett värmande element generellt betecknat med hänvisningsbeteckningen 14. Det förutsättes att de avkännande organen 10 och 12 såväl som värmaren 14 skall an- ordnas i ett poröst värmeledande medium M genom vilket det fluidum strömmar, vars flödeskarakterístika skall mätas. I grundvattensyste- met kan det porösa mediet vara själva marken, i vilket fall den oklädda värmaren och avkännaren kan inneslutas däri. Emellertid in- bäddas avkännarna och värmaren företrädesvis i en porös eller genom- tränglig massa därmed bildande ett sondelement för att säkerställa likform och noggrann värmeledning. När ett sådant arrangemang an- vänds, skall den porösa massan formas av i huvudsak jämnstora sfä- 8-104053-7 riska partiklar med en värmeledningsförmåga som är väsentligen större än hos det fluidum vars flöde skall mätas, varvid partikel- storleken inte är större än ca 1,0 mm i diameter och tillräckligt stor för att inte störa, förvränga eller motverka det normala grundvattenflödet.Detailed Description of the Invention Fig. 1 shows in particular certain principles of the present invention. As can be seen from the figure, a pair of temperature sensing means 10 and 12, which in the particularly illustrated embodiment have the form of thermistors arranged on opposite sides of a heating element, are generally designated by the reference numeral 14. It is assumed that the sensing means 10 and 12 as well as the heater 14 shall be arranged in a porous heat-conducting medium M through which the fluid flows, the flow characteristics of which are to be measured. In the groundwater system, the porous medium can be the ground itself, in which case the uncovered heater and sensor can be enclosed therein. However, the sensors and heater are preferably embedded in a porous or permeable mass thereby forming a probe element to ensure uniformity and accurate heat conduction. When such an arrangement is used, the porous mass shall be formed of substantially uniformly sized spherical particles having a thermal conductivity substantially greater than that of the fluid whose flow is to be measured, the particle size not being greater than about 1.0 mm in diameter and large enough not to disturb, distort or counteract the normal groundwater flow.

I varje fall är med det visade arrangemanget en tidgivare, gene- rellt betecknad med hänvisningsbeteckningen 16, anordnad att akti- veras av lämpliga medel som inte är visade att tillslå värmaren 14 från kraftkällan 18 för en förutbestämd tidsperiod. På detta sätt tillföres en förutbestämd mängd värmeenergi varvid amperemätaren 20 är visad i ledningsförbindelsen med värmaren 14 för att illust- rera detta förhållande, dvs att anordningen är sådan att den ger en styreffekttillförsel till värmaren 14, sådan att värmaren avger en förutbestämd mängd värme till det värmeledande mediet under en för- utbestämd tidsperiod styrd av tidgivaren 16.In each case, with the arrangement shown, a timer, generally designated by the reference numeral 16, is arranged to be activated by suitable means which are not shown to turn on the heater 14 from the power source 18 for a predetermined period of time. In this way, a predetermined amount of heat energy is supplied, the ammeter 20 being shown in the line connection with the heater 14 to illustrate this relationship, i.e. the device is such that it provides a control power supply to the heater 14, such that the heater emits a predetermined amount of heat to it. the heat conducting medium for a predetermined period of time controlled by the timer 16.

På detta sätt "pulseras" värmaren 14 till att värma den porösa massan M och upprätta ett termiskt fält för det fluidum vars flö- deskarakteristika skall mätas. I frånvaron av flöde eller rörelse av fluidum är fältet centrerat kring läget för värmaren 14 och är symmetriskt eller av förut bestämd form med avseende härpå.In this way, the heater 14 is "pulsed" to heat the porous mass M and establish a thermal field for the fluid whose flow characteristics are to be measured. In the absence of flow or movement of fluid, the field is centered around the position of the heater 14 and is symmetrical or of predetermined shape with respect thereto.

De två termistorerna 10 och 12 är förbundna med en lämplig källa 22 och de två grenarna av kretssystemet till de individuella avkännar- na 10 och 12 innefattar, förutom detvariabla motstånd som utövas av avkännarna, resistorerna 24 respektive 26 och ett vanligt varia- belt motståndselement 28 lämpligen jordat såsom visas för att an- sluta till motsidan av tillförseln 22. De två resistorerna 24 och 26 har samma värde, och resistorn 28 är variabel för att åstadkomma en kalibrerad inställningspunkt ellernollpunkt på voltmätaren 50 vid någon förutbestämd temperatur på de tvâ termistorerna 10 och 12.The two thermistors 10 and 12 are connected to a suitable source 22 and the two branches of the circuit system of the individual sensors 10 and 12 comprise, in addition to the variable resistors exerted by the sensors, the resistors 24 and 26, respectively, and a common variable resistor element 28. suitably grounded as shown to connect to the opposite side of the supply 22. The two resistors 24 and 26 have the same value, and the resistor 28 is variable to provide a calibrated set point or zero point on the voltmeter 50 at some predetermined temperature on the two thermistors 10 and 12.

Det tidigare nämnda värmefältet kommer att, i närvaro av rörelse eller strömning av fluidum, förvridas och en avvikelse som motsva- rar detta kommer, beroende på flödets riktning, att differentiellt påverka de båda termistorerna 10 och 12. Om t ex fluidets strömning ligger horisontellt åt höger i fig 1, är den temperatur som avkännes vid och mätes av termistorn 12 högre än den temperatur som avkännes 8_1Û4Û53f- 7 vid 10, och denna temperaturdifferential mätes av voltmetern 50 såsom lätt inses. Formförändringen av det termiska fältet åstadkom- met av värmaren 14 kartläggas sålunda i själva verket av de avkän- nande organen 10 och 12 varvid amplituden på voltavläsningen på mätaren 30 visar graden av avvikelse eller förvridning av det ter- miska fältet. Vi har funnit att den differentiella avläsningen mätt vid 30 mellan avkannarorgan, som är belägna diametralt motsatt var- andra på ömse sidor om platsen för värmaren 14, från vilken det ter- miska fältet utgår och vari denna diametrala orientering har samma nktning som strömmen av fluidet, är väsentligen linjärt relaterad - till flödeshastigheten hos fluidet. Detta illustreras i fig 2, var- vid ordinatan representerar temperaturdifferentialen mellan par av termistorer orienterade längs flödesriktningen för varierade beräk- nade flödesmängder av fluidet genom ett poröst, genomträngligt medium.The previously mentioned heat field will, in the presence of movement or flow of fluid, be distorted and a deviation corresponding to this will, depending on the direction of flow, differentially affect the two thermistors 10 and 12. If, for example, the flow of the fluid is horizontal to right in Fig. 1, the temperature sensed at and measured by the thermistor 12 is higher than the temperature sensed at 10, and this temperature differential is measured by the voltmeter 50 as will be readily appreciated. The deformation of the thermal field caused by the heater 14 is thus in fact mapped by the sensing means 10 and 12, the amplitude of the voltage reading on the meter 30 showing the degree of deviation or distortion of the thermal field. We have found that the differential reading measured at between sensor means, which are located diametrically opposite each other on either side of the location of the heater 14, from which the thermal field emanates and in which this diametrical orientation has the same direction as the flow of the fluid , is substantially linearly related - to the flow rate of the fluid. This is illustrated in Fig. 2, whereby the ordinate represents the temperature differential between pairs of thermistors oriented along the flow direction for varied calculated flow rates of the fluid through a porous, permeable medium.

Fíg 5 visar ett annat samband som råder vid de låga grundvattenhas- tigheter angivna i fig 2, nämligen att topptemperaturens differen- tial och sålunda spänningsdifferentialen mellan termistorer oriente- rade längs flödets riktning såsom tidigare sagts äger rum approxi- mativt tre minuter efter initieringen av värmepulsen vid värmaren 14 oberoende av flödeshastigheten inom det avbildade området.Fig. 5 shows another relationship prevailing at the low groundwater velocities indicated in Fig. 2, namely that the differential of the peak temperature and thus the voltage differential between thermistors oriented along the direction of flow as previously stated takes place approximately three minutes after the initiation of the heat pulse at the heater 14 regardless of the flow rate within the imaged range.

Fig 5 illustrerar en praktisk utföringsform av föreliggande uppfin- ning och visar ett något mer detaljerat elektriskt kretssystem en- ligt de principer som illustreras i fig 1. I fig 5 är en lämplig spänningskälla utifrån antydd vid 32, 34 med den positiva sidan 52 ansluten genom en manuellt manövrerad strömbrytare 56 för kraft till/från med huvudintagslinjen 58. Negativa sidan 34 av källan är förbunden genom en manuell tryckknapp 58'som intagsledning till en tidgivare av typ standard 555 generellt markerad med beteckningen 40, så att när strömbrytaren 38'är nedtryckt tidgivaren aktiverar den konstanta kraftkretsen för en inställd period på 50 sekunder. I utföringsformen i fig 3 orsakar drift av tidgivaren 40 motsvarande magnetisering av reläspolen 42 för aktivering av de två strömbry- tarna 44 och 46 på denna varvid kretsen genom solenoiden eller relä- spolen 42 är fullbordad genom NPN-anordningen generellt betecknad med hänvisningsbeteckningen 48. Anordningen 48 är normalt icke le- 8104053-7 dande men när tidgivaren 555 aktiveras genom nedtryckning av tryck- knappen 58, kommer den utgående effekten vid kontakt nummer 5 därav såsom visas av hänvisningsbeteckningen 50, att slå till transistorn 48 så att reläspolen 42 magnetiseras för tidsperioden fram till att tidgivaren 40 slår ifrån. Då tidgivaren av typ 555 är välkänd, il- lustreras bara anslutningskontakterna därav och de nödvändiga komponentförbindningarna därtill för att åstadkomma en tillslagning av reläspolen 42 under 50 sekunder.Fig. 5 illustrates a practical embodiment of the present invention and shows a slightly more detailed electrical circuit system according to the principles illustrated in Fig. 1. In Fig. 5 a suitable external power source is indicated at 32, 34 with the positive side 52 connected by a manually operated switch 56 for power on / off with the main intake line 58. The negative side 34 of the source is connected by a manual push button 58 'as the intake line to a timer of type standard 555 generally marked with the designation 40, so that when the switch 38' is depressed the timer activates the constant power circuit for a set period of 50 seconds. In the embodiment of Fig. 3, operation of the timer 40 causes corresponding magnetization of the relay coil 42 to activate the two switches 44 and 46 thereon, the circuit through the solenoid or relay coil 42 being completed by the NPN device generally designated by the reference numeral 48. The device 48 is normally non-conductive, but when the timer 555 is activated by pressing the pushbutton 58, the output power at contact number 5 thereof, as shown by reference numeral 50, turns on the transistor 48 so that the relay coil 42 is magnetized for the time period. until the timer 40 turns off. When the timer of type 555 is well known, only the connection contacts thereof and the necessary component connections thereto to effect a switching on of the relay coil 42 for 50 seconds are illustrated.

När spolen 42 magnetiseras, sluter strömbrytaren 44 kretsen genom värmaren 14, som kan förses med en lämplig konstant kraftkälla visad såsom batteriet 52. Den konstanta kraftkretsen matar en elek- trisk motståndsvärmare 14 som motsvarar värmaren med samma beteck- ning i fig 1 men för enkelhetens skull visas i ett separat läge i fig 3 men i själva verket är placerad centralt med avseende på den plana cirkulära grupperingen 54 av termistorelementen 56. Efter det att värmaren har varit tillslagen under en tidsperiod som bestämmes av tidgivaren 40, frånslås reläspolen 52,och strömbrytarna 44 och 46 återvänder till detmed heldragna linjer visade läget i fig 5. I detta läge är inte längre värmaren 14 tillslagen och kontakten 46 förbinder huvudkraftledningen 58 med denkätta kontakten för anslut- ning till spänningskälla på anordningen för indikering med flytande kristaller betecknad generellt med hänvisningsbeteckning 58. Den visade anordningen 58 är en DATEL DIGITAL PANEL METER (1,999V Model DS-31OOU21) med en yttre möjlighet för justering av indikeringsområ- det bestående av en 1ÖK variabel potentiometer.When the coil 42 is magnetized, the switch 44 closes the circuit through the heater 14, which can be provided with a suitable constant power source shown as the battery 52. The constant power circuit supplies an electric resistance heater 14 corresponding to the heater with the same designation in Fig. 1 but for simplicity is shown in a separate position in Fig. 3 but is in fact located centrally with respect to the planar circular array 54 of the thermistor elements 56. After the heater has been turned on for a period of time determined by the timer 40, the relay coil 52 is turned off and the switches 44 and 46 return to the position shown in solid lines in Fig. 5. In this position the heater 14 is no longer switched on and the contact 46 connects the main power line 58 to the direct contact for connection to voltage source on the liquid crystal display device generally designated by reference numeral 58. The device 58 shown is a DATEL DIGITAL PANEL METER (1.999V Model DS-31OOU21) with an external option for adjusting the indication range consisting of a 1ÖK variable potentiometer.

Den roterande strömställaren 64 används för att mäta skillnad mellan de analoga höga och analoga låga insignalerna från diametralt mot- satta par av termistorerna 56 i systemet 54, såsom visats med hän- visningsbeteckningar 60 och 62. Systemet 54 av avkännare omfattar en cirkulär gruppering av dessa kring ett gemensamt centrum där vär- maren 14 är placerad såsom tidigare nämnts, så att de diametralt motsatta paren av avkännare genom roterande kontakten 64 ger de höga resp. låga insignalerna vid 60 och 62 såsom visats. Potentiome- tern 68 är anordnad så att dess topp 66 kan justeras för att ge rätt referensspänningsinmatning till anordningen 58. .81Û4053'7 Fig 6 illustrerar en transistorversion av den del av det elektriska systemet i fig 5 som eliminerar reläerna 42, 44, 46 och har en konstant energikälla som ersätter batteriet 52. Såsom visas har transistorn 48 av den typ som tillämpas i fig 5 bibehållits och används i förbindning med dioderna 100 för att eliminera behovet av mekaniska strömbrytare. Den operativa förstärkaren 102, dioden 105,transistorerna 104, 106 av typerna 1N1711 resp. MJ3001 och an- slutna såsom visas enligt Darlingtons system och multiplikatorn 108 bildar en konstant energikälla för värmaren 14 när tidgivar- kretsen aktiveras. DC-DC-konverten 110 har till syfte att ge de spänningar som behövs för anordningarna 105 och 108. Såsom påpe- kats har kretspartiet visat i fig 6 illustrerats endast för att visa att ett system med enbart halvledare kan vara att föredra.The rotary switch 64 is used to measure the difference between the analog high and analog low inputs of diametrically opposed pairs of the thermistors 56 in the system 54, as shown by reference numerals 60 and 62. The system 54 of sensors comprises a circular array thereof. around a common center where the heater 14 is located as previously mentioned, so that the diametrically opposite pairs of sensors through the rotating contact 64 give the high resp. low inputs at 60 and 62 as shown. The potentiometer 68 is arranged so that its top 66 can be adjusted to provide the correct reference voltage supply to the device 58. Fig. 6 illustrates a transistor version of the part of the electrical system in Fig. 5 which eliminates the relays 42, 44, 46 and has a constant power source that replaces the battery 52. As shown, the transistor 48 of the type used in Fig. 5 has been maintained and used in conjunction with the diodes 100 to eliminate the need for mechanical switches. The operational amplifier 102, the diode 105, the transistors 104, 106 of the types 1N1711 and MJ3001 and connected as shown according to Darlington's system and the multiplier 108 form a constant energy source for the heater 14 when the timer circuit is activated. The purpose of the DC-DC converter 110 is to provide the voltages needed for the devices 105 and 108. As pointed out, the circuit portion shown in Fig. 6 has been illustrated only to show that a semiconductor only system may be preferred.

Fig 4 illustrerar en annan form av uppfinningen för mätning av grundvattenflödet. Ett sondsystem som är betecknat generellt med hänvisningsbeteckningen 70 omfattar en porös massa av partikelfor- mat material betecknat med hänvisningsbeteckningen 72 och har en värmeledningsförmåga åtminstone 10 gånger den hos vatten,och in- bäddade däri är ett värmeelement 74 och ett omgivande system av avkännare 76, 78, 80, 82, 84 och 86. Avkännarna 76, 80, 82 och 86 ligger i samma plan och är anordnade i diametralt motsatta par,medan avkännarna 76, 78, 82 och 84 ligger i ett andra plan vinkelrätt mot det först nämnda planet och åter arrangerade i diametralt motsatta par,och till sist avkännarna 78, 80, 84 och 86 ligger i ett tredje vinkelrätt plan varigenom värmeelementet 74 ligger i centrum av den sfäriska yta på vilken de olika avkännarna ligger. Om nu linjen genom avkännarna 76 och 82 orienteras i norriktningen såsom visats, och utsignalerna från de olika avkännarna är anslutna som insignaler till en X, Y, Z-komparator och dator 88 kan den exakta riktningen av grundvattenflödet genom den genomträngliga kroppen 72 registreras av mekanismen 90 enligt den välkända tekniken med X, Y, Z-lösninge Samtidigt beräknas flödesintensiteten genom fastställande av tempe- raturdifferentialerna mellan diametralt motsatta punkter i horison- talplanet innehållande avkännarna 76, 80, 82 och 86, vilka ligger i samma riktning som flödet. 8104053-7 Syftet med den porösa kroppen 72 är inte bara att noggrant posi- tionera avkännare och uppvärmare och att ge den riktiga värmeled- ningen för att åstadkomma de nämnda termiska fältet men också att skapa en sond som kan vara användbar i olika jordarter. Till exempel, medan uppvärmare och avkännare kan arrangeras direkt i ganska fin- korniga jordar för att få noggrann mätning av riktning och hastig- het hos ett flöde kan grovkorniga jordar ge oexakta avläsningar på grund av omformningar av det termiska fältet orsakade av jordpartik- larna själva. Sålunda består den porösa strukturen 72 av en agglome- ration av små partiklar av lika storlek genom vilken grundvattnet strömmar för att likformigt påverka de olika avkännarna med avseen- de på_det termiska fält som genereras av uppvärmaren 74.Fig. 4 illustrates another form of the invention for measuring groundwater flow. A probe system generally designated by the reference numeral 70 comprises a porous mass of particulate material designated by the reference numeral 72 and has a thermal conductivity at least 10 times that of water, and embedded therein is a heating element 74 and a surrounding system of sensors 76. 78, 80, 82, 84 and 86. The sensors 76, 80, 82 and 86 lie in the same plane and are arranged in diametrically opposite pairs, while the sensors 76, 78, 82 and 84 lie in a second plane perpendicular to the first-mentioned plane. and again arranged in diametrically opposite pairs, and finally the sensors 78, 80, 84 and 86 lie in a third perpendicular plane whereby the heating element 74 lies in the center of the spherical surface on which the various sensors lie. If the line through the sensors 76 and 82 is oriented in the north direction as shown, and the output signals from the different sensors are connected as input signals to an X, Y, Z comparator and computer 88, the exact direction of the groundwater flow through the permeable body 72 can be registered by the mechanism 90 according to the well-known technique with X, Y, Z solutions At the same time, the flow intensity is calculated by determining the temperature differentials between diametrically opposite points in the horizontal plane containing the sensors 76, 80, 82 and 86, which are in the same direction as the flow. 8104053-7 The purpose of the porous body 72 is not only to accurately position sensors and heaters and to provide the proper heat conduction to provide the said thermal field but also to create a probe that can be useful in various soil types. For example, while heaters and sensors can be arranged directly in fairly fine-grained soils for accurate measurement of the direction and velocity of a flow, coarse-grained soils can give inaccurate readings due to transformations of the thermal field caused by the soil particles themselves. . Thus, the porous structure 72 consists of an agglomeration of small particles of equal size through which the groundwater flows to uniformly affect the various sensors with respect to the thermal field generated by the heater 74.

Systemet av värmare och avkännare kan inplaceras direkt i den vatten- mättade zonen i jord bestående av fint grus till fin sand för att mäta hastighet och riktning av grundvattenströmmen eller kan inne- slutas eller inpackas i en ändhätta av poröst sfäriskt material av lämplig genomtränglighet. Vatten som flyter genom de oregelbundna jordporerna flyter genom det genomträngliga substrat i vilket de avkännande elementen och värmaren är placerade. Strömmen är laminär och kontinuerlig under normala förhållanden för grundvattenströmmar (V = 10 m per dag eller mindre), och flödehgenom den porösa ändhät- tan fortsätter att vara laminärtutan bildning av några gränsskikt mellan sonden och den vattenmättade naturliga jorden i vilken son- den är nedsänkt. Ingen stagnationspunkt existerar såsom fallet är vid fluidumströmning runt icke-porösa sonder. För att avkänna rikt- ning och storlek av flödet orienteras sonden först mot magnetiska nordpolen. Varje motstående par av avkännare inställes till noll eller en fast registrerad skillnad. Såsom visas i fig 1 matas en värmepuls in i det porösa substratet och rör sig symmetriskt utåt i alla riktningar. Det naturliga laminära flödet av grundvatten på- verkar det termiska fältet i det porösa fasta materialet, fördröjan- de värmeflödet utåt vid ett maximum i den riktning i vilken laminär strömning är direkt motriktad värmeflödet och förstärkande flödet utåt vid ett maximum i samma riktning som det laminära flödet. Av- kännare som ligger vinkelrätt mot flödesaxeln skulle inte visa nå- gon variation på grund av laminärt flöde, eftersom distorsionen av det termiska fältet som rör sig genom den fasta kärnan skulle för- 8104053-7 bli ekvivalent för var och en.The system of heaters and sensors can be placed directly in the water-saturated zone in soil consisting of fine gravel to fine sand to measure the velocity and direction of the groundwater flow or can be enclosed or wrapped in an end cap of porous spherical material of suitable permeability. Water flowing through the irregular earth pores flows through the permeable substrate in which the sensing elements and the heater are located. The current is laminar and continuous under normal conditions for groundwater currents (V = 10 m per day or less), and flow through the porous end cap continues to be laminar without the formation of any boundary layers between the probe and the water-saturated natural soil in which the probe is immersed. . No stagnation point exists as is the case with fluid flow around non-porous probes. To detect the direction and magnitude of the flow, the probe is first oriented towards the magnetic north pole. Each opposing pair of sensors is set to zero or a fixed registered difference. As shown in Fig. 1, a heat pulse is fed into the porous substrate and moves symmetrically outwards in all directions. The natural laminar flow of groundwater affects the thermal field in the porous solid material, delaying the outward heat flow at a maximum in the direction in which laminar flow is directly opposite the heat flow and amplifying the outward flow at a maximum in the same direction as the laminar the flow. Sensors perpendicular to the flow axis would not show any variation due to laminar flow, as the distortion of the thermal field moving through the solid core would be equivalent for each one.

Sonden kan användas i naturliga porösa jordar från fint grus till fin mjälig sand. När partikelstorleken närmar sig nedelgrovt grus blir vägarna för flödet mellan kornen för oregelbundna för att medge noggrann riktningsmätning. Även gäller att variationer i värmeledning genom stora partiklar (intrapartikulär ledning) domi- nerar värmetransport mellan partiklarna (interpartikulär ledning), vilket leder till stora variationer vid uppskattning av flödets ' storlek. Sålunda, för att mäta flödeshastigheter i grus är det vä- sentligt att systemet inbäddas i den porösa massan 72 såsom visas i fig 4, varvid massan 72 är sammansatt av likformiga sfäriska par- tiklar inom storleksområdet 1-0,1 mm i diameter, så länge som flö- deshastigheten genom gruset inte är så hög att den blir i hög grad hindrad av genomträngligheten av den porösa massan.The probe can be used in natural porous soils from fine gravel to fine floury sand. As the particle size approaches coarse gravel, the paths of the flow between the grains become too irregular to allow accurate directional measurement. It also applies that variations in heat conduction through large particles (intraparticle conduction) dominate heat transport between the particles (interparticle conduction), which leads to large variations in estimating the size of the flow. Thus, in order to measure flow rates in gravel, it is essential that the system be embedded in the porous mass 72 as shown in Fig. 4, the mass 72 being composed of uniform spherical particles in the size range 1-0.1 mm in diameter, so as long as the flow rate through the gravel is not so high that it is greatly hindered by the permeability of the porous mass.

Det vektorfält som indikeras av amplituden hos motstående par av värmeavkännare kan ge ytterligare information om karakteristika hos grundvattenflödet förutom riktningoch storlek av flödet. Om enligt ett första exempel ett homogent horisontellt flöde förekom- mer, motsvarar alla vektorer cosinus för vektorupplösningen (eller den primära riktningen av flödet). Om emellertid vattenpelaren är ver- tikalt ostadig, kommer vektorerna att avvika från cosinus för huvud- flödets riktning.The vector field indicated by the amplitude of opposing pairs of heat sensors can provide additional information about the characteristics of the groundwater flow in addition to the direction and magnitude of the flow. If, according to a first example, a homogeneous horizontal flow occurs, all vectors correspond to the cosine of the vector resolution (or the primary direction of the flow). However, if the water column is vertically unstable, the vectors will deviate from the cosine of the direction of the main flow.

Detta beskrives matematiskt av funktionen: Y = aoosx där; Y = flöaesmangaen i en riktning (x) a = flödesmängden i flödets huvndriktning x = avvikningsvinkeln från flödets huvudriktning.This is described mathematically by the function: Y = aoosx there; Y = the flow manga in one direction (x) a = the amount of flow in the main direction of the flow x = the deviation angle from the main direction of the flow.

Om såsom ett andra exempel vattenmassan har en osoillerande rörelse och rör sig fram och tillbaka med en period som är mindre än för en gavläsning, kommer värmeströmningsfältet att beskriva huvudkomponen- terna för denna rörelse.If, as a second example, the body of water has an osoilating motion and moves back and forth with a period less than for a gable reading, the heat flow field will describe the main components of this motion.

.Om vattenmassan oscillerar med en period som är väsentligen längre än den tid som erfordras för mätning, såsom grundvatten i kustområ- den underkastade verkan av tidvattnet, kan successiva avläsningar vid lämpliga intervall användas för att beskriva "ÖVerf0nêIna" för den oscillerande rörelsen. 8104053-7 Slutligen, om ett system av tre sondenheterinföres i grunt ytligt grundvatten i ett triangulärt arrangemang, kan enheten användas ﬁr att upptäcka läget och den approximativa volymen av förflytt- ningen av en övergående avtappning av vatten eller vätska som sker inom eller i närheten av systemet. En kontinuerlig registrering av de oberoende sonderna kan fastställa den underliggande flödesbil- den med avseende på hastighet och riktning. Vilken som helst plöts- lig addition av volym till grundvattenytan skapar en utåtgående rusning av grunt grundvattensom förändrar den registrerade huvud- sakliga flödesriktningen vid de oberoende enheterna i en riktning härrörande från den hos källan till förändringen och proportionell mot den tillförda volymen. Avkänningen är ganska snabb, eftersom den tillförda vätskemassan inte behöver nå fram till avkännarna, endast tryckdifferentialen beroende påﬁen utförda undanträngningen.If the body of water oscillates with a period that is substantially longer than the time required for measurement, such as groundwater in coastal areas subject to the action of the tide, successive readings at appropriate intervals can be used to describe the "overruns" of the oscillating motion. Finally, if a system of three probe units is inserted into shallow shallow groundwater in a triangular arrangement, the unit can be used to detect the location and approximate volume of the movement of a transient discharge of water or liquid occurring within or near the system. A continuous recording of the independent probes can determine the underlying flow pattern with respect to velocity and direction. Any sudden addition of volume to the groundwater surface creates an outward rush of shallow groundwater which changes the recorded principal flow direction at the independent units in a direction derived from that of the source of the change and proportional to the volume added. The sensing is quite fast, since the supplied liquid mass does not have to reach the sensors, only the pressure differential due to a displacement performed.

Utöver upptäckande av en avtappning kan en triangulär uppsättning även användas för att omge en avtappningskälla för att tillförsäkra rörelse inom områdets gränser. Antingen med behandling av det av- ledda vattnet eller avdunstning av det pumpade vattnet kan övervak- ningssystemet användas för att isolera den lokala grundvattensför- flyttningen för att bilda en flödesoell, så att inget grundvattens- flöde lämnar området.In addition to detecting a drain, a triangular set can also be used to surround a drain source to ensure movement within the boundaries of the area. Either with treatment of the discharged water or evaporation of the pumped water, the monitoring system can be used to isolate the local groundwater movement to form a flow cell, so that no groundwater flow leaves the area.

Claims

31 040 53- 7 10 Patent claims

A method for measuring flow rate and / or flow direction in fluid flow, useful even at very low flow rates, and in particular for measuring a groundwater flow, characterized in that it comprises the following steps: a) providing a heat conducting porous medium, b heating, by means of a heat pulse for a short period of time, a limited area of said thermally conductive, porous medium through which a fluid flows, the thermal conductivity of the medium being substantially greater than the thermal conductivity of the fluid, and c) measuring the temperature of the porous the medium after said time period at at least two areas remote from said restricted area, the transport of the heat originating from the heat pulse from the restricted area to said at least two areas taking place substantially through the porous medium, and determining the flow rate and / or the direction of flow of the fluid from: this.

2. A method according to claim 1, characterized in that the measuring step (c) is performed by means of electrical temperature sensing means placed at a distance from said area.

3. A method according to claim 2, characterized in that the temperature sensing means are arranged in a grouping surrounding said area.

4. A method according to claim 1, characterized in that the measuring step (c) is a measurement of peak temperature.

5. A method according to claim 1, characterized in that the heating establishes a thermal field represented by temperature peaks in the porous medium arranged inside the fluid during measurement, that the thermal conductivity of the medium "in solos" is at least 10 times greater than the thermal conductivity of the fluid , that the measurement of temperature peaks takes place in different areas of the thermal field, and that a determination of a flow characteristic of the fluid by means of these measurements is performed.

6. A method according to claim 5, characterized in that the flow characteristic determined is the flow direction.

7. A method according to claim 5, characterized in that the flow characteristic well determined is the flow rate.

8. A method according to claim 6, characterized in that both the flow direction and the flow rate are determined.

9. A method according to claim 1, characterized in that the porous medium is arranged in the flowing fluid, that said medium contains an array of temperature sensors, that said limited position where the heating is performed is at a distance from said sensors, that by the heating temperature peaks are formed, that the temperature peaks are measured at the sensors due to the supplied heat after cessation of the heating, and that the determination of the direction of the flow of the fluid takes place by means of these measurements.

10. A method according to claim 9, characterized in that both the flow direction and the flow rate are determined.

11. A method according to claim 1, characterized in that said porous medium contains a pair of temperature sensors separated in the flow direction of the fluid whose flow rate is to be measured, that the heating of the medium is performed in a limited position located between said temperature sensors, wherein the heating causes differential temperature peaks, that the peak temperature difference between said sensors due to the heat supplied is stopped after cessation of the heating, and that the flow direction and the flow rate of the fluid are determined by these measurements.

An apparatus for performing the method of claim 1 for determining the flow rate and / or flow direction of a fluid flow, comprising: A porous medium (5, 72) through which the fluid being examined can flow, first means ( 14, 74) for establishing a thermal field in the medium, which field is of a predetermined shape of a flowing fluid, and other means (10, 12, S6, 76, 78, 80, 82, 84, 86) for determining a deviation of the thermal field from the predetermined shape, characterized in that the porous medium has a thermal conductivity substantially greater than the thermal conductivity of the fluid, and that said first means (14, 74) are arranged to heat a limited area of the medium for a short period of time.

Device according to claim 12, characterized in that said second means comprise a system of temperature sensors (10, 12, 56, 76, 78, 80, 82, 84, 86) arranged within said medium (M , 72).

Device according to claim 12 or 13, characterized in that said first means comprise a heater (14, 74), and that said second means comprise a number of temperature sensors (10, 12, 56, 76, 78, 80, 82, 84, 86) placed symmetrically with respect to the heater.

15. A device according to any one of claims 12-14, characterized in that said first means comprises a heater (14, 74) and circuits for supplying energy to the heater for a predetermined time. 8104053-7 13

Device according to any one of claims 12-15, characterized in that said second means also comprise means for determining the differentials of peak temperatures between certain pairs of sensors.