JPH11513488A - 静水圧、特に地下水の静水圧を測定する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は静水圧、特に地下水の静水圧を測定する方法に関し、空気を地下水に吹き込んで、測定管内の圧力を絶対圧力セルに供給し、次に、大気圧を測定セルの同一側に加えること、を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】 静水圧、特に地下水の静水圧を測定する方法及び装置 本発明は静水圧、特に地下水の静水圧を測定する方法に関する。 本発明はデータコレクター、測定値記録装置、及び測定値記録装置とデータコ レクターとの連動装置を有する地下水測定装置をも主題とする。 陸水学的な測定プラクシスでは、地下水面の連続的な検知が非常に重要である 。何故ならば、文明の発展によって引き起こされた環境問題の解決にとって必要 となるからである。 水は自然の中では地表水及び地下水として存在している。地表水という範疇に は河川、小川、湖及び海が含まれる。地表水の水位は、通常、自由にアクセス可 能なので、水位の検知及び記録のための装置の設置は比較的容易である。 これに対し、地下水脈を観察するためには、まず、通例、２インチ乃至６イン チ管を用いて形成される穴を空けなければならない。関係者以外の立ち入りを防 ぐために、管には閉じキャップが付いている。 その場所その場所での周辺の諸条件と、測定網操作者によって課された準則と のために、地下水用測定装置への要求は非常に厳しい。これらの要求の幾つかを 以下に述べる。 ｏ２インチ乃至６インチ管への完全な組込み。 ｏ運転温度−２０℃乃至±６０℃ ｏ結露抵抗(Kondenswasserresistenz) ｏ１０ｍの測定領域における＋１ｃｍの長時間安定的な測定精度 ｏ少なくとも１年に亘る自給的な給電 ｏ僅かな購入価格 ｏ僅かな運転コスト 水位の測定のためには、今日、多数の測定装置が用いられている。しかし乍ら 、先に述べた全要求の観点で、全ての測定法が、電子式データコレクターに関連 して地下水を測定するのに適切という訳ではない。 これまで知られた測定法は、実質的に２つの範疇、つまり縦方向測定法又は圧 力測定法に分類することができる。縦方向測定法には、アングルエンコーダ付き の浮きで作動されるすべての測定装置、音響学的及び光学的方法並びにコンダク タンスレベルによる測定が含まれる。圧力測定法には、エア式の圧力測定法（空 気吹込み法）及び電子式の（ピエゾ抵抗、容量性等の）圧力測定法のようなすべ てのシステムが含まれている。 地下水測定の分野では、これまで、アングルエンコーダ付きの浮きによる縦方 向測定法及び電子式の圧力測定法のみが実際に有用であることが実証された。Ｄ ＶＷＫの刊行物、１０７号：地下水測定装置、ボン、１９９４は、地下水測定装 置の使用に関する最新の概要を提案している。 静水圧、特に地下水の静水圧を測定する冒頭に記載のタイプの方法を前提とし て、従来技術と比較して極端に狭い径を有する室内で、このような方法を、結露 抵抗をもって、非常に省エネで、自給的に、出来る限り僅かな測定コストで実行 するという課題が、本発明の基礎になっている。 上記地下水測定装置は、一方では、出来る限り僅かな径で、この装置の部分で はないエネルギー源に独立して、結露抵抗をもって、省エネで形成されているべ きであり、直径の小さな、例えば２インチ管内に凍結なしに格納されるべきであ る。 このことをこのような方法で驚異的に達成するのは、空気を地下水へ吹き込み 、測定管内の圧力を絶対圧力セルへ供給し、次に、大気圧を同一の測定セルへ加 えることによってである。 データコレクター、測定値記録装置、及び測定値記録装置とデータコレクター との連動装置を有する上記タイプの地下水測定装置の場合にこのことが達成され るのは、測定管を開閉しかつ測定管内の圧力と大気圧を同時に制御するための一 体的なバルブ機能を有する、空気を吹き込むためのピストンポンプによってであ る。 地表水における水位の測定のためには空気吹込み方法を上首尾に用いることは 明白である。この場合、測定されるべき最低の水位の下方には、空気ホースの出 口孔がある。連続的な空気供給（減圧器、流量調整器）によって、空気ホースの 出口孔では気泡が吹き出ることが達成される。かくして、空気ホースの出口孔に おける空気の圧力はこの箇所における液体の圧力に等しい。水の密度ρに関して は、所望の水位とホース内の空気の圧力との間のリニアな関係が生じる。測定ホ ース内の空気の圧力は水の外側で補償方法（ベロー、変位分銅）又は基準圧力測 定セルで測定される。水位の記録は機械的な記録手段又はデータコレクターで行 なわれる。この測定装置に関する記述はオットー・メステヒニーク・ゲーエムベ ーハー・ウント・コー・カーゲー（住所、ルートヴィッヒシュトラーセ１６、８ ７４３７ケンプテン）の商品、コンパクトなエア式水位装置 Ｒ２５、２０．５ ０２．０００．Ｐ．Ｄ．の会社パンフレット中に見出だされる。 更に、吹込み測定装置は特許公報DL-PS 7733- IPC G 01 c、p 22 48 315.4-52 及びWP G 01 F/ 198 683により公知である。しかし乍ら、これらの吹込み測定装 置のうちのどれも、２インチ水位管に完全に組み込まれ、１年間自給的な給電装 置（６Ｖ、１．５Ａｈ）により作動されることはできない。更なる差異的特徴は 、これらの装置すべてが連続的な空気供給を必要とし、従って、リザーバタンク 内に空気容量を用意しなければならず、このことはかなりのスペースコスト及び ／又はエネルギーコストを意味することである。 表面において機械のコストがかなり掛かるので、しかも、当業者の見解では、 外側からの連続的なエネルギー供給が絶えず長時間に亘って必要があるので、地 下水測定技術では、空気吹込み方法の適用がこれまで考えられなかった。 装置と一体的なコンプレッサ（ピストンポンプ）を、絶対圧力セルとして形成 された測定セルと組み合わせることによって、上記課題は驚異的に解決される。 用いられるエネルギーが僅かであるので、空気を例えば１５分毎に連続的に供 給する必要がないことは特に目的に適っている。 全く特に合目的的な実施の形態は、測定管に比較して大きな容積へと空気を吹 き出す小径の測定管である。 装置の点では、吹出し容器の直径は測定管の直径より例えば２０倍大きくても よい。このことによって、水位が上がっても、測定エラーを非常に小さく保つこ とができる。この原理は「一定温度の閉じ込められた気体では、圧力と体積の積 は一定である」という簡単な物理学のボイルの法則に基づく。用いられるピスト ンポンプは如何なる連接リンクも有しない。このためピストンロッドは直線運動 のみを行なう。ピストンはタペットを有し、このタペットは所定の位置つまり最 大圧力位置でバルブを急激に開く。突然の圧力降下によって、測定管及び吹出し 容器から幾らか残っている水が一方では迅速に除去される。他方では、万一の凝 縮液留分及び場合によっては吹出孔にある藻も吹き払われる。 モータ、例えば直流モータを反対方向に逆転するために圧力降下の端を用いる ことは目的に適っている。 円錐バルブが特に合目的的であることが証明された。しかし乍ら、タペットは 例えばプレートをその弁座から突然に押し動かすことがある。カウンタプレッシ ャスプリングは、これがフックの範囲内でのみ作用するように形成されている。 このスプリングは目方がを計られて、例えば、ピストンのタペットがバルブに当 接する２バールの圧力で、トリガーされる。 データコレクター、ピストンポンプ、絶対圧力セル及び光学インタフェースを 、給電装置（バッテリ）と共に、１本の２インチ水位管へ挿入し、耐凍性の領域 へと井戸キャップの下方に下降されることができる。かくして、全体が耐凍性を もって格納されている。このことは極端な温度が（電子機器及び機械装置からな る）測定装置への影響を何等及ぼさないという大きな利点を有する。 電力を節約するためには、公知の装置と異なり、連続的な空気供給は行なわれ ない。しかし、（測定の間で）水位が上がるにつれ、吹出し容器及び測定管内の 空気が圧縮されるので、水と空気との境界が変位される。このことは、水位が上 がるに連れて水が吹出し容器へ浸入することを意味する。測定された圧力は、か くして、吹出孔には最早関係なく、吹出し容器内の水位の高さに関係する。 公知の装置では、十分に多い空気供給によって、連続的にこのようなエラー源 を除去される。しかし乍ら、必要な空気量を追加することができるためには、こ れらの装置の電力消費が余りに高いので、上記課題を満たすことができない。し かし、この課題は本発明の容積比及び／又は直径比によって驚異的に解決される と見做される。 最後に、本発明は、地表水の測定のために知られた空気吹込みを地下水測定に 適用することを目指している。公知のコンプレッサは、ピストンに共に取着され かつバルブを作動するタペットを有する、連接棒のないピストンロッドと交換さ れ、圧力は絶対圧力源を介して測定される。 本発明の措置によって、地下水の水位管内で静水学的な水圧を本発明に基づき 測定する場合に、 ｏ空気吹込み原理を適用できること、 ｏ装置を１本の２インチ水位管へ組み込むことができること、 ｏ−２０℃乃至＋６０℃の外部温度で作業を確実に保証すること、 ｏ結露抵抗を見込むことができること、 ｏ１０ｍの測定領域において±１ｃｍの長時間安定的な測定精度を保証するこ と、 ｏ公知の装置では考えることができないが、少なくとも１年に亘って自給的に 電力を供給すること、 公知の装置に比較して装置の購入価格が５０％まで下回っていること、及び ｏ運転コストが僅かであること、 が達成される。 簡単な昇降ケーブルによって機械的及び電子式装置を容易に引き上げることが できる。気泡吹出し容器を以下に詳述するように取り付けることによって、気泡 吹出し容器をその場所から除去する必要がない。 以下に記述するように、絶対圧力セルの零点変位の場合でさえ、測定精度は損 なわれない。 本発明の措置によって、一方では閉鎖可能であり、他方では、例えば油流出事 故による汚染の危険なしに諸都市で用いることができる、閉じ機能を有するキャ ップを装着することができる。 本発明の具体的な実施の形態を添付の図面を参照して詳述する 図１は地下水測定のための本発明の新規な空気吹込み装置を用いた装置構造の 略図である。 図２は測定精度を明確にするためのダイアグラムである。 図３は地下水用水位管内での測定操作中の本発明の実施の形態の略図である。 図１は測定されるべき最下位の下方にある吹出し容器(Ausperltopf)１を示し ている。吹出し容器１の周囲に亘って、互いに規則的な間隔をあけて、複数の吹 出し孔２が設けられている。吹出し容器１自体は測定管３を介してピストンポン プ４に接続されている。 吹出し容器１の横断面積が測定管３の横断面積よりも４倍大きいことは重要で ある。吹出し容器の横断面積と測定管の横断面積との間の比βは例えば４００を 越えるほうがよい。 ピストンポンプ４は、ロッド１０が取り付けられているピストン９と、２つの 孔６及び８を備えたシリンダスリーブ５とにより構成されている。ピストン９の 下端には、戻りばね１１と閉じ錐体(Schliesskegel)１２とからなるバルブ形式 の機構が設けられている。ピストン９は、電動モータ２１に接続されたピストン ロッド（台形ねじロッド）１３を介して上下動する。 ピストンが上方の位置にあるときは、空気は孔６を介してシリンダ室へ達する 。シリンダの内部の圧力は正に大気圧に対応している。このような位置関係では 、絶対圧力測定セル１４を用いて大気圧が測定される。絶対圧力測定セル１４は 孔８に接続されており、かくして、シリンダ室内の大気圧に接している。 ピストン９が今下方へ変位すると、閉じ込められた空気がシリンダ室内で例え ば約２バールに圧縮される。約２バールに達すると、ロッド１０は閉じ錐体１２ を押して、出口２０を開く。この結果、空気は測定管３中へ急激に流れ込む。ポ ンピング工程は、吹出し容器１に入っている水が押し出されるまで、繰り返され る。急激に空気を測定管へ吹き込むことは、更に、測定管３内に水滴が場合によ ってはあっても押し出されるという大きな利点を有する。 ピストン９の逆転運動を制御するためには、最大ピストン圧力から生じる測定 された圧力降下の端（最下位）と、大気圧値（最上位）とが用いられる。 ピストン９が移動している時間は、水位の変化（上昇）及び望ましい測定間隔 に従う。 測定管内の圧力の測定の際には、ピストン９は最下位にある。測定管３内の圧 力はかくして絶対圧力測定セル１４へ送られる。 測定管内の圧力と大気圧の測定とは必要である。何故ならば、絶対圧力測定検 出器は大気圧を自動的に補償することができないからである。静水圧の計算はデ ータを収集し評価するための電子機器に基づいて行なわれる。 しかし乍ら、選択された装置、つまり、絶対圧力測定セルに接続され、バルブ 機能を有するピストンポンプは、非常に正確なかつ長時間安定的な測定を保証す る。この装置は湿気に対する完全な不感受性を有する。選択された装置の他の利 点は、絶対圧力測定セルの零点変位があっても、そのことで測定精度が低下する ことがないことである。 実情が略図（図２）に示されている。圧力測定セルの特性線は所望の測定量（ 入力量）と受信された出力信号との間の関係を示している。特性線は式ｙ＝ａ＋ ｂｘで表される。この装置による測定の際にはｐｏ及びｐｏ＋ｐｗが測定される 。このとき、静水圧の計算はΔＶ＝Ｖ２−Ｖ１を用いて行なわれる。特性線の変 位（零点変位）が生じると、このことは測定の際にエラーを引き起こさない。Δ Ｖ＝Ｖ２−Ｖ１は引き続き同一である。 圧力検出器によって測定された圧力は、水柱と水の密度＋水に作用する大気圧 との積である。空気圧の影響を除外するために、公知の装置では、差圧測定機能 を有する圧力検出器が用いられる。このためには、大気中の空気圧は薄いチュー ブを通って検出器の膜の裏側へ送られる。この空気チューブの中で滴に凝縮され た湿気は、空気の通りを阻み、かくして、測定エラーを不可避的に伴う。 測定された数値（測定管内の圧力及び大気圧）は電子収集・評価装置３０へ送 られる。現場で得られた測定値を表示するには、電子収集・評価装置３０にディ スプレイ３１が設けられている。同様に電子収集・評価装置に接続されている光 学インタフェース（赤外線）２５を用いて、収集されたデータを、必要な場合に は、電子収集・評価装置のメモリから読み出すことができる。 図３には、測定装置３９の他の利点が示されている。読出しのため又はバッテ リの交換のために測定装置を管から取り外す必要がある。しかし乍ら、この場合 、吹出し容器１の位置を変える必要がない。このことは、吹出し容器１が細いワ イヤ４０に取り付けられており、このワイヤ４０が上へと延びて閉じキャップ(P e- gelverschlusskappe)４２の下方の特殊な保持装置４１に取り付けられているこ とによって達成される。測定装置３９は同様に測定管３を介して吹出し容器１に 接続されているので、測定管の上部は渦巻状に設計されている。測定装置の取外 しの際に、測定管３が更に縦方向に数メートル伸びてもよく、このことによって は、吹出し容器１の位置は変わらない。 測定装置自体は弾性ケーブルを介して同様に保持装置４１に取り付けられてい る。弾性ケーブルは降下の際の荷重による測定装置の損傷を防止する。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年９月１５日 【補正内容】 請求の範囲 １．空気を水に吹き込み、測定管内の圧力を絶対圧力セルに供給し、次に、大 気圧をこの測定セルの同一側に加え、地下水の静水圧の測定のために、空気を地 下水に吹き込み、小径の測定管が、この測定管に比較して大きな容積（例えば、 吹込み容器の横断面対前記測定管の横断面が４００より大きい）へと空気を吹き 出してなる、静水圧を測定する方法。 ２．最大限のピストン圧力から生じる圧力降下の端が、ピストンを逆転運動さ せるための歯車装置を制御すること、を特徴とする請求項１に記載の方法。 ３．吹込み原理に基づいて作動するデータコレクター、ピストンポンプ、絶対 圧力測定点及び光学インタフェースを、給電装置（バッテリ）と共に、１本の２ インチ水位管へ挿入すること、を特徴とする請求項１又は２に記載の方法。 ４．表面測定から知られたエアコンプレッサを、前記ピストンに共に取着され かつバルブを作動するタペットを有する、連接棒のないピストンロッドと交換し 、圧力を絶対圧力セルを介して測定してなる、地表水の測定のために知られた空 気吹込み装置の地下水測定への適用。 ５．データコレクター、測定値記録装置、及び測定値記録装置とデータコレク ターとの連動装置を有する、静水圧を測定する測定装置において、 測定管（３）を開閉しかつ測定管内の圧力と大気圧を同時に制御するための一 体的なバルブ機能を有する、空気を吹き込むための、外部（２１）で駆動される ピストンポン（４）を具備し、正にこのピストンポン（４）から、絶対圧力セル （１４）にまず地下水測定装置（１；２）の測定管内圧力、次に、大気圧を加え ることができること、を特徴する測定装置。 ６．地下水の測定のために、前記ピストンポン（４）のシリンダ（５）は大気 圧用の孔（６）、前記絶対圧力測定セルのための孔（８）並びに、対面では、バ ルブ機構（１１；１２）を作動しかつ前記ピストンに設けられた固定式のロッド （１０）のための出口（２０）を有するのみであること、を特徴とする請求項５ に記載の静水圧を測定する測定装置。 ７．大気圧（６）及び圧力センサ（８）用の複数の接続部が前記ピストンポン プ（５；９）のシリンダ（５）に連通していること、を特徴とする請求項６に記 載の測定装置。 ８．データコレクター、ピストンポンプ（４）、絶対圧力測定セル（１４）及 び光学インタフェース（２５）が１本の２インチ水位管（図３）に完全に据えら れていること、を特徴とする請求項５乃至７のいずれか１に記載の地下水測定装 置。 ９．データ伝送インタフェースは光学インタフェース（２５）として、特に赤 外線インタフェースとして形成されていること、を特徴とする請求項５乃至８の いずれか１に記載の地下水測定装置。 １０．前記データコレクターは、可撓性をもって、例えば渦巻状のケーブル（ 例えば図３）を介して、空気吹出し容器（１）に接続されており、この空気吹出 し容器自体はデータコレクター用及びコンプレッサ（ピストンポンプ）用の取付 点を介して引張りケーブル（４０）等に吊着されていること、を特徴とする請求 項１乃至９のいずれか１に記載の地下水測定装置。 １１．感度の良いすべての構成要素が凍結の限界以下の領域に据えられており 、データコレクターは簡単に表面に引上げ可能に形成されていること、を特徴と する請求項１乃至１０のいずれか１に記載の地下水測定装置。 １２．前記吹出し容器（１）は見込まれる最低の水位より下にあるレベルに吊 り下げられていること、を特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１に記載の地 下水測定装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シィック、フランツ ドイツ連邦共和国、デー−87700 メンミ ンゲム、アンメンディンゲン、アルベルト −アインシュタイン−シュトラーセ 31 (72)発明者 フェルダー、アントン ドイツ連邦共和国、デー−87435 ケンプ テン、シラーシュトラーセ 48 (72)発明者 バウアー、ハインリヒ ドイツ連邦共和国、デー−86424 アルツ スリート、シュルシュトラーセ １

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．空気を地下水に吹き込んで、静水圧、特に地下水の静水圧を測定する方法 において、 測定管内の圧力を絶対圧力セルに供給し、次に、大気圧をこの測定セルの同一 側に加えること、を特徴とする方法。 ２．空気を非連続的に供給すること、を特徴とする請求項１に記載の方法。 ３．小径の測定管が、この測定管に比較して大きな容積へと空気を吹き出すこ と、を特徴とする請求項１又は２に記載の方法。 ４．最大限のピストン圧力から生じる圧力降下の端が、ピストンを逆転運動さ せるための歯車装置を制御すること、を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１ に記載の方法。 ５．データコレクター、ピストンポンプ、絶対圧力測定点及び光学インタフェ ースを、給電装置（バッテリ）と共に、１本の２インチ水位管へ挿入すること、 を特徴とする請求項１乃至４のいずれか１に記載の方法。 ６．コンプレッサを、前記ピストンに共に取着されかつバルブを作動するタペ ットを有する、連接棒のないピストンロッドと交換した後に、圧力を絶対圧力セ ルを介して測定してなる、地表水の測定のために知られた空気吹込み装置の地下 水測定への適用。 ７．データコレクター、測定値記録装置、及び測定値記録装置とデータコレク ターとの連動装置を有する地下水測定装置において、 測定管を開閉しかつ測定管内の圧力と大気圧を同時に制御するための一体的な バルブ機能を有する、空気を吹き込むためのピストンポンプを具備すること、を 特徴とする地下水測定装置。 ８．測定管への非連続的な空気供給を特徴とする請求項７に記載の地下水測定 装置。 ９．大気圧及び圧力センサ用の複数の接続部が前記ピストンポンプのシリンダ に連通していること、を特徴とする請求項７又は８に記載の地下水測定装置。 １０．前記測定管の端部にある吹出し容器の直径は前記測定管の直径よりも４ 倍、特に２０：１で大きいこと、を特徴とする請求項７乃至９のいずれか１に記 載の地下水測定装置。 １１．データコレクター、ピストンポンプ、絶対圧力測定セル及び光学インタ フェースが１本の２インチ水位管に完全に据えられていること、を特徴とする請 求項７乃至１０のいずれか１に記載の地下水測定装置。 １２．大気圧用の測定装置及び測定管内の圧力用の測定装置は、絶対圧力セル として形成されていること、を特徴とする請求項７乃至１１のいずれか１に記載 の地下水測定装置。 １３．データ伝送インタフェースは光学インタフェースとして、特に赤外線イ ンタフェースとして形成されていること、を特徴とする請求項７乃至１２のいず れか１に記載の地下水測定装置。 １４．前記データコレクターは、可撓性をもって、例えば渦巻状のケーブルを 介して、空気吹出し容器に接続されており、この空気吹出し容器自体はデータコ レクター用及びコンプレッサ（ピストンポンプ）用の取付点を介して引張りケー ブル等に吊着されていること、を特徴とする請求項７乃至１３のいずれか１に記 載の地下水測定装置。 １５．感度の良いすべての構成要素が凍結の限界以下の領域に据えられており 、データコレクターは簡単に表面に引上げ可能に形成されていること、を特徴と する請求項７乃至１４のいずれか１に記載の地下水測定装置。 １６．前記吹出し容器は見込まれる最低の水位より下にあるレベルに吊り下げ られていること、を特徴とする請求項７乃至１５のいずれか１に記載の地下水測 定装置。