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
Geomorphometrie zur hydro-geomorphologischen Analyse in einem mediterranen Entwässerungsgebiet

Geomorphometrie zur hydro-geomorphologischen Analyse in einem mediterranen Entwässerungsgebiet

Zusammenfassung des Forschungsberichts

Ziel des Forschungsberichts ist ein objektbasiertes geomorphometrisches Verfahren anzuwenden, um Abflussgebiete zu definieren und eine hydro-geomorphologische Analyse in einem 3-km2 grossen Entwässerungsgebiet in Süditalien zu unterstützen.

Tägliche und sub-stündliche Daten zum Abfluss und der elektrischen Leitfähigkeit wurden über einen Zeitraum von drei Jahren gesammelt und aufgezeichnet. Hydro10 Chemograph Analysen dieser erhobenen Daten zeigten eine starke saisonale hydrologische Reaktion im Entwässerungsgebiet, die sich von dem in den Nass- und Trockenperioden vorkommenden Oberflächenabfluss unterschieden. Diese Analyse ermöglichte es uns, auf ein erhöhtes Überschwemmungsausmass bezogene, hydrochemische Signaturen zu definieren. Fortschreitend umfasst dies verschiedene Abflusskomponenten (Basisabfluss, unterirdischer, Oberflächenabfluss) und einen anwachsenden Zuströmbereich für den Abfluss.

 

Wasserspiegel- und Abfluss-Messungen

Es wurden Feldstudien und Wasserspiegel-/Abfluss-Messungen während eines gewählten Storm Events durchgeführt. Die Messungen erlaubten uns, spezifische Abflussquellen mit homogenen geomorphologischen Einheiten zu identifizieren und kartographieren, die vorher als hydro-geomorpho-types definiert waren (Quellenpunkte, diffuse Aussickerung entlang des Hauptkanals, Aussickerung entlang des Uferkorridors, diffuser Abfluss von Hängen). Den von Autoren für objektbasiertes geomorphologisches Kartographieren vorgeschlagenen Vorgehensweisen folgend, wurde eine hydro-geomorphologisch orientierte Segmentierung und Klassifizierung mit einem e-Cognition (Trimble, Inc) Paket durchgeführt.

Lesen Sie hier die gesamte Forschungsarbeit in englischer Sprache.

Quelle:   Domenico Guida1, Albina Cuomo (1), Vincenzo Palmieri (2)
(1) Department of Civil Engineering, University of Salerno, Fisciano, 84084, Italy
(2) ARCADIS, Agency for Soil Defense of the Campania Region, 5 Naples, Italy

Naturgefahren vorhersagen: Pegelmessung im Gletschersee

Naturgefahren vorhersagen: Pegelmessung im Gletschersee

Die Gletscher der Alpen sind im ständigen Wandel. Durch Abtauen im Frühjahr und Sommer können Seen entstehen, deren Pegel kontinuierlich überwacht werden müssen, um Hochwasser frühzeitig zu erkennen. Dafür braucht es verlässliche Drucksensoren, Pegelsonden und Datenlogger.

Die international tätige Schweizer Firma Geopraevent entwickelt, installiert und betreibt hochwertige Alarm- und Überwachungsanlagen für verschiedene Naturgefahren, darunter Lawinen, Erdrutsche, und Hochwasser. Je nach Aufgabe und lokalen Verhältnissen werden die Systeme individuell konzipiert und realisiert. Zurzeit sind weltweit mehr als 60 Alarm- und Überwachungssysteme im Einsatz. Wenn es um Naturkatastrophen geht, gibt es angesichts der möglicherweise gravierenden Folgen kein Spielraum für Fehler: Die eingesetzte Technik muss über Jahre hinweg stabil funktionieren. Daher ist auch jedes System mit Geopraevents Servern zur Sicherstellung eines fehlerfreien Betriebes verbunden.

Pegelmessung an den Plaine-Morte-Gletscher-Seen

Dies gilt auch für das 2011 beauftragte System zur Überwachung des Plaine-Morte-Gletschers in den Berner Alpen. Sobald die Temperaturen im Frühjahr steigen, beginnt der Gletscher zu schmelzen (siehe Video). Durch das Schmelzwasser bilden sich jedes Jahr drei Seen (Faverges-See, Vatseret-, und Strubel-See), die über die Sommermonate beständig anschwellen und sich schliesslich wieder entleeren.

Gefahr für die nahe gelegene Gemeinde Lenk, welche das Projekt in Auftrag gab, entsteht hauptsächlich durch den Faverges-See. Wie die anderen beiden Seen existiert er nur in den warmen Jahreszeiten. Nach seiner jährlich wiederkehrenden Entstehung durch Schnee- und Gletscherschmelze erwärmt sich das Wasser in den darauffolgenden Monaten und sucht sich einen Abfluss durch das Eis. Nach und nach wird dieser Abflusskanal immer weiter aufgeschmolzen, womit sich die Ausflussrate stetig erhöht. So bahnten sich beispielsweise im August 2014 20 Kubikmeter Wasser pro Sekunde über den Trüebach in Richtung Lenk. Nach der Entleerung des Gletschersees beginnt der Kreislauf im nächsten Frühjahr mit Einsetzen der Schmelze erneut.

Um einen Gletscherseeausbruch vorherzusagen und entsprechende Schutzmassnahmen einzuleiten, wurde von Geopraevent ein Überwachungssystem installiert, das eine Frühwarnzeit von ein bis zwei Tagen ermöglicht. Bei der Realisierung dieses Projektes wurde dank hervorragender Eigenschaften hinsichtlich Langzeitstabilität unter anderem auch auf Sensortechnik von STS zurückgegriffen.

Gletscherseeausbruch-Alarm per SMS

Um die Gefahr durch die Gletscherseen stets realistisch einschätzen zu können, wurden insgesamt vier Messstationen eingerichtet: Jeweils eine in den drei Seen sowie im Trüebach, über den das Wasser bei einer Gletscherseeentleerung zur Gemeinde Lenk fliesst.

Der Wasserstand der drei Gletscherseen wird mithilfe von Drucksensoren überwacht. Zu diesem Zweck wurden die Messinstrumente mit einem Hubschrauber in die tiefste Stelle des jeweiligen Sees getaucht. Über ein Kabel sind die Pegelsonden ATM/N/T mit auf einer Erhöhung befestigten Datenloggern verbunden. Die eingesetzten Datenlogger sind in diesem Fall solarbetrieben. Die erhobenen Daten werden über Mobilfunk an Geopraevent übertragen. Übermittelt der Datenlogger sinkende Pegelstände, ist dies ein deutliches Zeichen für eine Entleerung des entsprechenden Gletschersees.

Messstation am Plaine-Morte-Gletscher (Bild: Geopraevent)

Zusätzlich zur Seepegelmessung überwacht ein Pegelradar den Füllstand des Trüebachs. Diese zusätzliche Messstation dient der Verifizierung, dass sich der Gletschersee auch tatsächlich in Richtung der Gemeinde entleert. Da der Trüebach durch eine Schlucht verläuft, wird der Pegelradar an einem über die Schlucht gespannten Stahlseil befestigt. Auch der Pegelradar ist über ein Kabel mit einem Datenlogger verbunden.

Sobald die vorab definierten Grenzwerte in den Seen und dem Trüebach unter- bzw. überschritten werden, werden die Verantwortlichen der Gemeinde Lenk automatisch per SMS informiert und können entsprechende Schritte zum Hochwasserschutz einleiten.

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.