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Title:
APPARATUS AND METHOD FOR OPTICALLY DETECTING FLOW MOVEMENTS IN LIQUID AND/OR GASEOUS MEDIA
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2014/173442
Kind Code:
A1
Abstract:
Method and apparatus for optically detecting flow movements in liquid and/or gaseous media define, in a medium, a measuring volume (36) with at least one measuring plane (32), wherein particles moving along the measuring plane (32) are optically detected. In this case, the measuring plane (32) is exposed and trans-illuminated from one of the sides thereof in at least one detection area (34) by means of a beam (44) of parallel light rays from an illumination unit (38), and scattered light (56) is produced by particles in the detection area (34). Scattered light (56) (bias light scattering), which is emitted on a side opposite the illumination side, or at least a part thereof and a transmitted light component (74) of the beam (44), which passes through the detection area (34) without being scattered, are passed to an image recording plane (66) of a camera (68) by at least one optical element (26). In this case, this transmitted light component (74) is filtered out before reaching the image recording plane (66) of the camera (68). An image sequence of the detection area (34) is recorded by the camera (68) and a motion vector with respect to at least one particle is determined by evaluting the image sequence.

Inventors:
SCHÖTTLER, Markus (Rheinallee 88/Gebäude 25, Mainz, 55120, DE)
Application Number:
EP2013/058452
Publication Date:
October 30, 2014
Filing Date:
April 24, 2013
Export Citation:
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Assignee:
SCHÖTTLER, Markus (Rheinallee 88/Gebäude 25, Mainz, 55120, DE)
International Classes:
G01P5/26; G01F1/66
Foreign References:
EP0291708A2
US5561515A
DE19957808A1
US4026655A
DE4230919A1
DE19945852A1
US4206999A
US4391137A
US4396943A
US4963019A
US5265477A
US5339694A
US5796679A
US6227045B1
US6393925B1
DE10149024B4
DE4230919A1
DE19952541A1
DE19952542A1
DE4443307C1
Other References:
KEARL, P.M. ET AL.: 'Groundwater Monitoring & Remediation', 1992, SPRING 1992 NATIONAL GROUND WATER ASSOCIATION vol. 'Suggested Modifications to Groundwater Sampling procedures Based on Observations from the Colloidal Borescope', Seiten 155 - 161
KEARL, P.M.: 'Journal of Hydrology', Bd. 200, 1997, ELSEVIER vol. 'Observation of particle movement in a monitoring well using the colloidal borescope', Seiten 323 - 344
SCOTT,J. ET AL.: 'Simulations to Verify Horizontal Flow Measurements from a Borehole Flowmeter' GROUND WATER Bd. 44, Nr. 3, 2006, Seiten 394 - 405
BALLARD,S.: 'The in situ permeable Flow velocity meter' GROND WATER Bd. 34, Nr. 2, 1996, Seiten 231 - 240
MOSER, H.; RAUERT,W.: 'Lehrbuch der Hydrogeologie', Bd. 8, 1980 vol. 'Isotopenmethoden in der Hydrologie'
Attorney, Agent or Firm:
VON KREISLER SELTING WERNER (Deichmannhaus am Dom, Bahnhofsvorplatz 1, Köln, 50667, DE)
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Claims:
Verfahren zur optischen Erfassung von Fließbewegungen in flüssigen und/oder gasförmigen Medien, wobei bei dem Verfahren

in dem Medium ein Messvolumen (36) sowie innerhalb des Messvolumens (36) mindestens eine Messebene (32) definiert werden und in Erstreckung der Messebene (32) sich bewegende Partikel optisch erfasst werden, indem

die Messebene (32) in mindestens einem Erfassungsbereich (34) von der einen Seite der Messebene (32), das heißt von einer Beleuchtungsseite aus, mittels eines Lichtstrahlbündels (44) aus parallelen Lichtstrahlen einer Beleuchtungseinheit (38) belichtet und durchleuchtet wird,

durch Partikel, die sich innerhalb des Erfassungsbereiches (34) der Messebene (32) befinden, Streulicht (56) erzeugt wird, als Vorlichtstreuung zu einer der Beleuchtungsseite gegenüberliegenden Vorlichtstreuungsseite abstrahlendes Streulicht (56) oder zumindest ein Teil davon und ein Durchlichtanteil (74) des Lichtstrahlbündels (44) der Beleuchtungseinheit (38), der den Erfassungsbereich (34) der Messebene (32), ohne gestreut zu werden, passiert, durch mindestens ein optisches Element (26) zu einer Bildaufnahmeebene (66) einer Kamera (68) geleitet werden, von der Kamera (68) eine Sequenz von Bildern des Erfassungsbereiches (34) aufgenommen wird und

anhand der Bildsequenz bezüglich mindestens eines Partikels durch rechnergestützte Bildauswertung ein Bewegungsvektor ermittelt wird,

der Durchlichtanteil (74) des Lichtstrahlbündels (44) der Beleuchtungseinheit (38) vor Erreichen der Bildaufnahmeebene (66) der Kamera (68) herausgefiltert wird.

Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Messvolumens (36) mehrere Messebenen (32) mit jeweils mindestens ei- nem Erfassungsbereich (34) oder innerhalb einer Messebene (32) oder mindestens einer der Messebenen (32) mehrere Erfassungsbereiche (34) definiert werden, wobei jeder Erfassungsbereich (34) belichtet und durchleuchtet wird und wobei die pro Erfassungsbereich (34) erzeugte Vorlicht- streuung (56) durch eine Sequenz von Bildern aufgenommen und durch pro Bildsequenz erfolgende Bildauswertung für jeweils mindestens einen Partikel ein Bewegungsvektor ermittelt wird .

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchlichtanteil (74) des Lichtstrahlbündels (44) der Beleuchtungseinheit (38) durch Reflektion und/oder Absorption und/oder Auskopplung herausgefiltert wird .

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Medium die Bewegung von Partikeln erfasst wird, bei denen es sich um inhärent in dem Medium vorhandene Partikel oder zum Zwecke der Vermessung in das Medium eingebrachte Messpartikel handelt, die suspendiert in dem zu vermessenden Medium mitgeführt werden.

5. Vorrichtung zur optischen Erfassung von Fließbewegungen in flüssigen und/oder gasförmigen Medien, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit

einem eine Messebene (32) aufweisenden beziehungsweise definierenden Messvolumen (36) zur Positionierung in dem zu untersuchenden Medium, wobei die Messebene (32) mindestens einen Erfassungsbereich (34) aufweist, innerhalb dessen im Medium befindliche Partikel optisch erfassbar sind,

einer Beleuchtungseinheit (38) zur Belichtung des Erfassungsbereiches (34) mit einem im Wesentlichen parallelen Lichtstrahlbündel (44),

einer Kamera (68) zur Erfassung von mindestens einem Teil einer bei Belichtung von im Erfassungsbereich (34) befindlichen Partikel entstehender Vorlichtstreuung als Streulicht (56), wobei die Beleuchtungseinheit (38) und die Kamera (68) zu entgegengesetzten Seiten der Messebene (32), nämlich auf einer Beleuchtungseite und einer Vorlichtstreuungsseite, angeordnet sind, einem optischen Pfad (82) zwischen dem Erfassungsbereich (34) und der Kamera (68) zum Leiten zumindest eines Teils der Vorlichtstreu- ung zu der Kamera (68),

wobei der optische Pfad (82) ein Unterdrückungselement (76) zur Unterdrückung der Weiterleitung eines den Erfassungsbereich (34) der Messebene (32) ohne Streuung passierenden Durchlichtanteils (74) des Lichtstrahlbündels (44) der Beleuchtungseinheit (38) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beleuchtungseinheit (38) eine Lichtaustrittsfläche (54) und der optische Pfad (82) eine Lichteintrittsfläche (57) aufweist und dass sich beide Flächen (54,57) gegenüberliegen sowie zwischen beiden Flächen (54,57) der Erfassungsbereich (34) der Messebene (32) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtaustrittsfläche (54) der Beleuchtungseinheit (38) zur Messebene (32) geneigt ist und die Lichteintrittsfläche (57) des optischen Pfads (82) parallel zur Messebene (32) verläuft.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterdrückungselement (76) ein lichtabsorbierendes Bauteil wie z. B. ein Bauteil mit schwarzer Fläche, auf die der Durchlichtanteil (74) des Lichtstrahlbündels (44) der Beleuchtungseinheit (38) auftrifft, oder ein lichtabsorbierender Hohlkörper ist, in den der Durchlichtanteil (74) des Lichtstrahlbündels (44) der Beleuchtungseinheit (38) eintritt oder ein lichtaufnehmendes Bauteil wie beispielsweise ein Lichtleiter ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messebene (32) mehrere Erfassungsbereiche (34) aufweist, dass die Beleuchtungseinheit (38) eine Belichtungsquelle (40) und eine der Anzahl der Erfassungsbereiche (34) gleichende Anzahl an Lichtaustrittsflächen (54) aufweist,

dass eine der Anzahl der Erfassungsbereiche (34) gleichende Anzahl an optischen Pfaden (82) mit Lichteintrittsflächen (57) vorgesehen ist und

dass zwischen der Belichtungsquelle (40) und den Lichtaustrittsflächen (54) einerseits und zwischen den optischen Pfaden (82) und der Kamera (68) andererseits jeweils eine Lichtumlenkeinheit (48,50,59,64) zum Umlenken des Lichts der Belichtungsquelle (40) zum sequentiellen, insbesondere zyklisch sich wiederholenden Austritt aus den Lichtaustrittflächen (54) und zum sequentiellen, insbesondere zyklisch sich wiederholenden Umlenken des Lichts von den optischen Pfaden (82) zur Kamera (68) angeordnet ist, wobei die beiden Lichtumlenkeinheiten (48,50,59,64) synchronisiert sind .

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Messvolumen (36) auf der Belichtungsseite und auf der Vorlicht- streuungsseite der Messebene (32) von jeweils einem Abschottelement (18,20) zur Unterdrückung von winklig zur Messebene (32) gerichteten Störströmungen begrenzt ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass von dem ersten Abschottelement (20) für jeden Erfassungsbereich (34) der Messebene (32) ein erstes Beleuchtungslichtleitelement (24) mit einer Lichtaustrittsfläche (54) zum Leiten eines Lichtstrahlbündels (44) absteht und dass von dem zweiten Abschottelement (18) für jeden Erfassungsbereich (34) ein zweites Lichtleitelement (26) absteht, dass eine Lichteintrittsfläche (57) für Streulicht (56) und ungestreutes Licht des Lichtbündels (44) aus dem jeweiligen Erfassungsbereich (34) aufweist und zumindest einen Abschnitt des zur Kamera (68) führenden optischen Pfades (82) bildet, wobei die Lichtaustrittsflächen (57) und die Lichteintrittsflächen (54) un- ter Anordnung jeweils eines Erfassungsbereiches (34) zwischen diesen einander gegenüberliegen positioniert sind .

12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtleitelemente (24,26) zu ihren die Lichtaustritts- bzw. Lichteintrittsflächen (54,57) aufweisenden Enden (28,30) hin konisch verjüngt ausgebildet sind .

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeich- net, dass die Beleuchtungseinheit (38) in oder an dem einen Abschottelement (20) angeordnet ist und dass die Kamera (68), der optische Pfad (82) und das Unterdrückungselement (76) in oder an dem anderen Abschottelement (18) angeordnet bzw. ausgebildet sind .

Description:
Vorrichtung und Verfahren zur optischen Erfassung von

Fließbewegungen in flüssigen und/oder gasförmigen Medien

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur optischen Erfassung von Fließbewegungen in flüssigen und/oder gasförmigen Medien. Neben dem Einsatzgebiet der Vermessung beispielsweise von Grundwasserfließbewegungen in Grundwasseraufschlüssen im Allgemeinen lässt sich die Erfindung insbesondere zur Untersuchung der Grundwasserfließbewegung an Dämmen, Tunneln oder bei der Planung von Vereisungsmaßnahmen für einen Tunnelvortrieb im Schutz eines aufgebauten Frostkörpers, zur Datenerhebung von Grundwasserfließmodellen und zur Plausibilitätsprüfung von Fließmodellen, zur Beweissicherung bei Sanierungsmaßnahmen und von Grundwassereinzugs- reichweiten bei der Wasserwirtschaft und zur Untersuchung für thermische Aquifier-Speicher sowie zur Überwachung der Strömung und Schwebstofffracht von gasförmigen Medien einsetzen.

Die Kenntnis über die Grundwasserfließrichtung und -geschwindigkeit ist für die Planung und die Beweissicherung bei einer Vielzahl von Projekten im Umwelt- und Grundwasserschutz, der Trinkwassergewinnung, des Tief- und Tunnelbaus sowie der Geothermie von großer Bedeutung. In der Bundesrepublik Deutschland wird etwa 64 % der Trinkwasserversorgung vom Grundwasser abgedeckt. Grundwasser ist somit ein primäres Schutzgut. Die immer umfang- reichere Nutzung des Grundwassers, z. B. zur Wasserversorgung oder aber auch als Medium für die geothermische Energiegewinnung, erfordern zunehmend genauere Kenntnisse des lokalen Fließverhaltens. Auch vom Gesetzgeber werden genauere Erkundungen insbesondere unter dem Aspekt der Reinhaltung und nachhaltigen Bewirtschaftung gefordert (EU-Wasserrahmen- richtlinie). In der Bundesrepublik Deutschland sind alle Eingriffe in das Grundwasser - auch das Einbringen von Substanzen (sogenannte Tracer) zur Mes- sung physikalischer Größen des Grundwassers - durch das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) geregelt und damit genehmigungspflichtig.

Grundwasser ist stets in Bewegung. Von dem Ort der Grundwasserneubildung (Versickerung von Niederschlägen) bis zum Austritt in eine Quellschüttung bewegt sich das Grundwasser durch Sedimentkörper und -strukturen des Untergrundes. Die Fließrichtung und -geschwindigkeit werden dabei von den meist nicht näher bekannten Strukturen und Durchlässigkeiten des Untergrundes, dem hydraulischen Druckgefälle usw. vorgegeben. Da diese Parameter wech- selhaft sind, bewegt sich das Grundwasser häufig nicht auf direktem Weg zu den Austrittsstellen.

Im Vorfeld von Projekten, bei denen ein Eingriff in das Grundwasser erfolgt, müssen an den betroffenen Standorten die lokalen Grundwasserfließverhält- nisse über vorab installierte Brunnenpegel geklärt werden. Konventionell wird dazu die Höhendifferenz der an benachbarten Pegeln gemessenen Grundwasserspiegelhöhe genutzt, um die Richtung des Fließgefälles zu ermitteln.

Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, kann also die Grundwasserfließbewe- gung konventionell durch indirekte Messungen ermittelt werden, d.h. die Grundwasserfließrichtung und -geschwindigkeit werden über die Messung der Grundwasserspiegelhöhen benachbarter Brunnenpegel und anhand des Spiegelgefälles und der Durchlässigkeit des Untergrundes ermittelt. Diese indirekte Messung liefert jedoch nicht immer die erforderliche Informationsgüte und Auf- lösung, und zwar im Fall von nicht korrelierbaren Pegelständen, bei weitständigen Pegelnetzen, bei unzureichender Pegelanzahl oder bei flachen Grundwassergefällen. Der Bau von Brunnenpegeln ist kostenintensiv, auch können diese nicht immer in der erforderlichen Anzahl und/oder an den erforderlichen Stellen errichtet werden (was z. B. in Stadtgebieten oder Industriestandorten gilt), um die gewünschten Informationen zu erhalten.

Neben der indirekten Messung der Grundwasserfließbewegungen können diese auch mittels "In-Situ"- oder "Einbohrloch-Messverfahren" ermittelt werden. Hierbei wird in einzelnen Grundwasseraufschlüssen wie Brunnenpegeln die Grundwasserfließbewegung direkt gemessen, wobei nur ein Brunnenpegel erforderlich ist, um diese Daten zu erheben. Diese direkte Messung der Grundwasserfließrichtung und -geschwindigkeit erfolgt in diskreten Tiefen von radial durchströmten Pegelrohrabschnitten.

Gegenüber indirekten Messungen haben direkte Fließbewegungsmessungen in einzelnen Pegeln die folgenden Vor- und Nachteile : Vorteile :

Es ist nur ein Brunnenpegel erforderlich, um die lokale Grundwasser- Fließsituation zu ermitteln.

Für die Messung können vorhandene Brunnenpegel genutzt und weitere Brunnenpegel eingespart werden.

- Die Grundwasserfließbewegung kann in unterschiedlichen Tiefen des Grundwasserleiters gemessen werden, dies liefert ein detailliertes Bild der räumlichen Fließverhältnisse im Grundwasserleiter.

Der Informationsgewinn ist unabhängig von/ergänzend zu Grundwasserstandsmessungen und Pumpversuchen.

Nachteile :

Fast alle direkt im Brunnenraum messenden Verfahren sind auf Einzelmessungen begrenzt. Sie liefern somit keine hinreichende Datenmenge für eine statistische Bewertung . Die Ergebnisse zeigen teilweise eine hohe Varianz und sind somit nicht immer belastbar.

Die Messresultate spiegeln die Fließsituation am unmittelbaren Standort des Brunnenpegels wieder und sind nur mit Kenntnis der lithologischen Verhältnisse auf das weitere Umfeld übertragbar.

Änderungen des Fließverhaltens infolge von hydraulischen Ereignissen können meist nicht "online" erfasst werden.

Es sind Voruntersuchungen erforderlich (Pegelzustand/Ausbau), um die erforderlichen Messbedingungen zu überprüfen. Verfah ren, die das Einbringen von künstlichen Tracern erfordern, sind auf Grund eines hohen Rüst- und Messzeitaufwands meist unwirtschaftlich und werden nur dann eingesetzt, wenn mit konventionellen Vorgehensweisen keine Ergebnisse erzielt werden können .

Auf Grund der mehrheitl ichen Nachteile gegenüber konventionel len Verfahren ist der Einsatz von Einbohrlochverfahren derzeit sehr beg renzt.

Die radiale Grundwasser- Durchfl ussgeschwind ig keit in Bru nnenpegeln liegt im Bereich zwischen 1 cm/s und 1 cm/Tag (fünf Größenord nungen) . Zu Messungen der überwiegend sehr geringen Fl ießbewegung ist die Zugabe von Strö- mungsmarkern erforderlich . Hierzu werden in den Bru nnenpegel oder den Brunnenringraum z. B. Elektrolyte, Farbstoffe oder Radioisotope eingebracht oder Marker künstlich erzeugt, z. B. Hitzepulse. Viele d irekte Verfahren können auf Grund unterschiedl icher Eigenschaften der eingesetzten Marker nur einen beg renzten Geschwindigkeitsbereich abbilden . Neuere Verfahren, wie das PH REALOG- Messverfahren, das "colloidal borescope" oder die "Dunkelfeld- Sonde" nutzen die im Grundwasser enthaltenen natürlichen Schwebstoffe als Marker. Da d iese suspendierend mit der Durchflussbeweg ung mitgeführt wer- den, bildet deren Drift die Fließbeweg ung ab. Schwebstoffe werden beleuchtet und dabei optisch per CCD- Kamera erfasst. Die Fließbeweg ung wird dann rechnergestützt per PIV ( Particle Image Velocimetry) über den Drift der Schwebstoffe berechnet. Die optische Messung der Fl ießbewegung mit Hilfe von natürlich vorhandenen Strömungsmarkern hat gegenü ber Verfah ren, welche künstliche Marker verwenden, entscheidende Vorteile : a) Permanent vorhandene Schwebstoffe ermög lichen eine kontinuierl iche, automatisierbare Fl ießmessung mit bel iebiger Messdauer. Dies ermöglicht ein zeitlich unbegrenztes und hoch aufgelöstes Monitoring von Fl ießbewe ¬ gungen in Brunnen und die Dokumentation von Fließänderungen im Zeitverlauf. Mit Verfahren, die den Einsatz künstlicher Marker erfordern, ist ein automatisches Monitoring nicht bzw. nur mit hohem Aufwand und hohen Kosten möglich.

b) Da im Grundwasser immer Feinschwebstoffe enthalten sind, die advektiv mit der Strömung mitgeführt werden, ist keine künstliche Markierung erforderlich, daher

ist keine Einsatzgenehmigung nach WHG erforderlich,

werden Messfehlerquellen reduziert (da kein physiko-chemischer Eingriff erfolgt),

ist keine Vorort-Kalibration erforderlich,

ist der Einsatzaufwand gering .

c) Die einfache Handhabung und der geringe Einsatzaufwand reduzieren die Rüstzeit und ermöglichen einen wirtschaftlichen Einsatz.

d) Da keine sensorischen Elemente im Messmedium liegen, ist die Messtechnik in chemisch aggressiver Umgebung hochrobust.

e) Es wird eine hohe Datenmenge gewonnen, was die Evaluierung verbessert und somit die Stichhaltigkeit der Messergebnisse erhöht.

f) Es kann ein breites Geschwindigkeitsspektrum von 10E-2m/s bis 10E- 7m/s (1 cm/s bis 1 cm/Tag) abgebildet werden.

g) Nach Einbau der Messapparatur kann die hydraulische Stabilisierung dokumentiert werden.

PHREALOG entwickelte ab 1992 ein Messverfahren (GFV) zur optischen Messung der Grundwasser-Fließbewegung in Pegeln. Die Messtechnik wird von PHREALOG kommerziell seit 1999 eingesetzt (DE 42 30 919 AI und DE 199 45 852 AI).

Ein grundlegendes Unterscheidungsmerkmal gegenüber den bekannten, vergleichbaren optischen Verfahren (z. B. colloidal borescope, Dunkelfeld-Sonde) ist die Ausleuchtung des Messfelds per Laser.

US-A-4 206 999 beschreibt ein Verfahren, mit dem Fließbewegungen optisch anhand der Drift von mikroskopischen Partikeln per Photomultiplier erfasst werden. Hierbei wird die betrachtete Bildebene mittels eines seitlich auf die Bildebene auftreffenden Laserstrahls ausgeleuchtet. Der Laserstrahl wird dabei unterschied lich geformt. Zur Signalverarbeitung ist dem Photomultiplier ist ein Pulsweiten-Analysator nachgeschaltet. US-A-4 391 137 beschreibt ein Verfah ren, mit dem Fließbeweg ungen in Brunnen mittels künstlich erzeugter Temperaturanomal ien ermittelt werden können, wobei Fl ießrichtung als auch Geschwindig keit erfasst werden . Dazu wird eine Anord nung von Thermistoren in einer äquidistanten Entfernu ng zu einem Heizelement auf einer Kreisebene angeord net, wobei das Heizelement mittig in der Kreisebene positioniert ist. Thermistoren und Heizelement werden in einem formbaren , mit porösem Medium bzw. Schüttg ut, wie z. B. Sand oder Glasperlen, gefül lten Behälter eingebaut. Diese Anord nung wird in das Brunnenrohr eingefahren und in einer definierten Messtiefe fixiert. Das formbare Behältnis legt sich dabei an die Brunneninnenwand ung an, so dass der horizontale Grundwasserfl uss das poröse Medium durchströmt. Das poröse Med ium hat die Aufgabe, eine gleichförmige laminare Durchströmung in dem Messraum zu gewährleisten und thermische Konvektion zu unterd rücken . Nu n wird am Heizelement ein Wärmeimpuls gesetzt, der konform mit der Durchströmung in dem porösen Med ium zu den umliegenden Thermistoren transportiert wird . Aus der Zeitdauer zwischen Erzeugung des Hitzepulses und Ankunft an einem der Thermistoren wird das Maß der Durchfl ussgeschwind ig keit ermittelt, wobei die Richtung anhand der rad ialen Lage des Thermistors, an dem der Hitzepuls an ¬ trifft, ermittelt wird . US-4 396 943 beschreibt ein Verfahren, mit dem Fließbeweg ungen in Rohren anhand der Drift von Partikeln mittels einer endoskopischen Vorrichtung erfasst werden .

In US-A-4 963 019 wird ein optisches Verfahren beschrieben, das im Wesent- liehen dem "colloidal borescope"-Verfahren entspricht, jedoch mit einem Photomultipl ier arbeitet. Hinweise auf die Verwendung von Kameras bzw. entsprechenden Optiken finden sich nicht. In US-A-5 265 477 werden die Strömungseigenschaften eines Fluids bestimmt, indem ein Elektrolyt-Impuls an einem hochlokal isierten Punkt innerhalb des Fluids eingeführt wird , ohne das Strömungsfeld des Fluids oder die Form des Impulses zu stören , und anschließend die Span nung oder die Leitfähigkeit um diesen Punkt herum abgebildet wird, um die Geschwind ig keit und die Richtung der Fl uidströmung zu bestimmen .

US-A-5 339 694 offenbart eine Sonde zur Bestimmung der physikal ischen Größen von Grundwasser. Die Sonde ist zyl inderförmig aufgebaut. Auf ihrer Mantelfläche sind gleichmäßig auf ihrem Umfang sowie parallel zum Verlauf ihrer Längsmittenachse Sensoren angeord net, welche die elektrischen Widerstandswerte von durch eine Tracerfl üssigkeit beeinflusstem, in unmittelbarer Nähe der Sonde befindl ichem Grundwasser messen . Hier wird als Tracerfl üssigkeit die Verwendung eines Salzwassers vorgeschlagen, das durch eine Membran in das Grundwasser diffundieren muss, welches die leitfähige Fl üs ¬ sigkeit transportiert und ein für die Sensoren erfassbares leitfähiges Messfeld erzeugt. Erstreckung, Form und Beweg ungsgröße des Feldes werden du rch die Sensoren gemessen . Es ist mit diesem Gerät auch mögl ich, vertikale und horizontale Fließbeweg ungen zu messen und damit die Form des Feldes und die Fließgeschwind igkeit sowie -richtung des Grundwassers zu bestimmen . Die Sonde sowie das Verfahren zu ihrer Verwend ung weisen den Nachteil auf, dass sie in wasserführenden Bohrlöchern stationär, d . h . fest install iert werden müssen, weil sie nicht über Halte- bzw. Zentriermittel wie Packer verfügen . Der Messvorgang kann großflächig vorgenommen werden, jedoch ist die Messbar- keit der sich im Grundwasser bewegenden leitfähigen Fl üssig keit durch die Sensoren nur unzureichend gegeben . Die Vorrichtung gewährleistet nur Möglichkeiten zur Messung der elektrischen Leitfähig keit, jedoch keine Kombination mit anderen Messverfahren . US-A-5 796 679 beschreibt ein Verfahren , mit dem Fließbeweg ungen in Brunnen akustisch mittels modul ierbaren Tonfreq uenzen bei Nutzung des Doppier- Verfahrens ermittelt werden können . US- B-6 227 045 offenbart eine Sonde zum Überwachen der Geschwind ig keit und Richtung der Grundwasserströmungs-Sickerung, welche eine elektrische Heizvorrichtung und mehrere Temperatursensoren aufweist, die äquidistant von der Heizvorrichtung angeordnet sind . Die Sonde mit der Heizvorrichtung und den Temperatursensoren wird in einen Überwachungsschacht eingeführt und derart positioniert, dass sie in das Grundwasser eingetaucht ist. Der Heizvorrichtung wird Energ ie zugeführt, und die Temperatur- Reaktion an den Temperatursensoren wird gemessen und aufgezeichnet. Aus der gemessenen Temperatur- Reaktion werden die Grundwasser-Strömungsgeschwindigkeit und -richtung berechnet, und diese werden aufgezeichnet. Die Temperatursensoren können Widerstandstemperaturdetektoren, Thermoelemente oder andere Temperaturdetektionsvorrichtungen des Standes der Technik sein .

US- B-6 393 925 beschreibt ein Verfah ren, mit dem Fließbeweg ungen in Brun- nen mittels künstlich erzeugter Temperaturanomal ien ermittelt werden können, wobei Fl ießrichtung als auch -geschwindigkeit erfasst werden .

In DE- B- 101 49 024 ist ein Verfahren zur Bestimmung der physikal ischen Größen des in einem Bohrloch anstehenden Grundwassers d urch Einführen einer wässrigen, markierten Lösung mit vom Grundwasser abweichender Leitfähigkeit in einem vorbestimmten Raum und eine Sonde zur Du rchführung des Verfahrens beschrieben . Das Messprinzip beruht auf der Erzeugung und Beobachtung des Verhaltens von künstlich erzeugten Anomalien der Leitfähigkeit und der Temperatur. Während des Messvorgangs werden die zeitabhäng igen, richtungsspezifischen Veränderungen dieser beiden Parameter mit angepass- ten geoelektrischen Anord nungen und Temperatursensoren ermittelt. Durch die zeitl ich parallel ablaufenden Messungen wird eine Erhöhung der Genauigkeit erreicht und die Erweiterung des Einsatzbereiches ermögl icht. Das Einbohrlochsystem ermöglicht die Messung langsamer Grundwasserströmungsge- schwindigkeiten im Bereich ab größer 1 m/d . Dieses Ziel wurde mit der Entwicklung des Tracerringraumverfahrens erreicht. Damit werden Störu ngen des natürlichen Grundwasserströmungsfeldes vermieden und gleichzeitig eine rad i ¬ al gleichmäßige Verteil ung des Tracers als Startzustand für die Messungen ge- währleistet. Die bei bekannten Messverfah ren infolge des Tracervorgangs auf ¬ tretende Volumenzunahme und daraus resultierende horizontale und vertikale Geschwindigkeitskomponenten werden mit diesem Prinzip minimiert. Eine Beeinfl ussung der hyd raul ischen Bedingungen im U ntersuchungsbereich durch den Tracervorgang wird verhindert. Dies bildet die entscheidende Grund lage für die Messung langsamer Grundwasserbewegungen . Hinzu kommt, dass durch die konstruktive Gestaltung der Sonde und die angewendeten Messverfahren der Einsatz geringer Tracermengen ( < 2000 ml) ermög licht wird . Die DE-A-42 30 919 stel lt ein Einzel bohrlochverfahren und eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Ermittl ung der Grundwasserströmungsrichtung und -ge- schwindig keit vor. Das Verfahren eröffnet Mög lichkeiten, das nachteilige Messen der Strömungskennwerte über eine bestimmte Zeiteinheit durch ein Verfahren abzulösen . Das Herstel len einer radial ausgebildeten Tracerd iffusion sowie auch das Messen der Zeitspanne des Tracertransports zwischen seiner Eingabe und der Detektion wirken sich bei geringen Strömungsgeschwind ig ¬ keiten nachteil ig auf die Messzeiten aus. Jedoch sind die Gegebenheiten des Messens der Strömungsgeschwindigkeit und -richtung des Grundwassers in Bohrlöchern weitestgehend auf die genaue Messung auch kleinster Strö- mungsgeschwindigkeiten angewiesen . Das bekannte Verfahren konzentriert sich deshal b auf die vorhandene Grundwasserströmung mit kleinsten Geschwindigkeiten und löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass im Messabschnitt eines Bohrlochs eine horizontale ausgerichtete Objektebene ausgeleuchtet und mittels einer Optik auf die Bildebene eines Videosensormod uls fokussiert und als reale Bildgröße prod uziert bewertbar gemacht wird . Die Lösung gemäß DE- A-42 30 919 benötigt zur Darstel lung der zu ermittel nden Werte des Grundwasserverhaltens einen Tracer in Form fl uoreszierender Partikel , die in der Flüssigkeit suspendiert, d ie Strömung und ihre Richtung sichtbar werden lassen . Die d urch den Strömu ngstransport bedingte Standortabweichung des Tra- cers wird als Wanderung virtuel ler Lichtquellen auf der Bildebene bzw. der Kamerasensorfläche fortlaufend registriert und per nachgeschalteter Bildverarbeitung direkt ausgewertet. Die Einrichtung weist allgemein eine zylindrische Form auf. An ihren oberen und u nteren Zyl inderenden sind Packer angeord net, die zwischen sich einen ringförmigen, d urch d ie Zyl indermantelfläche sowie d ie Bohrungswand beg renzten Hohlzyl inder ausbilden, in dem die Einrichtung zur visuellen und optischen Messung der Eigenschaften des Grundwassers erfolgt. Die Lösung verwendet in ihren technischen Konzeptionen des Verfahrens sowie des apparativen Aufbaus der Vorrichtung genau arbeitende Apparaturen, jedoch ist hier eine Bewertung von rechenbaren Informationen aus schnell verfügbaren Daten nicht zu erhalten .

In DE 199 45 852 AI weist eine Vorrichtung zur Messung von Strömungen in einem Bohrbrunnen obere und untere Abschlusselemente auf, die im Abstand voneinander angeordnet sind und zwischen denen ein Messabschnitt gebildet ist, der im wesentlichen frei d urchströmt werden kann, wobei die Abschl usselemente M ittel zum Abdichten des Bohrbrunnens aufweisen , so dass im Mess ¬ abschnitt keine vertikalen Strömungen auftreten . Die Vorrichtung ist weiterhin versehen mit einer Lichtquel le zum Ausleuchten des Messbereichs und mit einem Bilderfassungselement, welches das Bild eines Messbereichs innerhalb des Messabschn itts erfasst. Zwischen dem Bilderfassungselement und dem zu beobachtenden Bereich ist mindestens eine rohrförmige optische Vorrichtung angeordnet, die mit ihrem freien Ende in den Messabschnitt bis unmittel bar vor den Messbereich hineinragt und die eine solche Gestalt und solche Abmessungen hat, dass d ie Strömung im wesentl ichen unbeeinflusst ist.

Bei dem oben bereits genannten Messverfahren unter Verwend ung der " Du nkelfeld-Sonde" wird die horizontale Fließrichtung des Grundwassers mittels Kamera nach dem Dun kelfeld prinzip oh ne Einbring ung künstlicher Tracer gemessen . Bei der Dunkelfeldtechnik wird das von einer Lichtq uelle in Richtung Kameraobjektiv gestrahlte Licht durch sog . Lichtfal len ausgeblendet, so dass im Idealfal l kein Licht ans Objektiv gelangt. An feinsten Partikel n im Grundwasser, deren Größe weit unter der optischen Auflösung der Kamera l iegt, wird das Licht gestreut und gebeugt und bildet somit die Positionen dieser Partikel im Kamerabild ab. Die Bilder werden bei tiefenstationärer Messsonde auf Video aufgezeichnet und die Richtung der Partikel beweg ung durch eine speziel le Software statistisch ausgewertet und sichtbar gemacht. Die "Dunkelfeldsonde" ist 1998 aus einer Entwicklung der Universität Leoben, Österreich; in Zusammenarbeit mit der ehem. Fa. GECO Umwelttechnik, jetzt FUGRO Austria GmbH (www.fugroaustria.at) hervor gegangen und wird kommerziell angeboten. Vom Verfahren her ähnelt es dem "colloidal borescope" bzw. besteht aus einer kon- ventionellen Brunneninspektionskamera mit anderer Optik und unterhalb der Sonde aufgesetzter Lichtquelle in Richtung zur Kamera.

Das ebenfalls oben bereits erwähnte Verfahren "colloidal borescope" wurde in den frühen 1990er Jahren an dem Oak Ridge National Laboratory (Kearl, P.M. et al. (1992): "Suggested Modifications to Groundwater Sampling procedures Based on Observations from the Colloidal Borescope"; Groundwater Monitoring & Remediation (GWMR), Spring 1992 National Ground Water Association , GROUND WATER MONITORING REVIEW; V12 N2; P155-161; Kearl, P.M. (1997): "Observation of particle movement in a monitoring well using the col- loidal borescope"- Journal of Hydrology 200 (1997) 323-344, Elsevier ) entwickelt. Das im Zusammenhang mit dem "Oak-Ridge"-System beschriebene Instrument weist eine starke Ähnlichkeit zu einer früheren Vorrichtung auf, die Gegenstand von US-A-4 963 019 war, wobei die Hauptunterschiede in dem Typ der Beleuchtung (Laser gegenüber Lampe) und der Bilderzeu- gungsvorrichtung ("Optiram" gegenüber CCD-Kamera für die Versionen von Foster und Fyda bzw. von Kearl) liegen. Das Tool besteht aus einer nach unten gerichteten Kamera mit einem Mikroskop-Objektiv, einer Lichtquelle, die auf die Kamera hin gerichtet ist, wobei sie einen "Hellfeld"-Effekt erzeugt, einem Magnetometer zum Detektieren der Tool-Ausrichtung, Haltekabeln, und/oder einem Betracher-/Aufzeichnungspaket am Kopf des Schachts. Sobald das Tool bis zu der Target-Tiefe hin abgesenkt worden ist, werden Video-Aufzeichnungen gemacht, und Partikel in der mikroskopischen Größenordnung, deren Größe im Bereich von 2-10 pm liegt, werden als dunkle Objekte detektiert; falls eine nahezu laminare Strömung detektiert wird (die Partikel bleiben während eines Großteils oder der Gesamtheit ihrer Durchquerung des Betrachtungsfelds innerhalb der recht dünnen Fokus-Ebene), können zahlreiche Partikel zu einer einzigen Ablesung beitragen. Dann wird Computer-Software verwendet, um die Partikel zu detektieren, sie zwischen aufeinanderfolgenden Einzelbildern anzupassen, und ihre Geschwindigkeit und Richtung zu berechnen (Kearl und Roemer 1998). Dieses Magnetometer-Ausgangssignal wird an jeder Messtie ¬ fenposition aufgezeichnet, um Azimuth-Schätzwerte zu korrigieren, da ein Verdrehen des Tools unvermeidbar ist, wenn flexible Kabel zur Aufhängung des Instruments verwendet werden.

Ferner ist es bekannt, mit Hilfe eines sogenannten "scanning colloidal bores- cope flowmeter" (SCBFM) zu arbeiten, welches entwickelt wurde, um horizontale Grundwasserströmungsrichtungen und -geschwindigkeiten zu evaluieren. Bei dem SCBFM werden eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD), ein Magnetometer, eine Lichtquelle und ein ferngesteuerter Linsenmechanismus mit variablem Brennpunkt verwendet, um in der mikroskopischen Größenordnung vorliegende Partikel optisch zu verfolgen. Natürlich auftretende Kolloide bewe ¬ gen sich advektiv mit der nativen Grundwasserströmung. Durch Aufzeichnen der Ausgangssignale der CCD-Vorrichtung und durch Verwendung hochentwickelter Partikelverfolgungs-Computersoftware können die Kompassrichtung und die advektive Geschwindigkeit einer horizontalen Grundwasserströmung in einem Grundwasseraufschluss (Brunnenpegel, Bohrung) ausgewertet werden. Das Abtast- Feature ermöglicht die Auswertung eines etwa 50 cm hohen Inter- valls im Messvolumen. Das Abtast- Feature ermöglicht eine dreidimensionale Auswertung der Strömung, so dass wirbelnde, nichtrepräsentative Strömungs ¬ zellen identifiziert und "schnelle Fließpfade" detektiert und charakterisiert werden können. Der Strömungsmesser mit Abtast-Kolloidal-Boroskop (Scanning Colloidal Borescope Flow Meter SCBFM) des Lawrence Livermore National La- boratory (LLNL) fügt dem Grundkonzept der "Kolloidal-Boroskop"-Instrumente von Kearl und Foster und von Fyda ein weiteres Merkmal hinzu: die Brennebe ¬ ne ist über eine Distanz von fast 1/2 m hinweg kontinuierlich einstellbar, so dass, nachdem das Tool in einer Target-Tiefe platziert worden ist, in dem Höhenintervall des Messabschnitts ein Bereich der Bild-"Ebenen" optisch durchfahren und visualisiert werden kann, ohne dass das Tool bewegt wird. Es wird angenommen, dass dies eine höhere Flexibilität beim Lokalisieren bevorzugter Durchflussbewegungen und Partikel führender Bereiche für das Daten- sammeln ermöglicht, ohne dass Turbulenzen verursacht werden, wenn das Tool neupositioniert wird. Da das SCBFM den Partikel-Transport im das Bohrloch direkt visualisiert, erfolgt das Schätzen der Geschwindigkeiten lediglich unter Verwendung einfacher Kalibrierungen des Kameraobjektivs. Das Tool unterliegt jedoch den gleichen Beeinflussungen wie andere im Bohrloch plat- zierter Vorrichtungen dahingehend, dass das Vorhandensein des Sandpacks und Sieben unvermeidlicherweise die Strömungslinien nahe dem Schacht verändern. Kearl (1997) stellte fest, dass mit dem Colloidal-Boroskop- gemessenen Fließgeschwindigkeiten um einen Faktor von eins bis vier reduziert werden sollten, um aus den Messergebnissen die Fluidgeschwindigkeiten im umgebenden Grundwasserleiter abzuleiten , und dass die beobachteten Geschwindigkeiten eine Obergrenze für echte Aquifer-Strömungsraten repräsentieren (siehe auch Scott,! et al. (2006): "Simulations to Verify Horizontal Flow Measurements from a Borehole Flowmeter" GROUND WATER Vol. 44, No. 3; May-June 2006; pages 394-405).

Schließlich ist auch die Verwendung eines "In Situ Permeable Flow Sensors" (ISPFS) zur direkten Messung der Richtung und Geschwindigkeit von Grundwasser an im Wesentlichen einem einzelnen Punkt in einem nicht konsolidierten, gesättigten Bodensediment bekannt (siehe auch Ballard, S. (1996): "The in situ permeable Flow velocity meter", GROND WATER Vol. 34, No.2; pages 231-240). Nachdem der ISPFS (In-Situ Permeable Flow Sensor) permanent im Boden installiert ist, werden die 30 kalibrierten Temperatursensoren an seiner Oberfläche aktiviert, wobei ein zeitlich und räumlich gleichförmiger Wärmefluss um die Sonde herum hergestellt wird. Eine sich an dem ISPFS-Sensor vorbei- bewegende Grundwasserströmung wird durch eine Veränderung der Temperaturverteilung um die Oberfläche des Tools herum angezeigt, da ein Anteil der von der Sonde ausgehenden Wärme durch das an dem ISPFS-Sensor vorbeiströmende Grundwasser um das Tool herumbewegt wird. Die stromabwärts gewandte Seite der Sonde wird im Vergleich zu der angeströmten Seite relativ warm. Die Richtung und die Größe der Strömung werden aus der gemessenen Temperaturverteilung an der Oberfläche der Sonde berechnet. Der ISPFS- Sensor liefert eindeutige Information, insbesondere eine Punktschätzung der Richtung und Geschwindigkeit der Grundwasserströmung in einem Maßstab von ungefähr einem Kubikmeter. U nter der Voraussetzung einer in Richtung und Geschwindigkeit gleichförmigen Fließbeweg ung können mit den ISPFS- Sensoren präzise Messung von Grundwasser- Fl ießgeschwindigkeiten im Bereich von lxlOE-5m/s bis 5xlOE-8m/s verwendet werden . Der ISPFS-Sensor lieferte eindeutige Information (Punktschätzungen der Grundwasserströ ¬ mungsvektoren) an den oben genannten Demonstrationsstellen sowoh l unter natürl ichen als auch unter gestörten (d . h . den während der Sanierung herrschenden) Bedingungen . Eine Messung der Grundwasserströmung im kleinen Maßstab kann kritisch für das Optimieren des Sanierungs- Desig ns oder das Entwickeln eines stel lenbezogenen konzeptuellen Model ls sein . ISPFS- Sensoren liefern über eine längere Zeitperiode hinweg Information bei extrem niedrigem Kostenaufwand . Nachdem die Sensoren install iert worden sind, wird die Datenerhebung über ein automatisches System vorgenommen . Da insbesondere bei geringen Fl ießgeschwindigkeiten die Grundwasser- Fließbewegung aufgrund hydraulischer Druckschwankungen im Zeitverlauf variabel in Richtung und Geschwind ig keit ist, erfolgt bei geringen Fließbewegu ngen eine diffuse/disperse Verteil ung der Temperaturmarkierung, so dass dann eine akkurate Auswertu ng nicht gegeben ist.

Aufg rund eines permanenten Einbaus der Sonde in einer Bohru ng ist nach Ab- schl uss der U ntersuchu ng eine Berg ung der Sonde mit hohem Aufwand verbunden . Daher wird auch ein Verlust der Sonden insofern in Kauf genommen, als diese im Erd reich verbleiben, was ökolog isch jedoch nicht vertretbar ist.

Wie sich aus dem Vorstehenden erg ibt, sind also in der Vergangenheit eine Vielzahl von unterschiedl ichen Verfahren und Vorrichtungen entwickelt worden, die die strömungstechnischen Parameter von Grundwasserfließbeweg ungen durch Zuführen von Markierungen in Form von z. B. Elektrolyten, Farbstoffen und Temperaturanomal ltäten über geeig nete Detektoren die Verlagerung der Marker mit der Grundwasserd urchströmung erfassen . Desweiteren sind auch optische Verfahren eingesetzt worden, welche bereits im Grundwasser enthaltene und suspendierte, mitgeführte Stoffe als Marker nutzen . Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur verbesserten optischen Erfassung von Fließbewegungen in flüssigen und/oder gasförmigen Medien, insbesondere im Grundwasser, bereitzustellen.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren zur optischen Erfassung von Fließbewegungen in flüssigen und/oder gasförmigen Medien vorgeschlagen, wobei bei dem Verfahren

in dem Medium ein Messvolumen sowie innerhalb des Messvolumens min- destens eine Messebene definiert werden und

in Erstreckung der Messebene sich bewegende Partikel optisch erfasst werden, indem

die Messebene in mindestens einem Erfassungsbereich von der einen Seite der Messebene, das heißt von einer Beleuchtungsseite aus mit- tels eines Lichtstrahlbündels aus parallelen Lichtstrahlen einer Beleuchtungseinheit belichtet und durchleuchtet wird,

durch Partikel, die sich innerhalb des Erfassungsbereiches der Messebene befinden, Streulicht erzeugt wird,

als Vorlichtstreuung zu einer der Beleuchtungsseite gegenüberliegen- den Vorlichtstreuungsseite abstrahlendes Streulicht oder zumindest ein Teil davon und ein Durchlichtanteil des Lichtstrahlbündels der Beleuchtungseinheit, der den Erfassungsbereich der Messebene, ohne gestreut zu werden, passiert, durch mindestens ein optisches Element zu einer Bildaufnahmeebene einer Kamera geleitet werden, - von der Kamera eine Sequenz von Bildern des Erfassungsbereiches aufgenommen wird und

anhand der Bildsequenz bezüglich mindestens eines Partikels durch rechnergestütze Bildauswertung ein Bewegungsvektor ermittelt wird, wobei der Durchlichtanteil des Lichtstrahlbündels der Beleuchtungseinheit vor Erreichen der Bildaufnahmeebene der Kamera herausgefiltert wird.

Die vorstehend genannte Aufgabe wird erfindungsgemäße ferner gelöst mit einer Vorrichtung zur optischen Erfassung von Fließbewegungen in flüssigen und/oder gasförmigen Medien, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einer der zuvor genannten Ausprägungen, wobei die Vorrichtung versehen ist mit

einer eine Messebene aufweisenden beziehungsweise definierenden Messzelle zur Positionierung in dem zu untersuchenden Medium, wobei die Messebene mindestens einen Erfassungsbereich aufweist, innerhalb dessen im Medium befindliche Partikel optisch erfassbar sind,

einer Beleuchtungseinheit zur Belichtung des Erfassungsbereiches mit einem im Wesentlichen parallelen Lichtstrahlbündel,

einer Kamera zur Erfassung von mindestens einem Teil einer bei Belichtung von im Erfassungsbereich befindlichen Partikel entstehender Vor- lichtstreuung als Streulicht,

wobei die Beleuchtungseinheit und die Kamera zu entgegengesetzten Seiten der Messebene, nämlich auf einer Beleuchtungseite und einer Vor- lichtstreuungsseite angeordnet sind,

einem optischen Pfad zwischen dem Erfassungsbereich, also der Objektebene und der Kamera, also der Bildebene, zum Leiten zumindest eines Teils der Vorlichtstreuung zu der Kamera,

wobei der optische Pfad ein Unterdrückungselement zur Unterdrückung der Weiterleitung eines den Erfassungsbereich der Messebene ohne Streuung passierenden Durchlichtanteils des Lichtstrahlbündels der Beleuchtungseinheit aufweist.

Nach der Erfindung wird innerhalb eines Messvolumens, das in dem zu vermessenen Medium platziert wird, mindestens eine Messebene definiert, in der sich bewegende Partikel befinden, die optisch erfasst werden. Hierzu weist die Messebene mindestens einen Erfassungsbereich auf, der von der einen Seite der Messebene aus (Beleuchtungsseite) mittels eines Lichtstrahlbündels beleuchtet wird, wobei das Lichtstrahlbündel vorzugsweise parallele Lichtstrahlen aufweist. Durch diese Belichtung entsteht infolge der Lichtstreuung an beleuchteten Partikeln Streulicht, das unter anderem auch zur der Beleuchtungsseite gegenüberliegenden Seite der Messebene (Streulichtseite) gelangt, und zwar als Vorlichtstreuung . Es hat sich gezeigt, dass die Ausnutzung der Vor- lichtstreuung aufg rund deren Intensität besonders geeignet ist, Partikel optisch zu detektieren bzw. zu lokalisieren . Vorlichtstreuungseffekte kann man beispielsweise mit dem bloßen Auge wahrnehmen, indem im (Sonnen-)Gegenlicht oder schräg dazu in der Luft schwebende Partikel sichtbar werden .

Das als Vorlichtstreuung zur Vorlichtstreuungsseite abstrahlende Streulicht (oder zumindest ein Teil davon) sowie derjenige Durchlichtanteil des Belich- tungs- Lichtstrahl bündels, der den Erfassungsbereich der Messebene, oh ne ge ¬ streut zu werden, passiert, werden erfind ungsgemäß d urch mindestens ein optisches Element (d . h . längs eines optischen Pfades) zu einer Bildaufnahme ¬ ebene ( = Bildebene des optisch abbildenden Systems) einer Kamera geleitet. Die Kamera nimmt eine Sequenz von Bildern des Erfassungsbereichs, der der Objektebene des Systems entspricht, auf. Anhand dieser Bildseq uenz kann dann d urch Bildauswerteverfahren ein Bewegungsvektor eines sich längs der Messebene bewegenden Partikels ermittelt werden . Erfind ungsgemäß ist bei der Aufnahme der Bilder durch die Kamera vorgesehen, den Durchlichtanteil des Lichtstrahl bündels der Beleuchtungseinheit vor Erreichen der Bildaufnahmeebene der Kamera herauszufiltern . Damit nimmt also die Kamera aus ¬ schließlich noch die Vorlichtstreuung auf.

Unter " Herausfiltern" im Sinne der Erfind ung ist insbesondere ein Abschotten, anderweitiges Blockieren, Absorbieren und/oder Herausleiten des Durchlicht- anteils gemeint. Mit der Erfind ung ist es mögl ich, Gru ndwasser- Fließgeschwindigkeiten in einem sehr breiten Geschwindigkeitsbereich von 10 "8 m/s bis 10 "3 m/s, was dem Bereich von 8 mm/Tag bis 8 m/Tag entspricht, zu erfassen , wobei neben der Geschwindigkeit sel bstverständl ich auch d ie Fließrichtung erfasst wird . Erfind ungsgemäß können mehrere Messebenen bzw. Messebenen mit meh reren Erfassungsbereichen vorgesehen sein . Die Messebenen liegen dann übereinander. Die Erfindung eig net sich insbesondere für Einlochbohr- Messungen, wobei die Messsonde, also die Vorrichtung , in ein vorhandenes Bohrloch (Brunnenpegel) eingebracht wird. Oberhalb und unterhalb des eigentlichen Messbereichs befinden sich üblicherweise sogenannte Packer bzw. Abschottelemente, die verhindern, dass der Messbereich zwischen den Packern bzw. Abschottelementen durch winklig zur Messebene verlaufende Strömungen be- einträchtigt wird. Auf diese Weise misst man also im Wesentlichen horizontale Strömungen, und zwar ungestört. Die beiden Abschottelemente sind mechanisch über möglichst dünne, den Durchfluss nur unwesentlich beeinträchtigende Verstrebungen verbunden. Das Beleuchtungslicht und das Licht der Vor- lichtstreuung sollten möglichst nahe zur Messebene bzw. zum Messbereich der Messebene innerhalb des Messvolumens eingebracht bzw. aufgenommen werden. Dies gelingt zweckmäßigerweise unter möglichst geringer Beeinflussung der Strömung dadurch, dass von den Abschottelementen aus möglichst dünn ausgeführte Lichtleit-Elemente zum Leiten des Beleuchtungslichts zum Erfassungsbereich und zum Erfassen des Lichts der Vorstreuung aus dem Erfas- sungsbereich bzw. des Abbildes der Objektebene abstehen. Sind pro Messsonde bzw. Vorrichtung mehrere Messebenen bzw. Messebenen mit mehreren Erfassungsbereichen vorgesehen, so existieren dementsprechend auch mehrere Paare von aufeinander zu laufenden Lichtleitelementen der vorstehend beschriebenen Art und den entsprechenden Eigenschaften.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann also vorgesehen sein, innerhalb des Messvolumens mehrere Messebenen mit jeweils mindestens einem Erfassungsbereich oder innerhalb einer Messebene oder mindestens einer der Messebenen mehrere Erfassungsbereiche zu definieren, wobei jeder Erfassungsbereich belichtet und durchleuchtet wird und wobei die pro Erfassungsbereich erzeugte Vorlichtstreuung durch eine Sequenz von Bildern aufgenommen und durch pro Bildsequenz erfolgende Bildauswertung für jeweils mindestens einen Partikel ein Bewegungsvektor ermittelt wird . Wie bereits oben angedeutet, kann das Herausfiltern des Durchlichtanteils des Lichtstrahlbündels der Beleuchtungseinheit durch Reflektion und/oder Absorption und/oder Auskopplung erfolgen. Für die Absorption eignet sich insbesondere ein optisches Lichtunterdrückungselement wie z. B. ein Bauteil mit schwarzer Fläche, auf die der Durchl ichtanteil des Lichtstrahl bündels der Be ¬ leuchtungseinheit auftrifft, oder ein Licht absorbierender Hohlkörper, in den der Durchlichtanteil des Lichtstrahlbündels der Beleuchtungseinheit eintritt (ohne aus dem Hohlkörper wieder heraustreten zu können) . Durch ein lichtlei- tendes Element (Lichtleiter) kann der Durchl ichtanteil aus dem optischen Pfad "herausgeleitet" werden .

Als Partikel , die es zur Ermittlung der Strömungsrichtung und -geschwindig keit optisch zu erfassen gilt, eig nen sich einerseits inhärent in dem Medium vor- handene Partikel oder aber auch künstlich erzeugte oder eingegebene Mess ¬ partikel (Tracer), die zum Zwecke der Vermessung der strömungstechnischen Eigenschaften des Med iums in d ieses eingebracht worden sind . Hier können beispielsweise spezielle Dosiervorrichtungen verwendet werden, mit denen die Partikel in den Brunnenpegel nahe dem Messvolu men bzw. in das Messvolu- men eingebracht werden kön nen . Beispiele für derartige Dosiervorrichtungen sind in DE-A- 199 52 541 , DE-A- 199 52 542 und DE-C-44 43 307 beschrieben .

In weiterer vorteil hafter Ausgestaltung der erfindu ngsgemäßen Vorrichtung kann vorgesehen sein, dass die Beleuchtungseinheit eine Lichtaustrittsfläche und der optische Pfad eine Lichteintrittsfläche aufweist und dass sich beide Flächen gegenüberliegen sowie zwischen beiden Flächen der Erfassungsbereich der Messebene angeord net ist.

Um zu verhindern, dass sich im Laufe der Zeit auf der Lichtaustrittsfläche der Beleuchtungseinheit (oder, je nach Anord nung, auf der Lichteintrittsfläche des zur Kamera führenden optischen Pfads für die erfasste Vorlichtstreuung ) Partikel gravitativ absetzen, kann es zweckmäßig sein, die betreffende Lichtaus ¬ tritts- bzw. Lichteintrittsfläche geneigt zur Messebene auszurichten, wobei dann die jeweils andere Fläche, d . h . die Lichteintritts- oder d ie Lichtaustritts- fläche, vorzugsweise parallel zur Messebene verlaufen kann .

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfind ung kann bei einer Ausgestaltung des Verfahrens bzw. der Vorrichtung mit mehreren Erfassungsberei- chen innerhalb einer gemeinsamen Messebene oder innerhalb unterschiedlichen Messebenen vorgesehen sein,

dass die Messebene mehrere Erfassungsbereiche aufweist,

dass die Beleuchtungseinheit eine Belichtungsquelle und eine der Anzahl 5 der Erfassungsbereiche gleichende Anzahl an Lichtaustrittsflächen aufweist,

dass eine der Anzahl der Erfassungsbereiche gleichende Anzahl an optischen Pfaden mit Eintrittsflächen vorgesehen ist und

dass zwischen der Belichtungsquelle und den Lichtaustrittsflächen einerl ei seits und zwischen den optischen Pfaden und der Kamera andererseits jeweils eine Lichtumlenkeinheit zum Umlenken des Lichts der Belichtungsquelle zum sequentiellen, insbesondere zyklisch sich wiederholenden Austritt aus den Lichtaustrittflächen und zum sequentiellen, insbesondere zyklisch sich wiederholenden Umlenken des Lichts von den opti- 15 sehen Pfaden zur Kamera angeordnet ist, wobei die beiden Lichtumlenkeinheiten synchronisiert sind.

Diese Anordnung hat den Vorteil, dass mehrere Erfassungsbereiche sequentiell bzw. zyklisch mit Beleuchtungslicht beaufschlagt werden können, wobei nur

20 eine einzige Lichtquelle verwendet wird; ebenso können mit lediglich einer einzigen Kamera sequentiell von den einzelnen beleuchteten Erfassungsbereichen dann, wenn diese beleuchtet werden, die Vorlichtstreuungsanteile optisch er- fasst und aufgenommen werden. Die jeweiligen Lichtumlenkeinheiten umfassen dabei vorzugsweise optische Prismen o.dgl. Die einzelnen Erfassungsbe-

25 reiche sind zweckmäßigerweise entlang einer gedachten Kreislinie angeordnet.

Hierbei können dann Drehantriebe auf der Lichterzeugungsseite sowie auf der Vorlichtstreuungslichtaufnahmeseite angeordnet werden, die synchronisiert sind bzw. auf beiden Seiten können sich drehende Elemente mit Hilfe eines zentralen, einzigen Antriebs gedreht werden.

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Die Erfassungsbereiche sind idealerweise kreisförmig auf Messebenen angeordnet, wobei der optische Strahlengang von Lichtstrahlbündel und bildgebendem Streulichtanteil mit Hilfe synchronisierter und mit Umlenkprismen ausge- statteter Drehteller durch Rotation dieser gekoppelten Drehteller auf den jeweiligen Erfassungsbereich ausgerichtet werden kann, so dass nur eine Lichtquelle und Beleuchtungseinheit und nur eine Kamera zur Vermessung der Strömung in mehreren Erfassungsbereiche erforderlich sind.

Die optischen Elemente sowie die elektronische Steuerung (zumindest teilweise) können vorteilhaft in den bereits oben genannten Packern oder Abschottelementen untergebracht sein. Es ist zweckmäßig, die erfindungsgemäßen bildaufnehmenden Vermessungen der Durchflussbewegungen in insbesondere Brunnenpegeln in unterschiedlichen Tiefenpositionen des Brunnenpegels durchzuführen, und zwar einerseits, um die gewonnenen Ergebnisse vergleichen und statistisch auswerten zu können, und andererseits, um einen umfassenden Eindruck für die Interpretation der Ergebnisse zu erhalten. Insoweit umfasst die Erfindung also auch eine Mul- ti-Level-Ausführung des Verfahrens und der Vorrichtung, um zeitgleich Messungen in mehreren Tiefen eines Brunnenpegels durchführen zu können. Hierbei werden dann vorzugsweise mehrere Messsonden bzw. Messmodule übereinander (und gegebenenfalls mechanisch miteinander gekoppelt) innerhalb ei- nes Brunnenpegels eingesetzt. Diese Ausgestaltung der Erfindung hat zunächst den Vorteil, dass ein Messeinsatz erheblich wirtschaftlicher als bisher durchgeführt werden kann, da Einsatz- und Rüstzeiten eingespart werden können (das Umsetzen einer einzelnen Messsonde bzw. eines einzelnen Messmoduls in verschiedene Messtiefen entfällt und eine hydraulische Stabilisierung nach Einfahren und Fixieren der Messsonde im Brunnenpegel fällt nur einmal an). Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass ein Mehrgewinn an Daten zur Stützung der Ergebnisse und zur Stützung der statistischen Auswertung und der Interpretation der Messdaten zu verzeichnen ist.

Infolge von Bohrung und Brunnenausbau sind die hydraulischen Randbedingungen am und im Brunnenpegel gestört/verändert und die Stromlinien werden beim Durchfluss verzerrt. Im Anstrom zum Brunnen hin erfolgt eine Stromlinienscharung, im Abstrom eine korrespondierende Auffächerung . Die Geschwindigkeit im Brunnen ist in der Regel höher als in der Umgebung, der Durchfluss allgemein laminar.

In kreisförmigen Brunnenquerschnitten bildet sich idealerweise eine axialsym- metrische Durchflussgeometrie aus, wobei die median durchlaufende Fließbahn die im umgebenden Sediment vorherrschende Fließrichtung am besten widerspiegelt.

Die maßgeblich interessierende Fließgeschwindigkeit im umgebenden Sediment kann über die Kenntnis der Fließbahnverzerrung und der üblicherweise vorliegenden Pegel-Ausbaudaten (z.B. Bohrdurchmesser, Filterrohr-Durchlässigkeit) möglichst realitätsnah ermittelt werden. In der Praxis wird diese Verzerrung mit Hilfe von bekannten Formelwerken lediglich aus den Pegel- Ausbaudaten ermittelt (der sogenannte Alpha-Faktor - siehe z.B Moser, H. & Rauert,W. (1980): Isotopenmethoden in der Hydrologie.- in: Matthess, G. (Hrsg.): Lehrbuch der Hydrogeologie, Band 8, Berlin) . Die Anwendung dieser Formeln trägt jedoch nicht allen in der Praxis auftretenden Einflussfaktoren hinreichend Rechnung. Dies führt zu einer hohen Varianz der berechneten Fließgeschwindigkeit im Sediment - ein Grund für die untergeordnete Anwendung von Einbohrloch-Methoden.

Die Kenntnis der sich quer zur Brunnenachse ausbildenden Stromlinienverzerrung/des Fließbahnverlaufs im Brunnenpegel ist von entscheidender Bedeu ¬ tung, um die interessierende Fließgeschwindigkeit im umgebenden Sediment so realitätsnah wie möglich ableiten zu können.

Bei allen Fließmessverfahren in Brunnenpegeln wird üblicherweise ein Bohroder Rohrabschnitt hydraulisch nach oben und unten isoliert, so dass ein zylinderförmiger Messraum gebildet wird. Bei allen bekannten bildaufnehmenden Verfahren erfolgt die optische Erfassung der Feinschwebstoffe an einem Punkt: in der axialen Mitte des durchströmbaren Messraums einer Messsonde bzw. axial in Brunnenpegeln. Um Feinschwebstoffe bzw. mikroskopische Partikel optisch vereinzelt zu erfassen ist eine hohe optische Auflösung erforderlich. Auf Grund des erforderlichen Abbildungsmaßstabs ist bei der Verwendung von bekannten, marktverfügbaren Bildaufnahmesensoren (optischen CCD- oder CMOS-Sensoren) die Größe des betrachteten Bildfeldes dergestalt begrenzt, dass lediglich ein nur sehr begrenzter Ausschnitt aus dem Durchflussfeld erfasst werden kann, über den nicht auf das Maß und die Symmetrie der Stromlinienverzerrung über den gesamten Brunnenquerschnitt zurückgeschlossen werden kann. Es wurde folgende Lösung erdacht, um auf das Maß und die Symmetrie des radialen Stromlinienfeldes über den Brunnenquerschnitt rückschließen zu können : Es werden mehrere, über den Querschnitt des Messraums verteilte Aufnahmepunkte eingerichtet, die idealerweise auf ein und derselben Höhe positioniert und auf einer gemeinsamen Kreisbahn innerhalb des Messraums ange- ordnet sind .

Um die Durchflusssituation quer zur Brunnenachse im Messraum repräsentativ abbilden zu können, welche näherungsweise der Durchflusssituation im Brunnen ohne eingebaute Messapparatur entspricht, ist eine Mindesthöhe des Messraums bzw. eines isolierten Brunnenpegelabschnitts erforderlich. Diese Höhe ist abhängig beispielsweise von dem Kaliber des Brunnenrohres und der Größe und Anordnung der Filteröffnungen im Brunnenrohr. Die erwünschte Durchflusssituation bildet sich dann naturgemäß vorzugsweise in der vertikalen Mitte des Messraums ab. Die Bildaufnahmepositionen müssen daher idealer- weise in der vertikalen Mitte des Messraums positioniert werden und liegen damit in einer vorgegebenen Distanz zum oberen und unteren Abschlusselement des Messraums.

Um aus diesen Bildaufnahmepositionen auch bei einer hohen Trübe des strö- menden Mediums ein hinreichend verwertbares Abbild mit optisch vereinzelbaren Partikelpositionen sowie eine hinreichende Ausleuchtung der Betrachtungsebene zu realisieren, ist es erforderlich, die Distanz zwischen dem Betrachtungsfeld und den Fenstern, über die einerseits Licht in das strömende Medium eingebracht und über die andererseits das von den transportierten Partikeln rückgestreute Licht eingekoppelt wird, kurz zu halten. Die Strecke der optischen Übertragung durch trübes, strömendes Medium ist dann reduziert. So ist gewährleistet, dass aus dem Betrachtungsfeld rückgestreutes Licht einzelner Partikel als Lichtpunkte abbildbar ist. Gleichzeitig darf die Fließsituation hier nicht durch die Nähe optischer Elemente entscheidend beeinträchtigt werden.

Wie oben diesbezüglich bereits angemerkt, ist es insoweit zweckmäßig, wenn die Fensteröffnungen distal an den Enden von optischen Bauelementen liegen, die beispielsweise in Form von optischen Rohren in den Messraum hineinragen und deren Enden so ausgeführt sind, dass sie konisch zur Fensterfläche hin zulaufen, wobei die Größe der Fensterfläche näherungsweise mit der Betrachtungsfläche korrespondiert.

Um eine optisch einwandfreie Transmission für Ausleuchtung und Bilderfassung über liegende Fensterflächen zu gewährleisten, sind diese Fensterflächen gegenüber der horizontalen Ebene geneigt, damit das bei stationärer Messposition sich absetzende/sedimentierende Material entlang der geneigten Fensterfläche abgeführt wird .

Fließmodellierungsergebnisse zeigt, dass Bauformen, welche lediglich nur von einem Abschlusselement aus in den Messraum hineinragen, die Durchflussgeometrie im Messraum dergestalt beeinflussen, dass Fließbahnen vertikal aus- gelenkt werden und die Bauformen vorzugsweise über- bzw. unterströmt werden. Die Auslenkung der Fließbahnen führt zu einem vertikalen Drift der Schwebstoffe durch die Betrachtungsflächen und insgesamt zu einer asymmetrischen, komplexeren Durchflussgeometrie im Messraum. Diese Form der Anordnung wirkt sich nachteilig auf die Messwertaufnahme sowie die Rekon- struktion der Durchflussgeometrie aus.

Es stellt sich die Anforderung, Bauelemente im Messraum dergestalt anzuordnen, dass einerseits keine vertikale Auslenkung von Fließbahnen im Messraum erfolgt und andererseits den durch die Bauelemente gegebenen Fließwiderstand im Messraum so zu verteilen, dass unabhängig von der Richtung des Anstroms in den Messraum immer ein horizontales, annähernd identisches Durchflussverhalten von der Anordnung vorgegeben wird, um die Ausbildung einer rekonstruierbaren Durchflussgeometrie zu ermöglichen.

1. Der Anforderung wird mit der Erfindung dadurch entsprochen, dass Bauelemente, welche von einem Abschlusselement in den Messraum hineinragen, durch in Form und Länge näherungsweise identische Bauelemente ergänzt werden, die von dem gegenüberliegenden Abschlusselement spiegelsymmetrisch gegenüberliegend in den Messraum hineinragen. Simulationsergebnisse zeigen, dass diese Anordnung den Durchfluss in der Messzelle gegenüber der vorigen Anordnung deutlich geringer beeinflusst. Vertikale Auslenkung von Fließbahnen treten nur untergeordnet auf, es bildet sich eine gleichförmigere Durchflussgeometrie in der Messzelle aus. Wichtig ist, dass der Fließwiderstand im Vertikalprofil des Messraums gleich verteilt ist.

2. Der Anforderung wird mit der Erfindung ferner dadurch entsprochen, dass die Anzahl der auf Kreisbahnen angeordneten, in den Messraum hineinragenden Bauelemente ungerade ist, um eine Anzahl an Positionen, die eine Vorzugsfließrichtung infolge der Abschattung durch parallel zur An- strömung ausgerichtete Bauteile vorgeben, zu reduzieren.

Die einzelnen erfindungsgemäßen Aspekte mit den zugehörigen zu erfüllenden Anforderungen lassen sich wie folgt zusammenfassen :

Erster Aspekt Anforderung : Um aus der Durchflussgeschwindigkeit im Brunnen die Fließgeschwindigkeit im umgebenden Sediment so realitätsnah wie möglich ableiten zu können, ist die Kenntnis der horizontalen Durchflussgeometrie bzw. Ver- zerrung der Fl ießbahnen erforderlich . Dazu muss die Form der Durchfl ussgeometrie erkennbar gemacht werden .

Lösung : Um das Maß und die Symmetrie der Fließbahnverzerrung ableiten zu kön nen, erfolgt die Bildaufnahme bzw. die optische Erfassung der Fl ießbewe ¬ gung an mehreren, über den horizontalen Querschnitt des Messraums verteilten Positionen, wobei d iese Positionen idealerweise in korrespond ierenden Abständen zueinander und auf Kreisbahnen angeordnet sind sowie vorzugsweise in der vertikalen Mitte des Messraums liegen . Durch die Kombination der an diskreten Positionen im Messraum ermittelten Fließrichtungen und -geschwin- dig keiten kann die Durchfl ussgeometrie dann model lhaft rekonstruiert werden .

Zweiter Aspekt Anforderung : Bauelemente, welche nur von einem Abschlusselement aus in den Messraum hineinragen, bedingen einen asymmetrischen Fl ießwiderstand im Messraum, der zu einer vertikalen Auslenkung der Fl ießbahnen führt und zu unterschiedl ichen Fl ießgeschwindigkeiten im Vertikalprofil des Messraums. Die Durchfl usssituation im Messraum wird damit komplexer und die Ausbildung einer repräsentativen Stromlinienverzerrung auf der horizontalen Ebene beeinträchtigt. Es stellt sich die Aufgabe, Bauelemente im Messraum so anzuord ¬ nen, dass

1 ) mögl ichst keine vertikale Auslenkung von Fl ießbahnen im Messraum erfolgt und

2) den durch die Bauelemente gegebenen Fl ießwiderstand im Messraum so zu verteilen, dass unabhäng ig von der Richtung des rad ialen Anstroms in den Messraum ein annähernd gleicher Fließwiderstand gegeben ist, um den Einfl uss auf die Ausbild ung der Durchfl ussgeometrie d urch Bauele ¬ mente gering und g leich zu halten .

Lösung : Die Anforderung wird dad urch gelöst, dass Bauelemente, welche von einem Abschl usselement in den Messraum hineinragen, durch in Form und Länge näherungsweise identische Bauelemente ergänzt werden, die von dem gegenüberliegenden Abschl usselement insbesondere idealerweise spiegelsymmetrisch gegenüberliegend in den Messraum hineinragen . Die Anzahl der auf Kreisbahnen angeord neten, in den Messraum hineinragenden Bauelemente ist ungerade, um eine Vorzugsfl ießrichtung infolge der Abschattung d urch paral lel zur Anströmung ausgerichtete Bauteile zu vermeiden .

Dritter Aspekt

Anforderung : Um bei sehr geringer Schwebstofffracht das rückgestreute Licht auch von den Schwebstoffen, deren Größe die optische Auflösung des bildaufnehmenden Sensors unterschreitet, in Form von verfolgbaren Lichtpunkten zu reg istrieren, ist eine Ausleuchtung der Betrachtungsfläche mit hoher Lichtintensität erforderl ich . Gleichzeitig darf die Ausleuchtung keine thermische Aufheizung des strömenden Med iums verursachen, um daraus resultierende kon- vektive Fl ießbeweg ungen zu unterbinden .

Lösung : Um auch kleinste Partikel optisch kenntlich zu machen und um eine bestmög liche Lichtausbeute zu erzielen, ist eine 100%-Vorl ichtstreuung erforderlich, was nur bei direktem Gegenl icht und unter Abschattung des einstrah- lenden Lichts im anschl ießenden Strahlengang erzielt werden kann . Daher sind die Fensterflächen für Ausleuchtung und Bild übertragung gegenüberliegend quer zur Betrachtungsfläche angeord net. Die Betrachtungsfläche wird dann mittels eines Laserstrahls dergestalt ausgeleuchtet, dass der Strahlengang des Laserstrahls parallel zur optischen Achse des Strahlengangs des Abbildes ver- läuft und der Laserstrahl im Strahlengang des Abbildes fokussiert und am Fokuspunkt optisch terminiert wird .

Vierter Aspekt Anforderung : Bei hoher Trübe und bei längerem Messbetrieb kann sich in Sus ¬ pension im strömenden Med ium befindl iches Material auf horizontale, liegende Fensterflächen ablagern . Dies führt zu einer optischen Abschattung und damit zu einer reduzierten optischen Transmission . Bei den Licht auskoppel nden Fenstern können infolge von thermischer Wandlung an dem abgelagerten Material unterwünschte konvektive Fließbewegungen an der Fensterfläche und in der Betrachtungsfläche auftreten. Lösung : Um die optische Transmission an den Fenstern für Ausleuchtung und Bilderfassung insbesondere bei längeren Verweilzeiten und im kontinuierlichen Messbetrieb zu gewährleisten, sind liegende Fensterflächen gegenüber der horizontalen Ebene geneigt, so dass sich absetzendes/sedimentierendes Material entlang der geneigten Fensterfläche gravitativ abgeführt wird.

Fünfter Aspekt

Anforderung : Die Lichtstrahlachse wird bei der Auskopplung an geneigten Fenstern gebrochen und verläuft anschließend nicht mehr parallel zur opti- sehen Achse des Messbilds. Der Laserlichtstrahl kann dann nicht im Strahlengang der Messbildachse fokussiert und terminiert werden.

Lösung : Um die Auslenkung der optischen Achse des Laserstrahls beim Ein- und Auskoppeln in das strömende Medium zu kompensieren, sind gegenüber- liegende Fensterflächen parallel zueinander ausgerichtet, so dass die an einer geneigten Fensterfläche gebrochene optische Achse des Laserstrahls beim Wiedereintritt am gegenüberliegenden Fenster wieder parallel zur ursprünglichen optischen Achse bzw. zur optischen Achse des Messbilds geführt wird . Sechster Aspekt

Anforderung : Das durchströmende Medium kann infolge einer sehr hohen Schwebstofffracht häufig trübe sein. Dies bewirkt, dass die optische Transmission eingeschränkt ist. Eingebrachtes Licht zur Ausleuchtung der Betrach- tungsfläche wird bei Auskopplung in das strömende Medium stark gestreut, so dass Schwebstoffe in einiger Entfernung von der Betrachtungsfläche optisch nicht mehr einzeln erfasst werden können bzw. der Kontrast der von einzelnen Partikel n rückgestreuten Lichtpunkte aufgelöst wird . Es können somit keine für die Ermittl ung der Fl ießbeweg ung auswertbaren Bilder gewonnen werden .

Lösung : Eine hinreichende optische Erfassung individueller Schwebstoffe (Zu- Ordnung von Kontrastdifferenzen) und Ausleuchtung ist nur u nmittelbar an der abzubildenden Objektebene bzw. Betrachtungsfläche gegeben . Daher sind die Fensterflächen für die Bildaufnahme als auch für die Lichtauskoppl ung im unmittelbaren Nahbereich der Betrachtungsfläche positioniert, so dass auch bei hoher Schwebstofffracht die auf der fokussierten Betrachtungsfläche transpor- tierten Partikel vereinzelt abbildbar sind .

Siebter Aspekt

Anforderung : Im Nahbereich der Betrachtungsfläche werden die Fließverhält- nisse durch nahständ ig positionierte Fensterelemente negativ beeinflusst.

Lösung : Um die Einflussnahme auf die Fließverhältnisse am Betrachtungsfeld durch die Fensterelemente zu reduzieren, sind die Fensterelemente so ausge ¬ führt, dass die dem fließenden Medium zugewandten Fensterflächen nähe- rungsweise in Form und U mfang der abzubildenden Betrachtungsfläche ent ¬ sprechen und dass die Fenster bzw. die fenstertragenden Elemente konusför- mig ausgefü hrt sind, wobei jeweils die distale Fensterfläche die Konusspitze bildet bzw. das fenstertragende Element konisch zur Fensterfläche hin zuläuft. Die Erfind ung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Bezug nahme auf die Erfindung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei :

Fig . 1 schematisch die Anordnung einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung in einem Brunnenpegel (Brunnenbohrloch) zur Ermittl ung der Richtung und Geschwind ig keit einer Grundwasserströmung und

Fig . 2 eine schematische Darstell ung der optischen, lichttechnischen Einzelbestandteile sowie des internen Aufbaus der Messvorrichtung . Fig . 1 zeigt die Einsatzsituation einer erfindu ngsgemäßen Messvorrichtung 10 in einem Brunnenpegel bzw. Bohrloch 12 im Erd reich 14, um in einer vorgegebenen Tiefe 16 die strömungstechnischen Eigenschaften (Richtung und Ge- schwindigkeit) der horizontalen Grundwasserströmung zu vermessen . Es sei an dieser Stel le angemerkt, dass mehrere Messvorrichtungen 10 gemäß Fig . 1 gleichzeitig in unterschiedl ichen Tiefen innerhalb des Bohrlochs 12 angeordnet sein können . Die Messvorrichtung 10 weist ein erstes oberes Abschott- bzw. Packerelement 18 und ein unteres zweites Packerelement 20 auf, die den Abschnitt 21 zwischen den beiden Packerelementen 18,20 insoweit abschotten, als vertikal durch das Bohrloch 12 strömendes Grundwasser die Horizontalmessung nicht bzw. im Wesentlichen nicht beeinfl usst. Die beiden Abschott- bzw. Packerele- mente 18,20 sind d urch Streben 22 miteinander verbunden . Von den Abschott- bzw. Packerelementen 18,20 stehen roh r- oder stabförmige optische Lichtleitelemente 24,26 aus lichtleitendem Material (z. B. Vol lmaterial) oder als Hohlkörper ausgebildet ab, deren Aufbau und Funktion in Kombination mit weiteren Elementen der Messvorrichtung 10 nachfolgend anhand von Fig . 2 näher erläutert werden .

Die Messvorrichtung 10 weist mehrere Paare von vorzugsweise entlang einer Kreisl inie angeord neten Lichtleitelementen 24,26 auf, d ie an ihren Enden 28,30 einander gegenüberl iegen . Zwischen diesen Enden 28,30 befindet sich die Messebene 32 sowie jeweils ein Messbereich 34, die wiederum innerhal b des Messvolu mens 36 zwischen den beiden Abschott- bzw. Packerelementen 18,20 angeordnet sind . Innerhal b der Messebene 32 strömt Grundwasser mit natürlichen oder künstlichen Partikel n, die es gilt, optisch zu detektieren, und zwar in Form von Seq uenzen von Aufnahmen mit Hilfe einer Kamera, was nachfol- gend näher erläutert wird .

In d iesem Ausführungsbeispiel weist das untere Abschott- bzw. Packerelement 20 eine Beleuchtungseinheit 38 auf, die als Bel ichtungsquel le 40 in Form einer Laserl ichtquelle zur Aussend ung eines Lichtstrahlbündels 42 mit paral lelen Lichtstrahlen 44 ausgebildet ist. Damit das Licht der Belichtungsq uelle 40 sequentiel l zu den Lichtleitelementen 24 geführt werden kann, wird es von einem zentral auf einem Drehteller 46 befind lichen Prisma 48 radial nach außen um- gelenkt, um dort von einem weiteren Prisma 50 d urch eine Öffnung 52 in dem Drehteller 46 zur Lichteintrittsseite 53 eines Lichtleiters 24 umgelenkt zu wer ¬ den . Das Licht gelangt durch den Lichtleiter 24 hindurch und tritt über seine leicht angeschrägte Lichtaustrittsseite 54 aus. Das austretende Licht gelangt durch den fokussierten Erfassungsbereich 34 und wird dort teilweise an Parti- kein gestreut. Der Vorl ichtstreukegel ist bei 56 gezeigt.

Das Vorstreuungsl icht 56 gelangt durch d ie Lichteintrittsseite 57 in den Lichtleiter 26 und aus dessen Lichtaustrittsseite 58 zu einem weiteren Umlenkpris ¬ ma 59, das hinter einer Öffnung 60 eines weiteren Drehtellers 62 angeordnet ist, welcher sich in dem oberen ersten Abschott- bzw. Packerelement 18 befindet. Das Umlenkprisma 59 lenkt das empfangene Licht radial einwärts zum Mittelpunkt des Drehtellers 62, wo es von einem dort angeord neten Umlenkprisma 64 in Richtung auf die Bildaufnahmeebene 66 einer Kamera 68 ge ¬ langt.

Die Belichtung eines Erfassungsbereichs bzw. jedes Erfassungsbereichs erfolgt über eine gewisse Zeit; während dieser Zeit wird mit der Kamera eine Bildse ¬ quenz aus dem Vorstreuungsl icht aufgezeichnet. Durch Auswertung der Bilder dieser Seq uenz kön nen dann der Richtungsvektor u nd d ie Geschwind igkeit von einzel nen Partikeln, die sich während der Belichtungszeit durch den Erfassungsbereich 34 innerhal b der Messebene 32 bewegt haben, ermittelt werden . Danach wird dann der Drehtel ler 46 schrittweise bis zum nächsten Paar von Lichtleitern 24,26 weiterged reht. Hierzu dient ein Drehantrieb 70, der in diesem Ausführungsbeispiel in Drehantriebseingriff mit dem Drehtel ler 46 im un- teren Abschott- bzw. Packerelement 20 angeordnet ist, aber ebenso g ut auch im oberen Abschott- bzw. Packerelement 18 zum d rehenden Antrieb des dort befind lichen Drehtel lers 62 angeord net sein kann . Beide Drehteller 46,62 sind synchronisiert, was ihre Drehung betrifft, was in diesem Ausfü hrungsbeispiel durch eine mechanische Kopplungsstange 72 erfolgt, aber ebenso gut auch durch eine entsprechend synchronisierte Ansteuerung zweier getrennter Antriebe für die Drehteller 46,62 realisiert werden könnte. Wie anhand von Fig . 2 zu erkennen ist, tritt durch den Erfassungsbereich 34 auch derjenige Anteil des Lichtstrahlbündels 44, der nicht an Partikeln gestreut wird . Dieser Lichtanteil ist mit dem Bezugszeichen 74 bezeichnet. Dieser Lichtanteil 74 würde, wenn er von der Kamera 68 erfasst werden würde, die Bildauswertung und Bildinformationen stören . Daher ist erfindungsgemäß vorge- sehen, diesen Lichtanteil 74 durch ein optisches Unterdrückungselement 76 herauszufiltern . Hierbei kann es sich um ein Bauteil mit schwarzer Fläche oder aber um einen Auskoppellichtleiter 78 handeln . Die Auskopplung des Durch- lichtanteils 74 gelingt durch Verwendung eines entsprechenden Linsensystems, wie beispielsweise durch die Verwendung von Achromaten 80 im optischen Pfad 82 zwischen dem Erfassungsbereich 34 und der Kamera 68 und insbesondere vor der Umlenkung des Vorstreuungslichts 56, d . h . vor Austritt aus dem Lichtleiter 26.

Bei der hier beschriebenen Variante der Erfindung mit mehreren Erfassungsbe- reichen 34 sind diese idealerweise kreisförmig auf Messebenen 32 angeordnet, wobei der optische Strahlengang von Lichtstrahlbündel 44 und 74 und bildgebendem Streulichtanteil 56 mit Hilfe synchronisierter und mit Umlenkprismen 50 ausgestatteter Drehteller 46, 62 durch Rotation dieser gekoppelten Drehteller auf den jeweiligen Erfassungsbereich 32 ausgerichtet werden kann, so dass nur eine Lichtquelle (40) und Beleuchtungseinheit 38 und nur eine Kamera (68) zur Vermessung der Strömung in mehreren Erfassungsbereiche (34) erforderlich sind .