Verlässliche Füllstandsüberwachung im Kohlebergbau

Verlässliche Füllstandsüberwachung im Kohlebergbau

Bergwerke und Tagebaue sind für ihre rauen Arbeitsbedingungen bekannt. Das trifft auch auf die eingesetzte Technik zu. Darum braucht es widerstandsfähige und zuverlässige Messinstrumente zur Überwachung des Grundwassers.

In Australien liegen zehn Prozent des weltweiten Kohlevorkommens. Als führender Kohle-Exporteur ist der Kohlebergbau einer der wichtigsten Wirtschaftsfaktoren des Kontinents. Die Förderung des Rohstoffs ist jedoch nicht ohne Tücken. Die Betreiber eines australischen Kohletagebaus kamen auf STS zu, da sie nach einem Drucktransmitter zur Füllstandsüberwachung in bis zu 400 Meter Tiefe suchten.

Minenarbeiten haben einen starken Einfluss auf das Grundwasser. Die den Kohlebergbau umgebenden Grundwasserleiter werden entwässert, was zum Absinken des Absenkungstrichters führt. Dieses Absinken verändert die natürlichen unterirdischen hydrologischen Bedingungen, indem Wege geringeren Widerstands geschaffen werden. Das führt dazu, dass Wasser in die offene Grube und die unterirdischen Arbeiten eindringt. Daher muss das stetig nachfliessende Wasser kontinuierlich aus dem Tagebau gepumpt werden, um eine reibungslose und sichere Förderung des Rohstoffs zu gewährleisten.

Um den Grundwasserstand und die zur Entwässerung eingesetzten Pumpen zu überwachen, brauchten die Betreiber des Koheltagebaus einen Drucktransmitter zur Überwachung des Füllstands, der ihren Anforderungen entspricht. Gefordert waren ein Druckmessbereich von 0 bis 40 bar (400 mH2O) Umgebungsdruck sowie eine Kabellänge von 400 Metern. Die bis dahin von STS angebotene Lösung, der ATM.ECO/N/EX, kam allerdings nur auf 25 bar und eine Kabellänge von 250 Metern.

Da STS aber auf kundenspezifische Druckmesslösungen spezialisiert ist, stellte diese Herausforderung keine grosse Hürde dar. Kurzerhand wurde der eigensichere Drucktransmitter für Füllstand ATM.1ST/N/Ex entwickelt, der den Druckanforderung genau entspricht und mit einem 400 Meter langen Teflonkabel ausgestattet ist. Auch die Präzision weiss mit 0,1 Prozent zu überzeugen. STS entschied sich bei der Entwicklung des neuen Drucktransmitters für ein Teflonkabel, eine versiegelte Kabelverschraubung und ein offenes Entlüftungsrohr (PUR ist dafür zu weich). Darüber hinaus gibt es ein verschraubbares Ballastgewicht, um eine gerade und stabile Messposition sicherzustellen. Die ebenfalls aufschraubbare Zugentlastung aus Edelstahl hilft dabei, die Spannung auf dem elektrischen Kabel zu entlasten. Wie es die Gerätebezeichnung bereits verrät, verfügt es über die EX-Zertifizierung für den Einsatz in explosionsgefährteten Bereichen.

ATM.1ST/N/Ex mit  Zugentlastung (links) und Ballastgewicht (rechts), jeweils verschraubbar.

Als Experte für kundenspezifische Drucktransmitter konnte STS den ATM.1ST/N/Ex in weniger als drei Wochen liefern.

Die Eigenschaften des ATM.1ST/N/Ex im Überblick:

  • Druckmessbereich: 1…250 mH2O
  • Kennlinie: ≤ ± 0.1 % FS
  • Gesamtfehler: ≤ ± 0.30 %FS (-5…50 °C)
  • Betriebstemperatur: -5…80 °C
  • Mediumtemperatur: -5…80 °C
  • Ausgangssignal: 4…20 mA
  • Materialien: Edelstahl, Titan
  • Elektronische Kompensation
  • Beliebige Prozessanschlüsse erhältlich
Besserer Schutz vor Klimaanomalien mit zuverlässigen Pegelsonden

Besserer Schutz vor Klimaanomalien mit zuverlässigen Pegelsonden

Russland hatte in den vergangenen Jahren verstärkt mit Umweltkatastrophen aufgrund extremer Wetterbedingungen zu kämpfen. Das führte nicht nur zu massiven materiellen Schäden, sondern kostete auch Menschenleben. Ein umfangreiches Strukturprogramm für bessere Wettervorhersagen soll die Risiken eindämmen und die Forschung zum Klimawandel unterstützen.

Wetteranomalien wie eine ausgedehnte Dürre im Jahr 2010 oder schwere Hochwasser in der Amurregion im Jahr 2013 sorgten für grosse Aufmerksamkeit und Betroffenheit in Russland und darüber hinaus. Der Bundesdienst für Hydrometeorologie und Umweltüberwachung (Roshydromet) ist in Russland für hochpräzise Wettervorhersagen zuständig und soll im Rahmen des Hydrometeorological Services Modernization Project-II weiter gestärkt werden. Daher werden etwas mehr als 139 Millionen Dollar investiert.

Das gross angelegte Modernisierungsprojekt unterstützt Roshydromet dabei, die russische Bevölkerung sowie kommunale Regierungen mit zuverlässigen und zeitnahen Informationen zu Wetter, Hydrologie und Klima zu versorgen. Gleichzeitig soll Russland besser in das globale System meteorologischer Dienste integriert werden.

Die einzelnen Projekt-Massnahmen enthalten:

  • die Stärkung der Informations- und Kommunikationstechnologien zur Bereitstellung von Daten zu Wetter, Klima und Hydrologie,
  • die Modernisierung des Beobachtungsnetzwerks,
  • die Stärkung von Institutionen,
  • einen optimierten Zugriff auf Daten und Informationen von Roshydromet,
  • die Verbesserung das Katastrophenschutzes.

Bei der Modernisierung von Roshydromets hydrologischem Beobachtungsnetzwerk in den Flüssen Lena, Jana, Indigirka, Vilui und Kolyma lag besonderes Augenmerk auf Überwachungstechnologie, die weitestgehend wartungsfrei in schwer zugänglichen Gebieten und unter rauen Bedingungen wie Permafrost zuverlässig arbeitet.

Abb. 1: Übersicht der Messstellen

Ein Teil der dafür nötigen Messensorik wurde von STS bereitgestellt und in Zusammenarbeit mit dem russischen Partnerunternehmen Poltraf CIS Co. Ltd. an 40 hydrologischen Messstationen installiert. Das Projekt beinhaltete folgende Anforderungen:

  • Die permanente Überwachung von Wasserstand und Wassertemperatur sowie die Messung von Regen und Schnee. Dazu gehört auch die Installation von Überwachungskameras, um die Entstehung von Eis an strategisch wichtigen Punkten im Blick zu behalten.
  • Die automatische und störungsfreie Übermittlung der Daten via GPS oder Satellit.
  • Eine Alarmfunktion bei der Überschreitung definierter Grenzwerte.
  • Eine Serverlösung zur Speicherung der gesammelten Daten mit einer Software zur Visualisierung, Evaluierung und Verarbeitung der Daten.
  • Eine einfach zu installierende und zu bedienende Technologie, die ohne grossen Wartungsaufwand über Jahre hinweg funktioniert.
  • Eine professionelle Vorbereitung der Messorte.

Um diesem anspruchsvollen Auftrag zu entsprechen, wurde unter anderem der Modbus Sensor DTM.OCS.S/N/RS485 verwendet. Die digitalen Pegelsonden messen sowohl Pegel als auch Temperatur. Den rauen Bedingungen wird durch ein robustes Design und erlaubten Umgebungsstemperaturen von -40 bis 80 Grad Celsius entsprochen. Die Genauigkeit von ≤ 0.03 % FS stellt präzise Ergebnisse an kritischen Messpunkten sicher.

Weitere Vorteile der digitalen Pegelsonde auf einen Blick:

  • hochpräziser digitaler Pegelsensor für einfache Einbindung in Standard Modbus Netzwerk
  • individuelle Anpassung an die Anwendung durch modularen Aufbau
  • höchste Präzision über den gesamten Temperaturbereich dank elektronischer Kompensation
  • Einstellung von Nullpunktverschiebung und Messspanne über Modbus
  • hohe Langzeitstabilität der Messzelle
  • rekalibrierbarer Sensor
Abwasserhebeanlagen: Reduktion der Wartungskosten mit Drucktransmittern

Abwasserhebeanlagen: Reduktion der Wartungskosten mit Drucktransmittern

Es gibt mehr als 2 Millionen Abwasser Aufzug- oder Pumpstationen allein in den Vereinigten Staaten. Alle arbeiten nach dem gleichen Prinzip und mit dem gleichen Ziel: Abwasser von einer Ebene auf eine höhere Ebene zu bewegen. Die Installationskosten reichen hierbei von 150’000 $ (20 Gallonen pro Minute) bis zu 1.5Mio $ (bis zu 100.000 Gallonen pro Minute) basierend auf Kapazität und Komplexität der Anlage. Neben der enormen Entwicklung der Pumpentechnik, hat besonders eine kleine Komponente, welche für die Pumpensteuerung undZuverlässigkeit der Station wesentlich ist, eine bedeutende Entwicklung in den letzten Jahren erfahren: der Füllstandssensor. 

Abbildung 1: Typisches Schema einer Abwasserhebestation mit Füllstandssensor (Drucktransmitter) und der dazugehörigen Hardware

Der Füllstandssensor liefert eine elektrische Rückkopplung zur Pumpe, wann diese ein- und auszuschalten ist. Traditionell wurden Schwimmer, die ein entsprechendes Signal an die Pumpe bei hohen und niedrigen Pegeln liefert, verwendet. Sogenannte Bubbler Systeme werden ebenfalls verwendet, obwohl sie bezüglich Wartung mit der Forderung nach einem kontinuierlichen Gasstrom enorm anspruchsvoll sind. Heute gibt es viele Sensortechnologien um Flüssigkeitspegel zu messen, wie Radar oder Ultraschall. Diese sind oftmals entweder für eine relativ einfache Abwasserhebestation im Preis  zu hoch oder aufgrund der Betriebsumgebung unzuverlässig. Um den Umweltbedingungen standzuhalten und eine kontinuierliche und zuverlässige Überwachung zu gewährleisten, wurden in den letzten Jahren vermehrt hydrostatische Druckmessumformer eingesetzt.

Die Technologie

Eine Reihe von Herstellern wie STS haben spezielle Sensoren für diese Anwendung entwickelt. Ein Beispiel hierfür ist die ATM/K/N wie unten gezeigt.

Abbildung 2: Füsstandssensor mit Keramik-Messzelle

Da viele Abwasserhebeanlagen sich an schwer zugänglichen Stellen befinden, ist Zuverlässigkeit eine der wichtigsten Anforderungen. Dies erfordert ein gutes Design mit hohem Anspruch an die Dichtungen. Aufgrund der Natur des Abwassers muss das Sensorelement auch ein Verstopfen vermeiden. Dieses Problem wird aufgrund der Zunahme von sogenannten FOG (Fette und Öle), welche mit der zunehmenden Beliebheit von Fast-Food-Restaurants zusammenhängt, immer wichtiger. Die Verwendung von keramik-kapazitiver Sensortechnologie ermöglichen hierbei den Bau von robuste Sensoren. Die Messperformance wird mit hoher Präzision erreicht: besser als 0,1% Gesamtfehler zur exakten Bestimmung von Abwasserniveaus von nur ein paar Zentimeter Pegeldifferenz.

Die Technologie ist zudem robust gegen einen sehr hohen Überdruck von mindestens dreimal des Nennbereichs ohne Verschlechterung der Sensorleistung. Dies schützt den Sensor vor Schäden durch beispielsweise Gegendruck. Das Gehäuse wird im allgemeinen aus Edelstahl hergestellt. Ist das Medium sehr korrosiv, wird oft Titan bevorzugt.

Ein weiteres Designmerkmal ist der elektrische Anschluss: Unterschiedliche elektrische Ausgänge einschließlich der beliebtesten 4-20 mA Schnittstelle (verfügbar sind 2-Draht-Versorgung oder 1-5 Volt) sind erforderlich. In einigen Fällen möchten Anwender den Druckbereich des Transmitters frei wählbar einstellen. Dies kann über eine digitale Schnittstelle erfolgen, um einen Endwertebereich (Turndown) von bis zu 10% des ursprünglich festgelegten Bereichs zu definieren. Die Transmitter können mit einem vollen  voreingestellten Druckbereich geliefert und anschliessend für jede Abwasserhebestation optimal angepasst betrieben zu werden. In Liftstationen, in denen gefährliche Gase vorhanden sind, müssen eigensichere Drucktransmitter angewendet werden.


Auch der Kabelanschluss ist wichtig, nicht nur zur Verbindung mit der Steuerung, sondern auch um einen Auslass für das Entlüftungsrohr auf den Atmosphärendruck sicherzustellen. Dies ist entscheidend, um einen korrekten Betrieb des Drucktransmitters zu gewährleisten, da dieser sonst durch Änderungen des Luftdruckes beeinträchtigt werden könnte. Allerdings muss das Entlüftungsrohr gegen das Eindringen von Feuchtigkeit geschützt werden. Es gibt viele Techniken um die langfristige Zuverlässigkeit des Transmitters zu gewährleisten, wie die Verwendung von Trocknungsmittel innerhalb des Abschlussgehäuse. STS hat ein versiegeltes Mylar-Gehäuse entwickelt, welches keine Wartung erfordert und somit kann auf die Verwendung von Trocknungsmitteln oder Verbrauchsmaterialien vollständig verzichtet werden.

Da die Niveausonde relativ leicht ist und der Transmitter bevorzugt ein paar Zentimeter vom Tankboden positioniert werden soll, verwendet man häufig Gewichte. Diese Art der  Gewicht wird manchmal auch als “Vogelkäfig” betitelt. Der “Vogelkäfig” kann vom Transmitter bei Bedarf entfernt werden, in vielen anderen Fällen jedoch ist er in den Transmitter integriert.

Schlussfolgerung

Tauchsonden nach neuestem Stand der Technik sind besonders zuverlässig und weitgehend wartungsfrei. Füllstandsüberwachungen, Überwachungen von Pumpensteuerungen für Abwasserhebeanlagen oder der Pegelstand von tiefen Brunnen lassen sich damit problemlos meistern. Die hydrostatischen Pegelsonden überwachen kontinuierlich die Abwasserniveaus  und sorgen hierbei für einen reibungslosen Betrieb der Anlage.

Pegellogger überwachen Wasserstand in Venedig

Pegellogger überwachen Wasserstand in Venedig

Der Markusplatz säuft nicht ab: Um den Grundwasserspiegel am Markusplatz kontinuierlich zu messen, kommen Datenlogger aus dem Hause STS zum Einsatz. Diese sind besonders robust und eignen sich für den Einsatz in verschiedenen Anwendungen.

2003 hat die Firma S.P.G. begonnen, am Markusplatz in Venedig mehrere Grundwasser Datenlogger zu installieren. Diese sind für die spezifischen Anforderungen ausgelegt und besitzen vor allem die Eigenschaft, mehrere Tage unter salzhaltigem Wasser auszuhalten, da der Markusplatz bei steigender Flut regelmäßig überschwemmt wird. Die Baustelle steht im Zusammenhang mit den von der Gewässeraufsichtsbehörde eingeleiteten Arbeiten zum Schutz der Lagune und der Stadt Venedig vor Hochwasser.

Das beauftragte Konsortium Venezia Nuova sah den Neubau der Kaianlage gegenüber dem Markusplatz mit innovativen technischen Einzelheiten vor. Die Anforderung bestand darin, den Verlauf des Grundwassers zu überwachen, das sich nach und nach vom Baustellenbereich zu den dahinter liegenden Gebäuden verschob. Daher wurden auf Anforderung des Auftraggebers Pegel-Datenlogger von STS installiert, um kontinuierlich die Schwankungen des Grundwasserspiegels zu messen.

Der Grundwasser Datenlogger ermöglicht die gleichzeitige Messung von Pegel, Temperatur und Leitfähigkeit im Bereich von 0…50 cmWS bis 0…250 mWS, -5 bis 50 °C und 0,020…20 mS/cm. Bei Bedarf kann der Anwender jederzeit eine Datenfernübertragungs-Einheit nachrüsten. Der Logger zeichnet sich die durch einfache, benutzerfreundliche Bedienung, einen großen Messwertspeicher von bis zu 1.5 Millionen Messwerten und einen Sondendurchmesser von nur 24 mm bzw. 10 mm aus.

Die steckbaren Ausführungen bieten die Möglichkeit der Kabelverlängerung. Neue Softwarefunktionen lassen sich ohne umständliche Rücksendung durch den Anwender aktualisieren. Die handelsübliche Lithium batterie lässt sich mit wenigen Handgriffen vor Ort austauschen. Daten können im ASCII- oder XML-Format übertragen und in Standard-Software wie Excel weiter verarbeitet werden. Variable Speicherintervalle in Abhängigkeit vom Druck oder der Zeit erlauben vielfältige Messungen.

Durch die Verwendung verschiedener Materialien wie Edelstahl, Titan, PUR, PE oder Teflonkabel wird eine hohe Medienverträglichkeit für verschiedenste Anwendungen wie Deponien, Altlasten, Pumpversuche, Hochwassermeldungen und Abschlagserfassung an Regenüberlaufbecken erreicht.

Erstpublikation:   Magazin konstruktion 

Wasser trotz Trockenzeit

Wasser trotz Trockenzeit

Wasserbau Experten des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben in einer Karsthöhle auf der indonesischen Insel Java ein unterirdisches Stauwerk mit integrierter Wasserkraftanlage errichtet. Das 100m unter der Erdoberfläche gelegene Kraftwerk liefert nun während der Trockenzeit reichlich Wasser aus der Höhle. Dabei messen zwei Datenlogger die Wasserhöhe vor und hinter der Staumauer. Der Pegel des Oberwassers beträgt 15 – 20 m, während er im Unterwasser, wo das Wasser wieder aus der Turbine austritt, höchstens 2 m erreicht.

Das Karstgebiet Gunung Kidul an der Südküste Javas ist eine der ärmsten Regionen Indonesiens. Für eine ertragreiche Ernte ist der Boden zu karg und in der Trockezeit versiegen die Fliessgewässer. Das Wasser der Regenzeit versickert zwar rasch, es sammelt sich aber in einem unteririschen Höhlensystem. Dieser natürliche Wasserspeicher wurde mit dem Höhlenkraftwerk erschlossen. Die Tatsache, dass selbst in der Trockenzeit über 1’000 Liter Wasser/s durch die Höhle Bribin fliessen, spricht für die ideale Lage des Stauwerks. Anstelle komplexer Turbinen wird die mechanische Energie zum Antrieb der Förderpumpen über invers betriebene Kreispumpen erzeugt. Die fünf parallel betriebenen Fördermodule sind somit sehr kostengünstig und benötigen lediglich geringen Betriebs- und Wartungsaufwand. Die Förderpumpen drücken einen Teil des Wassers 220 m hoch in einen auf einem Berg gelegenen Speicher mit dem Namen Kaligoro-Reservoir. Mit dem geglückten Probeeinstau wurde der Knackpunkt des Projekts überwunden. Die Höhle hält das Wasser tatsächlich und die notwendige Stauhöhe von 15 m wird erreicht.

Im März 2010 wurde die Anlage an die indonesischen Behörden übergeben. Nun kann sie 80’000 Menschen mit bis zu 70 Liter Wasser am Tag versorgen. Bisher standen den Bewohnern in der Trockenzeit 5 – 10 Liter am Tag für Körperpflege, Haushalt und Vieh zur Verfügung. Übrigens, jeder Deutsche verbraucht dafür im Schnitt 120 Liter.

Funktion der Drucklogger

Die Drucklogger messen die Wasserhöhe vor und hinter der Staumauer. Die Normalhöhe ist 15 m, im Hochwasserfall kann es bis zu 20 m werden. Die andere Sonde misst den Wasserstand im Unterwasser, nämlich dort, wo das Wasser aus der Turbine austritt. Dort werden Höhen bis 2 m erfasst. Die Wahl fiel auf den Drucklogger von STS wegen ihrer hohen Überlastfestigkeit von 3x Messbereichsendwert, der geringen Kennlinienabweichtung von maximal 0,1% und der hohen Langzeitstabilität zwischen 0,1 % und 0,5 % FS pro Jahr.

Die Pegellogger bieten Druckbereiche zwischen 0 – 100 mbar und 0 – 600 bar und ermöglichen somit Pegelmessungen im Bereich von 0 – 100 cmWS bis 0 – 6’000mWS. Das Messintervall ist zwischen 0,5 s und 24 h einstellbar. Der Messwertspeicher von bis zu 1,5 Millionen Messwerten und ein geringer Sondendurchmesser zeichnen die Geräte aus. Ausserdem kann man handelsübliche Litiumbatterien mit wenigen Handgriffen vor Ort austauschen.

Variable Speicherintervalle in Abhängigkeit vom Druck oder der Zeit erlauben flexible Messungen. Durch die Verwendung verschiedener Materialien wie Edelstahl, Titan, PUR, PE oder Teflonkabel erreicht man eine hohe Medienverträglichkeit für verschiedenste Anwedungen. Neben der Pegelaufzeichnung von Grundwasser, Brunnen, Bohrlöchern, Seen und Flüssen eignen sich die Pegellogger auch zur Dichtigkeitsprüfung im Gas-, Wasser- und Rohrleitungsbau, zur Rohrnetzanalyse sowie zur Druckprüfung im Gas-, Wasser- und Fernwärmerohrnetz. Auch in Gasdruck-Regelstationen sowie zum Nachweis eines konstanten Versorgungsdrucks haben sie sich optimal bewährt.

Quellen:   Karlsruher Institut für Technologie (KIT) – Institut für Wasser und Gewässerentwicklung (IWG)