Wie schon in vorhergehenden Ausführungen beschrieben wurde, wird bei Sonarvermessungen zur Entfernungsbestimmung die Laufzeit eines ausgesandten Sonarimpulses vom Sendeort zum Zielort und zurück gemessen. Soll die Entfernung dieser Wegstrecke ermittelt werden, muss zuvor die Geschwindigkeit im durchlaufenen Medium exakt bekannt sein.
Die meisten weltweit eingesetzten Sonarsysteme enthalten keine Vorrichtung zur Ermittlung der Schallgeschwindigkeit. In diesen Fällen wird die Schallgeschwindigkeit aus Tabellen und Erfahrungswerten abgeschätzt. So wird zum Beispiel in Solekavernen, wo je nach Dichte die Schallgeschwindigkeit zwischen 1740 m/s und 1870 m/s liegt, die Schallgeschwindigkeit mit 1800 m/s angenommen. Der maximale Radienfehler der Entfernung ist proportional zur Abweichung der Schallgeschwindigkeit (-60 m/s bis +70 m/s), was einem Fehler von -3,33% bis +3,88% entspricht. Da dieser Fehler in die Flächen und Volumenbetrachtung quadratisch eingeht, ergibt sich dort ein Fehlerbereich von -11,09% bis +15,05%. |
| Sonarsonden vom Typ EDO WESTERN verfügen über ein integriertes Schallgeschwindigkeitsmodul, das nach dem "Swing-around-Prinzip" arbeitet. Beim Swing-around sendet ein Schallgeber - in diesem Fall mit einer Frequenz von 1 MHz - in langsamer, kontinuierlicher Folge Schallimpulse aus. Diese Schallimpulse werden über zwei 45º-Flächen umgelenkt und gelangen auf einen getrennten Empfangswandler. Die dem Empfangswandler nachgeschaltete Elektronik verstärkt den Schallimpuls und sendet ihn erneut über den Sendewandler ab. Es ergibt sich eine kontinuierliche Schwingung, die in der Ablaufzeit der zurückgelegten Wegstrecke entspricht. Systemlaufzeiten in der Elektronik und sich ergebende Phasenfehler können nicht berücksichtigt werden. Das System arbeitet in der Regel mit Auflösungen von 5 m/s. Durch den in der Sonde gekapselten Aufbau ergibt sich nur ein mäßiger Medienaustausch, wodurch Ablagerungen, die die Wegstrecke erheblich beeinflussen können, nicht ausreichend verhindert werden. Die Referenzstrecke, ein maßgeblicher Faktor für die Genauigkeit, beträgt nur ca. 20 cm. Dopplereffekte durch die Eigenbewegung der Sonde während einer Logfahrt wären durch den Signalweg, auf- und absteigend, kompensiert. Die Durchführung von Logfahrten ist bei diesem System aber nicht vorgesehen; es werden lediglich für die einzelnen Messtiefen zugehörige Schallgeschwindigkeitswerte ermittelt. | 
Schallgeschwindkeitsmodul nach dem Swing-around-Prinzip |
Das SOCON BSE-Schallgeschwindigkeitsmodul besteht aus einem kompensierten, mehrstufigen System mit Differenzausgleich und ist modularer Bestandteil der BSE-Sonden. Von einem Ultraschallsende- und Empfangswandler werden an das Medium angepasste Schallimpulse in programmierbaren Sende- und Empfangszyklen ausgesandt. Die Schallimpulse treffen dabei auf zwei räumlich versetzte Reflektoren, die Echoantworten erzeugen.
Um einen guten Medienaustausch im Bereich der Messstrecke zu erreichen, ist das System nach außen hin offen, d. h. frei vom Medium umspült. Da sich bei solchen System aber zwangsläufig Ablagerungen auf den Reflektoren bilden, die die Messung verfälschen würden, werden diese nur auf ihren Unterseiten genutzt, d. h. die Schallimpulse werden von unten nach oben gesendet. Jede Antwort enthält den Hin- und Rückweg und schließt somit Dopplereffekte durch Messfahrten aus.
Neben den beiden Laufzeiten bis zu den Reflektoren (tkurz und tlang), lässt sich auch die Differenz der beiden Laufzeiten (tdiff) als Laufzeit zwischen den Reflektoren nutzen. |
Eingebaute Mikroprozessoren und Softwareroutinen ermitteln für jede der drei Referenzstrecken die Schallgeschwindigkeit und führen eine Fehlerbetrachtung durch. Die elektronisch bedingten Fehleranteile wie Systemverzögerungen, die nur in den Strecken "lang" und "kurz" enthalten sind, entfallen für die Differenzstrecke. Es verbleibt lediglich ein systemunabhängiger Fehler, der bedingt durch das Auswerteverfahren verbleibende Phasenfehler enthalten kann, die durch Mikroprozessoren und Software kompensiert werden. Unterschiede oder Abweichungen zwischen den Sonden werden von der Software berücksichtigt. Die Software fragt dazu jede Sensoreinheit auf Seriennummer und Eigenschaften ab und verwendet dann die zugehörige Kalibriertabelle. Dieses Verfahren wird für alle in SOCON-Sonden eingesetzten Sensoren angewendet.
Um eine möglichst hohe Genauigkeit zu erhalten, hat die Messstrecke eine Länge von 50 cm und arbeitet mit einer zeitlichen Auflösung von 10 ns. Bei einer Schallgeschwindigkeit von z. B. 1800 m/s und einer Laufzeit von 277 ms für tlang ergeben sich somit ausreichend lange Laufzeiten, um exakte und reproduzierbare Daten zu liefern. Das System zeichnet sich durch eine Auflösung von < 0,1 m/s und einer reproduzierbaren Genauigkeit von ≤ 0,4 m/s aus. Kontinuierliche Messfahrten über den gesamten Kavernenbereich und in allen Medien - von Gas, Öl bis Sole - sind Bestandteil und Voraussetzung für Vermessungen. | 
SOCON - BSE - Schallgeschwindigkeitsmodul mit Differenzausgleich |
Trotz der Einhaltung aller Genauigkeitsmaßstäbe (alles ist nur so gut wie das schwächste Glied in der Kette) bleiben Einflüsse, die nur bedingt erfasst und berücksichtigt werden können. So kann die Schallgeschwindigkeit mit einem angemessenen Aufwand nur in der Messachse ermittelt werden. Medien mit inhomogener Konzentrationsverteilung zwischen Messachse und Kavernenwand beeinflussen aber die Messgenauigkeit.
In Solekavernen nimmt die Konzentration zur Kavernenwand zu, ein Umstand, der die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schallimpuls zur Vermessung bei Annäherung an die Kavernenwand zunehmen lässt und somit eine kürzere Laufzeit und damit eine zu kurz gemessene Entfernung zur Folge hat.
Dieser Effekt lässt sich korrigieren, indem man in einer Kaverne ein PROFIL-LOG mit horizontal ausgerichtetem Wandler und anschließend ein PROFIL-LOG mit 45 Grad geneigtem Messwandler fährt. Auf diese Weise erhält man für einen Punkt der Kavernenwand unterschiedliche Entfernungen. Mit den daraus abzuleitenden Kompensationswerten kann dann eine entfernungsabhängige Korrektur durchgeführt werden. | 
Strahlbeugung bzw. scheinbare Verkürzung der Laufzeit bedingt durch Schallgeschwindigkeitszunahme zur Kavernenwand hin |
| Aus den Erfahrungen über Jahrzehnte erfolgt in der Regel eine wesentliche Konzentrationszunahme nur auf den letzten Metern vor der Kavernenwand, so dass dieser Fehler auch ohne Kompensation relativ klein bleibt. Dennoch bleibt festzuhalten, dass speziell in solebefüllten Kavernen ohne Kompensation zu kleine Werte, in der Regel ca. 4 Millimeter pro Meter, gemessen werden. |
| Ein weiteres Phänomen der Messwertbeeinflussung durch Konzentrationszunahme stellt die Strahlablenkung eines gekippten Messstrahls dar. Je nach Konzentrationszunahme beugt sich der Kippstrahl vom angenommenen geradlinigen Strahlenverlauf. Dies führt dazu, dass man im Dachbereich den Messwert in einem steileren Strahlenverlauf erfasst und zu tief darstellt. Das Dach hängt deshalb scheinbar herab. | 
Strahlablenkung aufgrund von Sole- konzentrationsänderungen führt ohne Korrektur zu einem "hängenden Dach" |
Im Bodenbereich stellt sich demzufolge ein flacher werdender Kippwinkel ein, der zu einer scheinbaren Anhebung des Bodens führt. Aus diesem Grund ist auf eine Optimierung der Kipptiefen und den sich daraus ergebenden Kippwinkeln zu achten.
Die Untersuchungen eines Kunden in einer Kaverne mit einem ebenen Dach (Blanket war Luft) haben nach erfolgter Vermessung und Überprüfung durch Ablassen der Sole und Vermessung des Daches mit markscheiderischen Messverfahren ein "Hängen" des Daches von 0,3 Meter auf 60 Meter Entfernung ergeben. Um hier die Genauigkeit zu steigern, ist die Anbringung eines Korrekturwertes erforderlich.
In Gas und Ölkavernen liegen die vorgenannten Probleme nicht vor. In Ölkavernen sind jedoch Schichtungen mit unterschiedlichen Ölsorten zu beachten, während sich in Gaskavernen die Dichte und damit der Druck und die Schallgeschwindigkeit linear mit zunehmender Tiefe erhöhen. |
Durch die Aufnahme von Logs im Zusammenhang mit einer Sonarvermessung wie Schallgeschwindigkeit, Druck, CCL, Temperatur etc. sind Problemzonen erkennbar und können entsprechend beachtet werden!
Durch die Informationen aus den Logaufnahmen wird der Messablauf optimiert und gezielt an die Aufgabenstellung angepasst! |
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BCS Value microC (Generation 4)
Rekonstruktion des Verlaufs nichtzugänglicher Altbergbaubereiche