DE3933116A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen des fluessigkeitspegels im untergrund - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft das Messen des Flüssigkeitspegels und bezieht sich insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, auf das Messen eines Flüssigkeitspegels in einem Bohrloch.

Üblicherweise benutzt man einen langgestreckten Hohlraum in Form eines Bohrloches, das üblicherweise mit einem Steig­ rohr ausgekleidet ist, dazu, die Überwachung von Wasser­ pegeln bei Ingenieurbau-Erdarbeiten oder bei Baugrundunter­ suchungen zu überwachen.

Die Kenntnis des Wasserpegels läßt sich dazu verwenden, um den tatsächlichen Grundwasserpegel im ungestörten Unter­ grund anzugeben, oder kann beispielsweise als Anzeige für den Erddruck in Fällen dienen, in denen ein Erddamm oder ein großes Gebäude errichtet worden ist. Ingenieurmäßig errichtete Erdbauwerke sind für ihre Sicherheit von der genauen Kenntnis des tatsächlichen Wasserpegels abhängig, weil eine gesättigte Erdaufschüttung ohne Warnung zusammen­ stürzen kann. In ähnlicher Weise werden Fundamente großer Gebäude und andere von Menschenhand errichtete Konstruktionen durch den Wasserspiegel beeinträchtigt. Einstürze können sich während Perioden starker Regenfälle ergeben, wenn der Untergrund fließend wird, was katastrophale Folgen haben und zu einer beträchtlichen Anzahl von Todesopfern führen kann.

Es ist daher wichtig, daß man in der Lage ist, den tatsäch­ lichen Flüssigkeitspegel zu ermitteln und Änderungen des Flüssigkeitspegels über einen Zeitraum hinweg zu überwachen.

Die Anwendung von Bohrlöchern ist jahrzehntelang bekannt, und man hat den Wasserpegel im Rohr auf verschiedene Arten und Weisen ermittelt. Eine grundsätzliche Methode sieht das Einführen eines langen Meßbandes in das Bohrloch oder Steigrohr vor, wobei das Band abgesenkt wird, bis eine Elektrode an dem Band die Wasseroberfläche berührt, wobei ein direktes Maß für den Wasserpegel durch Ablesen einer Maßeinteilung am Band erhalten wird. Ein anderes Verfahren sieht das Einführen eines Rohres mit einem offenen Ende vor, das unter die Wasseroberfläche in dem Bohrloch oder dem Steigrohr gebracht wird. Gas wird sodann durch das Rohr gepumpt, und wenn der Gasdruck dem Wasserdruck am Grunde des Rohres entspricht, tritt das Gas am unteren Ende des Rohres aus. Wenn der Druck einmal bekannt ist, kann der Wasserpegel ermittelt werden, indem man den Abstand zwischen dem oberen Ende des Bohrloches oder des Steigrohres und dem unteren Ende des Rohres in Rechnung setzt, der bekannt ist. Beide vorstehend genannten Systeme leiden jedoch unter dem Nachteil, daß es zeitraubend ist, das Band oder das Rohr niederzubringen, um eine Messung durchzuführen. Auch kann es, wenn das Steigrohr geneigt oder in irgendeinem Ausmaße gebogen ist, schwierig sein, das Meßband oder Rohr in dem Steigrohr niederzulassen.

Es wurde auch bereits vorgeschlagen, einen Schallimpuls vom Erdniveau aus gegen die Wasseroberfläche auszusenden, wobei Instrumente vorgesehen sind, um für eine Berechnung der Lage der Wasseroberfläche die Zeitdauer zu messen, die verstreicht, bis der Schall von der Wasseroberfläche wieder zu der Schallquelle reflektiert wird. Ein solches System kann ungenau werden, wenn der Impuls durch irgendein kleines Hindernis in dem Bohrloch reflektiert wird oder wenn das Rohr gebogen ist und dadurch bewirkt wird, daß der Impuls von einem Wandabschnitt des Rohres reflektiert wird anstatt von der Wasseroberfläche.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes System aufzu­ zeigen, das sich für die Messung des Wasserpegels in einem Bohrloch oder einer anderen Umgebung eignet und das die Nachteile früherer Methoden wesentlich verringert.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß bezüglich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruches 1 und bezüglich der zum Durchführen des Verfahrens vorgesehenen Vorrichtung durch die Merkmale des Anspruches 7 gelöst.

Bei der Erfindung ergibt sich der Vorteil, daß ein Antwort­ signal als elektrisches Dauersignal erhalten wird und daß ein solches Antwortsignal eine wesentlich geringere Gefahr einer gestörten Messung mit sich bringt.

Vorzugsweise ist die Wandung des Bohrlochs zweckmäßig unab­ sorbierend, so daß das rückkehrende Signal eine ausreichende Stärke hat, um feststellbar zu sein. Außerdem sollte das Bohrloch vorzugsweise keine größere unbekannte Diskontinuität aufweisen, weil eine derartige Diskontinuität als starker Reflektor für das ausgesandte Signal wirken könnte und daher ein gestörtes Ergebnis geben könnte.

Das Antwortsignal kann ein von der Flüssigkeitsoberfläche reflektiertes Rückkehrsignal sein, und das Rückkehrsignal kann in Phase oder außer Phase mit dem von der Vorrichtung ausgesandten Signal sein. Das Rückkehrsignal kann in Phase oder außer Phase mit einem Signal sein, das von der Vorrich­ tung im wesentlichen zu dem Zeitpunkt ausgesandt wird, zu dem das Rückkehrsignal die das Signal aussendende Vorrichtung erreicht. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung ein im wesentlichen kontinuierliches Signal aussenden und feststellen, dessen Frequenz zeitabhängig variieren kann.

Vorzugsweise sendet die das Signal aussendende Vorrichtung eine Frequenz aus, die mit der Zeit variiert, und die Diffe­ renz zwischen dem ausgesandten und empfangenen Signal liefert eine Anzeige des tatsächlichen Flüssigkeitspegels.

Die Frequenz kann so variiert werden, daß die Frequenz der Vorrichtung, wenn sie ein erstes Signal aussendet, von der Frequenz unterschiedlich ist, die ausgesandt wird, wenn die Reflexion des ersten Signales wieder an der Vorrichtung eintrifft. In einem solchen Fall trägt die Frequenz des Rückkehrsignals entweder zu einer Verstärkung oder Abschwächung des ausgesandten Signals bei, und die Einrichtung zum Fest­ stellen des Antwortsignals kann so ausgebildet sein, daß die Stärke der Kohärenz zwischen ausgesandtem und reflektier­ tem Signal ermittelt wird. Aus dem festgestellten Antwort­ signal kann der Flüssigkeitspegel ermittelt werden.

Die Frequenz kann stattdessen auch verändert werden, bis ein Resonanzpunkt in dem Hohlraum oberhalb des Wasserpegels gefunden ist. Aus der Resonanzfrequenz kann der Flüssigkeits­ pegel ermittelt werden.

In einem anderen Fall kann die Frequenz verändert werden, bis eine Antiresonanz gefunden wird, und aus der Antireso­ nanzfrequenz kann wiederum der Wasserpegel ermittelt werden.

Da die Lufttemperatur in dem Hohlraum oberhalb des Flüssig­ keitspegels einen Einfluß auf die Schallgeschwindigkeit hat, können Mittel vorgesehen sein, um eine Kompensation für die Lufttemperatur vorzunehmen.

Vorzugsweise umfaßt das Verfahren die Verwendung eines Schall­ signals, das durch eine elektromagnetische Quelle erzeugt ist, beispielsweise einen Lautsprecher.

Der Hohlraum kann ein Bohrloch aufweisen, das mit einem Steig­ rohr ausgekleidet ist oder ein solches enthalten kann. In dem letzteren Falle sieht das Verfahren vorzugsweise vor, daß eine Vorrichtung benutzt wird, um den Schall in das Steigrohr hinein auszusenden.

Bei der Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorzugsweise eine elektromagnetische oder andere elektrisch steuerbare Einrichtung zum Erzeugen des Signals vorgesehen, beispielsweise ein Lautsprecher. Die Einrichtung kann in einem Gehäuse angeordnet sein, das in dem oberen Ende des Hohlraumes und/oder rund um dieses obere Ende angeordnet ist. Vorzugsweise schließt das Gehäuse das obere Ende des Hohlraums ab.

Die Vorrichtung weist vorzugsweise Mittel auf, um die elektro­ motorische Gegenkraft der elektromagnetischen Einrichtung festzustellen.

In Fällen, in denen die Frequenz des ausgesandten Signals verändert werden soll, um reflektierte Signale zu erzeugen, die mit den ausgesandten Signalen eine sich ändernde Kohärenz besitzen, kann die Einrichtung eine elektromotorische Gegen­ kraft feststellen, die zunimmt oder abnimmt, wenn sich ent­ sprechende Zunahmen oder Abnahmen der Kohärenz ergeben. Wenn die Frequenzen für bestimmte Kohärenzpegel festgestellt sind, läßt sich der Flüssigkeitspegel ermitteln.

Wenn die Frequenz verändert wird, bis eine Resonanz gefunden ist, hat die elektromotorische Gegenkraft ihren Größtwert.

Wird die Frequenz geändert, bis eine Antiresonanz gefunden ist, dann hat die elektromotorische Gegenkraft ihren Kleinst­ wert.

Aus den erhaltenen Signalen der elektromotorischen Gegen­ kraft kann der Wasserpegel schnell und genau ermittelt werden, insbesondere unter Verwendung eines Microprozessors.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung im ein­ zelnen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 und 2 schematisch vereinfachte Darstellungen früher üblicher Verfahren zum Messen des Wasserpegels in einem Steigrohr;

Fig. 3 eine schematisch vereinfacht gezeichnete Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ermitteln des Wasserpegels in einem Steigrohr mit ober­ halb des Wassers befindlicher Luftsäule;

Fig. 4 eine Darstellung des Steigrohres von Fig. 3 mit der Luftsäule bei einer Anti-Resonanz­ frequenz;

Fig. 5 eine Schnittdarstellung eines Lautsprecherge­ häuses für die Anordnung am oberen Ende des Steigrohres, in einem größeren Maßstab gezeich­ net;

Fig. 6 und 7 Wellenzüge in einem Steigrohr, wobei das Ausmaß der Kohärenz zwischen ausgesandten und reflektierten Wellen für die Ermittlung des Wasserpegels festgestellt wird;

Fig. 8 Diagramme des Verlaufs der Frequenz bzw. der elektromotorischen Gegenkraft;

Fig. 9 eine Darstellung der Anwendung der Erfindung bei einem deformierten Steigrohr und

Fig. 10 die Anwendung der Erfindung bei einem ge­ neigten Steigrohr.

In Fig. 1 ist ein Steigrohr 10 in bekannter Weise im Erd­ boden 11 angeordnet. Es ist nicht ungewöhnlich, wenn sich das untere Ende eines Steigrohres etwa 100 Meter oder ähnlich weit unterhalb der Oberfläche des Erdbodens 11 befindet. Wasser 12 sammelt sich in dem Steigrohr und steigt bis zu einem mit 13 bezeichneten Pegel, je nach Bodendruck. Der Bodendruck kann durch das Vorhandensein von Erdaufschüttungen oder anderen Belastungen des Untergrunds beeinträchtig werden, beispielsweise durch große Gebäude. Die Länge L des Steig­ rohres 10 ist bekannt, und sobald der Pegel 13 des Wassers 12 ermittelt ist, läßt sich der Erddruck am unteren Ende des Steigrohres berechnen. In Fig. 1 wird der Wasserpegel 13 mittels eines Meßbandes 9 a einer "Absenkmeßeinrichtung" 9 ermittelt, das abgesenkt wird, bis eine Elektrode am unteren Ende des Bandes die Oberfläche des Wassers 12 berührt. Der Abstand zwischen dem oberen Ende des Steigrohres und der Wasseroberfläche 12 a, also die Tiefe D, wird dann unmittelbar an Maßeinteilungen an dem Absenk-Meßband 9 a ablesbar. Die Absenkmeßmethode ist etwas umständlich, weil es eine be­ trächtliche Zeit dauern kann, das Meßband in einem sehr langen Steigrohr abzusenken. Außerdem kann es, falls sich in dem Steigrohr irgendeine kleinere Blockade befindet, beispielsweise ein kleiner Stein, manchmal schwierig sein, das untere Ende des Meßbandes um die Blockade herum zu ma­ növrieren.

In Fig. 2 ist ein Rohr 15 in das Steigrohr 10 abgesenkt, bis das untere Ende des Rohres 15 sich unterhalb der Ober­ fläche 12 a des Wassers 12 befindet. Die Strecke T zwischen dem oberen Ende des Steigrohres 10 und dem unteren Ende des Rohres 15 ist bekannt, und Luft wird mittels einer Pumpe und eines Luftstromsteuergeräts 16 durch das Rohr 15 hindurch gepumpt, bis sich ein ausreichender Druck in dem Rohr auf­ gebaut hat, dessen Größe ausreicht, um die Luft langsam am unteren Ende austreten zu lassen. Das in dem Rohr 15 erreichte Druckmaximum wird festgestellt, und der Abstand S zwischen dem unteren Ende des Rohres 15 und der Wasserober­ fläche 12 a kann nun ermittelt und die Tiefe D berechnet werden. Auch dieses besondere System kann bei seiner Benutzung wegen der Zeit, die gebraucht wird, um das Rohr 15 in das Steigrohr abzusenken, langsam sein.

Beide der mit Bezug auf Fig. 1 und 2 beschreibenden Methoden sind schwierig anzuwenden, wenn das Steigrohr wesentlich geneigt oder gekrümmt ist, weil das Meßband 9 a und das Rohr 15 nicht auf einfache Weise um Biegungen manövrierbar sind und sich nicht auf einfache Weise längs geneigter Abschnitte des Steigrohrs bewegen lassen.

Eine Ausführungsform der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 3 bis 5 gezeigt. In Fig. 3 ist ein innerhalb eines Gehäuses 22 befindlicher Lautsprecher 20 an dem oberen Ende des Steigrohres 10 angeordnet. Wie in Fig. 5 klar gezeigt ist, weist das Gehäuse 22 einen im wesent­ lichen kegelstumpfförmigen Körper 23 auf, der einen zylindri­ schen Fortsatz 24 an seinem unteren Ende besitzt. Der Fortsatz 24 nimmt das obere Ende des Steigrohres 10 auf, das eine ringförmige Schulter 25 an dem Körper 23 berührt. Das obere Ende des Körpers 23 ist mit einer weiteren ringförmigen Schulter 26 versehen, die die Lagerung des Lautsprechers 20 bildet, wobei der Lautsprecher mittels eines Deckels 27 in seiner Lage gesichert wird, der in geeigneter Weise an dem Körper 23 befestigt ist.

Der Lautsprecher 20 ist durch eine Treiberschaltung 28 betä­ tigt, die einen Oszillator 29, eine Meßschaltung 30 für die elektromotorische Gegenkraft und einen Microprozessor 32 enthält.

Im Betrieb ist das Gehäuse 22 in der in Fig. 3 gezeigten Stellung positioniert, und die Treiberschaltung 28 wird betätigt, um zu bewirken, daß der Lautsprecher 20 Schall über einen Frequenzbereich aussendet, um zumindest zwei Resonanzfrequenzen in der Luftsäule zwischen der Oberfläche 12 a und dem oberen Ende des Steigrohres 10 zu erzeugen. Falls nicht der Wasserpegel 13 in einem langen Steigrohr sehr hoch ist, ist es normalerweise nicht möglich, mit einem Lautsprecher eine Resonanz bei der Grundfrequenz (f₀) des Steigrohres zu erzeugen, was eine Viertelwellenlänge ergeben würde, wie sie in strichpunktierter Linie bei 21 in Fig. 3 gezeigt ist. Daher benutzt man einen Ton, dessen Frequenz höher ist als die Grundfrequenz, um eine Resonanz zu erzeugen. Bei Resonanz ist die elektromotorische Gegenkraft des Laut­ sprechers auf ihrem Maximum, und die Meßschaltung 30 re­ gistriert sofort die Resonanzfrequenzen über den überstrichenen Frequenzbereich. Diese Frequenzen benutzt der Microprozessor 32, um die Tiefe D zwischen der Oberfläche 12 a des Wassers und dem oberen Ende des Rohres zu ermitteln.

Geschlossene Rohre erzeugen ungeradzahlige Harmonische. Wenn f₀ die Grundfrequenz ist, bilden daher 3f₀, 5f₀, 7f₀ . . . 27f₀, 29f₀, 31f₀ usw. Resonanzfrequenzen in Form von Ober­ tönen. Die Differenz zwischen zwei benachbarten, ungeradzah­ ligen Harmonischen, beispielsweise zwischen 27f₀ und 29f₀, ist gleich 2f₀, so daß sich die Grundfrequenz leicht ermitteln läßt. Wenn die Grundfrequenz einmal bekannt ist, läßt sich die Tiefe D, ausgehend von folgender Gleichung, ermitteln:

V = f λ.

Worin V die Schallgeschwindigkeit in Luft und λ die Wellen­ länge bedeuten. Bei einem geschlossenen Rohr ist λ=4D bei f₀.

Daher gilt:

Der Wert von V ist bekannt, und der Microprozessor 32 ist so programmiert, daß die Tiefe D aus den gegebenen Parametern V und den Resonanzfrequenzen erhalten wird. Es ist bekannt, daß die Schallgeschwindigkeit in Luft mit der Temperatur sich ändert, und es kann eine Kompensierschaltung 33 vor­ gesehen sein, um einen Temperaturfaktor für den Microprozessor 32 zu liefern. Wenn die Temperatur an der Oberfläche des Erdbodens, und daher die Temperatur im Erdboden, im wesent­ lichen konstant sind, kann ein Temperaturgradient 34, der tabellarisch gewonnen ist, in die Schaltung 33 eingegeben werden, um eine entsprechende Information für den Micro­ prozessor 32 zu erzeugen. Da die Schallgeschwindigkeit in Luft proportional zu der Quadratwurzel der absoluten Tempe­ ratur ist, läßt sich die Tiefe D durch folgende Gleichung ausdrücken:

worin V₀ die Schallgeschwindigkeit bei 0°C und t die Durch­ schnittstemperatur der Luft in dem Steigrohr 10 sind.

Anstatt die Resonanz in dem Steigrohr 10 zu benutzen, um den Wasserpegel zu ermitteln, kann eine Gegenresonanz benutzt werden, wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Hierbei muß der Laut­ sprecher 20 seine größte Arbeit leisten, um eine Schallwelle in dem Rohr zu erzeugen. Auch hier wird wiederum die elektro­ motorische Gegenkraft bei unterschiedlichen Frequenzen ge­ messen, und die Ergebnisse werden benutzt, um die Tiefe D zu berechnen. Wenn man es wünscht, können in jedem gegebenen Frequenzbereich sowohl die Resonanzfrequenzen als auch die Gegenresonanzfrequenzen benutzt und die Ergebnisse in Rech­ nung gesetzt werden, um eine sehr genaue Meßzahl für die Tiefe D zu gewinnen.

Diese Verfahrensoperation kann automatisiert werden, indem man die Anordnung so trifft, daß eine verhältnismäßig lang­ same und kontinuierliche Frequenzänderung des vom Lautsprecher 20 ausgesandten Schalles stattfindet. Wenn die Änderungsge­ schwindigkeit der Frequenz klein ist, verglichen mit der Laufzeit des Signals, kann diese Methode mit der manuellen Frequenzabstimmung für das Ermitteln von Resonanzfrequenzen und Gegenresonanzfrequenzen gleichgesetzt werden.

Die Vorrichtung gemäß Fig. 3 bis 5 kann unterschiedlich benutzt werden, wie nun unter Bezugnahme auf Fig. 6 und 7 beschrieben wird.

Anstatt die Frequenz zu variieren, um eine spezielle Stelle der Resonanz oder der Gegenresonanz zu finden, was einige Zeit dauern kann, kann die Methode beschleunig werden, indem das Ausmaß der Kohärenz zwischen dem ausgesandten Signal und dem von der Wasseroberfläche reflektierten Signal er­ mittelt wird, während die ausgesandte Frequenz langsam erhöht oder abgesenkt wird. Dieses Verfahren ist automatisiertem, manuellem Abstimmen gleichwertig und setzt voraus, daß die Änderungsgeschwindigkeit der Frequenz gering ist, verglichen mit der Signallaufzeit.

In Fig. 6 nimmt die Frequenz des ausgesandten, mit ausge­ zogener Linie eingezeichneten Signals 40 mit der Zeit zu (daher ist die gezeigte Wellenlänge in der Nähe des oberen Endes des Steigrohres 10 kürzer). Aufgrund der Zeitdauer, die das Signal benötigt, um die Strecke der Tiefe D und wieder zurück zu durchlaufen, kommt das reflektierte Signal 42 an dem Lautsprecher 20 an, nachdem die Frequenz des ausge­ sandten Signals 40 erhöht worden ist. Maximale Kohärenz zwischen ausgesandten und reflektierten Signalen ist in Fig. 6 bei C 1 gezeigt, und die elektromotorische Gegenkraft, die der Lautsprecher erzeugt, hat ihren Größtwert. Bei C 2 in Fig. 7 ist der Zustand der minimalen Kohärenz zwischen ausgesandten und reflektierten Signalen gezeigt, wobei die elektromotorische Gegenkraft, die durch den Lautsprecher erzeugt wird, ihren Kleinstwert hat. Wenn man die Frequenzen kennt, bei denen die maximalen und minimalen Kohärenzen zwischen ausgesandten und reflektierten Signalen auftreten, kann man die Tiefe D berechnen. Diese besondere Methode erlaubt es, die Tiefe D im Microprozessor 32 schneller zu ermitteln als bei den Methoden, die unter Bezug auf Fig. 3 bis 5 beschrieben wurden, weil keine Zeit gebraucht wird, um spezielle Stellen der Resonanz oder Gegenresonanz aufzu­ finden.

Bei dieser Methode ist, vorausgesetzt, daß die Rate der Frequenzänderung groß ist, verglichen mit der Zeit für das Aussenden und Empfangen der Frequenz, die relative Frequenz­ änderung ermittelbar. Eine konstante Differenzfrequenz wird gebildet, wenn die Rate der Frequenzänderung konstant ist, wodurch die Ermittlung des Flüssigkeitspegels ermöglicht wird.

Fig. 8 zeigt mit der Kurve 1 die Zunahme der Größe einer Frequenz f über eine gegebene Zeit t, wobei sich, wie in Kurve 2 gezeigt, eine Zunahme und Abnahme der elektromoto­ rischen Gegenkraft ergibt, wenn die Kohärenz zwischen den ausgesandten und reflektierten Signalen zunimmt und abnimmt.

Die Tiefe bezüglich der Flüssigkeit läßt sich in der nach­ stehend angegebenen Weise berechnen, wobei:

t = Zeit
f = Frequenz
c = Schallgeschwindigkeit
d = Tiefe bezüglich der Lage der Flüssigkeit
h = Rate der Frequenzänderung
t₁ = Aussendezeit des ausgehenden Signals
t₂ = Aussendezeit des empfangenen Signals
f₁ = Frequenz des ausgesandten Signals f₂ = Frequenz des empfangenen Signals Ein Festfrequenz-Signal läßt sich beschreiben als output = sin (2 π tf)
und bei wechselnder Frequenz
output₁ = sin (2 π (t * (h * t₁)))
und
output₂ = sin (2 π (t * (h * t₂)))
output₁ = sin (A) und output₂ = sin (B)

dann kann durch Kombinieren der Signale in einem elektroni­ schen Multiplikator ein konstantes Differenzsignal erhalten werden, nämlich:
sin (A) sin (B) = 0,5(cos(A-B) - cos (A+B)).

Durch elektronisches Ausfiltern der hochfrequenten Kompo­ nente läßt sich die niederfrequente Komponente gewinnen (wobei die Größe der Differenzfrequenz unerheblich ist), nämlich:

sin (A) sin (B) = 0,5 cos (A-B)
oder output₁ * output₂ = 0,5 cos (A-B).

Dies stellt die Differenz zwischen der ausgesandten Frequenz (Zeit t₁) und der empfangenen Frequenz (Zeit t₂ dar), nämlich:

da F₁ = h * t₁ und F₂ = h * t₂
sodann F₁ - F₂ = h (t₁ - t₂)
und nunmehr

oder durch Substitution:

so daß sich auf diese Weise der Flüssigkeitspegel berechnen läßt.

Wenn sich irgendwelche kleinen Hindernisse in dem Steigrohr befinden, kann man sich vorstellen, daß diese eine geringe Auswirkung auf die Meßgenauigkeit haben, weil der Schall ohne Schwierigkeiten daran vorbeiläuft.

Auch wenn das Steigrohr 10 verformt ist, beispielsweise durch Bewegungen des Untergrundes, wie es in Fig. 9 angedeu­ tet ist, kann der Abstand zwischen dem oberen Ende des Steig­ rohres 10 und der Oberfläche 12 a des Wassers genau gemessen werden, weil die Schallwellen sich um die Deformationen herum fortpflanzen.

In Fig. 10 erstreckt sich das Steigrohr unter einem bekannten Winkel R in den Erdboden. Die vorliegende Erfindung ermög­ licht es, den Wert von D zu ermitteln, und wenn D bekannt ist, läßt sich die Tiefe D 1 des Wasserspiegels unterhalb des Erdbodens berechnen nach der Gleichung:

D 1 = D sin R.

Der Microprozessor 32 kann so programmiert werden, daß er einen Meßwert für D 1 bei gegebenen Werten von D und R liefert.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, die Tiefe D in Steigrohren schnell und genau zu messen und ist gegenüber früher vorgeschlagenen Systemen äußerst vorteilhaft.

Wenn kein Steigrohr 10 vorgesehen ist, kann der Lautsprecher am oberen Ende eines einfachen Bohrloches angeordnet werden, um die Ermittlung des Pegels des darin befindlichen Wassers zu ermöglichen.

Zwar wurde speziell auf langgestreckte Hohlräume in Form von Bohrlöchern oder im Erdboden befindlichen Steigrohren Bezug genommen, es versteht sich jedoch, daß die Erfindung auch bei anderen Anwendungen oder in anderer Umgebung benutz­ bar ist, wenn eine Ermittlung eines Flüssigkeitspegels oder die Feststellung von Änderungen des Flüssigkeitspegels erfor­ derlich ist, vorausgesetzt, daß das Bohrloch eine zweck­ mäßigerweise nicht-absorbierende Auskleidung besitzt und von übermäßig großen Diskontinuitäten frei ist.

Die vorstehende Beschreibung und die Zeichnung beschränken sich nur auf die Angabe von Merkmalen, die für die beispiels­ weise Verkörperung der Erfindung wesentlich sind. Soweit die Merkmale in der Beschreibung und in der Zeichnung offenbart und in den Ansprüchen nicht genannt sind, dienen sie erforderlichenfalls auch zur Bestimmung des Gegenstandes der Erfindung.

Claims (9)

1. Verfahren zum Messen des Flüssigkeitspegels in einem langgestreckten Hohlraum mit den Verfahrensschritten:
in der Nähe des oberen Endes des Hohlraums wird ein ausgehen­ des Wechselsignal ausgesandt;
die Frequenz des ausgehenden Signals wird verändert, um aus dem Hohlraum ein spezielles Antwortsignal zu erhalten;
das genannte Antwortsignal wird festgestellt und
die Parameter des genannten ausgehenden Signals und des Antwortsignals werden zur Ermittlung des Flüssigkeitspegels verglichen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Antwortsignal ein von der Oberfläche der Flüssigkeit reflektiertes, rück­ kehrendes Signal berücksichtigt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Frequenz des genannten ausgehenden Signals verändert wird, bis das genannte rückkehrende Signal in Phase oder außer Phase mit dem genannten ausgehenden Signal ist, wenn das genannte rückkehrende Signal sich in der Nähe des oberen Endes des genannten Hohlraumes befindet.

4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Frequenz des genannten ausgehenden Signals kontinuierlich während einer Zeitperiode verändert wird, mit den weiteren Verfahrens­ schritten:
Registrieren der Rate der Frequenzänderung des genannten ausgehenden Signals;
Vergleichen der Frequenzen des ausgehenden Signales und des rückkehrenden Signales zum Ermitteln einer Differenz­ frequenz als Dauersignal und
Berücksichtigen der genannten Differenzfrequenz und der Rate der Frequenzänderung zur Ermittlung des Flüssigkeitspegels.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem die Rate der Änderung des ausgehenden Signals so gewählt ist, daß die ausgehende Frequenz sich während der Zeitperiode zwischen Aussendung und Rückkehr eines ausgehenden Signals jeder der benutzten Fre­ quenzen wesentlich verändert.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Rate der Frequenzänderung des ausgehenden Signals im wesentlichen konstant gehalten wird.

7. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einer elektromagnetischen Einrichtung zum Aussenden eines Signals, Mitteln zum Verändern der Frequenz des durch die genannte Einrichtung ausgesandten Signals und Mitteln zum Feststellen der elektromotorischen Gegenkraft der elektromagnetischen Einrichtung.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, bei der die elektromagne­ tische Einrichtung in einem Gehäuse enthalten ist, das in gut passender Verbindung am oberen Ende des genannten Hohlraums anbringbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, bei der als elektro­ magnetische Einrichtung ein Lautsprecher vorgesehen ist.