WO2004010149A1 - Current meter for subsurface water - Google Patents

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WO2004010149A1
WO2004010149A1 PCT/DE2003/002400 DE0302400W WO2004010149A1 WO 2004010149 A1 WO2004010149 A1 WO 2004010149A1 DE 0302400 W DE0302400 W DE 0302400W WO 2004010149 A1 WO2004010149 A1 WO 2004010149A1
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WO
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flow meter
measuring
soil water
water flow
flow
Prior art date
Application number
PCT/DE2003/002400
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German (de)
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Inventor
Eberhard J. Sauter
Original Assignee
Stiftung Alfred-Wegener-Institut Für Polar- Und Meeresforschung
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Publication date
Application filed by Stiftung Alfred-Wegener-Institut Für Polar- Und Meeresforschung filed Critical Stiftung Alfred-Wegener-Institut Für Polar- Und Meeresforschung
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P13/00—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement
    • G01P13/0006—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement of fluids or of granulous or powder-like substances
    • G01P13/0026—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement of fluids or of granulous or powder-like substances by using deflection of baffle-plates
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C13/00—Surveying specially adapted to open water, e.g. sea, lake, river or canal
    • G01C13/002—Measuring the movement of open water
    • G01C13/006—Measuring the movement of open water horizontal movement
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P13/00—Indicating or recording presence, absence, or direction, of movement
    • G01P13/02—Indicating direction only, e.g. by weather vane
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/02—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring forces exerted by the fluid on solid bodies, e.g. anemometer
    • G01P5/04—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring forces exerted by the fluid on solid bodies, e.g. anemometer using deflection of baffle-plates

Definitions

  • the invention relates to a soil water flow meter for simultaneous in situ measurement of local flow velocities in the lowest water column at different heights above a water floor with a vertical arrangement that can be attached to the water floor and has a plurality of flow sensors fixed at different heights and with a registration device for the measurement data ,
  • Soil water flowmeters are able to measure soil flow profiles in situ in the laboratory and in waters with shallow water depths. Against that is
  • the flow meter must follow a change in direction of the bottom flow
  • the vertical measurement resolution must be in the range of a few centimeters and
  • the flow meter should withstand the pressure prevailing in water depths of up to 6000 meters and the corrosive effects of sea water.
  • the Doppler effect When measuring bottom flow profiles in shallow water or in the laboratory, the Doppler effect is used in particular.
  • the shift in the wavelength of a sound or light beam scattered back by particles entrained in the flow is determined with an acoustic Doppler profiler or with an optical laser Doppler anemometer.
  • the wavelength shift is a function of the flow velocity.
  • complex equipment for vertical movement of the measuring arrangement is required. This means that the vertical measurement values cannot be recorded simultaneously.
  • each method based on the Doppler effect requires a certain amount of particles suspended uniformly in the water column, from which light or sound waves can be reflected.
  • the known soil water flow meter with electronic registration of the recorded measurement data of which the present invention as The closest state of the art consists of a cantilevered, heavy frame as a supporting vertical arrangement, which is set down on the water floor and into which several flow sensors are inserted.
  • the known arrangement is relatively complicated to handle, temperature-sensitive and also cost-intensive in the known flow meter using different measuring prin Zipien (hot film and hot wire detectors based on heat transport and fluid mechanically set Savonius rotors) measured at the different heights above the Bodden, which makes it difficult to obtain consistent data, especially under varying temperature conditions on site.
  • the Savonius rotors used - as well as the Aanderaa flowmeters commonly used in the field of oceanography - are so large that a high vertical measurement resolution cannot be achieved.
  • very low flow velocities, in particular below 3 cm / s, can usually only be detected with insufficient accuracy using the rotating flow meters.
  • the add-on parts such as struts and cable connections of the known flow meter can cause turbulence and a certain falsification of the flow conditions at the measuring location.
  • the object of the present invention is therefore to be seen in developing a generic soil water flow meter of the type described in the introduction such that high-resolution profile measurements of Soil water flows are made possible.
  • the flow meter according to the invention should in particular also meet deep-sea requirements, be of simple construction and also easy to handle. Nevertheless, the measurement data received should be very accurate. Furthermore, it is essential that the bottom flow to be measured is only minimally disturbed or distorted by the flow meter itself.
  • an inexpensive design is also to be implemented, which is also suitable for use on ocean-going research ships with their latent lack of space and time.
  • the vertical arrangement is designed as a rod, on which the flow sensors are arranged directly one above the other, and that the flow sensors each consist of a vertically oriented directional flag and an orthogonally aligned and connected to this measuring flag, of which the The direction flag around the vertical axis of rotation formed by the rod and the measurement flag about the horizontal axis running transversely to the direction flag are freely rotatable, the deflection angle to be registered of each individually calibrated measurement flag aligned by the direction flag in the direction of flow a function of the local flow velocity is.
  • the soil water flow meter according to the invention works exclusively in fluid mechanics. It implements a relatively simple, less sensitive measuring principle that delivers highly accurate measurement results even in critical environments with particularly high pressure, low temperature and corrosive medium. This means that the soil water flow meter according to the invention can be used for the first time in the deep sea at 2000 m to 6000 m depth and more locally high-resolution flow profiles of the near-ground flow. It is particularly advantageous here that the entire energy supply problem, which is often critical in underwater measuring devices, is eliminated.
  • the required high vertical resolution of the flow measurement is achieved by a Miniaturization of the individual flow sensors, which in principle only consist of two orthogonal to each other, flowable in the bottom water flow, achieved.
  • each measuring vane is individually calibrated with regard to its deflection angle under known flow conditions.
  • Known measuring arrangements for flow measurement for example an acoustic Doppler profiler, can be used for this purpose in a measuring channel.
  • the angular deflection of each measuring vane is determined at, for example, six different standard flow velocities.
  • a rod made of original material and ideally sea water of the same salt content tempered to in-situ temperature as occurs at the later measuring location is used in the flow channel. This creates identical viscosity conditions and minimizes errors due to different turbulence development in the flow lee of the rod.
  • the measuring arrangement according to the invention is small, light, handy and easy to use. It is relatively insensitive, can be stored well and is inexpensive. Applications in the deep sea in the form of stationary measuring fields with a large number of such groundwater flowmeters, which are regularly read, are conceivable. This results in particularly insightful long-term knowledge in the research of a group of parameters in near-surface water currents.
  • a flow meter with at least two flow vanes arranged one above the other is known, but it can only be used for measuring the horizontal flow in a shallow body of water. A deep sea suitability is not given, the registration facility with a reading scale and a compass must be included protruding from the water. Furthermore, a vertical flow profile can only be created in time by vertically shifting the flow meter in the flow. The known flow meter is held in the flow by the user. There is no directional flag pointing the measuring device.
  • the two flags one of which is fixedly connected to a rotating vertical shaft and the other of which is arranged freely radially rotatable up to a snap-in point, are then pressed under the inflow pressure of the flowing water to flow lee, whereby they have to overcome a counter-tension, which especially caused by a return spring, friction in the pivot bearings and possibly built-in electromechanical display devices.
  • These rotational resistances prevent the device from responding very easily, which is, however, indispensable for the precise detection of very low flow velocities, as are typical, for example, for the bottom water zone of the deep sea. Consequently, flow velocities above a certain threshold value can only be measured.
  • the described rotational resistances of the known flow meter lose their importance to the extent that the flow vanes are dimensioned larger, which is sufficient for determining the main flow velocity in the interior of a flowing water or channel.
  • the known flow meter does not appear to be suitable for measuring a vertically high-resolution flow profile close above a body of water.
  • the soil water flow meter according to the invention is characterized by a particularly good response behavior and thus by a high sensitivity, even with low flow velocities.
  • the known flow meter differs from the soil water flow meter according to the invention in a number of important points.
  • Essential property and also advantage of the stressed soil water flow meter is the creation of a profile measurement.
  • the gradient course of the soil water flow and the further parameters that can be derived from it, such as the shear rate or the surface roughness of the water floor enable important conclusions and insights. Due to the extremely small dimensions of the individual flow sensors, their close specification with a correspondingly fine resolution profile is possible. All sensors can have the same distance from each other.
  • the resolution profile can be further adapted to the conditions prevailing in the near-surface flow if, according to a first embodiment of the invention, it is provided that the closely adjacent arrangement of the flow sensors increases towards the water floor.
  • the resolution can be chosen to be coarser by correspondingly larger distances between the sensors.
  • the high sensitivity in the implementation of the measurement method was achieved in the soil water flow meter according to the invention by optimizing the material and shape. In particular, it became easy
  • the direction flag consists of a rectangular wire frame that is open on one side and that is freely rotatably connected to the rod via two wire eyelets at its two open ends, and one in
  • Wire frame arranged inflow surface is constructed.
  • a wire frame open on one side made of, for example, a saltwater-resistant one Stainless steel wire, preferably welding wire, can be produced easily and with good reproducibility at low unit costs.
  • a special production aid is already worthwhile for small series production.
  • small wire eyelets can be worked into the two open ends of the wire frame without problems, which enclose the rod as an axis of rotation.
  • a vertical fixation of the individual flow sensors can be achieved by means of corresponding intermediate pieces, which are also arranged loosely or firmly on the rod.
  • the inflow surface for forming the directional flag can also be easily attached in or on the wire frame in different ways.
  • the wire frame can be square and the inflow surface can be designed as a plastic film that is stretched between the lower horizontal and the vertical side of the wire frame and has a curvature that extends from the corresponding outer corner points of the wire frame and that is provided with a clearly visible angle scale.
  • Covering a square wire frame enables the production of a particularly simple and light, but robust directional flag.
  • the good visibility of the angle information is important for the visual reading of the angle scale, especially in cloudy water conditions. Further information on this embodiment can be found in the special description part.
  • the measuring vane is connected to the directional vane in such a way that the deflection angle of the measuring vane is always in the plane of the directional vane or the axis of rotation about which the measuring vane is deflected is always oriented orthogonally to the direction of flow.
  • the directional vane which is aligned unhindered in the floor flow, always ensures optimal flow and therefore deflection as a measure of the flow velocity.
  • the measuring flag can be rotatably mounted on a pulled-out axis of the upper wire eyelet of the wire frame and one from the axis to the curvature of the inflows. have increasing trapezoidal shape.
  • the axis connection creates a light, but easily rotatable and resistant system from the two flags.
  • the essential influence of the design of the measuring vane on the measuring behavior of the flow meter according to the invention has already been mentioned above.
  • Various tests have shown that a measuring vane in the shape of a trapezoid represents the optimal shape in terms of fluid dynamics with the best response and decay behavior.
  • the measuring flag is integrated in the directional flag and extends to the measuring scale on the directional flag.
  • the measuring flag thus fulfills the function of a pointer.
  • a pointer can be produced in a particularly simple manner if, according to the next invention, the measuring flag is made of a plastic that is neutral in buoyancy and is light-colored.
  • a salt-water-resistant plastic e.g. polyethylene, guarantees with its whitish color a particularly good visibility of the measuring flag against the mostly dark background in the deep sea, which is important for reading the angular position - like the good visibility of the scale.
  • the measuring flag is introduced by introducing a small one
  • Weight pearl in its side opposite the axis of rotation is set individually in its responsiveness. This will make the sensitivity-determining restoring force of the measuring vanes in the floor flow to a precisely metered gravity.
  • the mass of the weight beads which can be lead beads, for example, means that the sensitivity range of the measuring lugs can be set variably. For example, the measurement flags near the ground can be set most sensitively, since the lowest velocities in the ground flow also occur there.
  • the vertical arrangement in the form of the rod is the central, supporting element of the soil water flow meter according to the invention.
  • the shape of the rod influences the prevailing flow conditions only minimally, but must have sufficient strength for the arrangement of the flow sensors.
  • the rod is designed as a fiberglass rod.
  • a handle plate can advantageously be arranged on the rod.
  • the handle plate can be made of a plastic, for example polyoxymethylene.
  • the flow meter can be set down easily by hand or in greater water depths with the help of a diving robot.
  • the rod has a plate or a sediment anchor at its lower end.
  • the plate is used on firm ground, the sediment anchor rather on soft ground into which it is fully inserted.
  • the handle plate can be provided at the upper end of the fiberglass rod.
  • the grip plate should be arranged just above it so that the sediment anchor can be inserted and aligned safely and without kinking the fiberglass rod.
  • the deflection angles of the measuring flags can be recorded by a visual registration device under the influence of the floor flow. This can be designed as a sequential still image or film camera, but laser scanning or a light barrier system is also possible.
  • non-optical detection systems are also used for non-transparent fluids, which include liquids as well as gases.
  • the visual detection works completely without contact and does not require any further, possibly fault-causing elements on the flow meter itself.
  • the bottom water flow meter according to the invention can be designed for operation with the aid of a diving robot, which is normally already provided as standard via video, television and / or Still cameras.
  • new embodiments of the flow meter according to the invention can be designed, for example as an overflow control in overflow basins or as an inflow and outflow control in sewage treatment plants or the like.
  • the vertical position of the measuring arrangement is checked with the aid of an inclination indicator - if a diving robot is used, this usually has an inclination indicator.
  • the diving robot is then at a right angle to the main flow can be seen from online video recordings of the applied flow plumes or particles drifting in the water, about 5 m away from the installed flow meter.
  • the deflection of the measuring flags is then filmed for a few minutes from this position.
  • FIG. 1 shows a bottom water flow meter in a perspective overall view with an optional base plate
  • FIG. 2 shows a photo of a remote soil water flow meter with a sediment anchor
  • FIG. 3 shows three measured flow profiles at different measuring locations
  • Figure 4 shows a sediment anchor for the bottom water flow meter
  • Figure 5 calibration curves of two flow meters.
  • FIG. 1 shows a bottom water flow meter 11 according to the invention for simultaneous in situ measurement of local flow velocities at different heights in the lowest water column above a water floor with a rod 12 made of fiberglass as a vertical arrangement, on which several flow sensors 13 are arranged vertically adjacent are.
  • a rod 12 made of fiberglass as a vertical arrangement, on which several flow sensors 13 are arranged vertically adjacent are.
  • ten flow sensors 13 can be provided, so that a flow profile with ten simultaneous measurement locations can be created (in FIG. 1, the bottom water flow meter 11 is shown interrupted in the middle).
  • the distance between the flow sensors 13 is chosen to be constant here and is set and fixed by intermediate sleeves 14.
  • the bottom water flow meter 11 has a plate 15 (diameter approx.
  • the handle plate 17 has dimensions of 70 mm x 70 mm
  • the rod 12 is 1000 mm long and has a diameter of 6 mm.
  • the installation can be carried out in particular at great depths of, for example, 1260 m or 2500 m by means of a diving robot, which can use a manipulator arm to transport and position the soil water flow meter 11 via a handle plate 17 - in the example made of polyoxymethylene. This can also have an inclination sensor, not shown, for checking the vertical positioning.
  • each flow sensor 13 consists of a vertically aligned directional vane 18 and an orthogonally aligned one and with it connected measurement flag 19.
  • the direction flag 18 can rotate freely about the vertical axis of rotation formed by the rod 12.
  • the measuring flag 19, on the other hand, can rotate freely - or in a sufficiently large angular space - about the horizontal axis running transverse to the directional flag 18.
  • the direction flag 18 rotates each flow sensor 13 and thus each measuring flag 19 into the current bottom water flow.
  • the general direction of flow can be determined, for example, by the deployed flow meter itself, by means of a flow vane (not shown further) on the diving robot or by online video technology-observed particles drifting in the soil water.
  • each direction flag 18 consists of a square wire frame 20 which is open on one side and which in the exemplary embodiment has an edge length of 55 mm and is rotatably connected at its two open ends to the rod 12 made of fiberglass via two wire eyelets 22.
  • the outer edge of the wire frame 20 is about 62 mm from the center of the rod 12 made of fiberglass, so that the bottom water flow meter 11 is built very compact overall in its vertical structure and has no protruding parts.
  • the inflow surface 23 of the directional vane 18 consists of a thin plastic film 24, which is stretched over the wire frame 20 and has a curvature 21.
  • angle indications are applied with a template that can be suspended in the wire frame 20, for example at 0 °, 22.5 °, 45 °, 67.5 ° and 90 °, so that the curvature 21 in the inflow surface 23 functions as a scale.
  • the scale is used to be able to make any necessary corrections when determining the angle if a visual observation that is not orthogonal to the direction flag is to be evaluated.
  • a yellow or similarly bright plastic film as the inflow surface 23 improves the visibility of the scale.
  • the measuring flag 19 is rotatably coupled to the upper wire eyelet 22 of the directional flag 18 by means of an extracted axis 25. So that is
  • Measuring flag 19 is firmly connected to the directional flag 18, but can nevertheless deflect freely in the flow, the deflection angle to be read on the curvature 21 being individually a function of the local flow velocity of each measurement vane 19 which is individually calibrated to the measurement vane 19 and to the prevailing measurement conditions.
  • each measuring lug 19 consists of a 3 mm thick polyethylene plastic plate and is trapezoidal with a total length of 42 mm.
  • the selected white color (or another light color) of the measuring flag 19 also ensures its good visibility.
  • the plastic chosen for the measuring flag 19 behaves buoyancy-neutral so that a good response and decay behavior is achieved.
  • the measuring vane 19 has a small weight bead 27 on its side 26 opposite the axis 25.
  • this is made of lead and has a weight between 0.075 g and 0.1 g for high sensitivity at very low inflow velocities.
  • Lead pearls with a weight between 0.2 g and 0.25 g can be used for a lower sensitivity at higher flow velocities.
  • buoyancy-neutral plastic with weight inserts The advantage of the combination of buoyancy-neutral plastic with weight inserts is that the rotation about the axis 25 is not braked by a gravity or buoyancy force acting on the entire measuring vane 19, but that the gravitational force acting as a restoring force acts only on the outer end of the measuring vane 19, which in turn enables the particularly smooth operation and thus the good response behavior of the flow sensor 13.
  • FIG. 2 shows a soil water flow meter according to the invention in a photo when carrying out a series of measurements by the applicant.
  • the sedimentation took place on a soft surface.
  • the flow meter was anchored in the ground with a sediment anchor and aligned vertically.
  • the differently deflected measuring vanes can be clearly seen, which document a pronounced flow profile in the flow near the ground.
  • Recorded flow profiles and directions on three Various measurement locations in the European Northern Sea left AWI home garden at 2500 m depth, middle Hakon-Mosby mud volcano rim, right Hakon-Mosby mud volcano center, at the volcano at 1260 m depth
  • Figure 3 shows a soil water flow meter according to the invention in a photo when carrying out a series of measurements by the applicant.
  • the sedimentation took place on a soft surface.
  • the flow meter was anchored in the ground with a sediment anchor and aligned vertically.
  • the differently deflected measuring vanes can be clearly seen, which document
  • the height above the base is plotted in cm above the flow velocity V (x) in cm / s.
  • the error bars indicate the fluctuation in the flow velocity over the observation period, which can serve to more precisely characterize the bottom flow.
  • the reading inaccuracy is significantly smaller than the natural fluctuation range of the flow velocity over the observation period.
  • FIG. 4 shows a sediment anchor 28 for anchoring the soil water flow meter according to the invention.
  • a height of 370 mm selected in the exemplary embodiment shown and an outer circle diameter of 80 mm
  • secure vertical anchoring can take place. This can be carried out, for example, by a diving robot, which can use a manipulator arm to engage a grip plate 29 which protrudes approximately 100 mm from the sediment anchor 28.
  • the sediment anchor 28 is cross-shaped. Almost in the center, it has a fastening bush 30, into which the rod of the soil water flow meter can be securely inserted.
  • FIG. 5 shows two individual calibration curves from two different measuring flags.
  • the deflection angle in degrees above the main flow velocity in cm / s is plotted here.
  • the angular deflection of each measuring vane is determined at approximately six different standard flow velocities.
  • the later measurement conditions (same fiberglass rod, same water viscosity) are largely set to avoid errors caused by different turbulences.
  • the different individual behavior of the two measuring flags, that of the interpolating one, can clearly be seen between the two calibration curves Conversion of the measured deflection angle into the corresponding flow velocities is taken into account.

Abstract

Current meters for subsurface water consist of a rod (12) with several small flow sensors (13) arranged thereon. Each flow sensor (13) in turn consists of a directional vane (18), which is fixed so that it can rotate freely on the rod (12) and a measuring vane (19), which is fixed perpendicular to the directional vane (18) so that it can likewise rotate on the latter and which is rotated by the directional vane (18) in the current. The deflection angle of the measuring vane (19) is a function of the local current speed. The deflection angle of all the measuring vanes (19) can be visually registered and processed to form a current profile for researching exchange processes in the transition area between the ground and the water. The inventive current meter (11) for subsurface water operates exclusively in a fluidic manner and can be used both at great sea depths and for industrial purposes.

Description

Bodenwasser-StrömungsmesserSoil water flow meter
Beschreibungdescription
Die Erfindung bezieht sich auf einen Bodenwasser-Strömungsmesser zur simultanen in situ-Messung von örtlichen Strömungsgeschwindigkeiten in der untersten Wassersäule in unterschiedlichen Höhen oberhalb eines Gewässerbodens mit einer am Gewässerboden anbringbaren Vertikalanordnung mit mehreren, in unterschiedlichen Höhen fest angeordneten Strömungssensoren und mit einer Registrierungseinrichtung für die Messdaten.The invention relates to a soil water flow meter for simultaneous in situ measurement of local flow velocities in the lowest water column at different heights above a water floor with a vertical arrangement that can be attached to the water floor and has a plurality of flow sensors fixed at different heights and with a registration device for the measurement data ,
Austauschprozesse zwischen einem Gewässer-, insbesondere Meeresboden und dem darüber stehenden Wasserkörper sind in starkem Maße vom Strömungsmilieu in der bodennahen Wassersäule abhängig. Bei der planparallelen Überströmung des Meeresbodens bildet sich ein vertikales Strömungsprofil aus, das durch eine näherungsweise logarithmische Abnahme der Strömungsgeschwindigkeit zum Meeresboden hin charakterisiert ist. Die Form dieses Strömungsprofils steht in direktem Zusammenhang mit der Beschaffenheit des Meeresbodens, mit Viskosität und Partikelgehalt des Meerwassers sowie mit diversen, den Strömungsprozess charakterisierenden physikalischen Größen, die zur Beschreibung der Austauschprozesse wichtig sind. Aus der Form eines in situ-gemessenen Strömungsprofils durch die simultane Messung von örtlichen Strömungsgeschwindigkeiten in unterschied- liehen Höhen in der untersten Wassersäule können etliche der genannten Parameter abgeleitet werden.Exchange processes between a body of water, in particular the sea floor, and the water body above it depend to a large extent on the flow environment in the near-water column. With the plane-parallel overflow of the seabed, a vertical flow profile is formed, which is characterized by an approximately logarithmic decrease in the flow velocity towards the seabed. The shape of this flow profile is directly related to the nature of the sea floor, the viscosity and particle content of the sea water as well as various physical variables that characterize the flow process, which are important for the description of the exchange processes. Several of the parameters mentioned can be derived from the shape of an in-situ measured flow profile through the simultaneous measurement of local flow velocities at different heights in the lowest water column.
Mit unterschiedlichen bekannten Messmethoden und diese umsetzendenWith different known measuring methods and implementing them
Bodenwasser-Strömungsmessern gelingt es, Bodenströmungsprofile im Labor und in Gewässern geringerer Wassertiefen in situ zu messen. Dagegen ist dieSoil water flowmeters are able to measure soil flow profiles in situ in the laboratory and in waters with shallow water depths. Against that is
Gewinnung von in situ-Felddaten in der Tiefsee mit insbesondere Wassertiefen von mehr als 2000 m sehr schwierig, da folgende Aspekte zu berücksichtigen sind :Acquisition of in situ field data in the deep sea with water depths in particular of more than 2000 m is very difficult because the following aspects have to be considered:
• die originale Bodenströmung darf durch das Einbringen des Strömungsmessers nur minimal gestört werden, • die Messgenauigkeit muss in einem akzeptablen Verhältnis zur absoluten Strömungsgeschwindigkeit stehen,• the original floor flow may only be minimally disturbed by the introduction of the flow meter, • the measuring accuracy must be in an acceptable relation to the absolute flow velocity,
• der Strömungsmesser muss einer Richtungsänderung der Bodenströmung folgen,The flow meter must follow a change in direction of the bottom flow,
• die vertikale Messauflösung muss im Bereich von einigen Zentimetern liegen und• The vertical measurement resolution must be in the range of a few centimeters and
• der Strömungsmesser sollte dem in bis zu 6000 Meter Wassertiefe herrschenden Druck sowie der korrosiven Wirkung von Meerwasser standhalten.• The flow meter should withstand the pressure prevailing in water depths of up to 6000 meters and the corrosive effects of sea water.
Bei der Messung von Bodenströmungsprofilen im Flachwasser oder im Labor wird insbesondere der Dopplereffekt ausgenutzt. Die Verschiebung der Wellenlänge eines von in der Strömung mitgeführten Partikeln zurückgestreuten Schall- oder Lichtstrahles wird mit einem akustischen Doppler-Profiler oder mit einem optischen Laser-Doppler-Anemometer bestimmt. Die Wellenlängen- Verschiebung ist dabei eine Funktion von der Strömungsgeschwindigkeit. Zur Erstellung eines Strömungsprofils ist eine aufwändige Apparatur zum vertikalen Verfahren der Messanordnung erforderlich. Eine simultane Erfassung der vertikalen Messwerte ist dadurch nicht möglich. Hinzu kommt, dass jedes auf dem Doppler-Effekt beruhende Verfahren ein bestimmtes Maß an gleichmäßig in der Wassersäule suspendierten Partikeln erfordert, an denen Licht- respektive Schallwellen reflektiert werden können. Über den erfolgreichen Einsatz derartiger Messanordnungen in der Tiefsee, wo häufig nur eine sehr geringe Partikelfracht in der Bodenwassersäule zu beobachten ist, wurde bisher noch nicht berichtet. Generell sind dort nur wenige vertikale in situ-Feldbeobachtungen der Bodenströmung, die im Bereich des untersten Meters über Grund gemacht wurden, bekannt. Insbesondere Gust und Weatherly (1985) realisierten 1985 einen Bodenwasser-Strömungsmesser für die Tiefsee mit Heißfilmdetektoren für die bodennahe Strömung und Savoniusrotoren für die Strömung in höheren Abständen vom Meeresboden (vergleiche Gust, G., Weatherly, G. „Velocities, turbulence, and skin friction in a deep-sea logarithmic layer", Journal of Geophysical Research Vol. 90, No. C3, pp. 4779-4792, May 20, 1985). Der bekannte Bodenwasser-Strömungsmesser mit einer elektronischen Registrierung der erfassten Messdaten, von dem die vorliegende Erfindung als nächstliegendem Stand der Technik ausgeht, besteht aus einem ausladenden, schweren Gestell als tragende Vertikalanordnung, die auf dem Gewässerboden abgesetzt wird und in die mehrere Strömungssensoren eingebracht sind. Die bekannte Anordnung ist jedoch relativ kompliziert zu handhaben, temperaturempfindlich und auch kosten intensiv. Die Strömungsgeschwindigkeit wird beim bekannten Strömungsmesser unter Verwendung verschiedener Messprinzipien (auf Wärme- transport beruhende Heißfilm- und Hitzdrahtdetektoren und strömungsmechanisch in Bewegung versetzte Savoniusrotoren) auf den unterschiedlichen Höhen über dem Gewässerbpden gemessen, was den Erhalt konsistenter Daten schwierig macht, insbesondere bei unter variierenden Temperaturbedingungen am Einsatzort. Außerdem bauen die verwendeten Savoniusro- toren - ebenso wie die sonst noch im Bereich der Ozeanographie gebräuchlichen Aanderaa-Strömungsmesser - so groß, dass eine hohe vertikale Messauflösung nicht realisierbar ist. Auch sind sehr geringe Strömungsgeschwindigkeiten insbesondere von unter 3 cm/s mit den rotierenden Strömungsmessern meist nur in unzureichender Genauigkeit erfassbar. Weiterhin ist davon auszugehen, dass die Anbauteile wie Streben und Kabelverbindungen des bekannten Strömungsmessers Turbulenzen und eine gewisse Verfälschung der Strömungsbedingungen am Messort hervorrufen können.When measuring bottom flow profiles in shallow water or in the laboratory, the Doppler effect is used in particular. The shift in the wavelength of a sound or light beam scattered back by particles entrained in the flow is determined with an acoustic Doppler profiler or with an optical laser Doppler anemometer. The wavelength shift is a function of the flow velocity. In order to create a flow profile, complex equipment for vertical movement of the measuring arrangement is required. This means that the vertical measurement values cannot be recorded simultaneously. In addition, each method based on the Doppler effect requires a certain amount of particles suspended uniformly in the water column, from which light or sound waves can be reflected. So far, no successful reports have been made regarding the use of such measuring arrangements in the deep sea, where often only a very small particle load can be observed in the soil water column. In general, only a few vertical in situ field observations of the ground flow, which were made above ground in the area of the lowest meter, are known. In particular Gust and Weatherly (1985) realized in 1985 a soil water flow meter for the deep sea with hot film detectors for the near-surface current and Savonius rotors for the flow at higher distances from the sea floor (compare Gust, G., Weatherly, G. "Velocities, turbulence, and skin friction in a deep-sea logarithmic layer ", Journal of Geophysical Research Vol. 90, No. C3, pp. 4779-4792, May 20, 1985). The known soil water flow meter with electronic registration of the recorded measurement data, of which the present invention as The closest state of the art consists of a cantilevered, heavy frame as a supporting vertical arrangement, which is set down on the water floor and into which several flow sensors are inserted. However, the known arrangement is relatively complicated to handle, temperature-sensitive and also cost-intensive in the known flow meter using different measuring prin Zipien (hot film and hot wire detectors based on heat transport and fluid mechanically set Savonius rotors) measured at the different heights above the Bodden, which makes it difficult to obtain consistent data, especially under varying temperature conditions on site. In addition, the Savonius rotors used - as well as the Aanderaa flowmeters commonly used in the field of oceanography - are so large that a high vertical measurement resolution cannot be achieved. Also, very low flow velocities, in particular below 3 cm / s, can usually only be detected with insufficient accuracy using the rotating flow meters. Furthermore, it can be assumed that the add-on parts such as struts and cable connections of the known flow meter can cause turbulence and a certain falsification of the flow conditions at the measuring location.
Die Aufgabe für die vorliegende Erfindung ist also darin zu sehen, einen gattungsgemäßen Bodenwasser-Strömungsmesser der eingangs beschriebenen Art so weiterzubilden, dass hochauflösende Profilmessungen von Bodenwasserströmungen ermöglicht werden. Dabei soll der erfindungsgemäße Strömungsmesser insbesondere auch Tiefseeanforderungen erfüllen, einfach aufgebaut und auch einfach zu handhaben sein. Trotzdem sollen die erhaltenen Messdaten sehr genau sein. Weiterhin ist es wesentlich, dass die messtechnisch zu erfassende Bodenströmung durch den Strömungsmesser selbst nur minimal gestört oder verfälscht wird. Daneben soll insbesondere auch noch eine preisgünstige Gestaltung umgesetzt werden, die auch für Einsätze auf Hochseeforschungsschiffen mit ihrem latenten Platz- und Zeitmangel geeignet ist.The object of the present invention is therefore to be seen in developing a generic soil water flow meter of the type described in the introduction such that high-resolution profile measurements of Soil water flows are made possible. The flow meter according to the invention should in particular also meet deep-sea requirements, be of simple construction and also easy to handle. Nevertheless, the measurement data received should be very accurate. Furthermore, it is essential that the bottom flow to be measured is only minimally disturbed or distorted by the flow meter itself. In addition, an inexpensive design is also to be implemented, which is also suitable for use on ocean-going research ships with their latent lack of space and time.
Die erfindungsgemäße Lösung hierfür besteht darin, dass die Vertikalanordnung als Stab ausgebildet ist, an dem direkt die Strömungssensoren eng übereinander angeordnet sind, und dass die Strömungssensoren jeweils aus einer vertikal ausgerichteten Richtungsfahne und einer orthogonal dazu ausgerichteten und mit dieser verbundene Messfahne bestehen, von denen die Richtungsfahne um die von dem Stab gebildete vertikale Drehachse und die Messfahne um die quer zur Richtungsfahne verlaufende horizontale Achse frei drehbar befestigt sind, wobei der zu registrierende Auslenkungswinkel einer jeden individuell kalibrierten und durch die Richtungsfahne in Strömungs- richtung ausgerichteten Messfahne eine Funktion von der örtlichen Strömungsgeschwindigkeit ist.The solution according to the invention for this is that the vertical arrangement is designed as a rod, on which the flow sensors are arranged directly one above the other, and that the flow sensors each consist of a vertically oriented directional flag and an orthogonally aligned and connected to this measuring flag, of which the The direction flag around the vertical axis of rotation formed by the rod and the measurement flag about the horizontal axis running transversely to the direction flag are freely rotatable, the deflection angle to be registered of each individually calibrated measurement flag aligned by the direction flag in the direction of flow a function of the local flow velocity is.
Der erfindungsgemäße Bodenwasser-Strömungsmesser arbeitet ausschließlich strömungsmechanisch. Er setzt ein relativ einfaches, wenig anfälliges Messprinzip um, das auch in kritischen Umfeldern mit insbesondere hohem Druck, niedriger Temperatur sowie korrosivem Medium hochgenaue Messergebnisse liefert. Damit können mit dem erfindungsgemäßen Bodenwasser- Strömungsmesser erstmals auch in der Tiefsee bei 2000 m bis 6000 m Tiefe und mehr örtlich hochaufgelöste Strömungsprofile der bodennahen Strömung erstellt werden. Hier ist von besonderem Vorteil, dass die gesamte Energieversorgungsproblematik entfällt, die bei Unterwassermessgeräten oft kritisch ist. Die geforderte hohe Vertikalauflösung der Strömungsmessung wird durch eine Miniaturisierung der einzelnen Strömungssensoren, die prinzipiell nurmehr aus zwei orthogonal zueinander angeordneten, in der Bodenwasserströmung anströmbaren Fahnen bestehen, erreicht. Ein weiterer besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Bodenwasser-Strömungsmessers ist darin zu sehen, dass neben den Fahnen selbst keine weiteren Fremdkörper wie Zuleitungen und Anbauteile die Bodenströmung stören können. Für die Messgenauigkeit des erfindungsgemäßen Bodenwasser-Strömungsmessers ist es von grundlegender Bedeutung, dass jede Messfahne bezüglich ihres Auslenkungswinkels unter bekannten Strömungsbedingungen individuell kalibriert wird. Hierzu können in einem Messkanal bekannte Messanordnungen zur Strömungsmessung, beispielsweise ein Akustik-Doppler-Profiler, verwendet werden. Zur Kalibrierung wird die Winkelauslenkung jeder Messfahne bei beispielsweise sechs unterschiedlichen Standardströmungsgeschwindigkeiten bestimmt. Dabei wird ein Stab aus Originalmaterial sowie idealerweise auf in situ-Temperatur temperiertes Meerwasser desselben Salzgehaltes, wie er am späteren Messort auftritt, im Strömungskanal verwendet. Somit werden identische Viskositätsbedingungen geschaffen und Fehler in Folge unterschiedlicher Turbulenzentwicklung in Strömungs-Lee des Stabes minimiert. Die erfindungsgemäße Messanordnung ist klein, leicht, handlich und einfach bedienbar. Sie ist relativ unempfindlich, lässt sich gut lagern und ist preisgünstig. Somit sind Anwendungen insbesondere in der Tiefsee in Form von dort stationär installierten Messfeldern mit einer Vielzahl solcher Bodenwasser-Strömungsmesser, die regelmäßig abgelesen werden, denkbar. Daraus ergeben sich dann besonders aufschlussreiche Langzeiterkenntnisse in der Erforschung einer Parameterschar in bodennahen Gewässerströmungen.The soil water flow meter according to the invention works exclusively in fluid mechanics. It implements a relatively simple, less sensitive measuring principle that delivers highly accurate measurement results even in critical environments with particularly high pressure, low temperature and corrosive medium. This means that the soil water flow meter according to the invention can be used for the first time in the deep sea at 2000 m to 6000 m depth and more locally high-resolution flow profiles of the near-ground flow. It is particularly advantageous here that the entire energy supply problem, which is often critical in underwater measuring devices, is eliminated. The required high vertical resolution of the flow measurement is achieved by a Miniaturization of the individual flow sensors, which in principle only consist of two orthogonal to each other, flowable in the bottom water flow, achieved. Another particular advantage of the soil water flow meter according to the invention can be seen in the fact that, in addition to the flags themselves, no other foreign bodies such as supply lines and attachments can disrupt the soil flow. For the measuring accuracy of the soil water flow meter according to the invention, it is of fundamental importance that each measuring vane is individually calibrated with regard to its deflection angle under known flow conditions. Known measuring arrangements for flow measurement, for example an acoustic Doppler profiler, can be used for this purpose in a measuring channel. For calibration, the angular deflection of each measuring vane is determined at, for example, six different standard flow velocities. A rod made of original material and ideally sea water of the same salt content tempered to in-situ temperature as occurs at the later measuring location is used in the flow channel. This creates identical viscosity conditions and minimizes errors due to different turbulence development in the flow lee of the rod. The measuring arrangement according to the invention is small, light, handy and easy to use. It is relatively insensitive, can be stored well and is inexpensive. Applications in the deep sea in the form of stationary measuring fields with a large number of such groundwater flowmeters, which are regularly read, are conceivable. This results in particularly insightful long-term knowledge in the research of a group of parameters in near-surface water currents.
Aus der GB 2 036 333 A ist zwar ein Strömungsmesser mit zumindest zwei übereinander angeordneten Strömungsfahnen bekannt, der jedoch aus- schließlich zur Messung der horizontalen Strömung in einem flachen Gewässer eingesetzt werden kann. Eine Tiefseetauglichkeit ist nicht gegeben, die Registrierungseinrichtung mit einer Ableseskala und einem Kompass muss bei der Messung aus dem Wasser ragen. Weiterhin kann ein vertikales Strömungsprofil zeitlich nur durch vertikales Verschieben des Strömungsmessers in der Strömung erstellt werden. Vom Nutzer wird der bekannte Strömungsmesser in die Strömung gehalten. Eine das Messgerät ausrichtende Richtungsfahne ist nicht vorhanden. Die beiden Fahnen, von denen die eine fest mit einer sich drehenden Vertikalwelle verbunden und die andere frei radial drehbar bis zu einer Einraststelle angeordnet ist, werden dann unter dem Anströmdruck des fließenden Wassers nach Strömungs-Lee gedrückt, wobei sie eine Gegenspannung überwinden müssen, welche insbesondere durch eine Rückstellfeder, Reibung in den Drehlagern sowie durch eventuell eingebaute elektromechanische Anzeigegeräte hervorgerufen wird. Diese Drehwiderstände verhindern eine sehr leichtes Ansprechen des Gerätes, welche jedoch zur genauen Erfassung sehr geringer Strömungsgeschwindigkeiten, wie sie beispielsweise für die Bodenwasserzone der Tiefsee typisch sind, unabdingbar ist. Folglich können erst Strömungsgeschwindigkeiten oberhalb eines bestimmten Schwellwertes gemessen werden. Die beschriebenen Drehwiderstände des bekannten Strömungsmessers verlieren ihre Bedeutung jedoch in dem Maß, in dem die Strömungsfahnen größer dimensioniert werden, was zur Bestimmung der Hauptströmungsgeschwin- digkeit im Inneren eines Fließgewässers oder Kanals ausreicht. Zur Messung eines vertikal hochauflösendes Strömungsprofils dicht über einem Gewässerboden erscheint der bekannte Strömungsmesser jedoch nicht geeignet zu sein. Demgegenüber zeichnet sich der erfindungsgemäße Bodenwasser- Strömungsmesser durch ein besonders gutes Ansprechverhalten und damit durch eine hohe Empfindlichkeit, auch gegenüber geringen Strömungsgeschwindigkeiten aus. Somit unterscheidet sich der bekannte Strömungsmesser von dem erfindungsgemäßen Bodenwasser-Strömungsmesser in einer ganzen Reihe von bedeutsamen Punkten.From GB 2 036 333 A a flow meter with at least two flow vanes arranged one above the other is known, but it can only be used for measuring the horizontal flow in a shallow body of water. A deep sea suitability is not given, the registration facility with a reading scale and a compass must be included protruding from the water. Furthermore, a vertical flow profile can only be created in time by vertically shifting the flow meter in the flow. The known flow meter is held in the flow by the user. There is no directional flag pointing the measuring device. The two flags, one of which is fixedly connected to a rotating vertical shaft and the other of which is arranged freely radially rotatable up to a snap-in point, are then pressed under the inflow pressure of the flowing water to flow lee, whereby they have to overcome a counter-tension, which especially caused by a return spring, friction in the pivot bearings and possibly built-in electromechanical display devices. These rotational resistances prevent the device from responding very easily, which is, however, indispensable for the precise detection of very low flow velocities, as are typical, for example, for the bottom water zone of the deep sea. Consequently, flow velocities above a certain threshold value can only be measured. However, the described rotational resistances of the known flow meter lose their importance to the extent that the flow vanes are dimensioned larger, which is sufficient for determining the main flow velocity in the interior of a flowing water or channel. However, the known flow meter does not appear to be suitable for measuring a vertically high-resolution flow profile close above a body of water. In contrast, the soil water flow meter according to the invention is characterized by a particularly good response behavior and thus by a high sensitivity, even with low flow velocities. Thus, the known flow meter differs from the soil water flow meter according to the invention in a number of important points.
Weitere Details zu dem erfindungsgemäßen Bodenwasser-Strömungsmesser werden im Folgenden anhand einiger vorteilhafter Ausführungsformen näher erläutert. Wesentliche Eigenschaft und auch Vorteil des beanspruchten Boden- wasser-Strömungsmessers ist die Erstellung einer Profilmessung. Insbesondere der Gradientenverlauf der Bodenwasserströmung und der daraus ableitbaren weiteren Parameter, wie beispielsweise die Schergeschwindigkeit oder die Oberflächenrauigkeit des Gewässerbodens ermöglichen wesentliche Rückschlüsse und Erkenntnisse. Durch die äußerst geringen Abmessungen der einzelnen Strömungssensoren ist deren enge Benachbarung mit einem entsprechend feinen Auflösungsprofil möglich. Dabei können alle Sensoren den gleichen Abstand zueinander aufweisen. Das Auflösungsprofil kann den in der bodennahe Strömung herrschenden Verhältnissen noch weiter angepasst werden, wenn gemäß einer ersten Erfindungsausgestaltung vorgesehen ist, dass die eng benachbarte Anordnung der Strömungssensoren zum Gewässerboden hin zunimmt. Somit hat man im Bereich der größten Gradientenänderung kurz oberhalb des Gewässerbodens die größte Auflösung, die einer lückenlosen Aneinanderreihung der einzelnen Strömungssensoren entspricht. Im darüber liegenden Bereich mit geringeren Parameteränderungen kann die Auflösung durch entsprechend größere Abstände zwischen den Sensoren grober gewählt werden.Further details on the soil water flow meter according to the invention are explained in more detail below on the basis of some advantageous embodiments. Essential property and also advantage of the stressed soil water flow meter is the creation of a profile measurement. In particular, the gradient course of the soil water flow and the further parameters that can be derived from it, such as the shear rate or the surface roughness of the water floor, enable important conclusions and insights. Due to the extremely small dimensions of the individual flow sensors, their close specification with a correspondingly fine resolution profile is possible. All sensors can have the same distance from each other. The resolution profile can be further adapted to the conditions prevailing in the near-surface flow if, according to a first embodiment of the invention, it is provided that the closely adjacent arrangement of the flow sensors increases towards the water floor. Thus, in the area of the greatest change in gradient, just above the water floor, the greatest resolution has been obtained, which corresponds to a seamless stringing together of the individual flow sensors. In the area above with fewer parameter changes, the resolution can be chosen to be coarser by correspondingly larger distances between the sensors.
Die hohe Empfindlichkeit bei der Umsetzung des Messverfahrens wurde bei dem erfindungsgemäßen Bodenwasser-Strömungsmesser durch eine material- und formtechnische Optimierung erreicht. Insbesondere wurde das leichteThe high sensitivity in the implementation of the measurement method was achieved in the soil water flow meter according to the invention by optimizing the material and shape. In particular, it became easy
Ansprech- und Abklingverhalten der Strömungssensoren durch die Form und die technische Beschaffenheit der Messfahne ermöglicht. Weiterhin sind die zur in situ-Strömungsmessung entwickelten Strömungsfahnen material- technisch nicht drucklimitiert, das heißt, sie können in beliebiger Wassertiefe eingesetzt werden. Einige Gestaltungsaspekte werden im Folgenden näher erläutert. Insbesondere kann gemäß einer nächsten Erfindungsfortführung vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Richtungsfahne aus einem einseitig offenen, rechteckigen Drahtrahmen, der an seinen beiden offenen Enden über zwei Drahtösen mit dem Stab frei drehbar verbunden ist, und einer imResponse and decay behavior of the flow sensors is made possible by the shape and the technical nature of the measuring vane. Furthermore, the flow plugs developed for in situ flow measurement are not technically limited in terms of material, which means that they can be used at any water depth. Some design aspects are explained in more detail below. In particular, according to a next continuation of the invention, it can advantageously be provided that the direction flag consists of a rectangular wire frame that is open on one side and that is freely rotatably connected to the rod via two wire eyelets at its two open ends, and one in
Drahtrahmen angeordneten Anströmungsfläche aufgebaut ist. Ein einseitig offener Drahtrahmen aus beispielsweise einem gegen Salzwasser resistenten Edelstahldraht, vorzugsweise Schweißdraht, ist einfach und gut formreproduzierbar mit geringen Stückkosten herstellbar. Eine spezielle Fertigungshilfe lohnt bereits bei einer Kleinserienproduktion. Weiterhin können in die beiden offenen Enden des Drahtrahmens problemlos kleine Drahtösen eingearbeitet werden, die den Stab als Drehachse umfassen. Ein vertikale Fixierung der einzelnen Strömungssensoren kann über entsprechende Zwischenstücke, die ebenfalls lose oder auch fest am Stab angeordnet sind, erreicht werden. Die Anströmungsfläche zur Bildung der Richtungsfahne kann ebenfalls einfach auf unterschiedliche Weisen im oder am Drahtrahmen befestigt werden. Dabei kann insbesondere der Drahtrahmen quadratisch und die Anströmungsfläche als Kunststofffolie ausgebildet sein, die zwischen der unteren horizontalen und der vertikalen Seite des Drahtrahmens aufgespannt ist und eine von den entsprechenden äußeren Eckpunkten des Drahtrahmens verlaufende Krümmung aufweist, die mit einer deutlich sichtbaren Winkelskala versehen ist. Das Überspannen eines quadratischen Drahtrahmens ermöglicht die Herstellung einer besonders einfachen und leichten, aber robusten Richtungsfahne. Zum visuellen Ablesen der Winkelskala ist die gute Sichtbarkeit der Winkelangaben von Bedeutung, insbesondere in trüberen Wasserverhältnissen. Weitere Informationen zu dieser Ausführungsform sind dem speziellen Beschreibungsteil zu entnehmen.Wire frame arranged inflow surface is constructed. A wire frame open on one side made of, for example, a saltwater-resistant one Stainless steel wire, preferably welding wire, can be produced easily and with good reproducibility at low unit costs. A special production aid is already worthwhile for small series production. Furthermore, small wire eyelets can be worked into the two open ends of the wire frame without problems, which enclose the rod as an axis of rotation. A vertical fixation of the individual flow sensors can be achieved by means of corresponding intermediate pieces, which are also arranged loosely or firmly on the rod. The inflow surface for forming the directional flag can also be easily attached in or on the wire frame in different ways. In particular, the wire frame can be square and the inflow surface can be designed as a plastic film that is stretched between the lower horizontal and the vertical side of the wire frame and has a curvature that extends from the corresponding outer corner points of the wire frame and that is provided with a clearly visible angle scale. Covering a square wire frame enables the production of a particularly simple and light, but robust directional flag. The good visibility of the angle information is important for the visual reading of the angle scale, especially in cloudy water conditions. Further information on this embodiment can be found in the special description part.
Bei dem Bodenwasser-Strömungsmesser ist die Messfahne mit der Richtungsfahne derart verbunden, dass der Auslenkungswinkel der Messfahne immer in der Ebene der Richtungsfahne liegt bzw. die Drehachse, um welche die Messfahne ausgelenkt wird, immer orthogonal zur Strömungsrichtung ausgerichtet ist. Somit sorgt die sich in der Bodenströmung ungehindert ausrichtende Richtungsfahne immer für eine optimale Anströmung und damit Auslenkung als Maß für die Strömungsgeschwindigkeit. Die Messfahne kann gemäß einer nächsten Erfindungsweiterbildung, die sich auf eine Ausbildung der Richtungsfahne mit einem Drahtrahmen bezieht, auf einer herausgezogenen Achse der oberen Drahtöse des Drahtrahmens drehbar gelagert sein und eine von der Achse bis zur Krümmung der Anströ- mungsfläche der Richtungsfahne zunehmende Trapezform aufweisen. Durch die Achsenverbindung wird ein leichtes, aber gut drehbares und widerstandsfähiges System aus den beiden Fahnen geschaffen. Weiter oben wurde bereits der wesentliche Einfluss der Ausgestaltung der Messfahne auf das Messverhalten des Strömungsmessers nach der Erfindung erwähnt. Unterschiedliche Versuche haben ergeben, dass eine Messfahne in Trapezform die strömungsdynamisch optimale Form mit dem besten Ansprech- und Abklingverhalten darstellt. Durch die genannte Ausführungsform ist die Messfahne in die Richtungsfahne integriert und reicht bis zur Messskala auf der Richtungsfahne. Damit erfüllt die Messfahne die Funktion eines Zeigers. Ein derartiger Zeiger kann besonders einfach hergestellt werden, wenn gemäß einer nächsten Erfindungsfortführung die Messfahne aus einem auftriebsneutralen hell eingefärbten Kunststoff gefertigt ist. Ein gegen Salzwasser resistente Kunststoff, beispielsweise Polyethylen, garantiert mit seiner weißlichen Farbe eine besonders gute Sichtbarkeit der Messfahne vor dem meist dunklen Hintergrund in der lichtfernen Tiefsee, welches zum Ablesen der Winkelstellung - wie die gute Sichtbarkeit der Skala - von Bedeutung ist. Die Verwendung eines auftriebneutralen Kunststoffes ist in Verbindung mit einem speziell wählbaren, am dem Drehpunkt entgegengesetzten Ende der Messfahne angebrachten Gewicht, bezüglich des Ansprech- und Abklingverhaltens optimal, es wird eine hohe Ansprechempfindlichkeit der Messfahnen erreicht. Dadurch können für einen zwischen 0 cm/s und 15 cm/s kalibrierten Geschwindigkeitsbereich noch Strömungsgeschwindigkeiten unterhalb 3 cm/s mit einer relativen Genauigkeit etwa 0,5 cm/s oder besser gemessen werden. Die untere Grenze des Messbereiches liegt dagegen bei vielen bekannten Strömungsmessern bei 10 cm/s bei einer Auflösung von 1 cm/s.In the case of the groundwater flow meter, the measuring vane is connected to the directional vane in such a way that the deflection angle of the measuring vane is always in the plane of the directional vane or the axis of rotation about which the measuring vane is deflected is always oriented orthogonally to the direction of flow. The directional vane, which is aligned unhindered in the floor flow, always ensures optimal flow and therefore deflection as a measure of the flow velocity. According to a next further development of the invention, which relates to the formation of the directional flag with a wire frame, the measuring flag can be rotatably mounted on a pulled-out axis of the upper wire eyelet of the wire frame and one from the axis to the curvature of the inflows. have increasing trapezoidal shape. The axis connection creates a light, but easily rotatable and resistant system from the two flags. The essential influence of the design of the measuring vane on the measuring behavior of the flow meter according to the invention has already been mentioned above. Various tests have shown that a measuring vane in the shape of a trapezoid represents the optimal shape in terms of fluid dynamics with the best response and decay behavior. Due to the embodiment mentioned, the measuring flag is integrated in the directional flag and extends to the measuring scale on the directional flag. The measuring flag thus fulfills the function of a pointer. Such a pointer can be produced in a particularly simple manner if, according to the next invention, the measuring flag is made of a plastic that is neutral in buoyancy and is light-colored. A salt-water-resistant plastic, e.g. polyethylene, guarantees with its whitish color a particularly good visibility of the measuring flag against the mostly dark background in the deep sea, which is important for reading the angular position - like the good visibility of the scale. The use of a buoyancy-neutral plastic in combination with a specially selectable weight attached to the end of the measuring flag opposite the pivot point is optimal with regard to the response and decay behavior. A high sensitivity of the measuring flags is achieved. As a result, for a speed range calibrated between 0 cm / s and 15 cm / s, flow velocities below 3 cm / s can still be measured with a relative accuracy of about 0.5 cm / s or better. In contrast, the lower limit of the measuring range for many known flow meters is 10 cm / s with a resolution of 1 cm / s.
Gemäß einer nächsten Ausgestaltung der Erfindung kann weiterhin vor- gesehen sein, dass die Messfahne durch Einbringen einer kleinenAccording to a next embodiment of the invention, it can further be provided that the measuring flag is introduced by introducing a small one
Gewichtsperle in ihre der Drehachse gegenüberliegende Seite individuell in ihrer Ansprechempfindlichkeit eingestellt ist. Dadurch wird die die Ansprech- empfindlichkeit festlegende Rückstellkraft der Messfahnen in der Bodenströmung zu einer genau dosierbaren Schwerkraft. Durch die Masse der Gewichtsperlen, bei denen es sich beispielsweise um Bleiperlen handeln kann, kann damit der Empfindlichkeitsbereich der Messfahnen variabel eingestellt werden. So können beispielsweise die bodennahen Messfahnen am empfindlichsten eingestellt werden, da dort auch die kleinsten Geschwindigkeiten in der Bodenströmung auftreten.Weight pearl in its side opposite the axis of rotation is set individually in its responsiveness. This will make the sensitivity-determining restoring force of the measuring vanes in the floor flow to a precisely metered gravity. The mass of the weight beads, which can be lead beads, for example, means that the sensitivity range of the measuring lugs can be set variably. For example, the measurement flags near the ground can be set most sensitively, since the lowest velocities in the ground flow also occur there.
Die Vertikalanordnung in Form des Stabes ist das zentrale, tragende Element des Bodenwasser-Strömungsmessers nach der Erfindung. Der Stab beein- flusst durch seine Form die herrschenden Strömungsverhältnisse nur minimal, muss aber eine ausreichende Festigkeit zur Anordnung der Strömungssensoren aufweisen. Nach einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist es daher besonders sinnvoll, wenn der Stab als Fiberglasstab ausgebildet ist. Weiterhin kann vorteilhaft am Stab eine Griffplatte angeordnet sein. Dabei kann die Griffplatte aus einem Kunststoff, beispielsweise aus Polyoxymethylen, gefertigt sein. Somit kann der Strömungsmesser von Hand oder in größeren Wassertiefen auch mit Hilfe eines Tauchroboters problemlos abgesetzt werden. Zur sicheren vertikalen Standfestigkeit des Strömungs- messers ist es nach einer anderen Erfindungsfortführung noch vorteilhaft, wenn der Stab an seinem unteren Ende eine Platte oder einen Sedimentanker aufweist. Dabei wird die Platte bei festem Untergrund, der Sedimentanker eher bei weichem Grund, in den er vollständig eingesteckt wird, verwendet. Bei einer Platte zum Aufstellen des Strömungsmessers beispielsweise auf felsi- gem Grund kann die Griffplatte am oberen Ende des Fiberglasstabes vorgesehen sein. Ist ein Sedimentanker, der für einen guten Halt im Sediment einen kreuzförmigen Querschnitt aufweisen kann, vorgesehen, sollte die Griffplatte kurz oberhalb von diesem angeordnet sein, damit der Sedimentanker sicher und ohne den Fiberglasstab abzuknicken in den Boden einsteckt und ausgerichtet werden kann. Nach einer nächsten Erfindungsausgestaltung können die Auslenkungswinkel der Messfahnen unter Einfluss der Bodenströmung von einer visuellen Registriereinrichtung erfasst werden. Diese kann sowohl als sequenzielle Standbild- oder Filmkamera ausgeführt sein, jedoch ist auch eine Laserab- tastung oder ein Lichtschrankensystem möglich. Dabei soll an dieser Stelle jedoch bemerkt werden, dass auch andere Registrierungsarten, beispielsweise über mechanische oder magnetische Verschiebeelemente oder über kapazitive Elemente, möglich sind. Der Vorteil nicht-optischer Erfassungssysteme liegt in der Verwendung auch bei nicht transparenten Fluiden, zu denen Flüssigkeiten, aber auch Gase zählen. Die visuelle Erfassung arbeitet vollständig berührungslos und benötigt keine weiteren, gegebenenfalls fehlerverursachenden Elemente am Strömungsmesser selbst. Dabei kann der Bodenwasser-Strömungsmesser nach der Erfindung auf den Betrieb mit Hilfe eines Tauchroboters ausgelegt werden, welcher normalerweise schon standardmäßig über Video-, Fernseh- und / oder Standbildkameras verfügt. Eine Weiterentwicklung des Bodenwasser-Strömungsmesser nach der Erfindung zu einem autonomen System, aber auch der Transfer in völlig andere Anwendungsfelder, beispielsweise in der Industrie, ist denkbar. Gerade hier ist der Einsatz von Lasertastern oder einfachen Lichtschranken denkbar, welche bei über- oder unterschreiten eines kritischen Auslenkwinkels der Messfahne ein Signal ausgeben. Bei industriellen Anwendungen sind die optischen Geräte in der Regel bereits vorhanden und müssten nur mit den Messfahnen kombiniert werden. So können neue Ausführungsformen des Strömungsmesser nach der Erfindung, beispielsweise als Überlaufkontrolle in Überlaufbecken oder als Zu- und Abflusskontrolle in Kläranlagen o.a. konzipiert werden.The vertical arrangement in the form of the rod is the central, supporting element of the soil water flow meter according to the invention. The shape of the rod influences the prevailing flow conditions only minimally, but must have sufficient strength for the arrangement of the flow sensors. According to a further embodiment of the present invention, it is therefore particularly useful if the rod is designed as a fiberglass rod. Furthermore, a handle plate can advantageously be arranged on the rod. The handle plate can be made of a plastic, for example polyoxymethylene. Thus, the flow meter can be set down easily by hand or in greater water depths with the help of a diving robot. For a safe vertical stability of the flow meter, according to another development of the invention, it is also advantageous if the rod has a plate or a sediment anchor at its lower end. The plate is used on firm ground, the sediment anchor rather on soft ground into which it is fully inserted. In the case of a plate for setting up the flow meter, for example on rocky ground, the handle plate can be provided at the upper end of the fiberglass rod. If a sediment anchor, which can have a cruciform cross-section for a good hold in the sediment, is provided, the grip plate should be arranged just above it so that the sediment anchor can be inserted and aligned safely and without kinking the fiberglass rod. According to a next embodiment of the invention, the deflection angles of the measuring flags can be recorded by a visual registration device under the influence of the floor flow. This can be designed as a sequential still image or film camera, but laser scanning or a light barrier system is also possible. At this point, however, it should be noted that other types of registration, for example via mechanical or magnetic displacement elements or via capacitive elements, are also possible. The advantage of non-optical detection systems is that they are also used for non-transparent fluids, which include liquids as well as gases. The visual detection works completely without contact and does not require any further, possibly fault-causing elements on the flow meter itself. The bottom water flow meter according to the invention can be designed for operation with the aid of a diving robot, which is normally already provided as standard via video, television and / or Still cameras. A further development of the soil water flow meter according to the invention into an autonomous system, but also the transfer into completely different fields of application, for example in industry, is conceivable. Here, in particular, the use of laser sensors or simple light barriers is conceivable, which emit a signal when the measurement flag is deflected above or below a critical angle. In industrial applications, the optical devices are usually already available and only need to be combined with the measuring lugs. Thus, new embodiments of the flow meter according to the invention can be designed, for example as an overflow control in overflow basins or as an inflow and outflow control in sewage treatment plants or the like.
Nachdem der Bodenwasser-Strömungsmesser nach der Erfindung mit Hilfe vertikal am Meeresboden verankert worden ist, wird mit Hilfe eines Neigungs- anzeigers - bei Einsatz eines Tauchroboters verfügt dieser in der Regel über einen Neigungsanzeiger - die Vertikalstellung der Messanordnung überprüft. Anschließend wird der Tauchroboter im rechten Winkel zur Hauptströmung, die aus Online-Videoaufnahmen der ausgebrachten Strömungsfahnen oder im Wasser driftenden Partikeln ersichtlich ist, ca. 5 m vom aufgestellten Strömungsmesser wegbewegt. Von dieser Position aus wird die Auslenkung der Messfahnen dann einige Minuten gefilmt. Der Auslenkungswinkel der Messfahnen wird bei der Auswertung mittels einer Bildanalysesoftware bestimmt und über die für jede Messfahne im Strömungskanal individuell aufgenommene Kennkurve (Äuslenkungswinkel = Funktion (Strömungsgeschwindigkeit)) in einen Geschwindigkeitswert zurückbestimmt (z.B. unter Verwendung einer Spline-Interpolation).After the bottom water flow meter according to the invention has been anchored vertically to the sea floor, the vertical position of the measuring arrangement is checked with the aid of an inclination indicator - if a diving robot is used, this usually has an inclination indicator. The diving robot is then at a right angle to the main flow can be seen from online video recordings of the applied flow plumes or particles drifting in the water, about 5 m away from the installed flow meter. The deflection of the measuring flags is then filmed for a few minutes from this position. The deflection angle of the measuring vanes is determined in the evaluation using image analysis software and is determined back to a speed value using the characteristic curve (deflection angle = function (flow velocity)) recorded individually for each measuring vane (e.g. using spline interpolation).
Werden die Beobachtungen aus einem Kamera-Blickwinkel von annähernd 90° durchgeführt, ist keine Winkelkorrektur erforderlich. Werden jedoch die Messfahnen aus einem Blickwinkel zwischen 75° und 90° aufgenommen, führt dies zu einer Verzerrung des Auslenkungswinkels der Messfahnen. Da sphärisch-trigonometrische Korrekturen zu aufwändig sind, kann die Winkelauslenkung in diesen Fällen mit einem Korrekturfaktor korrigiert werden, welcher über bekannte Winkelmarkierungen auf der Auslenkungsfahne und deren gemessenen Werten ermittelt wird.If the observations are carried out from a camera angle of view of approximately 90 °, no angle correction is necessary. However, if the measuring flags are recorded from a viewing angle between 75 ° and 90 °, this leads to a distortion of the deflection angle of the measuring flags. Since spherical-trigonometric corrections are too complex, the angular deflection can be corrected in these cases with a correction factor which is determined using known angular markings on the deflection flag and their measured values.
Ausbildungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen Figuren näher erläutert. Dabei zeigt :Forms of embodiment of the invention are explained in more detail below with reference to the schematic figures. It shows:
Figur 1 einen Bodenwasser-Strömungsmesser in einer perspektivischen Gesamtansicht mit optionaler Grundplatte,FIG. 1 shows a bottom water flow meter in a perspective overall view with an optional base plate,
Figur 2 ein Foto eines abgesetzten Bodenwasser-Strömungsmessers mit Sedimentanker, Figur 3 drei gemessene Strömungsprofile an unterschiedlichen Messorten, Figur 4 einen Sedimentanker für den Bodenwasser-Strömungsmesser und Figur 5 Kalibierkurven von zwei Strömungsmessern.FIG. 2 shows a photo of a remote soil water flow meter with a sediment anchor, FIG. 3 shows three measured flow profiles at different measuring locations, Figure 4 shows a sediment anchor for the bottom water flow meter and Figure 5 calibration curves of two flow meters.
Die Figur 1 zeigt einen Bodenwasser-Strömungsmesser 11 nach der Erfindung zur simultanen in situ-Messung von örtlichen Strömungsgeschwindigkeiten in unterschiedlichen Höhen in der untersten Wassersäule oberhalb eines Gewässerbodens mit einem aus Fiberglas bestehenden Stab 12 als Vertikalanordnung, an dem mehrere Strömungssensoren 13 vertikal dicht benachbart angeordnet sind. Beispielsweise können zehn Strömungssensoren 13 vorgesehen sein, sodass ein Strömungsprofil mit zehn simultanen Messorten erstellt werden kann (in der Figur 1 ist der Bodenwasser-Strömungsmesser 11 in der Mitte unterbrochen dargestellt). Der Abstand zwischen den Strömungssensoren 13 ist hier konstant gewählt und wird durch Zwischenhülsen 14 eingestellt und fixiert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Bodenwasser-Strömungsmesser 11 eine Platte 15 (Durchmesser ca. 300 mm) am unteren Ende des Stabes 12, der in eine Befestigungsbuchse 16 fest eingesteckt wird, auf und kann damit auf festem Gewässergrund aufgestellt werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Griffplatte 17 Abmessungen von 70 mm x 70 mm, der Stab 12 ist 1000 mm lang und hat einen Durchmesser von 6 mm. Das Aufstellen kann in Abhängigkeit von der Aufstelltiefe insbesondere in großen Tiefen von beispielsweise 1260 m oder 2500 m mittels eines Tauchroboters erfolgen, der mit einem Manipulatorarm den Bodenwasser-Strömungsmesser 11 über eine Griffplatte 17 - im Beispiel aus Polyoxymethylen - transportieren und positionieren kann. Dieser kann auch einen nicht weiter dargestellten Neigungssensor zur Kontrolle der vertikalen Positionierung aufweisen.FIG. 1 shows a bottom water flow meter 11 according to the invention for simultaneous in situ measurement of local flow velocities at different heights in the lowest water column above a water floor with a rod 12 made of fiberglass as a vertical arrangement, on which several flow sensors 13 are arranged vertically adjacent are. For example, ten flow sensors 13 can be provided, so that a flow profile with ten simultaneous measurement locations can be created (in FIG. 1, the bottom water flow meter 11 is shown interrupted in the middle). The distance between the flow sensors 13 is chosen to be constant here and is set and fixed by intermediate sleeves 14. In the exemplary embodiment shown, the bottom water flow meter 11 has a plate 15 (diameter approx. 300 mm) at the lower end of the rod 12, which is firmly inserted into a fastening bushing 16, and can thus be set up on a firm body of water. In the illustrated embodiment, the handle plate 17 has dimensions of 70 mm x 70 mm, the rod 12 is 1000 mm long and has a diameter of 6 mm. Depending on the installation depth, the installation can be carried out in particular at great depths of, for example, 1260 m or 2500 m by means of a diving robot, which can use a manipulator arm to transport and position the soil water flow meter 11 via a handle plate 17 - in the example made of polyoxymethylene. This can also have an inclination sensor, not shown, for checking the vertical positioning.
Prinzipiell besteht jeder Strömungssensor 13 aus einer vertikal ausgerichteten Richtungsfahne 18 und einer orthogonal dazu ausgerichteten und mit dieser verbundenen Messfahne 19. Die Richtungsfahne 18 kann sich frei um die von dem Stab 12 gebildete vertikale Drehachse drehen. Die Messfahne 19 hingegen kann sich frei - respektive in einem ausreichend großen Winkelraum - um die quer zur Richtungsfahne 18 verlaufende horizontale Achse drehen. Durch die Richtungsfahne 18 wird jeder Strömungssensor 13 und damit jede Messfahne 19 in die aktuelle Bodenwasserströmung gedreht. Die generelle Strömungsrichtung ist beispielsweise durch den ausgebrachten Strömungsmesser selbst, mittels einer nicht weiter dargestellten Strömungsfahne am Tauchroboter oder durch online-videotechnisch beobachtete, im Bodenwasser driftende Partikel feststellbar. Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht jede Richtungsfahne 18 aus einem einseitig offenen, quadratischen Drahtrahmen 20, der im Ausführungsbeispiel eine Kantenlänge von 55 mm aufweist und an seinen beiden offenen Enden über zwei Drahtösen 22 mit dem Stab 12 aus Fiberglasfrei drehbar verbunden ist. Die Außenkante des Drahtrahmens 20 liegt ca. 62 mm von der Mitte des Stabes 12 aus Fiberglas entfernt, sodass der Bodenwasser-Strömungsmesser 11 insgesamt in seinem vertikalen Aufbau sehr kompakt gebaut ist und keine ausladenden Teile aufweist. Die Anströmungsfläche 23 der Richtungsfahne 18 besteht aus einer dünnen Kunststofffolie 24, die über den Drahtrahmen 20 gespannt ist und eine Krümmung 21 aufweist. Entlang dieser sind mit einer in den Drahtrahmen 20 einhängbaren Schablone Winkelangaben aufgetragen, beispielsweise bei 0°, 22,5°, 45°, 67,5° und 90°, sodass die Krümmung 21 in der Anströmungsfläche 23 als Skala fungiert. Die Skala dient dazu, eventuell notwendige Korrekturen bei der Winkelbestimmung vornehmen zu können, falls eine nicht orthogonal zur Richtungsfahne durchgeführte visuelle Beobachtung ausgewertet werden soll. Ein gelbe oder ähnlich helle Kunststofffolie als Anströmungsfläche 23 verbessert dabei die Sichtbarkeit der Skala.In principle, each flow sensor 13 consists of a vertically aligned directional vane 18 and an orthogonally aligned one and with it connected measurement flag 19. The direction flag 18 can rotate freely about the vertical axis of rotation formed by the rod 12. The measuring flag 19, on the other hand, can rotate freely - or in a sufficiently large angular space - about the horizontal axis running transverse to the directional flag 18. The direction flag 18 rotates each flow sensor 13 and thus each measuring flag 19 into the current bottom water flow. The general direction of flow can be determined, for example, by the deployed flow meter itself, by means of a flow vane (not shown further) on the diving robot or by online video technology-observed particles drifting in the soil water. In the exemplary embodiment shown, each direction flag 18 consists of a square wire frame 20 which is open on one side and which in the exemplary embodiment has an edge length of 55 mm and is rotatably connected at its two open ends to the rod 12 made of fiberglass via two wire eyelets 22. The outer edge of the wire frame 20 is about 62 mm from the center of the rod 12 made of fiberglass, so that the bottom water flow meter 11 is built very compact overall in its vertical structure and has no protruding parts. The inflow surface 23 of the directional vane 18 consists of a thin plastic film 24, which is stretched over the wire frame 20 and has a curvature 21. Along this, angle indications are applied with a template that can be suspended in the wire frame 20, for example at 0 °, 22.5 °, 45 °, 67.5 ° and 90 °, so that the curvature 21 in the inflow surface 23 functions as a scale. The scale is used to be able to make any necessary corrections when determining the angle if a visual observation that is not orthogonal to the direction flag is to be evaluated. A yellow or similarly bright plastic film as the inflow surface 23 improves the visibility of the scale.
Die Messfahne 19 ist über eine herausgezogene Achse 25 an der oberen Drahtöse 22 der Richtungsfahne 18 drehbar ankoppelt. Somit ist dieThe measuring flag 19 is rotatably coupled to the upper wire eyelet 22 of the directional flag 18 by means of an extracted axis 25. So that is
Messfahne 19 zwar mit der Richtungsfahne 18 fest verbunden, kann sich aber trotzdem in der Strömung frei auslenken, wobei der an der Krümmung 21 abzulesende Auslenkungswinkel jeder individuell auf die Messfahne 19 selbst und auf die herrschenden Messbedingungen kalibrierten Messfahne 19 eine Funktion von der örtlichen Strömungsgeschwindigkeit ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel besteht jede Messfahne 19 aus einer 3 mm starken Polyethylen-Kunststoffplatte und ist trapezförmig mit einer Gesamtlänge von 42 mm ausgeprägt. Durch die gewählte weiße Farbe (oder eine andere helle Farbe) der Messfahne 19 ist auch deren gute Sichtbarkeit gewährleistet. Der für die Messfahne 19 gewählte Kunststoff verhält sich auftriebsneutral, sodass ein gutes Ansprech- und Abklingverhalten erreicht wird. Zur Einstellung der Ansprechempfindlichkeit weist die Messfahne 19 in ihrer der Achse 25 gegenüberliegenden Seite 26 eine kleine Gewichtsperle 27 auf. Diese ist im Ausführungsbeispiel aus Blei und hat für eine hohe Ansprechempfindlichkeit bei sehr geringen Anströmgeschwindigkeiten ein Gewicht zwischen 0,075 g und 0,1 g. Für eine geringere Ansprechempfindlichkeit bei höheren Anströmgeschwindigkeiten können Bleiperlen mit einem Gewicht zwischen 0,2 g und 0,25 g eingesetzt werden. Der Vorteil der Kombination aus auftriebsneutralem Kunststoff mit Gewichtseinsätzen ist, dass die Drehung um die Achse 25 nicht durch eine auf die gesamte Messfahne 19 wirkende Schwer- oder Auftriebskraft gebremst wird, sondern dass die als Rückstellkraft wirkende Schwerkraft nur am äußeren Ende der Messfahne 19 wirkt, was wiederum die besondere Leichtgängigkeit und damit das gute Ansprechverhalten des Strömungssensors 13 ermöglicht.Measuring flag 19 is firmly connected to the directional flag 18, but can nevertheless deflect freely in the flow, the deflection angle to be read on the curvature 21 being individually a function of the local flow velocity of each measurement vane 19 which is individually calibrated to the measurement vane 19 and to the prevailing measurement conditions. In the exemplary embodiment shown, each measuring lug 19 consists of a 3 mm thick polyethylene plastic plate and is trapezoidal with a total length of 42 mm. The selected white color (or another light color) of the measuring flag 19 also ensures its good visibility. The plastic chosen for the measuring flag 19 behaves buoyancy-neutral so that a good response and decay behavior is achieved. To set the response sensitivity, the measuring vane 19 has a small weight bead 27 on its side 26 opposite the axis 25. In the exemplary embodiment, this is made of lead and has a weight between 0.075 g and 0.1 g for high sensitivity at very low inflow velocities. Lead pearls with a weight between 0.2 g and 0.25 g can be used for a lower sensitivity at higher flow velocities. The advantage of the combination of buoyancy-neutral plastic with weight inserts is that the rotation about the axis 25 is not braked by a gravity or buoyancy force acting on the entire measuring vane 19, but that the gravitational force acting as a restoring force acts only on the outer end of the measuring vane 19, which in turn enables the particularly smooth operation and thus the good response behavior of the flow sensor 13.
In der Figur 2 ist ein Bodenwasser-Strömungsmesser nach der Erfindung in einem Foto bei der Durchführung einer Messversuchsreihe beim Anmelder gezeigt. Die Absetzung erfolgte auf weichem Untergrund. Der Strömungsmesser wurde mit einem Sedimentanker im Boden verankert und vertikal ausgerichtet. Deutlich sind die unterschiedlich ausgelenkten Messfahnen zu erkennen, die ein ausgeprägtes Strömungsprofil in der bodennahen Strömung dokumentieren. Aufgenommene Strömungsprofile und -richtungen an drei verschiedenen Messorten im Europäischen Nordmeer (links AWI-Hausgarten in 2500 m Tiefe, mitte Hakon-Mosby-Schlammvulkan Rand, rechts Hakon- Mosby-Schlammvulkan Mitte, am Vulkan in 1260 m Tiefe) sind den Diagrammen gemäß der Figur 3 zu entnehmen. Aufgetragen ist die Höhe über dem Grund in cm über der Strömungsgeschwindigkeit V(x) in cm/s. Die Fehlerbalken geben die Schwankung der Strömungsgeschwindigkeit über den Beobachtungszeitraum an, die zur genaueren Charakterisierung der Bodenströmung dienen kann. Die Ableseungenauigkeit ist mit etwa 0,2 cm/s deutlich kleiner als die natürliche Schwankungsbreite der Strömungsgeschwindigkeit über den Beobachtungszeitraum.FIG. 2 shows a soil water flow meter according to the invention in a photo when carrying out a series of measurements by the applicant. The sedimentation took place on a soft surface. The flow meter was anchored in the ground with a sediment anchor and aligned vertically. The differently deflected measuring vanes can be clearly seen, which document a pronounced flow profile in the flow near the ground. Recorded flow profiles and directions on three Various measurement locations in the European Northern Sea (left AWI home garden at 2500 m depth, middle Hakon-Mosby mud volcano rim, right Hakon-Mosby mud volcano center, at the volcano at 1260 m depth) can be seen in the diagrams according to Figure 3. The height above the base is plotted in cm above the flow velocity V (x) in cm / s. The error bars indicate the fluctuation in the flow velocity over the observation period, which can serve to more precisely characterize the bottom flow. At around 0.2 cm / s, the reading inaccuracy is significantly smaller than the natural fluctuation range of the flow velocity over the observation period.
In der Figur 4 ist ein Sedimentanker 28 zur Verankerung des Bodenwasser- Strömungsmessers nach der Erfindung gezeigt. Mit einer im gezeigten Ausführungsbeispiel gewählten Höhe von 370 mm und einem Außenkreis- durchmesser von 80 mm kann eine sichere vertikale Verankerung erfolgen. Diese kann beispielsweise von einem Tauchroboter vorgenommen werden, der mit einem Manipulatorarm an eine Griffplatte 29, die ca. 100 mm aus dem Sedimentanker 28 hinaussteht, angreifen kann. Der Sedimentanker 28 ist kreuzförmig aufgebaut. Nahezu im Zentrum weist er eine Befestigungsbuchse 30 auf, in die der Stab des Bodenwasser-Strömungsmessers verliersicher einbringbar ist.FIG. 4 shows a sediment anchor 28 for anchoring the soil water flow meter according to the invention. With a height of 370 mm selected in the exemplary embodiment shown and an outer circle diameter of 80 mm, secure vertical anchoring can take place. This can be carried out, for example, by a diving robot, which can use a manipulator arm to engage a grip plate 29 which protrudes approximately 100 mm from the sediment anchor 28. The sediment anchor 28 is cross-shaped. Almost in the center, it has a fastening bush 30, into which the rod of the soil water flow meter can be securely inserted.
In der Figur 5 sind zwei individuelle Kalibrierkurven von zwei verschiedenen Messfahnen gezeigt. Aufgetragen ist hier der Auslenkungswinkel in Grad über der Hauptströmungsgeschwindigkeit in cm/s. Zur Kalibrierung wird die Winkelauslenkung jeder Messfahne bei ca. sechs unterschiedlichen Standardströmungsgeschwindigkeiten bestimmt. Dabei werden weitgehend die späteren Messbedingungen (gleicher Fiberglasstab, gleiche Wasserviskosität) eingestellt, um Fehler durch unterschiedliche Turbulenzen zu vermeiden. Deutlich ist zwischen den beiden Kalibrierkurven das unterschiedlich individuelle Verhalten der beiden Messfahnen zu erkennen, das bei der interpolierenden Umrechnung der gemessenen Auslenkungswinkel in die entsprechenden Strömungsgeschwindigkeiten berücksichtigt wird.FIG. 5 shows two individual calibration curves from two different measuring flags. The deflection angle in degrees above the main flow velocity in cm / s is plotted here. For calibration, the angular deflection of each measuring vane is determined at approximately six different standard flow velocities. The later measurement conditions (same fiberglass rod, same water viscosity) are largely set to avoid errors caused by different turbulences. The different individual behavior of the two measuring flags, that of the interpolating one, can clearly be seen between the two calibration curves Conversion of the measured deflection angle into the corresponding flow velocities is taken into account.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
11 Bodenwasser-Strömungsmesser11 Soil water flow meter
12 Stab12 staff
13 Strömungssensor13 flow sensor
14 Zwischenhülse14 intermediate sleeve
15 Platte15 plate
16 Befestigungsbuchse16 mounting bush
17 Griffplatte17 grip plate
18 Richtungsfahne18 direction flag
19 Messfahne19 measuring flag
20 Drahtrahmen20 wire frames
21 Krümmung (Skala)21 curvature (scale)
22 Drahtöse22 Wire eyelet
23 Anströmungsfläche23 inflow area
24 Kunststofffolie24 plastic film
25 Achse (von 22)25 axis (of 22)
26 Seite (von 19)26 page (of 19)
27 Gewichtsperle27 weight pearl
28 Sedimentanker28 sediment anchor
29 Griffplatte29 grip plate
30 Befestigungsbuchse 30 mounting bush

Claims

Patentansprüche claims
1. Bodenwasser-Strömungsmesser zur simultanen in situ-Messung von örtlichen Strömungsgeschwindigkeiten in der untersten Wassersäule in unterschiedlichen Höhen oberhalb eines Gewässerbodens mit einer am Gewässerboden anbringbaren Vertikalanordnung mit mehreren, in unterschiedlichen Höhen fest angeordneten Strömungssensoren und mit einer Registrierungseinrichtung für die Messdaten, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Vertikalanordnung als Stab (12) ausgebildet ist, an dem direkt die Strömungssensoren (13) eng übereinander angeordnet sind, und dass die Strömungssensoren (13) jeweils aus einer vertikal ausgerichteten Richtungsfahne (18) und einer orthogonal dazu ausgerichteten und mit dieser verbunde- nen Messfahne (19) bestehen, von denen die Richtungsfahne (18) um die von dem Stab (12) gebildete vertikale Drehachse und die Messfahne (19) um die quer zur Richtungsfahne (18) verlaufende horizontale Achse frei drehbar befestigt sind, wobei der zu registrierende Auslenkungswinkel einer jeden individuell kalibrierten und durch die Richtungsfahne (18) in Strömungsrichtung ausgerichteten Messfahne (19) eine Funktion von der örtlichen Strömungsgeschwindigkeit ist.1. Soil water flow meter for simultaneous in situ measurement of local flow velocities in the lowest water column at different heights above a water bed with a vertical arrangement that can be attached to the water bed with several flow sensors that are fixed at different heights and with a registration device for the measurement data, characterized in that that the vertical arrangement is designed as a rod (12) on which the flow sensors (13) are arranged closely one above the other, and that the flow sensors (13) each consist of a vertically oriented directional vane (18) and an orthogonal one and connected to it - NEN measurement flag (19), of which the direction flag (18) around the vertical axis of rotation formed by the rod (12) and the measurement flag (19) about the transverse to the direction flag (18) horizontal axis are freely rotatable, the deflection to be registered kel of each individually calibrated and by the direction flag (18) aligned in the flow direction measuring vane (19) is a function of the local flow velocity.
2. Bodenwasser-Strömungsmesser nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungssensoren (13) zum Gewässerboden hin mit abnehmendem Abstand zueinander angeordnet sind.2. Soil water flow meter according to claim 1, characterized in that the flow sensors (13) are arranged towards the water bottom with decreasing distance from each other.
3. Bodenwasser-Strömungsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtungsfahne (18) aus einem einseitig offenen, rechteckigen Drahtrahmen (20), der an seinen beiden offenen Enden über zwei Drahtösen (22) mit dem Stab (12) frei drehbar verbunden ist, und einer im Drahtrahmen (20) angeordneten Anströmungsfläche (24) aufgebaut ist.3. Soil water flow meter according to claim 1 or 2, characterized in that the directional flag (18) from a one-sided open, rectangular wire frame (20) which at its two open ends via two wire eyelets (22) is freely rotatably connected to the rod (12), and an inflow surface (24) arranged in the wire frame (20) is constructed.
4. Bodenwasser-Strömungsmesser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Drahtrahmen (20) quadratisch ist und dass die Anströmungsfläche (23) als Kunststofffolie (24) ausgebildet ist, die zwischen der unteren horizontalen und der vertikalen Seite des Drahtrahmens (20) aufgespannt ist und eine von den entsprechenden äußeren Eckpunkten des Drahtrahmens (20) verlaufende Krümmung (21) aufweist, die mit einer deutlich sichtbaren Winkelskala versehen ist.4. Soil water flow meter according to claim 3, characterized in that the wire frame (20) is square and that the inflow surface (23) is designed as a plastic film (24) stretched between the lower horizontal and the vertical side of the wire frame (20) and has a curvature (21) which extends from the corresponding outer corner points of the wire frame (20) and which is provided with a clearly visible angle scale.
5. Bodenwasser-Strömungsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfahne (19) auf einer herausgezogenen Achse (25) der oberen Drahtöse (22) des Drahtrahmens (20) drehbar gelagert ist und eine von der Achse (25) bis zur Krümmung (21) der Anströmungsfläche (23) der Richtungsfahne (18) zunehmende Trapezform aufweist.5. Soil water flow meter according to claim 4, characterized in that the measuring lug (19) on a pulled-out axis (25) of the upper wire eyelet (22) of the wire frame (20) is rotatably mounted and one of the axis (25) to the curvature (21) of the inflow surface (23) of the directional vane (18) has an increasing trapezoidal shape.
6. Bodenwasser-Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfahne (19) aus einem auftriebsneutralen, hell eingefärbten Kunststoff gefertigt ist.6. Soil water flow meter according to one of claims 1 to 5, characterized in that the measuring vane (19) is made of a buoyancy-neutral, brightly colored plastic.
7. Bodenwasser-Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfahne (19) durch Einbringen einer kleinen Gewichtsperle (27) in ihre dem Drehachse gegenüberliegende Seite (26) individuell in ihrer Ansprechempfindlichkeit eingestellt ist. 7. Soil water flow meter according to one of claims 1 to 6, characterized in that the measuring vane (19) by introducing a small weight bead (27) in its side opposite the axis of rotation (26) is set individually in its responsiveness.
8. Bodenwasser-Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (12) als Fiberglasstab ausgebildet ist.8. Soil water flow meter according to one of claims 1 to 7, characterized in that the rod (12) is designed as a fiberglass rod.
9. Bodenwasser-Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass am Stab (12) eine Griffplatte (17; 29) angeordnet ist.9. Soil water flow meter according to one of claims 1 to 8, characterized in that a handle plate (17; 29) is arranged on the rod (12).
10. Bodenwasser-Strömungsmesser nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Griffplatte (17; 29) aus einem Kunststoff gefertigt ist.10. Soil water flow meter according to claim 9, characterized in that the handle plate (17; 29) is made of a plastic.
11. Bodenwasser-Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (12) an seinem unteren Ende eine Platte (15) oder einen Sedimentanker (28) aufweist.11. Soil water flow meter according to one of claims 1 to 10, characterized in that the rod (12) has at its lower end a plate (15) or a sediment anchor (28).
12. Bodenwasser-Strömungsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Auslenkungswinkel der Messfahnen (19) unter Einfluss der Bodenströmung von einer visuellen Registriereinrichtung erfasst werden.12. Soil water flow meter according to one of claims 1 to 11, characterized in that the deflection angle of the measuring lugs (19) are detected by a visual registration device under the influence of the bottom flow.
13. Bodenwasser-Strömungsmesser nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die visuelle Registriereinrichtung eine Videokamera, ein Lasertaster oder eine Lichtschranke ist, wobei die Auswertung der bildlich erfassten Auslenkungswinkel über eine Bildanalysesoftware erfolgt. 13. Soil water flow meter according to claim 12, characterized in that the visual registration device is a video camera, a laser sensor or a light barrier, with the evaluation of the image-detected deflection angle being carried out via image analysis software.
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