WO1994024522A1 - Process, arrangement and device for determining the flow of an open-surfaced liquid - Google Patents

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WO1994024522A1
WO1994024522A1 PCT/DE1994/000445 DE9400445W WO9424522A1 WO 1994024522 A1 WO1994024522 A1 WO 1994024522A1 DE 9400445 W DE9400445 W DE 9400445W WO 9424522 A1 WO9424522 A1 WO 9424522A1
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bubbles
blind hole
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PCT/DE1994/000445
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Wolfgang Frey
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Wolfgang Frey
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Definitions

  • the invention relates to a method for determining the outflow of a liquid flowing with a free mirror in a channel using gas bubbles as the measuring medium, and to an arrangement and a device for carrying out the method.
  • velocity-area methods are used, which measure the velocity field in a channel flow at great expense for various outflows in order to derive a water level-outflow relationship, i.e. to construct a discharge curve and ultimately to be able to draw conclusions about the discharge curve.
  • the invention is therefore based on the object of creating a method for determining the outflow with a high temporal resolution of the type mentioned at the outset, with which outflows can be carried out directly and without loss with a high degree of accuracy, in particular at low flow rates, in a clear mirror flowing liquids can be determined. Furthermore, the invention is directed to an arrangement for carrying out the method and a device for generating defined gas bubbles as a measuring medium for the method.
  • the solution according to the invention in the method mentioned at the outset is that a time sequence of individual gas bubbles is generated by means of diffusers which are spatially distributed over a cross-sectional area of the bottom of the channel, the gas bubbles being of such a size that they have an almost constant rate of climb of ascending the bottom of the channel up to its surface, at least one image of the horizontal drift of the gas bubbles on the surface of the channel is recorded by means of at least one optical image sensor arranged outside of the liquid, and that the at least one image taken to determine the outflow of the channel is evaluated by means of an image processing unit.
  • an essential element of the invention for the precise determination of the outflow over an entire cross-sectional area having a two-dimensional flow profile of a liquid flowing with a free mirror by means of the rapid measuring method according to the invention is the suitable size of the gas bubbles , which is to be chosen in such a way that the gas bubbles integrate the height profile of the flow velocity in the flume in the vertical line during the ascent.
  • the drift measured on the surface serves as the measured value for the path integral of a gas bubble.
  • the outflow is determined from the measured transverse distribution of the drift of gas bubbles from many diffusers.
  • the spatial arrangement of the diffusers on the bottom of the channel can be made as desired.
  • the Image processing and evaluation for determining the outflow is advantageously simplified in that the diffusers are arranged next to one another in a row running transversely to the flow direction of the channel.
  • the method according to the invention can be used to measure the outflow of any liquids.
  • the most important practical application is that for measuring the runoff of channels, the majority of which consists of water, the other components being admixtures, impurities or foreign substances. In these cases, it is generally the cheapest for cost reasons if the gas bubbles are air bubbles. In special applications, however, other gases, such as Helium or nitrogen can be used.
  • any gas can be used, the bubbles of which meet the requirements with regard to the rate of ascent and the compatibility with the liquid.
  • air bubbles are mentioned in the following, this applies to any gas bubbles without restriction of generality with corresponding modifications.
  • Exemplary applications of air bubbles in water are mentioned.
  • the size of any gas bubbles in any liquids can be measured in a corresponding manner. If necessary, experimental investigations of the rate of ascent can also be carried out for this purpose.
  • an advantageous embodiment of the invention is that the air bubbles have an equivalent bubble diameter of between 3 mm and bubble volumes of the same volume and 10 mm, particularly advantageously about 4.5 mm. These air bubbles meet in a particularly good way the requirement of an approximately constant rate of climb.
  • a video camera for example a CCD camera
  • the optical image recorder can have the advantage that the image can be processed and evaluated digitally.
  • the advantages achieved by the invention are, in particular, that with the method according to the invention and the arrangement according to the invention described below, backflow phenomena and backflows, such as occur regularly in sewer systems, can also be detected, and the direction of flow can be determined and the volume flow in the relevant direction can be determined at any time.
  • the measuring method according to the invention allows the detection of unsteady flows due to the very short measuring time. It measures the discharge directly, without the knowledge of the flow velocity and the flow cross-section being required. Depending on the spatial arrangement of the diffusers, the entire flow cross section can be recorded at the same time without impairing any shipping traffic.
  • the diffusers it is also possible not to arrange the diffusers over the entire cross-section of the channel or not to arrange them directly on the bottom of the channel and to take account of the cross-sectional components not recorded during the measurement in the calculation of the discharge.
  • the arrangement of the diffusers at a distance from the base can be particularly advantageous if the gas bubble formation or its ascent would be disturbed by special features of the base of the channel, such as, for example, existing silt or vegetation.
  • a further advantage of the invention is that influences such as the density and the suspended matter content of the liquid and the temperature of the measuring medium can be taken into account.
  • outflows at the respective measuring location, the direction of flow and thus also occurring transient flow processes can thus be recorded over any period of time.
  • outflows can be measured and recorded directly in natural as well as in artificial channels, regardless of their flow cross-sectional geometry.
  • the proposed invention can thus be used in rectangular, triangular, trapezoidal and, with corresponding adaptations, also in circular, egg-shaped and channel-shaped channel cross sections.
  • the discharge can also be determined and measured in graded, structured discharge cross-sections across the width of the channel.
  • the invention is particularly suitable for applications in which the liquid flows slowly, that is to say for channels in which the flow velocity of the liquid is less than 1 m / s, in particular less than 0.05 m / s.
  • the operating areas of municipalities, municipalities and cities responsible for the wastewater can not only use the measuring method to measure the outflows at any place in the collecting channels of the city drainage system, but also quantify the proportion of untreated wastewater behind rain retention basins and rain overflow basins after heavy rainfall, the receiving water must be fed directly.
  • Industrial companies can use the measuring method not only to document the wastewater discharges into the receiving water that have been approved for them, but also to control the outflows in internal water cycles.
  • the volume flow determines the quality and efficiency of the recovery process. It can be determined with the measuring method in the free-flowing channels of such companies with high measuring accuracy.
  • Outflows from built-up and paved areas are fed to the sewage treatment plants or directly to the receiving waters in artificial free-flowing channels. They can be determined with the measuring method at the point of introduction.
  • the water drainage from rinsing fields depends on the type of silt rinsing and the duration of storage of the silt. This unsteady outflow can be determined in the collecting channels which follow the flushing springs using the measuring method. The same applies to the drainage drains from landfill leachate and the wastewater drains arising from the dewatering of sewage sludge.
  • Precise discharge measurements are required not only in the field of wastewater technology.
  • Another area of application for the discharge measurement method is in the discharge measurement of additional water to increase the low water level of the receiving water.
  • the aim here is to optimize the proportion of high-quality feed water that is often of drinking water quality.
  • the inflow into the receiving water can be measured directly in front of the discharge structures.
  • a further area of application of the discharge measurement method according to the invention is the discharge measurement in supply channels in the case of overflow irrigation (wild trickling, regulated surface flooding, etc.), strip and furrow irrigation in cultivated agriculture.
  • overflow irrigation wild trickling, regulated surface flooding, etc.
  • strip and furrow irrigation in cultivated agriculture.
  • the watering is to be controlled in such a way that the plant water requirements are met.
  • the diffusers are arranged next to one another in a row running transversely to the flow direction of the channel or that an illumination device is provided for illuminating the surface of the channel in the area of the ascending gas bubbles.
  • a further advantageous embodiment can be that a support structure for holding at least one of the at least one image sensor is provided in a position from which an image of the ascending gas bubbles can be taken.
  • the position of the image sensor is preferably in the air space above the surface of the liquid. If this is not possible, the image sensor can also be arranged on the side of the channel, for example on the bank.
  • a storage medium can be connected to the at least one image recorder, with which the at least one recorded image can be stored for determining the outflow of the channel and can be supplied to an image processing unit.
  • Injection cannulas from 0.2 mm diameter From 0.2 mm diameter.
  • the invention is therefore based on the further problem of creating a device for carrying out the method according to the invention with a diffuser for generating gas bubbles of defined and constant size in a liquid, to which the bubbles required to generate a clear bubble trace are generated in sufficient numbers per unit of time form, whereby it is ensured that the bubble formation is absolutely uniform in size and frequency.
  • a diffuser which has a gas inlet with an inlet opening for the supply of the gas, a gas outlet with an outlet opening for the outlet of the gas bubbles and a gas channel connecting the gas inlet and the gas outlet, in the gas channel one in the flow direction of the gas a throttle located downstream of the inlet opening for throttling the gas flow is arranged with a throttle opening, part of the gas channel being formed by a blind hole which extends from its bottom towards its open end in the direction of the gas outlet extends, the inlet point of the gas channel, at which the gas flowing from the throttle downstream into the blind hole enters the blind hole, being arranged at a point in the blind hole from which the gas at least a portion of the blind hole downstream in the direction of flows through the gas outlet, and wherein the blind hole at the inlet point an S acklochquerites which is larger than the opening area of the throttle opening.
  • the opening area of the throttle opening is in the range from 0.002 mm 2 to 0.785 mm 2 .
  • the blind hole advantageously has a diameter in the range from 1 mm to 8 mm, preferably approx. 2 mm, and a length in the range from 2 mm to 80 mm, preferably approx. 14 mm.
  • the gas outlet comprises an expansion recess arranged in the diffuser, which has an inner end upstream of the gas flow and a downstream outer end, the open end of the blind hole being connected to the inner end of the expansion recess and the diameter of the expansion recess at the outlet opening of the gas outlet is larger than the diameter of the open end of the blind hole.
  • the expansion recess advantageously has a diameter between 2 mm and 10 mm, preferably approximately 3 mm, and a length in the flow direction of the gas between 1 mm and 15 mm.
  • the expansion recess can be cylindrical. In a preferred embodiment, however, it can also have a course, for example conical, which widens from its inner end to its outer end. It can be advantageous if the diameter of the inner end of the expansion recess corresponds to that of the open end of the blind hole.
  • the expansion recess advantageously has a diameter in the range between 1 mm and 8 mm, preferably approximately 2 mm, at its inner end and a diameter in the range between 2 mm and 10 mm, preferably approximately 4 mm, at its outer end.
  • the length of the expansion recess is advantageously approximately 1 mm.
  • the throttle and the blind hole and, if appropriate, the expansion recess be embedded in a carrier part. are worked.
  • the carrier part is shaped like a screw and has a thread for screwing in.
  • the carrier part can be made of steel, stainless steel, plastic or another material suitable for use in the respective liquid and with the respective gas, for example made of non-ferrous metal, glass or ceramic.
  • the throttle has a cannula.
  • a wire is arranged in the opening of the cannula. The wire reduces the opening cross section of the cannula, which is advantageously in the range from 0.007 mm 2 to 0.013 mm 2 , preferably from approximately 0.01 mm 2 , the wire having a cross section in the range from 0.0070 mm 2 to 0.0086 mm 2 , preferably about 0.0078 mm 2 .
  • the cannula can have an opening cross section in the range from 0.002 mm 2 to 0.003 mm 2 , preferably from approximately 0.0025 mm 2 .
  • the cannula can advantageously consist of stainless steel, plastic or glass.
  • Stainless steel, spring steel or glass can preferably be provided for the material of the wire.
  • the diffuser according to the invention has the advantage that it is necessary to produce a clear bubble trace A sufficient number of gas bubbles can be formed per unit of time, ensuring that the size and frequency of the bubble formation is uniform so that it can supply the gas bubbles required as the measuring medium in the method and the arrangement according to the invention as the measuring medium.
  • it is preferably designed such that the gas bubbles generated have an equivalent bubble diameter, based on the volume of the same bubbles, of between 1 mm and 20 mm, preferably between 3 mm and 10 mm and particularly preferably about 4.5 mm.
  • the measurement can be carried out on the basis of the preferred dimensions described or by experimental investigations.
  • Fig. 1 is a graphical representation of the vertical
  • FIG. 3 shows an enlarged detail "X" according to FIG. 2,
  • FIG. 5 an air bubble depicted as a flattened rotational ellipsoid
  • 6 shows a schematic perspective illustration of the arrangement according to the invention for carrying out the method
  • FIG. 8 shows a basic illustration of a diffuser according to the invention in section
  • FIG. 10 shows a basic illustration of a further modified diffuser according to the invention in section.
  • FIG. 1 shows a graphical representation of the vertical flow velocity profile VP in a channel as a function of the height y between the sole 8 and the surface 13.
  • FIG. 2 the characteristic ascent path AB of air bubbles 12 in a water channel is shown in FIG Invention shown.
  • the air bubbles 12 are driven away by the drift S by the liquid flow on their way from the sole 8 to the surface 13.
  • a detail at X in FIG. 2, which is explained in more detail below, is shown in FIG. 3.
  • the measuring method according to the invention is based on the principle of the so-called "integrating Schwi measurement".
  • gas bubbles of a suitable size rise from the bottom 8 in a channel 14, being driven off at every point during the ascent by the amount which corresponds to the local speed (cf. FIG. 2).
  • At least one image of the ascending gas bubbles floating on the surface 13 is recorded, for example with the aid of a video camera 5, and the image is then digitally processed.
  • the method measures the discharge directly, without knowing the flow rate and the flow cross-section.
  • the method according to the invention is based on physical considerations from the field of fluid dynamics, which are defined by the following equations and illustrated using the graphical representations according to FIGS. 1 to 5:
  • the integral f ds corresponds to the distance S, and represents the drift of an ascending gas bubble reaching the surface (FIG. 2).
  • the specific outflow q is therefore directly proportional to the drift S.
  • 4 shows measurement results of the rate of rise u g of air bubbles 12 in pure and contaminated water (cf. Clift, Grace and Weber, 1978, Bubbles, Drops and Particles. ACADEMIC PRESS, New York, San Francisco, London). 4 shows the rate of climb u s as a function of the equivalent bubble diameter d orf .
  • the entire area shown is divided into three sub-areas, namely in the area Bl of the spherical bubbles, area B2 of the ellipsoid-like bubbles and area B3 of the screen bubbles.
  • the designation DW stands for "distilled water” and the designation LW for "tap water”.
  • the equivalent diameter d orr that an air bubble 12 rising in water may assume to a maximum, so that the bubble still behaves like a rigid ball, is approximately 0.2 mm (cf. BAUER 1971, Basics of Single-Phase and Multi-Phase Flows, Sauerators AG, Aaran).
  • the shear stress at the phase interface inside the bubble causes a circulation flow. Since the velocity gradient at the movable phase interface is smaller than at the rigid one, the shear stress at the interface is reduced and thereby the resistance is reduced. Accordingly, the rate of climb u s of large bubbles is higher than that of rigid balls of the same shape.
  • the bubble deforms with a further increase in the equivalent bubble diameter d or to a flattened ellipsoid of revolution (FIG. 5).
  • the rate of climb u s of this bubble two influences acting in the opposite direction must be taken into account.
  • the mobility of the phase surface contributes to increasing the rate of climb u s
  • the vortices which occur periodically behind the flattened ellipsoid of rotation cause a tumbling movement, so that the bubble rises on a screw-like path.
  • the rate of climb is u s thus smaller than the actual web speed (see FIG. BAUER, 1971, Fundamentals of Single-phase and multi-phase flows, Sauerators AG, Aaran).
  • a further increase in the equivalent bubble diameter d__ leads to the conversion of the bubble shape from the ellipsoid of rotation to the so-called "umbrella bubble” and an increase in the rate of climb.
  • is the surface tension between water and air (cf. CLIFT, GRACE, WEBER, 1978 , Bubbles, Drops and Particles; ACADEMIC PRESS, New York, San Francisco, London).
  • the method of determining the discharge according to the invention has been successfully investigated for the measurement of small and at the same time fluctuating discharges with changing water levels in the following example.
  • the measurements simulate a typical use of the discharge measurement method, as it would result in the different areas of application mentioned above.
  • FIG. 6 An advantageous arrangement for carrying out the method according to the invention is described below with reference to FIG. 6.
  • a channel 14 of flowing water with the surface 13 is shown.
  • a plurality of diffusers 1 are arranged side by side by means of a diffuser holder 2.
  • the diffusers 1 are connected to a compressed air supply unit 4 by means of a compressed air line 3.
  • a video camera 5 and a microprocessor 6 connected to it and an illumination device 7 are provided.
  • the arrangement can be arranged, for example, in the area of a bridge.
  • a digital image processing unit 10 is also accommodated in the equipment cabinet 9.
  • the video camera 5 is advantageously on an already existing above the channel 14 Bridge girders attached.
  • the supporting structure 11 also carries the lighting device 7, with which the surface 13 can be illuminated with artificial lighting at night or in difficult lighting conditions, so that uninterrupted operation of the method according to the invention is ensured.
  • the measurement of the discharge using the method according to the invention is carried out as follows.
  • the ascending air bubbles 12 generated by the compressed air supply unit 4 reach the surface 13 of the fluid.
  • the air bubbles 12 floating on the surface are detected by means of the video camera 5.
  • the video images are evaluated in the microprocessor 6 with digital image processing in the equipment cabinet 9 on site.
  • the video images can also be optionally stored digitally on mass storage or analogously on video recorders, in order to be evaluated at a later point in time in an image processing unit 12 with a microprocessor 6 and digital image processing.
  • the current rate of rise u s of the air bubbles can be determined by an intermittent operation of the compressed air supply 4 in order to determine the influence of the temperature, to take into account the density and the contents of the measuring medium.
  • the compressed air supply 4 to the bubble-generating diffusers 1 is briefly interrupted. The result is that no new air bubbles 12 form at the moment.
  • To calculate the current bubble rate u s according to Eq. (11) it is necessary to determine the period of time t 2 -t- j _ between the detachment of the last bubble before the interruption or optionally the first bubble after restarting from the bubble-generating diffusers 1 and reaching the water surface 13 as well as the water depth w.
  • Eq. (11) mean u s - the current rate of climb of the bubbles, ie the value to be determined, w - the vertical distance between the separation point on the diffuser 1 and the water surface 13 in the defined partial section of the electronic camera 5; depending on the place of use, this quantity is measured by a suitable measuring device (eg precision level, ultrasound probe, etc.), t 1 ⁇ the point in time at which the compressed air supply is interrupted or, optionally, the compressed air supply is restarted; this size is registered by the electronic evaluation unit, t 2 - the time of the appearance of the last or optionally the first bubble in a variable calibration section of the camera image; this size is determined with the aid of the digital image processing unit 10 and corresponding software. With the digital image processing unit 10, the drift of the air bubbles 12 recorded with a camera 5 can be further processed in such a way that the outflow through the flow cross section can be determined directly.
  • a suitable measuring device eg precision level, ultrasound probe, etc.
  • the light reflected at the bubble interface provides brightness information on the surface 13, over the gray value range of which the position of the air bubbles 12 is detected and the coordinates of the bubbles in the image section are determined in a computer-aided manner according to predetermined categories.
  • a complex processing sequence is required to find the air bubbles 12 in an image of the surface 13.
  • the algorithm for recognizing air bubbles 12 on surface 13 is composed primarily of filter operations.
  • the features of the image are extracted, statistically processed and evaluated. All coordinates of the detected bubbles fall within the limited value range that is determined by the image section of the camera 5. This range of values is divided into a number of constant intervals. Each interval forms a class, the class width determining the resolution of the drift. All drift measurement results (x coordinates of the bubbles) are assigned to the individual classes and the relative frequency is determined.
  • Statistical measures of the frequency distribution are the mean and the skew, since the bubbles flow through the surface 13 or through can distribute a wind-induced surface flow asymmetrically around the mean. A distinction can be made between positive and negative skewness. Since the statistical measures depend on the number of bubbles, the scattering range is reduced by overlaying several images.
  • the drift of the bubbles can now be clearly determined on the basis of the mean value and the skewness of the frequency distribution.
  • the total discharge is calculated according to Eq. (7).
  • the measurement according to the invention is possible with a high temporal resolution.
  • FIG. 7 shows a further example of application of the arrangement according to the invention or of the method according to the invention in the region of a bridge.
  • a partial cross-section is shown in which the bridge girder 15 held on a foundation 17 by means of a pillar 16 can be seen.
  • the camera 5, for example a CCD camera is arranged on the bridge support 15.
  • the channel 14 with the surface 13 and the sole 8 has a low and at the same time fluctuating flow rate.
  • Conventional measuring methods for determining the flow velocity or the outflow such as, for example, wing or float measurements, cause considerable difficulties in channels with very low flow velocities. If, for example, the discharge in a channel decreases extremely, it can happen that the mean flow velocity falls below 10 mm / s drops.
  • the discharge measurement by means of air bubbles 12 is a suitable method for determining the discharge directly and precisely.
  • the measurement was made in the flow cross section under a bridge.
  • the uniformity of the flow cross-section allowed it to be limited to the discharge measurement on the bridge pillars 16.
  • rows of the diffusers 1 according to the invention were installed in a diffuser holder 2 on the base 8, which protrude 3.0 m into the flow cross-section (FIG 7).
  • the diffuser holder 2 was fastened to the pillar 16 by means of a holding device 19.
  • the compressed air line 3 and the compressed air supply unit 4 connected to it and the digital image processing unit 10 are not shown in FIG. 7.
  • the camera 5 is connected to the digital image processing unit 10 by means of the signal derivative 18.
  • FIGS. 8 to 10 show diffusers 1, with which gas bubbles, in particular air bubbles 12 in water, can be produced absolutely uniformly with regard to their size and chronological order in order to generate gas bubbles as a measuring medium for the method according to the invention for measuring the discharge .
  • the diffuser 1 has a gas inlet 30 with an inlet opening 31 for the supply of the gas.
  • the gas exits at the gas outlet 45 with the outlet opening 46 to form gas bubbles (not shown) into the liquid.
  • the gas inlet 30 is connected to the gas outlet 45 via the gas channel 47.
  • a throttle 32 designed as a cannula 43 with a wire 44 inserted therein is arranged in the gas channel 47.
  • the diameter of the wire 44 is smaller than the diameter of the cannula 43, so that the throttle opening 33 which throttles the gas flow is formed in the space between the wire 44 and the cannula 43 and which sem case extends along the gap.
  • the opening area of the throttle opening 33 is equal to the cross-sectional area of the intermediate space.
  • the throttle 32 opens downstream in the region of the bottom 35 of the blind hole 34 into the blind hole 34 formed as a cylindrical bore.
  • the inlet point 48 at which the gas from the throttle 32 enters the blind hole 34 is not found in this example directly at the bottom 35 of the blind hole 34, since the cannula 43 protrudes somewhat into the blind hole 34. However, the inlet point 48 could also be in the bottom 35 of the blind hole 34.
  • the blind hole 34 extends from its bottom 35 towards its open end 36 in the direction of the gas outlet 45.
  • the cross section of the blind hole 34 is larger than the opening area of the throttle opening 33, so that at this point the available for the flow of the gas Cross section enlarged.
  • the last fluidic construction element of the diffuser 1 is the open end 36 of the blind hole 34, which forms the outlet opening 46 of the gas outlet 45.
  • the diffuser 1 is oriented in the liquid such that the air bubbles 12 emerge vertically upward.
  • other orientations are also conceivable, including those in which the cannula 43 and the blind hole 34 have a different angle than shown in FIG. 8 to form each other.
  • the blind hole 34 and the cannula 43 lie in a polyamide support part 41, which is designed as a hexagon screw and has a thread 42 on the outside.
  • the cannula 43 is made of stainless steel with an inside diameter of 0.115 mm and an outside diameter of 0.68 mm.
  • the wire 44 guided in it also exists made of stainless steel with a diameter of 0.10 mm and is secured to the cannula 43 by soldering against displacement.
  • the cannula 43 is 20 mm long.
  • the cannula 43 and the wire 44 guided in it protrude 2 mm into the blind hole 34, measured from the bottom 35 of the blind hole 34.
  • the length of the cannula 43 inside and outside of the carrier part 41 is 9 mm in each case.
  • the carrier part 41 designed as a hexagon screw has a total length of 24 mm, the shaft being 20 mm and the head being 4 mm long.
  • the blind hole 34 is 14 mm deep, its diameter is 2 mm.
  • the air or the gas enters the gas channel 47 of the diffuser 1 from a compressed air supply system through the gas inlet 30. Due to the operating pressure present at the gas inlet 30 and the lower external hydrostatic pressure of the liquid, a pressure difference results, due to which gas bubbles form which exit into the liquid at the gas outlet 45.
  • a modified diffuser 1 is shown in FIG. It differs from the diffuser 1 according to FIG. 8 by an additional cylindrical expansion recess 38 formed in the diffuser 1.
  • the inner end 39 and the outer end 40 of the expansion recess 38 have a diameter of 3 mm.
  • the expansion recess 38 is 4 mm long.
  • the blind hole 34 is therefore 4 mm shorter than in the diffuser 1 according to FIG. 8; the other dimensions are the same.
  • the outer end 40 of the expansion recess 38 forms the outlet opening 46.
  • FIG. 10 shows a further modified embodiment of the diffuser 1. It differs from the diffuser according to FIG. 8 in that it is additionally formed in the diffuser 1. dete, conical expansion recess 38.
  • the conical expansion recess 38 has a diameter of 3 mm at the outer end 40 and a diameter of 2 mm at the inner end 39, which corresponds to the diameter of the blind hole 34.
  • the conical expansion recess 38 is 1 mm long.
  • the blind hole 34 is thereby shortened by 1 mm compared to the embodiment in FIG. 8; the other dimensions correspond to those of the diffuser 1 according to FIG. 8.
  • the outer end 40 of the expansion recess 38 forms the outlet opening 46.

Abstract

A process for detecting the flow of an open-surfaced liquid flowing in a channel using gas bubbles as the measuring medium, and an arrangement and device for implementing the process. It is possible with the process and arrangement of the invention to measure flows directly, without losses and with a high degree of accuracy, especially at low flow rates. To this end, a time sequence of individual gas bubbles is generated by means of diffusers (1) spatially distributed over a cross-sectional region of the bottom (8) of the channel (14), in which the size of the gas bubbles is such that they rise from the bottom (9) of the channel (14) to its surface at an approximately constant rate (us). At least one image of the horizontal drift of the gas bubbles at the surface (13) of the channel (14) is taken by at least one optical imaging device outside the liquid and the at least one image is evaluated by means of an image evaluation unit to determine the flow of the channel.

Description

Verfahren, Anordnung und Vorrichtung zur Bestimmung des Abflusses einer mit freiem Spiegel fließenden Flüssigkeit Method, arrangement and device for determining the outflow of a liquid flowing with a free mirror
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Abflusses einer mit freiem Spiegel in einem Gerinne flie¬ ßenden Flüssigkeit unter Verwendung von Gasblasen als Meßmedium, sowie eine Anordnung und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method for determining the outflow of a liquid flowing with a free mirror in a channel using gas bubbles as the measuring medium, and to an arrangement and a device for carrying out the method.
Eine elementare Voraussetzung aller aktuellen Aufgaben der Hydrologie ist die ausreichende Information über das zeitlich und räumlich sehr variable Wasserdargebot. Inso¬ fern ist auch eine genaue Bestimmung des Abflusses spezi¬ ell bei Freispiegelabflüssen mit schwankenden Volumen¬ strömen für alle Nutzer von Wasser sehr wichtig. Das Problem, Abflüsse und mögliche Rückströmungen exakt er¬ fassen zu können, stellt sich bei allen im folgenden vor¬ gestellten Einsatzbereichen, die zu erfüllenden gesetzli¬ chen Anforderungen im Hinblick auf den Umweltschutz un¬ terliegen. So sind alle in Frage kommenden Unternehmen, die unbehandeltes oder behandeltes Abwasser in die Gewäs¬ ser (Vorfluter) einleiten, verpflichtet, Abwasserkon¬ trollstationen einzurichten und zu unterhalten, um ihre Abwassereinleitungen zu kontrollieren und entsprechend zu dokumentieren.A basic prerequisite for all current tasks in hydrology is adequate information about the temporally and spatially very variable water supply. In this respect, an exact determination of the outflow is very important for all users of water, especially in the case of free-level outflows with fluctuating volume flows. The problem of being able to precisely detect drains and possible backflows arises in all of the areas of application presented below, which are subject to the legal requirements to be met with regard to environmental protection. So are all eligible companies Discharging the untreated or treated wastewater into the waters (receiving water) is obliged to set up and maintain wastewater control stations in order to control their wastewater discharge and document it accordingly.
Es war bisher nicht möglich, den Durchfluß in einem na¬ türlichen oder künstlichen Gerinne unmittelbar und konti¬ nuierlich zu messen (Dyck, Siegfried "Grundlagen der Hydrologie", Ernst & Sohn Verlag, Berlin, München, 1983), insbesondere nicht ohne umfangreiche, kostenintensive Ein- bzw. Umbauten in dem Gerinne.So far it has not been possible to measure the flow directly and continuously in a natural or artificial channel (Dyck, Siegfried "Fundamentals of Hydrology", Ernst & Sohn Verlag, Berlin, Munich, 1983), especially not without extensive, costly installations or conversions in the channel.
In der Regel werden Geschwindigkeits-Flächen-Verfahren eingesetzt, die das Geschwindigkeitsfeld in einer Ge¬ rinneströmung mit großem Aufwand für verschiedene Ab¬ flüsse punktweise aufmessen, um daraus eine Wasserstands- Abflußbeziehung, d.h. eine Abflußkurve zu konstruieren und aus dieser letztlich auf die Abflußganglinie schließen zu können.As a rule, velocity-area methods are used, which measure the velocity field in a channel flow at great expense for various outflows in order to derive a water level-outflow relationship, i.e. to construct a discharge curve and ultimately to be able to draw conclusions about the discharge curve.
Es ist bekannt, daß in stationär durchströmten, vollent¬ wickelten, prismatischen Fließstrecken das logarithmische Geschwindigkeitsverteilungsgesetz gilt. In diesen Fällen kann eine Messung der Fließgeschwindigkeit in einem be¬ liebigen Punkt des Gerinnes die Geschwindigkeitsvertei¬ lung über den gesamten Querschnitt liefern. Demgegenüber ist bei nicht prismatischen offenen Gerinnen die Ge¬ schwindigkeit in den meisten Fällen über die Tiefe und die Breite ungleichmäßig verteilt. Zeitaufwendige Flie߬ geschwindigkeitsmessungen über die Fließtiefe in ver¬ schiedenen Meßlotrechten sind durchzuführen. Um den Durchfluß zu bestimmen, muß zusätzlich die Abflußtiefe bzw. der Durchflußquerschnitt für den jeweiligen Fließzu¬ stand bekannt sein. Für die lokale Messung der Fließgeschwindigkeit sind z.B. hydrometrische Flügel, mobile Ultraschall- oder Magne- tische-Induktive Meßgeräte und miniaturisierte LDA- Systeme (z.B. DFLDA Diode-Fiber-Laser-Doppler-Anemometer) bekannt. Der über Fließgeschwindigkeitsmessungen ermit¬ telte Abfluß wird zudem ungenau, wenn während der Meßzeit der Abfluß nicht konstant bleibt oder die Messung durch Schiffsverkehr gestört wird.It is known that the logarithmic speed distribution law applies in stationary flowed, fully developed, prismatic flow sections. In these cases, measuring the flow velocity at any point in the channel can provide the velocity distribution over the entire cross section. In contrast, in the case of non-prismatic open channels, the speed is in most cases distributed unevenly over the depth and the width. Time-consuming flow velocity measurements over the flow depth in various verticals are to be carried out. In order to determine the flow rate, the flow depth or the flow cross-section for the respective flow state must also be known. For the local measurement of the flow velocity, for example, hydrometric blades, mobile ultrasonic or magnetic-inductive measuring devices and miniaturized LDA systems (for example DFLDA diode-fiber-laser-Doppler anemometer) are known. The discharge determined by means of flow velocity measurements also becomes inaccurate if the discharge does not remain constant during the measurement time or if the measurement is disturbed by shipping traffic.
Es ist weiterhin bekannt, den Abfluß mit induktiven Durchflußmeßgeräten indirekt über Kalibrierfunktionen oder durch Einbauten in das Gerinne, beispielsweise mit¬ tels eines Venturikanals, zu bestimmen. Diese Einbauten führen jedoch zu Energieverlusten in der Gerinneströmung und behindern den Abfluß teilweise so wesentlich, daß die zum Abfluß erforderliche potentielle Energie mit Pumpen künstlich erzeugt werden muß. Zudem müssen Temperatur- und Dichteschwankungen sowie Änderungen von z.B. Schweb¬ stoffkonzentrationen mit Temperatur-, pH- und Leitfähig¬ keitsmeßsonden aufgezeichnet und die Abflußwerte an-/ schließend korrigiert werden. Mit allen bisher gebräuch¬ lichen Methoden der Abflußbestimmung sind Rückstauer¬ scheinungen und temporäre Rückströmungen nicht zu er¬ fassen.It is also known to determine the discharge indirectly using inductive flow measuring devices via calibration functions or by means of installations in the channel, for example by means of a venturi channel. However, these internals lead to energy losses in the channel flow and partially obstruct the drain so significantly that the potential energy required for the drain must be artificially generated with pumps. In addition, temperature and density fluctuations as well as changes e.g. Suspended matter concentrations are recorded with temperature, pH and conductivity measuring probes and the discharge values are then / subsequently corrected. Backflow phenomena and temporary backflows cannot be detected with all the methods of discharge determination that have been used up to now.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung des Abflusses mit einer hohen zeitlichen Auflösung der eingangs genannten Art zu schaf¬ fen, mit dem Abflüsse direkt und verlustfrei mit einer hohen Genauigkeit, insbesondere bei kleinen Fließge¬ schwindigkeiten, in mit freiem Spiegel fließenden Flüs¬ sigkeiten bestimmbar sind. Ferner richtet sich die Erfin¬ dung auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens und eine Vorrichtung zur Erzeugung definierter Gasblasen als Meßmedium für das Verfahren.The invention is therefore based on the object of creating a method for determining the outflow with a high temporal resolution of the type mentioned at the outset, with which outflows can be carried out directly and without loss with a high degree of accuracy, in particular at low flow rates, in a clear mirror flowing liquids can be determined. Furthermore, the invention is directed to an arrangement for carrying out the method and a device for generating defined gas bubbles as a measuring medium for the method.
Die erfindungsgemäße Lösung bei dem eingangs genannten Verfahren besteht darin, daß mittels über einen Quer¬ schnittsbereich der Sohle des Gerinnes räumlich verteilt angeordneter Diffusoren eine zeitliche Folge einzelner Gasblasen erzeugt wird, wobei die Gasblasen eine solche Größe aufweisen, daß sie mit einer annähernd konstanten Steiggeschwindigkeit von der Sohle des Gerinnes bis zu dessen Oberfläche aufsteigen, mindestens ein Bild der ho¬ rizontalen Abdrift der Gasblasen an der Oberfläche des Gerinnes mittels mindestens eines außerhalb der Flüssig¬ keit angeordneten optischen Bildaufnehmers aufgenommen wird, und daß das mindestens eine aufgenommene Bild zur Ermittlung des Abflusses des Gerinnes mittels einer Bild¬ verarbeitungseinheit ausgewertet wird.The solution according to the invention in the method mentioned at the outset is that a time sequence of individual gas bubbles is generated by means of diffusers which are spatially distributed over a cross-sectional area of the bottom of the channel, the gas bubbles being of such a size that they have an almost constant rate of climb of ascending the bottom of the channel up to its surface, at least one image of the horizontal drift of the gas bubbles on the surface of the channel is recorded by means of at least one optical image sensor arranged outside of the liquid, and that the at least one image taken to determine the outflow of the channel is evaluated by means of an image processing unit.
Wie weiter unten noch detaillierter erläutert wird, ist ein wesentliches Element der Erfindung zur präzisen Be¬ stimmung des Abflusses über eine gesamte, ein zweidimen- sionales Strömungsprofil aufweisende Querschnittsfläche einer mit freiem Spiegel strömenden Flüssigkeit mittels des erfindungsgemäßen schnellen Meßverfahrens die ge¬ eignete Größe der Gasblasen, die derart zu wählen ist, daß die Gasblasen beim Aufstieg das Höhenprofil der Fließgeschwindigkeit in dem Gerinne in der Meßlotrechten integrieren. Als Meßwert für das Wegintegral einer Gas¬ blase dient ihre an der Oberfläche gemessene Abdrift. Der Abfluß wird aus der gemessenen Querverteilung der Ab¬ driften von Gasblasen aus vielen Diffusoren bestimmt.As will be explained in more detail below, an essential element of the invention for the precise determination of the outflow over an entire cross-sectional area having a two-dimensional flow profile of a liquid flowing with a free mirror by means of the rapid measuring method according to the invention is the suitable size of the gas bubbles , which is to be chosen in such a way that the gas bubbles integrate the height profile of the flow velocity in the flume in the vertical line during the ascent. The drift measured on the surface serves as the measured value for the path integral of a gas bubble. The outflow is determined from the measured transverse distribution of the drift of gas bubbles from many diffusers.
Bei einer entsprechend aufwendigen Bildverarbeitungsein¬ heit kann dabei die räumliche Anordnung der Diffusoren an der Sohle des Gerinnes beliebig getroffen werden. Die Bildverarbeitung und Auswertung zur Ermittlung des Ab¬ flusses wird vorteilhafterweise dadurch vereinfacht, daß die Diffusoren nebeneinander in einer quer zur Strömungs¬ richtung des Gerinnes verlaufenden Reihe angeordnet sind.With a correspondingly complex image processing unit, the spatial arrangement of the diffusers on the bottom of the channel can be made as desired. The Image processing and evaluation for determining the outflow is advantageously simplified in that the diffusers are arranged next to one another in a row running transversely to the flow direction of the channel.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann prinzipiell zur Mes¬ sung des Abflusses beliebiger Flüssigkeiten eingesetzt werden. Die praktisch bedeutsamste Anwendung ist die zur Messung des Abflusses von Gerinnen, deren Flüssigkeit zu einem überwiegenden Anteil aus Wasser besteht, wobei die übrigen Bestandteile Beimischungen, Verunreinigungen oder Fremdstoffe sein können. In diesen Fällen ist es in der Regel aus Kostengründen am günstigsten, wenn die Gasbla¬ sen Luftblasen sind. In besonderen Anwendungsfällen kön¬ nen dabei aber auch andere Gase, wie z.B. Helium oder Stickstoff, eingesetzt werden.In principle, the method according to the invention can be used to measure the outflow of any liquids. The most important practical application is that for measuring the runoff of channels, the majority of which consists of water, the other components being admixtures, impurities or foreign substances. In these cases, it is generally the cheapest for cost reasons if the gas bubbles are air bubbles. In special applications, however, other gases, such as Helium or nitrogen can be used.
Allgemein kann jedes Gas eingesetzt werden, dessen Blasen die Anforderungen hinsichtlich der Aufstiegsgeschwindig¬ keit und der Verträglichkeit mit der Flüssigkeit erfül¬ len. Soweit im folgenden von Luftblasen die Rede ist, ist dies ohne Beschränkung der Allgemeinheit mit entsprechen¬ den Modifikationen für beliebige Gasblasen gültig. Es werden beispielhafte Anwendungen von Luftblasen in Wasser genannt. Die Bemessung der Größe beliebiger Gasblasen in beliebigen Flüssigkeiten kann in entsprechender Weise er¬ folgen. Erforderlichenfalls können hierzu auch experimen¬ telle Untersuchungen der Aufstiegsgeschwindigkeit durch¬ geführt werden.In general, any gas can be used, the bubbles of which meet the requirements with regard to the rate of ascent and the compatibility with the liquid. Insofar as air bubbles are mentioned in the following, this applies to any gas bubbles without restriction of generality with corresponding modifications. Exemplary applications of air bubbles in water are mentioned. The size of any gas bubbles in any liquids can be measured in a corresponding manner. If necessary, experimental investigations of the rate of ascent can also be carried out for this purpose.
Für den Anwendungsfall einer Abflußmessung in einer Flüs¬ sigkeit, die zu einem überwiegenden Anteil Wasser ist, besteht eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung darin, daß die Luftblasen mit einem auf volumengleiche Blasen bezogenen äquivalenten Blasendurchmesser zwischen 3 mm und 10 mm, besonders vorteilhaft etwa 4,5 mm, erzeugt werden. Diese Luftblasen erfüllen in besonders guter Weise das Erfordernis einer annähernd konstanten Steigge¬ schwindigkeit.For the application of a discharge measurement in a liquid which is predominantly water, an advantageous embodiment of the invention is that the air bubbles have an equivalent bubble diameter of between 3 mm and bubble volumes of the same volume and 10 mm, particularly advantageously about 4.5 mm. These air bubbles meet in a particularly good way the requirement of an approximately constant rate of climb.
In Anwendungsfällen mit geringeren Anforderungen kann es genügen, das Bild der horizontalen Abdrift der Gasblasen an der Oberfläche des Gerinnes mittels eines Photoappa¬ rates aufzunehmen und das Photo zur Bestimmung des Ab¬ flusses auszuwerten. In den meisten Fällen wird es jedoch wünschenswert sein, eine kontinuierliche Messung auszu¬ führen. In diesen Fällen kann als optischer Bildaufnehmer eine Video-Kamera, beispielsweise eine CCD-Kamera, ver¬ wendet werden, die den Vorteil aufweisen kann, daß sich das Bild digital verarbeiten und auswerten läßt.In applications with less stringent requirements, it may be sufficient to record the image of the horizontal drift of the gas bubbles on the surface of the channel using a camera and to evaluate the photo to determine the runoff. In most cases, however, it will be desirable to carry out a continuous measurement. In these cases, a video camera, for example a CCD camera, can be used as the optical image recorder, which can have the advantage that the image can be processed and evaluated digitally.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen und der Be¬ schreibung erläutert.Further advantageous developments of the method according to the invention are explained in the dependent claims and the description.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbe¬ sondere darin, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der weiter unten beschriebenen erfindungsgemäßen An¬ ordnung auch Rückstauerscheinungen und Rückströmungen, wie sie beispielsweise in Kanalisationssystemen regel¬ mäßig auftreten, erfaßt werden können, und es kann die Strömungsrichtung und der Volumenstrom in die betreffende Richtung jederzeit bestimmt werden. Das erfindungsgemäße Meßverfahren gestattet aufgrund der sehr kurzen Meßdauer die Erfassung instationärer Strömungen. Es mißt den Ab¬ fluß direkt, ohne daß die Kenntnis der Fließgeschwindig¬ keit und des Fließquerschnittes erforderlich sind. Je nach der räumlichen Anordnung der Diffusoren kann der ge¬ samte Fließquerschnitt gleichzeitig erfaßt werden, ohne eventuellen Schiffsverkehr zu beeinträchtigen. Es ist aber auch möglich, die Diffusoren nicht über den gesamten Querschnitt des Gerinnes verteilt oder nicht un¬ mittelbar an der Sohle des Gerinnes anzuordnen und die dabei nicht bei der Messung erfaßten Querschnittsanteile rechnerisch bei der Ermittlung des Abflusses zu berück¬ sichtigen. Die von der Sohle beabstandete Anordnung der Diffusoren kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn die Gasblasenbildung oder deren Aufstieg durch Besonder¬ heiten der Sohle des Gerinnes, wie z.B. vorhandenen Schlicks oder Pflanzenbewuchses, gestört würde.The advantages achieved by the invention are, in particular, that with the method according to the invention and the arrangement according to the invention described below, backflow phenomena and backflows, such as occur regularly in sewer systems, can also be detected, and the direction of flow can be determined and the volume flow in the relevant direction can be determined at any time. The measuring method according to the invention allows the detection of unsteady flows due to the very short measuring time. It measures the discharge directly, without the knowledge of the flow velocity and the flow cross-section being required. Depending on the spatial arrangement of the diffusers, the entire flow cross section can be recorded at the same time without impairing any shipping traffic. However, it is also possible not to arrange the diffusers over the entire cross-section of the channel or not to arrange them directly on the bottom of the channel and to take account of the cross-sectional components not recorded during the measurement in the calculation of the discharge. The arrangement of the diffusers at a distance from the base can be particularly advantageous if the gas bubble formation or its ascent would be disturbed by special features of the base of the channel, such as, for example, existing silt or vegetation.
Weiterhin ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, daß Einflüsse wie der Dichte und des Schwebstoffgehaltes der Flüssigkeit sowie die Temperatur des Meßmediums berück¬ sichtigt werden können.A further advantage of the invention is that influences such as the density and the suspended matter content of the liquid and the temperature of the measuring medium can be taken into account.
Es können somit der Abfluß am jeweiligen Meßort, die Strömungsrichtung und damit auch auftretende instationäre Fließvorgänge über beliebige Zeiträume aufgezeichnet wer¬ den. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfin¬ dungsgemäßen Anordnung können Abflüsse sowohl in natürli¬ chen als auch in künstlichen Gerinnen, und zwar unabhän¬ gig von deren Fließquerschnittsgeometrie, direkt gemessen und aufgezeichnet werden. So kann die vorgeschlagene Er¬ findung in rechteckigen, dreieck-, trapez- und mit ent¬ sprechenden Anpassungen auch in kreis-, ei- und aulför- migen Gerinnequerschnitten eingesetzt werden. Darüber hinaus kann auch die Bestimmung und Messung des Abflusses in abgestuften, gegliederten Abflußquerschnitten über die Gerinnebreite erfolgen. Weitere Vorteile sind, daß nicht einzelne Messungen nacheinander durchzuführen sind, son¬ dern der gesamte Fließquerschnitt gleichzeitig erfaßt wird, und daß der Abfluß des Gerinnes auf der Wasserober- fläche in Gestalt einer Blasenspur sichtbar und damit je¬ derzeit visuell nachprüfbar ist. Die Erfindung eignet sich insbesondere für Anwendungsfälle, bei denen die Flüssigkeit langsam fließt, das heißt für Gerinne, bei denen die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit kleiner als 1 m/s, insbesondere kleiner als 0,05 m/s ist.The outflow at the respective measuring location, the direction of flow and thus also occurring transient flow processes can thus be recorded over any period of time. With the method according to the invention or the arrangement according to the invention, outflows can be measured and recorded directly in natural as well as in artificial channels, regardless of their flow cross-sectional geometry. The proposed invention can thus be used in rectangular, triangular, trapezoidal and, with corresponding adaptations, also in circular, egg-shaped and channel-shaped channel cross sections. In addition, the discharge can also be determined and measured in graded, structured discharge cross-sections across the width of the channel. Further advantages are that individual measurements do not have to be carried out one after the other, but the entire flow cross section is recorded simultaneously, and that the outflow of the channel on the water surface area is visible in the form of a bubble trace and can thus be checked visually at any time. The invention is particularly suitable for applications in which the liquid flows slowly, that is to say for channels in which the flow velocity of the liquid is less than 1 m / s, in particular less than 0.05 m / s.
Nachfolgend werden die Vorteile und Einsatzmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens in künstlichen Gerinnen beschrieben, die in gleicher Weise für die erfindungsge¬ mäße Anordnung gelten.The advantages and possible uses of the method according to the invention in artificial channels are described below, which apply in the same way to the arrangement according to the invention.
Mit dem Verfahren ist es möglich, turbulente, strömende, wirbelarme Abflüsse in Freispiegelgerinnen direkt, mit hoher zeitlicher Auflösung, mit einer bisher nicht zu er¬ reichenden Genauigkeit und ohne Behinderung des Abflusses auch bei wechselnder Strömungsrichtung zu messen.With the method, it is possible to measure turbulent, flowing, low-vortex outflows in free-flowing channels directly, with a high temporal resolution, with an unprecedented accuracy and without obstructing the outflow, even with changing flow directions.
Es ermöglicht allen Betreibern von Kläranlagen am Einlauf zum Klärwerk und am Auslauf in den Vorfluter die Zuflüsse bzw. die Abflüsse behandelten Schmutzwassers mit hoher zeitlicher Auflösung zu bestimmen.It enables all operators of wastewater treatment plants to determine the inflows and outflows of treated wastewater with high temporal resolution at the inlet to the sewage treatment plant and at the outlet into the receiving water.
Die für das Abwasser zuständigen Betriebsbereiche von Kommunen, Gemeinden und Städten können mit dem Meßverfah¬ ren nicht nur die Abflüsse an beliebigen Orten in den Sammelkanälen der Stadtentwässerung erfassen, sondern auch hinter Regenrückhaltebecken sowie Regenüberlauf- becken auch den Anteil unbehandelten Schmutzwassers quan¬ tifizieren, der nach Starkniederschlägen dem Vorfluter direkt zugeführt werden muß. Industrieunternehmen können mit dem Meßverfahren nicht nur die ihnen genehmigten Abwassereinleitungen in den Vorfluter belegen, sondern auch die Abflüsse in innerbe¬ trieblichen Wasserkreisläufen steuern.The operating areas of municipalities, municipalities and cities responsible for the wastewater can not only use the measuring method to measure the outflows at any place in the collecting channels of the city drainage system, but also quantify the proportion of untreated wastewater behind rain retention basins and rain overflow basins after heavy rainfall, the receiving water must be fed directly. Industrial companies can use the measuring method not only to document the wastewater discharges into the receiving water that have been approved for them, but also to control the outflows in internal water cycles.
Bei der Rückgewinnung wertvoller Inhaltsstoffe aus Abwäs¬ sern bestimmt der Volumenstrom die Qualität und Effizienz des Rückgewinnungsprozesses. Er ist mit dem Meßverfahren in den Freispiegelgerinnen derartiger Betriebe mit hoher Meßgenauigkeit festzustellen.When recovering valuable ingredients from wastewater, the volume flow determines the quality and efficiency of the recovery process. It can be determined with the measuring method in the free-flowing channels of such companies with high measuring accuracy.
Industriebetriebe, insbesondere Energieerzeuger, haben Auflagen über den Kühlwasserverbrauch zu erfüllen. Dieser richtet sich u.a. nach der aktuellen Temperatur und der Wasserführung des Vorfluters. Die Unternehmen sind somit an einer exakten, mit hoher zeitlicher Auflösung erfol¬ genden Messung der Kühlwasserentnahme und -rückgabe in¬ teressiert. Die erfindungsgemäße Abflußmessung bietet hierzu an Kühlwasserein- und Kühlwasserauslaufen eine bisher nicht gekannte Möglichkeit.Industrial companies, in particular energy producers, have to meet requirements regarding the consumption of cooling water. This is aimed inter alia at according to the current temperature and the water flow of the receiving water. The companies are therefore interested in an exact measurement of the cooling water withdrawal and return taking place with a high temporal resolution. The discharge measurement according to the invention offers a previously unknown possibility for this purpose at cooling water inlets and cooling water outlets.
Abflüsse von landwirtschaftlichen Betrieben - besonders jene von Betrieben mit Massentierhaltung, wenn diese ihre vorbehandelten Abwässer nicht auf eigenen Betriebsflächen unterbringen können - sind schwer zu erfassen. Auch diese können mit dem Meßverfahren unmittelbar dort ermittelt werden, wo in den Vorfluter eingeleitet wird.Outflows from agricultural holdings - especially those from holdings with factory farming if they cannot store their pre-treated wastewater on their own farmland - are difficult to record. These can also be determined with the measuring method directly where it is discharged into the receiving water.
Abflüsse von bebauten und befestigten Flächen, z.B. von Straßen außerhalb geschlossener Ortschaften, Autobahnen, Eisenbahnanlagen oder Flughäfen werden in künstlichen Freispiegelgerinnen den Kläranlagen oder direkt den Vor¬ flutern zugeführt. Sie können mit dem Meßverfahren am Ort der Einleitung bestimmt werden. Bei Schlickbehandlungen ist der Wasserablauf von Spülfel¬ dern von der Art der Schlickeinspülung und der Lagerungs¬ dauer des Schlickes abhängig. Dieser instationäre Abfluß kann in den Sammelkanälen, die sich den Spülfedern an¬ schließen, mit dem Meßverfahren bestimmt werden. Gleiches gilt für die Drainageabflüsse von Deponiesickerwässern und die bei der Entwässerung von Klärschlämmen anfallen¬ den Schmutzwasserabflüsse.Outflows from built-up and paved areas, for example from streets outside of built-up areas, motorways, railway systems or airports, are fed to the sewage treatment plants or directly to the receiving waters in artificial free-flowing channels. They can be determined with the measuring method at the point of introduction. In the case of silt treatments, the water drainage from rinsing fields depends on the type of silt rinsing and the duration of storage of the silt. This unsteady outflow can be determined in the collecting channels which follow the flushing springs using the measuring method. The same applies to the drainage drains from landfill leachate and the wastewater drains arising from the dewatering of sewage sludge.
Nicht nur im Bereich der Abwassertechnik sind genaue Ab¬ flußmessungen erforderlich. Ein weiteres Einsatzgebiet des Abflußmeßverfahrens liegt in der Abflußmessung von Zuschußwasser zur Niedrigwasseraufhöhung der Vorfluter. Man ist hier bestrebt, den Zugabeanteil qualitativ hoch¬ wertigen Zuschußwassers, daß oftmals Trinkwasserqualität hat, zu optimieren. Direkt vor den Einleitungsbauwerken kann der Zufluß in die Vorfluter gemessen werden.Precise discharge measurements are required not only in the field of wastewater technology. Another area of application for the discharge measurement method is in the discharge measurement of additional water to increase the low water level of the receiving water. The aim here is to optimize the proportion of high-quality feed water that is often of drinking water quality. The inflow into the receiving water can be measured directly in front of the discharge structures.
Ein weiteres Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Abflu߬ meßverfahrens ist die Abflußmessung in Zuleitungskanälen bei ÜberStaubewässerung (wilde Rieselung, geregelter Flä- chenüberstau usw.), Streifen- und Furchenbewässerung im Kulturlandbau. Hier sind die Wassergaben so zu steuern, daß dem Pflanzenwasserbedarf entsprochen wird. Besondere Bedeutung kommt der Abflußmessung bei der Melioration - sowohl beim "Leaching" als auch bei der Auswaschung mit Bewässerungswasser - von versalzten Böden zu, um nicht unnötige Anteile des ohnehin meist knappen Bewässerungs¬ wassers zu verlieren.A further area of application of the discharge measurement method according to the invention is the discharge measurement in supply channels in the case of overflow irrigation (wild trickling, regulated surface flooding, etc.), strip and furrow irrigation in cultivated agriculture. Here the watering is to be controlled in such a way that the plant water requirements are met. Of particular importance is the discharge measurement during melioration - both during "leaching" and when washing out with irrigation water - from salted soils in order not to lose unnecessary parts of the irrigation water, which is usually scarce anyway.
Die Merkmale einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Durch¬ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des Abflusses einer mit freiem Spiegel in einem Gerinne fließenden Flüssigkeit unter Verwendung von Gasblasen als Meßmedium sind darin zu sehen, daß über einen Quer¬ schnittsbereich der Sohle des Gerinnes räumlich verteilt angeordnete Diffusoren vorgesehen sind, die an einer Druckgasversorgung angeschlossen sind und mit denen eine zeitliche Folge einzelner Gasblasen erzeugbar ist, wobei Gasblasen eine solche Größe aufweisen, daß sie mit einer annähernd konstanten Steiggeschwindigkeit von der Sohle des Gerinnes bis zu dessen Oberfläche aufsteigen, wobei mindestens ein außerhalb der Flüssigkeit angeordneter op¬ tischer Bildaufnehmer vorgesehen ist, mit dem mindestens ein Bild der horizontalen Abdrift der Gasblasen an der Oberfläche des Gerinnes aufnehmbar ist und wobei eine an den mindestens einen Bildaufnehmer anschließbare Bild¬ verarbeitungseinheit vorgesehen ist, mit der das mindes¬ tens eine aufgenommene Bild zur Ermittlung des Abflusses des Gerinnes auswertbar ist.The features of an arrangement according to the invention for carrying out the method according to the invention for determining the outflow of a liquid flowing in a channel with a free mirror using gas bubbles as Measuring medium can be seen in the fact that, over a cross-sectional area of the bottom of the channel, there are provided diffusers which are spatially distributed and are connected to a compressed gas supply and with which a chronological sequence of individual gas bubbles can be generated, gas bubbles being of such a size that they also have an almost constant rate of climb from the bottom of the channel to the surface thereof, at least one optical image sensor being arranged outside the liquid being provided, with which at least one image of the horizontal drift of the gas bubbles on the surface of the channel can be taken, and one of which the at least one image processing unit that can be connected is provided, with which the at least one recorded image can be evaluated to determine the outflow of the channel.
Weitere vorteilhafte Besonderheiten können darin beste¬ hen, daß die Diffusoren nebeneinander in einer quer zur Strömungsrichtung des Gerinnes verlaufenden Reihe an¬ geordnet sind oder daß eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung der Oberfläche des Gerinnes im Bereich der aufgestiegenen Gasblasen vorgesehen ist.Further advantageous special features can be that the diffusers are arranged next to one another in a row running transversely to the flow direction of the channel or that an illumination device is provided for illuminating the surface of the channel in the area of the ascending gas bubbles.
Eine weitere vorteilhafte Ausbildung kann sein, daß eine Tragkonstruktion zur Halterung mindestens eines des min¬ destens einen Bildaufnehmers in einer Position vorgesehen ist, von der aus dieser ein Bild der aufgestiegenen Gas¬ blasen aufnehmen kann. Die Position des Bildaufnehmers ist bevorzugt in dem Luftraum oberhalb der Oberfläche der Flüssigkeit. Der Bildaufnehmer kann aber, sofern dies nicht möglich ist, auch seitlich des Gerinnes, beispiels¬ weise auf dem Ufer, angeordnet sein. Weiterhin kann vorgesehen sein, daß anstelle der Bildver¬ arbeitungseinheit ein Speichermedium an den mindestens einen Bildaufnehmer anschließbar ist, mit dem das minde¬ stens eine aufgenommene Bild zur Ermittlung des Abflusses des Gerinnes speicherbar und einer Bildverarbeitungsein¬ heit zuführbar ist.A further advantageous embodiment can be that a support structure for holding at least one of the at least one image sensor is provided in a position from which an image of the ascending gas bubbles can be taken. The position of the image sensor is preferably in the air space above the surface of the liquid. If this is not possible, the image sensor can also be arranged on the side of the channel, for example on the bank. Furthermore, it can be provided that instead of the image processing unit, a storage medium can be connected to the at least one image recorder, with which the at least one recorded image can be stored for determining the outflow of the channel and can be supplied to an image processing unit.
Eine wesentliche Voraussetzung ist die Erzeugung einer genügenden Zahl von Einzelblasen je Zeiteinheit, um ein deutliches Erkennen einer Blasenspur an der Gerinneober¬ fläche zu gewährleisten. Andererseits dürfen aber nur so viele Blasen erzeugt werden, daß sie sich im Schwärm nicht gegenseitig beeinflussen, sondern sich bezüglich ihrer Steiggeschwindigkeit wie Einzelblasen verhalten.An essential prerequisite is the generation of a sufficient number of individual bubbles per unit of time in order to ensure clear recognition of a bubble trace on the surface of the channel. On the other hand, however, only so many bubbles may be created that they do not influence each other in the swarm, but behave like single bubbles with regard to their rate of climb.
Aus dem Stand der Technik ist die Bildung von Luftblasen unter Verwendung eines Luftversorgungssystems mit den nachfolgend genannten Vorrichtungen bekannt:The formation of air bubbles using an air supply system with the following devices is known from the prior art:
Bohrungen in dünnen Blechen ab 0,06 mm Durchmesser,Holes in thin sheets from 0.06 mm diameter,
Bohrungen in dicken Blechen ab 0,4 mm Durchmesser,Bores in thick sheets from 0.4 mm in diameter,
Glasrohre mit ausgezogenen Spitzen ab 0,025 mm Durch¬ messer,Glass tubes with extended tips from 0.025 mm diameter,
Glaskapillaren ab 0,045 mm Durchmesser,Glass capillaries from 0.045 mm diameter,
Injektionskanülen ab 0,2 mm Durchmesser.Injection cannulas from 0.2 mm diameter.
Mit Ausnahme der Glasrohre mit ausgezogener Spitze, die jedoch nicht genügend genau reproduzierbar sind, weisen alle anderen Düsen die Nachteile auf, daß sich schon bei sehr niedrigen Drücken Blasenschwärme bilden oder sich bei gleichbleibendem Druck zwar Blasen gleicher Größe er¬ zeugen lassen, die Frequenz aber dabei nicht konstant bleibt. Der Erfindung liegt deshalb das weitere Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Diffusor zur Erzeugung von Gasblasen definierter und konstanter Größe in einer Flüssigkeit zu schaffen, welcher die zur Erzeugung einer deutlichen Bla¬ senspur erforderlichen Blasen in genügender Zahl je Zeiteinheit zu bilden vermag, wobei gewährleistet ist, daß die Blasenbildung nach Größe und Frequenz absolut gleichmäßig ist.With the exception of the glass tubes with extended tip, which, however, cannot be reproduced with sufficient accuracy, all other nozzles have the disadvantages that swarms of bubbles form even at very low pressures or bubbles of the same size can be produced at constant pressure, but the frequency does not remain constant. The invention is therefore based on the further problem of creating a device for carrying out the method according to the invention with a diffuser for generating gas bubbles of defined and constant size in a liquid, to which the bubbles required to generate a clear bubble trace are generated in sufficient numbers per unit of time form, whereby it is ensured that the bubble formation is absolutely uniform in size and frequency.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Diffusor, der einen Gaseinlaß mit einer Eintrittsöffnung für die Zuführung des Gases, einen Gasauslaß mit einer Austrittsöffnung für den Austritt der Gasblasen und einen den Gaseinlaß und den Gasauslaß verbindenden Gaskanal aufweist, wobei in dem Gaskanal eine in Strömungsrichtung des Gases stromab¬ wärts von der Eintrittsöffnung liegende Drossel zur Dros¬ selung des Gasstroms mit einer Drosselöffnung angeordnet ist, wobei ein Teil des Gaskanals von einem Sackloch ge¬ bildet wird, welches sich von seinem Boden zu seinem of¬ fenen Ende hin in Richtung auf den Gasauslaß erstreckt, wobei die Einlaßstelle des Gaskanals, an der das von der Drossel stromabwärts in das Sackloch strömende Gas in das Sackloch eintritt, an einer Stelle in dem Sackloch ange¬ ordnet ist, von der aus das Gas zumindest ein Teilstück des Sacklochs stromabwärts in Richtung auf den Gasauslaß durchströmt, und wobei das Sackloch an der Einlaßstelle einen Sacklochquerschnitt aufweist, der größer als die Öffnungsfläche der Drosselöffnung ist.This object is achieved by a diffuser which has a gas inlet with an inlet opening for the supply of the gas, a gas outlet with an outlet opening for the outlet of the gas bubbles and a gas channel connecting the gas inlet and the gas outlet, in the gas channel one in the flow direction of the gas a throttle located downstream of the inlet opening for throttling the gas flow is arranged with a throttle opening, part of the gas channel being formed by a blind hole which extends from its bottom towards its open end in the direction of the gas outlet extends, the inlet point of the gas channel, at which the gas flowing from the throttle downstream into the blind hole enters the blind hole, being arranged at a point in the blind hole from which the gas at least a portion of the blind hole downstream in the direction of flows through the gas outlet, and wherein the blind hole at the inlet point an S acklochquerschnitt which is larger than the opening area of the throttle opening.
Eine vorteilhafte Ausbildung besteht darin, daß die Öff¬ nungsfläche der Drosselöffnung im Bereich von 0,002 mm2 bis 0,785 mm2 liegt. Das Sackloch hat vorteilhafterweise einen Durchmesser im Bereich von 1 mm bis 8 mm, bevorzugt ca. 2 mm, und eine Länge im Bereich von 2 mm bis 80 mm, bevorzugt ca. 14 mm.An advantageous embodiment is that the opening area of the throttle opening is in the range from 0.002 mm 2 to 0.785 mm 2 . The blind hole advantageously has a diameter in the range from 1 mm to 8 mm, preferably approx. 2 mm, and a length in the range from 2 mm to 80 mm, preferably approx. 14 mm.
In einer bevorzugten Ausbildung umfaßt der Gasauslaß eine in dem Diffusor angeordnete Expansionsvertiefung, die ein bezüglich des Gasstromes stromaufwärts gelegenes inneres Ende und ein stromabwärts gelegenes äußeres Ende auf¬ weist, wobei das offene Ende des Sacklochs mit dem inne¬ ren Ende der Expansionsvertiefung verbunden ist und der Durchmesser der Expansionsvertiefung an der Austritts¬ öffnung des Gasauslasses größer als der Durchmesser des offenen Endes des Sacklochs ist. Die Expansionsvertiefung hat vorteilhafterweise einen Durchmesser zwischen 2 mm und 10 mm, bevorzugt ca. 3 mm, und in Strömungsrichtung des Gases eine Länge zwischen 1 mm und 15 mm.In a preferred embodiment, the gas outlet comprises an expansion recess arranged in the diffuser, which has an inner end upstream of the gas flow and a downstream outer end, the open end of the blind hole being connected to the inner end of the expansion recess and the diameter of the expansion recess at the outlet opening of the gas outlet is larger than the diameter of the open end of the blind hole. The expansion recess advantageously has a diameter between 2 mm and 10 mm, preferably approximately 3 mm, and a length in the flow direction of the gas between 1 mm and 15 mm.
Die Expansionsvertiefung kann zylindrisch ausgebildet sein. In einer bevorzugten Ausbildung kann sie aber auch einen sich von ihrem inneren Ende zu ihrem äußeren Ende verbreiternden, beispielsweise konischen Verlauf aufwei¬ sen. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn der Durchmesser des inneren Endes der Expansionsvertiefung dem des offe¬ nen Endes des Sacklochs entspricht.The expansion recess can be cylindrical. In a preferred embodiment, however, it can also have a course, for example conical, which widens from its inner end to its outer end. It can be advantageous if the diameter of the inner end of the expansion recess corresponds to that of the open end of the blind hole.
Die Expansionsvertiefung hat vorteilhafterweise an ihrem inneren Ende einen Durchmesser im Bereich zwischen 1 mm und 8 mm, bevorzugt ca. 2 mm, und an ihrem äußeren Ende einen Durchmesser im Bereich zwischen 2 mm und 10 mm, be¬ vorzugt ca. 4 mm. Bei den vorstehend als bevorzugt be¬ zeichneten Durchmessern beträgt die Länge der Expansions¬ vertiefung vorteilhafterweise ca. 1 mm.The expansion recess advantageously has a diameter in the range between 1 mm and 8 mm, preferably approximately 2 mm, at its inner end and a diameter in the range between 2 mm and 10 mm, preferably approximately 4 mm, at its outer end. In the case of the diameters designated above as preferred, the length of the expansion recess is advantageously approximately 1 mm.
Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal wird vorge¬ schlagen, daß die Drossel und das Sackloch sowie gegebe¬ nenfalls die Expansionsvertiefung in ein Trägerteil ein- gearbeitet sind. Dies hat den Vorteil, daß der Diffusor leicht in eine Diffusorenhalterung einsetzbar sowie aus¬ tauschbar ist. Dabei kann weiter vorteilhafterweise vor¬ gesehen sein, daß das Trägerteil schraubenartig geformt ist und ein Gewinde zum Einschrauben aufweist. Das Trä¬ gerteil kann aus Stahl, Edelstahl, Kunststoff oder einem sonstigen für die Verwendung in der jeweiligen Flüssig¬ keit und mit dem jeweiligen Gas geeigneten Material be¬ stehen, beispielsweise aus Nichteisenmetall, Glas oder Keramik.According to a further advantageous feature, it is proposed that the throttle and the blind hole and, if appropriate, the expansion recess be embedded in a carrier part. are worked. This has the advantage that the diffuser can easily be inserted into a diffuser holder and exchanged. It can further advantageously be provided that the carrier part is shaped like a screw and has a thread for screwing in. The carrier part can be made of steel, stainless steel, plastic or another material suitable for use in the respective liquid and with the respective gas, for example made of non-ferrous metal, glass or ceramic.
Eine andere vorteilhafte Besonderheit kann darin beste¬ hen, daß die Drossel eine Kanüle aufweist. Dabei kann ein weiteres vorteilhaftes Ausbildungsmerkmal darin bestehen, daß in der Öffnung der Kanüle ein Draht angeordnet ist. Der Draht verringert den Öffnungsquerschnitt der Kanüle, der vorteilhafterweise im Bereich von 0,007 mm2 bis 0,013 mm2, bevorzugt von ca. 0,01 mm2 liegt, wobei der Draht einen Querschnitt im Bereich von 0,0070 mm2 bis 0,0086 mm2, bevorzugt ca. 0,0078 mm2 aufweisen kann. In einer abgewandelten Ausbildung kann die Kanüle einen Öff¬ nungsquerschnitt im Bereich von 0,002 mm2 bis 0,003 mm2, bevorzugt von ca. 0,0025 mm2 aufweisen.Another advantageous special feature may be that the throttle has a cannula. Another advantageous training feature can be that a wire is arranged in the opening of the cannula. The wire reduces the opening cross section of the cannula, which is advantageously in the range from 0.007 mm 2 to 0.013 mm 2 , preferably from approximately 0.01 mm 2 , the wire having a cross section in the range from 0.0070 mm 2 to 0.0086 mm 2 , preferably about 0.0078 mm 2 . In a modified embodiment, the cannula can have an opening cross section in the range from 0.002 mm 2 to 0.003 mm 2 , preferably from approximately 0.0025 mm 2 .
Die Kanüle kann vorteilhafterweise aus Edelstahl, Kunst¬ stoff oder Glas bestehen. Für das Material des Drahtes kann bevorzugt Edelstahl, Federstahl oder Glas vorgesehen sein.The cannula can advantageously consist of stainless steel, plastic or glass. Stainless steel, spring steel or glass can preferably be provided for the material of the wire.
Weitere vorteilhafte Ausbildungen des erfindungsgemäßen Diffusors sind in den abhängigen Ansprüchen sowie in der Beschreibung angegeben.Further advantageous embodiments of the diffuser according to the invention are specified in the dependent claims and in the description.
Der erfindungsgemäße Diffusor hat den Vorteil, daß er die zur Erzeugung einer deutlichen Blasenspur erforderlichen Gasblasen in genügender Zahl je Zeiteinheit zu bilden vermag, wobei gewährleistet ist, daß die Blasenbildung nach Größe und Frequenz gleichmäßig ist, so daß er die als Meßmedium in dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Anordnung als Meßmedium erforderlichen Gasblasen liefern kann. Hierfür ist er bevorzugt so aus¬ gebildet, daß die erzeugten Gasblasen einen auf volumen¬ gleiche Blasen bezogenen äquivalenten Blasendurchmesser zwischen 1 mm und 20 mm, bevorzugt zwischen 3 mm und 10 mm und besonders bevorzugt etwa 4,5 mm haben. Die Be¬ messung kann anhand der beschriebenen bevorzugten Abmes¬ sungen oder durch experimentelle Untersuchungen vorge¬ nommen werden.The diffuser according to the invention has the advantage that it is necessary to produce a clear bubble trace A sufficient number of gas bubbles can be formed per unit of time, ensuring that the size and frequency of the bubble formation is uniform so that it can supply the gas bubbles required as the measuring medium in the method and the arrangement according to the invention as the measuring medium. For this purpose, it is preferably designed such that the gas bubbles generated have an equivalent bubble diameter, based on the volume of the same bubbles, of between 1 mm and 20 mm, preferably between 3 mm and 10 mm and particularly preferably about 4.5 mm. The measurement can be carried out on the basis of the preferred dimensions described or by experimental investigations.
Die folgenden Ausführungsbeispiele der Erfindung lassen weitere vorteilhafte Merkmale und Besonderheiten erken¬ nen, die anhand der Darstellung in den Zeichnungen im folgenden näher beschrieben und erläutert sind.The following exemplary embodiments of the invention reveal further advantageous features and special features which are described and explained in more detail below with reference to the illustration in the drawings.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine graphische Darstellung des vertikalenFig. 1 is a graphical representation of the vertical
Fließgeschwindigkeitsprofils in einem Gerinne,Flow velocity profile in a channel,
Fig. 2 eine graphische Darstellung der charakteristi¬ schen Aufstiegsbahn von Luftblasen in einem Wassergerinne nach der Erfindung,2 shows a graphical representation of the characteristic ascent path of air bubbles in a water channel according to the invention,
Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt "X" gemäß Fig. 2,3 shows an enlarged detail "X" according to FIG. 2,
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Meßergebnisse von Messungen der Steiggeschwindigkeit von Luftblasen in destilliertem Wasser und in Lei¬ tungswasser,4 shows a graphical representation of the measurement results of measurements of the rate of rise of air bubbles in distilled water and in tap water,
Fig. 5 eine als abgeflachtes Rotationsellipsoid abge¬ bildete Luftblase, Fig. 6 eine schematische perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung zur Durchfüh¬ rung des Verfahrens,5 an air bubble depicted as a flattened rotational ellipsoid, 6 shows a schematic perspective illustration of the arrangement according to the invention for carrying out the method,
Fig. 7 eine schematische Schnittzeichnung durch eine abgewandelte erfindungsgemäße Anordnung,7 is a schematic sectional drawing through a modified arrangement according to the invention,
Fig. 8 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Diffusors im Schnitt,8 shows a basic illustration of a diffuser according to the invention in section,
Fig. 9 eine Prinzipdarstellung eines abgewandelten er¬ findungsgemäßen Diffusors im Schnitt und9 shows a schematic diagram of a modified diffuser according to the invention in section and
Fig. 10 eine Prinzipdarstellung eines weiter abgewan¬ delten erfindungsgemäßen Diffusors im Schnitt.10 shows a basic illustration of a further modified diffuser according to the invention in section.
Die Fig. 1 zeigt eine graphische Darstellung des vertika¬ len Fließgeschwindigkeitsprofils VP in einem Gerinne als Funktion der Höhe y zwischen der Sohle 8 und der Oberflä¬ che 13. In Fig. 2 ist die charakteristische Aufstiegsbahn AB von Luftblasen 12 in einem Wassergerinne nach der Er¬ findung dargestellt. Die Luftblasen 12 werden durch die Flüssigkeitsströmung auf ihrem Weg von der Sohle 8 bis zur Oberfläche 13 um die Abdrift S abgetrieben. Eine Ein¬ zelheit bei X in der Fig. 2, die weiter unten näher er¬ läutert wird, ist in der Fig. 3 dargestellt.FIG. 1 shows a graphical representation of the vertical flow velocity profile VP in a channel as a function of the height y between the sole 8 and the surface 13. In FIG. 2, the characteristic ascent path AB of air bubbles 12 in a water channel is shown in FIG Invention shown. The air bubbles 12 are driven away by the drift S by the liquid flow on their way from the sole 8 to the surface 13. A detail at X in FIG. 2, which is explained in more detail below, is shown in FIG. 3.
Dem erfindungsgemäßen Meßverfahren liegt das Prinzip der sogenannten "integrierenden Schwi mermessung" zugrunde. Nach diesem Prinzip steigen Gasblasen geeigneter Größe in einem Gerinne 14 von der Sohle 8 auf, wobei sie während des Aufsteigens an jeder Stelle um den Betrag abgetrieben werden, der der örtlichen Geschwindigkeit entspricht (vgl. Fig. 2) . Die horizontale Abdrift, welche die Blasen 12 vom Startpunkt an der Gerinnesohle 8 bis zum Auftau¬ chen an der Oberfläche 13 zurückgelegt haben (vgl. Fig. 2) , multipliziert mit der Steiggeschwindigkeit us der Gasblasen (vgl. Fig. 4) , entspricht dann genau dem Abfluß in einem der Blasenspur entsprechenden Streifen des Fließquerschnittes. Zur Gesamtabflußermittlung wird er¬ findungsgemäß mindestens ein Bild der aufgestiegenen, an der Oberfläche 13 schwimmenden Gasblasen, z.B. mit Hilfe einer Video-Kamera 5, aufgenommen und im Anschluß daran das Bild digital verarbeitet. Auf diese Weise mißt das Verfahren den Abfluß direkt, und zwar ohne die Kenntnis der Fließgeschwindigkeit und des Fließquerschnittes.The measuring method according to the invention is based on the principle of the so-called "integrating Schwi measurement". According to this principle, gas bubbles of a suitable size rise from the bottom 8 in a channel 14, being driven off at every point during the ascent by the amount which corresponds to the local speed (cf. FIG. 2). The horizontal drift which the bubbles 12 have covered from the starting point on the channel bottom 8 to the thawing on the surface 13 (see FIG. 2) multiplied by the rate of rise u s of the gas bubbles (see FIG. 4) then exactly the outflow in a strip of the blister track Flow cross-section. To determine the total discharge, according to the invention, at least one image of the ascending gas bubbles floating on the surface 13 is recorded, for example with the aid of a video camera 5, and the image is then digitally processed. In this way, the method measures the discharge directly, without knowing the flow rate and the flow cross-section.
Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegen physikalische Überlegungen aus dem Gebiet der Strömungslehre zugrunde, die durch die nachfolgenden Gleichungen definiert und an¬ hand der graphischen Darstellungen gemäß den Figuren 1 bis 5 verdeutlicht werden:The method according to the invention is based on physical considerations from the field of fluid dynamics, which are defined by the following equations and illustrated using the graphical representations according to FIGS. 1 to 5:
Bedeutet v(y) die Geschwindigkeit eines Flüssigkeitsteil¬ chens und y seine Höhenlage über der Gerinnesohle 8, so beträgt der Abfluß in einem unendlich schmalen Streifen des FließquerschnittesIf v (y) means the speed of a liquid particle and y its height above the channel bottom 8, the outflow is in an infinitely narrow strip of the flow cross section
y=hy = h
= / v(y) dy (1) y=0= / v (y) dy (1) y = 0
Ist weiter us eine konstante Steiggeschwindigkeit der Gasblase, und t die Zeit seit Beginn ihres Aufstieges, so giltIf u s is a constant rate of rise of the gas bubble, and t is the time since the start of its ascent, the following applies
dy = us • dt (2)dy = u s • dt ( 2 )
Die Abdrift s der Gasblase zur Zeit t in der Höhe y ent¬ spricht der örtlichen Geschwindigkeit ds = v(y) • dt ( 3 )The drift s of the gas bubble at time t at height y corresponds to the local speed ds = v (y) • dt (3)
Wird die Steiggeschwindigkeit als konstant vorausgesetzt, folgt durch Einsetzen der Gl. (2) und (3) in Gl. (1) für den speziellen AbflußIf the rate of climb is assumed to be constant, then by inserting Eq. (2) and (3) in Eq. (1) for the special drain
s=S ds u« dts = S ds u «dt
/ dt (4) s=0 / dt (4) s = 0
s=S q = us • f ds (5) s=0s = S q = u s • f ds (5) s = 0
Das Integral f ds entspricht der Entfernung S, und stellt die Abdrift einer aufsteigenden und die Oberfläche erreichenden Gasblase dar (Fig. 2) . Der spezifische Ab¬ fluß q ist also direkt proportional zur Abdrift S.The integral f ds corresponds to the distance S, and represents the drift of an ascending gas bubble reaching the surface (FIG. 2). The specific outflow q is therefore directly proportional to the drift S.
q = us s (6) q = u s s (6)
Das Gesamtvolumen Q beträgt dannThe total volume Q is then
BB
Q - us / s(b) db (7)Q - u s / s (b) db (7)
00
und ist somit proportional der Fläche, die dadurch ent¬ steht, daß über der Querschnittsbreite B die Abdriften S der verschiedenen Meßlotrechten aufgetragen werden. Eine wesentliche Voraussetzung für die Gültigkeit der vorstehend abgeleiteten Grundgleichung des Gesamtvolumen¬ stroms Q ist die Gewährleistung einer konstanten Steigge¬ schwindigkeit us der Gasblase von der Sohle 8 bis zur Oberfläche 13. Um diese Forderung erfüllen zu können, kommt es maßgeblich auf die Größe der einzelnen Gasblasen an. Dies wird nachfolgend für Luftblasen 12 im einzelnen erläutert.and is therefore proportional to the area which arises from the fact that the drifts S of the various verticals are plotted over the cross-sectional width B. An essential prerequisite for the validity of the basic equation of the total volume flow Q derived above is the guarantee of a constant rate of rise u s of the gas bubble from the sole 8 to the surface 13. In order to be able to meet this requirement, the size of the individual gas bubbles. This is explained in detail below for air bubbles 12.
In Fig. 4 sind Meßergebnisse der Steiggeschwindigkeit ug von Luftblasen 12 in reinem und verunreinigtem Wasser dargestellt (vgl. Clift, Grace und Weber, 1978, Bubbles, Drops and Particles. ACADEMIC PRESS, New York, San Fran¬ cisco, London) . In der Fig. 4 ist die Steiggeschwindig¬ keit us in Abhängigkeit von dem äquivalenten Blasendurch¬ messer dorf dargestellt. Der gesamte dargestellte Bereich gliedert sich in drei Teilbereiche, und zwar in den Be¬ reich Bl der Kugelblasen, Bereich B2 der ellipsoid-ähnli- chen Blasen und den Bereich B3 der Schirmblasen. Die Be¬ zeichnung DW steht für "destilliertes Wasser" und die Be¬ zeichnung LW für "Leitungswasser".4 shows measurement results of the rate of rise u g of air bubbles 12 in pure and contaminated water (cf. Clift, Grace and Weber, 1978, Bubbles, Drops and Particles. ACADEMIC PRESS, New York, San Francisco, London). 4 shows the rate of climb u s as a function of the equivalent bubble diameter d orf . The entire area shown is divided into three sub-areas, namely in the area Bl of the spherical bubbles, area B2 of the ellipsoid-like bubbles and area B3 of the screen bubbles. The designation DW stands for "distilled water" and the designation LW for "tap water".
Mit zunehmendem äquivalenten Blasendurchmesser doerqr, d.h. mit einem auf volumengleiche Kugeln bezogenen Blasen¬ durchmesser ist das Verhalten der Blase allein von ihrer Größe abhängig. Sehr kleine Blasen haben durch den domi¬ nierenden Einfluß der Oberflächenspannung Kugelgestalt und die Blase besitzt in strömungstechnischer Hinsicht die Eigenschaften einer starren Kugel. Die Bewegung sol¬ cher Blasen erfolgt im Stokeschen Bereich, wobei die Be¬ reichsgrenze Re - ur-d/v < 0,1 mit d Blasendurchmesser und ur Relativgeschwindigkeit zwischen Blase und Wasser angegeben ist (vgl. GLASE und WAIREGEL, 1986, Properties and characteristics of drops and bubbles, in Encyclopedia of Fluid Mechanics, Volume 3, Gas-Liquid Flows, Hrsg. N.P. Cheremisinoff, Gulf Publishing Company, Houston, London, Paris, Tokyo) .With increasing equivalent bubble diameter d o e r q r , ie with a bubble diameter related to spheres of equal volume, the behavior of the bubble depends solely on its size. Very small bubbles have a spherical shape due to the dominating influence of the surface tension, and the bubble has the properties of a rigid ball from a fluidic point of view. The movement sol¬ cher bubbles takes place in the Stokes region, said Be¬ range limit Re - u r d / v <0.1 is indicated by d bubble diameter and u r relative speed between bubble and water (cf. GLASE and WAIREGEL, 1986. Properties and characteristics of drops and bubbles, in Encyclopedia of Fluid Mechanics, Volume 3, Gas-Liquid Flows, ed. NP Cheremisinoff, Gulf Publishing Company, Houston, London, Paris, Tokyo).
Der äquivalente Durchmesser dorr, den eine in Wasser auf- steigende Luftblase 12 maximal annehmen darf, damit sich die Blase noch wie eine starre Kugel verhält, beträgt etwa 0,2 mm (vgl. BAUER 1971, Grundlagen der Einphasen- und Mehrphasenströmungen, Sauerländer AG, Aaran) .The equivalent diameter d orr that an air bubble 12 rising in water may assume to a maximum, so that the bubble still behaves like a rigid ball, is approximately 0.2 mm (cf. BAUER 1971, Basics of Single-Phase and Multi-Phase Flows, Sauerländer AG, Aaran).
Mit zunehmendem Blasendurchmesser ruft die Schubspannung an der Phasengrenzfläche im Inneren der Blase eine Zirku¬ lationsströmung hervor. Da der Geschwindigkeitsgradient an der beweglichen Phasengrenzfläche kleiner ist als an der starren, wird die Schubspannung an der Grenzfläche verringert und dadurch der Widerstand vermindert. Ent¬ sprechend ist die Steiggeschwindigkeit us von großen Bla¬ sen höher als diejenige formgleicher starrer Kugeln.As the bubble diameter increases, the shear stress at the phase interface inside the bubble causes a circulation flow. Since the velocity gradient at the movable phase interface is smaller than at the rigid one, the shear stress at the interface is reduced and thereby the resistance is reduced. Accordingly, the rate of climb u s of large bubbles is higher than that of rigid balls of the same shape.
Unabhängig von der inneren Zirkulation verformt sich die Blase bei einem weiteren Anwachsen des äquivalenten Bla¬ sendurchmesser dorτ zu einem abgeflachten Rotationsellip- soid (Fig. 5) . Für die Steiggeschwindigkeit us dieser Blase sind zwei in entgegengesetzter Richtung wirkende Einflüsse zu beachten. Zwar trägt die Beweglichkeit der Phasenoberfläche zur Erhöhung der Steiggeschwindigkeit us bei, jedoch verursachen die hinter dem abgeflachten Rota¬ tionsellipsoid periodisch auftretenden Wirbel eine tau¬ melnde Bewegung, so daß die Blase auf einer schraubenähn¬ lichen Bahn aufsteigt. Da zur Berechnung der Steigge¬ schwindigkeit us jedoch nur der in vertikaler Richtung überwundene Höhenunterschied verwendet wird, ist die Steiggeschwindigkeit us somit kleiner als die wirkliche Bahngeschwindigkeit (vgl. BAUER, 1971, Grundlagen der Einphasen- und Mehrphasenströmungen, Sauerländer AG, Aaran) .Regardless of the internal circulation, the bubble deforms with a further increase in the equivalent bubble diameter d or to a flattened ellipsoid of revolution (FIG. 5). For the rate of climb u s of this bubble, two influences acting in the opposite direction must be taken into account. Although the mobility of the phase surface contributes to increasing the rate of climb u s , the vortices which occur periodically behind the flattened ellipsoid of rotation cause a tumbling movement, so that the bubble rises on a screw-like path. However, since only the subdued in the vertical direction height difference is used to calculate the speed Steigge¬ u s, the rate of climb is u s thus smaller than the actual web speed (see FIG. BAUER, 1971, Fundamentals of Single-phase and multi-phase flows, Sauerländer AG, Aaran).
Ein noch weiteres Anwachsen des äquivalenten Blasendurch¬ messers d__ führt zur Umwandlung der Blasenform vom Rota- tionsellipsoid zur sogenannten "Schirmblase" und einem Anwachsen der Steiggeschwindigkeit.A further increase in the equivalent bubble diameter d__ leads to the conversion of the bubble shape from the ellipsoid of rotation to the so-called "umbrella bubble" and an increase in the rate of climb.
Für einen äquivalenten Blasendurchmesser de_ > 1,3 mm kann die Steiggeschwindigkeit us in reinem Wasser nähe¬ rungsweise durch Gleichung (8) beschrieben werden, wobei σ die Oberflächenspannung zwischen Wasser und Luft ist (vgl. CLIFT, GRACE, WEBER, 1978, Bubbles, Drops and Par- ticles; ACADEMIC PRESS, New York, San Francisco, London) .For an equivalent bubble diameter d e _> 1.3 mm, the rate of climb u s in pure water can be approximately described by equation (8), where σ is the surface tension between water and air (cf. CLIFT, GRACE, WEBER, 1978 , Bubbles, Drops and Particles; ACADEMIC PRESS, New York, San Francisco, London).
Figure imgf000024_0001
Figure imgf000024_0001
Die tatsächlichen Abmessungen des Rotationsellipsoids (Fig. 5) können mit Hilfe von Gl. (9) und die des äquiva¬ lenten Blasendurchmessers dorτ mit Gl. (10) berechnet wer- den:The actual dimensions of the ellipsoid of revolution (Fig. 5) can be calculated using Eq. (9) and that of the equivalent bubble diameter d orτ with Eq. (10) can be calculated:
k vβ = π a2 (bi + b2) (9) k v β = π a 2 (bi + b 2 ) (9)
*eq (10)
Figure imgf000024_0002
Die experimentellen Ergebnisse in Fig. 4 zeigen auch den Einfluß der im Wasser befindlichen Verunreinigungen (oberflächenaktive Stoffe) . Sie sammeln sich an der Pha¬ sengrenzfläche und bilden dort einen adsorbierenden Film. Er bleibt relativ zur Blase in Ruhe, so daß sich die Luftblase bezüglich der Außenströmung wie eine starre Ku¬ gel verhält. Bei einer genaueren Betrachtung muß aller¬ dings noch der Transport der Verunreinigungen im Wasser und der Einfluß dieser Stoffe auf die Oberflächenspannung berücksichtigt werden (vgl. PRANDTL, 1989: "Führer durch die Strömungslehre", Vieweg, Braunschweig).
* eq (10)
Figure imgf000024_0002
The experimental results in Fig. 4 also show the influence of the impurities in the water (surface-active substances). They collect at the phase interface and form an adsorbing film there. It remains at rest relative to the bubble, so that the air bubble behaves like a rigid ball with respect to the outside flow. When taking a closer look, however, the transport of the contaminants in the water and the influence of these substances on the surface tension must also be taken into account (cf. PRANDTL, 1989: "Guide through fluid dynamics", Vieweg, Braunschweig).
Wie bereits eingangs erwähnt, ist die geeignete Wahl der Blasengröße maßgeblich für die erfolgreiche Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.As already mentioned at the beginning, the suitable choice of the bubble size is decisive for the successful implementation of the method according to the invention.
Die für die Abflußmessung mittels Gasblasen erforderliche Blasenspur an der Oberfläche 13 setzt die Bildung von Einzelblasen in genügender Zahl je Zeiteinheit voraus. Aus Fig. 4 ist zu entnehmen, daß für äquivalente Blasen¬ durchmesser de_4_ zwischen 3 mm und 10 mm bei Luftblasen 12 in Wasser die Steiggeschwindigkeit us annähernd konstant bleibt. Mit Blick auf die Erzeugung von Einzelblasen bie¬ tet dieser Bereich den Vorteil, daß eine Änderung der Steiggeschwindigkeit us infolge Expansion der Luftblasen 12 während des Aufstieges bei Blasen mit einem äquivalen¬ ten Blasendurchmesser d-,- von etwa 4,5 m verhindert wer- den kann, da auch bei einer Volumenveränderung die Steig¬ geschwindigkeit us nahezu konstant bleibt.The bubble trace on the surface 13 required for the discharge measurement by means of gas bubbles requires the formation of individual bubbles in sufficient numbers per unit of time. From Fig. 4 it can be seen that for equivalent bubble diameters d e _4_ between 3 mm and 10 mm for air bubbles 12 in water, the rate of climb u s remains approximately constant. With regard to the generation of individual bubbles, this area offers the advantage that a change in the rate of climb u s due to expansion of the air bubbles 12 during the ascent is prevented in the case of bubbles with an equivalent bubble diameter d -, - of approximately 4.5 m - Can do so, even with a change in volume, the rate of climb u s remains almost constant.
Das erfindungsgemäße Verfahren der Abflußbestimmung ist zur Messung geringer und zugleich zeitweise schwankender Abflüsse bei wechselnden Wasserständen am folgenden Bei¬ spiel erfolgreich untersucht worden. Die Messungen simu¬ lieren einen typischen Einsatz des Abflußmeßverfahrens, wie er sich bei den in den oben genannten unterschiedli¬ chen Anwendungsbereichen ergeben würde.The method of determining the discharge according to the invention has been successfully investigated for the measurement of small and at the same time fluctuating discharges with changing water levels in the following example. The measurements simulate a typical use of the discharge measurement method, as it would result in the different areas of application mentioned above.
In dem untersuchten Anwendungsfall ist in einer offenen Versuchsrinne mit einer Breite von 0,60 m, mit einer va¬ riablen Wassertiefe zwischen 0,10 m und 1,00 m und einem regulierbaren Abfluß zwischen 0 und 350 1/s die Anordnung zur Durchführung des Abflußmeßverfahrens gemäß Fig. 6 eingebaut worden.In the application under investigation, the arrangement for carrying out the is in an open test channel with a width of 0.60 m, with a variable water depth between 0.10 m and 1.00 m and a controllable outflow between 0 and 350 1 / s Drainage measuring method according to FIG. 6 has been installed.
Bei diesen Versuchen wurden unterschiedliche Betriebszu- stände eingestellt und die von dem Abflußmeßverfahren be¬ stimmten Abflußwerte überprüft. Bei diesen Untersuchungen wurden nach dem vorher beschriebenen Meßprinzip der inte¬ grierenden Schwimmermessung in Verbindung mit der Bild¬ aufnahme durch Video-Technik und der digitalen Bildverar¬ beitung mittels des beanspruchten Meßverfahrens Abflu߬ werte mit einer hohen Meßgenauigkeit geliefert.In these tests, different operating states were set and the discharge values determined by the discharge measurement method were checked. In these investigations, discharge values with a high measurement accuracy were delivered according to the previously described measurement principle of the integrated float measurement in connection with the image acquisition by video technology and the digital image processing by means of the measurement method claimed.
Eine vorteilhafte Anordnung zur Durchführung des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand der Figur 6 beschrieben. Dargestellt ist ein Gerinne 14 strömenden Wassers mit der Oberfläche 13. An der Sohle 8 des Gerin¬ nes 14 ist mittels eines Diffusorenhalters 2 eine Viel¬ zahl von Diffusoren 1 nebeneinanderliegend angeordnet. Die Diffusoren 1 sind mittels einer Druckluftleitung 3 mit einer Druckluftversorgungseinheit 4 verbunden. Ferner ist eine Videokamera 5 und eine an diese angeschlossener Mikroprozessor 6 und eine Beleuchtungseinrichtung 7 vor¬ gesehen. Die Anordnung kann beispielsweise im Bereich ei¬ ner Brücke angeordnet sein. In dem Geräteschrank 9 ist außer dem Mikroprozessor 6 und der Druckluftversorgungs¬ einheit 4 noch eine digitale Bildverarbeitungseinheit 10 untergebracht. Die Videokamera 5 ist vorteilhafterweise an einem oberhalb des Gerinnes 14 bereits vorhandenen Brückenträger angebracht. Sie kann aber auch seitlich ne¬ ben dem Gerinne, beispielsweise auf dem Ufer, oder wie in Fig. 6 dargestellt, an einer hierzu errichteten Tragkon¬ struktion 11 angebracht sein. Die Tragkonstruktion 11 trägt ebenfalls die Beleuchtungseinrichtung 7, mit der bei Nacht oder bei erschwerten Lichtverhältnissen die Oberfläche 13 mit künstlicher Beleuchtung angestrahlt werden kann, damit ein ununterbrochener Betrieb des er¬ findungsgemäßen Verfahrens gewährleistet ist. Die Messung des Abflusses mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird wie folgt durchgeführt.An advantageous arrangement for carrying out the method according to the invention is described below with reference to FIG. 6. A channel 14 of flowing water with the surface 13 is shown. On the bottom 8 of the channel 14, a plurality of diffusers 1 are arranged side by side by means of a diffuser holder 2. The diffusers 1 are connected to a compressed air supply unit 4 by means of a compressed air line 3. Furthermore, a video camera 5 and a microprocessor 6 connected to it and an illumination device 7 are provided. The arrangement can be arranged, for example, in the area of a bridge. In addition to the microprocessor 6 and the compressed air supply unit 4, a digital image processing unit 10 is also accommodated in the equipment cabinet 9. The video camera 5 is advantageously on an already existing above the channel 14 Bridge girders attached. However, it can also be attached to the side of the channel, for example on the bank, or, as shown in FIG. 6, on a support structure 11 constructed for this purpose. The supporting structure 11 also carries the lighting device 7, with which the surface 13 can be illuminated with artificial lighting at night or in difficult lighting conditions, so that uninterrupted operation of the method according to the invention is ensured. The measurement of the discharge using the method according to the invention is carried out as follows.
Aus den Diffusoren 1 gelangen die mittels der Druckluft¬ versorgungseinheit 4 erzeugten und aufsteigenden Luftbla¬ sen 12 an die Oberfläche 13 des Fluids. Die Erfassung der an der Oberfläche schwimmenden Luftblasen 12 erfolgt mit¬ tels der Videokamera 5. Die Auswertung der Video-Bilder erfolgt in dem Mikroprozessor 6 mit digitaler Bildverar¬ beitung in dem Geräteschrank 9 vor Ort. Die Video-Bilder können auch wahlweise digital auf Massenspeicher oder analog auf Video-Recordern gespeichert werden, um dann zu einem späteren Zeitpunkt in einer Bildverarbeitungsein¬ heit 12 mit einem Mikroprozessor 6 und einer digitalen Bildverarbeitung ausgewertet zu werden.From the diffusers 1, the ascending air bubbles 12 generated by the compressed air supply unit 4 reach the surface 13 of the fluid. The air bubbles 12 floating on the surface are detected by means of the video camera 5. The video images are evaluated in the microprocessor 6 with digital image processing in the equipment cabinet 9 on site. The video images can also be optionally stored digitally on mass storage or analogously on video recorders, in order to be evaluated at a later point in time in an image processing unit 12 with a microprocessor 6 and digital image processing.
Nachfolgend werden die dem Meßverfahren zugrundeliegenden Überlegungen im Hinblick auf die digitale Bestimmung der sich ergebenden aktuellen Steiggeschwindigkeit us gemäß Fig. 4 und die digitale Erfassung der Blasenabdrift be¬ schrieben.The considerations on which the measurement method is based are described below with regard to the digital determination of the resulting current rate of climb u s according to FIG. 4 and the digital detection of the bubble drift.
Die aktuelle Steiggeschwindigkeit us der Luftblasen kann durch einen intermittierenden Betrieb der Druckluftver¬ sorgung 4 bestimmt werden, um den Einfluß der Temperatur, der Dichte und der Inhaltsstoffe des Meßmediums zu be¬ rücksichtigen. Dazu wird die Druckluftversorgung 4 zu den blasenerzeugenden Diffusoren 1 kurzzeitig unterbrochen. Die Folge ist, daß sich augenblicklich keine neuen Luft¬ blasen 12 mehr bilden. Zur Berechnung der aktuellen Bla- sensteiggeschwindigkeit us nach Gl. (11) ist es notwen¬ dig, die Zeitspanne t2 - t-j_ zwischen der Ablösung der letzten Blase vor der Unterbrechung oder wahlweise der ersten Blase nach der Wiederinbetriebnahme von den bla¬ senerzeugenden Diffusoren 1 und dem Erreichen der Was¬ seroberfläche 13 sowie der Wassertiefe w zu ermitteln.The current rate of rise u s of the air bubbles can be determined by an intermittent operation of the compressed air supply 4 in order to determine the influence of the temperature, to take into account the density and the contents of the measuring medium. For this purpose, the compressed air supply 4 to the bubble-generating diffusers 1 is briefly interrupted. The result is that no new air bubbles 12 form at the moment. To calculate the current bubble rate u s according to Eq. (11) it is necessary to determine the period of time t 2 -t- j _ between the detachment of the last bubble before the interruption or optionally the first bubble after restarting from the bubble-generating diffusers 1 and reaching the water surface 13 as well as the water depth w.
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In Gl. (11) bedeuten us- die aktuelle Steiggeschwindigkeit der Blasen, also der zu bestimmende Wert, w - der vertikale Abstand zwischen Ablösepunkt am Diffu¬ sor 1 und Wasseroberfläche 13 im definierten Teilaus¬ schnitt der elektronischen Kamera 5; diese Größe wird je nach Einsatzort von einem geeigneten Meßgerät (z.B. Präzisionspegel, Ultraschallsonde usw.) gemes¬ sen, t1~ der Zeitpunkt der Unterbrechung der Druckluftversor¬ gung bzw. wahlweise der WiederInbetriebnahme der Druckluftversorgung; diese Größe wird durch die elek¬ tronische Auswerteeinheit registriert, t2- der Zeitpunkt des Auftauchens der letzten bzw. wahl¬ weise der ersten Blase in einem variablen Kalibrier¬ ausschnitt des Kamerabildes; diese Größe wird mit Hilfe der digitalen Bildverarbeitungseinheit 10 und entsprechender Software ermittelt. Mit der digitalen Bildverarbeitungseinheit 10 kann die mit einer Kamera 5 erfaßte Abdrift der Luftblasen 12 so weiterverarbeitet werden, daß der Abfluß durch den Flie߬ querschnitt unmittelbar bestimmt werden kann.In Eq. (11) mean u s - the current rate of climb of the bubbles, ie the value to be determined, w - the vertical distance between the separation point on the diffuser 1 and the water surface 13 in the defined partial section of the electronic camera 5; depending on the place of use, this quantity is measured by a suitable measuring device (eg precision level, ultrasound probe, etc.), t 1 ~ the point in time at which the compressed air supply is interrupted or, optionally, the compressed air supply is restarted; this size is registered by the electronic evaluation unit, t 2 - the time of the appearance of the last or optionally the first bubble in a variable calibration section of the camera image; this size is determined with the aid of the digital image processing unit 10 and corresponding software. With the digital image processing unit 10, the drift of the air bubbles 12 recorded with a camera 5 can be further processed in such a way that the outflow through the flow cross section can be determined directly.
Das an der Blasengrenzfläche reflektierte Licht liefert eine Helligkeitsinformation an der Oberfläche 13, über deren Grauwertbereich die Lage der Luftblasen 12 erfaßt und die Koordinaten der Blasen im Bildausschnitt nach vorgegebenen Kategorien rechnergestützt ermittelt werden.The light reflected at the bubble interface provides brightness information on the surface 13, over the gray value range of which the position of the air bubbles 12 is detected and the coordinates of the bubbles in the image section are determined in a computer-aided manner according to predetermined categories.
Zum Auffinden der Luftblasen 12 in einem Bild der Ober¬ fläche 13 ist eine komplexe Verarbeitungsfolge notwendig. Der Algorithmus zur Erkennung der Luftblasen 12 auf der Oberfläche 13 setzt sich neben Funktionen der System¬ initialisierung, der Look-Up-Tabellen-Operationen, der Bildaufnahme- und Bildspeicherungsfunktionen vor allem aus Filteroperationen zusammen.A complex processing sequence is required to find the air bubbles 12 in an image of the surface 13. In addition to functions of system initialization, look-up table operations, image acquisition and image storage functions, the algorithm for recognizing air bubbles 12 on surface 13 is composed primarily of filter operations.
Nach dieser Vorverarbeitung werden die Merkmale des Bil¬ des (Fläche und Koordinaten des Schwerpunktes der Luft¬ blasen 12) extrahiert, statistisch aufbereitet und ausge¬ wertet. Alle Koordinaten der erkannten Blasen fallen in den begrenzten Wertebereich, der vom Bildausschnitt der Kamera 5 festgelegt wird. Dieser Wertebereich wird in eine Anzahl konstanter Intervalle unterteilt. Jedes In¬ tervall bildet eine Klasse, wobei die Klassenbreite die Auflösung der Abdrift bestimmt. Alle Abdrift-Meßergeb¬ nisse (x-Koordinaten der Blasen) werden den einzelnen Klassen zugeordnet und es wird die relative Häufigkeit ermittelt.After this preprocessing, the features of the image (area and coordinates of the center of gravity of the air bubbles 12) are extracted, statistically processed and evaluated. All coordinates of the detected bubbles fall within the limited value range that is determined by the image section of the camera 5. This range of values is divided into a number of constant intervals. Each interval forms a class, the class width determining the resolution of the drift. All drift measurement results (x coordinates of the bubbles) are assigned to the individual classes and the relative frequency is determined.
Statistische Maßzahlen der Häufigkeitsverteilung sind der Mittelwert und die Schiefe, da sich die Blasen durch die Strömungsgeschwindigkeit an der Oberfläche 13 oder durch eine windinduzierte Oberflächenströmung asymmetrisch um den Mittelwert verteilen können. Dabei kann zwischen po¬ sitiver und negativer Schiefe unterschieden werden. Da die statistischen Maßzahlen von der Blasenzahl abhängen, wird der Streubereich durch eine Überlagerung mehrerer Bilder verringert.Statistical measures of the frequency distribution are the mean and the skew, since the bubbles flow through the surface 13 or through can distribute a wind-induced surface flow asymmetrically around the mean. A distinction can be made between positive and negative skewness. Since the statistical measures depend on the number of bubbles, the scattering range is reduced by overlaying several images.
Nach dem Herausfiltern eines Grundrauschens (Schwellen¬ wert) , das durch das Geschwemmsei oder durch Spiegelungen an der Wasseroberfläche hervorgerufen wird, kann nun an¬ hand des Mittelwertes und der Schiefe der Häufigkeits¬ verteilung die Abdrift der Blasen eindeutig bestimmt wer¬ den.After filtering out a background noise (threshold value) which is caused by the flooding or by reflections on the water surface, the drift of the bubbles can now be clearly determined on the basis of the mean value and the skewness of the frequency distribution.
Ist die Abdrift der Blasen und damit die Blasenaustritts¬ spur im Beobachtungsfenster der Video-Kamera 5 ermittelt, berechnet sich der Gesamtabfluß nach Gl. (7) . Die erfin¬ dungsgemäße Messung ist mit hoher zeitlicher Auflösung möglich.If the drift of the bubbles and thus the bubble exit trace is determined in the observation window of the video camera 5, the total discharge is calculated according to Eq. (7). The measurement according to the invention is possible with a high temporal resolution.
Fig. 7 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel der erfin¬ dungsgemäßen Anordnung bzw. des erfindungsgemäßen Verfah¬ rens im Bereich einer Brücke. Dargestellt ist ein Teil¬ querschnitt, in dem der mittels eines Pfeilers 16 auf ei¬ nem Fundament 17 gehaltene Brückenträger 15 zu erkennen ist. An dem Brückenträger 15 ist die Kamera 5, beispiels¬ weise eine CCD-Kamera, angeordnet. Das Gerinne 14 mit der Oberfläche 13 und der Sohle 8 weist eine geringe und zugleich zeitweise schwankende Fließgeschwindigkeit auf. Herkömmliche Meßmethoden zur Bestimmung der Fließge¬ schwindigkeit bzw. des Abflusses, wie z.B. Flügel- oder Schwimmermessungen, bereiten in Gerinnen mit sehr gerin¬ gen Fließgeschwindigkeiten erhebliche Schwierigkeiten. Nimmt z.B. der Abfluß in einem Gerinne extrem ab, kann es dazu kommen, daß die mittlere Fließgeschwindigkeit unter 10 mm/s sinkt. Ein Beispiel hierfür ist der Abfluß der Spree in den Sommermonaten. Bei einem Fließquerschnitt mit einer Breite von ca. 60 m und einer Wassertiefe von ca. 2,3 m stellt sich eine mittlere Fließgeschwindigkeit von 3,625 mm/s ein. Dieser Geschwindigkeitswert läßt sich mit herkömmlichen Meßmethoden nicht erfassen, ebenso wie der dabei vorliegende Abfluß.7 shows a further example of application of the arrangement according to the invention or of the method according to the invention in the region of a bridge. A partial cross-section is shown in which the bridge girder 15 held on a foundation 17 by means of a pillar 16 can be seen. The camera 5, for example a CCD camera, is arranged on the bridge support 15. The channel 14 with the surface 13 and the sole 8 has a low and at the same time fluctuating flow rate. Conventional measuring methods for determining the flow velocity or the outflow, such as, for example, wing or float measurements, cause considerable difficulties in channels with very low flow velocities. If, for example, the discharge in a channel decreases extremely, it can happen that the mean flow velocity falls below 10 mm / s drops. An example of this is the outflow of the Spree in the summer months. With a flow cross-section with a width of approx. 60 m and a water depth of approx. 2.3 m, an average flow speed of 3.625 mm / s is established. This speed value cannot be recorded with conventional measuring methods, just like the runoff present.
Wie sich in dem in Fig. 7 dargestellten Beispiel heraus¬ gestellt hat, ist die Abflußmessung mittels Luftblasen 12 ein geeignetes Verfahren, um den Abfluß unmittelbar und genau zu ermitteln. Die Messung wurde im Fließquerschnitt unter einer Brücke vorgenommen. Die Gleichmäßigkeit des Fließquerschnittes erlaubte es, sich auf die Abflußmes¬ sung an den Brückenpfeilern 16 zu beschränken. Um eine Verfälschung der Meßergebnisse durch Grenzschichtentwick¬ lung am Brückenpfeiler 16 bzw. dessen Fundament 17 zu vermeiden, wurden jeweils Reihen der erfindungsgemäßen Diffusoren 1 in einem Diffusorenhalter 2 an der Sohle 8 installiert, die 3,0 m in den Fließquerschnitt hineinrag¬ ten (Fig. 7) . Der Diffusorenhalter 2 wurde mittels einer Haltevorrichtung 19 an dem Pfeiler 16 befestigt. Die Druckluftleitung 3 und die daran angeschlossene Druck¬ luftversorgungseinheit 4 sowie die digitale Bildverarbei¬ tungseinheit 10 sind in der Fig. 7 nicht dargestellt. Die Kamera 5 ist mittels der Signalableitung 18 an die digi¬ tale Bildverarbeitungseinheit 10 angeschlossen.As has been found in the example shown in FIG. 7, the discharge measurement by means of air bubbles 12 is a suitable method for determining the discharge directly and precisely. The measurement was made in the flow cross section under a bridge. The uniformity of the flow cross-section allowed it to be limited to the discharge measurement on the bridge pillars 16. In order to avoid falsification of the measurement results by boundary layer development on the bridge pier 16 or its foundation 17, rows of the diffusers 1 according to the invention were installed in a diffuser holder 2 on the base 8, which protrude 3.0 m into the flow cross-section (FIG 7). The diffuser holder 2 was fastened to the pillar 16 by means of a holding device 19. The compressed air line 3 and the compressed air supply unit 4 connected to it and the digital image processing unit 10 are not shown in FIG. 7. The camera 5 is connected to the digital image processing unit 10 by means of the signal derivative 18.
Beim Aufsteigen einer Luftblase 12 von der Sohle 8 wird sie an jeder Stelle um einen Betrag in Strömungsrichtung abgetrieben, der der lokalen Fließgeschwindigkeit an die¬ ser Stelle entspricht. Die horizontale Abdrift, die sie vom Startpunkt an der Sohle 8 bis zur Oberfläche 13 zu¬ rückgelegt hat, multipliziert mit der Aufstiegsgeschwin¬ digkeit us der Luftblasen 12 entspricht genau dem Abfluß in einem der Blasenspur entsprechenden Streifen des Fließquerschnitts. Zur Ermittlung des Gesamtabflusses wurde das Bild der an die Oberfläche 13 aufgestiegenen Luftblasen 12 mit Hilfe einer Kamera 5 aufgenommen, in der die Bilddaten in elektrische Signale mit Halbleiter- Bildsensoren umgesetzt und nachfolgend in einem an die Kamera 5 angeschlossenen Mikroprozessor, der in der Zeichnung nicht dargestellt ist, digital verarbeitet. Die Kombination der Integration der Fließgeschwindigkeit mit¬ tels aufsteigender Luftblasen 12 und der digitalen Bild¬ verarbeitung ermöglichte somit eine kontinuierliche, di¬ rekte Abflußmessung mit hoher zeitlicher Auflösung und Genauigkeit.When an air bubble 12 rises from the sole 8, it is driven off at each point in the flow direction by an amount which corresponds to the local flow velocity at this point. The horizontal drift, which it has covered from the starting point on the sole 8 to the surface 13, multiplied by the rate of ascent u s of the air bubbles 12 corresponds exactly to the outflow in a strip of the flow cross section corresponding to the bubble trace. To determine the total outflow, the image of the air bubbles 12 ascending to the surface 13 was recorded with the aid of a camera 5, in which the image data are converted into electrical signals with semiconductor image sensors and subsequently in a microprocessor connected to the camera 5, which is not shown in the drawing is shown, digitally processed. The combination of the integration of the flow rate by means of rising air bubbles 12 and the digital image processing thus enabled a continuous, direct discharge measurement with high temporal resolution and accuracy.
Die Figuren 8 bis 10 zeigen Diffusoren 1, mit denen in Flüssigkeiten Gasblasen, insbesondere Luftblasen 12 in Wasser, hinsichtlich ihrer Größe und zeitlichen Abfolge absolut gleichmäßig erzeugt werden können, um auf diese Weise Gasblasen als Meßmedium für das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung des Abflusses zu erzeugen.FIGS. 8 to 10 show diffusers 1, with which gas bubbles, in particular air bubbles 12 in water, can be produced absolutely uniformly with regard to their size and chronological order in order to generate gas bubbles as a measuring medium for the method according to the invention for measuring the discharge .
Der Diffusor 1 gemäß Fig. 8 weist einen Gaseinlaß 30 mit einer Eintrittsöffnung 31 für die Zuführung des Gases auf. Das Gas tritt an dem Gasauslaß 45 mit der Austritts¬ öffnung 46 unter Bildung von nicht dargestellten Gasbla¬ sen in die Flüssigkeit aus. Der Gaseinlaß 30 ist mit dem Gasauslaß 45 über den Gaskanal 47 verbunden. In dem Gas¬ kanal 47 ist eine als Kanüle 43 mit einem darin einge¬ setzten Draht 44 ausgebildete Drossel 32 angeordnet. Der Durchmesser des Drahtes 44 ist kleiner als der Durchmes¬ ser der Kanüle 43, so daß in dem Zwischenraum zwischen dem Draht 44 und der Kanüle 43 die den Gasstrom dros¬ selnde Drosselöffnung 33 gebildet wird, die sich in die- sem Fall entlang des Zwischenraumes erstreckt. Die Öff¬ nungsfläche der Drosselöffnung 33 ist gleich der Quer¬ schnittsfläche des Zwischenraumes.The diffuser 1 according to FIG. 8 has a gas inlet 30 with an inlet opening 31 for the supply of the gas. The gas exits at the gas outlet 45 with the outlet opening 46 to form gas bubbles (not shown) into the liquid. The gas inlet 30 is connected to the gas outlet 45 via the gas channel 47. A throttle 32 designed as a cannula 43 with a wire 44 inserted therein is arranged in the gas channel 47. The diameter of the wire 44 is smaller than the diameter of the cannula 43, so that the throttle opening 33 which throttles the gas flow is formed in the space between the wire 44 and the cannula 43 and which sem case extends along the gap. The opening area of the throttle opening 33 is equal to the cross-sectional area of the intermediate space.
Die Drossel 32 mündet stromabwärts im Bereich des Bodens 35 des Sacklochs 34 in das als zylindrische Bohrung aus¬ gebildete Sackloch 34. Die Einlaßstelle 48, an der das Gas von der Drossel 32 in das Sackloch 34 eintritt, be¬ findet sich in diesem Beispiel nicht unmittelbar am Boden 35 des Sacklochs 34, da die Kanüle 43 etwas in das Sack¬ loch 34 hineinragt. Die Einlaßstelle 48 könnte jedoch auch im Boden 35 des Sacklochs 34 liegen. Das Sackloch 34 erstreckt sich von seinem Boden 35 zu seinem offenen Ende 36 hin in Richtung des Gasauslasses 45. Der Querschnitt des Sacklochs 34 ist größer als die Öffnungsfläche der Drosselöffnung 33, so daß sich an dieser Stelle der für die Strömung des Gases zur Verfügung stehende Querschnitt vergrößert.The throttle 32 opens downstream in the region of the bottom 35 of the blind hole 34 into the blind hole 34 formed as a cylindrical bore. The inlet point 48 at which the gas from the throttle 32 enters the blind hole 34 is not found in this example directly at the bottom 35 of the blind hole 34, since the cannula 43 protrudes somewhat into the blind hole 34. However, the inlet point 48 could also be in the bottom 35 of the blind hole 34. The blind hole 34 extends from its bottom 35 towards its open end 36 in the direction of the gas outlet 45. The cross section of the blind hole 34 is larger than the opening area of the throttle opening 33, so that at this point the available for the flow of the gas Cross section enlarged.
Letztes strömungstechnisches Konstruktionselement des Diffusors 1 ist das offene Ende 36 des Sacklochs 34, das die Austrittsöffnung 46 des Gasauslasses 45 bildet. In der Regel ist der Diffusor 1 in der Flüssigkeit so orien¬ tiert, daß die Luftblasen 12 senkrecht nach oben austre¬ ten. Es sind aber auch andere Orientierungen vorstellbar, auch solche, bei denen die Kanüle 43 und das Sackloch 34 einen anderen Winkel als in der Fig. 8 dargestellt zuein¬ ander bilden. Das Sackloch 34 und die Kanüle 43 liegen in einem als Sechskantschraube ausgebildeten Trägerteil 41 aus Polyamid, das an der Außenseite ein Gewinde 42 auf¬ weist.The last fluidic construction element of the diffuser 1 is the open end 36 of the blind hole 34, which forms the outlet opening 46 of the gas outlet 45. As a rule, the diffuser 1 is oriented in the liquid such that the air bubbles 12 emerge vertically upward. However, other orientations are also conceivable, including those in which the cannula 43 and the blind hole 34 have a different angle than shown in FIG. 8 to form each other. The blind hole 34 and the cannula 43 lie in a polyamide support part 41, which is designed as a hexagon screw and has a thread 42 on the outside.
Die Kanüle 43 besteht aus Edelstahl mit einem Innendurch¬ messer von 0,115 mm und einem Außendurchmesser von 0,68 mm. Der in ihr geführte Draht 44 besteht ebenfalls aus Edelstahl mit einem Durchmesser von 0,10 mm und ist an der Kanüle 43 durch Anlöten gegen Verschieben gesi¬ chert. Die Kanüle 43 ist 20 mm lang. Die Kanüle 43 und der in ihr geführte Draht 44 ragen, vom Boden 35 des Sacklochs 34 aus gemessen, 2 mm in das Sackloch 34 hin¬ ein. Die Länge der Kanüle 43 innerhalb und außerhalb des Trägerteils 41 beträgt jeweils 9 mm.The cannula 43 is made of stainless steel with an inside diameter of 0.115 mm and an outside diameter of 0.68 mm. The wire 44 guided in it also exists made of stainless steel with a diameter of 0.10 mm and is secured to the cannula 43 by soldering against displacement. The cannula 43 is 20 mm long. The cannula 43 and the wire 44 guided in it protrude 2 mm into the blind hole 34, measured from the bottom 35 of the blind hole 34. The length of the cannula 43 inside and outside of the carrier part 41 is 9 mm in each case.
Das als Sechskantschraube ausgebildete Trägerteil 41 hat eine Gesamtlänge von 24 mm, wobei der Schaft 20 mm und der Kopf 4 mm lang ist. Das Sackloch 34 ist 14 mm tief, sein Durchmesser beträgt 2 mm. Aus einem Druckluftversor¬ gungssystem tritt die Luft oder das Gas durch den Gasein¬ laß 30 in den Gaskanal 47 des Diffusor 1 ein. Durch den an dem Gaseinlaß 30 anliegenden Betriebsdruck und dem ge¬ ringeren äußeren hydrostatischen Druck der Flüssigkeit ergibt sich eine Druckdifferenz, aufgrund der sich Gas¬ blasen bilden, die am Gasauslaß 45 in die Flüssigkeit austreten.The carrier part 41 designed as a hexagon screw has a total length of 24 mm, the shaft being 20 mm and the head being 4 mm long. The blind hole 34 is 14 mm deep, its diameter is 2 mm. The air or the gas enters the gas channel 47 of the diffuser 1 from a compressed air supply system through the gas inlet 30. Due to the operating pressure present at the gas inlet 30 and the lower external hydrostatic pressure of the liquid, a pressure difference results, due to which gas bubbles form which exit into the liquid at the gas outlet 45.
In Fig. 9 ist ein abgewandelter Diffusor 1 dargestellt. Er unterscheidet sich von dem Diffusor 1 gemäß Fig. 8 durch eine zusätzlich in dem Diffusor 1 ausgebildete, zy¬ lindrische Expansionsvertiefung 38. Das innere Ende 39 und das äußere Ende 40 der Expansionsvertiefung 38 haben einen Durchmesser von 3 mm. Die Expansionsvertiefung 38 ist 4 mm lang. Das Sackloch 34 ist deshalb um diese 4 mm kürzer als bei dem Diffusor 1 gemäß Fig. 8; die übrigen Abmessungen sind gleich. Das äußere Ende 40 der Expansi¬ onsvertiefung 38 bildet die Austrittsöffnung 46.A modified diffuser 1 is shown in FIG. It differs from the diffuser 1 according to FIG. 8 by an additional cylindrical expansion recess 38 formed in the diffuser 1. The inner end 39 and the outer end 40 of the expansion recess 38 have a diameter of 3 mm. The expansion recess 38 is 4 mm long. The blind hole 34 is therefore 4 mm shorter than in the diffuser 1 according to FIG. 8; the other dimensions are the same. The outer end 40 of the expansion recess 38 forms the outlet opening 46.
Die Fig. 10 zeigt eine weiter abgewandelte Ausbildung des Diffusors 1. Er unterscheidet sich von dem Diffusor gemäß Fig. 8 durch eine zusätzlich in dem Diffusor 1 ausgebil- dete, konische Expansionsvertiefung 38. Die konische Ex¬ pansionsvertiefung 38 hat einen Durchmesser von 3 mm am äußeren Ende 40 und einen Durchmesser von 2 mm am inneren Ende 39, der dem Durchmesser des Sacklochs 34 entspricht. Die konische Expansionsvertiefung 38 ist 1 mm lang. Das Sackloch 34 ist dadurch um 1 mm gegenüber der Ausfüh¬ rungsform der Fig. 8 verkürzt; die übrigen Abmessungen stimmen mit denen des Diffusors 1 gemäß Fig. 8 überein. Das äußere Ende 40 der Expansionsvertiefung 38 bildet die Austrittsöffnung 46. FIG. 10 shows a further modified embodiment of the diffuser 1. It differs from the diffuser according to FIG. 8 in that it is additionally formed in the diffuser 1. dete, conical expansion recess 38. The conical expansion recess 38 has a diameter of 3 mm at the outer end 40 and a diameter of 2 mm at the inner end 39, which corresponds to the diameter of the blind hole 34. The conical expansion recess 38 is 1 mm long. The blind hole 34 is thereby shortened by 1 mm compared to the embodiment in FIG. 8; the other dimensions correspond to those of the diffuser 1 according to FIG. 8. The outer end 40 of the expansion recess 38 forms the outlet opening 46.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zur Bestimmung des Abflusses einer mit freiem Spiegel in einem Gerinne (14) fließenden Flüs¬ sigkeit unter Verwendung von Gasblasen als Meßmedium, dadurch gekennzeichnet, daß mittels über einen Querschnittsbereich der Sohle (8) des Gerinnes (14) räumlich verteilt angeordneter Dif¬ fusoren (1) eine zeitliche Folge einzelner Gasblasen erzeugt wird, wobei die Gasblasen eine solche Größe aufweisen, daß sie mit einer annähernd konstanten Steiggeschwindigkeit (us) von der Sohle (8) des Ge¬ rinnes (14) bis zu dessen Oberfläche (13) aufsteigen, mindestens ein Bild der horizontalen Abdrift der Gas¬ blasen an der Oberfläche (13) des Gerinnes (14) mit¬ tels mindestens eines außerhalb der Flüssigkeit ange¬ ordneten optischen Bildaufnehmers aufgenommen wird und daß das mindestens eine aufgenommene Bild zur Ermitt¬ lung des Abflusses des Gerinnes (14) mittels einer Bildverarbeitungseinheit (10) ausgewertet wird.1. A method for determining the outflow of a liquid with a free mirror in a channel (14) flowing liquid using gas bubbles as the measuring medium, characterized in that by means of a cross-sectional area of the bottom (8) of the channel (14) spatially distributed Dif ¬ fusors (1) a time sequence of individual gas bubbles is generated, the gas bubbles being of such a size that they have an almost constant rate of climb (u s ) from the bottom (8) of the channel (14) to its surface ( 13) rise, at least one image of the horizontal drift of the gas bubbles on the surface (13) of the channel (14) is recorded by means of at least one optical image recorder arranged outside the liquid, and that the at least one recorded image is used for the determination the outflow of the channel (14) is evaluated by means of an image processing unit (10).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusoren (1) nebeneinander in einer quer zur Strömungsrichtung des Gerinnes (14) verlaufenden Reihe angeordnet sind.2. The method according to claim 1, characterized in that the diffusers (1) are arranged side by side in a row running transversely to the flow direction of the channel (14).
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit zu einem überwiegenden Anteil Wasser ist und die Gasblasen Luftblasen (12) sind. 3. The method according to claim 1, characterized in that the liquid is predominantly water and the gas bubbles are air bubbles (12).
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftblasen (12) mit einem auf volumengleiche Blasen bezogenen äquivalenten Blasendurchmesser (de_) zwischen 3 mm und 10 mm, vorzugsweise etwa 4,5 mm, erzeugt werden.4. The method according to claim 3, characterized in that the air bubbles (12) with an equivalent bubble-based equivalent bubble diameter (d e _) between 3 mm and 10 mm, preferably about 4.5 mm, are generated.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bildverarbeitungseinheit (10) das mindestens eine Bild digital verarbeitet und auswertet.5. The method according to claim 1, characterized in that the image processing unit (10) digitally processes and evaluates the at least one image.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung eines Abflußwertes Bilder der Oberfläche (13) zu unterschiedlichen Zeitpunkten nacheinander aufgenommen und mittels der Bildverar¬ beitungseinheit (10) unter Anwendung statistischer Auswertemethoden ausgewertet werden.6. The method according to claim 1, characterized in that to determine a discharge value, images of the surface (13) are taken in succession at different times and are evaluated by means of the image processing unit (10) using statistical evaluation methods.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (13) des Gerinnes (14) im Bereich der aufgestiegenen Gasblasen mittels einer Beleuch¬ tungseinrichtung (7) beleuchtet wird.7. The method according to claim 1, characterized in that the surface (13) of the channel (14) in the area of the ascending gas bubbles is illuminated by means of a lighting device (7).
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Verfahrensschritt einschließt, bei dem zur Bestimmung der Steiggeschwindigkeit (us) der Gas¬ blasen die Erzeugung der Gasblasen zu einem ersten Zeitpunkt gestoppt und die Zeitdifferenz bis zu einem zweiten Zeitpunkt, ab dem keine Gasblasen mehr an der Oberfläche (13) des Gerinnes (14) erscheinen, gemes¬ sen wird.8. The method according to claim 1, characterized in that it includes a step in which to determine the rate of climb (u s ) of the gas bubbles, the generation of the gas bubbles stopped at a first point in time and the time difference up to a second point in time, from no more gas bubbles appear on the surface (13) of the channel (14), measurement is carried out.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Verfahrensschritt einschließt, bei dem zur Bestimmung der Steiggeschwindigkeit (u ) der Gas- blasen die Erzeugung der Gasblasen zu einem ersten Zeitpunkt eingeschaltet und die Zeitdifferenz bis zu einem zweiten Zeitpunkt, zu dem die ersten Gasblasen an der Oberfläche (13) des Gerinnes (14) erscheinen, gemessen wird.9. The method according to claim 1, characterized in that it includes a step in which to determine the rate of climb (u) of the gas blow the generation of the gas bubbles switched on at a first point in time and the time difference up to a second point in time at which the first gas bubbles appear on the surface (13) of the channel (14) is measured.
10. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach An¬ spruch 1 zur Bestimmung des Abflusses einer mit freiem Spiegel in einem Gerinne (14) fließenden Flüs¬ sigkeit unter Verwendung von Gasblasen als Meßmedium, dadurch gekennzeichnet, daß über einen Querschnitts¬ bereich der Sohle (8) des Gerinnes (14) räumlich ver¬ teilt angeordnete Diffusoren (1) vorgesehen sind, die an einer Druckgasversorgung angeschlossen sind und mit denen eine zeitliche Folge einzelner Gasblasen erzeugbar ist, wobei Gasblasen eine solche Größe auf¬ weisen, daß sie mit einer annähernd konstanten Steig¬ geschwindigkeit (us) von der Sohle des Gerinnes (14) bis zu dessen Oberfläche (13) aufsteigen, mindestens ein außerhalb der Flüssigkeit angeordneter optischer Bildaufnehmer vorgesehen ist, mit dem min¬ destens ein Bild der horizontalen Abdrift der Gasbla¬ sen an der Oberfläche (13) des Gerinnes (14) aufnehm¬ bar ist und eine an den mindestens einen Bildaufnehmer anschlie߬ bare Bildverarbeitungseinheit (10) vorgesehen ist, mit der das mindestens eine aufgenommene Bild zur Er¬ mittlung des Abflusses des Gerinnes (14) auswertbar ist.10. Arrangement for carrying out the method according to claim 1 for determining the outflow of a liquid flowing with a free mirror in a channel (14) using gas bubbles as the measuring medium, characterized in that over a cross-sectional area of the sole (8 ) of the channel (14) spatially distributed diffusers (1) are provided, which are connected to a pressurized gas supply and with which a chronological sequence of individual gas bubbles can be generated, gas bubbles being of such a size that they have an approximately constant Rise speed (u s ) from the bottom of the channel (14) to its surface (13), at least one optical image sensor arranged outside the liquid is provided, with which at least one image of the horizontal drift of the gas bubbles the surface (13) of the channel (14) can be picked up and an image processor that can be connected to the at least one image pickup Processing unit (10) is provided, with which the at least one recorded image can be evaluated to determine the outflow of the channel (14).
11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Diffusoren (1) nebeneinander in einer quer zur Strömungsrichtung des Gerinnes (14) verlaufenden Reihe angeordnet sind. 11. The arrangement according to claim 10, characterized in that the diffusers (1) are arranged side by side in a row running transversely to the flow direction of the channel (14).
12. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beleuchtungseinrichtung (7) zur Beleuchtung der Oberfläche (13) des Gerinnes (14) im Bereich der aufgestiegenen Gasblasen vorgesehen ist.12. The arrangement according to claim 10, characterized in that an illumination device (7) for illuminating the surface (13) of the channel (14) is provided in the region of the ascending gas bubbles.
13. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Tragkonstruktion (11) zur Halterung minde¬ stens eines des mindestens einen Bildaufnehmers in einer Position vorgesehen ist, von der aus dieser ein Bild der aufgestiegenen Gasblasen aufnehmen kann.13. The arrangement according to claim 10, characterized in that a supporting structure (11) for holding at least one of the at least one image sensor is provided in a position from which it can take an image of the ascending gas bubbles.
14. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Bildverarbeitungseinheit (10) ein Speichermedium an den mindestens einen Bildaufnehmer anschließbar ist, mit dem das mindestens eine aufge¬ nommene Bild zur Ermittlung des Abflusses des Gerin¬ nes (14) speicherbar und einer Bildverarbeitungsein¬ heit (10) zuführbar ist.14. Arrangement according to claim 10, characterized in that instead of the image processing unit (10), a storage medium can be connected to the at least one image sensor, with which the at least one recorded image for determining the outflow of the channel (14) can be stored and one Image processing unit (10) can be fed.
15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An¬ spruch 1 mit einem Diffusor (1) zur Erzeugung von Gasblasen definierter und konstanter Größe in einer Flüssigkeit, wobei der Diffusor (1) einen Gaseinlaß (30) mit einer Ein¬ trittsöffnung (31) für die Zuführung des Gases, einen Gasauslaß (45) mit einer Austrittsöffnung (46) für den Austritt der Gasblasen und einen den Gaseinlaß15. Device for carrying out the method according to claim 1 with a diffuser (1) for generating gas bubbles of defined and constant size in a liquid, the diffuser (1) having a gas inlet (30) with an inlet opening (31) for the supply of the gas, a gas outlet (45) with an outlet opening (46) for the outlet of the gas bubbles and one the gas inlet
(30) und den Gasauslaß (45) verbindenden Gaskanal(30) and the gas outlet (45) connecting gas channel
(47) aufweist, in dem Gaskanal (47) eine in Strömungsrichtung des Gases stromabwärts von der Eintrittsöffnung (31) lie¬ gende Drossel (32) zur Drosselung des Gasstroms mit einer Drosselöffnung (33) angeordnet ist, ein Teil des Gaskanals (47) von einem Sackloch (34) gebildet wird, welches sich von seinem Boden (35) zu seinem offenen Ende (36) hin in Richtung auf den Gas¬ auslaß (45) erstreckt, die Einlaßstelle (48) des Gaskanals (47) , an der das von der Drossel (32) stromabwärts in das Sackloch (34) strömende Gas in das Sackloch (34) eintritt, an einer Stelle in dem Sackloch (34) angeordnet ist, von der aus das Gas zumindest ein Teilstück des Sacklochs (32) stromabwärts in Richtung auf den Gasauslaß (45) durchströmt, und das Sackloch (32) an der Einlaßstelle (48) einen Sacklochquerschnitt aufweist, der größer als die Öff¬ nungsfläche der Drosselöffnung (33) ist.(47), in the gas channel (47) a throttle (32) lying downstream of the inlet opening (31) in the flow direction of the gas for throttling the gas flow with a throttle opening (33) is arranged, a part of the gas channel (47) is formed by a blind hole (34) which extends from its bottom (35) to its open end (36) towards the gas outlet (45), the inlet point (48) of the Gas channel (47), at which the gas flowing from the throttle (32) downstream into the blind hole (34) enters the blind hole (34), is arranged at a point in the blind hole (34) from which the gas at least one Part of the blind hole (32) flows downstream in the direction of the gas outlet (45), and the blind hole (32) at the inlet point (48) has a blind hole cross section which is larger than the opening area of the throttle opening (33).
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungsfläche der Drosselöffnung (33) im Be¬ reich von 0,002 mm2 bis 0,785 mm2 liegt.16. The apparatus according to claim 15, characterized in that the opening area of the throttle opening (33) is in the range from 0.002 mm 2 to 0.785 mm 2 .
17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Sackloch (34) einen Durchmesser im Bereich von 1 mm bis 8 mm, bevorzugt ca. 2 mm, und eine Länge im Bereich von 2 mm bis 80 mm, bevorzugt ca. 14 mm aufweist.17. The apparatus according to claim 15, characterized in that the blind hole (34) has a diameter in the range of 1 mm to 8 mm, preferably approximately 2 mm, and a length in the range of 2 mm to 80 mm, preferably approximately 14 mm having.
18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasauslaß (45) eine in dem Diffusor (1) ange¬ ordnete Expansionsvertiefung (38) umfaßt, die ein be¬ züglich des Gasstromes stromaufwärts gelegenes inne¬ res Ende (39) und ein stromabwärts gelegenes äußeres Ende (40) aufweist, wobei das offene Ende (36) des Sacklochs (34) mit dem inneren Ende der Expansions¬ vertiefung (38) verbunden ist und der Durchmesser der Expansionsvertiefung (38) an der Austrittsöffnung (46) des Gasauslasses (45) größer als der Durchmesser des offenen Endes (36) des Sacklochs (34) ist.18. The apparatus according to claim 15, characterized in that the gas outlet (45) comprises an expansion recess (38) arranged in the diffuser (1) and having an inner end (39) and an upstream end of the gas stream (39) has a downstream outer end (40), the open end (36) of the blind hole (34) being connected to the inner end of the expansion recess (38) and the diameter of the expansion recess (38) at the outlet opening (46) of the gas outlet (45) is larger than the diameter of the open end (36) of the blind hole (34).
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsvertiefung (38) einen Durchmesser zwischen 2 mm und 10 mm, bevorzugt ca. 3 mm, und in Strömungsrichtung des Gases eine Länge zwischen 1 mm und 15 mm aufweist.19. The apparatus according to claim 18, characterized in that the expansion recess (38) has a diameter between 2 mm and 10 mm, preferably about 3 mm, and in the direction of flow of the gas has a length between 1 mm and 15 mm.
20. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsvertiefung (38) zylindrisch ausge¬ bildet ist.20. The apparatus according to claim 18, characterized in that the expansion recess (38) is cylindrical aus¬.
21. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Expansionsvertiefung (38) von ihrem inneren Ende (39) zu ihrem äußeren Ende (40) zunimmt.21. The apparatus according to claim 18, characterized in that the diameter of the expansion recess (38) increases from its inner end (39) to its outer end (40).
22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsvertiefung (38) konisch ausgebildet ist.22. The apparatus according to claim 21, characterized in that the expansion recess (38) is conical.
23. Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des inneren Endes (39) der Expan¬ sionsvertiefung (38) dem des offenen Endes (36) des Sacklochs (34) entspricht.23. The device according to claim 22, characterized in that the diameter of the inner end (39) of the expansion recess (38) corresponds to that of the open end (36) of the blind hole (34).
24. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Ende (39) einen Durchmesser im Bereich zwischen 1 mm und 8 mm, bevorzugt ca. 2 mm, und das äußere Ende (40) einen Durchmesser im Bereich zwi¬ schen 2 mm und 10 mm, bevorzugt ca. 4 mm aufweist. 24. The device according to claim 21, characterized in that the inner end (39) has a diameter in the range between 1 mm and 8 mm, preferably about 2 mm, and the outer end (40) has a diameter in the range between 2 mm and 10 mm, preferably about 4 mm.
25. Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Expansionsvertiefung (38) ca. 1 mm beträgt.25. The device according to claim 24, characterized in that the length of the expansion recess (38) is approximately 1 mm.
26. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (32) und das Sackloch (34) in ein Trägerteil (41) eingearbeitet sind.26. The apparatus according to claim 15, characterized in that the throttle (32) and the blind hole (34) are incorporated in a carrier part (41).
27. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (32) , das Sackloch (34) und die Ex¬ pansionsvertiefung (38) in ein Trägerteil (41) einge¬ arbeitet sind.27. The apparatus according to claim 18, characterized in that the throttle (32), the blind hole (34) and the expansion recess (38) are incorporated into a carrier part (41).
28. Vorrichtung nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das Trägerteil (41) schraubenartig ge¬ formt ist und ein Gewinde (42) zum Einschrauben in einen Diffusorenhalter (2) aufweist.28. The apparatus according to claim 26 or 27, characterized gekenn¬ characterized in that the carrier part (41) is shaped like a screw and has a thread (42) for screwing into a diffuser holder (2).
29. Vorrichtung nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das Trägerteil (41) aus Stahl besteht.29. The device according to claim 26 or 27, characterized gekenn¬ characterized in that the carrier part (41) consists of steel.
30. Vorrichtung nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägerteil (41) aus Edelstahl besteht.30. The device according to claim 29, characterized in that the carrier part (41) consists of stainless steel.
31. Vorrichtung nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß das Trägerteil (41) aus Kunststoff be¬ steht.31. The device according to claim 26 or 27, characterized gekenn¬ characterized in that the carrier part (41) is made of plastic be¬.
32. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (32) eine Kanüle (43) aufweist.32. Apparatus according to claim 15, characterized in that the throttle (32) has a cannula (43).
33. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß in der Öffnung der Kanüle (43) ein Draht (44) an¬ geordnet ist. 33. Apparatus according to claim 32, characterized in that a wire (44) is arranged in the opening of the cannula (43).
34. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanüle (43) einen Öffnungsquerschnitt im Be¬ reich von 0,007 mm2 bis 0,013 mm2, bevorzugt von ca. 0,01 mm2, und der Draht (44) einen Querschnitt im Be¬ reich von 0,0070 mm2 bis 0,0086 mm2, bevorzugt ca. 0,0078 mm2 aufweist.34. Apparatus according to claim 33, characterized in that the cannula (43) has an opening cross section in the range from 0.007 mm 2 to 0.013 mm 2 , preferably from approximately 0.01 mm 2 , and the wire (44) has a cross section in the Has range from 0.0070 mm 2 to 0.0086 mm 2 , preferably about 0.0078 mm 2 .
35. Vorrichtung nach Anspruch 32 oder 33, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Kanüle (43) einen Öffnungsquer¬ schnitt im Bereich von 0,0020 mm2 bis 0,0030 mm2, be¬ vorzugt von ca. 0,0025 mm2 aufweist.35. Device according to claim 32 or 33, characterized in that the cannula (43) has an opening cross section in the range from 0.0020 mm 2 to 0.0030 mm 2 , preferably of approximately 0.0025 mm 2 having.
36. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanüle (43) aus Edelstahl besteht.36. Apparatus according to claim 32, characterized in that the cannula (43) consists of stainless steel.
37. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanüle (43) aus Kunststoff besteht.37. Apparatus according to claim 32, characterized in that the cannula (43) consists of plastic.
38. Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanüle (43) aus Glas besteht.38. Apparatus according to claim 32, characterized in that the cannula (43) consists of glass.
39. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (44) aus Edelstahl besteht.39. Apparatus according to claim 33, characterized in that the wire (44) consists of stainless steel.
40. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (44) aus Federstahl besteht.40. Apparatus according to claim 33, characterized in that the wire (44) consists of spring steel.
41. Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht (44) aus Glas besteht.41. Apparatus according to claim 33, characterized in that the wire (44) consists of glass.
42. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis 41, dadurch gekennzeichnet, daß er so ausgebildet ist, daß die erzeugten Gasblasen einen auf volumen¬ gleiche Blasen bezogenen äquivalenten Blasendurchmes¬ ser (deq) zwischen 1 mm und 20 mm, bevorzugt zwischen 3 mm und 10 mm und besonders bevorzugt etwa 4,5 mm haben.42. Apparatus according to at least one of claims 15 to 41, characterized in that it is designed such that the gas bubbles generated have an equivalent bubble diameter (deq) between 1 mm and 20 mm, preferably between, with respect to the same volume bubbles 3 mm and 10 mm and particularly preferably about 4.5 mm.
43. Verwendung der Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 15 bis 42 zur Erzeugung von Gasblasen als Meßmedium in einem Verfahren zur Bestimmung des Ab¬ flusses einer mit freiem Spiegel fließenden Flüssig¬ keit, insbesondere in einem Verfahren nach Anspruch 1. 43. Use of the device according to at least one of claims 15 to 42 for generating gas bubbles as a measuring medium in a method for determining the outflow of a liquid flowing with a free mirror, in particular in a method according to claim 1.
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