WO2014173442A1 - VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR OPTISCHEN ERFASSUNG VON FLIEßBEWEGUNGEN IN FLÜSSIGEN UND/ODER GASFÖRMIGEN MEDIEN - Google Patents

VORRICHTUNG UND VERFAHREN ZUR OPTISCHEN ERFASSUNG VON FLIEßBEWEGUNGEN IN FLÜSSIGEN UND/ODER GASFÖRMIGEN MEDIEN Download PDF

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WO2014173442A1
WO2014173442A1 PCT/EP2013/058452 EP2013058452W WO2014173442A1 WO 2014173442 A1 WO2014173442 A1 WO 2014173442A1 EP 2013058452 W EP2013058452 W EP 2013058452W WO 2014173442 A1 WO2014173442 A1 WO 2014173442A1
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camera
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PCT/EP2013/058452
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Inventor
Markus SCHÖTTLER
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Schöttler Markus
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Classifications

    • 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
    • G01P5/26—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting optical wave

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for the optical detection of flow movements in liquid and / or gaseous media.
  • the invention can be used, in particular, for investigating the groundwater flow movement on dams or tunnels or planning icing measures for tunneling in the protection of a built-up frost body, for collecting data from groundwater flow models and for plausibility testing of flow models. to safeguard evidence in remediation measures and groundwater intake reaches in water management and to study for thermal aquifer storage and to monitor the flow and suspended matter of gaseous media.
  • Groundwater is always in motion. From the location of groundwater recharge (infiltration of precipitation) to the discharge into a spring fill, the groundwater moves through sediment bodies and structures of the subsoil. The flow direction and speed are given by the usually unspecified structures and permeabilities of the substrate, the hydraulic pressure gradient, etc. Since these parameters are variable, the groundwater often does not move directly to the exit points.
  • the local groundwater flow conditions at the affected sites must be clarified via pre-installed well levels.
  • the height difference of the groundwater level measured at adjacent levels is used to determine the direction of the flow gradient.
  • the groundwater flow can be conventionally determined by indirect measurements, i. E.
  • the groundwater flow direction and velocity are determined by measuring groundwater levels at adjacent well levels and using the reflectance and permeability of the subsoil.
  • this indirect measurement does not always provide the required information quality and resolution, in the case of non-correlatable water levels, with extensive level networks, with an insufficient number of levels or with shallow groundwater gradients.
  • the construction of well levels is costly and can not always be built in the required number and / or locations (for example, in urban areas or industrial sites) to obtain the desired information.
  • groundwater flow movements In addition to the indirect measurement of the groundwater flow movements, these can also be determined by means of "in-situ” or “single-hole measuring methods".
  • the groundwater flow is measured directly in individual groundwater outfalls such as well levels, with only one well level is required to collect this data.
  • This direct measurement of the groundwater flow direction and velocity takes place at discrete depths of radially flowed level pipe sections.
  • the groundwater movement can be measured at different depths of the aquifer, this provides a detailed picture of the spatial flow conditions in the aquifer.
  • the information gain is independent of / supplementary to groundwater level measurements and pumping tests.
  • the measurement results reflect the flow situation at the immediate location of the well level and can only be transferred to the wider environment with knowledge of the lithological conditions.
  • the radial groundwater flow rate in the level of the bones is between 1 cm / s and 1 cm / day (five orders of magnitude). Measurements of the predominantly very low flow rate require the addition of flow markers.
  • flow markers for this purpose, in the Bru nnenpegel or Brunnenringraum z. As electrolytes, dyes or radioisotopes introduced or artificially generated marker, z. B. heat pulses. Due to the different properties of the markers used, many direct methods can only reproduce a limited speed range. More recent methods, such as the PH REALOG measuring method, the "colloidal borescope” or the "darkfield probe", use the natural suspended matter contained in the groundwater as a marker. Since they are entrained with the flow movement, their drift forms the flow motion.
  • Suspended matter is illuminated and optically recorded by CCD camera.
  • the flow motion is then computationally calculated by PIV (Particle Image Velocimetry) on the drift of suspended solids.
  • PIV Point Image Velocimetry
  • the optical measurement of the flow movement with the aid of naturally occurring flow markers has decisive advantages over methods which use artificial markers: a) Permanent suspended solids enable a continuous, automatable flow measurement with a reasonable measurement duration. This allows unlimited time and high-resolution monitoring of Fl intebewe ⁇ conditions in wells and the documentation of flow changes over time. With procedures that require the use of artificial markers is an automatic monitoring is not possible or only with great effort and high costs.
  • the measuring technique Since there are no sensory elements in the measuring medium, the measuring technique is highly robust in a chemically aggressive environment.
  • PHREALOG developed a measurement method (GFV) for the optical measurement of groundwater flow movement in levels.
  • the measuring technology has been used commercially by PHREALOG since 1999 (DE 42 30 919 A1 and DE 199 45 852 A1).
  • a fundamental distinguishing feature compared to the known, comparable optical methods is the illumination of the measuring field by laser.
  • US Pat. No. 4,206,999 describes a method by which flow movements are detected optically on the basis of the drift of microscopic particles by means of photomultipliers.
  • the considered image plane by means of a side on the Illuminated image plane incident laser beam.
  • the laser beam is different Lich shaped.
  • the photomultiplier is followed by a pulse width analyzer.
  • US Pat. No. 4,391,137 describes a method by which flow movements in wells can be determined by means of artificially generated temperature anomalies, the direction of flow and the speed being recorded. For this purpose, an arrangement of thermistors in an equidistant distance to a heating element on a circular plane is arranged, with the heating element positioned centrally in the circular plane.
  • Thermistors and heating element are in a moldable, with porous medium or Schüttg ut such.
  • porous medium or Schüttg ut
  • the moldable container lays against the well inner wall, so that the horizontal groundwater flow flows through the porous medium.
  • the porous Med ium has the task of ensuring a uniform laminar flow in the measuring chamber and thermal compression convection affordd. Nu n is set on the heating element, a heat pulse, which is transported in conformity with the flow in the porous Med ium to the surrounding thermistors.
  • the degree of fl is determined ussgeschwind ig ness, wherein the direction is determined based on the wheel ialen position of the thermistor, at which the heat pulse encounters ⁇ .
  • US 4 396 943 describes a method by which flow movements in pipes are detected by means of the drift of particles by means of an endoscopic device.
  • US Pat. No. 4,963,019 describes an optical method which essentially corresponds to the "colloidal borescope” method, but works with a photomultiplier. Notes on the use of cameras or corresponding optics are not found.
  • US-A-5,265,477 the flow characteristics of a fluid are determined by introducing an electrolyte pulse at a highly localized point within the fluid without disturbing the flow field of the fluid or the shape of the pulse, and then clamping or the conductivity is mapped around this point to determine the velocity and direction of the fluid flow.
  • US-A-5 339 694 discloses a probe for determining the physical quantities of groundwater.
  • the probe is cylindrical in shape.
  • sensors are arranged uniformly on its circumference and parallel to the course of its longitudinal center axis, which measure the electrical resistance values of groundwater influenced by a tracer liquid and located in the immediate vicinity of the probe.
  • a salt water is proposed as Tracerfl uid, which must diffuse through a membrane into the groundwater which the conductive liquid transported üs ⁇ stechnik and produces a detectable for the sensors conductive measurement field. The extent, shape and size of the field are measured by the sensors.
  • US-B-6 227 045 discloses a probe for monitoring the velocity and direction of groundwater flow seepage comprising an electric heater and a plurality of temperature sensors arranged equidistant from the heater.
  • the probe with the heater and the temperature sensors is inserted into a monitoring well and positioned so that it is submerged in the groundwater.
  • Energy is supplied to the heater, and the temperature response at the temperature sensors is measured and recorded. From the measured temperature response, the groundwater flow velocity and direction are calculated and recorded.
  • the temperature sensors may be resistive temperature detectors, thermocouples, or other temperature detection devices of the prior art.
  • DE-B-101 49 024 describes a method for determining the physical quantities of groundwater that is present in a borehole by introducing an aqueous, labeled solution with groundwater-deviating conductivity in a predetermined space and a probe for carrying out the method.
  • the measuring principle is based on the generation and observation of the behavior of artificially generated anomalies of conductivity and temperature. During the measuring process, the time-dependent, direction-specific changes of these two parameters are determined with adapted geoelectric arrangements and temperature sensors. Due to the parallel measurements, an increase of the accuracy is achieved and the extension of the range of application is made possible.
  • the borehole system enables the measurement of slow groundwater flow rates in the range above 1 m / d. This goal was achieved with the development of the tracer ring space method.
  • the method opens up possi possibilities to replace the disadvantageous measurement of the flow characteristics over a certain time unit by a method.
  • the herstel len iffusion a radially formed Tracerd and also measuring the time period of the tracer transport between its input and the detection affect at low speeds ⁇ Strömungsgeschwind ig ig disadvantageous to the measurement of times.
  • the conditions of measuring the flow velocity and direction of the groundwater in boreholes depend as far as possible on the accurate measurement of even the smallest flow velocities.
  • the known method focuses deshal b on the existing groundwater flow with the lowest speeds and solves the task by the fact that in the measuring section of a borehole a horizontally aligned object plane illuminated and focused by means of optics on the image plane of a Videosensormod module and made as a real image size prod ucted evaluated becomes .
  • the solution according to DE-A-42 30 919 requires a tracer in the form of fl uorescent particles to depict the values of the groundwater behavior to be detected, which suspends in the liquid, which makes the flow and its direction visible.
  • the location deviation of the tracer caused by the transport of the fluid is continuously recorded as a migration of virtual light sources on the image plane or the camera sensor surface and evaluated directly by means of downstream image processing.
  • the device generally has a cylindrical shape.
  • Packers are arranged at their upper and lower ends. which form between them an annular hollow cylinder bordered by the cylindrical surface and the bore wall, in which the device for the visual and optical measurement of the properties of the groundwater takes place.
  • the solution uses in its technical conceptions of the method and the apparatus design of the device exactly working equipment, but here an evaluation of calculable information from rapidly available data can not be obtained.
  • a device for measuring flows in a well has upper and lower terminating elements, which are arranged at a distance from one another and between which a measuring section is formed, which can be flowed through substantially freely, the terminating elements M Having means for sealing the drill well, so that no vertical flows occur in the measuring ⁇ section.
  • the device is further provided with a Lichtquel le for illuminating the measuring range and with an image sensing element, which detects the image of a measuring range within the Meßabschn itt.
  • At least one tubular optical device is arranged, which protrudes with its free end in the measuring section to immediacy bar in front of the measuring range and which has such a shape and dimensions that the flow is essentially unaffected ,
  • the horizontal flow direction of the groundwater is measured by camera according to the Dun kelfeld principle without introducing artificial tracers.
  • the dark field technique the light emitted by a source of light in the direction of the camera lens is detected by so-called light sources. Lichtfal len hidden, so that in the ideal case l no light reaches the lens.
  • the images are recorded on a depth-stationary probe on video and the direction of the particle motion is statistically evaluated and visualized by a special software.
  • the "darkfield probe” 1998 is a development of the University of Leoben, Austria; In cooperation with the former company GECO boomtechnik, now FUGRO Austria GmbH (www.fugroaustria.at) emerged and is offered commercially.
  • the method is similar to the "colloidal borescope” or consists of a conventional well inspection camera with a different optic and a light source placed below the probe in the direction of the camera.
  • the instrument described in the context of the "Oak Ridge” system bears a strong similarity to a prior device which was the subject of US-A-4 963 019, the main differences being in the type of illumination (laser versus lamp) and the imaging device ("Optiram” vs. CCD camera for the versions of Foster and Fyda or Kearl).
  • the tool consists of a down-facing camera with a microscope objective, a light source directed towards the camera, creating a "bright field” effect, a magnetometer for detecting tool alignment, holding cables, and / or a Betracher- / recording package at the head of the shaft.
  • SCBFM scanning colloidal borescope flowmeter
  • the scanning feature allows a three-dimensional analysis of the flow so that swirling, not representative flow cells ⁇ identified and detected "fast flow paths” and may be characterized.
  • the Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) scanning colloidal borescope flow meter (SCBFM) flowmeter adds another feature to the basic concept of Keal's and Foster's and Fyda's "colloidal borescope” instruments: the Brennebe ⁇ ne is continuously adjustable over a distance of almost 1/2 m, so that after the tool has been placed in a target depth, in the height interval of the measuring section, a portion of the image "planes" are optically traversed and visualized can, without the tool being moved.
  • ISPFS In Situ Permeable Flow Sensor
  • the downstream side of the probe becomes relatively warm compared to the upstream side.
  • the direction and magnitude of the flow are calculated from the measured temperature distribution at the surface of the probe.
  • the ISPFS sensor provides unambiguous information, in particular a point estimate of the direction and velocity of groundwater flow on a scale of about one cubic meter. Under the assumption of uniform flow and velocity in the direction and speed, the ISPFS sensors can be used to precisely measure groundwater flow velocities in the range of lxlOE-5m / s to 5xlOE-8m / s.
  • the ISPFS sensor provided unique information (point estimates of Grundwasserströ ⁇ mung vectors) to the above-mentioned demonstration both with a Post l under nat cozy and under perturbed (i. E.
  • ISPFS sensors provide information at extremely low cost over a longer period of time. After the sensors have been installed, the data collection is done via an automatic system. Since, in particular at low flow velocities, the groundwater flow movement is variable in direction and velocity over time due to hydraulic pressure fluctuations, a diffuse / disperse distribution of the temperature marking occurs at low flow rates, so that an accurate evaluation is then not possible.
  • the object of the invention is to provide a method and a device for improved optical detection of flow movements in liquid and / or gaseous media, in particular in groundwater.
  • the invention proposes a method for the optical detection of flow movements in liquid and / or gaseous media, wherein in the method
  • At least one measuring level can be defined in the medium and at least one measuring level within the measuring volume, and
  • the measuring plane is illuminated and illuminated in at least one detection range from the one side of the measuring plane, that is to say from a lighting side by means of a light beam of parallel light beams of a lighting unit,
  • a motion vector is determined, wherein the transmitted light component of the light beam of the illumination unit is filtered out before reaching the image acquisition level of the camera.
  • a measurement cell having or defining a measurement plane for positioning in the medium to be examined, wherein the measurement plane has at least one detection region within which particles in the medium are optically detectable,
  • a lighting unit for exposing the detection area to a substantially parallel light beam
  • a camera for detecting at least a part of a light scattering resulting from the exposure of particles in the detection area as stray light
  • the lighting unit and the camera being arranged on opposite sides of the measuring plane, namely on a lighting side and a front light scattering side,
  • optical path comprises a suppression element for suppressing the propagation of a transmitted light portion of the light beam of the illumination unit passing through the detection area of the measurement plane without scattering.
  • the measuring plane has at least one detection area, which is illuminated from one side of the measuring plane (illumination side) by means of a light beam, the light beam preferably having parallel light beams.
  • this exposure results in scattered light which, inter alia, also reaches the side of the measurement plane (scattered light side) opposite the illumination side, namely as a pre-light scattering.
  • the utilization of the light scattering whose intensity is particularly suitable for optically detecting or localizing particles. For example, it is possible to perceive the effects of light from the naked eye by visualizing particles floating in the (sun) backlight or at an angle to it in the air.
  • the radiating than Vorlichtstreuung to Vorlichtstreuungsseite scattered light (or at least a part thereof) and one transmitted light component of the imagesetter tungs- light beam, of the detection region of the measuring plane, oh ne to be ge ⁇ scatters happens to be erfind ungscuit d urch least one optical element (i.e., along an optical path) to an image recording ⁇ level ( image plane of the optical imaging system) of a camera passed.
  • the camera captures a sequence of images of the detection area corresponding to the object plane of the system. On the basis of this image sequence, a motion vector of a particle moving along the measuring plane can then be determined by image evaluation methods.
  • the transmitted light component of the light beam bundle of the illumination unit is filtered out before it reaches the image recording plane of the camera. So so the camera takes ⁇ Finally, the Vorlichtstreuung.
  • filtering out in the sense of the invention is meant in particular a partitioning, blocking, absorbing and / or diverting the transmitted light component.
  • several measurement levels or measurement levels can be provided with meh eral detection areas. The measurement levels are then superimposed.
  • the invention is particularly suitable for single-hole drilling measurements, with the measuring probe, that is, the device, in an existing borehole (Well level) is introduced.
  • the light-guiding elements which are as thin as possible from the sealing elements, guide the illumination light to the detection area and detect the light from the pre-scattering from the detection area or the image of the object plane. If several measurement planes or measurement planes with several detection ranges are provided per measuring probe or device, there are correspondingly also a plurality of pairs of light guide elements of the kind described above and the corresponding properties.
  • each detection area is illuminated and illuminated and wherein the per detection area generated Vorlichtstreuung by taken a sequence of images and determined by per image sequence image evaluation for each at least one particle, a motion vector is determined.
  • the filtering out of the transmitted light component of the light beam of the illumination unit can be effected by reflection and / or absorption and / or decoupling.
  • an optical light suppression element such as B.
  • the transmitted light component can be "led out" of the optical path.
  • the particles which it is necessary to determine the direction of flow and -geschwindig ness optically detecting eig upstream handene particles or even artificially generated or entered measuring ⁇ particulate NEN one hand inherent in the medium (tracer) that the for the purpose of surveying fluid properties of the medium have been introduced into it.
  • special metering devices can be used with which the particles can be introduced into the well level near the measuring volume or into the measuring volume. Examples of such metering devices are described in DE-A-199 52 541, DE-A-199 52 542 and DE-C-44 43 307.
  • the lighting unit has a light exit surface and the optical path has a light entry surface and that both surfaces are opposite each other and between the two surfaces the detection region of the measurement plane is angeord net.
  • the particular light output ⁇ Tilting or light entry surface inclined to align with the measurement plane in which case the other surface, d. H . the light entry or the light exit surface, preferably can run parallel to the measurement plane.
  • the illumination unit has an illumination source and a number of light exit surfaces that is the same as the number 5 of the detection areas,
  • This arrangement has the advantage that multiple detection areas can be acted upon sequentially or cyclically with illumination light, wherein only
  • the pre-light scattering components can be optically detected and recorded sequentially from the individual illuminated detection regions when they are illuminated.
  • the respective Lichtumlenkikien preferably include optical prisms or the like.
  • rotary actuators can then be arranged on the light generation side and on the Vorlichtstrereuungslichtareaseite, which are synchronized or on both sides, rotating elements can be rotated by means of a central, single drive.
  • the detection areas are ideally arranged in a circle on measurement planes, the optical beam path of the light beam and the imaging scattered light component being determined by means of synchronized and deflecting prisms. Equipped turntable can be aligned by rotation of these coupled turntable on the respective detection area, so that only one light source and lighting unit and only one camera for measuring the flow in several detection areas are required.
  • optical elements and the electronic control can be advantageously accommodated in the above-mentioned packers or Abschottelementen. It is expedient to carry out the image-receiving measurements of the flow movements according to the invention in particular well levels in different depth positions of the well level, on the one hand in order to be able to compare and statistically evaluate the results obtained, and on the other hand to obtain a comprehensive impression for the interpretation of the results.
  • the invention therefore also includes a multi-level embodiment of the method and the device in order to be able to carry out measurements at several depths of a well level at the same time.
  • a plurality of measuring probes or measuring modules are preferably used one above the other (and, if appropriate, mechanically coupled with one another) within a well level.
  • This refinement of the invention initially has the advantage that a measuring insert can be carried out considerably more economically than before, as operating and set-up times can be saved (the conversion of a single measuring probe or a single measuring module into different measuring depths is omitted and a hydraulic stabilization after retraction and Fixing the probe in the well level only occurs once).
  • Another advantage is that more data is added to support the results and to support the statistical evaluation and interpretation of the measurement data.
  • the relevant flow rate of interest in the surrounding sediment can be determined as realistically as possible by knowledge of the flow path distortion and the usually available level-expansion data (for example, drill diameter, filter tube permeability).
  • this distortion is determined with the aid of known formula works only from the level-expansion data (the so-called alpha factor - see, for example, Moser, H. & Rauert, W. (1980): Isotope Methods in Hydrology.- in: Matthess, G. (Ed.): Textbook of Hydrogeology, Volume 8, Berlin).
  • the application of these formulas does not sufficiently take into account all of the influencing factors that occur in practice. This leads to a high variance of the calculated flow velocity in the sediment - a reason for the subordinate application of borehole methods.
  • a drilling tube section In all flow measurement methods in well levels, a drilling tube section is usually hydraulically insulated upwards and downwards, so that a cylindrical measuring space is formed.
  • the optical detection of the fine particles takes place at one point: in the axial center of the flow-through measuring space of a measuring probe or axially in well levels.
  • To capture fine particles or microscopic particles optically isolated high optical resolution is required. Due to the required imaging scale, the size of the field of view considered is limited when using known, commercially available imaging sensors (CCD or CMOS optical sensors) in such a way that only a very limited section of the flow field can be detected, beyond which Measure and the symmetry of streamline distortion over the entire well cross section can be deduced.
  • a minimum height of the measuring chamber or an isolated well level section is required. This height depends, for example, on the caliber of the well pipe and the size and arrangement of the filter openings in the well pipe.
  • the desired flow situation then naturally forms preferably in the vertical center of the measuring chamber.
  • the image pickup positions must therefore be positioned in the vertical center of the measurement space and thus lie at a predetermined distance from the upper and lower terminus element of the measurement space.
  • the window openings are located distally at the ends of optical components which protrude, for example in the form of optical tubes into the measuring space and their ends are designed so that they taper towards the window surface, wherein the size of the window area corresponds approximately to the viewing area.
  • these window surfaces are inclined relative to the horizontal plane, so that at stationary measuring position settling / sedimenting material is discharged along the inclined window surface.
  • the requirement is further met by the invention in that the number of components arranged on circular paths and projecting into the measuring space is odd, in order to specify a number of positions which define a preferential flow direction as a result of shading by components aligned parallel to the flow. to reduce.
  • the window surfaces for illumination and image transmission are opposite transversely to the viewing surface angeord net.
  • the viewing surface is then illuminated by means of a laser beam in such a way that the beam path of the laser beam runs parallel to the optical axis of the beam path of the image and the laser beam is focused in the beam path of the image and optically terminated at the focal point.
  • the light beam axis is refracted on inclined windows during decoupling and then no longer runs parallel to the optical axis of the measurement image.
  • the laser light beam can not then be focused and terminated in the beam path of the measurement image axis.
  • the medium flowing through can often be cloudy due to a very high level of suspended matter. This causes the optical transmission is limited. Incorporated light for illuminating the viewing surface is strongly scattered when coupled out into the flowing medium, so that suspended particles at some distance from the viewing surface can no longer be detected individually or the contrast of the individual Particles n backscattered points of light is resolved. Thus, it is not possible to obtain any images which can be evaluated for the determination of the flow rate.
  • window elements are positioned so ⁇ resulting in that the flowing medium facing windows approximation approximately in shape and SCOPE the imaged viewing surface speak ent ⁇ , and that or the window
  • the window-carrying elements are conical, with the distal window surface forming the cone tip or the window-supporting element tapering toward the window surface.
  • Fig. 1 shows schematically the arrangement of a measuring device according to the invention in a well level (wellbore) for determining the direction and velocity of a groundwater flow and
  • FIG. 2 is a schematic representation of the optical, individual lighting components and the internal structure of the measuring device.
  • FIG. Fig. 1 shows the deployment situation of a measuring device 10 according to the invention in a well level or borehole 12 in the earth region 14 in order to measure the fluidic properties (direction and speed) of the horizontal groundwater flow at a predefined depth 16. It should be noted at this point that several measuring devices 10 according to FIG. 1 may be located at different depths within the borehole 12 at the same time.
  • the measuring device 10 has a first upper Abschott- or packer element 18 and a lower second packer element 20, which isolate the portion 21 between the two packer elements 18,20 insofar as vertically flowing through the borehole 12 groundwater the horizontal measurement is not or substantially unaffected.
  • the two Abschott- or Packerele- elements 18,20 are connected by struts 22 with each other.
  • Abschott- or packer elements 18,20 are raw r or rod-shaped optical light guide 24,26 of licht intuition material (eg Vol lmaterial) or designed as a hollow body, their structure and function in combination with other elements of the measuring device 10th subsequently with reference to FIG. 2 will be explained in more detail.
  • the measuring device 10 has a plurality of pairs of preferably along a Kreisl inie angeord Neten light-guiding elements 24,26, ie hertzlie at their ends 28,30 each other. Between these ends 28,30 is the measuring plane 32 and each a measuring range 34, which in turn are arranged within the measurement volume 36 mens 36 between the two Abschott- or packer elements 18,20. Within the measuring plane 32, groundwater flows with natural or artificial particles which need to be visually detected, in the form of sequences of images with the aid of a camera, which will be explained in more detail below.
  • the lower Abschott- or packer element 20 has a lighting unit 38, the le ichtungsquel le 40 in the form of a Laser light source for emitting a bundle of light beams 42 with paral lel light rays 44 is formed.
  • the light of the exposure source 40 is deflected radially outwards by a prism 48 centrally located on a turntable 46 in order to pass from another prism 50 through an opening 52 in FIG the turntable 46 to the light entrance side 53 of a light guide 24 deflected to who ⁇ the.
  • the light passes through the light guide 24 and exits via its slightly bevelled light exit side 54.
  • the exiting light passes through the focused detection area 34 and is partially scattered there to Parti-.
  • the pretreater cone is shown at 56.
  • the pre-scattering light 56 passes through the light entrance side 57 into the light guide 26 and out of its light exit side 58 to a further Umlenkpris ⁇ ma 59 which is disposed behind an opening 60 of another turntable 62, which is in the upper first Abschott- or packer element 18 is located.
  • the deflecting prism 59 deflects the received light radially inwardly to the center of the turntable 62, where it ge ⁇ arrived from a angeord Neten deflection prism 64 in the direction of the image recording plane 66 of a camera 68.
  • a rotary drive 70 which is arranged in this embodiment in rotary drive engagement with the Drehtel ler 46 in the lower Abschott- or packer element 20, but also g ut in the upper Abschott- or packer element 18 for d thoring drive there can be arranged Drehtel lers 62 angeord net.
  • Both turntables 46,62 are synchronized in terms of their rotation, which in this embodiment Auspap by a mechanical coupling rod 72, but could also be realized by a correspondingly synchronized control of two separate drives for the turntables 46,62.
  • the portion 34 of the light beam bundle 44 which is not scattered by particles also passes through the detection area 34. This proportion of light is designated by reference numeral 74.
  • This light portion 74 if detected by the camera 68, would interfere with image analysis and image information. Therefore, according to the invention, this light component 74 is filtered out by an optical suppression element 76.
  • This can be a component with a black surface or else a coupling-out optical conductor 78.
  • the decoupling of the transmitted light portion 74 is achieved by using a corresponding lens system, such as by the use of achromatic lenses 80 in the optical path 82 between the detection area 34 and the camera 68 and in particular before the deflection of the pre-scattering light 56, d. H . before exiting the light guide 26th
  • these are ideally arranged in a circle on measurement planes 32, wherein the optical beam path of light beam 44 and 74 and scattered light component 56 by means of synchronized and equipped with deflection prisms 50 turntable 46, 62 by rotation of these coupled turntable can be aligned with the respective detection area 32, so that only one light source (40) and lighting unit 38 and only one camera (68) for measuring the flow in several detection areas (34) are required.

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Abstract

Verfahren und Vorrichtung zur optischen Erfassung von Fließbewegungen in flüssigen und/oder gasförmigen Medien definieren in einem Medium ein Messvolumen (36) mit mindestens einer Messebene (32), wobei sich entlang der Messebene (32) bewegende Partikel optisch erfasst werden. Dabei wird die Messebene (32) in mindestens einem Erfassungsbereich (34) von einer ihrer Seiten aus mittels eines Lichtstrahlbündels (44) aus parallelen Lichtstrahlen einer Beleuchtungseinheit (38) belichtet und durchleuchtet und es wird durch Partikel im Erfassungsbereiches (34) Streulicht (56) erzeugt. Zu einer der Beleuchtungsseite gegenüberliegenden Seite abstrahlendes Streulicht (56) (Vorlichtstreuung) oder zumindest ein Teil davon und ein Durchlichtanteil (74) des Lichtstrahlbündels (44), der den Erfassungsbereich (34) ohne gestreut zu werden passiert, werden durch mindestens ein optisches Element (26) zu einer Bildaufnahmeebene (66) einer Kamera (68) geleitet. Dabei wird dieser Durchlichtanteil (74) vor Erreichen der Bildaufnahmeebene (66) der Kamera (68) herausgefiltert. Von der Kamera (68) wird eine Bildsequenz des Erfassungsbereiches (34) aufgenommen und bezüglich mindestens eines Partikels durch Bildauswertung der Bildsequenz ein Bewegungsvektor ermittelt.

Description

Vorrichtung und Verfahren zur optischen Erfassung von
Fließbewegungen in flüssigen und/oder gasförmigen Medien
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur optischen Erfassung von Fließbewegungen in flüssigen und/oder gasförmigen Medien. Neben dem Einsatzgebiet der Vermessung beispielsweise von Grundwasserfließbewegungen in Grundwasseraufschlüssen im Allgemeinen lässt sich die Erfindung insbesondere zur Untersuchung der Grundwasserfließbewegung an Dämmen, Tunneln oder bei der Planung von Vereisungsmaßnahmen für einen Tunnelvortrieb im Schutz eines aufgebauten Frostkörpers, zur Datenerhebung von Grundwasserfließmodellen und zur Plausibilitätsprüfung von Fließmodellen, zur Beweissicherung bei Sanierungsmaßnahmen und von Grundwassereinzugs- reichweiten bei der Wasserwirtschaft und zur Untersuchung für thermische Aquifier-Speicher sowie zur Überwachung der Strömung und Schwebstofffracht von gasförmigen Medien einsetzen.
Die Kenntnis über die Grundwasserfließrichtung und -geschwindigkeit ist für die Planung und die Beweissicherung bei einer Vielzahl von Projekten im Umwelt- und Grundwasserschutz, der Trinkwassergewinnung, des Tief- und Tunnelbaus sowie der Geothermie von großer Bedeutung. In der Bundesrepublik Deutschland wird etwa 64 % der Trinkwasserversorgung vom Grundwasser abgedeckt. Grundwasser ist somit ein primäres Schutzgut. Die immer umfang- reichere Nutzung des Grundwassers, z. B. zur Wasserversorgung oder aber auch als Medium für die geothermische Energiegewinnung, erfordern zunehmend genauere Kenntnisse des lokalen Fließverhaltens. Auch vom Gesetzgeber werden genauere Erkundungen insbesondere unter dem Aspekt der Reinhaltung und nachhaltigen Bewirtschaftung gefordert (EU-Wasserrahmen- richtlinie). In der Bundesrepublik Deutschland sind alle Eingriffe in das Grundwasser - auch das Einbringen von Substanzen (sogenannte Tracer) zur Mes- sung physikalischer Größen des Grundwassers - durch das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) geregelt und damit genehmigungspflichtig.
Grundwasser ist stets in Bewegung. Von dem Ort der Grundwasserneubildung (Versickerung von Niederschlägen) bis zum Austritt in eine Quellschüttung bewegt sich das Grundwasser durch Sedimentkörper und -strukturen des Untergrundes. Die Fließrichtung und -geschwindigkeit werden dabei von den meist nicht näher bekannten Strukturen und Durchlässigkeiten des Untergrundes, dem hydraulischen Druckgefälle usw. vorgegeben. Da diese Parameter wech- selhaft sind, bewegt sich das Grundwasser häufig nicht auf direktem Weg zu den Austrittsstellen.
Im Vorfeld von Projekten, bei denen ein Eingriff in das Grundwasser erfolgt, müssen an den betroffenen Standorten die lokalen Grundwasserfließverhält- nisse über vorab installierte Brunnenpegel geklärt werden. Konventionell wird dazu die Höhendifferenz der an benachbarten Pegeln gemessenen Grundwasserspiegelhöhe genutzt, um die Richtung des Fließgefälles zu ermitteln.
Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, kann also die Grundwasserfließbewe- gung konventionell durch indirekte Messungen ermittelt werden, d.h. die Grundwasserfließrichtung und -geschwindigkeit werden über die Messung der Grundwasserspiegelhöhen benachbarter Brunnenpegel und anhand des Spiegelgefälles und der Durchlässigkeit des Untergrundes ermittelt. Diese indirekte Messung liefert jedoch nicht immer die erforderliche Informationsgüte und Auf- lösung, und zwar im Fall von nicht korrelierbaren Pegelständen, bei weitständigen Pegelnetzen, bei unzureichender Pegelanzahl oder bei flachen Grundwassergefällen. Der Bau von Brunnenpegeln ist kostenintensiv, auch können diese nicht immer in der erforderlichen Anzahl und/oder an den erforderlichen Stellen errichtet werden (was z. B. in Stadtgebieten oder Industriestandorten gilt), um die gewünschten Informationen zu erhalten.
Neben der indirekten Messung der Grundwasserfließbewegungen können diese auch mittels "In-Situ"- oder "Einbohrloch-Messverfahren" ermittelt werden. Hierbei wird in einzelnen Grundwasseraufschlüssen wie Brunnenpegeln die Grundwasserfließbewegung direkt gemessen, wobei nur ein Brunnenpegel erforderlich ist, um diese Daten zu erheben. Diese direkte Messung der Grundwasserfließrichtung und -geschwindigkeit erfolgt in diskreten Tiefen von radial durchströmten Pegelrohrabschnitten.
Gegenüber indirekten Messungen haben direkte Fließbewegungsmessungen in einzelnen Pegeln die folgenden Vor- und Nachteile : Vorteile :
Es ist nur ein Brunnenpegel erforderlich, um die lokale Grundwasser- Fließsituation zu ermitteln.
Für die Messung können vorhandene Brunnenpegel genutzt und weitere Brunnenpegel eingespart werden.
- Die Grundwasserfließbewegung kann in unterschiedlichen Tiefen des Grundwasserleiters gemessen werden, dies liefert ein detailliertes Bild der räumlichen Fließverhältnisse im Grundwasserleiter.
Der Informationsgewinn ist unabhängig von/ergänzend zu Grundwasserstandsmessungen und Pumpversuchen.
Nachteile :
Fast alle direkt im Brunnenraum messenden Verfahren sind auf Einzelmessungen begrenzt. Sie liefern somit keine hinreichende Datenmenge für eine statistische Bewertung . Die Ergebnisse zeigen teilweise eine hohe Varianz und sind somit nicht immer belastbar.
Die Messresultate spiegeln die Fließsituation am unmittelbaren Standort des Brunnenpegels wieder und sind nur mit Kenntnis der lithologischen Verhältnisse auf das weitere Umfeld übertragbar.
Änderungen des Fließverhaltens infolge von hydraulischen Ereignissen können meist nicht "online" erfasst werden.
Es sind Voruntersuchungen erforderlich (Pegelzustand/Ausbau), um die erforderlichen Messbedingungen zu überprüfen. Verfah ren, die das Einbringen von künstlichen Tracern erfordern, sind auf Grund eines hohen Rüst- und Messzeitaufwands meist unwirtschaftlich und werden nur dann eingesetzt, wenn mit konventionellen Vorgehensweisen keine Ergebnisse erzielt werden können .
Auf Grund der mehrheitl ichen Nachteile gegenüber konventionel len Verfahren ist der Einsatz von Einbohrlochverfahren derzeit sehr beg renzt.
Die radiale Grundwasser- Durchfl ussgeschwind ig keit in Bru nnenpegeln liegt im Bereich zwischen 1 cm/s und 1 cm/Tag (fünf Größenord nungen) . Zu Messungen der überwiegend sehr geringen Fl ießbewegung ist die Zugabe von Strö- mungsmarkern erforderlich . Hierzu werden in den Bru nnenpegel oder den Brunnenringraum z. B. Elektrolyte, Farbstoffe oder Radioisotope eingebracht oder Marker künstlich erzeugt, z. B. Hitzepulse. Viele d irekte Verfahren können auf Grund unterschiedl icher Eigenschaften der eingesetzten Marker nur einen beg renzten Geschwindigkeitsbereich abbilden . Neuere Verfahren, wie das PH REALOG- Messverfahren, das "colloidal borescope" oder die "Dunkelfeld- Sonde" nutzen die im Grundwasser enthaltenen natürlichen Schwebstoffe als Marker. Da d iese suspendierend mit der Durchflussbeweg ung mitgeführt wer- den, bildet deren Drift die Fließbeweg ung ab. Schwebstoffe werden beleuchtet und dabei optisch per CCD- Kamera erfasst. Die Fließbeweg ung wird dann rechnergestützt per PIV ( Particle Image Velocimetry) über den Drift der Schwebstoffe berechnet. Die optische Messung der Fl ießbewegung mit Hilfe von natürlich vorhandenen Strömungsmarkern hat gegenü ber Verfah ren, welche künstliche Marker verwenden, entscheidende Vorteile : a) Permanent vorhandene Schwebstoffe ermög lichen eine kontinuierl iche, automatisierbare Fl ießmessung mit bel iebiger Messdauer. Dies ermöglicht ein zeitlich unbegrenztes und hoch aufgelöstes Monitoring von Fl ießbewe¬ gungen in Brunnen und die Dokumentation von Fließänderungen im Zeitverlauf. Mit Verfahren, die den Einsatz künstlicher Marker erfordern, ist ein automatisches Monitoring nicht bzw. nur mit hohem Aufwand und hohen Kosten möglich.
b) Da im Grundwasser immer Feinschwebstoffe enthalten sind, die advektiv mit der Strömung mitgeführt werden, ist keine künstliche Markierung erforderlich, daher
ist keine Einsatzgenehmigung nach WHG erforderlich,
werden Messfehlerquellen reduziert (da kein physiko-chemischer Eingriff erfolgt),
ist keine Vorort-Kalibration erforderlich,
ist der Einsatzaufwand gering .
c) Die einfache Handhabung und der geringe Einsatzaufwand reduzieren die Rüstzeit und ermöglichen einen wirtschaftlichen Einsatz.
d) Da keine sensorischen Elemente im Messmedium liegen, ist die Messtechnik in chemisch aggressiver Umgebung hochrobust.
e) Es wird eine hohe Datenmenge gewonnen, was die Evaluierung verbessert und somit die Stichhaltigkeit der Messergebnisse erhöht.
f) Es kann ein breites Geschwindigkeitsspektrum von 10E-2m/s bis 10E- 7m/s (1 cm/s bis 1 cm/Tag) abgebildet werden.
g) Nach Einbau der Messapparatur kann die hydraulische Stabilisierung dokumentiert werden.
PHREALOG entwickelte ab 1992 ein Messverfahren (GFV) zur optischen Messung der Grundwasser-Fließbewegung in Pegeln. Die Messtechnik wird von PHREALOG kommerziell seit 1999 eingesetzt (DE 42 30 919 AI und DE 199 45 852 AI).
Ein grundlegendes Unterscheidungsmerkmal gegenüber den bekannten, vergleichbaren optischen Verfahren (z. B. colloidal borescope, Dunkelfeld-Sonde) ist die Ausleuchtung des Messfelds per Laser.
US-A-4 206 999 beschreibt ein Verfahren, mit dem Fließbewegungen optisch anhand der Drift von mikroskopischen Partikeln per Photomultiplier erfasst werden. Hierbei wird die betrachtete Bildebene mittels eines seitlich auf die Bildebene auftreffenden Laserstrahls ausgeleuchtet. Der Laserstrahl wird dabei unterschied lich geformt. Zur Signalverarbeitung ist dem Photomultiplier ist ein Pulsweiten-Analysator nachgeschaltet. US-A-4 391 137 beschreibt ein Verfah ren, mit dem Fließbeweg ungen in Brunnen mittels künstlich erzeugter Temperaturanomal ien ermittelt werden können, wobei Fl ießrichtung als auch Geschwindig keit erfasst werden . Dazu wird eine Anord nung von Thermistoren in einer äquidistanten Entfernu ng zu einem Heizelement auf einer Kreisebene angeord net, wobei das Heizelement mittig in der Kreisebene positioniert ist. Thermistoren und Heizelement werden in einem formbaren , mit porösem Medium bzw. Schüttg ut, wie z. B. Sand oder Glasperlen, gefül lten Behälter eingebaut. Diese Anord nung wird in das Brunnenrohr eingefahren und in einer definierten Messtiefe fixiert. Das formbare Behältnis legt sich dabei an die Brunneninnenwand ung an, so dass der horizontale Grundwasserfl uss das poröse Medium durchströmt. Das poröse Med ium hat die Aufgabe, eine gleichförmige laminare Durchströmung in dem Messraum zu gewährleisten und thermische Konvektion zu unterd rücken . Nu n wird am Heizelement ein Wärmeimpuls gesetzt, der konform mit der Durchströmung in dem porösen Med ium zu den umliegenden Thermistoren transportiert wird . Aus der Zeitdauer zwischen Erzeugung des Hitzepulses und Ankunft an einem der Thermistoren wird das Maß der Durchfl ussgeschwind ig keit ermittelt, wobei die Richtung anhand der rad ialen Lage des Thermistors, an dem der Hitzepuls an¬ trifft, ermittelt wird . US-4 396 943 beschreibt ein Verfahren, mit dem Fließbeweg ungen in Rohren anhand der Drift von Partikeln mittels einer endoskopischen Vorrichtung erfasst werden .
In US-A-4 963 019 wird ein optisches Verfahren beschrieben, das im Wesent- liehen dem "colloidal borescope"-Verfahren entspricht, jedoch mit einem Photomultipl ier arbeitet. Hinweise auf die Verwendung von Kameras bzw. entsprechenden Optiken finden sich nicht. In US-A-5 265 477 werden die Strömungseigenschaften eines Fluids bestimmt, indem ein Elektrolyt-Impuls an einem hochlokal isierten Punkt innerhalb des Fluids eingeführt wird , ohne das Strömungsfeld des Fluids oder die Form des Impulses zu stören , und anschließend die Span nung oder die Leitfähigkeit um diesen Punkt herum abgebildet wird, um die Geschwind ig keit und die Richtung der Fl uidströmung zu bestimmen .
US-A-5 339 694 offenbart eine Sonde zur Bestimmung der physikal ischen Größen von Grundwasser. Die Sonde ist zyl inderförmig aufgebaut. Auf ihrer Mantelfläche sind gleichmäßig auf ihrem Umfang sowie parallel zum Verlauf ihrer Längsmittenachse Sensoren angeord net, welche die elektrischen Widerstandswerte von durch eine Tracerfl üssigkeit beeinflusstem, in unmittelbarer Nähe der Sonde befindl ichem Grundwasser messen . Hier wird als Tracerfl üssigkeit die Verwendung eines Salzwassers vorgeschlagen, das durch eine Membran in das Grundwasser diffundieren muss, welches die leitfähige Fl üs¬ sigkeit transportiert und ein für die Sensoren erfassbares leitfähiges Messfeld erzeugt. Erstreckung, Form und Beweg ungsgröße des Feldes werden du rch die Sensoren gemessen . Es ist mit diesem Gerät auch mögl ich, vertikale und horizontale Fließbeweg ungen zu messen und damit die Form des Feldes und die Fließgeschwind igkeit sowie -richtung des Grundwassers zu bestimmen . Die Sonde sowie das Verfahren zu ihrer Verwend ung weisen den Nachteil auf, dass sie in wasserführenden Bohrlöchern stationär, d . h . fest install iert werden müssen, weil sie nicht über Halte- bzw. Zentriermittel wie Packer verfügen . Der Messvorgang kann großflächig vorgenommen werden, jedoch ist die Messbar- keit der sich im Grundwasser bewegenden leitfähigen Fl üssig keit durch die Sensoren nur unzureichend gegeben . Die Vorrichtung gewährleistet nur Möglichkeiten zur Messung der elektrischen Leitfähig keit, jedoch keine Kombination mit anderen Messverfahren . US-A-5 796 679 beschreibt ein Verfahren , mit dem Fließbeweg ungen in Brunnen akustisch mittels modul ierbaren Tonfreq uenzen bei Nutzung des Doppier- Verfahrens ermittelt werden können . US- B-6 227 045 offenbart eine Sonde zum Überwachen der Geschwind ig keit und Richtung der Grundwasserströmungs-Sickerung, welche eine elektrische Heizvorrichtung und mehrere Temperatursensoren aufweist, die äquidistant von der Heizvorrichtung angeordnet sind . Die Sonde mit der Heizvorrichtung und den Temperatursensoren wird in einen Überwachungsschacht eingeführt und derart positioniert, dass sie in das Grundwasser eingetaucht ist. Der Heizvorrichtung wird Energ ie zugeführt, und die Temperatur- Reaktion an den Temperatursensoren wird gemessen und aufgezeichnet. Aus der gemessenen Temperatur- Reaktion werden die Grundwasser-Strömungsgeschwindigkeit und -richtung berechnet, und diese werden aufgezeichnet. Die Temperatursensoren können Widerstandstemperaturdetektoren, Thermoelemente oder andere Temperaturdetektionsvorrichtungen des Standes der Technik sein .
US- B-6 393 925 beschreibt ein Verfah ren, mit dem Fließbeweg ungen in Brun- nen mittels künstlich erzeugter Temperaturanomal ien ermittelt werden können, wobei Fl ießrichtung als auch -geschwindigkeit erfasst werden .
In DE- B- 101 49 024 ist ein Verfahren zur Bestimmung der physikal ischen Größen des in einem Bohrloch anstehenden Grundwassers d urch Einführen einer wässrigen, markierten Lösung mit vom Grundwasser abweichender Leitfähigkeit in einem vorbestimmten Raum und eine Sonde zur Du rchführung des Verfahrens beschrieben . Das Messprinzip beruht auf der Erzeugung und Beobachtung des Verhaltens von künstlich erzeugten Anomalien der Leitfähigkeit und der Temperatur. Während des Messvorgangs werden die zeitabhäng igen, richtungsspezifischen Veränderungen dieser beiden Parameter mit angepass- ten geoelektrischen Anord nungen und Temperatursensoren ermittelt. Durch die zeitl ich parallel ablaufenden Messungen wird eine Erhöhung der Genauigkeit erreicht und die Erweiterung des Einsatzbereiches ermögl icht. Das Einbohrlochsystem ermöglicht die Messung langsamer Grundwasserströmungsge- schwindigkeiten im Bereich ab größer 1 m/d . Dieses Ziel wurde mit der Entwicklung des Tracerringraumverfahrens erreicht. Damit werden Störu ngen des natürlichen Grundwasserströmungsfeldes vermieden und gleichzeitig eine rad i¬ al gleichmäßige Verteil ung des Tracers als Startzustand für die Messungen ge- währleistet. Die bei bekannten Messverfah ren infolge des Tracervorgangs auf¬ tretende Volumenzunahme und daraus resultierende horizontale und vertikale Geschwindigkeitskomponenten werden mit diesem Prinzip minimiert. Eine Beeinfl ussung der hyd raul ischen Bedingungen im U ntersuchungsbereich durch den Tracervorgang wird verhindert. Dies bildet die entscheidende Grund lage für die Messung langsamer Grundwasserbewegungen . Hinzu kommt, dass durch die konstruktive Gestaltung der Sonde und die angewendeten Messverfahren der Einsatz geringer Tracermengen ( < 2000 ml) ermög licht wird . Die DE-A-42 30 919 stel lt ein Einzel bohrlochverfahren und eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Ermittl ung der Grundwasserströmungsrichtung und -ge- schwindig keit vor. Das Verfahren eröffnet Mög lichkeiten, das nachteilige Messen der Strömungskennwerte über eine bestimmte Zeiteinheit durch ein Verfahren abzulösen . Das Herstel len einer radial ausgebildeten Tracerd iffusion sowie auch das Messen der Zeitspanne des Tracertransports zwischen seiner Eingabe und der Detektion wirken sich bei geringen Strömungsgeschwind ig¬ keiten nachteil ig auf die Messzeiten aus. Jedoch sind die Gegebenheiten des Messens der Strömungsgeschwindigkeit und -richtung des Grundwassers in Bohrlöchern weitestgehend auf die genaue Messung auch kleinster Strö- mungsgeschwindigkeiten angewiesen . Das bekannte Verfahren konzentriert sich deshal b auf die vorhandene Grundwasserströmung mit kleinsten Geschwindigkeiten und löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass im Messabschnitt eines Bohrlochs eine horizontale ausgerichtete Objektebene ausgeleuchtet und mittels einer Optik auf die Bildebene eines Videosensormod uls fokussiert und als reale Bildgröße prod uziert bewertbar gemacht wird . Die Lösung gemäß DE- A-42 30 919 benötigt zur Darstel lung der zu ermittel nden Werte des Grundwasserverhaltens einen Tracer in Form fl uoreszierender Partikel , die in der Flüssigkeit suspendiert, d ie Strömung und ihre Richtung sichtbar werden lassen . Die d urch den Strömu ngstransport bedingte Standortabweichung des Tra- cers wird als Wanderung virtuel ler Lichtquellen auf der Bildebene bzw. der Kamerasensorfläche fortlaufend registriert und per nachgeschalteter Bildverarbeitung direkt ausgewertet. Die Einrichtung weist allgemein eine zylindrische Form auf. An ihren oberen und u nteren Zyl inderenden sind Packer angeord net, die zwischen sich einen ringförmigen, d urch d ie Zyl indermantelfläche sowie d ie Bohrungswand beg renzten Hohlzyl inder ausbilden, in dem die Einrichtung zur visuellen und optischen Messung der Eigenschaften des Grundwassers erfolgt. Die Lösung verwendet in ihren technischen Konzeptionen des Verfahrens sowie des apparativen Aufbaus der Vorrichtung genau arbeitende Apparaturen, jedoch ist hier eine Bewertung von rechenbaren Informationen aus schnell verfügbaren Daten nicht zu erhalten .
In DE 199 45 852 AI weist eine Vorrichtung zur Messung von Strömungen in einem Bohrbrunnen obere und untere Abschlusselemente auf, die im Abstand voneinander angeordnet sind und zwischen denen ein Messabschnitt gebildet ist, der im wesentlichen frei d urchströmt werden kann, wobei die Abschl usselemente M ittel zum Abdichten des Bohrbrunnens aufweisen , so dass im Mess¬ abschnitt keine vertikalen Strömungen auftreten . Die Vorrichtung ist weiterhin versehen mit einer Lichtquel le zum Ausleuchten des Messbereichs und mit einem Bilderfassungselement, welches das Bild eines Messbereichs innerhalb des Messabschn itts erfasst. Zwischen dem Bilderfassungselement und dem zu beobachtenden Bereich ist mindestens eine rohrförmige optische Vorrichtung angeordnet, die mit ihrem freien Ende in den Messabschnitt bis unmittel bar vor den Messbereich hineinragt und die eine solche Gestalt und solche Abmessungen hat, dass d ie Strömung im wesentl ichen unbeeinflusst ist.
Bei dem oben bereits genannten Messverfahren unter Verwend ung der " Du nkelfeld-Sonde" wird die horizontale Fließrichtung des Grundwassers mittels Kamera nach dem Dun kelfeld prinzip oh ne Einbring ung künstlicher Tracer gemessen . Bei der Dunkelfeldtechnik wird das von einer Lichtq uelle in Richtung Kameraobjektiv gestrahlte Licht durch sog . Lichtfal len ausgeblendet, so dass im Idealfal l kein Licht ans Objektiv gelangt. An feinsten Partikel n im Grundwasser, deren Größe weit unter der optischen Auflösung der Kamera l iegt, wird das Licht gestreut und gebeugt und bildet somit die Positionen dieser Partikel im Kamerabild ab. Die Bilder werden bei tiefenstationärer Messsonde auf Video aufgezeichnet und die Richtung der Partikel beweg ung durch eine speziel le Software statistisch ausgewertet und sichtbar gemacht. Die "Dunkelfeldsonde" ist 1998 aus einer Entwicklung der Universität Leoben, Österreich; in Zusammenarbeit mit der ehem. Fa. GECO Umwelttechnik, jetzt FUGRO Austria GmbH (www.fugroaustria.at) hervor gegangen und wird kommerziell angeboten. Vom Verfahren her ähnelt es dem "colloidal borescope" bzw. besteht aus einer kon- ventionellen Brunneninspektionskamera mit anderer Optik und unterhalb der Sonde aufgesetzter Lichtquelle in Richtung zur Kamera.
Das ebenfalls oben bereits erwähnte Verfahren "colloidal borescope" wurde in den frühen 1990er Jahren an dem Oak Ridge National Laboratory (Kearl, P.M. et al. (1992): "Suggested Modifications to Groundwater Sampling procedures Based on Observations from the Colloidal Borescope"; Groundwater Monitoring & Remediation (GWMR), Spring 1992 National Ground Water Association , GROUND WATER MONITORING REVIEW; V12 N2; P155-161; Kearl, P.M. (1997): "Observation of particle movement in a monitoring well using the col- loidal borescope"- Journal of Hydrology 200 (1997) 323-344, Elsevier ) entwickelt. Das im Zusammenhang mit dem "Oak-Ridge"-System beschriebene Instrument weist eine starke Ähnlichkeit zu einer früheren Vorrichtung auf, die Gegenstand von US-A-4 963 019 war, wobei die Hauptunterschiede in dem Typ der Beleuchtung (Laser gegenüber Lampe) und der Bilderzeu- gungsvorrichtung ("Optiram" gegenüber CCD-Kamera für die Versionen von Foster und Fyda bzw. von Kearl) liegen. Das Tool besteht aus einer nach unten gerichteten Kamera mit einem Mikroskop-Objektiv, einer Lichtquelle, die auf die Kamera hin gerichtet ist, wobei sie einen "Hellfeld"-Effekt erzeugt, einem Magnetometer zum Detektieren der Tool-Ausrichtung, Haltekabeln, und/oder einem Betracher-/Aufzeichnungspaket am Kopf des Schachts. Sobald das Tool bis zu der Target-Tiefe hin abgesenkt worden ist, werden Video-Aufzeichnungen gemacht, und Partikel in der mikroskopischen Größenordnung, deren Größe im Bereich von 2-10 pm liegt, werden als dunkle Objekte detektiert; falls eine nahezu laminare Strömung detektiert wird (die Partikel bleiben während eines Großteils oder der Gesamtheit ihrer Durchquerung des Betrachtungsfelds innerhalb der recht dünnen Fokus-Ebene), können zahlreiche Partikel zu einer einzigen Ablesung beitragen. Dann wird Computer-Software verwendet, um die Partikel zu detektieren, sie zwischen aufeinanderfolgenden Einzelbildern anzupassen, und ihre Geschwindigkeit und Richtung zu berechnen (Kearl und Roemer 1998). Dieses Magnetometer-Ausgangssignal wird an jeder Messtie¬ fenposition aufgezeichnet, um Azimuth-Schätzwerte zu korrigieren, da ein Verdrehen des Tools unvermeidbar ist, wenn flexible Kabel zur Aufhängung des Instruments verwendet werden.
Ferner ist es bekannt, mit Hilfe eines sogenannten "scanning colloidal bores- cope flowmeter" (SCBFM) zu arbeiten, welches entwickelt wurde, um horizontale Grundwasserströmungsrichtungen und -geschwindigkeiten zu evaluieren. Bei dem SCBFM werden eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD), ein Magnetometer, eine Lichtquelle und ein ferngesteuerter Linsenmechanismus mit variablem Brennpunkt verwendet, um in der mikroskopischen Größenordnung vorliegende Partikel optisch zu verfolgen. Natürlich auftretende Kolloide bewe¬ gen sich advektiv mit der nativen Grundwasserströmung. Durch Aufzeichnen der Ausgangssignale der CCD-Vorrichtung und durch Verwendung hochentwickelter Partikelverfolgungs-Computersoftware können die Kompassrichtung und die advektive Geschwindigkeit einer horizontalen Grundwasserströmung in einem Grundwasseraufschluss (Brunnenpegel, Bohrung) ausgewertet werden. Das Abtast- Feature ermöglicht die Auswertung eines etwa 50 cm hohen Inter- valls im Messvolumen. Das Abtast- Feature ermöglicht eine dreidimensionale Auswertung der Strömung, so dass wirbelnde, nichtrepräsentative Strömungs¬ zellen identifiziert und "schnelle Fließpfade" detektiert und charakterisiert werden können. Der Strömungsmesser mit Abtast-Kolloidal-Boroskop (Scanning Colloidal Borescope Flow Meter SCBFM) des Lawrence Livermore National La- boratory (LLNL) fügt dem Grundkonzept der "Kolloidal-Boroskop"-Instrumente von Kearl und Foster und von Fyda ein weiteres Merkmal hinzu: die Brennebe¬ ne ist über eine Distanz von fast 1/2 m hinweg kontinuierlich einstellbar, so dass, nachdem das Tool in einer Target-Tiefe platziert worden ist, in dem Höhenintervall des Messabschnitts ein Bereich der Bild-"Ebenen" optisch durchfahren und visualisiert werden kann, ohne dass das Tool bewegt wird. Es wird angenommen, dass dies eine höhere Flexibilität beim Lokalisieren bevorzugter Durchflussbewegungen und Partikel führender Bereiche für das Daten- sammeln ermöglicht, ohne dass Turbulenzen verursacht werden, wenn das Tool neupositioniert wird. Da das SCBFM den Partikel-Transport im das Bohrloch direkt visualisiert, erfolgt das Schätzen der Geschwindigkeiten lediglich unter Verwendung einfacher Kalibrierungen des Kameraobjektivs. Das Tool unterliegt jedoch den gleichen Beeinflussungen wie andere im Bohrloch plat- zierter Vorrichtungen dahingehend, dass das Vorhandensein des Sandpacks und Sieben unvermeidlicherweise die Strömungslinien nahe dem Schacht verändern. Kearl (1997) stellte fest, dass mit dem Colloidal-Boroskop- gemessenen Fließgeschwindigkeiten um einen Faktor von eins bis vier reduziert werden sollten, um aus den Messergebnissen die Fluidgeschwindigkeiten im umgebenden Grundwasserleiter abzuleiten , und dass die beobachteten Geschwindigkeiten eine Obergrenze für echte Aquifer-Strömungsraten repräsentieren (siehe auch Scott,! et al. (2006): "Simulations to Verify Horizontal Flow Measurements from a Borehole Flowmeter" GROUND WATER Vol. 44, No. 3; May-June 2006; pages 394-405).
Schließlich ist auch die Verwendung eines "In Situ Permeable Flow Sensors" (ISPFS) zur direkten Messung der Richtung und Geschwindigkeit von Grundwasser an im Wesentlichen einem einzelnen Punkt in einem nicht konsolidierten, gesättigten Bodensediment bekannt (siehe auch Ballard, S. (1996): "The in situ permeable Flow velocity meter", GROND WATER Vol. 34, No.2; pages 231-240). Nachdem der ISPFS (In-Situ Permeable Flow Sensor) permanent im Boden installiert ist, werden die 30 kalibrierten Temperatursensoren an seiner Oberfläche aktiviert, wobei ein zeitlich und räumlich gleichförmiger Wärmefluss um die Sonde herum hergestellt wird. Eine sich an dem ISPFS-Sensor vorbei- bewegende Grundwasserströmung wird durch eine Veränderung der Temperaturverteilung um die Oberfläche des Tools herum angezeigt, da ein Anteil der von der Sonde ausgehenden Wärme durch das an dem ISPFS-Sensor vorbeiströmende Grundwasser um das Tool herumbewegt wird. Die stromabwärts gewandte Seite der Sonde wird im Vergleich zu der angeströmten Seite relativ warm. Die Richtung und die Größe der Strömung werden aus der gemessenen Temperaturverteilung an der Oberfläche der Sonde berechnet. Der ISPFS- Sensor liefert eindeutige Information, insbesondere eine Punktschätzung der Richtung und Geschwindigkeit der Grundwasserströmung in einem Maßstab von ungefähr einem Kubikmeter. U nter der Voraussetzung einer in Richtung und Geschwindigkeit gleichförmigen Fließbeweg ung können mit den ISPFS- Sensoren präzise Messung von Grundwasser- Fl ießgeschwindigkeiten im Bereich von lxlOE-5m/s bis 5xlOE-8m/s verwendet werden . Der ISPFS-Sensor lieferte eindeutige Information (Punktschätzungen der Grundwasserströ¬ mungsvektoren) an den oben genannten Demonstrationsstellen sowoh l unter natürl ichen als auch unter gestörten (d . h . den während der Sanierung herrschenden) Bedingungen . Eine Messung der Grundwasserströmung im kleinen Maßstab kann kritisch für das Optimieren des Sanierungs- Desig ns oder das Entwickeln eines stel lenbezogenen konzeptuellen Model ls sein . ISPFS- Sensoren liefern über eine längere Zeitperiode hinweg Information bei extrem niedrigem Kostenaufwand . Nachdem die Sensoren install iert worden sind, wird die Datenerhebung über ein automatisches System vorgenommen . Da insbesondere bei geringen Fl ießgeschwindigkeiten die Grundwasser- Fließbewegung aufgrund hydraulischer Druckschwankungen im Zeitverlauf variabel in Richtung und Geschwind ig keit ist, erfolgt bei geringen Fließbewegu ngen eine diffuse/disperse Verteil ung der Temperaturmarkierung, so dass dann eine akkurate Auswertu ng nicht gegeben ist.
Aufg rund eines permanenten Einbaus der Sonde in einer Bohru ng ist nach Ab- schl uss der U ntersuchu ng eine Berg ung der Sonde mit hohem Aufwand verbunden . Daher wird auch ein Verlust der Sonden insofern in Kauf genommen, als diese im Erd reich verbleiben, was ökolog isch jedoch nicht vertretbar ist.
Wie sich aus dem Vorstehenden erg ibt, sind also in der Vergangenheit eine Vielzahl von unterschiedl ichen Verfahren und Vorrichtungen entwickelt worden, die die strömungstechnischen Parameter von Grundwasserfließbeweg ungen durch Zuführen von Markierungen in Form von z. B. Elektrolyten, Farbstoffen und Temperaturanomal ltäten über geeig nete Detektoren die Verlagerung der Marker mit der Grundwasserd urchströmung erfassen . Desweiteren sind auch optische Verfahren eingesetzt worden, welche bereits im Grundwasser enthaltene und suspendierte, mitgeführte Stoffe als Marker nutzen . Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur verbesserten optischen Erfassung von Fließbewegungen in flüssigen und/oder gasförmigen Medien, insbesondere im Grundwasser, bereitzustellen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zur optischen Erfassung von Fließbewegungen in flüssigen und/oder gasförmigen Medien vorgeschlagen, wobei bei dem Verfahren
in dem Medium ein Messvolumen sowie innerhalb des Messvolumens min- destens eine Messebene definiert werden und
in Erstreckung der Messebene sich bewegende Partikel optisch erfasst werden, indem
die Messebene in mindestens einem Erfassungsbereich von der einen Seite der Messebene, das heißt von einer Beleuchtungsseite aus mit- tels eines Lichtstrahlbündels aus parallelen Lichtstrahlen einer Beleuchtungseinheit belichtet und durchleuchtet wird,
durch Partikel, die sich innerhalb des Erfassungsbereiches der Messebene befinden, Streulicht erzeugt wird,
als Vorlichtstreuung zu einer der Beleuchtungsseite gegenüberliegen- den Vorlichtstreuungsseite abstrahlendes Streulicht oder zumindest ein Teil davon und ein Durchlichtanteil des Lichtstrahlbündels der Beleuchtungseinheit, der den Erfassungsbereich der Messebene, ohne gestreut zu werden, passiert, durch mindestens ein optisches Element zu einer Bildaufnahmeebene einer Kamera geleitet werden, - von der Kamera eine Sequenz von Bildern des Erfassungsbereiches aufgenommen wird und
anhand der Bildsequenz bezüglich mindestens eines Partikels durch rechnergestütze Bildauswertung ein Bewegungsvektor ermittelt wird, wobei der Durchlichtanteil des Lichtstrahlbündels der Beleuchtungseinheit vor Erreichen der Bildaufnahmeebene der Kamera herausgefiltert wird.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäße ferner gelöst mit einer Vorrichtung zur optischen Erfassung von Fließbewegungen in flüssigen und/oder gasförmigen Medien, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einer der zuvor genannten Ausprägungen, wobei die Vorrichtung versehen ist mit
einer eine Messebene aufweisenden beziehungsweise definierenden Messzelle zur Positionierung in dem zu untersuchenden Medium, wobei die Messebene mindestens einen Erfassungsbereich aufweist, innerhalb dessen im Medium befindliche Partikel optisch erfassbar sind,
einer Beleuchtungseinheit zur Belichtung des Erfassungsbereiches mit einem im Wesentlichen parallelen Lichtstrahlbündel,
einer Kamera zur Erfassung von mindestens einem Teil einer bei Belichtung von im Erfassungsbereich befindlichen Partikel entstehender Vor- lichtstreuung als Streulicht,
wobei die Beleuchtungseinheit und die Kamera zu entgegengesetzten Seiten der Messebene, nämlich auf einer Beleuchtungseite und einer Vor- lichtstreuungsseite angeordnet sind,
einem optischen Pfad zwischen dem Erfassungsbereich, also der Objektebene und der Kamera, also der Bildebene, zum Leiten zumindest eines Teils der Vorlichtstreuung zu der Kamera,
wobei der optische Pfad ein Unterdrückungselement zur Unterdrückung der Weiterleitung eines den Erfassungsbereich der Messebene ohne Streuung passierenden Durchlichtanteils des Lichtstrahlbündels der Beleuchtungseinheit aufweist.
Nach der Erfindung wird innerhalb eines Messvolumens, das in dem zu vermessenen Medium platziert wird, mindestens eine Messebene definiert, in der sich bewegende Partikel befinden, die optisch erfasst werden. Hierzu weist die Messebene mindestens einen Erfassungsbereich auf, der von der einen Seite der Messebene aus (Beleuchtungsseite) mittels eines Lichtstrahlbündels beleuchtet wird, wobei das Lichtstrahlbündel vorzugsweise parallele Lichtstrahlen aufweist. Durch diese Belichtung entsteht infolge der Lichtstreuung an beleuchteten Partikeln Streulicht, das unter anderem auch zur der Beleuchtungsseite gegenüberliegenden Seite der Messebene (Streulichtseite) gelangt, und zwar als Vorlichtstreuung . Es hat sich gezeigt, dass die Ausnutzung der Vor- lichtstreuung aufg rund deren Intensität besonders geeignet ist, Partikel optisch zu detektieren bzw. zu lokalisieren . Vorlichtstreuungseffekte kann man beispielsweise mit dem bloßen Auge wahrnehmen, indem im (Sonnen-)Gegenlicht oder schräg dazu in der Luft schwebende Partikel sichtbar werden .
Das als Vorlichtstreuung zur Vorlichtstreuungsseite abstrahlende Streulicht (oder zumindest ein Teil davon) sowie derjenige Durchlichtanteil des Belich- tungs- Lichtstrahl bündels, der den Erfassungsbereich der Messebene, oh ne ge¬ streut zu werden, passiert, werden erfind ungsgemäß d urch mindestens ein optisches Element (d . h . längs eines optischen Pfades) zu einer Bildaufnahme¬ ebene ( = Bildebene des optisch abbildenden Systems) einer Kamera geleitet. Die Kamera nimmt eine Sequenz von Bildern des Erfassungsbereichs, der der Objektebene des Systems entspricht, auf. Anhand dieser Bildseq uenz kann dann d urch Bildauswerteverfahren ein Bewegungsvektor eines sich längs der Messebene bewegenden Partikels ermittelt werden . Erfind ungsgemäß ist bei der Aufnahme der Bilder durch die Kamera vorgesehen, den Durchlichtanteil des Lichtstrahl bündels der Beleuchtungseinheit vor Erreichen der Bildaufnahmeebene der Kamera herauszufiltern . Damit nimmt also die Kamera aus¬ schließlich noch die Vorlichtstreuung auf.
Unter " Herausfiltern" im Sinne der Erfind ung ist insbesondere ein Abschotten, anderweitiges Blockieren, Absorbieren und/oder Herausleiten des Durchlicht- anteils gemeint. Mit der Erfind ung ist es mögl ich, Gru ndwasser- Fließgeschwindigkeiten in einem sehr breiten Geschwindigkeitsbereich von 10"8 m/s bis 10"3 m/s, was dem Bereich von 8 mm/Tag bis 8 m/Tag entspricht, zu erfassen , wobei neben der Geschwindigkeit sel bstverständl ich auch d ie Fließrichtung erfasst wird . Erfind ungsgemäß können mehrere Messebenen bzw. Messebenen mit meh reren Erfassungsbereichen vorgesehen sein . Die Messebenen liegen dann übereinander. Die Erfindung eig net sich insbesondere für Einlochbohr- Messungen, wobei die Messsonde, also die Vorrichtung , in ein vorhandenes Bohrloch (Brunnenpegel) eingebracht wird. Oberhalb und unterhalb des eigentlichen Messbereichs befinden sich üblicherweise sogenannte Packer bzw. Abschottelemente, die verhindern, dass der Messbereich zwischen den Packern bzw. Abschottelementen durch winklig zur Messebene verlaufende Strömungen be- einträchtigt wird. Auf diese Weise misst man also im Wesentlichen horizontale Strömungen, und zwar ungestört. Die beiden Abschottelemente sind mechanisch über möglichst dünne, den Durchfluss nur unwesentlich beeinträchtigende Verstrebungen verbunden. Das Beleuchtungslicht und das Licht der Vor- lichtstreuung sollten möglichst nahe zur Messebene bzw. zum Messbereich der Messebene innerhalb des Messvolumens eingebracht bzw. aufgenommen werden. Dies gelingt zweckmäßigerweise unter möglichst geringer Beeinflussung der Strömung dadurch, dass von den Abschottelementen aus möglichst dünn ausgeführte Lichtleit-Elemente zum Leiten des Beleuchtungslichts zum Erfassungsbereich und zum Erfassen des Lichts der Vorstreuung aus dem Erfas- sungsbereich bzw. des Abbildes der Objektebene abstehen. Sind pro Messsonde bzw. Vorrichtung mehrere Messebenen bzw. Messebenen mit mehreren Erfassungsbereichen vorgesehen, so existieren dementsprechend auch mehrere Paare von aufeinander zu laufenden Lichtleitelementen der vorstehend beschriebenen Art und den entsprechenden Eigenschaften.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann also vorgesehen sein, innerhalb des Messvolumens mehrere Messebenen mit jeweils mindestens einem Erfassungsbereich oder innerhalb einer Messebene oder mindestens einer der Messebenen mehrere Erfassungsbereiche zu definieren, wobei jeder Erfassungsbereich belichtet und durchleuchtet wird und wobei die pro Erfassungsbereich erzeugte Vorlichtstreuung durch eine Sequenz von Bildern aufgenommen und durch pro Bildsequenz erfolgende Bildauswertung für jeweils mindestens einen Partikel ein Bewegungsvektor ermittelt wird . Wie bereits oben angedeutet, kann das Herausfiltern des Durchlichtanteils des Lichtstrahlbündels der Beleuchtungseinheit durch Reflektion und/oder Absorption und/oder Auskopplung erfolgen. Für die Absorption eignet sich insbesondere ein optisches Lichtunterdrückungselement wie z. B. ein Bauteil mit schwarzer Fläche, auf die der Durchl ichtanteil des Lichtstrahl bündels der Be¬ leuchtungseinheit auftrifft, oder ein Licht absorbierender Hohlkörper, in den der Durchlichtanteil des Lichtstrahlbündels der Beleuchtungseinheit eintritt (ohne aus dem Hohlkörper wieder heraustreten zu können) . Durch ein lichtlei- tendes Element (Lichtleiter) kann der Durchl ichtanteil aus dem optischen Pfad "herausgeleitet" werden .
Als Partikel , die es zur Ermittlung der Strömungsrichtung und -geschwindig keit optisch zu erfassen gilt, eig nen sich einerseits inhärent in dem Medium vor- handene Partikel oder aber auch künstlich erzeugte oder eingegebene Mess¬ partikel (Tracer), die zum Zwecke der Vermessung der strömungstechnischen Eigenschaften des Med iums in d ieses eingebracht worden sind . Hier können beispielsweise spezielle Dosiervorrichtungen verwendet werden, mit denen die Partikel in den Brunnenpegel nahe dem Messvolu men bzw. in das Messvolu- men eingebracht werden kön nen . Beispiele für derartige Dosiervorrichtungen sind in DE-A- 199 52 541 , DE-A- 199 52 542 und DE-C-44 43 307 beschrieben .
In weiterer vorteil hafter Ausgestaltung der erfindu ngsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Beleuchtungseinheit eine Lichtaustrittsfläche und der optische Pfad eine Lichteintrittsfläche aufweist und dass sich beide Flächen gegenüberliegen sowie zwischen beiden Flächen der Erfassungsbereich der Messebene angeord net ist.
Um zu verhindern, dass sich im Laufe der Zeit auf der Lichtaustrittsfläche der Beleuchtungseinheit (oder, je nach Anord nung, auf der Lichteintrittsfläche des zur Kamera führenden optischen Pfads für die erfasste Vorlichtstreuung ) Partikel gravitativ absetzen, kann es zweckmäßig sein, die betreffende Lichtaus¬ tritts- bzw. Lichteintrittsfläche geneigt zur Messebene auszurichten, wobei dann die jeweils andere Fläche, d . h . die Lichteintritts- oder d ie Lichtaustritts- fläche, vorzugsweise parallel zur Messebene verlaufen kann .
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfind ung kann bei einer Ausgestaltung des Verfahrens bzw. der Vorrichtung mit mehreren Erfassungsberei- chen innerhalb einer gemeinsamen Messebene oder innerhalb unterschiedlichen Messebenen vorgesehen sein,
dass die Messebene mehrere Erfassungsbereiche aufweist,
dass die Beleuchtungseinheit eine Belichtungsquelle und eine der Anzahl 5 der Erfassungsbereiche gleichende Anzahl an Lichtaustrittsflächen aufweist,
dass eine der Anzahl der Erfassungsbereiche gleichende Anzahl an optischen Pfaden mit Eintrittsflächen vorgesehen ist und
dass zwischen der Belichtungsquelle und den Lichtaustrittsflächen einerl ei seits und zwischen den optischen Pfaden und der Kamera andererseits jeweils eine Lichtumlenkeinheit zum Umlenken des Lichts der Belichtungsquelle zum sequentiellen, insbesondere zyklisch sich wiederholenden Austritt aus den Lichtaustrittflächen und zum sequentiellen, insbesondere zyklisch sich wiederholenden Umlenken des Lichts von den opti- 15 sehen Pfaden zur Kamera angeordnet ist, wobei die beiden Lichtumlenkeinheiten synchronisiert sind.
Diese Anordnung hat den Vorteil, dass mehrere Erfassungsbereiche sequentiell bzw. zyklisch mit Beleuchtungslicht beaufschlagt werden können, wobei nur
20 eine einzige Lichtquelle verwendet wird; ebenso können mit lediglich einer einzigen Kamera sequentiell von den einzelnen beleuchteten Erfassungsbereichen dann, wenn diese beleuchtet werden, die Vorlichtstreuungsanteile optisch er- fasst und aufgenommen werden. Die jeweiligen Lichtumlenkeinheiten umfassen dabei vorzugsweise optische Prismen o.dgl. Die einzelnen Erfassungsbe-
25 reiche sind zweckmäßigerweise entlang einer gedachten Kreislinie angeordnet.
Hierbei können dann Drehantriebe auf der Lichterzeugungsseite sowie auf der Vorlichtstreuungslichtaufnahmeseite angeordnet werden, die synchronisiert sind bzw. auf beiden Seiten können sich drehende Elemente mit Hilfe eines zentralen, einzigen Antriebs gedreht werden.
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Die Erfassungsbereiche sind idealerweise kreisförmig auf Messebenen angeordnet, wobei der optische Strahlengang von Lichtstrahlbündel und bildgebendem Streulichtanteil mit Hilfe synchronisierter und mit Umlenkprismen ausge- statteter Drehteller durch Rotation dieser gekoppelten Drehteller auf den jeweiligen Erfassungsbereich ausgerichtet werden kann, so dass nur eine Lichtquelle und Beleuchtungseinheit und nur eine Kamera zur Vermessung der Strömung in mehreren Erfassungsbereiche erforderlich sind.
Die optischen Elemente sowie die elektronische Steuerung (zumindest teilweise) können vorteilhaft in den bereits oben genannten Packern oder Abschottelementen untergebracht sein. Es ist zweckmäßig, die erfindungsgemäßen bildaufnehmenden Vermessungen der Durchflussbewegungen in insbesondere Brunnenpegeln in unterschiedlichen Tiefenpositionen des Brunnenpegels durchzuführen, und zwar einerseits, um die gewonnenen Ergebnisse vergleichen und statistisch auswerten zu können, und andererseits, um einen umfassenden Eindruck für die Interpretation der Ergebnisse zu erhalten. Insoweit umfasst die Erfindung also auch eine Mul- ti-Level-Ausführung des Verfahrens und der Vorrichtung, um zeitgleich Messungen in mehreren Tiefen eines Brunnenpegels durchführen zu können. Hierbei werden dann vorzugsweise mehrere Messsonden bzw. Messmodule übereinander (und gegebenenfalls mechanisch miteinander gekoppelt) innerhalb ei- nes Brunnenpegels eingesetzt. Diese Ausgestaltung der Erfindung hat zunächst den Vorteil, dass ein Messeinsatz erheblich wirtschaftlicher als bisher durchgeführt werden kann, da Einsatz- und Rüstzeiten eingespart werden können (das Umsetzen einer einzelnen Messsonde bzw. eines einzelnen Messmoduls in verschiedene Messtiefen entfällt und eine hydraulische Stabilisierung nach Einfahren und Fixieren der Messsonde im Brunnenpegel fällt nur einmal an). Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass ein Mehrgewinn an Daten zur Stützung der Ergebnisse und zur Stützung der statistischen Auswertung und der Interpretation der Messdaten zu verzeichnen ist.
Infolge von Bohrung und Brunnenausbau sind die hydraulischen Randbedingungen am und im Brunnenpegel gestört/verändert und die Stromlinien werden beim Durchfluss verzerrt. Im Anstrom zum Brunnen hin erfolgt eine Stromlinienscharung, im Abstrom eine korrespondierende Auffächerung . Die Geschwindigkeit im Brunnen ist in der Regel höher als in der Umgebung, der Durchfluss allgemein laminar.
In kreisförmigen Brunnenquerschnitten bildet sich idealerweise eine axialsym- metrische Durchflussgeometrie aus, wobei die median durchlaufende Fließbahn die im umgebenden Sediment vorherrschende Fließrichtung am besten widerspiegelt.
Die maßgeblich interessierende Fließgeschwindigkeit im umgebenden Sediment kann über die Kenntnis der Fließbahnverzerrung und der üblicherweise vorliegenden Pegel-Ausbaudaten (z.B. Bohrdurchmesser, Filterrohr-Durchlässigkeit) möglichst realitätsnah ermittelt werden. In der Praxis wird diese Verzerrung mit Hilfe von bekannten Formelwerken lediglich aus den Pegel- Ausbaudaten ermittelt (der sogenannte Alpha-Faktor - siehe z.B Moser, H. & Rauert,W. (1980): Isotopenmethoden in der Hydrologie.- in: Matthess, G. (Hrsg.): Lehrbuch der Hydrogeologie, Band 8, Berlin) . Die Anwendung dieser Formeln trägt jedoch nicht allen in der Praxis auftretenden Einflussfaktoren hinreichend Rechnung. Dies führt zu einer hohen Varianz der berechneten Fließgeschwindigkeit im Sediment - ein Grund für die untergeordnete Anwendung von Einbohrloch-Methoden.
Die Kenntnis der sich quer zur Brunnenachse ausbildenden Stromlinienverzerrung/des Fließbahnverlaufs im Brunnenpegel ist von entscheidender Bedeu¬ tung, um die interessierende Fließgeschwindigkeit im umgebenden Sediment so realitätsnah wie möglich ableiten zu können.
Bei allen Fließmessverfahren in Brunnenpegeln wird üblicherweise ein Bohroder Rohrabschnitt hydraulisch nach oben und unten isoliert, so dass ein zylinderförmiger Messraum gebildet wird. Bei allen bekannten bildaufnehmenden Verfahren erfolgt die optische Erfassung der Feinschwebstoffe an einem Punkt: in der axialen Mitte des durchströmbaren Messraums einer Messsonde bzw. axial in Brunnenpegeln. Um Feinschwebstoffe bzw. mikroskopische Partikel optisch vereinzelt zu erfassen ist eine hohe optische Auflösung erforderlich. Auf Grund des erforderlichen Abbildungsmaßstabs ist bei der Verwendung von bekannten, marktverfügbaren Bildaufnahmesensoren (optischen CCD- oder CMOS-Sensoren) die Größe des betrachteten Bildfeldes dergestalt begrenzt, dass lediglich ein nur sehr begrenzter Ausschnitt aus dem Durchflussfeld erfasst werden kann, über den nicht auf das Maß und die Symmetrie der Stromlinienverzerrung über den gesamten Brunnenquerschnitt zurückgeschlossen werden kann. Es wurde folgende Lösung erdacht, um auf das Maß und die Symmetrie des radialen Stromlinienfeldes über den Brunnenquerschnitt rückschließen zu können : Es werden mehrere, über den Querschnitt des Messraums verteilte Aufnahmepunkte eingerichtet, die idealerweise auf ein und derselben Höhe positioniert und auf einer gemeinsamen Kreisbahn innerhalb des Messraums ange- ordnet sind .
Um die Durchflusssituation quer zur Brunnenachse im Messraum repräsentativ abbilden zu können, welche näherungsweise der Durchflusssituation im Brunnen ohne eingebaute Messapparatur entspricht, ist eine Mindesthöhe des Messraums bzw. eines isolierten Brunnenpegelabschnitts erforderlich. Diese Höhe ist abhängig beispielsweise von dem Kaliber des Brunnenrohres und der Größe und Anordnung der Filteröffnungen im Brunnenrohr. Die erwünschte Durchflusssituation bildet sich dann naturgemäß vorzugsweise in der vertikalen Mitte des Messraums ab. Die Bildaufnahmepositionen müssen daher idealer- weise in der vertikalen Mitte des Messraums positioniert werden und liegen damit in einer vorgegebenen Distanz zum oberen und unteren Abschlusselement des Messraums.
Um aus diesen Bildaufnahmepositionen auch bei einer hohen Trübe des strö- menden Mediums ein hinreichend verwertbares Abbild mit optisch vereinzelbaren Partikelpositionen sowie eine hinreichende Ausleuchtung der Betrachtungsebene zu realisieren, ist es erforderlich, die Distanz zwischen dem Betrachtungsfeld und den Fenstern, über die einerseits Licht in das strömende Medium eingebracht und über die andererseits das von den transportierten Partikeln rückgestreute Licht eingekoppelt wird, kurz zu halten. Die Strecke der optischen Übertragung durch trübes, strömendes Medium ist dann reduziert. So ist gewährleistet, dass aus dem Betrachtungsfeld rückgestreutes Licht einzelner Partikel als Lichtpunkte abbildbar ist. Gleichzeitig darf die Fließsituation hier nicht durch die Nähe optischer Elemente entscheidend beeinträchtigt werden.
Wie oben diesbezüglich bereits angemerkt, ist es insoweit zweckmäßig, wenn die Fensteröffnungen distal an den Enden von optischen Bauelementen liegen, die beispielsweise in Form von optischen Rohren in den Messraum hineinragen und deren Enden so ausgeführt sind, dass sie konisch zur Fensterfläche hin zulaufen, wobei die Größe der Fensterfläche näherungsweise mit der Betrachtungsfläche korrespondiert.
Um eine optisch einwandfreie Transmission für Ausleuchtung und Bilderfassung über liegende Fensterflächen zu gewährleisten, sind diese Fensterflächen gegenüber der horizontalen Ebene geneigt, damit das bei stationärer Messposition sich absetzende/sedimentierende Material entlang der geneigten Fensterfläche abgeführt wird .
Fließmodellierungsergebnisse zeigt, dass Bauformen, welche lediglich nur von einem Abschlusselement aus in den Messraum hineinragen, die Durchflussgeometrie im Messraum dergestalt beeinflussen, dass Fließbahnen vertikal aus- gelenkt werden und die Bauformen vorzugsweise über- bzw. unterströmt werden. Die Auslenkung der Fließbahnen führt zu einem vertikalen Drift der Schwebstoffe durch die Betrachtungsflächen und insgesamt zu einer asymmetrischen, komplexeren Durchflussgeometrie im Messraum. Diese Form der Anordnung wirkt sich nachteilig auf die Messwertaufnahme sowie die Rekon- struktion der Durchflussgeometrie aus.
Es stellt sich die Anforderung, Bauelemente im Messraum dergestalt anzuordnen, dass einerseits keine vertikale Auslenkung von Fließbahnen im Messraum erfolgt und andererseits den durch die Bauelemente gegebenen Fließwiderstand im Messraum so zu verteilen, dass unabhängig von der Richtung des Anstroms in den Messraum immer ein horizontales, annähernd identisches Durchflussverhalten von der Anordnung vorgegeben wird, um die Ausbildung einer rekonstruierbaren Durchflussgeometrie zu ermöglichen.
1. Der Anforderung wird mit der Erfindung dadurch entsprochen, dass Bauelemente, welche von einem Abschlusselement in den Messraum hineinragen, durch in Form und Länge näherungsweise identische Bauelemente ergänzt werden, die von dem gegenüberliegenden Abschlusselement spiegelsymmetrisch gegenüberliegend in den Messraum hineinragen. Simulationsergebnisse zeigen, dass diese Anordnung den Durchfluss in der Messzelle gegenüber der vorigen Anordnung deutlich geringer beeinflusst. Vertikale Auslenkung von Fließbahnen treten nur untergeordnet auf, es bildet sich eine gleichförmigere Durchflussgeometrie in der Messzelle aus. Wichtig ist, dass der Fließwiderstand im Vertikalprofil des Messraums gleich verteilt ist.
2. Der Anforderung wird mit der Erfindung ferner dadurch entsprochen, dass die Anzahl der auf Kreisbahnen angeordneten, in den Messraum hineinragenden Bauelemente ungerade ist, um eine Anzahl an Positionen, die eine Vorzugsfließrichtung infolge der Abschattung durch parallel zur An- strömung ausgerichtete Bauteile vorgeben, zu reduzieren.
Die einzelnen erfindungsgemäßen Aspekte mit den zugehörigen zu erfüllenden Anforderungen lassen sich wie folgt zusammenfassen :
Erster Aspekt Anforderung : Um aus der Durchflussgeschwindigkeit im Brunnen die Fließgeschwindigkeit im umgebenden Sediment so realitätsnah wie möglich ableiten zu können, ist die Kenntnis der horizontalen Durchflussgeometrie bzw. Ver- zerrung der Fl ießbahnen erforderlich . Dazu muss die Form der Durchfl ussgeometrie erkennbar gemacht werden .
Lösung : Um das Maß und die Symmetrie der Fließbahnverzerrung ableiten zu kön nen, erfolgt die Bildaufnahme bzw. die optische Erfassung der Fl ießbewe¬ gung an mehreren, über den horizontalen Querschnitt des Messraums verteilten Positionen, wobei d iese Positionen idealerweise in korrespond ierenden Abständen zueinander und auf Kreisbahnen angeordnet sind sowie vorzugsweise in der vertikalen Mitte des Messraums liegen . Durch die Kombination der an diskreten Positionen im Messraum ermittelten Fließrichtungen und -geschwin- dig keiten kann die Durchfl ussgeometrie dann model lhaft rekonstruiert werden .
Zweiter Aspekt Anforderung : Bauelemente, welche nur von einem Abschlusselement aus in den Messraum hineinragen, bedingen einen asymmetrischen Fl ießwiderstand im Messraum, der zu einer vertikalen Auslenkung der Fl ießbahnen führt und zu unterschiedl ichen Fl ießgeschwindigkeiten im Vertikalprofil des Messraums. Die Durchfl usssituation im Messraum wird damit komplexer und die Ausbildung einer repräsentativen Stromlinienverzerrung auf der horizontalen Ebene beeinträchtigt. Es stellt sich die Aufgabe, Bauelemente im Messraum so anzuord¬ nen, dass
1 ) mögl ichst keine vertikale Auslenkung von Fl ießbahnen im Messraum erfolgt und
2) den durch die Bauelemente gegebenen Fl ießwiderstand im Messraum so zu verteilen, dass unabhäng ig von der Richtung des rad ialen Anstroms in den Messraum ein annähernd gleicher Fließwiderstand gegeben ist, um den Einfl uss auf die Ausbild ung der Durchfl ussgeometrie d urch Bauele¬ mente gering und g leich zu halten .
Lösung : Die Anforderung wird dad urch gelöst, dass Bauelemente, welche von einem Abschl usselement in den Messraum hineinragen, durch in Form und Länge näherungsweise identische Bauelemente ergänzt werden, die von dem gegenüberliegenden Abschl usselement insbesondere idealerweise spiegelsymmetrisch gegenüberliegend in den Messraum hineinragen . Die Anzahl der auf Kreisbahnen angeord neten, in den Messraum hineinragenden Bauelemente ist ungerade, um eine Vorzugsfl ießrichtung infolge der Abschattung d urch paral lel zur Anströmung ausgerichtete Bauteile zu vermeiden .
Dritter Aspekt
Anforderung : Um bei sehr geringer Schwebstofffracht das rückgestreute Licht auch von den Schwebstoffen, deren Größe die optische Auflösung des bildaufnehmenden Sensors unterschreitet, in Form von verfolgbaren Lichtpunkten zu reg istrieren, ist eine Ausleuchtung der Betrachtungsfläche mit hoher Lichtintensität erforderl ich . Gleichzeitig darf die Ausleuchtung keine thermische Aufheizung des strömenden Med iums verursachen, um daraus resultierende kon- vektive Fl ießbeweg ungen zu unterbinden .
Lösung : Um auch kleinste Partikel optisch kenntlich zu machen und um eine bestmög liche Lichtausbeute zu erzielen, ist eine 100%-Vorl ichtstreuung erforderlich, was nur bei direktem Gegenl icht und unter Abschattung des einstrah- lenden Lichts im anschl ießenden Strahlengang erzielt werden kann . Daher sind die Fensterflächen für Ausleuchtung und Bild übertragung gegenüberliegend quer zur Betrachtungsfläche angeord net. Die Betrachtungsfläche wird dann mittels eines Laserstrahls dergestalt ausgeleuchtet, dass der Strahlengang des Laserstrahls parallel zur optischen Achse des Strahlengangs des Abbildes ver- läuft und der Laserstrahl im Strahlengang des Abbildes fokussiert und am Fokuspunkt optisch terminiert wird .
Vierter Aspekt Anforderung : Bei hoher Trübe und bei längerem Messbetrieb kann sich in Sus¬ pension im strömenden Med ium befindl iches Material auf horizontale, liegende Fensterflächen ablagern . Dies führt zu einer optischen Abschattung und damit zu einer reduzierten optischen Transmission . Bei den Licht auskoppel nden Fenstern können infolge von thermischer Wandlung an dem abgelagerten Material unterwünschte konvektive Fließbewegungen an der Fensterfläche und in der Betrachtungsfläche auftreten. Lösung : Um die optische Transmission an den Fenstern für Ausleuchtung und Bilderfassung insbesondere bei längeren Verweilzeiten und im kontinuierlichen Messbetrieb zu gewährleisten, sind liegende Fensterflächen gegenüber der horizontalen Ebene geneigt, so dass sich absetzendes/sedimentierendes Material entlang der geneigten Fensterfläche gravitativ abgeführt wird.
Fünfter Aspekt
Anforderung : Die Lichtstrahlachse wird bei der Auskopplung an geneigten Fenstern gebrochen und verläuft anschließend nicht mehr parallel zur opti- sehen Achse des Messbilds. Der Laserlichtstrahl kann dann nicht im Strahlengang der Messbildachse fokussiert und terminiert werden.
Lösung : Um die Auslenkung der optischen Achse des Laserstrahls beim Ein- und Auskoppeln in das strömende Medium zu kompensieren, sind gegenüber- liegende Fensterflächen parallel zueinander ausgerichtet, so dass die an einer geneigten Fensterfläche gebrochene optische Achse des Laserstrahls beim Wiedereintritt am gegenüberliegenden Fenster wieder parallel zur ursprünglichen optischen Achse bzw. zur optischen Achse des Messbilds geführt wird . Sechster Aspekt
Anforderung : Das durchströmende Medium kann infolge einer sehr hohen Schwebstofffracht häufig trübe sein. Dies bewirkt, dass die optische Transmission eingeschränkt ist. Eingebrachtes Licht zur Ausleuchtung der Betrach- tungsfläche wird bei Auskopplung in das strömende Medium stark gestreut, so dass Schwebstoffe in einiger Entfernung von der Betrachtungsfläche optisch nicht mehr einzeln erfasst werden können bzw. der Kontrast der von einzelnen Partikel n rückgestreuten Lichtpunkte aufgelöst wird . Es können somit keine für die Ermittl ung der Fl ießbeweg ung auswertbaren Bilder gewonnen werden .
Lösung : Eine hinreichende optische Erfassung individueller Schwebstoffe (Zu- Ordnung von Kontrastdifferenzen) und Ausleuchtung ist nur u nmittelbar an der abzubildenden Objektebene bzw. Betrachtungsfläche gegeben . Daher sind die Fensterflächen für die Bildaufnahme als auch für die Lichtauskoppl ung im unmittelbaren Nahbereich der Betrachtungsfläche positioniert, so dass auch bei hoher Schwebstofffracht die auf der fokussierten Betrachtungsfläche transpor- tierten Partikel vereinzelt abbildbar sind .
Siebter Aspekt
Anforderung : Im Nahbereich der Betrachtungsfläche werden die Fließverhält- nisse durch nahständ ig positionierte Fensterelemente negativ beeinflusst.
Lösung : Um die Einflussnahme auf die Fließverhältnisse am Betrachtungsfeld durch die Fensterelemente zu reduzieren, sind die Fensterelemente so ausge¬ führt, dass die dem fließenden Medium zugewandten Fensterflächen nähe- rungsweise in Form und U mfang der abzubildenden Betrachtungsfläche ent¬ sprechen und dass die Fenster bzw. die fenstertragenden Elemente konusför- mig ausgefü hrt sind, wobei jeweils die distale Fensterfläche die Konusspitze bildet bzw. das fenstertragende Element konisch zur Fensterfläche hin zuläuft. Die Erfind ung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Bezug nahme auf die Erfindung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei :
Fig . 1 schematisch die Anordnung einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung in einem Brunnenpegel (Brunnenbohrloch) zur Ermittl ung der Richtung und Geschwind ig keit einer Grundwasserströmung und
Fig . 2 eine schematische Darstell ung der optischen, lichttechnischen Einzelbestandteile sowie des internen Aufbaus der Messvorrichtung . Fig . 1 zeigt die Einsatzsituation einer erfindu ngsgemäßen Messvorrichtung 10 in einem Brunnenpegel bzw. Bohrloch 12 im Erd reich 14, um in einer vorgegebenen Tiefe 16 die strömungstechnischen Eigenschaften (Richtung und Ge- schwindigkeit) der horizontalen Grundwasserströmung zu vermessen . Es sei an dieser Stel le angemerkt, dass mehrere Messvorrichtungen 10 gemäß Fig . 1 gleichzeitig in unterschiedl ichen Tiefen innerhalb des Bohrlochs 12 angeordnet sein können . Die Messvorrichtung 10 weist ein erstes oberes Abschott- bzw. Packerelement 18 und ein unteres zweites Packerelement 20 auf, die den Abschnitt 21 zwischen den beiden Packerelementen 18,20 insoweit abschotten, als vertikal durch das Bohrloch 12 strömendes Grundwasser die Horizontalmessung nicht bzw. im Wesentlichen nicht beeinfl usst. Die beiden Abschott- bzw. Packerele- mente 18,20 sind d urch Streben 22 miteinander verbunden . Von den Abschott- bzw. Packerelementen 18,20 stehen roh r- oder stabförmige optische Lichtleitelemente 24,26 aus lichtleitendem Material (z. B. Vol lmaterial) oder als Hohlkörper ausgebildet ab, deren Aufbau und Funktion in Kombination mit weiteren Elementen der Messvorrichtung 10 nachfolgend anhand von Fig . 2 näher erläutert werden .
Die Messvorrichtung 10 weist mehrere Paare von vorzugsweise entlang einer Kreisl inie angeord neten Lichtleitelementen 24,26 auf, d ie an ihren Enden 28,30 einander gegenüberl iegen . Zwischen diesen Enden 28,30 befindet sich die Messebene 32 sowie jeweils ein Messbereich 34, die wiederum innerhal b des Messvolu mens 36 zwischen den beiden Abschott- bzw. Packerelementen 18,20 angeordnet sind . Innerhal b der Messebene 32 strömt Grundwasser mit natürlichen oder künstlichen Partikel n, die es gilt, optisch zu detektieren, und zwar in Form von Seq uenzen von Aufnahmen mit Hilfe einer Kamera, was nachfol- gend näher erläutert wird .
In d iesem Ausführungsbeispiel weist das untere Abschott- bzw. Packerelement 20 eine Beleuchtungseinheit 38 auf, die als Bel ichtungsquel le 40 in Form einer Laserl ichtquelle zur Aussend ung eines Lichtstrahlbündels 42 mit paral lelen Lichtstrahlen 44 ausgebildet ist. Damit das Licht der Belichtungsq uelle 40 sequentiel l zu den Lichtleitelementen 24 geführt werden kann, wird es von einem zentral auf einem Drehteller 46 befind lichen Prisma 48 radial nach außen um- gelenkt, um dort von einem weiteren Prisma 50 d urch eine Öffnung 52 in dem Drehteller 46 zur Lichteintrittsseite 53 eines Lichtleiters 24 umgelenkt zu wer¬ den . Das Licht gelangt durch den Lichtleiter 24 hindurch und tritt über seine leicht angeschrägte Lichtaustrittsseite 54 aus. Das austretende Licht gelangt durch den fokussierten Erfassungsbereich 34 und wird dort teilweise an Parti- kein gestreut. Der Vorl ichtstreukegel ist bei 56 gezeigt.
Das Vorstreuungsl icht 56 gelangt durch d ie Lichteintrittsseite 57 in den Lichtleiter 26 und aus dessen Lichtaustrittsseite 58 zu einem weiteren Umlenkpris¬ ma 59, das hinter einer Öffnung 60 eines weiteren Drehtellers 62 angeordnet ist, welcher sich in dem oberen ersten Abschott- bzw. Packerelement 18 befindet. Das Umlenkprisma 59 lenkt das empfangene Licht radial einwärts zum Mittelpunkt des Drehtellers 62, wo es von einem dort angeord neten Umlenkprisma 64 in Richtung auf die Bildaufnahmeebene 66 einer Kamera 68 ge¬ langt.
Die Belichtung eines Erfassungsbereichs bzw. jedes Erfassungsbereichs erfolgt über eine gewisse Zeit; während dieser Zeit wird mit der Kamera eine Bildse¬ quenz aus dem Vorstreuungsl icht aufgezeichnet. Durch Auswertung der Bilder dieser Seq uenz kön nen dann der Richtungsvektor u nd d ie Geschwind igkeit von einzel nen Partikeln, die sich während der Belichtungszeit durch den Erfassungsbereich 34 innerhal b der Messebene 32 bewegt haben, ermittelt werden . Danach wird dann der Drehtel ler 46 schrittweise bis zum nächsten Paar von Lichtleitern 24,26 weiterged reht. Hierzu dient ein Drehantrieb 70, der in diesem Ausführungsbeispiel in Drehantriebseingriff mit dem Drehtel ler 46 im un- teren Abschott- bzw. Packerelement 20 angeordnet ist, aber ebenso g ut auch im oberen Abschott- bzw. Packerelement 18 zum d rehenden Antrieb des dort befind lichen Drehtel lers 62 angeord net sein kann . Beide Drehteller 46,62 sind synchronisiert, was ihre Drehung betrifft, was in diesem Ausfü hrungsbeispiel durch eine mechanische Kopplungsstange 72 erfolgt, aber ebenso gut auch durch eine entsprechend synchronisierte Ansteuerung zweier getrennter Antriebe für die Drehteller 46,62 realisiert werden könnte. Wie anhand von Fig . 2 zu erkennen ist, tritt durch den Erfassungsbereich 34 auch derjenige Anteil des Lichtstrahlbündels 44, der nicht an Partikeln gestreut wird . Dieser Lichtanteil ist mit dem Bezugszeichen 74 bezeichnet. Dieser Lichtanteil 74 würde, wenn er von der Kamera 68 erfasst werden würde, die Bildauswertung und Bildinformationen stören . Daher ist erfindungsgemäß vorge- sehen, diesen Lichtanteil 74 durch ein optisches Unterdrückungselement 76 herauszufiltern . Hierbei kann es sich um ein Bauteil mit schwarzer Fläche oder aber um einen Auskoppellichtleiter 78 handeln . Die Auskopplung des Durch- lichtanteils 74 gelingt durch Verwendung eines entsprechenden Linsensystems, wie beispielsweise durch die Verwendung von Achromaten 80 im optischen Pfad 82 zwischen dem Erfassungsbereich 34 und der Kamera 68 und insbesondere vor der Umlenkung des Vorstreuungslichts 56, d . h . vor Austritt aus dem Lichtleiter 26.
Bei der hier beschriebenen Variante der Erfindung mit mehreren Erfassungsbe- reichen 34 sind diese idealerweise kreisförmig auf Messebenen 32 angeordnet, wobei der optische Strahlengang von Lichtstrahlbündel 44 und 74 und bildgebendem Streulichtanteil 56 mit Hilfe synchronisierter und mit Umlenkprismen 50 ausgestatteter Drehteller 46, 62 durch Rotation dieser gekoppelten Drehteller auf den jeweiligen Erfassungsbereich 32 ausgerichtet werden kann, so dass nur eine Lichtquelle (40) und Beleuchtungseinheit 38 und nur eine Kamera (68) zur Vermessung der Strömung in mehreren Erfassungsbereiche (34) erforderlich sind .

Claims

Verfahren zur optischen Erfassung von Fließbewegungen in flüssigen und/oder gasförmigen Medien, wobei bei dem Verfahren
in dem Medium ein Messvolumen (36) sowie innerhalb des Messvolumens (36) mindestens eine Messebene (32) definiert werden und in Erstreckung der Messebene (32) sich bewegende Partikel optisch erfasst werden, indem
die Messebene (32) in mindestens einem Erfassungsbereich (34) von der einen Seite der Messebene (32), das heißt von einer Beleuchtungsseite aus, mittels eines Lichtstrahlbündels (44) aus parallelen Lichtstrahlen einer Beleuchtungseinheit (38) belichtet und durchleuchtet wird,
durch Partikel, die sich innerhalb des Erfassungsbereiches (34) der Messebene (32) befinden, Streulicht (56) erzeugt wird, als Vorlichtstreuung zu einer der Beleuchtungsseite gegenüberliegenden Vorlichtstreuungsseite abstrahlendes Streulicht (56) oder zumindest ein Teil davon und ein Durchlichtanteil (74) des Lichtstrahlbündels (44) der Beleuchtungseinheit (38), der den Erfassungsbereich (34) der Messebene (32), ohne gestreut zu werden, passiert, durch mindestens ein optisches Element (26) zu einer Bildaufnahmeebene (66) einer Kamera (68) geleitet werden, von der Kamera (68) eine Sequenz von Bildern des Erfassungsbereiches (34) aufgenommen wird und
anhand der Bildsequenz bezüglich mindestens eines Partikels durch rechnergestützte Bildauswertung ein Bewegungsvektor ermittelt wird,
der Durchlichtanteil (74) des Lichtstrahlbündels (44) der Beleuchtungseinheit (38) vor Erreichen der Bildaufnahmeebene (66) der Kamera (68) herausgefiltert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Messvolumens (36) mehrere Messebenen (32) mit jeweils mindestens ei- nem Erfassungsbereich (34) oder innerhalb einer Messebene (32) oder mindestens einer der Messebenen (32) mehrere Erfassungsbereiche (34) definiert werden, wobei jeder Erfassungsbereich (34) belichtet und durchleuchtet wird und wobei die pro Erfassungsbereich (34) erzeugte Vorlicht- streuung (56) durch eine Sequenz von Bildern aufgenommen und durch pro Bildsequenz erfolgende Bildauswertung für jeweils mindestens einen Partikel ein Bewegungsvektor ermittelt wird .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlichtanteil (74) des Lichtstrahlbündels (44) der Beleuchtungseinheit (38) durch Reflektion und/oder Absorption und/oder Auskopplung herausgefiltert wird .
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Medium die Bewegung von Partikeln erfasst wird, bei denen es sich um inhärent in dem Medium vorhandene Partikel oder zum Zwecke der Vermessung in das Medium eingebrachte Messpartikel handelt, die suspendiert in dem zu vermessenden Medium mitgeführt werden.
5. Vorrichtung zur optischen Erfassung von Fließbewegungen in flüssigen und/oder gasförmigen Medien, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit
einem eine Messebene (32) aufweisenden beziehungsweise definierenden Messvolumen (36) zur Positionierung in dem zu untersuchenden Medium, wobei die Messebene (32) mindestens einen Erfassungsbereich (34) aufweist, innerhalb dessen im Medium befindliche Partikel optisch erfassbar sind,
einer Beleuchtungseinheit (38) zur Belichtung des Erfassungsbereiches (34) mit einem im Wesentlichen parallelen Lichtstrahlbündel (44),
einer Kamera (68) zur Erfassung von mindestens einem Teil einer bei Belichtung von im Erfassungsbereich (34) befindlichen Partikel entstehender Vorlichtstreuung als Streulicht (56), wobei die Beleuchtungseinheit (38) und die Kamera (68) zu entgegengesetzten Seiten der Messebene (32), nämlich auf einer Beleuchtungseite und einer Vorlichtstreuungsseite, angeordnet sind, einem optischen Pfad (82) zwischen dem Erfassungsbereich (34) und der Kamera (68) zum Leiten zumindest eines Teils der Vorlichtstreu- ung zu der Kamera (68),
wobei der optische Pfad (82) ein Unterdrückungselement (76) zur Unterdrückung der Weiterleitung eines den Erfassungsbereich (34) der Messebene (32) ohne Streuung passierenden Durchlichtanteils (74) des Lichtstrahlbündels (44) der Beleuchtungseinheit (38) aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit (38) eine Lichtaustrittsfläche (54) und der optische Pfad (82) eine Lichteintrittsfläche (57) aufweist und dass sich beide Flächen (54,57) gegenüberliegen sowie zwischen beiden Flächen (54,57) der Erfassungsbereich (34) der Messebene (32) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche (54) der Beleuchtungseinheit (38) zur Messebene (32) geneigt ist und die Lichteintrittsfläche (57) des optischen Pfads (82) parallel zur Messebene (32) verläuft.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterdrückungselement (76) ein lichtabsorbierendes Bauteil wie z. B. ein Bauteil mit schwarzer Fläche, auf die der Durchlichtanteil (74) des Lichtstrahlbündels (44) der Beleuchtungseinheit (38) auftrifft, oder ein lichtabsorbierender Hohlkörper ist, in den der Durchlichtanteil (74) des Lichtstrahlbündels (44) der Beleuchtungseinheit (38) eintritt oder ein lichtaufnehmendes Bauteil wie beispielsweise ein Lichtleiter ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messebene (32) mehrere Erfassungsbereiche (34) aufweist, dass die Beleuchtungseinheit (38) eine Belichtungsquelle (40) und eine der Anzahl der Erfassungsbereiche (34) gleichende Anzahl an Lichtaustrittsflächen (54) aufweist,
dass eine der Anzahl der Erfassungsbereiche (34) gleichende Anzahl an optischen Pfaden (82) mit Lichteintrittsflächen (57) vorgesehen ist und
dass zwischen der Belichtungsquelle (40) und den Lichtaustrittsflächen (54) einerseits und zwischen den optischen Pfaden (82) und der Kamera (68) andererseits jeweils eine Lichtumlenkeinheit (48,50,59,64) zum Umlenken des Lichts der Belichtungsquelle (40) zum sequentiellen, insbesondere zyklisch sich wiederholenden Austritt aus den Lichtaustrittflächen (54) und zum sequentiellen, insbesondere zyklisch sich wiederholenden Umlenken des Lichts von den optischen Pfaden (82) zur Kamera (68) angeordnet ist, wobei die beiden Lichtumlenkeinheiten (48,50,59,64) synchronisiert sind .
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Messvolumen (36) auf der Belichtungsseite und auf der Vorlicht- streuungsseite der Messebene (32) von jeweils einem Abschottelement (18,20) zur Unterdrückung von winklig zur Messebene (32) gerichteten Störströmungen begrenzt ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass von dem ersten Abschottelement (20) für jeden Erfassungsbereich (34) der Messebene (32) ein erstes Beleuchtungslichtleitelement (24) mit einer Lichtaustrittsfläche (54) zum Leiten eines Lichtstrahlbündels (44) absteht und dass von dem zweiten Abschottelement (18) für jeden Erfassungsbereich (34) ein zweites Lichtleitelement (26) absteht, dass eine Lichteintrittsfläche (57) für Streulicht (56) und ungestreutes Licht des Lichtbündels (44) aus dem jeweiligen Erfassungsbereich (34) aufweist und zumindest einen Abschnitt des zur Kamera (68) führenden optischen Pfades (82) bildet, wobei die Lichtaustrittsflächen (57) und die Lichteintrittsflächen (54) un- ter Anordnung jeweils eines Erfassungsbereiches (34) zwischen diesen einander gegenüberliegen positioniert sind .
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitelemente (24,26) zu ihren die Lichtaustritts- bzw. Lichteintrittsflächen (54,57) aufweisenden Enden (28,30) hin konisch verjüngt ausgebildet sind .
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeich- net, dass die Beleuchtungseinheit (38) in oder an dem einen Abschottelement (20) angeordnet ist und dass die Kamera (68), der optische Pfad (82) und das Unterdrückungselement (76) in oder an dem anderen Abschottelement (18) angeordnet bzw. ausgebildet sind .
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