DE19620656A1

DE19620656A1 - Ein Pegelmeßverfahren mittels Messungen eines Wassersäulendrucks und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE19620656A1
Application number: DE19620656A
Authority: DE
Inventors: Hak Soo Chang
Original assignee: CHANGMIN Co Ltd SEOUL/SOUL JP; CHANGMIN CO
Current assignee: Chang Min Tech Co ltd Sungmann-City Kyonggi
Priority date: 1995-07-10
Filing date: 1996-05-22
Publication date: 1997-01-16
Anticipated expiration: 2016-05-23
Also published as: CA2171801A1; US5791187A; RU2124702C1; CA2171801C; DE19620656C2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf die Pegelmeßtechnologie mittels der Messung eines Wassersäulendrucks, welche hauptsächlich bei Pegelmessungen eines Flusses, Reservoirs, des Grundwassers und der Flut angewendet wird. Des weiteren kann sie auch bei Pegelmessungen von von Wasser verschiedenen Flüssigkeiten verwendet werden.

Es gibt zwei Verfahrensarten, welche als Wassersäulendruckpegelmesser bekannt sind, die den Pegel aus der Information der Wassertiefe durch Messung des Wassersäulendrucks berechnen.

Ein Pegelmesser vom Gasblasentyp wurde ursprünglich realisiert und in der Praxis wird ein Pegelmesser vom Drucksensortyp, bei welchem ein Drucksensor im Wasser in einer bestimmten Tiefe angeordnet wird, verwendet und heutzutage weitestgehend benutzt.

Der größte Vorteil des Wassersäulendruckpegelmessers ist, daß die Installationskosten sehr viel niedriger im Vergleich zu dem Pegelmesser vom Fließtyp sind. Da ein Pegelmesser vom Fließtyp nur in einer vertikalen Richtung betrieben wird, sollte ein vertikaler Turm oder ein vertikaler Graben für die Pegelmessung aufgebaut werden (ein vertikaler Turm oder ein vertikaler Graben für die Pegelmessung spielt eine Rolle bei der Verminderung der Wellenoszillation).

Dennoch muß ein Wassersäulendruckpegelmesser keine derartige Strukturen, wie sie in Fig. 1(a) und (b) gezeigt sind, aufweisen und benötigt viel weniger Installationskosten.

Für einen Pegelmesser vom Drucksensortyp wird ein Kabel, welches als ein Stromversorgungskabel für den Drucksensor P verwendet wird, der im Wasser in einer bestimmten Tiefe angeordnet ist, und ein Datenübertragungskabel entlang der Flanke des Flusses und Reservoirs verlegt und eine dünne Röhre, welche den atmosphärischen Druck P_A kompensiert, wird innerhalb des Kabels befestigt.

Für einen Pegelmesser vom Gasblasentyp wird eine Meßröhre für den Wassersäulendruck in einer bestimmten Tiefe entlang der Flanke befestigt.

Die Wassertiefe h wird durch die Messung des Wassersäulendrucks γ h (γ-spezifische Schwere von Wasser) mittels eines Drucksensors oder für einen Gasblasentyp durch die Messung des Drucks, der nötig ist um das Wassers in einer Meßröhre für den Wassersäulendruck zu entfernen, erhalten und dann wird der Pegel H mittels der folgenden Gleichung gemessen,

H=H₀-h (1)

wobei H₀ die Höhe an einem Referenzpunkt ist. Da folglich der einzige zu messende Parameter die Wassertiefe h ist, wird von nun an nur die Messung der Wassertiefe h erwähnt.

Neben dem Vorteil, daß die Installationskosten gering sind, kann ein Pegelmesser vom Fließtyp nicht betrieben werden, wenn das Wasser des Flusses und Reservoirs im Winter gefroren ist. Jedoch hat ein Wassersäulendruckpegelmesser einen Vorteil, nämlich, daß der Wasserpegel unter der Eisschicht gemessen werden kann. Ungeachtet dieses großen Vorteils wird ein Wassersäulendruckpegelmesser nicht weitverbreitet für wasserkundliche Beobachtungen verwendet. Die Hauptgründe sind wie folgt:

1. Der Wassertiefenmeßfehler ist groß

Der Hauptgrund für einen großen Meßfehler ergibt sich nachfolgend.

Der Druck, welcher dem Sensor zugeführt wird, wenn ein im Wasser versenkter Drucksensor verwendet wird, ergibt sich wie folgt.

P = γh + P_a (2)

Dann wird die Wassertiefe h wie folgt zu

wobei γ - die spezifische Schwere von Wasser in einem Bereich der Wassertiefe h und P_a - der atmosphärische Druck an der Wasseroberfläche ist, welcher eine Funktion der Luftzusammensetzung, des Wetters und der Windgeschwindigkeit ist.

Die spezifische Schwere von Wasser hängt von der Wassertemperatur ab und wechselt insbesondere mit der Konzentration von Schwebeteilchen. Die Wassertemperatur eines Flusses und Reservoirs ändert sich mit der Wassertiefe und variiert von 4 bis 25°C. Die spezifische Schwere von reinem Wasser bei dem obigen Temperaturbereich verändert sich von 1,0 bis 0,990707 g/cm³. Falls die Wassertiefe mittels der Gleichung (3) gemessen wird und γ = 1,0, erreicht der Wassertiefenmeßfehler aufgrund der spezifischen Schwere 0,03%. Es ist nicht üblich, daß die Durchschnittswassertemperatur in dem Bereich der Wassertiefe h 25°C beträgt, aber es ist üblich, daß die Durchschnittswassertemperatur 18°C beträgt. Die spezifische Schwere von Wasser bei 18°C ist 0,99862 und der Wassertiefenmeßfehler erreicht 0,14%, wenn die Gleichung (3) verwendet wird und γ = 0,99862. Falls h = 10 m ist, beträgt der absolute Meßfehler der Wassertiefe gleich 1,4 cm.

Neben dem Effekt der Wassertemperaturveränderung ist der Effekt der Konzentration von Schwebeteilchen bei der Wassertiefenmessung groß. Abhängig vom Bezirk ist es üblich, daß die Konzentration von Schwebeteilchen gleich 5 g/l beträgt, d. h. 5×10^- g/cm³. Der Wassertiefenmeßfehler wird zusätzlich um 0,5% gemäß der Veränderung der spezifischen Schwere des Wassers aufgrund von Konzentrationsveränderungen erhöht. Betrachtet man diese Effekte, übersteigt der Wassertiefenmeßfehler 5 cm für das obige Beispiel.

Neben diesem Fehler ist der Fehler der atmosphärischen Druckkompensation nicht klein. Um den atmosphärischen Druck P_a zu kompensieren wird eine kleine Röhre, welche den atmosphärischen Druck an den Drucksensor überträgt, innerhalb eines Kabels befestigt, welches mit dem Drucksensor verbunden ist. Die atmosphärischen Druckveränderungen an der Wasseroberfläche und auf dem Grund sind nicht dieselben. Falls ein Filter, welches den Feuchtigkeitsgehalt absorbiert, am Ende der atmosphärischen Druckkompensationsröhre angebracht wird und es in einem Kasten installiert wird, über dem der Wind nicht bläst, so tritt ein nicht vernachlässigbarer Unterschied zwischen den atmosphärischen Drücken an der Wasseroberfläche und auf dem Grund auf.

Des weiteren gibt es einen Drucksensorfehler. Der gesamte Meßfehler der Wassertiefe ergibt sich wie folgt,

δ_h = (δ_P² + δ_γ² + δ_Pa²)^½ (4)

wobei δ_P-der Fehler des Drucksensors (0,05 bis 0,1%), δγ-der Meßfehler der durchschnittlichen spezifischen Schwere des Wassers und δ_Pa-der Fehler der atmosphärischen Druckkompensation ist.

Der absolute Fehler der Wassertiefenmessung übersteigt gewöhnlicherweise ±10 cm.

Wenn die Wassertiefe mittels eines Pegelmessers vom Gasblasentyp gemessen wird, wird der für die vollständige Entfernung des Wassers in der Meßröhre erforderliche Gasdruck für den Wassersäulendruck gemessen und falls dieser Druck als P_m ausgedrückt wird, ergibt sich das Verhältnis zu dem Wassersäulendruck wie folgt.

γh = P_m + ΔP_m (5)

ΔP_m wird im Detail später erklärt. ΔP_m ist der Luftsäulendruck bei einer Höhe h₀, welche in Fig. 1(b) gezeigt ist. ΔP_m hängt von der Lufttemperatur und von P_m ab.

Der Meßfehler der Wassertiefe wird groß, wenn der Luftsäulendruck vernachlässigt wird, da die spezifische Schwere von Luft bei einem Atmosphärendruck von 1 und 20°C ungefähr 1,2 × 10^-6 kgf/cm³ beträgt.

Ein weiterer Fehler kann erzeugt werden, wenn die spezifische Schwere von Wasser nicht exakt bekannt ist. Falls ΔP_m vernachlässigt wird, wird der Meßfehler eines Pegelmessers vom Gasblasentyp sogar erhöht im Vergleich zu einem Pegelmesser vom Drucksensortyp.

2. Unzweckmäßigkeit in Betrieb und Wartung

Wenn ein Drucksensor im Wasser befestigt wird, bilden sich mit der Zeit Schichten mikroskopischer Unterwasserorganismen und feine Partikel auf dem Drucksensor. Daher sollte der Drucksensor periodisch gesäubert werden. Des weiteren sollte der verwendete Drucksensor periodisch kalibriert werden, um eine hohe Genauigkeit aufrecht zu halten.

Wie oben beschrieben, wenn er für eine permanente Pegelbeobachtung verwendet wird, ist er umständlich zu betreiben und zu warten und der Betrieb und die Wartungskosten sind teurer als die eines Pegelmesser vom Fließtyp.

Es ist üblich, daß der Pegel manuell durch einen Beobachter, der die Pegelmeßobservatorien für Grundwasser abgeht, gemessen wird, da das Pegelmeßintervall lang ist, z. B. 1 mal alle 10 Tage. In diesem Fall, wenn der Abstand vom Grund zur Wasseroberfläche einige 10 m oder 100 m überschreitet, ist es ziemlich schwer, Kabel von über 100 m mit einem Drucksensor zu tragen und sehr kompliziert und es braucht lange, den Drucksensor an einer konstanten Höhe zu installieren. Dies ist gerade für die Verwendung bei einer automatischen Pegelaufzeichnung z. B. der detaillierten Forschung von Pegelvariationen zweckdienlich. Wie oben beschrieben, wird dies im allgemeinen aufgrund seiner Kompliziertheit im Betrieb und Wartung nicht verwendet.

Für einen Pegelmesser vom Gasblasentyp ist der Betrieb und die Wartung einfach, da alle Komponenten einschließlich des Drucksensors auf dem Grund angeordnet sind, und die Meßröhre für den Wassersäulendruck nicht durch mikroskopische Organismen und feine Partikel verstopft wird, unter der Bedingung, daß es mindestens 1 mal oder 2 mal am Tag verwendet ward. Des weiteren ist sie praktisch und benötigt weniger Installationskosten als die eines Pegelmesser vom Drucksensortyp.

Einer der Nachteile ist, daß sie verdichtetes Gas oder Luft im Falle einer automatischen Aufzeichnung oder einer ferngesteuerten Messung benötigt. Falls eine Versorgungsspannung vorhanden ist, kann ein kleiner Luftkompressor verwendet werden, dennoch, falls eine Versorgungsspannung zugänglich ist, ist ein Tank für verdichtetes Gas erforderlich. Daher ist es umständlich, daß der Tank periodisch ersetzt oder wieder aufgeladen werden muß. Dennoch, da der Gasverbrauch bis zu einer geringen Menge reduziert werden kann, wird garantiert, daß die Wechselintervalle größer als 1 Jahr werden.

Wird der Pegel mittels eines tragbaren Pegelmessers durch Abgehen der Meßobservatorien gemessen, trägt ein Beobachter einen tragbaren Pegelmesser und eine manuelle Luftpumpe. Eine Plastikmeßröhre von 2 bis 4 mm ID (Innendurchmesser), um den Wassersäulendruck zu messen, muß dauerhaft befestigt sein.

Falls der Meßfehler signifikant erniedrigt werden kann, ist ein Pegelmesser vom Gasblasentyp unter den Wassersäulendruckpegelmessern zweckdienlicher.

Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen besseren Wassersäulendruckpegelmesser bereit zustellen, welcher den üblichen Fehler von Wassersäulendruckpegelmessern kompensiert, bei welchen der Pegelmeßfehler gemäß der Änderung der spezifischen Schwere des Wassers in dem Bereich der zu messenden Wassertiefe groß ist.

Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, einen besseren Wassersäulendruckpegelmesser bereitzustellen, der den Fehler, daß die sichere erlaubte Meßgenauigkeit im gesamten Meßbereich aufgrund des Fehlers des Drucksensors nicht garantiert wird, kompensiert.

Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es einen besseren Pegelmesser vom Gasblasentyp bereit zustellen, der präziser ist und weniger Gas verbraucht.

Die Erfindung wird nun im Detail mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:

Fig. 1 eine Ansicht ist, die die Prinzipien und Befestigungen eines im Wasser versenkten Pegelmessers vom Drucksensortyp und eines Pegelmessers vom Gasblasentyp zeigt;

Fig. 2 eine Ansicht ist, die das Meßverfahren der spezifischen Schwere von Wasser oder von Wasser verschiedenen Flüssigkeiten in dem Wassertiefenmeßbereich gemäß dieser Erfindung darstellt;

Fig. 3 eine Ansicht ist, die das Meßverfahren der Wassertiefe/Pegel mit einem gegebenen erlaubten Fehler bei einem gesamten Wassertiefenmeßbereich darstellt, wenn der Meßbereich der Pegelveränderung gemäß dieser Erfindung groß ist;

Fig. 4 eine Ansicht ist, welche die Druckverteilung des Wassertiefen/Pegelmeßverfahrens vom Gasblasentyp zeigt,

Fig. 5 eine Ansicht ist, die die Druckveränderungskurve von komprimiertem Gas für den Pegelmesser vom Gasblasentyp gemäß der Menge zugeführten komprimierten Gases darstellt;

Fig. 6 eine Ansicht ist, die die Meßvorrichtung vom Gasblasentyp für den Wassersäulendruck gemäß dieser Erfindung darstellt;

Fig. 7 eine Ansicht ist, die den Druckveränderungszustand des komprimierten Gases bei dem Meßverfahren vom Gasblasentyp für den Wassersäulendruck gemäß dieser Erfindung darstellt;

Fig. 8 eine Ansicht ist, die eine Meßvorrichtung vom Gasblasentyp für den Pegel gemäß dieser Erfindung darstellt;

Fig. 9 eine Ansicht ist, die ein aktuelles Beispiel einer Meßvorrichtung vom Gasblasentyp für den Grundwasserpegel gemäß dieser Erfindung darstellt;

Fig. 10 eine Ansicht ist, die ein aktuelles Beispiel für ein Befestigungsverfahren für Meßröhren für den Wassersäulendruck darstellt, um den Pegel eines Reservoirs oder den Pegel der Flut mittels eines Pegelmessers vom Gasblasentyp zu messen.

Bezugszeichenliste

1′₁, 1₁: Drucksensor
2: Drucksensor
2′₁, 2₁: Gasdrucksensor
3₁, 4₁: Meßröhre für den Wassersäulendruck
5: Wandler
6: Pegelberechnungsvorrichtung (Pegelmesser)
7: Ventilsteuerung
8: Puffertank
9: Ventil
10: Ablaufventil für kondensiertes Wasser
11: Temperatursensor
12: Drucksicherheitsventil
13: Luftkompressor oder Tank für komprimiertes Gas
14: Schutzröhre
15: Röhre
16: Gewicht
17: Draht
18: Schutzrohr
19: ankerförmiges Gewicht
20: Schwimmer

Die Erfindung wird im Detail mittels der Zeichnungen wie folgt beschrieben.

Die Fig. 2(a) und (b) zeigen das Verfahren zum Messen der spezifischen Schwere von Wasser, was die erste Aufgabe dieser Erfindung ist. Fig. 2(a) zeigt den Fall, bei dem ein im Wasser versenkter Drucksensor verwendet wird, und Fig. 2(b) zeigt den Fall, bei dem der Wassersäulendruck mittels eines Pegelmesser vom Gasblasentyp gemessen wird.

Die Drucksensoren 1′₁ und 1₁ sind jeweils in den Wassertiefen h₁ und h₂, wie in Fig. 2(a) gezeigt ist, befestigt. Der Höhenunterschied Δh = h₂-h₁ ist konstant und wurde zuvor präzise gemessen. Der Druck P₂ entspricht dem Wassersäulendruck γ₂h₂ und wird mittels des versenkten Drucksensors 1₁ gemessen und der Druck P₁, entsprechend dem Wassersäulendruck γ₁h₁, wird mittels des Drucksensors 1′₁ gemessen.

Es gibt einen Unterschied zwischen der mittleren spezifischen Schwere γ₁ von Wasser in einem h₁-Bereich und der mittleren spezifischen Schwere γ₂ von Wasser in einem h₂-Bereich. γ₁ und γ₂ können mittels γ₂ wie folgt ausgedrückt werden:

oder γ₂ kann mittels γ₁ wie folgt ausgedrückt werden:

Der Unterschied zwischen P₂ und P₁ ergibt sich wie folgt:

Dann ergibt sich γ₂ wie folgt:

Daher kann γ₁ mittels dem gleichen Verfahren wie folgt ermittelt werden:

Dennoch ergibt sich die aktuelle Gleichung für die spezifische Schwere, wenn δγ₁₂, δγ₂₁, h₁ und h₂ unbekannt sind, wie folgt:

oder

Daher kann die spezifische Schwere von Wasser γ′₂ oder γ′₁ mit einem bestimmten Fehler gemessen werden.

Im Falle eines Pegelmessers vom Gasblasentyp sind zwei Meßröhren für den Wassersäulendruck 3₁ und 4₁ mit einem Höhenunterschied Δh, wie in Fig. 2(b) gezeigt ist, befestigt. Dann wird die spezifische Schwere von Wasser γ′₂ in einem h₂-Bereich durch die Drücke P_m1 und P_m2 , die erforderlich sind, um das Wasser in den Röhren 3₁ und 4₁ zu verdrängen, mittels der Drucksensoren 2′₁ und 2₁ gemessen. Die Gleichung zur Messung der spezifischen Schwere von Wasser mittels eines Pegelmesser vom Gasblasentyp ist unterschiedlich von Gleichung (8) und wird später gezeigt.

Von nun an wird die Wassertiefe h₂ mittels γ′₂ gemessen. Der Fehler der gemessenen spezifischen Schwere γ′₂ gemäß Gleichung (8) ergibt sich wie folgt, wenn die Meßfehler ΔP₂₁ und Δh nicht berücksichtigt werden:

Der Fehler der spezifischen Schwere von Wasser wird in Tabelle 1 gezeigt. Der Meßfehler γ′₂ wird als eine Funktion von h₁/Δh aufgelistet, wenn die Temperatur der Wasseroberfläche t₀ gleich 24°C ist und die Wassertemperaturen bei h₂ = 10 m jeweils 18°C und 15°C sind, d. h. Δt jeweils 6°C und 9°C ist. Und es wird angenommen, daß die Wassertemperatur sich linear als eine Funktion der Wassertiefe verändert. Da der Meßfehler γ′₂ sich erhöht, wenn die Konzentration von Schwebeteilchen erhöht wird, sind die in der Tabelle 1 aufgelisteten Fehler die schlimmsten Fälle. Insbesondere im Winter, wenn das Wasser gefroren ist, werden die Temperaturunterschiede gemäß der Wassertiefe unter dem Eis sehr viel kleiner als 6 bis 9°C. Daher sind die in Tabelle 1 aufgelisteten Meßfehler die maximal zu erwartenden Werte.

Tabelle 1

Meßfehler der spezifischen Schwere von Wasser

Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, nimmt der Meßfehler der spezifischen Schwere ab, wenn das Verhältnis h₁/Δh vermindert wird.

Tatsächlich kann h₁/Δh keine kleinen Werte annehmen. Wenn z. B. der Pegel unter ungefähr 2 m gesenkt wird, wenn h₁ gleich 2 m ist und Δh gleich 8 m ist, dann kann die Meßröhre für den Wassersäulendruck 3₁ nicht betrieben werden. Daher, falls h₁/Δh ungefähr 2 ist, kann der Fehler von γ₂, δγ₂ unter 0,05% garantiert werden. Falls h₁ verringert wird, wenn der Pegel abwärts gesenkt wird (Δh = konstant), wird der Meßfehler der spezifischen Schwere noch kleiner. Falls z. B. h₁ = 7 m, h₂ = 10 m und Δh = 3 m, dann wird jeweils δγ₂ = 0,051%. Falls jeweils h₁ = 2 m, h₂ = 5 m wird, wenn der Pegel um 5 m abgesenkt wird, dann wird h₁/ΔH ungefähr 0,67 und δγ₂ = 0,03%. Der oben analysierte Fehler ist der Meßfehler der spezifischen Durchschnittsschwere des Wassers und die Meßfehler der Druckdifferenz ΔP₂₁ und Δh werden zu dem aktuellen Meßfehler hinzu addiert.

Der gesamte Meßfehler kann wie folgt ausgedrückt werden:

Σδ_γ₂ = (δ_γ₂² + δ_Δ _P² + δ_Δ _h²)^½

Da Δh = 3-5 m leicht mit einem Fehler von ±1 mm gemessen werden kann, kann das δ_ΔH von 0,02 bis 0,03% garantiert werden. Daher ist es wichtig, den Meßfehler von ΔP₂₁, δ_Δ _P zu vermindern. Für einen Pegelmesser vom Drucksensortyp sollten die Charakteristika von zwei Drucksensoren perfekt gleich sein, um δ_Δ _P wirksam zu vermindern, unter der Bedingung, daß zwei Drucksensoren 1₁ und 1′₁ verwendet werden. Unter dieser Bedingung löschen sich die Fehler der Drucksensoren gegeneinander durch die Berechnung ΔP₂₁ = P₂ - P₁ selbst aus.

Im Falle eines Pegelmessers vom Gasblasentyp kann ΔP_m21 direkt mittels einer Differenzdruckmeßgeräts gemessen werden. Da der Meßbereich des Differenzdrucks gleich γ × Δh ist, kann der Meßfehler des Differenzdrucks unter δ_Δ _P ungefähr 0.05% durch den Test und die Kalibrierung in einem engen Meßbereich garantiert werden. In diesem Fall wird Σδ_γ₂<0.07% garantiert. Falls ΔP_m21 mit nur einem verwendeten Drucksensor berechnet wird, wird der Druck P_m2 bei der Meßröhre für den Wassersäulendruck 4₁ gemessen und P_m1 wird mittels der Meßröhre für den Wassersäulendruck 3₁ gemessen. Dann wird der Fehler von ΔP_m21 noch weiter vermindert.

Der Meßfehler h₂ kann wirksam durch die Messung der spezifischen Schwere von Wasser im h₂-Bereich mit einer vergleichsweise hohen Genauigkeit mittels zwei im Wasser versenkter Drucksensoren oder zweier Meßröhren für den Wassersäulendruck, die mit einem konstanten Höhenunterschied befestigt sind, vermindert werden. In diesem Fall ist es vernünftig h₁/Δh 2,0 zu wählen.

Die Gleichung für die Wassertiefe h₂ ergibt sich durch Einsetzen der gemessenen spezifischen Schwere von Wasser γ′₂ in die Gleichung (3) und (5) wie folgt:

(Die exakte Gleichung wird später gezeigt.)

Da selbst die spezifische Schwere von Wasser mit der höchsten Genauigkeit gemessen wird, hängt der Meßfehler der Wassertiefe von P₂ oder dem Fehler ΔP des Drucksensors, der P_m2 mißt, ab. Auch wenn der Drucksensor mittels eines Temperaturkoeffizienten unter der Bedingung kompensiert wird, daß der Pegelmesser unter der Feldbedingung (die Umgebungstemperatur ändert sich von -20°C bis 40°C) betrieben wird, ist es schwierig den Fehler des Drucksensors unter 0,05 bis 0,1% zu garantieren. Wenn sich die zu messende Wassertiefe erhöht, wird der absolute Fehler der Wassertiefenmessung Δ_h aufgrund des Drucksensorfehlers δ_P erhöht und falls der Drucksensorfehler δ_P, der Gesamtmeßfehler der spezifischen Schwere von Wasser Σδ_γ _′2 (Gleichung (4)) und der erlaubte Fehler Δ_h⁰ bekannt sind, dann kann die maximale Grenze der Wassertiefenmessung h_max für den Wassersäulendruckpegelmesser mittels der folgenden Gleichung ermittelt werden,

wobei

δ_h = (δ_P² + Σδ_γ _′2²)^½.

Falls der erlaubte Fehler Δ_h⁰ = ±1cm und δ_h = 0,1% = 0,001, dann wird h_max = 1000 cm = 10 m werden.

Wenn der Meßbereich ΔH = H_max - H_min, gemäß dieser Erfindung, einige Male größer als h_max ist, wird die Wassertiefe durch Befestigung mehrerer versenkter Drucksensoren oder Meßröhren für den Wassersäulendruck mit dem konstanten Höhenunterschied Δh gemessen. Falls der Höhenunterschied Δh≅h_max/2 ausgewählt wird, ergibt sich die Anzahl von Drucksensoren oder Meßröhren für den Wassersäulendruck n wie folgt:

Falls Δh = h_max/2 = Δ_h⁰/2δ_h in die Gleichung (14) eingesetzt wird, erhält man die folgende Gleichung:

Im Fall, bei dem der Pegel gleich H_max ist, werden die Wassertiefe und die spezifische Schwere von Wasser mittels der ersten und der zweiten Drucksensoren oder den Meßröhren für den Wassersäulendruck gemessen und falls der Pegel H₂ = H_max - Δh + Δ wird, werden die Wassertiefe und die spezifische Schwere von Wasser mittels des zweiten und des dritten Drucksensors oder der Meßröhren für den Wassersäulendruck gemessen. Δ ist die Wassertiefe entsprechend dem minimal erlaubten Druck der Drucksensoren.

Falls der minimal erlaubte Druck der Drucksensoren P_min=0,01 des durch die Meßcharakteristika der Drucksensoren garantierten gegebenen atmosphärischen Drucks ist, wird Δ ungefähr 10 cm. Falls das obige Verfahren verwendet wird, für den Fall, daß die Pegeländerung groß ist, z. B. bei einem künstlichen See oder Reservoir, kann der Pegel innerhalb des erlaubten absoluten Fehlers Δ_h⁰ ±1cm gemessen werden. Falls Δh h_max/2 ausgewählt wird, wird es keine Probleme geben.

Fig. 3 zeigt einen Fall, bei dem n = 5. In Fig. 3 ist in (6) ein Pegelmesser der die Wassertiefe h und den Pegel H berechnet und (5) ist ein Wandler, der die von den Drucksensoren gewandelten Ausgangssignale an (6) überträgt. (7) ist eine Ventilsteuerung um die Ventile, um die Meßröhren für den Wassersäulendruck mit den Meßsensoren 2₁ und 2₂ zu verbinden. Eine Röhre zur Versorgung mit verdichtetem Gas ist in Fig. 3(b) nicht gezeigt. Die Höhen der versenkten Drucksensoren 1₁, 1′₂, 1₂ und 1′₃ und die Höhen der Meßröhren für den Wassersäulendruck 4₁, 3₂, 4₂ und 3₃, die jeweils vorher als h₀₂, h₀₃, h₀₄ und h₀₅ gemessen wurden, werden dem Pegelmesser (6) mit dem Wert der Referenzhöhe H₀ eingegeben.

Der Pegel H_i wird wie folgt berechnet.

H_i = H₀ - h_0i + h_ÿ (16)

Falls die Referenzhöhe H₀ die gleiche wie h_0i ist, ergibt sich der Pegel wie folgt.

H = h_0i + h_ÿ

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, falls versenkte Drucksensoren verwendet werden, wird die Anzahl der Drucksensoren erhöht. Daher ist es ein großer Nachteil, daß der Betrieb und die Wartung der Drucksensoren sehr kompliziert sind und die Kalibrierung und der Test der Drucksensoren sehr zunehmen.

Falls die Wassertiefe und der Wassersäulendruck mittels eines Pegelmessers vom Gasblasentyp gemessen werden, ist es, da verschiedene Plastikröhren mit kleinem Innendurchmesser (ID: 2-4 mm) in einer gebündelten Form befestigt sind, zweckdienlich, daß diese eine einfache Befestigung und weniger Wartung benötigen. Dennoch hat es einen Nachteil, daß die Ventilsteuerung (7) ein wenig mehr kompliziert ist als der elektronische Wandler (5)
Gemäß dieser Erfindung wird ein gegebener erlaubter absoluter Fehler ohne Rücksicht auf den Pegelmeßbereich garantiert, wenn der Pegel durch die Messung des Wassersäulendrucks, wie zuvor erwähnt, gemessen wird.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, die Genauigkeit der Wassertiefenmessung mittels eines Pegelmessers vom Gasblasentyp zu verbessern und die detaillierte Beschreibung folgt nachstehend.

Das Druckverhältnis ist in Fig. 4 gezeigt, wenn der Gasdruck in der Meßröhre für den Wassersäulendruck und der Wassersäulendruck der gleiche sind.

Wasser wird in die Meßröhre für den Wassersäulendruck (4) eingefüllt, bis der übermäßige Druck P_m der Meßröhre für den Wassersäulendruck (4) zugeführt wird und falls die Kapillarwirkung vernachlässigt wird, ist der Pegel der Wasseroberfläche der gleiche wie der Umgebungspegel H. Der Druck von P_a1 = P_a2 + γ_ah_a wird auf die Wasseroberfläche der Meßröhre für den Wassersäulendruck (4) ausgeübt, wobei P_a1 und P_a2 die atmosphärischen Drücke an der Stelle H und H₀, bei denen der Drucksensor (2) befestigt ist, ha die Höhe für die Luftsäule von H bis H₀ und γ_a die spezifische Schwere von Luft bei h_a ist.

Der Druck am Ende der Meßröhre für den Wassersäulendruck (4) ist P_a1 + γh. Falls das Wasser in der Meßröhre für den Wassersäulendruck vollständig durch Zuführen des übermäßigen Drucks P_m arg die Meßröhre für den Wassersäulendruck (4) entfernt wird, so mißt der Drucksensor (2) nur P_m.

Die Beziehung zwischen den Drücken ist wie folgt,

P_a1 + γh = (P_a1 - γ_ah_a) + P_m + γ_amh₀

wobei γ_am die spezifische Schwere von Gas in dem Bereich h₀ = h + h_a ist, wenn der übermäßige P_m zugeführt wird.

Daher ergibt sich die Wassertiefe h wie folgt:

ΔP_m = γ_amh₀-γ_ah_a, welche in Gleichung (5) erwähnt wurde.

Um den Wassersäulendruck zu messen kann ein anderes, von verdichteter Luft verschiedenes Gas, z. B. Stickstoff verwendet werden. γ_am und γ_a können im Referenzzustand (P₀ = 1,03 kgf/cm², T₀ = 293 K) als Funktionen der spezifischen Schweren von Gas und Luft γ_g0 und γ_a0 wie folgt ausgedrückt werden:

Die Wassertiefe h kann durch Einsetzen der obigen Gleichung in die Gleichung (17) wie folgt ermittelt werden:

Falls der Wassersäulendruck mittels verdichteter Luft bemessen wird und γ_g0 = γ_a0 so ergibt sich h wie folgt:

Es ist zweckdienlich, die folgenden Gleichungen anstelle der Gleichung (18) und (19) zu verwenden:

Und wenn γ_g0 = γ_a0, d. h. α = 1, so wird die Gleichung (20) wie folgt:

wobei

- die spezifische Schwere von Gas ist, welche zur Messung des Wassersäulendrucks im Referenzzustand verwendet wird, und γ_a0
- die spezifische Schwere von Luft im Referenzzustand ist. (Die Unterschiede zwischen den Gleichungen (18), (19), (20), (21), sind vernachlässigbar klein. Die Unterschiede zwischen den obigen Gleichungen liegen nicht über 0,2 mm falls h₀ gleich 100 m ist, die spezifische Schwere von Wasser variiert von 0.0998 bis 1.01 × 10^-3 kgf/cm³, und die Lufttemperatur variiert von 263 K bis 303 K).

Es werden sich große Fehler ergeben, falls die Wassertiefe nicht mittels der Gleichungen (19) oder (21) einfach durch h′ = P_m/γ berechnet wird.

Tabelle 2 zeigt die Meßfehler für die Wassertiefe Δ_h = h-h′, falls die spezifische Schwere von Wasser γ = 10^-3 kgf/cm³, die spezifische Schwere von Luft im Referenzzustand γ_a0 = 1,2×10^-6 kgf/cm³ und P_m = 1 kgf/cm² (h≅10 m) ist.

Es ist unmöglich, die aktuelle Durchschnittstemperatur des Gases in der Meßröhre für den Wassersäulendruck zu messen. In Tabelle 2 ist die Durchschnittstemperatur des Gases bei h₀ = 100 m gleich 20°C und falls die gemessene Temperatur im schlimmsten Fall gleich 25°C ist, wird der Fehler zu (13.2-12.8)/2 = 0.2 cm. Daher hat der Meßfehler der Gastemperatur fast keinen Einfluß. Unter dieser Bedingung gibt es kein Problem damit, daß die Temperatur des Gases an irgendeiner Stelle gemessen wird, z. B. in einem Puffertank.

Tabelle 2

Bei dem Verfahren, die spezifische Schwere der Flüssigkeit (Wasser) mittels eines zuvor beschriebenen Gasblasentyps zu messen, erhält man die Gleichung zur Berechnung der spezifischen Schwere der Flüssigkeit (Wasser) mittels P_m1 und P_m2, die in den Meßröhren für den Wassersäulendruck gemessen wurden, welche mit einem Höhenunterschied h₀₂-h₀₁ = Δh befestigt wurden, durch Einsetzen von T_m2, h₀₂, P_m1, h₀₁ in die Gleichung (17),

wobei

Es ist zweckdienlich, Gleichung (23) anstelle von Gleichung (22) zu verwenden:

Die Gleichung zur Berechnung der spezifischen Schwere von Wasser bei T₀ = 293 K, P₀ = 1,03 kgf/cm², χ_a0 = 1,2×10^-6 kgf/cm² ergibt sich wie folgt:

wobei P′_m1 = P_m1/P₀ ein dimensionsloser Wert ist. Die direkt gemessenen Parameter sind P_m2, P_m1 und die Gastemperatur T und α, h₀₂ und Δh sind konstant.

Die spezifische Schwere von Wasser verschiedener Flüssigkeiten kann mittels dieses Verfahrens gemessen werden.

Die folgende Gleichung kann man durch Einsetzen der Gleichung (24) in Gleichung (20) erhalten:

Die Wassertiefe drückt sich wie folgt aus, da bei Verwendung von verdichteter Luft α = 1 gilt,

wobei

Die spezifische Schwere von Wasser im Fluß und einem Reservoir variiert sehr gering. Insbesondere variiert die spezifische Schwere von tiefem Grundwasser ein wenig. Unter diesen Bedingungen braucht die spezifische Schwere von Wasser nicht bei jeder Meßzeit gemessen zu werden, falls der Pegel mehrmals, z. B. einmal pro Stunde gemessen wird.

Es ist von Vorteil die spezifische Schwere ein- oder zweimal am Tag oder einmal alle 10 Tage für das Grundwasser mittels Gleichung (24) zu messen und diesen Wert in die Gleichungen (20) und (21) einzusetzen.

Insbesondere, wenn der Flutpegel kontinuierlich gemessen wird oder der Pegel eines Flusses im Falle einer Überflutung kontinuierlich gemessen wird, ist es ausreichend die spezifische Schwere des Wassers einmal am Tag zu messen.

Manchmal befindet sich die Höhe der Wasseroberfläche des künstlichen Reservoirs um einige 10 m höher als die der Pegelmeßobservatorien. In diesem Fall sollte folgende Gleichung verwendet werden, um die Wassertiefe zu messen:

Die folgende Gleichung sollte verwendet werden, um die spezifische Schwere von Wasser mittels zweier Meßröhren für den Wassersäulendruck zu messen, die mit einem Höhenunterschied Δh angeordnet sind,

wobei P_m1 = P_m1/P₀ ein dimensionsloser Wert ist.

Die Flüssigkeitstiefe des Tanks kann, wenn der Tank höher als der Pegelmeßpunkt angeordnet ist, mittels der Gleichungen (27) und (28) mit P₀/γ-Wert anstelle von 10³ gemessen werden, wobei γ die spezifische Schwere der Flüssigkeit ist.

Erfindungsgemäß kann die spezifische Schwere von Wasser (einer Flüssigkeit) und eine Wassertiefe präzis mit einem Pegelmesser vom Gasblasentyp gemessen werden. Gelegentlich ist es nötig, nicht nur die Wassertiefe, sondern auch die spezifische Schwere des Wassers (der Flüssigkeit) zu messen. Wenn beispielsweise der Tidenstand oder Salzgehaltvariationen (Anteil des Salzes) von Seewasser gemessen werden soll, kann dies durch Messung der spezifischen Schwere des Seewassers erfolgen.

Weiterhin ist die Messung von Variationen der spezifischen Schwere von großer Bedeutung für hydrologische Beobachtungen.

Wenn es nicht nötig ist, die spezifische Schwere des Wassers (einer Flüssigkeit) zu messen und wenn es weiterhin nicht notwendig ist, die Wassertiefe und das Niveau zu messen, kann die folgende einfachere Wassertiefenmessungsformel anstelle der Gleichungen (25) und (26) verwendet werden:

oder

Die Vorzeichen (-) und (+) in den Gleichungen (29) und (30) sind für den Fall, daß das Pegel (Wassertiefe)-Meßobserva torium oberhalb der Wasseroberfläche angeordnet ist und die Vorzeichen (+) und (-) in den Gleichungen (29) und (30) sind für den Fall, daß das Pegel(Wassertiefen)-Meßobservatorium unterhalb der Wasseroberfläche angeordnet ist.

Die obigen Gleichungen werden von Gleichung (25) abgeleitet, wobei ausgehend von der folgenden Beziehung die spezifischen Schweren des Wassers in den Bereichen von h₁ und h₂ gleich sind.

Wenn die Wassertiefe unter Benutzung eines untergetauchten Drucksensors gemessen wird, treten beträchtliche Fehler (siehe Tabelle 2) auf, wenn die Wassertiefe durch Division des mit einem Drucksensors gemessenen Drucks durch die spezifische Schwere des Wassers (h=P/γ) ermittelt wird.

Gewöhnlich ist das obere Ende der atmosphärischen Druckkompensationsröhre höher als die Wasseroberfläche angeordnet. Deshalb ist der atmosphärische Druck P′_a, der auf einen Drucksensor übertragen wird kleiner als der atmosphärische Druck an der Wasseroberfläche P_a, was bedeutet:

wobei h_a die Höhendifferenz zwischen dem oberen Ende der atmosphärischen Druckkompensationsröhre und der Wasseroberfläche ist. Deshalb ergibt sich der mit einem Drucksensor gemessene Druck wie folgt:

Deshalb sollte die Wassertiefe h mit der folgenden Gleichung berechnet werden:

wobei h_a entsprechend der Wassertiefe(Pegel)variation variabel ist:

ha = ho - h

Letztendlich ergibt sich die Wassertiefenmessungsgleichung wie folgt:

wobei h₀ die Höhendifferenz zwischen dem oberen und unteren Ende der atmosphärischen Druckkompensationsröhre ist.

Wenn der Nenner der Gleichung (31)

vernachlässigt wird, wird der zusätzliche Wassertiefenmessungsfehler 0,13% betragen und wenn die Wassertiefe 10 m beträgt, beträgt der zusätzliche Fehler 1,3 cm.

Wie in Tabelle 2 dargestellt, beträgt der Wassertiefenmeßfehler mehr als 8 cm wenn h₀ 60 m in einem Reservoir beträgt und nicht die Gleichung (31) angewendet wird.

Die genaue Gleichung zur Messung der spezifischen Schwere von Wasser (einer Flüssigkeit), die zwei unter Wasser befindliche Drucksensoren verwendet, lautet wie folgt:

Auch wenn

ein kleiner Wert ist, sollte dieser Ausdruck nicht vernachlässigt werden, wenn die spezifische Schwere mit einer Genauigkeit von besser als 0,1% gemessen wird.

Ein Merkmal dieser Erfindung ist die Messung der Wassertiefe durch Substitution der Gleichung (30) durch Gleichung (31).

Es ist nicht nötig die spezifische Schwere separat zu messen, wenn nur die Wassertiefe gemessen und folgende Gleichung benutzt wird:

Auch wenn der Gassäulendruck mit einer hohen Präzision kompensiert wird, kann der Fehler gemäß dem Innendurchmesser der Meßröhre und der Menge von verdichtetem zugeführten Gas größer sein.

Der Hauptgrund, aus welchem der Pegelmesser vom Gasblasentyp bei der wasserkundlichen Beobachtung weitestgehend nicht verwendet wird ist folgender.

Der Pegelmeßfehler war groß, da der anfängliche Pegelmesser vom Gasblasentyp für Reservoire den Druck gemessen hat, wenn die Gasblase aus der Meßröhre für den Wassersäulendruck herauskam. Des weiteren wurde die spezifische Schwere von Wasser nicht gemessen und der Gassäulendruck wurde vernachlässigt.

Fig. 5 zeigt die Veränderung des Gasdrucks, der im oberen Teil der Meßröhre für den Wassersäulendruck P_m gemessen wurde in Abhängigkeit von der Menge des zugeführten verdichteten Gases q. Wie in Fig. 5 gezeigt ist, ist der erforderliche Druck P_m zur Erzeugung von Blasen größer als der Wassersäulendruck und der Druck schwankt, wenn Blasen herauskommen, wenn die Meßröhre für den Wassersäulendruck mit einem größeren Innendurchmesser verwendet wird. Die Amplitude der Druckschwankungen und P_m werden erhöht, wenn der Innendurchmesser und die Menge des zugeführten verdichteten Gases erhöht werden. Falls der Innendurchmesser der Meßröhre für den Wassersäulendruck und die Menge des zugeführten verdichteten Gases abgesenkt werden, werden P_m und die Druckschwankung vermindert. Der Pegelmeßfehler könnte aufgrund dieser Phänomene erhöht werden.

Falls der Innendurchmesser der Meßröhre für den Wassersäulendruck und die Menge des zugeführten verdichteten Gases vermindert werden, kann der Fehler vermindert werden, dennoch wird die Meßzeit verlängert.

Gemäß dieser Erfindung ergibt sich das Verfahren zum Messen des Pegels und der Wassertiefe gemäß den Gleichungen (18) oder (19) wie folgt.

Wie in Fig. 6 gezeigt ist, wird verdichtetes Gas von P_0m für das Zeitintervall t₁ durch den Drucksensor (2) und den Puffertank (8) durch Öffnung des Ventils (9) langsam zugeführt und das Ventil (9) wird dann geschlossen. Der zugeführte Gasdruck P_m wird mit einem ein wenig höheren Druck als der Wassersäulendruck γh entsprechend dem Meßbereich der Meßröhre für den Wassersäulendruck aufrecht erhalten.

In Fig. 6 ist (6) eine Berechnungsvorrichtung des Pegelmessers für die Wassertiefe und den Pegel, (11) ist ein Temperatursensor und (10) ist ein Wasserablaufventil.

Falls die Wassertiefe gleich h₁ und der Wassersäulendruck γ₁h₁ ein wenig höher als P_0m ist, wird der Druck des verdichteten Gases, der wie in Fig. 7 (a) variiert, durch den Drucksensor (2) gemessen.

Wie in Fig. 7 gezeigt ist, wird zum Zeitpunkt, bei dem das Ventil (9) geschlossen wird, der Druck vermindert, während der Druck ein wenig von t₁ ab schwankt (Blasen kommen heraus) und dann von t₂ an stabilsiert wird. Der Druck wird zu diesem Zeitpunkt gleich γ₁h₁ - ΔP_m1 = P_m1. Wenn γ₂h₂ größer als γ₁h₁ wird, ist die Druckveränderung in Fig. 7(b) dargestellt. Es ist besser das Volumen V des Puffertanks (8) auf den fünffachen Wert des Innenvolumens der Meßröhre für den Wassersäulendruck auszuwählen, v = (πd²/4)×h₀. Falls das Volumen des Puffertanks zu groß ist, wird zuviel Zeit für die Versorgung mit verdichtetem Gas benötigt. Ein Temperatursensor (11) wird in dem Puffertank befestigt und der Puffertank spielt die folgenden Rollen.

- Wie in Fig. 7 gezeigt ist, bewirkt der Puffertank, daß der Druck P_m allmählich erhöht wird und der Druck dann in der Meßröhre für den Wassersäulendruck auf 7h - ΔP_m stabilisiert wird. (Für die Verwendung eines tragbaren Pegelmessers, wenn der Druck ΔP_0m mittels einer manuellen Luftpumpe zugeführt wird, tritt gewöhnlich die Druckschwankung auf und der Puffertank kann die Druckschwankung in der Meßröhre für den Wassersäulendruck (4) vermindern) . Falls der Puffertank nicht installiert wird, wird die Reproduzierbarkeit der Pegelmessung verschlechtert.
- Die Lufttemperatur in dem Puffertank, welche durch den Temperatursensor (11) gemessen wird, ist ähnlich die Lufttemperatur in der Meßröhre für den Wassersäulendruck (4), wenn Luft in den Puffertank von dem unteren Ende der Meßröhre für den Wassersäulendruck als Blasen herauskommt. Daher zeigt die Temperatur bei einem bestimmten Punkt kleine Unterschiede von der Durchschnittslufttemperatur in der Meßröhre für den Wassersäulendruck.
- Wenn der Pegel nach der Pegelmessung erhöht wird, können die Pegelerhöhungen kontinuierlich für eine lange Zeit mittels dem übermäßigen Druck in dem Puffertank gemessen werden.
- Wenn eine Flut bei dem Fluß oder Reservoir auftritt, wird die Druckschwankung aufgrund der Flut signifikant vermindert.

Gemäß dieser Erfindung wird der Druck nicht gemessen, wenn die Gasblasen andauernd herauskommen. Der Druck P_m wird gemessen, wenn der Druck mittels des Puffertanks nach dem Zuführen des verdichteten Gases gestoppt wird. Des weiteren wird der Pegelmeßfehler mittels der Gleichungen (18) oder (19) mit der im Puffertank gemessenen Lufttemperatur verringert.

Gemäß dieser Erfindung kann der Pegel mit einer genügenden Genauigkeit mittels eines Pegelmesser vom Gasblasentyp gemessen werden und dieser Pegelmesser kann tragbar, für eine automatische Aufzeichnung und ferngesteuerte Messung mit den Vorteilen einer einfachen Installation, eines einfachen Betriebs und einfacher Wartung verwendet werden.

Fig. 8 zeigt einen Pegelmesser vom Gasblasentyp einschließlich der oben erwähnten Merkmale.

(12) aus Fig. 8 ist ein Drucksicherheitsventil, welches einen ein wenig höheren Druck als γ₂h₂ am Auslaß aufrecht erhält, auch wenn ein höherer Druck zugeführt wird. (13) ist ein Tank für verdichtetes Gas oder ein Luftkompressor. (10) ist ein Ablaßventil für kondensiertes Wasser, welches kondensiertes Wasser in den Puffertank abführt.

Im Anfangszustand sind die Ventile (9₃) und (9₁) geschlossen und das Ventil (9₂) ist geöffnet. Wenn die Messungen beginnen, wird das Ventil (9₃) durch die Ventilsteuerung (7) geöffnet, verdichtetes Gas wird durch den Puffertank (8) und das Ventil (9₂) zugeführt und dann wird das Ventil (9₃) geschlossen. Man sollte sicher sein, daß man wartet, bis der Druck auf P_m2 = γ₂h₂ - ΔP_m2 stabilisiert ist (bis t₂ in Fig. 7).

Die Ausgangssignale des Drucksensors (2) und die durch den Temperatursensor (11) gemessene Temperatur des verdichteten Gases werden an die Pegelberechnungsvorrichtung des Pegelmessers (6) gesendet.

Nach der Messung P_m2 werden P_m2 und T in (6) gespeichert, das Ventil (92) wird geschlossen und das Ventil (9₁) geöffnet. Dann wird das Wasser in der Meßröhre für den Wassersäulendruck (3) entfernt, während verdichtetes Gas (Druck P_m2<γ₁h₁) in den Puffertank der Meßröhre für den Wassersäulendruck (3) zugeführt wird und der Luftdruck auf P_m1 = γ₁h₁ - ΔP_m1 stabilisiert wird, während die Blasen aufgrund des Überdrucks herauskommen. P_m1 und T werden an die Pegelberechnungsvorrichtung des Pegelmessers (6) gesendet.

Die Referenzhöhe von H₀, Δh und h₀₂ werden anfänglich in der Pegelberechnungsvorrichtung des Pegelmessers (6) gespeichert.

Die Pegelberechnungsvorrichtung des Pegelmessers (6) berechnet die Wassertiefe h₂ mittels der Gleichung (25) oder (26) und der Pegel wird dann auf der Anzeige dargestellt, automatisch aufgezeichnet oder die notwendigen elektrischen Signale werden für die ferngesteuerten Messungen zugeführt.

Wenn es als tragbarer Pegelmesser verwendet wird, sind der Drucksensor (2), der Temperatursensor (1) und die Pegelberechnungsvorrichtung des Pegelmessers (6) tragbar und die verdichtete Luft wird mittels einer tragbaren manuellen Luftpumpe zugeführt. In diesem Fall sind die Meßröhren für den Wassersäulendruck (3) und (4), die Ventile (9₁) und (9₂) und der Puffertank (8) am Meßort installiert und die Ventilsteuerung (7) und das Drucksicherheitsventil (12) sind nicht am Meßort, z. B. einem Pegelmeßgraben für Grundwasser, installiert. Die Ventile (9₁) und (9₂) werden manuell betrieben.

Der Tank für das verdichtete Gas ist mit dem Drucksicherheitsventil (12) für die ferngesteuerte Messung oder die automatische Aufzeichnung verbunden und mit einem kleinen Luftkompressor verbunden, wenn die dauerhafte Stromversorgung zugänglich ist. Die Ventile (9₁) bis (9₃) sind elektromagnetische Ventile und die Ventilsteuerung (7) wird durch das Signal des Zeitgebers betrieben.

Die Antirost-Plastikröhre mit dem Innendurchmesser von 2-4 mm wird für die Meßröhren für den Wassersäulendruck verwendet.

Der Pegelmeßfehler kann groß werden, wenn der Pegel des Reservoirs und Flusses gemessen wird, auch wenn der Durchschnittspegel durch wiederholte Messungen gemessen wird. In diesem Fall werden die Meßröhren für den Wassersäulendruck (3) und (4) innerhalb der Wellenoszillationsverminderungsröhre mit einem größeren Durchmesser (14) befestigt und die Röhre mit einem kleineren Innendurchmesser wird an dem unteren Ende befestigt. Die Wellenoszillationsverminderungsröhre (14) schützt die Meßröhre für den Wassersäulendruck (3) und (4).

Fig. 9 zeigt als ein Beispiel die Befestigungszeichnung der Meßröhren für den Wassersäulendruck am Pegelmeßgraben für Grundwasser.

In Fig. 9 ist (17) ein Stahldraht oder ein Draht aus anderem Material mit einer geringeren Elastizität und einer höheren Festigkeit und (16) ist ein Gewicht.

Die Meßröhren für den Wassersäulendruck (3) und (4) sind mit dem Draht (17) mit einem Gewicht (16) verbunden. Der Draht (17) mit einem Gewicht (16) wird in den Pegelmeßgraben für Grundwasser mit einer erforderlichen Tiefe eingesetzt. h₀₂ kann durch Messung der Länge des in den Meßgraben (18) eingesetzten Drahtes (17) ermittelt werden.

Wie zuvor beschrieben, ist die Befestigung der Meßröhren für den Wassersäulendruck einfach und es werden weniger Kosten im Vergleich zu dem Pegelmesser vom Drucksensortyp erzeugt. Da die Meßröhren für den Wassersäulendruck (3) und (4), die Ventile (9₁) bis (9₃) und der Puffertank (8) in dem Pegelmeßgraben befestigt sind und die Beobachter nur den Pegel messen, dann ist dies technisch und wirtschaftlich viel besser im Vergleich zu dem Pegelmesser vom Drucksensortyp.

Da die spezifische Schwere sich nicht mehrmals verändert, gibt es kein Problem damit, daß die Meßröhre für den Wassersäulendruck (3) zur Messung der spezifischen Schwere nicht vorhanden ist oder die spezifische Schwere mit einem anderen Verfahren einmal alle paar Monate gemessen wird.

Fig. 10 ist ein Befestigungsbeispiel der Meßröhren für den Wassersäulendruck, um den Pegel eines Reservoirs oder den Pegel der Flut zu messen.

Die Meßröhre für den Wassersäulendruck werden innerhalb der Wellenoszillationsröhre (ebenso eine Schutzröhre) (14) befestigt und die Meßröhren für den Wassersäulendruck in der Schutzröhre sind in Fig. 10 nicht gezeigt.

In Fig. 10 ist (19) ein ankerförmiges Gewicht und da die ankerförmigen Gewichte in der Schutzröhre (14) befestigt sind, kann sich die Schutzröhre (14), in welcher die Meßröhren für den Wassersäulendruck befestigt sind, nicht bewegen.

Das Meßverfahren mit der Anordnung des unteren Endes der Meßröhren wird hier nicht beschrieben, da es nicht zum Patent angemeldet wird.

Der Verbrauch an verdichtetem Gas (oder Luft) ist eine sehr geringe Menge für jede Messung. Die Verbrauchsmenge an verdichteten Gas liegt nicht über 1,5 Liter unter der Referenzbedingung, wenn die Länge der Meßröhre für den Wassersäulendruck gleich 100 m ist und der Innendurchmesser der Röhre gleich 0,4 cm ist.

Des weiteren wird, wenn sich der Pegel erniedrigt, kein zusätzliches verdichtetes Gas verbraucht, da der Druck in dem Puffertank (8) höher ist.

Wenn kein Luftkompressor verwendet wird und ein Tank für verdichtetes Gas von 25 Litern (z. B. Stickstoff oder Luft) mit 50 Atmosphärendruck verwendet wird, kann der Pegel ungefähr 800 mal gemessen werden. Wenn der Pegel des Flusses oder Reservoirs zweimal am Tag gemessen wird, kann es für ungefähr 400 Tage verwendet werden und es ist nicht schwierig den Tank für verdichtetes Gas einmal im Jahr auszuwechseln.

Zusammenfassend kann ausgeführt werden:
Für die Vorrichtung und das Verfahren zum Messen der Wassertiefe und des Pegels mittels eines Pegelmessers vom Gasblasentyp ist die Meßröhre für den Wassersäulendruck aus Plastikröhren mit dem Innendurchmesser von 2 bis 4 mm aufgebaut; Zwei Meßröhren für den Wassersäulendruck sind gebündelt, so daß der Höhenunterschied zwischen den Enden der zwei Meßröhren für den Wassersäulendruck gleich Δh ist; Die oberen Enden der zwei Meßröhren für den Wassersäulendruck werden mit dem Puffertank mittels Ventilen verbunden; Der Drucksensor zum Messen des Gasdrucks wird in dem Puffertank und der Temperatursensor zum Messen der Gastemperatur wird in dem Puffertank befestigt; Die Versorgungsröhre für das verdichtete Gas ist mit einem Ventil an dem Puffertank verbunden; Die Ausgangssignale des Drucksensors und des Temperatursensors werden an die Vorrichtung zur Berechnung der spezifischen Schwere, der Wassertiefe und des Pegels gesendet; Die Pegelberechnungsvorrichtung enthält eine Vorrichtung zum Wandeln der dargestellten und berechneten Pegelwerte in elektrische oder kodierte Signale und eine Vorrichtung zum Speichern der Höhen der oberen und unteren Enden der Meßröhren für den Wassersäulendruck, des Höhenunterschieds zwischen den unteren Enden der Meßröhren für den Wassersäulendruck, der Höhe des Referenzpunkts für die Pegelmessung und der Drücke und Temperaturen des verdichteten Gases, welches in dem Referenzzustand verwendet wird und der spezifischen Schwere des Gases im Referenzzustand; Für den Fall einer automatischen Messung werden die Ventile mit der Ventilsteuerung verbunden, welche das Ventil, welches mit einer langen Meßröhre für den Wassersäulendruck verbunden ist, öffnet, das Ventil zur Versorgung mit verdichtetem Gas öffnet, das Ventil, welches mit einer langen Meßröhre für den Wassersäulendruck verbunden ist, schließt und das Ventil, welches mit einer kurzen Meßröhre für den Wassersäulendruck verbunden ist, öffnet.

Dann ist dies das Meßverfahren zum Messen der Wassertiefe und des Pegels mit einem signifikant verminderten Wassertiefenmeßfehler durch die Kompensation des Luft (Gas)säulendrucks und der spezifischen Schwere von Wasser (Flüssigkeit).

Wenn der Wassersäulendruck mit den im Wasser versenkten Drucksensoren gemessen wird, wird der Pegel durch die Messung der spezifischen Schwere von Wasser mittels Befestigung der zwei Drucksensoren in dem Abstand von Δh gemessen.

Claims

1. Meßverfahren für eine Wassertiefe (h) und einen Pegel durch Messung eines Wassersäulendrucks an zwei Stellen, wobei
zwei im Wasser versenkte Drucksensoren angebracht werden, von denen einer in einer ersten Tiefe (h₁) und der andere in einer zweiten Tiefe (h₂ = h₁+Δh) befestigt wird, und im Falle, daß der Wassersäulendruck mittels eines Pegelmesser vom Gasblasentyp gemessen wird, das untere Ende einer Meß röhre für den Wassersäulendruck in der ersten Tiefe (h₁) und das untere Ende der weiteren Meßröhre für den Wassersäulen druck in der zweiten Tiefe (h₂ = h₁+Δh) befestigt wird, mit den Schritten:
Messen des Ausgangssignals des Drucksensors, der in der zweiten Tiefe (h₂) befestigt wurde, als zweiten Wassersäu lendruck (P₂) und Messen des Ausgangssignal des Drucksensors, der in der ersten Tiefe (h₁) befestigt wurde, als ersten Wassersäulendruck (P₁) und für den Fall, daß der Wassersäu lendruck mittels des Pegelmessers vom Gasblasentyp gemessen wird, Messen des zweiten Gasdrucks (P_m2), der das Wasser innerhalb der in der zweiten Tiefe (h₂) befestigten Meßröhre für den Wassersäulendruck entfernt, und des ersten Gasdrucks (P_m1), der das Wasser innerhalb der in der ersten Tiefe (h₁) befestigten Meßröhre für den Wassersäulendruck entfernt;
unter der obigen Bedingung Messen der spezifischen Durchschnittsschwere von Wasser (Flüssigkeit) in dem Bereich der zweiten Wassertiefe (h₂) mittels der Drucksensoren anhand der folgenden Gleichung wobei der Wassersäulendruck durch einen Pegelmesser vom Gasblasentyp gemessen wird, die Wassertiefe und der Pegel durch Einsetzen der durch die folgenden Gleichungen gemessenen spezifischen Schwere in die Meßgleichung für die Tiefe (h);
(wenn ein Pegelmeßbeobachtungsort höher als die Wasseroberfläche angeordnet ist) (wenn ein Pegelmeßbeobachtungsort niedriger als die Wasseroberfläche angeordnet ist) wobei in den obigen Gleichungen h₀₂ der Höhenunterschied zwischen dem unteren Ende der Meßröhre für den Wassersäulendruck und dem Ort für die Druckmessung ist, α gleich γ_g0/γ_a0, ein Verhältnis von spezifischen Schweren von Gas bis Luft ist, die verwendet werden, um den Wassersäulendruck zu messen ist, 10³ gleich P₀/γ und γ′_a0 gleich γ_a₀/P₀ (1/cm) und |γ′_a₀| ≅ |γ_a₀| ist, wobei der Wert von P₀/γ anstelle von 10³ verwendet werden sollte, wenn die Wassertiefe der von Wasser verschiedenen Flüssigkeit gemessen wird.

2. Verfahren zur Messung des Wassersäulendrucks mittels eines Pegelmessers vom Gasblasentyp gemäß Anspruch 1 mit den Schritten:
Messen der Wassertiefe (h_i(h₂ oder h₁)) durch folgende Gleichung mittels Messung des Gasdrucks (P_mi), wenn der Gasdruck stabilisiert wird, bei dem das Gas mit höherem Druck (P) als dem Wassersäulendruck der Meßröhre für den Wassersäulendruck zugeführt wird,
dann Stoppen der Gaszuführung, wobei ein Gasdruck (P) erreicht wird und dieser schwankt,
wenn ein Pegelmeßbeobachtungsort höher als die Wasseroberfläche angeordnet ist, oder wenn ein Pegelmeßbeobachtungsort niedriger als die Wasseroberfläche angeordnet ist oder wobei im Fall, daß die Wassertiefe mit einem getauchten Drucksensor gemessen wird, die Wassertiefe unter Benutzung der folgenden Gleichung durch Kompensation des atmosphä rischen Drucks unter Benutzung einer mit dem Drucksensor verbundenen Kompensationsröhre gemessen wird, (h_0i = der Höhenunterschied zwischen der Spitze und dem Boden der atmosphärischen Druckkompensationsröhre) wobei γ_a0 (kgf/cm³) die spezifische Schwere von Luft in einem Referenzzustand mit P₀ = 1,03 kgf/cm², T₀ = 293 K ist, T die absolute Temperatur der Luft in der Meßröhre für den Wassersäulendruck ist, h_0i der Höhenunterschied zwischen dem unteren Ende der Meßröhre für den Wassersäulendruck und dem Druckmeßort ist, h_a (cm) der Höhenunterschied zwischen der Wasseroberfläche und dem Druckmeßort ist, P′_mi gleich P_mi/P₀ ist und 10³ gleich 1(kgf/cm²)/γ (cm) ist, d. h. ein Reziprokwert der spezifischen Schwere von Wasser ist; wobei der Wert P₀/γ_e anstelle von 10³ verwendet wird, wenn die Wassertiefe der von Wasser verschiedenen Flüssigkeit, dessen spezifische Schwere gleich γ_e ist, gemessen wird.

3. Verfahren zur Messung der Wassertiefe mittels eines Pegel messers vom Gasblasentyp nach einem der Ansprüche 1 oder 2 mit den Schritten:
Verwendung der folgenden einfachen Gleichung für den Fall, daß die Wassertiefe gemessen wird, die spezifische Schwere der Flüssigkeit gemessen wird und die gemessene spe zifische Schwere nicht in die Wassertiefenmessungsgleichung eingesetzt werden muß oder wobei (-) in der Gleichung (i) und (+) in der Gleichung (j) den Fall anzeigen, daß das Pegelmeßobservatorium unter der Wasseroberfläche angeordnet ist und für die obigen Gleichun gen γ′_a0 = γ_a0/P₀[1/cm] gilt.

4. Meßverfahren gemäß Anspruch 1 und 2, bei dem, da der Pegelmeßbereich von der Wassertiefe abhängt, für den Fall, daß es unmöglich ist, den Wassersäulendruck für einen gegebenen absoluten erlaubten Fehler im vollen Meßbereich der Wassertiefe mit einem Paar von Drucksensoren oder Druckmeßgeräten zu messen, die Messung der Wassertiefe und der spezifischen Schwere von Wasser (Flüssigkeiten) mittels mehrerer Meßröhren für den Wassersäulendruck oder
Drucksensoren erfolgt, die in einem konstanten Höhenintervall in dem Meßbereich für einen gegebenen absoluten erlaubten Fehler befestigt sind.

5. Eine Pegelmeßvorrichtung für einen Tiefen- und Pegelmesser vom Gasblasentyp, bei dem:
die Meßröhre für den Wassersäulendruck aus Plastikröhren mit einem Innendurchmesser von 2 bis 4 mm aufgebaut ist;
zwei Meßröhren für den Wassersäulendruck gebündelt sind, so daß der Höhenunterschied zwischen den Enden der zwei Meßröhren gleich Δh ist;
die oberen Enden der zwei Meßröhren für den Wassersäulendruck mit dem Puffertank mittels Ventilen verbunden sind;
der Drucksensor zum Messen des Gasdrucks in dem Puffertank und der Temperatursensor zum Messen der Gastemperatur in dem Puffertank befestigt sind;
die Versorgungsröhre für das verdichtete Gas mit einem Ventil an dem Puffertank verbunden ist;
die Ausgangssignale des Drucksensors und Temperatursensors an die Vorrichtung zur Berechnung der spezifischen Schwere, der Wassertiefe und des Pegels gemäß Anspruch 2 gesendet werden;
die Pegelberechnungsvorrichtung eine Vorrichtung zum Wandeln angezeigter und berechneter Pegelwerte in elektrische oder kodierte Signale und eine Vorrichtung zum Speichern der Höhen der oberen und unteren Enden der Meßröhren für den Wassersäulendruck, des Höhenunterschieds zwischen den unteren Enden der Meßröhren für den Wassersäulendruck, der Höhe des Referenzpunkts für die Pegelmessung, der Drücke und Temperaturen des verdichteten Gases, welches im Referenzzustand verwendet wird und der spezifischen Schwere des Gases im Referenzzustand enthält;
wobei im Fall einer automatischen Messung, die Ventilsteuerung mit den Ventilen verbunden wird, welche die Ventile, die mit einer langen Meßröhre für den Wassersäulendruck verbunden ist, öffnet, das Ventil zur Versorgung mit verdichtetem Gas öffnet, das Ventil, welches mit der langen Meßröhre für den Wassersäulendruck verbunden ist, schließt und das Ventil, welches mit einer kurzen Meßröhre für den Wassersäulendruck verbunden ist, öffnet.

6. Ein Pegelmesser vom Gasblasentyp gemäß Anspruch 5, bei dem:
die Meßröhren für den Wassersäulendruck in der Wasseroszillationsverminderungsröhre mit einem großen Innendurchmesser befestigt sind;
eine Röhre mit kleinerem Innendurchmesser, als dem der Wellenoszillationsverminderungsröhre, mit dem unteren Ende der Wellenoszillationsverminderungsröhre verbunden wird.