DE10104534C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung thermischer Parameter im Boden - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung thermischer Parameter mittels eines in einem hohlrohrförmigen Körper befindlichen Sensors erfasst werden. Erfindungsgemäß wird der im wesentlichen hohlrohrförmige Körper durch Einbringen eines Kühlmittels gekühlt, wobei als Kühlmittel eine unter Normalbedingungen in gasförmigen Aggregatzustand vorliegender Stoff oder ein solches Stoffgemisch eingesetzt wird, damit das nach Erwärmung gasförmige Kühlmittel aus dem hohlrohrförmigen Körper entweichen kann. Das Kühlmittel weist bevorzugt eine Temperaturdifferenz von wenigstens 1 K gegenüber der mittleren Temperatur des Bodens um den im wesentlichen hohlrohrförmigen Körper auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung eines oder mehrerer thermischer Parameter im Boden, wobei die thermischen Parameter mittels mindestens eines in ei­ nem im wesentlichen hohlrohrförmigen Körper befindlichen Sensors erfasst werden.

Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Bestimmung eines oder mehrerer thermischer Parameter im Boden umfassend zumindest einen im wesentlichen hohl­ rohrförmigen Körper zur Aufnahme mindestens eines Sensors zur Erfassung der ther­ mischen Parameter.

Aus der eigenen deutschen Patentschrift DE 41 27 646 C2 ist beispielsweise ein sol­ ches Verfahren bekannt. Die Bestimmung thermischer Parameter wie der Temperatur im Erdboden ist dort für verschiedenartige Anwendungen beschrieben, nämlich bei­ spielsweise zur Erfassung von Leckagen an Dämmen und sonstigen Uferbefestigun­ gen, zur Erfassung von Aussickerungen aus Deponien, zur Erfassung von Undichtig­ keiten in Kanal- und Rohrleitungssystemen, zur Erfassung von aufsteigendem Ther­ mal- und Karstwasser oder zur Erfassung von Abwärmeeinleitungen. Die Temperatur­ messung erfolgt mittels mehrerer in einer Sensorkette angeordneter Sensoren in einem Hohlgestänge aus zylindrischem Rohr mit einer Kegelspitze, wobei die Messsonden als Temperaturfühler verwendete elektrische Messwiderstände umfassen.

Aus der deutschen Patentanmeldung DE 196 21 797 A1 ist außerdem ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Leckageüberwachung an Objekten und Bauwerken, insbe­ sondere an Dämmen, Deichen, Uferbefestigungen, Klärbecken, sonstigen Wasser­ bauwerken, Speicher- und Rückhalteeinrichtungen für Flüssigkeiten und dergleichen, durch Ermitteln von thermischen Parametern im Boden mittels thermischer Sensoren bekannt. Dabei werden als passive Temperatursensoren ein oder mehrere Lichtwel­ lenleiter (faseroptische, mit Laserlicht beaufschlagte Sensorkabel unter Anwendung einer Laufzeit- und Intensitätsauswertung des rückgestreuten Laserlichtes) einge­ setzt. Im Falls einer Leckage wird das Leck durch Ermitteln der Temperaturänderun­ gen im Leckagebereich erfasst. Die Lichtwellenleiter werden im wesentlichen schlau­ fenförmig mit vertikal verlaufenden Schlaufenästen, in Hydraulik-Leitungen, in Hohlrohren oder in Schläuchen oder in durch ein Horizontalbohrverfahren verlegten Roh­ ren angeordnet.

Da in der Praxis die für die Anwendung dieses in der deutschen Patentanmeldung DE 196 21 797 A1 beschriebenen Verfahrens erforderliche Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des strömenden und/oder sickernden Fluids und der Temperatur des Mediums in der Umgebung des Lichtwellenleiters jedoch häufig nicht oder nicht immer gegeben ist oder nur unter technisch aufwendigen Bedingungen geschaffen werden kann, ist in der eigenen deutschen Patentschrift DE 198 25 500 C1 vorgesehen, dem Lichtwellenleiter zumindest zeitweise Wärme zuzuführen oder zu entziehen. Danach wird zum Erfassen und/oder Lokalisieren von Fluidbewegungen, welche in dem durch­ sickerten und/oder durchströmten Medium mit einem Wärmetransport, durch den in gemessenen Temperaturprofilen charakteristische Verläufe auftreten, verbunden sind, in einem für Fluide zumindest in Teilbereichen durchlässigen Medium mindestens ein Lichtwellenleiter als Temperatursensor im Medium zur Ermittlung der Temperaturprofile eingesetzt, wobei dem Lichtwellenleiter zumindest zeitweise Wärme zugeführt oder entzogen wird und entweder anhand einer bezogen auf die erfolgte Wärmezufuhr lokal geringeren Erwärmung des Lichtwellenleiters und/oder schnelleren Abgabe der zuge­ führten Wärme vom Lichtwellenleiter als bei Fluidstillstand oder anhand einer bezogen auf den erfolgten Wärmeentzug lokal geringere Kühlung des Lichtwellenleiters und/oder schnelleren Aufnahme von Wärme vom Lichtwellenleiter als bei Fluidstillstand die Fluidbewegungen im durchlässigen Medium detektiert werden.

Nach der Patentschrift DE 198 25 500 C1 kann dem Lichtwellenleiter unter anderem auch mittels Wärmetausch über ein Kühlfluid Wärme entzogen werden. Die Art und Zusammensetzung des Kühlfluids wird dabei in der Patentschrift DE 198 25 500 C1 nicht näher erläutert. Allerdings wird mitgeteilt, dass eine oder mehrere Leitungen für das Kühlfluid zum Wärmetausch mit dem Lichtwellenleiter vorgesehen sein können und dass der Wärmetausch zwischen Kühlfluid und Lichtwellenleiter indirekt erfolgt.

Die Anmelderin setzt seit einigen Jahren Bodentemperaturmessungen nach der Lehre der oben erwähnten Patentschrift DE 41 27 646 C2 erfolgreich zur Leckageortung un­ ter anderem in Bautrögen ein. Sind in Bautrögen die horizontalen bzw. vertikalen Dichtungselemente aus zementhaltigen Baustoffen hergestellt, führt die dabei freige­ setzte Hydratationswärme zu einer deutlichen Erhöhung der Bodentemperaturen in der Umgebung der Dichtungselemente. Kann bei einem Pumpversuch Grundwasser durch Schwachstellen des Dichtungssystems treten, kommt es im Bereich der Zutrittsstelle zu einem signifikanten Temperaturrückgang. Diese Temperaturänderung kann prob­ lemlos mittels der beschriebenen Bodentemperaturmessungen nachgewiesen werden. Das konnte anhand von etwa 100 derartiger Messungen bestätigt werden.

Im Zusammenhang mit Spundwänden und natürlichen Dichtsohlen ist in der Regel kei­ ne ausreichende Temperaturdifferenz gegenüber dem Ausgangszustand vorhanden bzw. es entsteht diese nicht.

Durch Ausnützen der jahreszeitlichen Temperaturvariationen an der Geländeoberflä­ che, aufgrund deren bekanntlich in den verschiedenen oberflächennahen Tiefen im Boden unterschiedliche Temperaturen herrschen, sind Messungen mit Einschränkun­ gen möglich. Treten bei einem Pumpversuch in einem Bautrog mit natürlicher Dichtung bzw. Spundwänden Wasserzutritte auf, wird die Bodentemperatur-Tiefenverteilung dann gestört, wenn Strömungen mit einer vertikalen Komponente auftreten. Dies kann dadurch positiv unterstützt werden, dass die Brunnen nur bis zur Tiefe der Aushubebe­ ne verfiltert werden.

Für eine Untersuchung von Dichtelementen in Tiefen unter etwa 15 m unter der Gelän­ deoberfläche ist die Leckortung über eine bloße Temperaturmessung wegen der gerin­ gen Temperaturgradienten in diesen Tiefen nur noch bedingt möglich.

Hier kann aber durch Einsatz des in der Patentschrift DE 41 27 646 C2 beschriebenen Heizdrahtes das als HPM (Heat Pulse Method) bezeichnete Verfahren angewendet werden, bei der das Messgestänge mittels des elektrischen Heizdrahtes erwärmt wird. Der Wärmeabtransport vom Messgestänge ist proportional zur Anströmung des Mess­ gestänges. Mittels mathematischer Rechnungen (Lösen der Wärmeleitungsgleichung als Differentialgleichung unter Vernachlässigung des Wärmetransportteils durch Strahlung im Boden aufgrund der niedrigen Temperaturen und des Wärmetransports durch freie Konvektion, aber unter Berücksichtigung der Dispersion und des advektiven Wärmestroms etwa als erzwungene Konvektion durch beispielsweise Grundwasser­ strömung) kann die Strömungsgeschwindigkeit für einzelne Messtiefen bestimmt wer­ den.

Bei der Anwendung des HPM-Verfahrens hat sich gezeigt, dass aus Gründen der Sen­ sitivät die Aufheizzeit über den Heizdraht mehrere Stunden betragen muss. Daher ist das zeitnahe Bestimmen der lokalen Filtergeschwindigkeit in vielen Messgestängen technisch sehr aufwendig und darüber hinaus infolgedessen auch teuer.

Aus der DE 43 40 775 A1 ist ein Verfahren zur Messung der Bodenfeuchte mit Hilfe von Temperaturmessungen durch Aufheizen oder Abkühlen einer hohlrohrförmigen, mit einem Temperaturfühler versehenen Sonde bekannt, wobei das Aufheizen, nicht aber die Kühlung und insbesondere nicht das Kühlmittel näher ausgeführt sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genann­ ten Art aufzuzeigen, bei welchem diese Nachteile beseitigt werden und insbesondere eine Messung auch bei geringen oder keinen Temperaturgradienten im Boden ermög­ lichen soll. Es sollte außerdem in Bautrögen mit natürlicher Dichtung bzw. Spund­ wänden eine Leckortung durchführbar sein. Ein zeitnahes Bestimmen der Filterge­ schwindigkeiten im Bodenbereich um den im wesentlichen hohlrohrförmigen Körper sollte auf möglichst einfache Art und Weise erreicht werden können.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der im wesentlichen hohlrohrförmige Körper durch Einbringen eines Kühlmittels gekühlt wird, wobei als Kühlmittel ein unter Normal­ bedingungen in gasförmigem Aggregatzustand vorliegender Stoff in flüssigem und/oder festem Zustand oder ein solches Stoffgemisch eingesetzt werden.

Die Erfindung basiert auf der Idee, den im wesentlichen hohlrohrförmigen Körper bzw. das Messgestänge zumindest kurzzeitig verhältnismäßig stark abzukühlen. Diese star­ ke und schnelle Abkühlung wird durch das Einbringen eines Kühlmittels in den im we­ sentlichen hohlrohrförmigen Körper bzw. das Messgestänge erreicht. Die erfindungs­ gemäß herbeigeführte Abkühlung klingt verhältnismäßig langsam durch Wärmeleitung im Boden ab, unabhängig davon, ob der Boden mit Wasser gesättigt oder ungesättigt ist. Das Verfahren wird von der Anmelderin als FPM-Verfahren (Frost Pulse Method) bezeichnet.

Als Kühlmittel finden erfindungsgemäß flüssige und/oder feste Stoffe Verwendung. Da­ durch, dass als Kühlmittel ein unter Normalbedingungen in gasförmigem Aggregatzu­ stand vorliegender Stoff oder ein solches Stoffgemisch verwendet wird, kann sichergestellt werden, dass nach der Erwärmung kein festes oder flüssiges Kühlmittel im hohl­ rohrförmigen Körper bzw. Messgestänge verbleibt, weil das nach Erwärmung gasför­ mige Kühlmittel aus dem hohlrohrförmigen Körper entweichen kann. Das Kühlmittel kann in den hohlrohrförmigen Körper bzw. in das Messgestänge bevorzugt mit bereits darin befindlichem Sensor eingebracht werden, aber auch (kurzzeitig) bevor der Sensor darin eingebracht wird.

Vorteilhafterweise weist das Kühlmittel eine Temperaturdifferenz von wenigstens 1 K, bevorzugt wenigstens 2,5 K, besonders bevorzugt wenigstens 10 K gegenüber der mittleren Temperatur des Bodens um den im wesentlichen hohlrohrförmigen Körper auf. Dies stellt eine rasche Abkühlung sicher.

In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt die Temperaturdifferenz zwischen Kühlmittel und der mittleren Temperatur des Bodens zwischen 5 und 200 K, vorzugsweise zwischen 10 und 200 K.

Als Kühlmittel können alle geeigneten Kühlstoffe eingesetzt werden, vor allem solche, die einen gefahrlosen und möglichst wenig aufwendigen Einsatz mit sich bringen. Ins­ besondere können als Kühlmittel zumindest teilweise Trockeneis, verflüssigter Stick­ stoff, verflüssigter Sauerstoff, verflüssigtes Kohlendioxid und/oder verflüssigte Luft verwendet werden.

Trockeneis besitzt in festem Aggregatzustand eine Temperatur von etwa -78°C. Bei Erwärmung sublimiert Kohlendioxid in die Gasphase. Als besonders geeignetes Kühl­ mittel hat sich Trockeneis in Form von CO₂-Pellets und/oder CO₂-Schnee erwiesen. Bevorzugt werden CO₂-Pellets benutzt. Sie sind einfach zu transportieren und zu handhaben, da keine Schlauchleitungen am Messort verlegt werden müssen. Ferner sorgt ihre runde oder abgerundete geometrische Form für ein problemloses Einbringen in den im wesentlichen hohlrohrförmigen Körper bzw. das Messgestänge.

Als Temperatursensoren können elektrische Messwiderstände (z. B. PT-100 Elemente) und/oder Lichtwellenleiter (faseroptische, mit Laserlicht beaufschlagte Sensorkabel unter Anwendung einer Laufzeit- und Intensitätsauswertung des rückgestreuten Laser­ lichtes) verwendet werden.

Mit Vorteil kann ein im wesentlichen hohlrohrförmiger Körper mit einem Querschnitt in Form eines Kreises, einer Ellipse, eines Dreiecks, eines Quadrats, eines Rechtecks o­ der eines Vielecks verwendet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere zur Leckortung in Trogbaugru­ ben mit Spundwänden und/oder natürlicher horizontaler Dichtung dienen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand mehrerer Diagramme zu einer Labormessung und zu einer Versuchsmessung als Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine Bodentemperaturmessung in gekühlter Temperatursondierung,

Fig. 2 ein Temperatur-Zeit-Diagramm zu einer Beispielsmessung und

Fig. 3 ein Diagramm zur Bodentemperatur in Abhängigkeit von der Tiefe zu der Fig. 2 zugrundeliegenden Beispielsmessung.

Das Diagramm in Fig. 1 gibt im Labor gemessen Daten für die Abkühlung eines Messgestänges mit CO₂-Pellets wieder. Die Messung wurde an gesättigtem Fein- Mittelsand bei konstantem Wasserspiegel durchgeführt. Der größtenteils bei tieferen Temperaturen verlaufende Graph zeigt den Verlauf der Bodentemperatur in zentraler, gekühlter Sondierung, während der zweite größtenteils oberhalb verlaufende Graph den Bodentemperaturverlauf in etwa 10 cm Entfernung zur gekühlten Sondierung an­ gibt. Der Figur kann deutlich die rasche Abkühlung im Vergleich zur langsamen Wie­ dererwärmung ohne Filterströmung entnommen werden.

Wird das Messgestänge wie im Fall einer Leckage beispielsweise von Grundwasser umströmt, wird dem Messgestänge sehr rasch wieder Wärme zugeführt. Der ohne Umströmung mehrere Stunden dauernde Temperaturangleich reduziert sich gegebe­ nenfalls auf wenige Minuten. Bei einer Anströmung des Messgestänges mit einer Fil­ tergeschwindigkeit von 0,5 cm/min (8,3.10^-5 m/s) dauert dies etwa 15 Minuten.

Anhand von Berechnungen ergibt sich für eine sandgefüllte, kreisförmige Leckageöff­ nung in einer Sohle bei einem Durchmesser von 25 cm und einer hydraulischen Poten­ tialdifferenz von 5 m zwischen Innen- und Außenwasserstand bereits Filtergeschwind­ gigkeiten im Nahbereich des Lecks von 1.10^-3 m/s. Daran ist ersichtlich, dass mit Hilfe der Erfindung auch kleine Leckagen nachgewiesen werden können.

In Fig. 2 ist ein Diagramm zu einer Messung in einem Damm an einem Stausee mit einer Abkühlung eines Messgestänges mit verflüssigtem Kohlendioxid (LCO₂) darge­ stellt. Die Kühlung erfolgte über eine Vereisungsdauer von circa 2½ Minuten. Im Dia­ gramm sind Graphen mit Bodentemperaturen über der Zeit aufgetragen für verschie­ dene Tiefen unter der Geländeoberfläche, nämlich für Tiefen von 1 m, 2 m, 3 m, 4 m, 5 m, 6 m, 7 m, 8 m und 9 m.

Auffallend ist der im wesentlichen horizontale Verlauf in einer Tiefe von 3 m bei einer Temperatur von etwa 14°C und zwar bereits ab etwa 10 Minuten nach dem Beginn der Vereisung. Ungefähr diese Bodentemperatur lag aber auch vor der Abkühlung mit ver­ flüssigtem Kohlendioxid vor (zum Zeitpunkt 16:20 Uhr).

Fig. 3 zeigt ein weiteres Diagramm zu der der Fig. 2 zugrundeliegenden Messung. Hier sind im Unterschied zu Fig. 2 Graphen mit den verschiedenen Tiefen über Bo­ dentemperaturen für verschiedene Zeitpunkte aufgetragen. Deutlich erkennbar tritt bei einer Tiefe von 3 m trotz Abkühlung mittels verflüssigtem Kohlendioxid praktisch keine Veränderung in der Bodentemperatur an den gemessenen Zeitpunkten auf. Die ge­ messenen Bodentemperaturen in der Tiefe von 3 m unterhalb der Geländeoberfläche liegen allesamt zwischen 14 und 15°C, während in anderen Tiefen innerhalb von etwa 65 Minuten nach der Variationen in der Größenordnung von zumindest etwa 7 bis 10°C in der Bodentemperatur gemessen wurden.

Fig. 2 und 3 zeigen eine hohe Wärmezufuhr bei einer Tiefe von etwa 3 m. So kann im gezeigten Beispiel eine Leckage an dem zu überwachenden Objekt auf relativ ein­ fache Art und Weise erfasst werden, beispielsweise auch in einem Bautrog mit Spund­ wänden und/oder natürlicher Dichtsohle.

Claims (12)

1. Verfahren zur Bestimmung eines oder mehrerer thermischer Parameter im Boden, wobei die thermischen Parameter mittels mindestens eines in einem im wesentli­ chen hohlrohrförmigen Körper/befindlichen Sensors erfasst werden, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der im wesentlichen hohlrohrförmige Körper durch Einbringen eines Kühlmittels gekühlt wird, wobei als Kühlmittel ein unter Normalbedingungen in gasförmigem Aggregatzustand vorliegender Stoff in flüssigem und/oder festem Zustand oder ein solches Stoffgemisch eingesetzt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel eine Temperaturdifferenz von wenigstens 1 K, bevorzugt 2,5 K, besonders bevorzugt 10 K gegenüber der mittleren Temperatur des Bodens um den im wesentlichen hohlrohrförmigen Körper aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel eine Temperaturdifferenz zwischen 5 und 200 K gegenüber der mittleren Temperatur des Bodens aufweist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmittel zumindest teilweise Trockeneis, verflüssigter Stickstoff, verflüssigter Sauerstoff und/oder verflüssigte Luft verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Trockeneis in Form von CO₂-Pellets und/oder CO₂-Schnee benutzt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Temperatursensoren elektrische Messwiderstände und/oder Lichtwellenleiter ver­ wendet werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein im wesentlichen hohlrohrförmiger Körper mit einem Querschnitt in Form eines Kreises, einer Ellipse, eines Dreiecks, eines Quadrats, eines Rechtecks oder eines Vielecks verwendet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Leckortung in Trogbaugruben mit Spundwänden und/oder natürli­ cher horizontaler Dichtung eingesetzt wird.

9. Vorrichtung zur Bestimmung eines oder mehrerer thermischer Parameter im Bo­ den umfassend zumindest einen im wesentlichen hohlrohrförmigen Körper zur Aufnahme mindestens eines Sensors zur Erfassung der thermischen Parameter, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Einbringen zumindest eines Kühlmit­ tels aus einem unter Normalbedingungen in gasförmigem Aggregatzustand vorlie­ genden Stoff in flüssigem und/oder festem Zustand oder aus einem solchen Stoff­ gemisch in den im wesentlichen hohlrohrförmigen Körper vorgesehen sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest ei­ ne im wesentlichen hohlrohrförmige Körper so ausgebildet ist, dass das zumin­ dest eine Kühlmittel aus dem im wesentlichen hohlrohrförmigen Körper entweichen, kann.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensoren elektrische Messwiderstände und/oder Lichtwellen­ leiter umfassen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der im wesentlichen hohlrohrförmiger Körper im wesentlichen einen Querschnitt in Form eines Kreises, einer Ellipse, eines Dreiecks, eines Quadrats, eines Recht­ ecks oder eines Vielecks aufweist.