Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Abflusses einer mit freiem Spiegel in einem Gerinne flie¬ ßenden Flüssigkeit unter Verwendung von Gasblasen als Meßmedium, sowie eine Anordnung und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Eine elementare Voraussetzung aller aktuellen Aufgaben der Hydrologie ist die ausreichende Information über das zeitlich und räumlich sehr variable Wasserdargebot. Inso¬ fern ist auch eine genaue Bestimmung des Abflusses spezi¬ ell bei Freispiegelabflüssen mit schwankenden Volumen¬ strömen für alle Nutzer von Wasser sehr wichtig. Das Problem, Abflüsse und mögliche Rückströmungen exakt er¬ fassen zu können, stellt sich bei allen im folgenden vor¬ gestellten Einsatzbereichen, die zu erfüllenden gesetzli¬ chen Anforderungen im Hinblick auf den Umweltschutz un¬ terliegen. So sind alle in Frage kommenden Unternehmen,

die unbehandeltes oder behandeltes Abwasser in die Gewäs¬ ser (Vorfluter) einleiten, verpflichtet, Abwasserkon¬ trollstationen einzurichten und zu unterhalten, um ihre Abwassereinleitungen zu kontrollieren und entsprechend zu dokumentieren.

Es war bisher nicht möglich, den Durchfluß in einem na¬ türlichen oder künstlichen Gerinne unmittelbar und konti¬ nuierlich zu messen (Dyck, Siegfried "Grundlagen der Hydrologie", Ernst & Sohn Verlag, Berlin, München, 1983), insbesondere nicht ohne umfangreiche, kostenintensive Ein- bzw. Umbauten in dem Gerinne.

In der Regel werden Geschwindigkeits-Flächen-Verfahren eingesetzt, die das Geschwindigkeitsfeld in einer Ge¬ rinneströmung mit großem Aufwand für verschiedene Ab¬ flüsse punktweise aufmessen, um daraus eine Wasserstands- Abflußbeziehung, d.h. eine Abflußkurve zu konstruieren und aus dieser letztlich auf die Abflußganglinie schließen zu können.

Es ist bekannt, daß in stationär durchströmten, vollent¬ wickelten, prismatischen Fließstrecken das logarithmische Geschwindigkeitsverteilungsgesetz gilt. In diesen Fällen kann eine Messung der Fließgeschwindigkeit in einem be¬ liebigen Punkt des Gerinnes die Geschwindigkeitsvertei¬ lung über den gesamten Querschnitt liefern. Demgegenüber ist bei nicht prismatischen offenen Gerinnen die Ge¬ schwindigkeit in den meisten Fällen über die Tiefe und die Breite ungleichmäßig verteilt. Zeitaufwendige Flie߬ geschwindigkeitsmessungen über die Fließtiefe in ver¬ schiedenen Meßlotrechten sind durchzuführen. Um den Durchfluß zu bestimmen, muß zusätzlich die Abflußtiefe bzw. der Durchflußquerschnitt für den jeweiligen Fließzu¬ stand bekannt sein.

Für die lokale Messung der Fließgeschwindigkeit sind z.B. hydrometrische Flügel, mobile Ultraschall- oder Magne- tische-Induktive Meßgeräte und miniaturisierte LDA- Systeme (z.B. DFLDA Diode-Fiber-Laser-Doppler-Anemometer) bekannt. Der über Fließgeschwindigkeitsmessungen ermit¬ telte Abfluß wird zudem ungenau, wenn während der Meßzeit der Abfluß nicht konstant bleibt oder die Messung durch Schiffsverkehr gestört wird.

Es ist weiterhin bekannt, den Abfluß mit induktiven Durchflußmeßgeräten indirekt über Kalibrierfunktionen oder durch Einbauten in das Gerinne, beispielsweise mit¬ tels eines Venturikanals, zu bestimmen. Diese Einbauten führen jedoch zu Energieverlusten in der Gerinneströmung und behindern den Abfluß teilweise so wesentlich, daß die zum Abfluß erforderliche potentielle Energie mit Pumpen künstlich erzeugt werden muß. Zudem müssen Temperatur- und Dichteschwankungen sowie Änderungen von z.B. Schweb¬ stoffkonzentrationen mit Temperatur-, pH- und Leitfähig¬ keitsmeßsonden aufgezeichnet und die Abflußwerte an-/ schließend korrigiert werden. Mit allen bisher gebräuch¬ lichen Methoden der Abflußbestimmung sind Rückstauer¬ scheinungen und temporäre Rückströmungen nicht zu er¬ fassen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung des Abflusses mit einer hohen zeitlichen Auflösung der eingangs genannten Art zu schaf¬ fen, mit dem Abflüsse direkt und verlustfrei mit einer hohen Genauigkeit, insbesondere bei kleinen Fließge¬ schwindigkeiten, in mit freiem Spiegel fließenden Flüs¬ sigkeiten bestimmbar sind. Ferner richtet sich die Erfin¬ dung auf eine Anordnung zur Durchführung des Verfahrens

und eine Vorrichtung zur Erzeugung definierter Gasblasen als Meßmedium für das Verfahren.

Die erfindungsgemäße Lösung bei dem eingangs genannten Verfahren besteht darin, daß mittels über einen Quer¬ schnittsbereich der Sohle des Gerinnes räumlich verteilt angeordneter Diffusoren eine zeitliche Folge einzelner Gasblasen erzeugt wird, wobei die Gasblasen eine solche Größe aufweisen, daß sie mit einer annähernd konstanten Steiggeschwindigkeit von der Sohle des Gerinnes bis zu dessen Oberfläche aufsteigen, mindestens ein Bild der ho¬ rizontalen Abdrift der Gasblasen an der Oberfläche des Gerinnes mittels mindestens eines außerhalb der Flüssig¬ keit angeordneten optischen Bildaufnehmers aufgenommen wird, und daß das mindestens eine aufgenommene Bild zur Ermittlung des Abflusses des Gerinnes mittels einer Bild¬ verarbeitungseinheit ausgewertet wird.

Wie weiter unten noch detaillierter erläutert wird, ist ein wesentliches Element der Erfindung zur präzisen Be¬ stimmung des Abflusses über eine gesamte, ein zweidimen- sionales Strömungsprofil aufweisende Querschnittsfläche einer mit freiem Spiegel strömenden Flüssigkeit mittels des erfindungsgemäßen schnellen Meßverfahrens die ge¬ eignete Größe der Gasblasen, die derart zu wählen ist, daß die Gasblasen beim Aufstieg das Höhenprofil der Fließgeschwindigkeit in dem Gerinne in der Meßlotrechten integrieren. Als Meßwert für das Wegintegral einer Gas¬ blase dient ihre an der Oberfläche gemessene Abdrift. Der Abfluß wird aus der gemessenen Querverteilung der Ab¬ driften von Gasblasen aus vielen Diffusoren bestimmt.

Bei einer entsprechend aufwendigen Bildverarbeitungsein¬ heit kann dabei die räumliche Anordnung der Diffusoren an der Sohle des Gerinnes beliebig getroffen werden. Die

Bildverarbeitung und Auswertung zur Ermittlung des Ab¬ flusses wird vorteilhafterweise dadurch vereinfacht, daß die Diffusoren nebeneinander in einer quer zur Strömungs¬ richtung des Gerinnes verlaufenden Reihe angeordnet sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann prinzipiell zur Mes¬ sung des Abflusses beliebiger Flüssigkeiten eingesetzt werden. Die praktisch bedeutsamste Anwendung ist die zur Messung des Abflusses von Gerinnen, deren Flüssigkeit zu einem überwiegenden Anteil aus Wasser besteht, wobei die übrigen Bestandteile Beimischungen, Verunreinigungen oder Fremdstoffe sein können. In diesen Fällen ist es in der Regel aus Kostengründen am günstigsten, wenn die Gasbla¬ sen Luftblasen sind. In besonderen Anwendungsfällen kön¬ nen dabei aber auch andere Gase, wie z.B. Helium oder Stickstoff, eingesetzt werden.

Allgemein kann jedes Gas eingesetzt werden, dessen Blasen die Anforderungen hinsichtlich der Aufstiegsgeschwindig¬ keit und der Verträglichkeit mit der Flüssigkeit erfül¬ len. Soweit im folgenden von Luftblasen die Rede ist, ist dies ohne Beschränkung der Allgemeinheit mit entsprechen¬ den Modifikationen für beliebige Gasblasen gültig. Es werden beispielhafte Anwendungen von Luftblasen in Wasser genannt. Die Bemessung der Größe beliebiger Gasblasen in beliebigen Flüssigkeiten kann in entsprechender Weise er¬ folgen. Erforderlichenfalls können hierzu auch experimen¬ telle Untersuchungen der Aufstiegsgeschwindigkeit durch¬ geführt werden.

Für den Anwendungsfall einer Abflußmessung in einer Flüs¬ sigkeit, die zu einem überwiegenden Anteil Wasser ist, besteht eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung darin, daß die Luftblasen mit einem auf volumengleiche Blasen bezogenen äquivalenten Blasendurchmesser zwischen 3 mm

und 10 mm, besonders vorteilhaft etwa 4,5 mm, erzeugt werden. Diese Luftblasen erfüllen in besonders guter Weise das Erfordernis einer annähernd konstanten Steigge¬ schwindigkeit.

In Anwendungsfällen mit geringeren Anforderungen kann es genügen, das Bild der horizontalen Abdrift der Gasblasen an der Oberfläche des Gerinnes mittels eines Photoappa¬ rates aufzunehmen und das Photo zur Bestimmung des Ab¬ flusses auszuwerten. In den meisten Fällen wird es jedoch wünschenswert sein, eine kontinuierliche Messung auszu¬ führen. In diesen Fällen kann als optischer Bildaufnehmer eine Video-Kamera, beispielsweise eine CCD-Kamera, ver¬ wendet werden, die den Vorteil aufweisen kann, daß sich das Bild digital verarbeiten und auswerten läßt.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen und der Be¬ schreibung erläutert.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbe¬ sondere darin, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der weiter unten beschriebenen erfindungsgemäßen An¬ ordnung auch Rückstauerscheinungen und Rückströmungen, wie sie beispielsweise in Kanalisationssystemen regel¬ mäßig auftreten, erfaßt werden können, und es kann die Strömungsrichtung und der Volumenstrom in die betreffende Richtung jederzeit bestimmt werden. Das erfindungsgemäße Meßverfahren gestattet aufgrund der sehr kurzen Meßdauer die Erfassung instationärer Strömungen. Es mißt den Ab¬ fluß direkt, ohne daß die Kenntnis der Fließgeschwindig¬ keit und des Fließquerschnittes erforderlich sind. Je nach der räumlichen Anordnung der Diffusoren kann der ge¬ samte Fließquerschnitt gleichzeitig erfaßt werden, ohne eventuellen Schiffsverkehr zu beeinträchtigen.

Es ist aber auch möglich, die Diffusoren nicht über den gesamten Querschnitt des Gerinnes verteilt oder nicht un¬ mittelbar an der Sohle des Gerinnes anzuordnen und die dabei nicht bei der Messung erfaßten Querschnittsanteile rechnerisch bei der Ermittlung des Abflusses zu berück¬ sichtigen. Die von der Sohle beabstandete Anordnung der Diffusoren kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn die Gasblasenbildung oder deren Aufstieg durch Besonder¬ heiten der Sohle des Gerinnes, wie z.B. vorhandenen Schlicks oder Pflanzenbewuchses, gestört würde.

Weiterhin ist ein wesentlicher Vorteil der Erfindung, daß Einflüsse wie der Dichte und des Schwebstoffgehaltes der Flüssigkeit sowie die Temperatur des Meßmediums berück¬ sichtigt werden können.

Es können somit der Abfluß am jeweiligen Meßort, die Strömungsrichtung und damit auch auftretende instationäre Fließvorgänge über beliebige Zeiträume aufgezeichnet wer¬ den. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfin¬ dungsgemäßen Anordnung können Abflüsse sowohl in natürli¬ chen als auch in künstlichen Gerinnen, und zwar unabhän¬ gig von deren Fließquerschnittsgeometrie, direkt gemessen und aufgezeichnet werden. So kann die vorgeschlagene Er¬ findung in rechteckigen, dreieck-, trapez- und mit ent¬ sprechenden Anpassungen auch in kreis-, ei- und aulför- migen Gerinnequerschnitten eingesetzt werden. Darüber hinaus kann auch die Bestimmung und Messung des Abflusses in abgestuften, gegliederten Abflußquerschnitten über die Gerinnebreite erfolgen. Weitere Vorteile sind, daß nicht einzelne Messungen nacheinander durchzuführen sind, son¬ dern der gesamte Fließquerschnitt gleichzeitig erfaßt wird, und daß der Abfluß des Gerinnes auf der Wasserober-

fläche in Gestalt einer Blasenspur sichtbar und damit je¬ derzeit visuell nachprüfbar ist. Die Erfindung eignet sich insbesondere für Anwendungsfälle, bei denen die Flüssigkeit langsam fließt, das heißt für Gerinne, bei denen die Fließgeschwindigkeit der Flüssigkeit kleiner als 1 m/s, insbesondere kleiner als 0,05 m/s ist.

Nachfolgend werden die Vorteile und Einsatzmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens in künstlichen Gerinnen beschrieben, die in gleicher Weise für die erfindungsge¬ mäße Anordnung gelten.

Mit dem Verfahren ist es möglich, turbulente, strömende, wirbelarme Abflüsse in Freispiegelgerinnen direkt, mit hoher zeitlicher Auflösung, mit einer bisher nicht zu er¬ reichenden Genauigkeit und ohne Behinderung des Abflusses auch bei wechselnder Strömungsrichtung zu messen.

Es ermöglicht allen Betreibern von Kläranlagen am Einlauf zum Klärwerk und am Auslauf in den Vorfluter die Zuflüsse bzw. die Abflüsse behandelten Schmutzwassers mit hoher zeitlicher Auflösung zu bestimmen.

Die für das Abwasser zuständigen Betriebsbereiche von Kommunen, Gemeinden und Städten können mit dem Meßverfah¬ ren nicht nur die Abflüsse an beliebigen Orten in den Sammelkanälen der Stadtentwässerung erfassen, sondern auch hinter Regenrückhaltebecken sowie Regenüberlauf- becken auch den Anteil unbehandelten Schmutzwassers quan¬ tifizieren, der nach Starkniederschlägen dem Vorfluter direkt zugeführt werden muß.

Industrieunternehmen können mit dem Meßverfahren nicht nur die ihnen genehmigten Abwassereinleitungen in den Vorfluter belegen, sondern auch die Abflüsse in innerbe¬ trieblichen Wasserkreisläufen steuern.

Bei der Rückgewinnung wertvoller Inhaltsstoffe aus Abwäs¬ sern bestimmt der Volumenstrom die Qualität und Effizienz des Rückgewinnungsprozesses. Er ist mit dem Meßverfahren in den Freispiegelgerinnen derartiger Betriebe mit hoher Meßgenauigkeit festzustellen.

Industriebetriebe, insbesondere Energieerzeuger, haben Auflagen über den Kühlwasserverbrauch zu erfüllen. Dieser richtet sich u.a. nach der aktuellen Temperatur und der Wasserführung des Vorfluters. Die Unternehmen sind somit an einer exakten, mit hoher zeitlicher Auflösung erfol¬ genden Messung der Kühlwasserentnahme und -rückgabe in¬ teressiert. Die erfindungsgemäße Abflußmessung bietet hierzu an Kühlwasserein- und Kühlwasserauslaufen eine bisher nicht gekannte Möglichkeit.

Abflüsse von landwirtschaftlichen Betrieben - besonders jene von Betrieben mit Massentierhaltung, wenn diese ihre vorbehandelten Abwässer nicht auf eigenen Betriebsflächen unterbringen können - sind schwer zu erfassen. Auch diese können mit dem Meßverfahren unmittelbar dort ermittelt werden, wo in den Vorfluter eingeleitet wird.

Abflüsse von bebauten und befestigten Flächen, z.B. von Straßen außerhalb geschlossener Ortschaften, Autobahnen, Eisenbahnanlagen oder Flughäfen werden in künstlichen Freispiegelgerinnen den Kläranlagen oder direkt den Vor¬ flutern zugeführt. Sie können mit dem Meßverfahren am Ort der Einleitung bestimmt werden.

Bei Schlickbehandlungen ist der Wasserablauf von Spülfel¬ dern von der Art der Schlickeinspülung und der Lagerungs¬ dauer des Schlickes abhängig. Dieser instationäre Abfluß kann in den Sammelkanälen, die sich den Spülfedern an¬ schließen, mit dem Meßverfahren bestimmt werden. Gleiches gilt für die Drainageabflüsse von Deponiesickerwässern und die bei der Entwässerung von Klärschlämmen anfallen¬ den Schmutzwasserabflüsse.

Nicht nur im Bereich der Abwassertechnik sind genaue Ab¬ flußmessungen erforderlich. Ein weiteres Einsatzgebiet des Abflußmeßverfahrens liegt in der Abflußmessung von Zuschußwasser zur Niedrigwasseraufhöhung der Vorfluter. Man ist hier bestrebt, den Zugabeanteil qualitativ hoch¬ wertigen Zuschußwassers, daß oftmals Trinkwasserqualität hat, zu optimieren. Direkt vor den Einleitungsbauwerken kann der Zufluß in die Vorfluter gemessen werden.

Ein weiteres Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Abflu߬ meßverfahrens ist die Abflußmessung in Zuleitungskanälen bei ÜberStaubewässerung (wilde Rieselung, geregelter Flä- chenüberstau usw.), Streifen- und Furchenbewässerung im Kulturlandbau. Hier sind die Wassergaben so zu steuern, daß dem Pflanzenwasserbedarf entsprochen wird. Besondere Bedeutung kommt der Abflußmessung bei der Melioration - sowohl beim "Leaching" als auch bei der Auswaschung mit Bewässerungswasser - von versalzten Böden zu, um nicht unnötige Anteile des ohnehin meist knappen Bewässerungs¬ wassers zu verlieren.

Die Merkmale einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Durch¬ führung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des Abflusses einer mit freiem Spiegel in einem Gerinne fließenden Flüssigkeit unter Verwendung von Gasblasen als

Meßmedium sind darin zu sehen, daß über einen Quer¬ schnittsbereich der Sohle des Gerinnes räumlich verteilt angeordnete Diffusoren vorgesehen sind, die an einer Druckgasversorgung angeschlossen sind und mit denen eine zeitliche Folge einzelner Gasblasen erzeugbar ist, wobei Gasblasen eine solche Größe aufweisen, daß sie mit einer annähernd konstanten Steiggeschwindigkeit von der Sohle des Gerinnes bis zu dessen Oberfläche aufsteigen, wobei mindestens ein außerhalb der Flüssigkeit angeordneter op¬ tischer Bildaufnehmer vorgesehen ist, mit dem mindestens ein Bild der horizontalen Abdrift der Gasblasen an der Oberfläche des Gerinnes aufnehmbar ist und wobei eine an den mindestens einen Bildaufnehmer anschließbare Bild¬ verarbeitungseinheit vorgesehen ist, mit der das mindes¬ tens eine aufgenommene Bild zur Ermittlung des Abflusses des Gerinnes auswertbar ist.

Weitere vorteilhafte Besonderheiten können darin beste¬ hen, daß die Diffusoren nebeneinander in einer quer zur Strömungsrichtung des Gerinnes verlaufenden Reihe an¬ geordnet sind oder daß eine Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung der Oberfläche des Gerinnes im Bereich der aufgestiegenen Gasblasen vorgesehen ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung kann sein, daß eine Tragkonstruktion zur Halterung mindestens eines des min¬ destens einen Bildaufnehmers in einer Position vorgesehen ist, von der aus dieser ein Bild der aufgestiegenen Gas¬ blasen aufnehmen kann. Die Position des Bildaufnehmers ist bevorzugt in dem Luftraum oberhalb der Oberfläche der Flüssigkeit. Der Bildaufnehmer kann aber, sofern dies nicht möglich ist, auch seitlich des Gerinnes, beispiels¬ weise auf dem Ufer, angeordnet sein.

Weiterhin kann vorgesehen sein, daß anstelle der Bildver¬ arbeitungseinheit ein Speichermedium an den mindestens einen Bildaufnehmer anschließbar ist, mit dem das minde¬ stens eine aufgenommene Bild zur Ermittlung des Abflusses des Gerinnes speicherbar und einer Bildverarbeitungsein¬ heit zuführbar ist.

Eine wesentliche Voraussetzung ist die Erzeugung einer genügenden Zahl von Einzelblasen je Zeiteinheit, um ein deutliches Erkennen einer Blasenspur an der Gerinneober¬ fläche zu gewährleisten. Andererseits dürfen aber nur so viele Blasen erzeugt werden, daß sie sich im Schwärm nicht gegenseitig beeinflussen, sondern sich bezüglich ihrer Steiggeschwindigkeit wie Einzelblasen verhalten.

Aus dem Stand der Technik ist die Bildung von Luftblasen unter Verwendung eines Luftversorgungssystems mit den nachfolgend genannten Vorrichtungen bekannt:

Bohrungen in dünnen Blechen ab 0,06 mm Durchmesser,

Bohrungen in dicken Blechen ab 0,4 mm Durchmesser,

Glasrohre mit ausgezogenen Spitzen ab 0,025 mm Durch¬ messer,

Glaskapillaren ab 0,045 mm Durchmesser,

Injektionskanülen ab 0,2 mm Durchmesser.

Mit Ausnahme der Glasrohre mit ausgezogener Spitze, die jedoch nicht genügend genau reproduzierbar sind, weisen alle anderen Düsen die Nachteile auf, daß sich schon bei sehr niedrigen Drücken Blasenschwärme bilden oder sich bei gleichbleibendem Druck zwar Blasen gleicher Größe er¬ zeugen lassen, die Frequenz aber dabei nicht konstant bleibt.

Der Erfindung liegt deshalb das weitere Problem zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem Diffusor zur Erzeugung von Gasblasen definierter und konstanter Größe in einer Flüssigkeit zu schaffen, welcher die zur Erzeugung einer deutlichen Bla¬ senspur erforderlichen Blasen in genügender Zahl je Zeiteinheit zu bilden vermag, wobei gewährleistet ist, daß die Blasenbildung nach Größe und Frequenz absolut gleichmäßig ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Diffusor, der einen Gaseinlaß mit einer Eintrittsöffnung für die Zuführung des Gases, einen Gasauslaß mit einer Austrittsöffnung für den Austritt der Gasblasen und einen den Gaseinlaß und den Gasauslaß verbindenden Gaskanal aufweist, wobei in dem Gaskanal eine in Strömungsrichtung des Gases stromab¬ wärts von der Eintrittsöffnung liegende Drossel zur Dros¬ selung des Gasstroms mit einer Drosselöffnung angeordnet ist, wobei ein Teil des Gaskanals von einem Sackloch ge¬ bildet wird, welches sich von seinem Boden zu seinem of¬ fenen Ende hin in Richtung auf den Gasauslaß erstreckt, wobei die Einlaßstelle des Gaskanals, an der das von der Drossel stromabwärts in das Sackloch strömende Gas in das Sackloch eintritt, an einer Stelle in dem Sackloch ange¬ ordnet ist, von der aus das Gas zumindest ein Teilstück des Sacklochs stromabwärts in Richtung auf den Gasauslaß durchströmt, und wobei das Sackloch an der Einlaßstelle einen Sacklochquerschnitt aufweist, der größer als die Öffnungsfläche der Drosselöffnung ist.

Eine vorteilhafte Ausbildung besteht darin, daß die Öff¬ nungsfläche der Drosselöffnung im Bereich von 0,002 mm ² bis 0,785 mm ² liegt. Das Sackloch hat vorteilhafterweise einen Durchmesser im Bereich von 1 mm bis 8 mm, bevorzugt

ca. 2 mm, und eine Länge im Bereich von 2 mm bis 80 mm, bevorzugt ca. 14 mm.

In einer bevorzugten Ausbildung umfaßt der Gasauslaß eine in dem Diffusor angeordnete Expansionsvertiefung, die ein bezüglich des Gasstromes stromaufwärts gelegenes inneres Ende und ein stromabwärts gelegenes äußeres Ende auf¬ weist, wobei das offene Ende des Sacklochs mit dem inne¬ ren Ende der Expansionsvertiefung verbunden ist und der Durchmesser der Expansionsvertiefung an der Austritts¬ öffnung des Gasauslasses größer als der Durchmesser des offenen Endes des Sacklochs ist. Die Expansionsvertiefung hat vorteilhafterweise einen Durchmesser zwischen 2 mm und 10 mm, bevorzugt ca. 3 mm, und in Strömungsrichtung des Gases eine Länge zwischen 1 mm und 15 mm.

Die Expansionsvertiefung kann zylindrisch ausgebildet sein. In einer bevorzugten Ausbildung kann sie aber auch einen sich von ihrem inneren Ende zu ihrem äußeren Ende verbreiternden, beispielsweise konischen Verlauf aufwei¬ sen. Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn der Durchmesser des inneren Endes der Expansionsvertiefung dem des offe¬ nen Endes des Sacklochs entspricht.

Die Expansionsvertiefung hat vorteilhafterweise an ihrem inneren Ende einen Durchmesser im Bereich zwischen 1 mm und 8 mm, bevorzugt ca. 2 mm, und an ihrem äußeren Ende einen Durchmesser im Bereich zwischen 2 mm und 10 mm, be¬ vorzugt ca. 4 mm. Bei den vorstehend als bevorzugt be¬ zeichneten Durchmessern beträgt die Länge der Expansions¬ vertiefung vorteilhafterweise ca. 1 mm.

Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal wird vorge¬ schlagen, daß die Drossel und das Sackloch sowie gegebe¬ nenfalls die Expansionsvertiefung in ein Trägerteil ein-

gearbeitet sind. Dies hat den Vorteil, daß der Diffusor leicht in eine Diffusorenhalterung einsetzbar sowie aus¬ tauschbar ist. Dabei kann weiter vorteilhafterweise vor¬ gesehen sein, daß das Trägerteil schraubenartig geformt ist und ein Gewinde zum Einschrauben aufweist. Das Trä¬ gerteil kann aus Stahl, Edelstahl, Kunststoff oder einem sonstigen für die Verwendung in der jeweiligen Flüssig¬ keit und mit dem jeweiligen Gas geeigneten Material be¬ stehen, beispielsweise aus Nichteisenmetall, Glas oder Keramik.

Eine andere vorteilhafte Besonderheit kann darin beste¬ hen, daß die Drossel eine Kanüle aufweist. Dabei kann ein weiteres vorteilhaftes Ausbildungsmerkmal darin bestehen, daß in der Öffnung der Kanüle ein Draht angeordnet ist. Der Draht verringert den Öffnungsquerschnitt der Kanüle, der vorteilhafterweise im Bereich von 0,007 mm ² bis 0,013 mm ² , bevorzugt von ca. 0,01 mm ² liegt, wobei der Draht einen Querschnitt im Bereich von 0,0070 mm ² bis 0,0086 mm ² , bevorzugt ca. 0,0078 mm ² aufweisen kann. In einer abgewandelten Ausbildung kann die Kanüle einen Öff¬ nungsquerschnitt im Bereich von 0,002 mm ² bis 0,003 mm ² , bevorzugt von ca. 0,0025 mm ² aufweisen.

Die Kanüle kann vorteilhafterweise aus Edelstahl, Kunst¬ stoff oder Glas bestehen. Für das Material des Drahtes kann bevorzugt Edelstahl, Federstahl oder Glas vorgesehen sein.

Weitere vorteilhafte Ausbildungen des erfindungsgemäßen Diffusors sind in den abhängigen Ansprüchen sowie in der Beschreibung angegeben.

Der erfindungsgemäße Diffusor hat den Vorteil, daß er die zur Erzeugung einer deutlichen Blasenspur erforderlichen

Gasblasen in genügender Zahl je Zeiteinheit zu bilden vermag, wobei gewährleistet ist, daß die Blasenbildung nach Größe und Frequenz gleichmäßig ist, so daß er die als Meßmedium in dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Anordnung als Meßmedium erforderlichen Gasblasen liefern kann. Hierfür ist er bevorzugt so aus¬ gebildet, daß die erzeugten Gasblasen einen auf volumen¬ gleiche Blasen bezogenen äquivalenten Blasendurchmesser zwischen 1 mm und 20 mm, bevorzugt zwischen 3 mm und 10 mm und besonders bevorzugt etwa 4,5 mm haben. Die Be¬ messung kann anhand der beschriebenen bevorzugten Abmes¬ sungen oder durch experimentelle Untersuchungen vorge¬ nommen werden.

Die folgenden Ausführungsbeispiele der Erfindung lassen weitere vorteilhafte Merkmale und Besonderheiten erken¬ nen, die anhand der Darstellung in den Zeichnungen im folgenden näher beschrieben und erläutert sind.

Es zeigen:

Fig. 1 eine graphische Darstellung des vertikalen

Fließgeschwindigkeitsprofils in einem Gerinne,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der charakteristi¬ schen Aufstiegsbahn von Luftblasen in einem Wassergerinne nach der Erfindung,

Fig. 3 einen vergrößerten Ausschnitt "X" gemäß Fig. 2,

Fig. 4 eine graphische Darstellung der Meßergebnisse von Messungen der Steiggeschwindigkeit von Luftblasen in destilliertem Wasser und in Lei¬ tungswasser,

Fig. 5 eine als abgeflachtes Rotationsellipsoid abge¬ bildete Luftblase,

Fig. 6 eine schematische perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung zur Durchfüh¬ rung des Verfahrens,

Fig. 7 eine schematische Schnittzeichnung durch eine abgewandelte erfindungsgemäße Anordnung,

Fig. 8 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Diffusors im Schnitt,

Fig. 9 eine Prinzipdarstellung eines abgewandelten er¬ findungsgemäßen Diffusors im Schnitt und

Fig. 10 eine Prinzipdarstellung eines weiter abgewan¬ delten erfindungsgemäßen Diffusors im Schnitt.

Die Fig. 1 zeigt eine graphische Darstellung des vertika¬ len Fließgeschwindigkeitsprofils VP in einem Gerinne als Funktion der Höhe y zwischen der Sohle 8 und der Oberflä¬ che 13. In Fig. 2 ist die charakteristische Aufstiegsbahn AB von Luftblasen 12 in einem Wassergerinne nach der Er¬ findung dargestellt. Die Luftblasen 12 werden durch die Flüssigkeitsströmung auf ihrem Weg von der Sohle 8 bis zur Oberfläche 13 um die Abdrift S abgetrieben. Eine Ein¬ zelheit bei X in der Fig. 2, die weiter unten näher er¬ läutert wird, ist in der Fig. 3 dargestellt.

Dem erfindungsgemäßen Meßverfahren liegt das Prinzip der sogenannten "integrierenden Schwi mermessung" zugrunde. Nach diesem Prinzip steigen Gasblasen geeigneter Größe in einem Gerinne 14 von der Sohle 8 auf, wobei sie während des Aufsteigens an jeder Stelle um den Betrag abgetrieben werden, der der örtlichen Geschwindigkeit entspricht (vgl. Fig. 2) . Die horizontale Abdrift, welche die Blasen 12 vom Startpunkt an der Gerinnesohle 8 bis zum Auftau¬ chen an der Oberfläche 13 zurückgelegt haben (vgl. Fig. 2) , multipliziert mit der Steiggeschwindigkeit u _s der Gasblasen (vgl. Fig. 4) , entspricht dann genau dem Abfluß in einem der Blasenspur entsprechenden Streifen des

Fließquerschnittes. Zur Gesamtabflußermittlung wird er¬ findungsgemäß mindestens ein Bild der aufgestiegenen, an der Oberfläche 13 schwimmenden Gasblasen, z.B. mit Hilfe einer Video-Kamera 5, aufgenommen und im Anschluß daran das Bild digital verarbeitet. Auf diese Weise mißt das Verfahren den Abfluß direkt, und zwar ohne die Kenntnis der Fließgeschwindigkeit und des Fließquerschnittes.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegen physikalische Überlegungen aus dem Gebiet der Strömungslehre zugrunde, die durch die nachfolgenden Gleichungen definiert und an¬ hand der graphischen Darstellungen gemäß den Figuren 1 bis 5 verdeutlicht werden:

Bedeutet v(y) die Geschwindigkeit eines Flüssigkeitsteil¬ chens und y seine Höhenlage über der Gerinnesohle 8, so beträgt der Abfluß in einem unendlich schmalen Streifen des Fließquerschnittes

y=h

= / v(y) dy (1) y=0

Ist weiter u _s eine konstante Steiggeschwindigkeit der Gasblase, und t die Zeit seit Beginn ihres Aufstieges, so gilt

dy = u _s • dt ( ₂ )

Die Abdrift s der Gasblase zur Zeit t in der Höhe y ent¬ spricht der örtlichen Geschwindigkeit

ds = v(y) • dt ( 3 )

Wird die Steiggeschwindigkeit als konstant vorausgesetzt, folgt durch Einsetzen der Gl. (2) und (3) in Gl. (1) für den speziellen Abfluß

s=S ds u« dt

^■ / dt (4) s=0

s=S q = u _s • f ds ₍₅₎ s=0

Das Integral f ds entspricht der Entfernung S, und stellt die Abdrift einer aufsteigenden und die Oberfläche erreichenden Gasblase dar (Fig. 2) . Der spezifische Ab¬ fluß q ist also direkt proportional zur Abdrift S.

q = u _s ^• s ₍₆₎

Das Gesamtvolumen Q beträgt dann

B

Q - u _s ^• / s(b) ^• db (7)

0

und ist somit proportional der Fläche, die dadurch ent¬ steht, daß über der Querschnittsbreite B die Abdriften S der verschiedenen Meßlotrechten aufgetragen werden.

Eine wesentliche Voraussetzung für die Gültigkeit der vorstehend abgeleiteten Grundgleichung des Gesamtvolumen¬ stroms Q ist die Gewährleistung einer konstanten Steigge¬ schwindigkeit u _s der Gasblase von der Sohle 8 bis zur Oberfläche 13. Um diese Forderung erfüllen zu können, kommt es maßgeblich auf die Größe der einzelnen Gasblasen an. Dies wird nachfolgend für Luftblasen 12 im einzelnen erläutert.

In Fig. 4 sind Meßergebnisse der Steiggeschwindigkeit u _g von Luftblasen 12 in reinem und verunreinigtem Wasser dargestellt (vgl. Clift, Grace und Weber, 1978, Bubbles, Drops and Particles. ACADEMIC PRESS, New York, San Fran¬ cisco, London) . In der Fig. 4 ist die Steiggeschwindig¬ keit u _s in Abhängigkeit von dem äquivalenten Blasendurch¬ messer d _orf dargestellt. Der gesamte dargestellte Bereich gliedert sich in drei Teilbereiche, und zwar in den Be¬ reich Bl der Kugelblasen, Bereich B2 der ellipsoid-ähnli- chen Blasen und den Bereich B3 der Schirmblasen. Die Be¬ zeichnung DW steht für "destilliertes Wasser" und die Be¬ zeichnung LW für "Leitungswasser".

Mit zunehmendem äquivalenten Blasendurchmesser d _o e _r q _r , d.h. mit einem auf volumengleiche Kugeln bezogenen Blasen¬ durchmesser ist das Verhalten der Blase allein von ihrer Größe abhängig. Sehr kleine Blasen haben durch den domi¬ nierenden Einfluß der Oberflächenspannung Kugelgestalt und die Blase besitzt in strömungstechnischer Hinsicht die Eigenschaften einer starren Kugel. Die Bewegung sol¬ cher Blasen erfolgt im Stokeschen Bereich, wobei die Be¬ reichsgrenze Re - u _r -d/v < 0,1 mit d Blasendurchmesser und u _r Relativgeschwindigkeit zwischen Blase und Wasser angegeben ist (vgl. GLASE und WAIREGEL, 1986, Properties and characteristics of drops and bubbles, in Encyclopedia

of Fluid Mechanics, Volume 3, Gas-Liquid Flows, Hrsg. N.P. Cheremisinoff, Gulf Publishing Company, Houston, London, Paris, Tokyo) .

Der äquivalente Durchmesser d _orr , den eine in Wasser auf- steigende Luftblase 12 maximal annehmen darf, damit sich die Blase noch wie eine starre Kugel verhält, beträgt etwa 0,2 mm (vgl. BAUER 1971, Grundlagen der Einphasen- und Mehrphasenströmungen, Sauerländer AG, Aaran) .

Mit zunehmendem Blasendurchmesser ruft die Schubspannung an der Phasengrenzfläche im Inneren der Blase eine Zirku¬ lationsströmung hervor. Da der Geschwindigkeitsgradient an der beweglichen Phasengrenzfläche kleiner ist als an der starren, wird die Schubspannung an der Grenzfläche verringert und dadurch der Widerstand vermindert. Ent¬ sprechend ist die Steiggeschwindigkeit u _s von großen Bla¬ sen höher als diejenige formgleicher starrer Kugeln.

Unabhängig von der inneren Zirkulation verformt sich die Blase bei einem weiteren Anwachsen des äquivalenten Bla¬ sendurchmesser d _orτ zu einem abgeflachten Rotationsellip- soid (Fig. 5) . Für die Steiggeschwindigkeit u _s dieser Blase sind zwei in entgegengesetzter Richtung wirkende Einflüsse zu beachten. Zwar trägt die Beweglichkeit der Phasenoberfläche zur Erhöhung der Steiggeschwindigkeit u _s bei, jedoch verursachen die hinter dem abgeflachten Rota¬ tionsellipsoid periodisch auftretenden Wirbel eine tau¬ melnde Bewegung, so daß die Blase auf einer schraubenähn¬ lichen Bahn aufsteigt. Da zur Berechnung der Steigge¬ schwindigkeit u _s jedoch nur der in vertikaler Richtung überwundene Höhenunterschied verwendet wird, ist die Steiggeschwindigkeit u _s somit kleiner als die wirkliche Bahngeschwindigkeit (vgl. BAUER, 1971, Grundlagen der

Einphasen- und Mehrphasenströmungen, Sauerländer AG, Aaran) .

Ein noch weiteres Anwachsen des äquivalenten Blasendurch¬ messers d__ führt zur Umwandlung der Blasenform vom Rota- tionsellipsoid zur sogenannten "Schirmblase" und einem Anwachsen der Steiggeschwindigkeit.

Für einen äquivalenten Blasendurchmesser d _e _ > 1,3 mm kann die Steiggeschwindigkeit u _s in reinem Wasser nähe¬ rungsweise durch Gleichung (8) beschrieben werden, wobei σ die Oberflächenspannung zwischen Wasser und Luft ist (vgl. CLIFT, GRACE, WEBER, 1978, Bubbles, Drops and Par- ticles; ACADEMIC PRESS, New York, San Francisco, London) .

Die tatsächlichen Abmessungen des Rotationsellipsoids (Fig. 5) können mit Hilfe von Gl. (9) und die des äquiva¬ lenten Blasendurchmessers d _orτ mit Gl. (10) berechnet wer- den:

_k v _β = π a ₂ ^■ (bi + b ₂ ) (9)

*eq (10)

Die experimentellen Ergebnisse in Fig. 4 zeigen auch den Einfluß der im Wasser befindlichen Verunreinigungen (oberflächenaktive Stoffe) . Sie sammeln sich an der Pha¬ sengrenzfläche und bilden dort einen adsorbierenden Film. Er bleibt relativ zur Blase in Ruhe, so daß sich die Luftblase bezüglich der Außenströmung wie eine starre Ku¬ gel verhält. Bei einer genaueren Betrachtung muß aller¬ dings noch der Transport der Verunreinigungen im Wasser und der Einfluß dieser Stoffe auf die Oberflächenspannung berücksichtigt werden (vgl. PRANDTL, 1989: "Führer durch die Strömungslehre", Vieweg, Braunschweig).

Wie bereits eingangs erwähnt, ist die geeignete Wahl der Blasengröße maßgeblich für die erfolgreiche Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die für die Abflußmessung mittels Gasblasen erforderliche Blasenspur an der Oberfläche 13 setzt die Bildung von Einzelblasen in genügender Zahl je Zeiteinheit voraus. Aus Fig. 4 ist zu entnehmen, daß für äquivalente Blasen¬ durchmesser d ^e _4_ zwischen 3 mm und 10 mm bei Luftblasen 12 in Wasser die Steiggeschwindigkeit u _s annähernd konstant bleibt. Mit Blick auf die Erzeugung von Einzelblasen bie¬ tet dieser Bereich den Vorteil, daß eine Änderung der Steiggeschwindigkeit u _s infolge Expansion der Luftblasen 12 während des Aufstieges bei Blasen mit einem äquivalen¬ ten Blasendurchmesser d-,- von etwa 4,5 m verhindert wer- den kann, da auch bei einer Volumenveränderung die Steig¬ geschwindigkeit u _s nahezu konstant bleibt.

Das erfindungsgemäße Verfahren der Abflußbestimmung ist zur Messung geringer und zugleich zeitweise schwankender Abflüsse bei wechselnden Wasserständen am folgenden Bei¬ spiel erfolgreich untersucht worden. Die Messungen simu¬ lieren einen typischen Einsatz des Abflußmeßverfahrens,

wie er sich bei den in den oben genannten unterschiedli¬ chen Anwendungsbereichen ergeben würde.

In dem untersuchten Anwendungsfall ist in einer offenen Versuchsrinne mit einer Breite von 0,60 m, mit einer va¬ riablen Wassertiefe zwischen 0,10 m und 1,00 m und einem regulierbaren Abfluß zwischen 0 und 350 1/s die Anordnung zur Durchführung des Abflußmeßverfahrens gemäß Fig. 6 eingebaut worden.

Bei diesen Versuchen wurden unterschiedliche Betriebszu- stände eingestellt und die von dem Abflußmeßverfahren be¬ stimmten Abflußwerte überprüft. Bei diesen Untersuchungen wurden nach dem vorher beschriebenen Meßprinzip der inte¬ grierenden Schwimmermessung in Verbindung mit der Bild¬ aufnahme durch Video-Technik und der digitalen Bildverar¬ beitung mittels des beanspruchten Meßverfahrens Abflu߬ werte mit einer hohen Meßgenauigkeit geliefert.

Eine vorteilhafte Anordnung zur Durchführung des erfin¬ dungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand der Figur 6 beschrieben. Dargestellt ist ein Gerinne 14 strömenden Wassers mit der Oberfläche 13. An der Sohle 8 des Gerin¬ nes 14 ist mittels eines Diffusorenhalters 2 eine Viel¬ zahl von Diffusoren 1 nebeneinanderliegend angeordnet. Die Diffusoren 1 sind mittels einer Druckluftleitung 3 mit einer Druckluftversorgungseinheit 4 verbunden. Ferner ist eine Videokamera 5 und eine an diese angeschlossener Mikroprozessor 6 und eine Beleuchtungseinrichtung 7 vor¬ gesehen. Die Anordnung kann beispielsweise im Bereich ei¬ ner Brücke angeordnet sein. In dem Geräteschrank 9 ist außer dem Mikroprozessor 6 und der Druckluftversorgungs¬ einheit 4 noch eine digitale Bildverarbeitungseinheit 10 untergebracht. Die Videokamera 5 ist vorteilhafterweise an einem oberhalb des Gerinnes 14 bereits vorhandenen

Brückenträger angebracht. Sie kann aber auch seitlich ne¬ ben dem Gerinne, beispielsweise auf dem Ufer, oder wie in Fig. 6 dargestellt, an einer hierzu errichteten Tragkon¬ struktion 11 angebracht sein. Die Tragkonstruktion 11 trägt ebenfalls die Beleuchtungseinrichtung 7, mit der bei Nacht oder bei erschwerten Lichtverhältnissen die Oberfläche 13 mit künstlicher Beleuchtung angestrahlt werden kann, damit ein ununterbrochener Betrieb des er¬ findungsgemäßen Verfahrens gewährleistet ist. Die Messung des Abflusses mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird wie folgt durchgeführt.

Aus den Diffusoren 1 gelangen die mittels der Druckluft¬ versorgungseinheit 4 erzeugten und aufsteigenden Luftbla¬ sen 12 an die Oberfläche 13 des Fluids. Die Erfassung der an der Oberfläche schwimmenden Luftblasen 12 erfolgt mit¬ tels der Videokamera 5. Die Auswertung der Video-Bilder erfolgt in dem Mikroprozessor 6 mit digitaler Bildverar¬ beitung in dem Geräteschrank 9 vor Ort. Die Video-Bilder können auch wahlweise digital auf Massenspeicher oder analog auf Video-Recordern gespeichert werden, um dann zu einem späteren Zeitpunkt in einer Bildverarbeitungsein¬ heit 12 mit einem Mikroprozessor 6 und einer digitalen Bildverarbeitung ausgewertet zu werden.

Nachfolgend werden die dem Meßverfahren zugrundeliegenden Überlegungen im Hinblick auf die digitale Bestimmung der sich ergebenden aktuellen Steiggeschwindigkeit u _s gemäß Fig. 4 und die digitale Erfassung der Blasenabdrift be¬ schrieben.

Die aktuelle Steiggeschwindigkeit u _s der Luftblasen kann durch einen intermittierenden Betrieb der Druckluftver¬ sorgung 4 bestimmt werden, um den Einfluß der Temperatur,

der Dichte und der Inhaltsstoffe des Meßmediums zu be¬ rücksichtigen. Dazu wird die Druckluftversorgung 4 zu den blasenerzeugenden Diffusoren 1 kurzzeitig unterbrochen. Die Folge ist, daß sich augenblicklich keine neuen Luft¬ blasen 12 mehr bilden. Zur Berechnung der aktuellen Bla- sensteiggeschwindigkeit u _s nach Gl. (11) ist es notwen¬ dig, die Zeitspanne t ₂ - t- _j _ zwischen der Ablösung der letzten Blase vor der Unterbrechung oder wahlweise der ersten Blase nach der Wiederinbetriebnahme von den bla¬ senerzeugenden Diffusoren 1 und dem Erreichen der Was¬ seroberfläche 13 sowie der Wassertiefe w zu ermitteln.

In Gl. (11) bedeuten u _s - die aktuelle Steiggeschwindigkeit der Blasen, also der zu bestimmende Wert, w - der vertikale Abstand zwischen Ablösepunkt am Diffu¬ sor 1 und Wasseroberfläche 13 im definierten Teilaus¬ schnitt der elektronischen Kamera 5; diese Größe wird je nach Einsatzort von einem geeigneten Meßgerät (z.B. Präzisionspegel, Ultraschallsonde usw.) gemes¬ sen, t ₁ ~ der Zeitpunkt der Unterbrechung der Druckluftversor¬ gung bzw. wahlweise der WiederInbetriebnahme der Druckluftversorgung; diese Größe wird durch die elek¬ tronische Auswerteeinheit registriert, t ₂ - der Zeitpunkt des Auftauchens der letzten bzw. wahl¬ weise der ersten Blase in einem variablen Kalibrier¬ ausschnitt des Kamerabildes; diese Größe wird mit Hilfe der digitalen Bildverarbeitungseinheit 10 und entsprechender Software ermittelt.

Mit der digitalen Bildverarbeitungseinheit 10 kann die mit einer Kamera 5 erfaßte Abdrift der Luftblasen 12 so weiterverarbeitet werden, daß der Abfluß durch den Flie߬ querschnitt unmittelbar bestimmt werden kann.

Das an der Blasengrenzfläche reflektierte Licht liefert eine Helligkeitsinformation an der Oberfläche 13, über deren Grauwertbereich die Lage der Luftblasen 12 erfaßt und die Koordinaten der Blasen im Bildausschnitt nach vorgegebenen Kategorien rechnergestützt ermittelt werden.

Zum Auffinden der Luftblasen 12 in einem Bild der Ober¬ fläche 13 ist eine komplexe Verarbeitungsfolge notwendig. Der Algorithmus zur Erkennung der Luftblasen 12 auf der Oberfläche 13 setzt sich neben Funktionen der System¬ initialisierung, der Look-Up-Tabellen-Operationen, der Bildaufnahme- und Bildspeicherungsfunktionen vor allem aus Filteroperationen zusammen.

Nach dieser Vorverarbeitung werden die Merkmale des Bil¬ des (Fläche und Koordinaten des Schwerpunktes der Luft¬ blasen 12) extrahiert, statistisch aufbereitet und ausge¬ wertet. Alle Koordinaten der erkannten Blasen fallen in den begrenzten Wertebereich, der vom Bildausschnitt der Kamera 5 festgelegt wird. Dieser Wertebereich wird in eine Anzahl konstanter Intervalle unterteilt. Jedes In¬ tervall bildet eine Klasse, wobei die Klassenbreite die Auflösung der Abdrift bestimmt. Alle Abdrift-Meßergeb¬ nisse (x-Koordinaten der Blasen) werden den einzelnen Klassen zugeordnet und es wird die relative Häufigkeit ermittelt.

Statistische Maßzahlen der Häufigkeitsverteilung sind der Mittelwert und die Schiefe, da sich die Blasen durch die Strömungsgeschwindigkeit an der Oberfläche 13 oder durch

eine windinduzierte Oberflächenströmung asymmetrisch um den Mittelwert verteilen können. Dabei kann zwischen po¬ sitiver und negativer Schiefe unterschieden werden. Da die statistischen Maßzahlen von der Blasenzahl abhängen, wird der Streubereich durch eine Überlagerung mehrerer Bilder verringert.

Nach dem Herausfiltern eines Grundrauschens (Schwellen¬ wert) , das durch das Geschwemmsei oder durch Spiegelungen an der Wasseroberfläche hervorgerufen wird, kann nun an¬ hand des Mittelwertes und der Schiefe der Häufigkeits¬ verteilung die Abdrift der Blasen eindeutig bestimmt wer¬ den.

Ist die Abdrift der Blasen und damit die Blasenaustritts¬ spur im Beobachtungsfenster der Video-Kamera 5 ermittelt, berechnet sich der Gesamtabfluß nach Gl. (7) . Die erfin¬ dungsgemäße Messung ist mit hoher zeitlicher Auflösung möglich.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Anwendungsbeispiel der erfin¬ dungsgemäßen Anordnung bzw. des erfindungsgemäßen Verfah¬ rens im Bereich einer Brücke. Dargestellt ist ein Teil¬ querschnitt, in dem der mittels eines Pfeilers 16 auf ei¬ nem Fundament 17 gehaltene Brückenträger 15 zu erkennen ist. An dem Brückenträger 15 ist die Kamera 5, beispiels¬ weise eine CCD-Kamera, angeordnet. Das Gerinne 14 mit der Oberfläche 13 und der Sohle 8 weist eine geringe und zugleich zeitweise schwankende Fließgeschwindigkeit auf. Herkömmliche Meßmethoden zur Bestimmung der Fließge¬ schwindigkeit bzw. des Abflusses, wie z.B. Flügel- oder Schwimmermessungen, bereiten in Gerinnen mit sehr gerin¬ gen Fließgeschwindigkeiten erhebliche Schwierigkeiten. Nimmt z.B. der Abfluß in einem Gerinne extrem ab, kann es dazu kommen, daß die mittlere Fließgeschwindigkeit unter

10 mm/s sinkt. Ein Beispiel hierfür ist der Abfluß der Spree in den Sommermonaten. Bei einem Fließquerschnitt mit einer Breite von ca. 60 m und einer Wassertiefe von ca. 2,3 m stellt sich eine mittlere Fließgeschwindigkeit von 3,625 mm/s ein. Dieser Geschwindigkeitswert läßt sich mit herkömmlichen Meßmethoden nicht erfassen, ebenso wie der dabei vorliegende Abfluß.

Wie sich in dem in Fig. 7 dargestellten Beispiel heraus¬ gestellt hat, ist die Abflußmessung mittels Luftblasen 12 ein geeignetes Verfahren, um den Abfluß unmittelbar und genau zu ermitteln. Die Messung wurde im Fließquerschnitt unter einer Brücke vorgenommen. Die Gleichmäßigkeit des Fließquerschnittes erlaubte es, sich auf die Abflußmes¬ sung an den Brückenpfeilern 16 zu beschränken. Um eine Verfälschung der Meßergebnisse durch Grenzschichtentwick¬ lung am Brückenpfeiler 16 bzw. dessen Fundament 17 zu vermeiden, wurden jeweils Reihen der erfindungsgemäßen Diffusoren 1 in einem Diffusorenhalter 2 an der Sohle 8 installiert, die 3,0 m in den Fließquerschnitt hineinrag¬ ten (Fig. 7) . Der Diffusorenhalter 2 wurde mittels einer Haltevorrichtung 19 an dem Pfeiler 16 befestigt. Die Druckluftleitung 3 und die daran angeschlossene Druck¬ luftversorgungseinheit 4 sowie die digitale Bildverarbei¬ tungseinheit 10 sind in der Fig. 7 nicht dargestellt. Die Kamera 5 ist mittels der Signalableitung 18 an die digi¬ tale Bildverarbeitungseinheit 10 angeschlossen.

Beim Aufsteigen einer Luftblase 12 von der Sohle 8 wird sie an jeder Stelle um einen Betrag in Strömungsrichtung abgetrieben, der der lokalen Fließgeschwindigkeit an die¬ ser Stelle entspricht. Die horizontale Abdrift, die sie vom Startpunkt an der Sohle 8 bis zur Oberfläche 13 zu¬ rückgelegt hat, multipliziert mit der Aufstiegsgeschwin¬ digkeit u _s der Luftblasen 12 entspricht genau dem Abfluß

in einem der Blasenspur entsprechenden Streifen des Fließquerschnitts. Zur Ermittlung des Gesamtabflusses wurde das Bild der an die Oberfläche 13 aufgestiegenen Luftblasen 12 mit Hilfe einer Kamera 5 aufgenommen, in der die Bilddaten in elektrische Signale mit Halbleiter- Bildsensoren umgesetzt und nachfolgend in einem an die Kamera 5 angeschlossenen Mikroprozessor, der in der Zeichnung nicht dargestellt ist, digital verarbeitet. Die Kombination der Integration der Fließgeschwindigkeit mit¬ tels aufsteigender Luftblasen 12 und der digitalen Bild¬ verarbeitung ermöglichte somit eine kontinuierliche, di¬ rekte Abflußmessung mit hoher zeitlicher Auflösung und Genauigkeit.

Die Figuren 8 bis 10 zeigen Diffusoren 1, mit denen in Flüssigkeiten Gasblasen, insbesondere Luftblasen 12 in Wasser, hinsichtlich ihrer Größe und zeitlichen Abfolge absolut gleichmäßig erzeugt werden können, um auf diese Weise Gasblasen als Meßmedium für das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung des Abflusses zu erzeugen.

Der Diffusor 1 gemäß Fig. 8 weist einen Gaseinlaß 30 mit einer Eintrittsöffnung 31 für die Zuführung des Gases auf. Das Gas tritt an dem Gasauslaß 45 mit der Austritts¬ öffnung 46 unter Bildung von nicht dargestellten Gasbla¬ sen in die Flüssigkeit aus. Der Gaseinlaß 30 ist mit dem Gasauslaß 45 über den Gaskanal 47 verbunden. In dem Gas¬ kanal 47 ist eine als Kanüle 43 mit einem darin einge¬ setzten Draht 44 ausgebildete Drossel 32 angeordnet. Der Durchmesser des Drahtes 44 ist kleiner als der Durchmes¬ ser der Kanüle 43, so daß in dem Zwischenraum zwischen dem Draht 44 und der Kanüle 43 die den Gasstrom dros¬ selnde Drosselöffnung 33 gebildet wird, die sich in die-

sem Fall entlang des Zwischenraumes erstreckt. Die Öff¬ nungsfläche der Drosselöffnung 33 ist gleich der Quer¬ schnittsfläche des Zwischenraumes.

Die Drossel 32 mündet stromabwärts im Bereich des Bodens 35 des Sacklochs 34 in das als zylindrische Bohrung aus¬ gebildete Sackloch 34. Die Einlaßstelle 48, an der das Gas von der Drossel 32 in das Sackloch 34 eintritt, be¬ findet sich in diesem Beispiel nicht unmittelbar am Boden 35 des Sacklochs 34, da die Kanüle 43 etwas in das Sack¬ loch 34 hineinragt. Die Einlaßstelle 48 könnte jedoch auch im Boden 35 des Sacklochs 34 liegen. Das Sackloch 34 erstreckt sich von seinem Boden 35 zu seinem offenen Ende 36 hin in Richtung des Gasauslasses 45. Der Querschnitt des Sacklochs 34 ist größer als die Öffnungsfläche der Drosselöffnung 33, so daß sich an dieser Stelle der für die Strömung des Gases zur Verfügung stehende Querschnitt vergrößert.

Letztes strömungstechnisches Konstruktionselement des Diffusors 1 ist das offene Ende 36 des Sacklochs 34, das die Austrittsöffnung 46 des Gasauslasses 45 bildet. In der Regel ist der Diffusor 1 in der Flüssigkeit so orien¬ tiert, daß die Luftblasen 12 senkrecht nach oben austre¬ ten. Es sind aber auch andere Orientierungen vorstellbar, auch solche, bei denen die Kanüle 43 und das Sackloch 34 einen anderen Winkel als in der Fig. 8 dargestellt zuein¬ ander bilden. Das Sackloch 34 und die Kanüle 43 liegen in einem als Sechskantschraube ausgebildeten Trägerteil 41 aus Polyamid, das an der Außenseite ein Gewinde 42 auf¬ weist.

Die Kanüle 43 besteht aus Edelstahl mit einem Innendurch¬ messer von 0,115 mm und einem Außendurchmesser von 0,68 mm. Der in ihr geführte Draht 44 besteht ebenfalls

aus Edelstahl mit einem Durchmesser von 0,10 mm und ist an der Kanüle 43 durch Anlöten gegen Verschieben gesi¬ chert. Die Kanüle 43 ist 20 mm lang. Die Kanüle 43 und der in ihr geführte Draht 44 ragen, vom Boden 35 des Sacklochs 34 aus gemessen, 2 mm in das Sackloch 34 hin¬ ein. Die Länge der Kanüle 43 innerhalb und außerhalb des Trägerteils 41 beträgt jeweils 9 mm.

Das als Sechskantschraube ausgebildete Trägerteil 41 hat eine Gesamtlänge von 24 mm, wobei der Schaft 20 mm und der Kopf 4 mm lang ist. Das Sackloch 34 ist 14 mm tief, sein Durchmesser beträgt 2 mm. Aus einem Druckluftversor¬ gungssystem tritt die Luft oder das Gas durch den Gasein¬ laß 30 in den Gaskanal 47 des Diffusor 1 ein. Durch den an dem Gaseinlaß 30 anliegenden Betriebsdruck und dem ge¬ ringeren äußeren hydrostatischen Druck der Flüssigkeit ergibt sich eine Druckdifferenz, aufgrund der sich Gas¬ blasen bilden, die am Gasauslaß 45 in die Flüssigkeit austreten.

In Fig. 9 ist ein abgewandelter Diffusor 1 dargestellt. Er unterscheidet sich von dem Diffusor 1 gemäß Fig. 8 durch eine zusätzlich in dem Diffusor 1 ausgebildete, zy¬ lindrische Expansionsvertiefung 38. Das innere Ende 39 und das äußere Ende 40 der Expansionsvertiefung 38 haben einen Durchmesser von 3 mm. Die Expansionsvertiefung 38 ist 4 mm lang. Das Sackloch 34 ist deshalb um diese 4 mm kürzer als bei dem Diffusor 1 gemäß Fig. 8; die übrigen Abmessungen sind gleich. Das äußere Ende 40 der Expansi¬ onsvertiefung 38 bildet die Austrittsöffnung 46.

Die Fig. 10 zeigt eine weiter abgewandelte Ausbildung des Diffusors 1. Er unterscheidet sich von dem Diffusor gemäß Fig. 8 durch eine zusätzlich in dem Diffusor 1 ausgebil-

dete, konische Expansionsvertiefung 38. Die konische Ex¬ pansionsvertiefung 38 hat einen Durchmesser von 3 mm am äußeren Ende 40 und einen Durchmesser von 2 mm am inneren Ende 39, der dem Durchmesser des Sacklochs 34 entspricht. Die konische Expansionsvertiefung 38 ist 1 mm lang. Das Sackloch 34 ist dadurch um 1 mm gegenüber der Ausfüh¬ rungsform der Fig. 8 verkürzt; die übrigen Abmessungen stimmen mit denen des Diffusors 1 gemäß Fig. 8 überein. Das äußere Ende 40 der Expansionsvertiefung 38 bildet die Austrittsöffnung 46.