DD140324A3 - Vorrichtung und verfahren zur entnahme von bodenluft - Google Patents

Description

j&nwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung stellt ein Verfahren für die Entnahme von Proben von Medien aus dem Boden und aus Flüssigkeiten dar, bei deren Einsatz alle möglichen bei der Probenahme auftretenden Störeffekte eleminiert bzw. unterdrückt werden. Der Einsatz ist sowohl Übertage als auch Untertage möglich.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannt sind Verfahren, bei denen Sonden mit zumeist sehr großem Durchmesser eingesetzt werden. Durch den großen Durchmesser treten verstärkte Turbolenzen auf, so daß nicht bekannt ist, ob ein Vermischen des Probengases mit dem Totvolumengas stattgefunden hat oder nicht. Bei einem anderen bekannten Gerät (AS 16234-43 vom 8.6.67 - Verfahren und Einrichtung zur Gasvermessung - Erfinder Richard Frommholz) wird das Totvolumen vor der Messung mit einer Flüssigkeit, vorzugsweise entgastem Wasser, gefüllt. Das setzt voraus, · daß dementsprechende Flüssigkeiten im Feldbetrieb bereitgestellt werden und bedingt durch das Füllen ein Zeitverlust in Kauf genommen wird. Ein weiterer Nachteil, der sich unmittelbar auf das Meßergebnis negativ auswirkt besteht darin, daß bei der Verwendung von Flüssigkeiten die Innenwandung des Gerätes benetzt bleibt, wodurch eine verstärkte Sorbtion "ah den Wandungen auftritt. Die Verwendung von Flüssigkeiten, speziell Wasser, verhindert den Einsatz des Gerätes bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt. Es ist außerdem ein weiteres Gerät bekannt (US-Pat. 334-34-21 Erf. Forrel L. Miller), das mit einer beliebigen Vakuum-

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pumpe gekoppelt wird. Dieses Gerät besteht aus zwei Vakuumkammern, die mit dem übrigen Gerät eine konstruktive Einheit bilden. Bei der Austreibung des Probengases zur Analyse in ein anderes Gerät wird ein zweites Gas verwendet. Dabei ist nicht gewährleistet, daß das Probengas restlos aus der betreffenden Vakuumkammer ausgetrieben wird. Damit besteht die Gefahr, daß zurückgebliebene Gasreste das Meßergebnis des nachfolgenden Probenahmepunktes verfälschen. Besonders nachteilig ist dabei, daß das Gerät erst nach Durchführung der Analyse wieder für eine erneute Probenahme einsatzbereit ist.

Ziel der Erfindung

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt erstens in dem zeitsparenden Verfahren. In Veröffentlichungen, die dem bereits bekannten Stand der Technik entsprechen, werden Meßleistungen von etwa 20 Messungen pro Tag angegeben. Mit dem Verfahren nach der erfindungsgemäßen Lösung sind in Abhängigkeit von den Meßpunktentfernungen bis 40 Messungen pro Stunde möglich.

Durch das weitestgehende Ausschalten von Störeffekten wie z. B. das nicht vollständige Füllen der Probenahmegefäße oder das Verschleppen anomaler Konzentrationen auf den FoI-gemeßpunkt, wird eine wesentliche Erhöhung der Probenqualität erreicht.

Durch das Vorliegen von zwei identisch gleichen Proben wird bei auftretenden Analysenfehlern im Labor der Verlust von Probenmaterial vermieden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Es besteht die Aufgabe, ein Verfahren zu entwickeln, das garantiert, daß die entscheidenden Mängel, das nicht voll- ständige Füllen der Probenahmegefäße und das Verschleppen anomaler Konzentrationen auf den Folgemeßpunkt vermieden werden.

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Diese .Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Probengefäße vor" der Füllung mit Bodenluft mit einem inerten Gas, vorzugsweise Stickstoff, gespült und gefüllt werden und die Evakuierung der Probengefäße durch eine im Gerät befindliehe Vakuumpumpe erfolgt, nachdem die zur Verwendung gelangenden Probengefaße an das Gerät angeschlossen wurden. Das durch den Evakuiervorgang frei werdende inerte Gas wird in einem, ebenfalls im Gerät befindlichen, Gasbehälter zwischengelagert· Danach wird mit der im Gerät befindlichen Druck-Saugpumpe das im Gerätesystem vorhandene Totvolumen beseitigt und dieser Arbeitsschritt durch das Verhältnis von Pumpenvolumen zu Totvolumen in den nächsten Schritt, dem Ansaugen der Bodenluft, d, h., der Probenahme übergeleitet.

Kann, durch die geplogische Situation bedingt, eine vollständige Fällung der Probengefäße nicht erreicht werden, so ist, um trotzdem eine vollständige Füllung zu erzielen, eine definierte Zugabe inerten Gases aus dem Gasbehälter möglich. Nach der Probenentnahme werden mit der bereits genannten Druck-Saugpumpe 50 ml Stickstoff aus dem Gasbehälter entnommen und das Totvolumen der Vorrichtung gespült und aufgefüllt.

Ausführungsbeispiel

Die zum erfindungsgemäßen Verfahren erforderliche Vorrichtung besteht aus zwei selbständigen Baugruppen. Es sind dies: eine Bodensonde und eine Pumpeneinheit. Beide Baugruppen sind durch zwei flexible Leitungen 7 und 8 miteinander verbunden·

Die nadelartige Bodensonde, deren größter Durchmesser 12 mm beträgt, beherbergt in sich zwei voneinander unabhängige Systeme. Es sind: ein Druck- und ein Saugsystem. Ein sich an einen Sondenkopf 1 anschließender Sondenschaft und eine sich hieran durch eine Rohrmuffe 3 anschließende Druckluftmanschette 4 bilden das Drucksystem der Bodensonds. Durch den Mittelpunkt dieses Systems verläuft axial

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vom Sondenkopf bis in eine Saugkammer einer Sonden spitze 5 eine Kanüle 6. Die als Grobfilter ausgebildete Saugkammer enthält 16 radial angeordnete 1 mm Bohrungen· Eine Feinfilterung übernimmt ein in die Saugkammer einschraubbares Schlitzfilter mit einer Schlitzweite - 0,05 mm.

In der Baugruppe Pumpen einheit ist wiederum ein voneinander unabhängiges Druck- und ein Saugsystem vorhanden. Zu diesen beiden kommt ein drittes, ein Speichersystem, welches zur Aufnahme und Abgabe eines inerten Gases dient

Das Drucksystem setzt sich aus einem Anschlußstutzen 9»

einem Ventil 10, einem Druckmanometer 11, einer Druck-Saugpumpe 12 und den dazugehörenden Verbindungsleitungen 25 bis

27 und 37 zusammen.

Zum Saugsystem gehören: ein Anschluß stutz en 13, ein Gashahn Ί5 14, eine Druck-Saugpumpe 15» ein Anschlußstück für Probenbehälter 16, zwei Probenbehälter 17» ein Ventil 18, ein . Unterdruckmanometer 19 und eine Vakuumpumpe 20 mit Rückholfeder 21 sowie ein Fußbügel 22 und den Verbindungsleitungen"

28 bis 33.

Das Speichersystem wird von einem Gashahn 23» einem Gasbehälter mit einer Füllgradanzeige 24 und den Verbindungsleitungen 34 bis 36 gebildet.

Um ein neutrales Verhalten der Bodensonde und der Pumpeneinheit gegenüber den Bodengasen und einem Spülmittel, vorzugsweise 10%ige Salpetersäure, zu gewährleisten, sind

alle Bauteile, die mit diesen Substanzen in Berührung kommen, vorzugsweise aus säurebeständigen Stählen, hergestellt, Alle Dichtungen, d. h, Kolbenmanschetten und Anschlußdichtungen, sind vorzugsweise aus Teflon, die flexiblen Verbindungsleitungen vorzugsweise aus Silikongummi gefertigt.

Durch den Einsatz der oben genannten Materialien wird ein fettfreies Arbeiten der Pumpeneinheit ermöglicht

Die eingesetzten Gashähne 14 und 23 gestatten jeweils 4 Schaltstellungen, welche in Figur 2 dargestellt sind.

Das Anschlußteil 16 ist als Gasteiler ausgebildet, und es

gestattet durch Steckverbindungen ein schnelles Auswechseln der Gassammeigefäße 17, welche vorzugsweise aus Glas herge-

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stellt sind·

Die mit inertem Gas gefüllte Bodensönde wird in eine vorgefertigte Flachbohrung mit einem Durchmesser von 14 mm bis 16 mm bis auf die Bohrlochsohle eingeführt. Mit Hilfe der Druck-Saugpumpe 12 wird bei der Stellung C des Gashahnes 23 die Druckmanschette 4 der Bodensönde auf 0,8 at bis 1,0 at mit atmosphärischer Luft aufgeblasen,. Bei der Stellung D des gleichen Gashahns besteht die Möglichkeit, den Packer mit inertem Gas zu füllen.

Nachdem die mit inertem Gas gefüllten gleich großen Probenbehälter durch die Steckverbindungen des Gasteilers 16 mit der Vorrichtung verbunden sind, werden diese bei den Hahnstellungen 14· A und 23 A evakuiert. Dieses geschieht durch mehrmaliges Betätigen der Vakuumpumpe 20 mit Hilfe des Fußbügeis 22. Bei denr Evakuiervorgang gelangt das neutrale Gas in den Gasbehälter 24. Ist dieser vollständig gefüllt, der Evakuiervorgang aber noch nicht beendet, wird der Gashahn 23 in Stellung B gebracht, und das Gas gelangt über diesen Weg in die Atmosphäre. Den Grad des vorhandenen Vakuums zeigt das Manometer 19 an.

Der nächstfolgende Arbeitsschritt entfernt mit Hilfe der Druck-Saugpumpe das im System vorhandene Totvolumen. Da das Pumpenvolumen auf 50 ml ausgelegt ist, das Totvolumen aber nicht mehr als 10 ml beträgt, wird beim letztgenannten Arbeitsgang bereits Bodenluft mitgezogen, so daß am Gashahn 14 Bodenluft anliegt. Hiermit ist die Bereitschaft zur Entnahme von Bodenluft zum Analysenzweck er- . reicht« . ^v '

Nach Betätigen des Gashahnes 14 in Stellung B strömt die Bodenluft gleichmäßig in beide Probenbehälter 17» wodurch gewährleistet wird, daß zwei identische Proben vorhanden sind, demzufolge auch die Möglichkeit einer Doppelbestimmung vorhanden ist. Der Millvorgang der Probengefäße wird mit Hilfe des Manometers 19 kontrolliert. Sind die Gassammelgefäße vollständig gefüllt, wird der Gashahn in seine Ausgangsstellung A zurückgeführt. Nachdem die Sammelbehälter verschlossen und vom Gerät entfernt sind, ist die Probe-

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nahm© beendet.

In der Feldpraxis zeigt sich, daß nicht immer eine genügend große Menge Bodengas zum vollständigen Füllen der Probenbehälter vorhanden ist· Tritt dieser genannte Fall auf, wird der Hahn 14·' in Stellung C gedreht und den Eroben ein inertes Gas zugegeben. Die zugeführte Gasmenge zeigt ein Maßband des Gasbehälters 24- an.

Nachdem die Probenahme beendet ist, wird durch einen Druckknopf am Ventil 10 die Druckluft des Packers abgelassen und die Sonde¹ aus der Bohrung gezogen.

Die Pumpe 15 wird durch Hereindrücken des Kolbens entleert. Danach der Gashahn 14- auf die Stellung D gebracht und mit derselben Pumpe inertes Gas aus der Gaskammer 24- entnommen. Nachdem der Hahn in die Stellung A zurückgeführt ist, wird

15. das entnommene Gas wiederum durch Hereindrücken des Kolbens über die Sonde an die Atmosphäre abgegeben. Durch diesen Arbeitsgang erfolgte das Spülen und Füllen des Systems mit nichtreagierendem Gas

Bei Verdacht auf gröbere Verunreinigungen des Entnahmesystems durch kw-haltige Substanzen kann dieses auch mit einem flüssigem Spülmittel, vorzugsweise 10%ige HNO-, gereinigt werden. Hierfür sind folgende Bedienungsschritte durchzuführen: Anschließen von GasSammelbehältern und evakuieren dieser wie bereits oben genannt. Eintauchen der Sondenspitze in ein Säurebad und'Gashahn 14- in Stellung B bringen. Sind etwa 50 ml - 60 ml Säure angesaugt, Hahn in Stellung A und Sonde in ein Wasserbad tauchen. Hahn wiederum in Stellung B drehen und Ansaugen einer etwa gleich großen Wassermenge. Herausnahme der Sonde aus dem Wasserbad und Nachsaugen von atmosphärischer Luft. Danach wird der bereits oben genannte Vorgang "Spülen und Füllen" des Systems mit inertem Gas durchgeführt.

Durch die beschriebenen Arbeitsgänge Spülen mit Gas und Flüssigkeit wird ein Verschleppen anomaler Konzentrationen der Bodenluft auf den Folgemeßpunkt ausgeschlossen.

Mit den Arbeitsschritten, die zum Spülen der Sonde mit Flüssigkeit genannt sind, ist prinzipiell auch die Entnahme

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von Wasserproben aus Flachbohrungen, Brunnen und offenen Wasserhaltungen erklärt.

Während mit der Vorrichtung Bodenluft.auch bei Minustemperaturen entnommen werden kann,, ist die Wasserentnahme nur 5> bei Temperaturen über dem Gefrierpunkt möglich.

Die Anwendung des Gerätes ist aus der vorangegangenen Punktionsbeschreibung anhand der Figuren 1,2 und 3 zu entnehmen

Die Realisierung der erfindungsgemäßen Lösungen wurde in Form eines möglichst schlanken aufrecht stehenden Gerätes vorgenommen. Die Höhe des Gerätes wurde so bemessen, daß ein Arbeiten in gebückter Haltung entfällt. Das Gewicht des Gerätes wurde im Interesse einer leichten Transportierbarkeit auf knapp 12 kg beschränkte Die durch flexible Leitungen*mit dem Gerät verbundene Sonde ist auch gegen- andere Sonden austauschbar. Damit kann auch eine Verbindung zu Rammsonden hergestellt werden. Der Einsatz des Gerätes ist damit unter allen Oberflächenbedingungen möglich. Ebenfalls ist der Einsatz auch Unter-

20' tage auch bei schräg nach oben sowie horizontal verlaufenden Bohrungen möglich.

Das Einsatzgebiet erstreckt sich auf geophysikalische, geothemische Erkundung.

Claims (3)

; -β- 1981 16 Erfindungsanspruch

1· Verfahren zur Entnahme von Bodenluft mit einer Sonde und Probenahmegefäßen, die vor der Probenahme evakuiert werden und einem Trägergas als Spülmittel, dadurch gekennzeichnet, daß bereits vor der Eatnahme die Füllung der Probenahmegefäße mit einem inerten Gas erfolgt, daß dieses inerte Gas beim Evakuiervorgang zwischengelagert, im gegebenen Fall zum definierten Auffüllen der Probenahmegefäße und außerdem zum Spülen und Füllen der Teile des Gerätes und der Sonde, die von den Entnahmemedien berührt werden, verwendet wird.

2· Vorrichtung zum Verfahren gemäß Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß"ein im Gerät fest installierter Gasbehälter· zur Zwischenspeicherung eines inerten Gases dient.

3· Vorrichtung zum Verfahren gemäß Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probeentnahmemedien auch Flüssigkeiten sein können.

Hierzu_JL_$eiten Zeichnungen