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. Verfahren, 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 mehrheitlichen Nachteile gegenüber konventionellen Verfahren ist der Einsatz von Einbohrlochverfahren derzeit sehr begrenzt.

Die radiale Grundwasser-Durchflussgeschwindigkeit in Brunnenpegeln liegt im Bereich zwischen 1 cm/s und 1 cm/Tag (fünf Größenordnungen). Zu Messungen der überwiegend sehr geringen Fließbewegung ist die Zugabe von Strö- mungsmarkern erforderlich. Hierzu werden in den Brunnenpegel oder den Brunnenringraum z. B. Elektrolyte, Farbstoffe oder Radioisotope eingebracht oder Marker künstlich erzeugt, z. B. Hitzepulse. Viele direkte Verfahren können auf Grund unterschiedlicher Eigenschaften der eingesetzten Marker nur einen begrenzten Geschwindigkeitsbereich abbilden . Neuere Verfahren, wie das PHREALOG-Messverfahren, das "colloidal borescope" oder die "Dunkelfeld- Sonde" nutzen die im Grundwasser enthaltenen natürlichen Schwebstoffe als Marker. Da diese suspendierend mit der Durchflussbewegung mitgeführt wer- den, bildet deren Drift die Fließbewegung ab. Schwebstoffe werden beleuchtet und dabei optisch per CCD-Kamera erfasst. Die Fließbewegung wird dann rechnergestützt per PIV (Particle Image Velocimetry) über den Drift der Schwebstoffe berechnet. Die optische Messung der Fließbewegung mit Hilfe von natürlich vorhandenen Strömungsmarkern hat gegenüber Verfahren, welche künstliche Marker verwenden, entscheidende Vorteile : a) Permanent vorhandene Schwebstoffe ermöglichen eine kontinuierliche, automatisierbare Fließmessung mit beliebiger Messdauer. Dies ermöglicht ein zeitlich unbegrenztes und hoch aufgelöstes Monitoring von Fließbewegungen 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 er- forderlich, 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 do- kumentiert 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 unterschiedl ich geformt. Zur Signalverarbeitung ist dem Photomultiplier ist ein Pulsweiten-Analysator nachgeschaltet. US-A-4 391 137 beschreibt ein Verfahren, mit dem Fl ießbewegungen in Brunnen mittels künstlich erzeugter Temperaturanomal ien ermittelt werden können, wobei Fl ießrichtung als auch Geschwind ig keit erfasst werden . Dazu wird eine Anordnung von Thermistoren in einer äquid istanten Entfernung 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 Med ium bzw. Schüttg ut, wie z. B. Sand oder Glasperlen, gefül lten Behälter eingebaut. Diese Anordnung 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 Med ium d urchströmt. Das poröse Med ium hat d ie Aufgabe, eine gleichförmige laminare Durchströmung in dem Messraum zu gewährleisten und thermische Konvektion zu unterdrücken . Nun wird am Heizelement ein Wärmeimpuls gesetzt, der konform mit der Durchströmung in dem porösen Medium zu den u ml iegenden Thermistoren transportiert wird . Aus der Zeitdauer zwischen Erzeugung des Hitzepulses und An kunft an einem der Thermistoren wird das Maß der Durchflussgeschwindigkeit ermittelt, wobei die Richtung anhand der radialen Lage des Thermistors, an dem der H itzepuls an ^¬ trifft, ermittelt wird . US-4 396 943 beschreibt ein Verfahren, mit dem Fl ießbewegungen 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 "col loidal borescope"-Verfahren entspricht, jedoch mit einem Photomultiplier arbeitet. Hinweise auf die Verwend ung von Kameras bzw. entsprechenden Optiken finden sich nicht. In US-A-5265477 werden die Strömungseigenschaften eines Fluids bestimmt, indem ein Elektrolyt-Impuls an einem hochlokalisierten Punkt innerhalb des Fluids eingeführt wird, ohne das Strömungsfeld des Fluids oder die Form des Impulses zu stören, und anschließend die Spannung oder die Leitfähigkeit um diesen Punkt herum abgebildet wird, um die Geschwindigkeit und die Richtung der Fluidströmung zu bestimmen.

US-A-5 339 694 offenbart eine Sonde zur Bestimmung der physikalischen Größen von Grundwasser. Die Sonde ist zylinderförmig aufgebaut. Auf ihrer Mantelfläche sind gleichmäßig auf ihrem Umfang sowie parallel zum Verlauf ihrer Längsmittenachse Sensoren angeordnet, welche die elektrischen Widerstandswerte von durch eine Tracerflüssigkeit beeinflusstem, in unmittelbarer Nähe der Sonde befindlichem Grundwasser messen. Hier wird als Tracerflüssigkeit die Verwendung eines Salzwassers vorgeschlagen, das durch eine Membran in das Grundwasser diffundieren muss, welches die leitfähige Flüs ^¬ sigkeit transportiert und ein für die Sensoren erfassbares leitfähiges Messfeld erzeugt. Erstreckung, Form und Bewegungsgröße des Feldes werden durch die Sensoren gemessen. Es ist mit diesem Gerät auch möglich, vertikale und horizontale Fließbewegungen zu messen und damit die Form des Feldes und die Fließgeschwindigkeit sowie -richtung des Grundwassers zu bestimmen. Die Sonde sowie das Verfahren zu ihrer Verwendung weisen den Nachteil auf, dass sie in wasserführenden Bohrlöchern stationär, d.h. fest installiert 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 Flüssigkeit durch die Sensoren nur unzureichend gegeben. Die Vorrichtung gewährleistet nur Möglichkeiten zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit, jedoch keine Kombination mit anderen Messverfahren. US-A-5 796 679 beschreibt ein Verfahren, mit dem Fließbewegungen in Brunnen akustisch mittels modulierbaren Tonfrequenzen bei Nutzung des Doppier- Verfahrens ermittelt werden können. US- B-6 227 045 offenbart eine Sonde zum Ü berwachen der Geschwindigkeit und Richtung der Grundwasserströmungs-Sickerung, welche eine elektrische Heizvorrichtung und mehrere Temperatursensoren aufweist, d ie äq uid istant von der Heizvorrichtung angeord net sind . Die Sonde mit der Heizvorrichtung und den Temperatursensoren wird in einen Ü berwachungsschacht eingeführt und derart positioniert, dass sie in das Grundwasser eingetaucht ist. Der Heizvorrichtung wird Energ ie zugeführt, und d ie Temperatur- Reaktion an den Temperatursensoren wird gemessen und aufgezeichnet. Aus der gemessenen Temperatur- Reaktion werden d ie Grundwasser-Strömungsgeschwindigkeit und -richtung berechnet, und diese werden aufgezeichnet. Die Temperatursensoren können Widerstandstemperaturdetektoren, Thermoelemente oder andere Temperaturdetektionsvorrichtungen des Standes der Techn ik sein .

US- B-6 393 925 besch reibt ein Verfahren, mit dem Fl ießbewegungen in Brun- nen mittels künstlich erzeugter Temperaturanomal ien ermittelt werden können, wobei Fließrichtung als auch -geschwind ig keit erfasst werden .

In DE- B- 101 49 024 ist ein Verfahren zur Bestimmung der physikalischen Größen des in einem Bohrloch anstehenden Grundwassers d urch Einführen einer wässrigen, markierten Lösung mit vom Grundwasser abweichender Leitfähigkeit in einem vorbestimmten Raum u nd eine Sonde zur Durchfüh rung des Verfahrens beschrieben . Das Messprinzip beruht auf der Erzeug ung und Beobachtung des Verhaltens von künstl ich erzeugten Anomal ien der Leitfähig keit und der Temperatur. Während des Messvorgangs werden die zeitabhängigen, richtungsspezifischen Veränderungen dieser beiden Parameter mit angepass- ten geoelektrischen Anordnungen 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 ermögl icht die Messung langsamer Grundwasserströmungsge- schwind igkeiten im Bereich ab g rößer 1 m/d . Dieses Ziel wurde mit der Entwickl ung des Tracerringraumverfahrens erreicht. Damit werden Störungen des natürl ichen Grundwasserströmungsfeldes vermieden und gleichzeitig eine rad i ^¬ al g leichmäßige Verteil ung des Tracers als Startzustand für d ie Messungen ge- währleistet. Die bei bekannten Messverfahren infolge des Tracervorgangs auf ^¬ tretende Vol umenzunahme und daraus resultierende horizontale und vertikale Geschwindigkeitskomponenten werden mit d iesem Prinzip minimiert. Eine Beeinflussung der hyd raul ischen Bedingungen im U ntersuchungsbereich d urch den Tracervorgang wird verhindert. Dies bildet die entscheidende Grundlage für die Messung langsamer Grundwasserbewegungen . H inzu kommt, dass d urch die konstruktive Gestaltung der Sonde und die angewendeten Messverfahren der Einsatz geringer Tracermengen ( < 2000 ml) ermög licht wird . Die DE-A-42 30 919 stellt ein Einzelbohrlochverfahren und eine Vorrichtung zur gleichzeitigen Ermittlung der Grundwasserströmungsrichtung und -ge- schwind igkeit vor. Das Verfahren eröffnet Mög lichkeiten, das nachteilige Messen der Strömungskennwerte über eine bestimmte Zeiteinheit d urch ein Verfahren abzulösen . Das Herstellen einer radial ausgebildeten Tracerdiffusion sowie auch das Messen der Zeitspanne des Tracertransports zwischen seiner Eingabe und der Detektion wirken sich bei geringen Strömungsgeschwind ig ^¬ keiten nachteilig auf die Messzeiten aus. Jedoch sind die Gegebenheiten des Messens der Strömungsgeschwind igkeit 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 Geschwind igkeiten und löst d ie gestel lte Aufgabe dadurch, dass im Messabsch nitt eines Bohrlochs eine horizontale ausgerichtete Objektebene ausgeleuchtet und mittels einer Optik auf die Bildebene eines Videosensormod uls fokussiert und als reale Bildg röße prod uziert bewertbar gemacht wird . Die Lösung gemäß DE- A-42 30 919 benötigt zur Darstell ung der zu ermittelnden Werte des Grundwasserverhaltens einen Tracer in Form fl uoreszierender Partikel, die in der Fl üssigkeit suspendiert, die Strömung und ihre Richtung sichtbar werden lassen . Die durch den Strömu ngstransport bed ingte Standortabweichung des Tra- cers wird als Wanderung virtueller Lichtq uellen auf der Bildebene bzw. der Kamerasensorfläche fortlaufend reg istriert und per nachgeschalteter Bildvera rbeitung d irekt ausgewertet. Die Einrichtung weist al lgemein eine zylind rische Form auf. An ihren oberen und unteren Zyl inderenden sind Packer angeord net, d ie zwischen sich einen ringförmigen, d urch d ie Zyl indermantelfläche sowie die Bohrungswand beg renzten Hohlzylinder ausbilden, in dem die Einrichtung zur visuel len 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 schnel l verfüg baren 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 angeord net sind und zwischen denen ein Messabschnitt gebildet ist, der im wesentlichen frei d urchströmt werden kann, wobei die Abschlusselemente M ittel zum Abd ichten 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 ei ^¬ nem Bilderfassungselement, welches das Bild eines Messbereichs innerhal b des Messabschnitts erfasst. Zwischen dem Bilderfassungselement und dem zu beobachtenden Bereich ist mindestens eine rohrförmige optische Vorrichtung angeord net, die mit ihrem freien Ende in den Messabschnitt bis unmittelbar vor den Messbereich h ineinragt und die eine solche Gestalt und solche Abmessungen hat, dass d ie Strömung im wesentlichen unbeeinfl usst ist.

Bei dem oben bereits genannten Messverfahren unter Verwend ung der " Dunkelfeld-Sonde" wird die horizontale Fl ießrichtung des Grundwassers mittels Kamera nach dem Dunkelfeld prinzip ohne Einbringung künstlicher Tracer gemessen . Bei der Dunkelfeldtechnik wird das von einer Lichtquel le in Richtung Kameraobjektiv gestrahlte Licht d urch sog . Lichtfallen ausgeblendet, so dass im Idealfal l kein Licht ans Objektiv gelangt. An feinsten Partikeln im Grundwasser, deren Größe weit unter der optischen Auflösung der Kamera l iegt, wird das Licht gestreut und gebeugt und bildet somit die Positionen d ieser Partikel im Kamerabild ab . Die Bilder werden bei tiefenstationärer Messsonde auf Video aufgezeichnet und die Richtung der Partikel beweg ung d urch eine spezielle 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 (GWM R), Spring 1992 National Ground Water Association , GROUN D 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 Mag netometer-Ausgangssig nal wird an jeder Messtie ^¬ fenposition aufgezeichnet, um Azimuth-Schätzwerte zu korrig ieren, da ein Verd rehen des Tools unvermeidbar ist, wenn flexible Kabel zur Aufhängung des Instruments verwendet werden .

Ferner ist es bekannt, mit Hilfe eines sogenan nten "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 Lichtquel le und ein ferngesteuerter Linsenmechanismus mit variablem Brennpunkt verwendet, um in der mikroskopischen Größenord nung vorliegende Partikel optisch zu verfolgen . Natürlich auftretende Kolloide bewe ^¬ gen sich advektiv mit der nativen Grundwasserströmung . Du rch Aufzeichnen der Ausgangssignale der CCD-Vorrichtung und d urch Verwend ung hochentwickelter Partikelverfolg ungs-Computersoftware können d ie Kompassrichtung und d ie advektive Geschwindigkeit einer horizontalen Grundwasserströmung in einem Grundwasseraufschluss ( Brunnenpegel, Bohrung) ausgewertet werden . Das Abtast- Feature ermögl icht d ie Auswertung eines etwa 50 cm hohen Inter- valls im Messvolumen . Das Abtast- Feature ermögl icht eine dreidimensionale Auswertung der Strömung, so dass wirbelnde, nichtrepräsentative Strömungs ^¬ zellen identifiziert und "schnel le Fließpfade" detektiert und charakterisiert werden können . Der Strömu ngsmesser mit Abtast- Kol loidal- Boroskop (Scanning Colloidal Borescope Flow Meter SCBFM ) des Lawrence Livermore National La- boratory ( LLN L) fügt dem Grundkonzept der " Kol loidal- Boroskop"-Instrumente von Kearl und Foster und von Fyda ein weiteres Merkmal hinzu : d ie Brennebe ^¬ ne ist über eine Distanz von fast 1/2 m hinweg kontinuierlich einstell bar, so dass, nachdem das Tool in einer Target-Tiefe platziert worden ist, in dem Höhenintervall des Messabschnitts ein Bereich der Bild-" Ebenen" optisch d urchfahren und visualisiert werden kann, ohne dass das Tool bewegt wird . Es wird angenommen, dass dies eine höhere Flexibil ität beim Lokal isieren bevorzugter Durchflussbewegungen und Partikel führender Bereiche für das Daten- sammeln ermög licht, 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,J. 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 Fl ießbewegung 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 ( Pun ktschätzungen der Grundwasserströ ^¬ mungsvektoren) an den oben genannten Demonstrationsstellen sowohl unter natürlichen 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 nied rigem Kostenaufwand . Nachdem d ie Sensoren installiert worden sind, wird d ie Datenerhebung über ein automatisches System vorgenommen . Da insbesondere bei geringen Fl ießgeschwindigkeiten d ie Grundwasser- Fl ießbewegung aufg rund hyd raul ischer Druckschwankungen im Zeitverlauf variabel in Richtung und Geschwindigkeit ist, erfolgt bei geringen Fl ießbeweg ungen eine d iffuse/d isperse Verteilung der Temperaturmarkierung, so dass dann eine akkurate Auswertung nicht gegeben ist.

Aufg rund eines permanenten Einbaus der Sonde in einer Bohrung ist nach Ab- schluss der U ntersuchung eine Berg ung der Sonde mit hohem Aufwand verbunden . Daher wird auch ein Verl ust der Sonden insofern in Kauf genommen, als diese im Erd reich verbleiben, was ökologisch jedoch nicht vertretbar ist.

Aus EP-A-0 291 708 ist eine Vorrichtung bekannt, mit der die Geschwindigkeit von lichtstreuenden Objekten, die zu d iesem Zweck belichtet werden, gemessen wird, wobei hierbei das Licht der Vorlichtstreuung der Objekte untersucht wird .

Weitere Vorrichtungen zur Messung der Geschwindigkeit und Größe von Partikel n sind aus US-A-5 561 515 und US-A-4 026 655 bekannt. DE-A- 199 57 808 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Stoffkonzentrationen und/oder der Strömungsgeschwind ig keit in Gasen, Aerosolen und Stäuben durch Analyse von Streulicht. Wie sich aus dem Vorstehenden ergibt, sind also in der Vergangenheit eine Vielzahl von unterschiedl ichen Verfahren und Vorrichtungen entwickelt worden, die die strömungstechnischen Parameter von Grundwasserfl ießbewegungen d urch Zuführen von Markierungen in Form von z. B. Elektrolyten, Farbstoffen und Temperaturanomalitäten 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 Erfind ung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur verbes- serten optischen Erfassung von Fl ießbewegungen in flüssigen und/oder gasförmigen Med ien, insbesondere im Grundwasser, bereitzustel len .

Zur Lösung d ieser Aufgabe wird mit der Erfind ung ein Verfahren zur optischen Erfassung von Fl ießbewegungen in flüssigen und/oder gasförmigen Medien vorgeschlagen, wobei bei dem Verfahren

in dem Med ium ein Messvol umen sowie innerhalb des Messvol umens 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 Lichtstrahl bündels aus parallelen Lichtstrahlen einer Be ^¬ leuchtungseinheit belichtet und d urchleuchtet wird,

d urch Partikel , die sich innerhal b des Erfassungsbereiches der Mess- ebene befinden, Streul icht erzeugt wird ,

als Vorlichtstreuung zu einer der Beleuchtungsseite gegenüberliegenden Vorlichtstreuungsseite abstrahlendes Streul icht oder zumindest ein Teil davon durch mindestens ein optisches Element zu einer Bildaufnahmeebene einer Kamera geleitet wird,

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 .

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, und

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.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Vorlichtstreuung von zu untersuchenden Partikeln genutzt, um deren Bewegungsprofil (Geschwindigkeit, ggf. Geschwindigkeitsänderung und Strömungsrichtung sowie ggf. Strömungs- richtungsänderung) zu untersuchen. Dieses erfindungsgemäße Konzept lässt sich gemäß zweier Varianten realisieren. Die erste Variante ist dadurch ge- kennzeichnet, dass das Lichtstrahlbündel zur Beleuchtung der Partikel als Durchlichtanteil in den zu einer Kamera führenden optischen Pfad einstrahlt. Bei dieser Variante befindet sich also die Lichtaustrittsseite der Beleuchtungseinheit gegenüber der Lichteintrittsseite des optischen Pfades. Der größte Teil der Vorlichtstreuung bzw. die gesamte Vorlichtstreuung wird dabei ebenfalls in den optischen Pfad eingekoppelt.

Bei der zweiten Variante des erfindungsgemäßen Konzeptes durchdringt das Lichtstrahlbündel ebenfalls den Erfassungsbereich der Messebene, gelangt aber nicht in die Lichteintrittsende des optischen Pfades sondern ist an diesem seitlich vorbei gerichtet. Die Vorlichtstreuung wird hierbei zum Teil in den optischen Pfad eingekoppelt. Diese zweite Variante hat den Vorteil, dass kein Durchlichtanteil des Lichtstrahlbündels in den optischen Pfad gelangt. Es bedarf also keinerlei Maßnahmen, diesen Durchlichtanteil vom Streulicht zu sepa- rieren, wie es bei der ersten Variante zweckmäßigerweise erfolgt.

Nachfolgend wird zunächst die erste Variante der Erfindung beschrieben, wobei sich Teile dieser Beschreibung auch auf die zweite Variante beziehen können . 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 be- leuchtet 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 aufgrund 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 Streul icht (oder zumindest ein Teil davon) sowie derjenige Durchl ichtanteil des Belich- tungs- Lichtstrahlbündels, der den Erfassungsbereich der Messebene, ohne ge- streut zu werden, passiert, werden bei der ersten Variante erfind ungsgemäß d urch mindestens ein optisches Element (d . h . längs eines optischen Pfades) zu einer Bildaufnahmeebene ( Bildebene des optisch abbildenden Systems) einer Kamera geleitet. Die Kamera nimmt eine Seq uenz von Bildern des Erfassungs ^¬ bereichs, der der Objektebene des Systems entspricht, auf. Anhand d ieser Bildseq uenz kann dann d urch Bildauswerteverfahren ein Bewegungsvektor eines sich längs der Messebene bewegenden Partikels ermittelt werden . Bei der ersten Variante ist erfind ungsgemäß bei der Aufnahme der Bilder d urch die Kamera vorgesehen, den Durchlichtanteil des Lichtstrahl bündels der Beleuch ^¬ tungseinheit vor Erreichen der Bildaufnahmeebene der Kamera herauszufiltern . Damit nimmt also d ie Kamera ausschließl ich noch d ie Vorl ichtstreuung auf.

U nter " Herausfiltern" im Sinne der Erfind ung ist insbesondere ein Abschotten, anderweitiges Blockieren, Absorbieren und/oder Herausleiten des Durchl icht- anteils gemeint.

In vorteil hafter Weiterbild ung kann bei der ersten Variante der Erfind ung ferner vorgesehen sein, dass das optische Element mindestens ein dem Erfas ^¬ sungsbereich der Messebene zugewandtes Streulicht- Eintrittsende aufweist, das mit einem für das Streulicht transparenten Fensterelement versehen ist. Ferner kann es hierbei zweckmäßig sein, wenn die Beleuchtungseinheit mindestens ein Lichtstrahl bündel-Austrittsende aufweist, das dem oder einem Er ^¬ fassungsbereich der Messebenen zugewandt ist sowie dem Streulicht- Eintrittsende gegenüber liegt, und wenn das Austrittsende mit einem für das Lichtstrahlbündel transparenten Fensterelement versehen ist.

Bei der zweiten Variante der Erfind ung kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass das Lichtstrahl bündel d urch den Erfassungsbereich der Messebene hind urch und sein Durchl ichtanteil seitl ich an dem optischen Element vorbei gerichtet ist, wobei das Streulicht oder zumindest ein Teil davon d urch das mindestens eine optische Element zu der Bildaufnahmeebene der Kamera ge ^¬ leitet wird . Auch bei d ieser zweiten Variante der Erfind ung kann es zweckmäßig sein, wenn das optische Element mindestens ein dem Erfassungsbereich der Messebene zugewandtes Streul icht- Eintrittsende aufweist, das mit einem für das Streulicht transparenten Fensterelement versehen ist. Zusätzlich kann es hierbei zweckmäßig sein, dass d ie Beleuchtungseinheit mindestens ein Lichtstrahl- bündel-Austrittsende aufweist, das dem oder einem Erfassungsbereich der Messebene zugewandt ist sowie dem Streul icht- Eintrittsende gegenüber liegt, und dass das Austrittsende mit einem das Lichtstrahlbündel seitlich austreten lassenden optischen Ablenkelement, insbesondere Prisma versehen ist. M it der Erfindung (gemäß beider Varianten) ist es mög lich, Grundwasser- Fl ießgeschwind ig keiten in einem seh r breiten Geschwindig keitsbereich 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 die Fl ießrichtung erfasst wird .

Erfindungsgemäß können mehrere Messebenen bzw. Messebenen mit mehreren Erfassungsbereichen vorgesehen sein . Die Messebenen liegen dann übereinander. Die Erfind ung eignet sich insbesondere für Einlochbohr- Messungen, wobei die Messsonde, also die Vorrichtung , in ein vorhandenes Bohrloch ( Brunnenpegel) eingebracht wird . Oberhal b und unterhal b des eigentl ichen Messbereichs befinden sich übl icherweise sogenan nte Packer bzw. Abschott ^¬ elemente, die verhindern, dass der Messbereich zwischen den Packern bzw. Abschottelementen d urch winklig zur Messebene verlaufende Strömungen beeinträchtigt wird . Auf diese Weise misst man also im Wesentl ichen horizontale Strömu ngen, und zwar ungestört. Die beiden Abschottelemente sind mecha ^¬ nisch ü ber mögl ichst dünne, den Durchfl uss nur unwesentl ich beeinträchtigende Verstrebungen verbunden . Das Beleuchtungsl icht und das Licht der Vor- lichtstreuung sol lten mögl ichst nahe zur Messebene bzw. zum Messbereich der Messebene innerhal b des Messvolumens eingebracht bzw. aufgenommen wer ^¬ den . Dies gelingt zweckmäßigerweise unter mög lichst geringer Beeinfl ussung der Strömung dad urch, dass von den Abschottelementen aus mög lichst d ünn ausgeführte Lichtleit- Elemente zum Leiten des Beleuchtungslichts zum Erfas- sungsbereich und zum Erfassen des Lichts der Vorstreuung aus dem Erfassungsbereich bzw. des Abbildes der Objektebene abstehen . Sind pro Messsonde bzw. Vorrichtung mehrere Messebenen bzw. Messebenen mit meh reren Erfassungsbereichen vorgesehen, so existieren dementsprechend auch mehrere Paare von aufeinander zu laufenden Lichtleitelementen der vorstehend be- schriebenen Art und den entsprechenden Eigenschaften .

In weiterer vorteil hafter Ausgestaltung der Erfind ung kann also vorgesehen sein, innerhal b des Messvolumens mehrere Messebenen mit jeweils mindes ^¬ tens einem Erfassungsbereich oder innerhalb einer Messebene oder mindes- tens einer der Messebenen mehrere Erfassungsbereiche zu definieren, wobei jeder Erfassungsbereich belichtet und d urchleuchtet wird und wobei die pro Erfassungsbereich erzeugte Vorlichtstreuung d urch eine Sequenz von Bildern aufgenommen und d urch pro Bildsequenz erfolgende Bildauswertung für jeweils mindestens einen Partikel ein Bewegungsvektor ermittelt wird .

Wie bereits oben angedeutet, kann bei der ersten Variante das Herausfiltern des Durchl ichtanteils des Lichtstrahlbündels der Beleuchtungseinheit d urch Reflektion und/oder Absorption und/oder Auskoppl ung erfolgen . Für die Absorption eignet sich insbesondere ein optisches Lichtunterdrückungselement wie z. B. ein Bauteil mit schwarzer Fläche, auf die der Durchlichtanteil des Lichtstrahlbündels der Beleuchtungseinheit auftrifft, oder ein Licht absorbierender Hohl körper, in den der Durchlichtanteil des Lichtstrahl bündels der Be ^¬ leuchtungseinheit eintritt (ohne aus dem Hohl körper wieder heraustreten zu können) . Durch ein lichtleitendes Element ( Lichtleiter) kann der Durchlichtanteil aus dem optischen Pfad "herausgeleitet" werden .

Als Partikel , d ie es zur Ermittlung der Strömungsrichtung und -geschwind igkeit optisch zu erfassen gilt, eignen sich einerseits inhärent in dem Medium vor- handene Partikel oder aber auch künstlich erzeugte oder eingegebene Messpartikel (Tracer), die zum Zwecke der Vermessung der strömungstechnischen Eigenschaften des Mediums in dieses eingebracht worden sind . Hier können beispielsweise spezielle Dosiervorrichtungen verwendet werden, mit denen die Partikel in den Brunnenpegel nahe dem Messvolumen bzw. in das Messvolumen eingebracht werden können . 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 vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung (gemäß beider Varianten) 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 angeordnet ist. Um zu verhindern, dass sich im Laufe der Zeit auf der Lichtaustrittsfläche der Beleuchtungseinheit (oder, je nach Anordnung, auf der Lichteintrittsfläche des zur Kamera führenden optischen Pfads für die erfasste Vorlichtstreuung) Partikel gravitativ absetzen, kann es (bei beiden erfindungsgemäßen Varianten) zweckmäßig sein, die betreffende Lichtaustritts- bzw. Lichteintrittsfläche, auf der gravitativ eine Partikelablagerung erfolgen kann, geneigt zur Messebene auszurichten, wobei dann die jeweils andere Fläche, d .h . die Lichteintrittsoder die Lichtaustrittsfläche, vorzugsweise parallel zur Messebene verlaufen kann . In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung beider Varianten der Erfindung kann bei einer Ausgestaltung des Verfahrens bzw. der Vorrichtung mit mehreren Erfassungsbereichen 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 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 einerseits 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 optischen Pfaden zur Kamera angeordnet ist, wobei die beiden Lichtumlenk- einheiten synchronisiert sind .

Diese Anordnung hat den Vorteil, dass mehrere Erfassungsbereiche sequentiell bzw. zyklisch mit Beleuchtungslicht beaufschlagt werden können, wobei nur eine einzige Lichtquelle verwendet wird ; ebenso können mit lediglich einer ein- zigen 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 Erfassungsbereiche 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 . In weiterer zweckmäßiger Weiterführung der Erfindung kann bei beiden Varianten vorgesehen sein, dass die Lichtleitelemente zu ihren die Lichtaustrittsbzw. Lichteintrittsflächen aufweisenden Enden hin konisch verjüngt ausgebildet sind und/oder optische Ablenkelemente, insbesondere Prismen aufweisen . Die Ausführung eines Lichtleitelementes als optisches Rohr mit konisch zur Fens- terfläche zulaufender Verjüngung erfüllt einen weiteren Zweck. Einerseits wird durch die verjüngte Bauform die Strömung im Nahbereich des Erfassungsbereichs nicht entscheidend beeinträchtigt. Andererseits erlaubt es diese Ausführung, dass das Lichtstrahlbündel den Erfassungsbereich vollständig ausleuch- tet, die Distanz zwischen Erfassungsbereich und Lichteintrittsfläche gering ist und der Lichtbündelstrahl an der Lichteintrittsfläche vorbei geführt wird . Diese Bed ingu ngen sind am besten erfül lt, wenn der Lichtbündelstrahl im Winkel von z. B. 20° bis 40° von der optischen Achse abgelenkt auf die Ebene des Erfas- sungsbereichs auftrifft. Der Vorteil ist, dass eine maximale Vorl ichtstreuung ausgehend von Partikeln im Erfassungsbereich erzielt wird, ohne dass der Durchl ichtanteil in die Lichteintrittsfläche fällt.

Nachfolgend werden verschiedene Aspekte der Erfind ung und deren Anwen- d ung beschrieben, die g leichermaßen bei beiden Varianten der Erfind ung gegeben sind .

Die Erfassungsbereiche sind idealerweise kreisförmig auf Messebenen ange ^¬ ord net, wobei der optische Strahlengang von Lichtstrahl bündel und bildgeben- dem Streulichtanteil mit Hilfe synchronisierter und mit U mlenkprismen ausgestatteter Drehtel ler d urch Rotation d ieser gekoppelten Drehtel ler auf den jeweiligen Erfassungsbereich ausgerichtet werden kann, so dass nur eine Lichtquel le und Beleuchtungseinheit und nur eine Kamera zur Vermessung der Strömung in mehreren Erfassungsbereiche erforderlich sind .

Die optischen Elemente sowie die elektronische Steuerung (zumindest teil ^¬ weise) können vorteilhaft in den bereits oben genannten Packern oder Abschottelementen untergebracht sein . Es ist zweckmäßig, die erfind ungsgemäßen bildaufnehmenden Vermessungen der Durchflussbewegungen in insbesondere Brunnenpegeln in unterschiedl ichen Tiefenpositionen des Brunnenpegels durchzuführen, und zwar einerseits, um die gewonnenen Ergebnisse verg leichen und statistisch auswerten zu können, und andererseits, um einen umfassenden Eind ruck für die Interpretation der Ergebnisse zu erhalten . Insoweit umfasst d ie Erfind ung also auch eine Mul- ti- Level-Ausführung des Verfahrens und der Vorrichtung, um zeitgleich Messungen in meh reren Tiefen eines Brun nen pegels du rchfüh ren zu können . H ierbei werden dann vorzugsweise mehrere Messsonden bzw. Messmodu le überei- nander (und gegebenenfalls mechanisch miteinander gekoppelt) innerhalb eines 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 Sedi- ment 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 Stromlinienverzer- rung/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 Bohr- oder 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 erfas ^¬ sen 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 Auf ^¬ nahmepunkte eingerichtet, die idealerweise auf ein und derselben Höhe posi ^¬ tioniert 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 Brun- nen 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 idealerweise 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 strömenden 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 .

Das distale Ende des oberen Lichtleitelements ist in der Form eines Kreiskegel- stumpfes ausgeführt (konusförmig) und die Achse des optischen Pfades verläuft senkrecht zur Basisfläche des Kreiskegelstumpfes, also der Lichteintrittsfläche, sowie der des Erfassungsbereichs.

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 Betrach ^¬ tungsfläche korrespond iert.

Um eine optisch einwandfreie Transmission für Ausleuchtung und Bilderfas- sung 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 . Fl ießmodell ierungsergebnisse zeigt, dass Bauformen , welche ledig lich nur von einem Abschlusselement aus in den Messraum hineinragen, die Durchfl ussgeometrie im Messraum dergestalt beeinfl ussen, dass Fl ießbahnen vertikal ausgelenkt werden und die Bauformen vorzugsweise über- bzw. unterströmt werden . Die Auslenkung der Fl ießbahnen führt zu einem vertikalen Drift der Schwebstoffe d urch 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 stel lt sich die Anforderung, Bauelemente im Messraum dergestalt anzuordnen, dass einerseits keine vertikale Auslenku ng von Fl ießbahnen im Messraum erfolgt und andererseits den d urch die Bauelemente gegebenen Fl ießwiderstand 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 Ausbild ung einer rekonstruierbaren Durchfl ussgeometrie zu ermögl ichen .

1. Der Anforderung wird mit der Erfind ung dad urch entsprochen, dass Bauelemente, welche von einem Abschlusselement in den Messraum hinein- ragen, d urch in Form und Länge näherungsweise identische Bauelemente ergänzt werden, die von dem gegenüberl iegenden Abschlusselement mög lichst oder idealerweise spiegelsymmetrisch gegenüberl iegend in den Messraum hineinragen . Simulationsergebnisse zeigen, dass diese Anord- nung den Durchfluss in der Messzelle gegenüber der vorigen Anord nung deutlich geringer beeinflusst. Vertikale Auslenkung von Fl ießbahnen treten n ur untergeordnet auf, es bildet sich eine g leichförmigere Durchfl uss ^¬ geometrie in der Messzelle aus. Wichtig ist, dass der Fl ießwiderstand im Vertikalprofil des Messraums g leich verteilt ist.

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

Die einzel nen erfind ungsgemäßen Aspekte mit den zugehörigen zu erfül lenden Anforderungen lassen sich wie folgt zusammenfassen :

Erster Aspekt

Anforderung : Um aus der Durchflussgeschwindigkeit im Brunnen die Fl ießgeschwind igkeit im umgebenden Sediment so real itätsnah wie mög lich ableiten zu können, ist die Kenntnis der horizontalen Durchflussgeometrie bzw. Ver ^¬ zerrung der Fl ießbahnen erforderlich . Dazu muss die Form der Durchflussgeometrie erkennbar gemacht werden .

Lösu ng : Um das Maß und die Symmetrie der Fl ießbahnverzerrung ableiten zu können, erfolgt die Bildaufnahme bzw. die optische Erfassung der Fl ießbewe ^¬ g ung an mehreren, über den horizontalen Querschnitt des Messraums verteilten Positionen, wobei d iese Positionen idealerweise in korrespondierenden Abständen zueinander und auf Kreisbahnen angeord net sind sowie vorzugsweise in der vertikalen M itte des Messraums liegen . Durch die Kombination der an d iskreten Positionen im Messraum ermittelten Fl ießrichtungen und -geschwin- d igkeiten kann die Durchflussgeometrie dann modell haft 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 Fließbahnen führt und zu unterschiedl ichen Fl ießgeschwindigkeiten im Vertikalprofil des Messrau ms. Die Durchfl usssituation im Messraum wird damit komplexer und die Ausbild ung einer repräsentativen Stromlinienverzerrung auf der horizontalen Ebene beeinträchtigt. Es stel lt sich die Aufgabe, Bauelemente im Messraum so anzuord- nen, dass

1 ) mög lichst keine vertikale Auslenkung von Fl ießbahnen im Messraum erfolgt und

2) den d urch die Bauelemente gegebenen Fl ießwiderstand im Messraum so zu verteilen, dass unabhängig von der Richtung des rad ialen Anstroms in den Messraum ein annähernd gleicher Fl ießwiderstand gegeben ist, um den Einfluss auf die Ausbild ung der Durchflussgeometrie d urch Bauele ^¬ mente gering und gleich zu halten .

Lösung : Die Anforderung wird dad urch gelöst, dass Bauelemente, welche von einem Abschlusselement in den Messraum hineinragen, d urch in Form und Länge näherungsweise identische Bauelemente ergänzt werden, die von dem gegenüberl iegenden Abschlusselement insbesondere idealerweise spiegelsymmetrisch gegenüberl iegend in den Messraum hineinragen . Die Anzahl der auf Kreisbahnen angeord neten, in den Messraum hineinragenden Bauelemente ist ungerade, um eine Vorzugsfließrichtung 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 verfolg baren Lichtpunkten zu registrieren, ist eine Ausleuchtung der Betrachtungsfläche mit hoher Lichtin- tensität erforderlich . Gleichzeitig darf die Ausleuchtung keine thermische Aufheizung des strömenden Med iums verursachen, um daraus resultierende kon- vektive Fl ießbeweg ungen zu unterbinden . Lösu ng : Um auch kleinste Partikel optisch kenntlich zu machen und um eine bestmögl iche Lichtausbeute zu erzielen, ist gemäß der ersten Variante eine 100%-Vorlichtstreuung zweckmäßig, was nur bei d irektem Gegenl icht u nd unter Abschattung des einstrahlenden Lichts im anschließenden Strahlengang erzielt werden kann . Daher sind die Fensterflächen fü r Ausleuchtung und Bild- Übertrag ung gegenüberliegend quer zur Betrachtungsfläche angeord net. Die Betrachtungsfläche wird dann mittels eines Laserstrahls dergestalt ausgeleuch ^¬ tet, dass der Strahlengang des Laserstrahls parallel zur optischen Achse des Strahlengangs des Abbildes verläuft und der Laserstrahl im Strahlengang des Abbildes fokussiert und am Fokuspunkt optisch terminiert wird . Bei der zweiten Variante lässt sich d ie Einkopplung der Voriichtstreuung (unter Vermeidung der Einkopplung des Durchl ichtanteils) des Lichtstrahl bündels realisieren, indem der Win kel des auf den Erfassungsbereich einstrahlenden Lichtbündels von der Lichterzeugungsseite zur Vorlichtstreuung- Lichtaufnahmeseite im Bereich von 0° bis 90° zur Messebene d urch den Erfassungsbereich geleitet wird .

Vierter Aspekt

Anforderung : Bei hoher Trü be 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 auskoppelnden Fenstern können infolge von thermischer Wand lung an dem abgelagerten Material unterwünschte konvektive Fl ießbewegungen an der Fensterfläche und in der Betrachtungsfläche auftreten .

Lösu ng : Um die optische Transmission an den Fenstern für Ausleuchtung und Bilderfassung insbesondere bei längeren Verweilzeiten und im kontinuierlichen Messbetrieb zu gewährleisten, sind l iegende Fensterflächen gegenüber der ho- rizontalen Ebene geneigt, so dass sich absetzendes/sed imentierendes Material entlang der geneigten Fensterfläche g ravitativ abgeführt wird .

Fünfter Aspekt (gilt vor allem für d ie erste Variante der Erfind ung ^' )

Anforderung : Die Lichtstrahlachse wird bei der Auskoppl ung an geneigten Fenstern gebrochen und verläuft anschließend nicht mehr parallel zur optischen Achse des Messbilds. Der Laserl ichtstrahl kann dann nicht im Strahlengang der Messbildachse fokussiert und terminiert werden .

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

Sechster Aspekt (gilt für die zweite Variante der Erfindung ^' ) Nachteil der Lichtführung gemäß dem fünften Aspekt : Es zeigt sich, dass der die Lichteintrittsfläche passierende Durchlichtanteil sich insofern nachteilig auf die optische Ü bertragung zwischen Objekt- und Bildebene auswirken kann, als dass geringste Verschmutzungen auf der Lichtaustrittsfläche der Beleuch ^¬ tungseinheit, der Lichteintrittsfläche sowie auf optischen Elementen im Strah- lengang zu unerwünschten Streulichteffekten führen, welche die Bild übertrag ung überlagern können und somit die Abbildungsschärfe des übertragenen Bildes auf der Bildebene beeinträchtigen .

Resultierende Anforderung : Um dies ausschließen zu können, ist es zweckmä- ßig dafür zu sorgen , dass der den Erfassungsbereich passierende Durchl ichtanteil nicht in die gegenüberl iegende Lichteintrittsfläche fäl lt. Gleich ^¬ zeitig sol l eine mög lichst hohe Vorlichtstreuung ausgehend von Partikeln im Erfassungsbereich erzielt werden . Es stellt sich die Anforderung, dass das von der Beleuchtungsseite aus in den Erfassungsbereich eintretende Licht einerseits den Erfassungsbereich vollständig ausleuchtet und andererseits nicht in die Lichteintrittsfläche fällt.

Desweiteren sollte die Distanz zwischen Lichtaustrittsfläche und Lichteintrittsfläche so gewählt sein, dass einerseits die auf der Objektebene befindlichen Partikel auch bei einer starken Trübung des zu vermessenden Mediums bzw. einer hohen Partikeldichte trennscharf abgebildet werden und andererseits die Durchflussbewegung im Erfassungsbereich durch die in das Messvolumen hineinragenden Lichtleitelemente nur unwesentlich beeinträchtigt wird .

Alternativer Lösungsansatz : Um dies zu erreichen, wird das von der Beleuchtungsseite kommende, typischerweise parallel zur Achse der Lichtleitelemente verlaufende Lichtbündel unmittelbar vor Erreichen des Erfassungsbereichs (der Messebene) um z. B. 20° bis 40° in Richtung des Lichtstrahls von der gemeinsamen Achse abgelenkt, so dass das Lichtbündel den Erfassungsbereich in einem Anstrahlwinkel von z. B. 70° bis 50° schneidet, wobei die Distanz zwischen Erfassungsbereich und Lichteintrittsfläche so gewählt ist, dass das so abge- lenkte Lichtbündel einerseits den Erfassungsbereich vollständig ausleuchtet und andererseits seitlich an der Lichteintrittsfläche vorbeigeleitet wird .

Die Ablenkung des Lichtbündels kann beispielsweise durch ein Ablenkprisma in Form z. B. eines sogenannten "Bauernfeind"-Prismas, welches auf das distale Ende des unteren Lichtleitelements aufgebracht ist, oder durch ein Fenster mit winkliger Lichtaustrittsfläche erfolgen .

Idealerweise liegen sich beide Lichtleitelemente axial gegenüber, können aber je nach Ausgestaltung der Lichtablenkung des Lichtbündels seitlich zueinander versetzt sein. Siebter Aspekt

Anforderung : Das durchströmende Medium kann infolge einer sehr hohen Schwebstofffracht häufig trübe sein . Dies bewirkt, dass die optische Transmis- sion eingeschränkt ist. Eingebrachtes Licht zur Ausleuchtung der Betrachtungsfläche 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 Partikeln rückgestreuten Lichtpunkte aufgelöst wird . Es können somit keine für die Ermittlung der Fließbewegung auswertbaren Bilder gewonnen werden .

Lösung : Eine hinreichende optische Erfassung individueller Schwebstoffe (Zuordnung von Kontrastdifferenzen) und Ausleuchtung ist nur unmittelbar an der abzubildenden Objektebene bzw. Betrachtungsfläche gegeben . Daher sind die Fensterflächen für die Bildaufnahme als auch für die Lichtauskopplung im unmittelbaren Nahbereich der Betrachtungsfläche positioniert, so dass auch bei hoher Schwebstofff rächt die auf der fokussierten Betrachtungsfläche transportierten Partikel vereinzelt abbildbar sind . Denn bei einer hohen Trübung des zu vermessenden Mediums bzw. einer hohen Partikeldichte im Medium ist zu berücksichtigen, dass das zur Abbildung der Partikel genutzte vorgestreute Licht nicht vollständig durch Streulicht anderer Partikel, welche ober- und/oder unterhalb des Erfassungsbereichs liegen, überlagert wird, wodurch die Positionserfassung der den Erfassungsbereich passierenden Partikel verhindert bzw. verschlechtert wird, da diese nicht ausreichend trennscharf auf der Bildebene abgebildet werden .

Achter Aspekt Anforderung : Im Nahbereich der Betrachtungsfläche werden die Fließverhältnisse durch nahständig 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 näherungsweise in Form und Umfang der abzubildenden Betrachtungsfläche ent- sprechen und dass die Fenster bzw. die fenstertragenden Elemente konusför- mig ausgeführt sind, wobei jeweils die distale Fensterfläche die Konusspitze bildet bzw. das fenstertragende Element konisch zur Fensterfläche hin zuläuft.

Neunter Aspekt

Im Messvolumen können sich bei laminaren Strömen raumfüllende, stationäre Wirbel ausbilden. Die Ausbildung dieser Wirbel kann einen erheblichen Anteil des Messvolumens ausfüllen und somit die Durchflussgeometrie entscheidend beeinflussen, indem beispielsweise in einem Teil des Messvolumens durch die Ausbildung der stationären Wirbel der Durchfluss geblockt wird, was zu einer Erhöhung der Durchströmgeschwindigkeit in anderen Teilen des Messvolumens führt.

Die Durchflussbewegung im Messvolumen ist infolge der Wirbelbildung somit nicht mehr einheitlich. Die Fließbewegungen in den Erfassungsbereichen sind daher nicht repräsentativ und es kann in diesem Fall nicht hinreichend genau auf die Fließbewegung im angrenzenden Gestein/Boden zurückgeschlossen werden. Es stellt sich die Anforderung, die Ausbildung von stationären Wirbeln, die ein gleichgerichtetes, laminares Strömen im Messvolumen verändern, dadurch zu unterbinden, dass der Strömungswiderstand im Messvolumen derart ist, dass das Durchflussbild im Messvolumen im Wesentlichen dem des laminaren, gleichgerichteten Durchflusses ohne Wirbelbildung entspricht. Der Strömungs- widerstand muss dabei unverändert gleich bleiben und darf sich nicht, beispielsweise durch gravitatives Absetzen von Partikeln auf den Strömungswiderstand bestimmenden Elementen, verändern. Denn der Strömungswider- stand muss bei der Ermittlung der Fl ießgeschwindigkeiten eine kalkulierbare Größe darstellen .

H ier bietet sich folgende Lösung an . Das Messvol umen wird mit einem defi- nierbaren Durchströmungswiderstand dergestalt ausgestattet, dass aus belie ^¬ biger Anströmrichtung heraus dem strömenden Med ium ein gleicher Widerstand entgegengesetzt wird, mit dem Ziel , dass die Passage des Mediums d urch diesen Strömungswiderstand hindurch einerseits einen einheitlich ausge ^¬ richteten laminaren Durchfluss im Messvol umen erzwingt und andererseits ei- nen "Offset" zur Ausbildung von raumfül lenden Wirbeln unterdrückt.

Der Strömungswiderstand ist dazu in Form von mehreren runden Verstrebungen ausgeführt, die das Messvolumen vom oberen zum unteren Abschlusselement d urchziehen und die in mög lichst äq uid istanten Abständen zueinander und zu den Lichtelementen auf der gesamten Basisfläche der Abschlussele ^¬ mente verteilt angeord net sind, wobei die einzelnen Verstrebungen den g leichen Du rchmesser wie oder einen geringeren Du rchmesser als die Lichtleitelemente aufweisen . Al lgemeiner ausged rückt weisen d ie Lichtleitelemente und die Verstrebungen zueinander kongruente Querschnittsformen (vorzugsweise rund oder stromlinienförmig ) auf, wobei die Querschnittsfläche jeder Verstre ^¬ bung g leich der oder kleiner als die Querschnittsfläche jedes Lichtleitelements ist.

Die Erfind ung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Erfindung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei :

Fig . 1 schematisch die Anordnung einer erfind ungsgemäßen Messvorrichtung am Beispiel der ersten Variante in einem Brunnenpegel ( Brun ^¬ nenbohrloch) zur Ermittlung der Richtung und Geschwindigkeit einer Grundwasserströmung , Fig . 2 eine schematische Darstell ung der optischen, lichttechnischen Einzelbestandteile sowie des internen Aufbaus der Messvorrichtung gemäß der ersten Variante der Erfind ung und Fig n . 3 und 4

zwei Ausführungsbeispiele für d ie zweite Variante der Erfind ung .

Fig . 1 zeigt die Einsatzsituation einer erfind ungsgemäßen Messvorrichtung 10 gemäß einer ersten Variante in einem Brunnenpegel bzw. Bohrloch 12 im Erd- reich 14, um in einer vorgegebenen Tiefe 16 die strömungstechnischen Eigenschaften ( Richtung und Geschwind ig keit) der horizontalen Grundwasserströmung zu vermessen . Es sei an d ieser Stel le angemerkt, dass mehrere Messvorrichtungen 10 gemäß Fig . 1 gleichzeitig in unterschied lichen Tiefen innerhal b des Bohrlochs 12 angeord net sein können .

Die Messvorrichtung 10 weist ein erstes oberes Abschott- bzw. Packerelement 18 und ein unteres zweites Packerelement 20 auf, die den ein Messvol umen bildenden Abschnitt zwischen den beiden Packerelementen 18,20 insoweit abschotten, als vertikal d urch das Bohrloch 12 strömendes Grundwasser die Ho- rizontalmessung nicht bzw. im Wesentlichen nicht beeinfl usst. Die beiden Abschott- oder Packerelemente 18,20 sind d urch Streben 22 miteinander verbunden . Von den Abschott- bzw. Packerelementen 18,20 stehen rohr- oder stabförmige optische Lichtleitelemente 24,26 aus lichtleitendem Material (z. B. Voll material ) oder je als Fenstertubus 25, 27 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 Kreislinie angeord neten Lichtleitelementen 24,26 auf, d ie mit den Enden 28,30 ihrer Fenstertuben 25, 27 einander gegenüberliegen (in den Fig n . sind jeweils ledig lich zwei Paare gezeigt) . Jeder Fenstertu bus 25, 27 weist an seinem Ende 28, 30 ein Fensterelement 29, 31 auf. Zwischen diesen Enden 28,30 befindet sich die Messebene 32 sowie jeweils ein Erfassungsbereich 34, die wiederum innerhalb des Messvolumens 36 zwischen den beiden Abschott- bzw. Packerelementen 18,20 angeordnet sind . Innerhalb der Messebene 32 strömt Grundwasser mit natürlichen oder künstlichen Partikeln, die es gilt, optisch zu detektieren, und zwar in Form von Sequenzen von Aufnahmen mit Hilfe einer Kamera, was nachfolgend näher erläutert wird .

In diesem Ausführungsbeispiel weist das untere Abschott- bzw. Packerelement 20 eine Beleuchtungseinheit 38 auf, die als Belichtungsquelle 40 in Form einer Laserlichtquelle zur Aussendung eines Lichtstrahlbündels 42 mit parallelen Lichtstrahlen 44 ausgebildet ist. Damit das Licht der Belichtungsquelle 40 sequentiell zu den Lichtleitelementen 24 geführt werden kann, wird es von einem zentral auf einem Drehteller 46 befindlichen Prisma 48 radial nach außen umgelenkt, um dort von einem weiteren Prisma 50 durch eine Öffnung 52 in dem Drehteller 46 zur Lichteintrittsseite 53 des Lichtleitelements 24 umgelenkt zu werden . Das Licht gelangt durch den Lichtleitelement 24 (Fenstertubus 25) hindurch und tritt über eine leicht angeschrägte Lichtaustrittsseite 54 seines Fensterelements 29 aus. Das austretende Licht gelangt durch den fokussierten Erfassungsbereich 34 und wird dort teilweise an Partikeln gestreut. Dieses Vorstreulicht ist bei 56 gezeigt.

Das Vorstreulicht 56 gelangt durch die Lichteintrittsseite 57 an dem Fensterelement 31 des Lichtleitelement 26 in dessen Fenstertubus 27 und aus dessen Lichtaustrittsseite 58 zu einem weiteren Umlenkprisma 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 angeordneten Umlenkprisma 64 in Richtung auf die Bildaufnahmeebene 66 einer Kamera 68 gelangt. Die Belichtung eines Erfassungsbereichs bzw. jedes Erfassungsbereichs erfolgt über eine gewisse Zeit; während dieser Zeit wird mit der Kamera eine Bildsequenz aus dem Vorstreuungslicht aufgezeichnet. Durch Auswertung der Bilder dieser Sequenz können dann der Richtungsvektor und die Geschwindigkeit von einzelnen Partikel n, die sich während der Belichtungszeit d urch 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 Lichtleitelement 24,26 weiterged reht. Hierzu dient ein Drehantrieb 70, der in d iesem Ausführungsbeispiel in Drehantriebseingriff mit dem Drehtel ler 46 im unteren Abschott- bzw. Packerelement 20 angeord net ist, aber ebenso gut auch im oberen Abschott- bzw. Packerelement 18 zum d rehenden Antrieb des dort befindl ichen Drehtel lers 62 angeord net sein kann . Beide Drehtel ler 46,62 sind synchronisiert, was ihre Drehung betrifft, was in d iesem Ausführungsbei- spiel d urch eine mechanische Kopplungsstange 72 erfolgt, aber ebenso g ut auch d urch eine entsprechend synchronisierte Ansteuerung zweier getrennter Antriebe für d ie Drehteller 46,62 realisiert werden könnte.

Wie anhand von Fig . 2 zu erkennen ist, tritt d urch den Erfassungsbereich 34 auch derjenige Anteil des Lichtstrahl bündels 42, der nicht an Partikeln gestreut wird . Dieser Durchlichtanteil ist mit dem Bezugszeichen 74 bezeichnet und würde, wenn er von der Kamera 68 erfasst werden wü rde, d ie Bildauswertung und Bild informationen stören . Daher ist erfindungsgemäß vorgesehen, diesen Durchlichtanteil 74 d urch ein optisches Unterd rückungselement 76 herauszufil- tern . Hierbei kann es sich um ein Bauteil mit schwarzer Fläche oder aber um einen Auskoppellichtleiter 78 handel n . Die Auskoppl ung des Du rchlichtanteils 74 gelingt d urch Verwendung eines entsprechenden Linsensystems, wie beispielsweise d urch die Verwendung von Ach romaten 80, 81 im optischen Pfad 82 zwischen dem Erfassungsbereich 34 und der Kamera 68 und insbesondere vor der Umlenkung des Vorstreulichts 56, d . h . vor Austritt aus dem Lichtleitelement 26. Durch d ie beiden Achromaten 80, 81 werden der Abbildungsmaßstab sowie die Fokuspunkte von Bildebene (d . h . Messebene 32) und Abbil ^¬ d ungsebene ( Bildaufnahmeebene 66) festgelegt. Bei der hier beschriebenen Variante der Erfind ung mit mehreren Erfassungsbereichen 34 sind diese idealerweise entlang einer Kreislinie in der Messebene 32 angeordnet, wobei der optische Strahlengang von Lichtstrahlbündel 42 und Durchl ichtanteil 74 sowie dem bildgebenden Vorstreulichtl 56 mit Hilfe syn- chronisierter und mit Umlenkprismen 50 ausgestatteter Drehtel ler 46, 62 d urch Rotation dieser gekoppelten Drehtel ler auf den jeweiligen Erfassungsbereich 34 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 erforderl ich sind .

In Fig . 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel als eine zweite Variante der er ^¬ findungsgemäßen Vorrichtu ng 10' gezeigt. Soweit d ie Elemente dieser Vorrichtung 10' konstruktions- und/oder funktionsgleich zu den jeweiligen Elementen der Vorrichtung 10 der Fig . 2 sind, sind sie in Fig . 3 mit den gleichen Bezugszeichen versehen .

Der U nterschied zwischen den Vorrichtungen 10 und 10' ist in der Art der Einkopplung des Vorstreul ichts 56 und in der Verhinderung der Einkoppl ung des Durchl ichtanteils 74 des Lichtstrahl bündels 42 gegeben, der nach dem Durchdringen des Erfassungsbereichs 34 seitlich an dem Fensterelement 31 des Lichtleitelements 26 vorbei gerichtet ist. Zu d iesem Zweck ist auf das Fensterelement 29, das als Vollzyl inder ausgebildet ist, ein Ablenkprisma 84 aufgesetzt. Die Lichtaustrittsfläche 54 des Ablenkprismas 84 ist um 30° zur Achse der Lichtleitelemente 24, 26 geneigt. Das Lichtstrahl bündel 42 wird um 60° vollständig d urch den Erfassungsbereich 34 geleitet, jedoch an der Lichteintrittsfläche 57 vorbei geleitet. Gleichzeitig verhindert die Neig ung der Lichtaustrittsfläche 54 ein gravitatives Absetzen von Schwebstoffen auf der Lichtaustrittsfläche 54. M it dem aufgesetzten Ablenkprisma 84 kann die Umlenkung des Lichtstrahl bündels 42 so real isiert werden, dass die Lichtleitelemente 24, 26 parallel gegenüber liegen .

Der Vorteil der Lösung mit aufgesetzten Ablenkprismen 84 ist, dass die Lichtleitelemente 24, 26 symmetrisch gegenüber liegend angeord net werden kön- nen und die Durchflussbedingungen im Vertikal profil des Messvolumens 36 einheitlich sind . Der Strömungsverlauf im Messvol umen 36 wird nicht d urch asymmetrische Anord nungen von Baueinheiten beeinträchtigt. Es sind jedoch zusätzl iche optische Bauteile (Ablenkprismen) und damit verbundene Aufbau ^¬ schritte erforderlich, um die Lichtstrahlablenkung zu realisieren .

Fig . 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der zweiten Variante der erfin- d ungsgemäßen Messvorrichtung 10" . Soweit deren Elemente jeweils denjenigen der Messvorrichtungen 10 und 10' der Fig n . 2 und 3 gleichen (in Konstruktion und/oder Funktion), sind sie in Fig . 4 mit den g leichen Bezugszeichen wie in den Fign . 2 und 3 bezeichnet. Der U nterschied der Messvorrichtung 10" zur Messvorrichtung 10' ist in der Real isierung der Ablenkung des Lichtstrahl bündels 42 zu sehen, was durch das Fensterelement 29 des Lichtleitelements 24 realisiert wird . Durch die steilen (60°) Strahlungswinkel zur Ausleuchtung des Erfassungsbereichs 34 wird eine maximale Vorlichtstreuung erzielt, ohne dass das Lichtstrahl bündel 42 in die Lichteintrittsfläche 57 fällt.

Das obere Ende des Fensterelements 29 ( Laserstrahlaustritt) ist in zwei Flä ^¬ chen geteilt, die um 18° und 30° zueinander geneigt sind . Dabei ist die um 18° geneigte Fläche die (verspiegelte) Reflexionsfläche zur Umlenkung des Lichtstrahl bündels 42 und die um 30° geneigte Fläche die Lichtaustrittsfläche 54. Somit wird das Lichtstrahl bündel 42 um 60° vollständig d urch den Erfas ^¬ sungsbereich 34 hindu rch, jedoch an der Lichteintrittsfläche 57 vorbei geleitet. Gleichzeitig verhindert die Neig ung der Lichtaustrittsfläche 54 ein gravitatives Absetzen von Schwebestoffen auf der Lichtaustrittsfläche 54.

Die Lichtleitelemente 24, 26 liegen bei der Ausführung mit geneigten Fensterflächen nicht parallel gegenüber sondern seitlich versetzt, um d ie Lichtführung real isieren zu können . Dieser Versatz kann durch Ausweichen der Positionierung der Lichtleitelemente 24 auf eine Kreisl inie mit g rößerem Radius erfolgen (wie in Fig . 4 dargestellt), auf dem die unteren Lichtleitelemente 24 positio ^¬ niert sind, oder auch d urch einen Versatz auf dem gemeinsamen Positionsrad ius von oberen und unteren Lichtleitelementen 24, 26. Der Vorteil der Lösung mit Fenstern besteht darin, dass keine weiteren optischen Bauelemente erforderlich sind und die Lichtstrahlablenkung vorteilhaft lediglich mit einem modifizierten Fensterelement 29 realisiert werden kann. Die Lichtleitelemente 24, 26 sind nicht symmetrisch gegenüber angeordnet, was die Durchflusssituation im Messvolumen 36 nachteilig beeinflussen kann.

B E Z U G S Z E I C H E N L I S T E

10 Messvorrichtung

10' Messvorrichtung

10" Messvorrichtung

12 Bohrloch

14 Erdreich

16 Tiefe

18 Packerelement/Abschottelement

20 Packerelement/Abschottelement

22 Streben

24 (Beleuchtungs-)Lichtleitelement

25 Fenstertubus

26 Lichtleitelement

27 Fenstertubus

28 Lichtstrahlbündel-Austrittsende

29 Fensterelement

30 Streulicht-Eintrittsende

31 Fensterelement

32 Messebene

34 Erfassungsbereich

36 Messvolumen

38 Beleuchtungseinheit

40 Belichtungsquelle

42 Lichtstrahlbündel

44 Lichtstrahlen

46 Drehteller

48 Umlenkprisma

50 Umlenkprismen

52 Öffnung

53 Lichteintrittsseite

54 Lichtaustrittsfläche

56 Streulicht

57 Lichteintrittsfläche

58 Lichtaustrittsseite

59 Umlenkprisma

60 Öffnung

62 Drehteller

64 Umlenkprisma

66 Bildaufnahmeebene

68 Kamera

70 Drehantrieb

72 Kopplungsstange

74 Durchlichtanteil

76 Unterdrückungselement

78 Auskoppellichtleiter

80 Achromaten

81 Achromaten

82 Pfad

84 Ablenkprisma, Prisma