NL8902592A

NL8902592A - Water-density-determination probe - uses pressure absolute pressure and inclination pick=ups with hook at end for cable suspension

Info

Publication number: NL8902592A
Application number: NL8902592A
Authority: NL
Original assignee: Stichting Waterbouwkundig Lab
Priority date: 1989-10-19
Filing date: 1989-10-19
Publication date: 1991-05-16

Abstract

The probe determines the density profile of water, partic. in a sludge-baring waterway, and can determine the probe depth in the water. Density is determined by a pressure detector (6) pref. of the differential-pressure type. The probe can have a tubular holder closed at the bottom with the depth-determining equipment inside it. The detector has one sensitive side open to the surroundings and another open to the space inside the tubular holder (1).

Description

Sonde voor het bepalen van een slibdichtheidsprofiel.Probe for determining a sludge density profile.

De uitvinding heeft betrekking op een sonde voor het bepalen van het dichtheidsprofiel van een water, in het bijzonder van een slib houdend vaarwater, die middelen bevat voor het bepalen van de dichtheid van het water en de diepte van de sonde in het water.The invention relates to a probe for determining the density profile of a water, in particular of a silt containing water, which contains means for determining the density of the water and the depth of the probe in the water.

Een dergelijke sonde is bestemd voor het bepalen van de zogeheten nautische diepte van een vaarwater. Onder de nautische diepte van een vaarwater verstaat men de maximale diepte van dat vaarwater die voor navigatiedoeleinden nog veilig te accepteren is. In deze voor de scheepvaart vereiste waterdiepte mag ook het bovenste deel van een eventueel aanwezige laag gesedimenteerd slib houdend water betrokken zijn. In slib houdend water bevindt het slib in de hogere waterniveaus zich doorgaans in suspensie, terwijl in de onderste waterlagen het slib zich in een zogeheten gesedimenteerde toestand kan bevinden. Men spreekt in dat laatste geval van gesedimenteerd slib. Voor het bepalen van de nautische diepte is derhalve informatie over de verticale opbouw van een eventueel aanwezige laag gesedimenteerd slib vereist. In de praktijk wordt als bepalende parameter voor de bepaling van de nautische diepte de dichtheid van het slib houdend water gehanteerd. Deze dichtheid nu kan met een sonde waarop de uitvinding betrekking heeft worden bepaald.Such a probe is intended for determining the so-called nautical depth of a fairway. The nautical depth of a fairway means the maximum depth of that fairway that can still be safely accepted for navigation purposes. The upper part of any layer of sedimentary sludge containing water, if present, may also be involved in this water depth. In sludge-containing water, the sludge in the higher water levels is usually in suspension, while in the lower water layers the sludge can be in a so-called sedimented state. In the latter case, we speak of sedimented sludge. To determine the nautical depth, information about the vertical construction of a layer of sedimented sludge, if present, is therefore required. In practice, the density of the water containing sludge is used as the determining parameter for determining the nautical depth. This density can now be determined with a probe to which the invention relates.

Dergelijke sondes zijn bekend, bekende sondes worden bijvoorbeeld beschreven door P.Kerckaert, D.Vandenbossche, B.Malherbe, M.Druys en K.van Craenenbroeck in "Maintenance dredging at the Port of Zeebrugge: Procedures to achieve an operational determination of the nautical bottom" in de Proc. 9th KVIV Harbour Congress, Antwerp, June 20-24th, 1988.Such probes are known, known probes are described, for example, by P. Kerckaert, D. Vandenbossche, B. Malherbe, M. Druys and K. van Craenenbroeck in "Maintenance dredging at the Port of Zeebrugge: Procedures to achieve an operational determination of the nautical bottom "in the Proc. 9th KVIV Harbor Congress, Antwerp, June 20-24th, 1988.

De aldaar beschreven sondes zijn in beginsel combinaties van een drukopnemer voor de bepaling van de hoogte van het waterniveau boven de sonde (de diepte) en een radioactieve bron voor de bepaling van de slibdichtheid. De slibdichtheid wordt dan afgeleid uit het niveau van de in transmissie of in achterwaartse verstrooiïngsrichting aan de slibdeeltjes verstrooide straling. Voor deze afleiding is vereist dat de gebruikte sonde is geijkt in slib van bekende samenstelling (over eenkomend met die van het slib op de meetlokatie) en dichtheid. De ijking van de met een radioactieve bron uitgeruste sondes moet periodiek worden gecontroleerd. Factoren die een ijking kunnen verstoren zijn de mineralogische samenstelling van het slib en verontreinigingen van het slib met zware metalen, organische stoffen of gas.The probes described there are in principle combinations of a pressure sensor for determining the height of the water level above the probe (depth) and a radioactive source for determining the sludge density. The sludge density is then derived from the level of the radiation scattered in the transmission or rear scattering direction on the sludge particles. This derivation requires that the probe used is calibrated in sludge of known composition (similar to that of the sludge at the measurement site) and density. The calibration of the probes equipped with a radioactive source must be checked periodically. Factors that can interfere with a calibration are the mineralogical composition of the sludge and contamination of the sludge with heavy metals, organic substances or gas.

Naast het fundamentele bezwaar dat met de bekende radioactieve sondes slechts op indirecte wijze informatie over de slibdichtheid van een vaarwater kan worden verkregen, kleven aan het gebruik van deze sondes ook praktische bezwaren, deels inherent aan het werken met radioactiviteit. De bekende sondes zijn duur in aanschaf en in gebruik, het werken ermee vereist bijzondere voorzieningen en vergunningen en het vervoer ervan per vliegtuig is doorgaans niet toegestaan. Deze praktische bezwaren doen zich met name voelen wanneer ter voorbereiding op baggerwerkzaamheden in bijvoorbeeld Afrikaanse of Aziatische havens ter plaatse slibdichtheden moeten worden bepaald.In addition to the fundamental drawback that information about the sludge density of a waterway can only be obtained indirectly with the known radioactive probes, the use of these probes also has practical drawbacks, partly inherent in working with radioactivity. The well-known probes are expensive to purchase and use, working with them requires special facilities and permits, and transporting them by air is generally not allowed. These practical objections are particularly noticeable when sludge densities have to be determined on site in preparation for dredging work in, for example, African or Asian ports.

De uitvinding heeft tot doel een sonde te verschaffen waaraan bovengenoemde bezwaren niet zijn verbonden.The object of the invention is to provide a probe to which the above drawbacks are not associated.

De uitvinding voorziet hiertoe in een sonde, die middelen bevat voor het bepalen van de dichtheid en de diepte van het water, waarbij de middelen voor het bepalen van de dichtheid bestaan uit tenminste een drukopnemer. Met een sonde volgens de uitvinding kan de dichtheid ƒcz) van het slib houdende water op een diepte z direct worden afgeleid uit de relatieTo this end, the invention provides a probe comprising means for determining the density and depth of the water, the means for determining the density consisting of at least one pressure sensor. With a probe according to the invention, the density ƒcz) of the sludge-containing water at a depth z can be derived directly from the relationship

(1), waarin p(z) de gemeten druk op een waterdiepte z is en g de versnelling van de zwaartekracht. De drukopnemer is zodanig in de sonde aangebracht dat deze in direct contact met het slib houdende water staat. De diepte z kan op overigens bekende wijze met behulp van een tweede drukopnemer eveneens uit relatie (1) worden afgeleid. Hierbij is de tweede drukopnemer zodanig in de sonde aangebracht en is de sonde zodanig geconstrueerd dat de tweede drukopnemer in direct contact is met schoon water, althans water dat geen gesedimenteerd slib bevat, en bevat ook de waterkolom recht boven de tweede drukopnemer geen gesedimenteerd slib.(1), where p (z) is the measured pressure at a water depth z and g is the acceleration of gravity. The pressure transducer is mounted in the probe so that it is in direct contact with the sludge-containing water. The depth z can also be derived from relation (1) in a known manner with the aid of a second pressure sensor. Here, the second pressure sensor is arranged in the probe and the probe is constructed such that the second pressure sensor is in direct contact with clean water, at least water that does not contain any sedimented sludge, and the water column directly above the second pressure sensor does not contain any sedimented sludge.

In een voorkeursuitvoering van een sonde volgens de uitvinding is de drukopnemer voor het bepalen van de slibdichtheid een zogeheten verschildruk-opnemer. De verschildruk-opnemer is zodanig in de sonde aangebracht en de sonde is zodanig geconstrueerd dat bij gebruik onder normale bedrijfsomstandigheden een van de zijden van de drukopnemer in direct contact is met het slib houdend water aan de buitenzijde van de sonde, en de andere zijde van de drukopnemer in direct contact is met schoon water, althans water dat geen gesedimenteerd slib bevat, aan de binnenzijde van de sonde, welk schoon water deel uitmaakt van een hydrostatische kolom van schoon water, die zich uitstrekt vanaf de verschildruk-opnemer tot aan de oppervlakte van het water waarin wordt gemeten. De dichtheid ƒ(z) van het slib houdende water op een diepte z wordt bij gebruik van een sonde volgens deze voorkeursuitvoering gegeven doorIn a preferred embodiment of a probe according to the invention, the pressure sensor for determining the sludge density is a so-called differential pressure sensor. The differential pressure transducer is mounted in the probe and the probe is constructed such that, under normal operating conditions, one side of the pressure transducer is in direct contact with the sludge-containing water on the outside of the probe and the other side of the transducer. the pressure transducer is in direct contact with clean water, at least water containing no sedimentary sludge, on the inside of the probe, which clean water is part of a hydrostatic column of clean water extending from the differential pressure transducer to the surface of the water in which is measured. The density ƒ (z) of the sludge-containing water at a depth z when using a probe according to this preferred embodiment is given by

(2) waarin ƒ w de dichtheid is van het water aan de oppervlakte, zonder gesedimenteerd slib (afhankelijk van het gehalte aan zout en slib in suspensie ter plaatse), g de versnelling van de zwaartekracht is en v(z) de gemeten verschildruk tussen wel en niet slib houdend water op een diepte z is. Het voordeel van de toepassing van een verschildruk-opnemer vergeleken met een drukopnemer die de absolute druk registreert is gelegen in de nauwkeurigheid van de meting. Zoals uit vergelijking (21 valt af te leiden resulteert een eventuele systematische fout van een verschildruk-opnemer slechts in een fout in de tweede (kleinste.) term van het rechter lid.(2) where ƒw is the density of the water at the surface, without sedimented sludge (depending on the content of salt and sludge in suspension on site), g is the acceleration of gravity and v (z) is the measured differential pressure between sludge-containing and non-sludge water is at a depth z. The advantage of using a differential pressure sensor compared to a pressure sensor that records the absolute pressure lies in the accuracy of the measurement. As can be deduced from equation (21), a possible systematic error of a differential pressure sensor only results in an error in the second (smallest.) Term of the right paragraph.

In een uitvoeringsvoorbeeld van een sonde volgens de uitvinding bestaat deze uit een eenzijdig, aan de onderzijde gesloten buisvormige houder, waarbij de middelen voor het bepalen van de diepte van de sonde aan de binnenzijde van de houder zijn aangebracht en de drukopnemer zodanig is aangebracht dat deze in open verbinding staat met de omgeving buiten de houder, dan wel, indien de drukopnemer een verschildruk-opnemer is, deze zodanig is aangebracht dat deze met één gevoelige zijde in open verbinding staat met de omgeving buiten de houder, en met een andere drukgevoelige zijde in open verbinding staat met de ruimte binnen de houder. De lengte van de houder dient zodanig gekozen te zijn dat de afstand tussen de daarin geplaatste drukopnemer en de bovenzijde groter is dan de dikte van het te bemeten gedeelte van de sliblaag. (In de praktijk wordt als nautische diepte het niveau gehanteerd waarbij een sliblaag een dichtheid heeft van ca. 1200 kg/m3. In de dichtheid onder dat niveau is men voor de bepaling van de doorgangsmogelijkheden voor de scheepvaart doorgaans niet geïnteresseerd.)In an exemplary embodiment of a probe according to the invention, it consists of a one-sided, tubular container closed at the bottom, wherein the means for determining the depth of the probe are arranged on the inside of the container and the pressure sensor is arranged such that is in open communication with the environment outside the container, or, if the pressure transducer is a differential pressure sensor, it is arranged so that it is in open communication with the environment outside the container with one sensitive side, and with another pressure-sensitive side is in open communication with the space within the container. The length of the container must be chosen such that the distance between the pressure sensor placed therein and the top is greater than the thickness of the part of the sludge layer to be measured. (In practice, the nautical depth is the level at which a sludge layer has a density of approx. 1200 kg / m3. The density below that level is usually not interested in determining the passage options for shipping.)

In een volgend uitvoeringsvoorbeeld is de drukopnemer in de onderzijde van de houder opgenomen. De minimaal benodigde lengte van de houder wordt in dit voorbeeld zo beperkt mogelijk gehouden.In a further exemplary embodiment, the pressure sensor is included in the bottom of the holder. In this example, the minimum required length of the holder is kept as limited as possible.

' Het laatste uitvoeringsvoorbeeld kan nog worden uitgebreid, wan neer de houder aan de onderzijde is voorzien van middelen ter bescherming van de drukopnemer.The last exemplary embodiment can be extended further if the container is provided at the bottom with means for protecting the pressure transducer.

Deze middelen kunnen bestaan uit in het verlengde van de houder uitstekende pennen of stroken of uit een om de drukopnemer geplaatste kooi. Door toepassing van deze middelen verkleint men de kans op beschadiging van het gevoelige deel van de drukopnemer, een membraan, er. verhoogt men daarmee de levensduur van de sonde.These means can consist of pins or strips protruding in line with the container or of a cage placed around the pressure sensor. The use of these agents reduces the risk of damage to the sensitive part of the pressure transducer, a membrane. this increases the service life of the probe.

In weer een volgend uitvoeringsvoorbeeld van een buisvormige sonde volgens de uitvinding is deze voorzien van geheel of in hoofdzaak in langsrichting gerichte vinnen. Deze vinnen zorgen ervoor dat de sonde bij tewaterlating en het laten vieren van de kabels waaraan deze is opgehangen, rechtstandig naar beneden zakt.In yet another exemplary embodiment of a tubular probe according to the invention, it is provided with fins wholly or mainly in longitudinal direction. These fins ensure that the probe drops vertically when the probe is launched and the cables suspended from it are dropped.

De (gewenste) verticale stand van de buisvormige sonde tijdens de metingen kan verder nog worden bevorderd, door de sonde aan de onderzijde te voorzien van een verzwarende constructie.The (desired) vertical position of the tubular probe during the measurements can be further enhanced by providing the probe at the bottom with an aggravating construction.

De stand van de buisvormige sonde kan worden gecontroleerd, en de meetresultaten vervolgens bij een niet geheel verticale stand worden gecorrigeerd, wanneer de sonde is voorzien van een helling-opnemer.The position of the tubular probe can be checked, and the measurement results can then be corrected in a not entirely vertical position, if the probe is equipped with a slope sensor.

Om te bevorderen dat de drukopnemer werkelijk in contact komt met het op diepte z voorkomende gesedimenteerde slib, kan de sonde volgens de uitvinding worden voorzien van een elektrisch, pneumatische of anderszins aangedreven kloppend of trillend mechanisme.In order to promote that the pressure sensor actually comes into contact with the sedimented sludge occurring at depth z, the probe according to the invention can be provided with an electric, pneumatic or otherwise driven knocking or vibrating mechanism.

Met een sonde volgens de uitvinding beschikt men over een eenvoudig, goedkoop, bedrijfszeker en gemakkelijk te transporteren er, vanaf kleine schepen gemakkelijk te hanteren instrument, dat directe, d.w.z. ijkings-onafhankelijke informatie over de dichtheid van de water-slibsamenstelling als functie van de diepte levert.A probe according to the invention provides a simple, inexpensive, reliable and easy to transport instrument, which is easy to handle from small ships, which provides direct, ie calibration-independent information about the density of the water-sludge composition as a function of the depth supplies.

De uitvinding zal thans nader worden toegelicht aan de hand van de tekening.The invention will now be further elucidated with reference to the drawing.

Fig. 1 geeft een uitvoeringsvoorbeeld van een sonde volgens de uitvinding in langsdoorsnede.Fig. 1 shows an embodiment of a probe according to the invention in longitudinal section.

Fig.1 toont een sonde die bestaat uit een buisvormige houder (1), die aan de open bovenzijde (2) met een ophangbeugel (3) aan een ophang-kabel (4) is opgehangen, en die aan de onderzijde (5) door een ver-schildruk-opnemer (6) is afgesloten. De verschiIdruk-opnemer (6) en de onderkant (5) van de houder zijn voorzien van een samenwerkende schroefdraad (7). De houder (1) is aan de onderzijde (5) voorts aan de binnenzijde voorzien van een verzwarende constructie (8) en aan de buitenzijde van beschermende pennen (9). De houder bevat voorts nog een absolute-drukopnemer (10) voor het verrichten van diepte-metingen, een heiling-opnemer (11) en kabels (12) voor de beide drukopnemers (6) en (10) en de heiling-opnemer (11). Aan de buitenzijde is de houder voorzien van in langsrichting geplaatste vinnen (13).Fig. 1 shows a probe consisting of a tubular holder (1), which is suspended on the open top (2) with a suspension bracket (3) from a suspension cable (4), and which is attached to the bottom (5) by a differential pressure sensor (6) is closed. The differential pressure sensor (6) and the bottom (5) of the holder are provided with a co-operating thread (7). The holder (1) is furthermore provided on the underside (5) with an aggravating construction (8) and on the outside with protective pins (9). The holder also contains an absolute pressure transducer (10) for depth measurements, a heath transducer (11) and cables (12) for both pressure transducers (6) and (10) and the heal transducer (11 ). On the outside, the holder is provided with longitudinally placed fins (13).

Onder normale gebruiksomstandigheden (toepassing in vaarwater) wordt de sonde vanaf een meetschip neergelaten, waarbij wordt gezorgd dat de houder via de open bovenzijde (2) wordt gevuld met schoon op-pervlakte-water, althans water dat vrij is van gesedimenteerd slib, alvorens men de sonde langzaam aan de ophangkabel (4) laat zakken. De verzwarende constructie (8) en de vinnen (13) zorgen ervoor dat de sonde rechtstandig zakt. Zolang de onderkant (5) nog geen slib houdende waterlaag heeft bereikt, levert verschiIdruk-opnemer (6) een waarde nul op. Absolute-drukopnemer (10) geeft een waarde recht evenredig aan de hydrostatische druk die de kolom tussen opnemer (10) en het wateroppervlak op de opnemer (10) uitoefent, en daarmee een waarde recht evenredig aan de diepte z. Zodra verschiIdruk-opnemer (6) in contact komt met slib houdend water levert deze een signaal ongelijk nul af. Het naar de diepte z gedifferentieerde signaal van verschiIdruk-opnemer (6) is evenredig met de additionele dichtheid van het met gesedimenteerd slib vermengde water (additioneel t.o.v. de dichtheid van het - eventueel met slib in suspensie vermengde - 'schone’ water). Zolang aan de eis blijft voldaan dat de bovenkant (2) van de houder (1) niet onder het niveau van de waterlaag met gesuspendeerd slib zakt blijft de hou der gevuld met schoon water, althans water dat geen gesedimenteerd slib bevat en blijven de opnemers (10) en (6) signalen leveren die een maat zijn voor respectievelijk de diepte z en de additionele dichtheid van het slib op een diepte z, gegeven doorUnder normal conditions of use (application in waterways), the probe is lowered from a measuring vessel, ensuring that the container is filled with clean surface water, at least water free from sedimented sludge, via the open top (2). slowly lower the probe by the suspension cable (4). The aggravating construction (8) and the fins (13) ensure that the probe drops vertically. As long as the bottom (5) has not yet reached a sludge-containing water layer, the differential pressure sensor (6) gives a value of zero. Absolute pressure transducer (10) gives a value directly proportional to the hydrostatic pressure exerted by the column between the transducer (10) and the water surface on the transducer (10), and thus a value directly proportional to the depth z. 6) comes into contact with sludge-containing water, which delivers a signal with an uneven zero. The signal of differential pressure transducer (6) differentiated by depth z is proportional to the additional density of the water mixed with sedimented sludge (additionally with respect to the density of the 'clean' water - possibly mixed with sludge in suspension). As long as the requirement is met that the top (2) of the container (1) does not drop below the level of the suspended sludge water layer, the container remains filled with clean water, at least water containing no sedimented sludge, and the sensors ( 10) and (6) provide signals that are a measure of the depth z and the additional density of the sludge at a depth z, respectively, given by

(Hierbij is er gemakshalve van uitgegaan dat de beide opnemers (10) en (6) zich op eenzelfde niveau bevinden. In praktische situaties kan bij ) de verwerking van de meetresultaten op eenvoudige wijze voor een eventueel hoogte-verschil worden gecorrigeerd.)(For the sake of convenience, it is assumed that the two sensors (10) and (6) are at the same level. In practical situations, the processing of the measurement results can easily be corrected for any height difference.)

Claims

A probe for determining the density profile of a water, in particular of a silt containing water, which contains means for determining the density of the water and the depth of the probe in the water, characterized in that the means for determining the density consist of at least one pressure sensor.

Probe according to claim 1, characterized in that the pressure sensor is a so-called differential pressure sensor.

Probe according to claims 1 or 2, characterized in that it consists of a one-sided tubular container closed at the bottom, the means for determining the depth of the probe being arranged on the inside of the container and the pressure sensor is arranged such that it is in open communication with the environment outside the container, or, if the pressure sensor is a differential pressure sensor, it is arranged such that it is in open communication with the environment outside the container with one sensitive side, and with another pressure-sensitive side in open communication with the space within the container.

Probe according to claim 3, characterized in that the pressure sensor is incorporated in the underside of the container.

Probe according to claim 4, characterized in that the holder is provided at the bottom with means for protecting the pressure sensor.

Probe according to claim 5, characterized in that these means consist of pins or strips protruding in line with the container or of a cage placed around the pressure sensor.

Probe according to any one of claims 3 to 6, characterized in that the holder is provided with fins wholly or substantially in longitudinal direction.

Probe according to one of Claims 3 to 7, characterized in that it is provided with an aggravated construction at the bottom.

Probe according to any one of claims 3 to 8, characterized in that it is provided with a slope sensor.

Probe according to any one of the preceding claims, characterized in that it is provided with an electric, pneumatic or otherwise driven knocking or vibrating mechanism.