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10-2020

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Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Messtechnik Pegelmessung

Messtechnik Pegelmessung goes IoT Vom Nilometer zur automatischen Alarmierung: die Historie der Pegelmessung ports auf dem Wasserweg und Besiedlung von Gebieten in potenziellen Überschwemmungsgebieten, kam der hydrologischen Datenerfassung immer mehr Bedeutung zu. Zudem rückte immer mehr die Grundwasser messung in den Vordergrund. Hier aber nicht nur um die Grundwasser reserven für die Trinkwasser gewinnung zu ermitteln, sondern auch um z. B. in Deponien die Altlasten zu überwachen. Aktuell und zuverlässig: was moderne Pegelsysteme heute leisten müssen ACS-CONTROL-SYSTEM GmbH info@acs-controlsystem.de www.acs-controlsystem.de Die Messung von Wasserständen reicht lange zurück. Bereits die alten Ägypter haben mit mehreren Nilometern den Pegelstand am Nil gemessen, um diese Informationen bei der Bewirtschaftung ihrer Felder zu nutzen. In Europa kamen Pegelmessungen an Fließgewässern im Hochmittel alter auf, als sich das vorindustrielle Mühlenwesen entwickelte und die Wasserentnahme einer rechtlichen Grundlage bedurfte. Während früher die Daten noch vor Ort „per Hand“ von Mitarbeitern ermittelt, aufgezeichnet und weitergeleitet wurden, haben sich mit den Jahren immer mehr „automatische“ Systeme durchgesetzt. Die manuelle Ermittlung des Wasserpegels vor Ort blieb aber trotzdem lange Zeit das Standardverfahren und ist auch heute noch an sehr vielen Messstellen anzutreffen. Durch die zunehmende Industrialisierung, Ausbau des Gütertrans- Wurde früher vor allem ein Augenmerk auf die Hochwasserfrüherkennung und Alarmierung gelegt, haben uns gerade die Dürrejahre 2018/2019 das andere Extrem vor Augen geführt. Hier kam zu weiten Teilen der Gütertransport auf den Binnengewässern zum Erliegen. Auch weitreichende ökologische Auswirkungen, wie z. B. Fisch sterben in Folge des Wassermangels und Trinkwasserknappheit in einigen Gemeinden konnten beobachtet werden. Das öffentliche und mediale Interesse steigt natürlich in solchen Zeiten extrem an. Hier ist es dann wichtig gegenüber der Öffentlichkeit verlässliche Messwerte zur Ver fügung stellen zu können. Gerade in Zeiten des Klimawandels mit seinen Wetterextremen wie Stark niederschlägen und Hitzeperioden können gut funktionierende Alarm systeme zum Teil lebensrettend sein. Wichtig dabei ist, dass den zuständigen Behörden und der breiten Öffentlichkeit verlässliche und geprüfte Daten in kürzester Zeit zur Verfügung stehen. Dies geschieht heute schon zum Teil über WEB-Plattformen wie z. B. der Hochwasser nachrichtendienst oder die Plattform „Mein Pegel“. Auf der amtlichen Wasserstandsund Hochwasser-App „Mein Pegel“ laufen zur Zeit ca. 2500 Pegel aus ganz Deutschland auf. Die Herausforderung hierbei ist, die Messwerte innerhalb kurzer Zeit zu aktualisieren und eine hohe Qualität der dargestellten Werte zu gewährleisten. 24 PC & Industrie 10/2020

Messtechnik So sehen moderne Pegelsysteme heute aus Sehr häufig sind heute hydrostatische Sonden mit Datenlogger und Fernübertragungsmodulen im Einsatz. Bei den hydrostatischen Sonden unterscheidet man Systeme mit Absolut- und Relativdruckmessung. Während bei Absolutdrucksensoren immer ein separater Sensor benötigt wird, um den Barometrischen Luftdruck zu messen und diesen dann wieder rechnerisch vom Messwert der Füllstandsonde abzuziehen, wird bei der Relativdruckmessung dieser barometrische Luftdruck über eine Kapillare im Kabel in die Messzelle geführt. Viele Hersteller schützen diese Kapillare vor Kondens wasser indem sie Trockenmittel verwenden. Diese Trockenmittel haben aber den Nachteil, dass der Wartungsaufwand sehr hoch ist, da dieses zyklisch getauscht werden muss. ACS-Control-System geht hier mit seinem neuen Pegelsystem bewusst einen anderen Weg. Durch eine spezielle Luftführung konnte bereits schon beim Vorgängersystem auf dieses Trockenmittel sehr erfolgreich verzichtet werden. Dadurch verringern sich der Wartungsaufwand und die Kosten pro Messstelle erheblich. Verlässliche Messwerte Das Wichtigste sind und bleiben genaue und verlässliche Messwerte. Dies wird mittlerweile von vielen Herstellern durch Verwendung von hochwertigen zum Teil kapazitiven keramischen Messzellen angestrebt. Allerdings ist man hier immer noch auf eine Messwertermittlung alleine angewiesen. Laut Pegelhandbuch des Bundes sind aber wichtige Pegel mit einer Redundanzmessung auszurüsten. Bei etwas weniger wichtigen Pegeln und Grundwassermessstellen wird zumindest eine zyklische Messwertüberprüfung z. B. per Lichtlot gefordert. Gemeinsam ist hier der Gedankenansatz, dass der „primäre“ Messwert durch ein anderes physikalisches Messsystem überprüft wird. In der Praxis wird dies häufig durch separat montierte Radar- oder Ultraschallmessungen realisiert. Da diese Sensoren dann aber meist räumlich entfernt z. B. an Brücken oder Auslegern montiert werden, kann es schnell zu Differenzen zwischen den Messwerten am Druck- und Redundanzsensor kommen. Hervor gerufen z. B. durch Aufstauungen an der Brücke oder auch Windeinfluss auf den Ultraschallsensor. Vorteile der automatischen Redundanzmessung ACS-Control-System hat nun die Vorteile der automatischen Redundanzmessung aufgegriffen und gleichzeitig deren aktuellen Nachteile eliminiert. Dabei ist ein neuartiges innovatives Messsystem herausgekommen, dass bereits zum Patent angemeldet ist. Bei diesem System werden der hydrostatische „Primärsensor“ und die Redundanzmessung in Form einer Laufzeitmessung zusammen in einer Messstelle integriert. Dabei wird in einem Pegelrohr ab 2“ Durchmesser ein Drucksensor wie üblich im Wasser eingetaucht und zudem ein schlanker Ultraschallsensor über den zu erwartendem Höchstwasserstand im gleichen Rohr positioniert. Bei der Messung stellt dann der Drucksensor den Primärwert bereit und nach einem einstellbaren Zyklus, z. B. einmal täglich, wird dann über den Ultraschallsensor ein Referenzwert erzeugt. Diese beiden Werte werden von der Auswertelektronik verglichen. Der Anwender kann im Vorfeld eine maximale Differenz der beiden Messwerte vorwählen, ab der dann eine Alarmierung erfolgt. Dies bietet ein Höchstmaß an Mess wertsicherheit und hat den Vorteil, dass bei Ausfall eines Sensors mit dem Reservewert des zweiten Sensors weitergemessen werden kann. Sparpotenzial Nicht zu unterschätzen ist das immense Sparpotenzial durch Wegfall von häufigen Kontrolllotungen vor Ort. Hier aber nur die Kosten- und die Arbeitszeitersparnis zu betrachten, wäre zu kurz gedacht. Es müssen nicht mehr bei jedem Wetter an einen verschneiten Damm mit der Gefahr ins reißende Wasser abzurutschen Kontrolllotungen durchgeführt werden, was ein großes Plus in Punkto Arbeitssicherheit darstellt. Ein weiterer wichtiger Punkt bei autark arbeitenden Messstellen ist die Spannungsversorgung. Hier sollten möglichst lange Standzeiten der Batterien möglich sein. Fernübertragungsmodul An vielen Orten ist es zudem auch schlecht möglich, die Messstellen mit PV-Modulen auszu rüsten, da ent weder zu wenig Lichteinfall vorherrscht, oder die Gefahr von Vandalismus zu hoch ist. ACS-Control- System hat daher seine beiden Datenlogger mit Fernübertragungsmodul so konzipiert, sodass mit einem optimierten Power management Standzeiten der Lithium batterien bis zu 10 Jahren möglich sind. Zudem hat der Anwender auch die Möglichkeit, die Module mit Akku-Technologie in Verbindung mit einem PV-Moduleingang oder bei vorhandener Spannungsversorgung, mit einem Netzteil zu betreiben. Leicht verbaut und installiert: die Bedienung vor Ort Wichtig ist eine einfache und intuitive Bedienung und Inbetriebnahme der Messstellen vor Ort. Vorbei sind auch die Zeiten, in denen die Anwender bereit waren spezielle herstellergebundene Programmiergeräte mit Spezialkabeln zu erwerben. ACS- Control-System setzt hier auf kontaktlose Low-Power Bluetooth-Schnitt- PC & Industrie 10/2020 25

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