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Pegelsonde Archives - STS Deutschland
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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
Forschungsprojekt DeichSCHUTZ: Gesicherte Messergebnisse für trockene Ufer

Forschungsprojekt DeichSCHUTZ: Gesicherte Messergebnisse für trockene Ufer

Bei extremen Hochwasserlagen gelten die Hoffnungen der betroffenen Menschen den Deichen – halten sie oder nicht. Ein Deichbruch wie beim Hochwasser 2013 in Fischbeck (Sachsen Anhalt) verursachte immense Schäden im Landesinneren, die noch heute nachwirken. Das an der Hochschule Bremen laufende Forschungsprojekt DeichSCHUTZ befasst sich mit einem innovativen Deichschutzsystem, das derartige Deichbrüche verhindern könnte.

Allein in Deutschland schützen Flussdeiche auf vielen tausend Kilometern ufernahe Gebiete. Nach dem heutigen Stand der Technik werden Deiche mit drei Zonen errichtet. Die einzelnen Zonen werden von der Wasserseite zur Landseite hin stetig mit zunehmender Durchlässigkeit hergestellt und bieten somit eine gute Entwässerung des Deichkörpers während eines Hochwasserereignisses. Allerdings sind in Deutschland noch viele Altdeiche mit homogenem Aufbau vorhanden, wie der beim Elbehochwasser im Juni 2013 gebrochene Deich in Fischbeck. Anders als die 3-Zonen-Deiche sind Altdeiche besonders anfällig gegen langanhaltende Hochwasserstände. Es sickert Wasser in den Deich ein und die Sickerlinie steigt im Deichkörper mit zunehmender Einstauzeit weiter an. Je höher die Sickerlinie steigt, desto mehr Bodenmaterial befindet sich unter Auftrieb. Der Deich verliert somit das notwendige Eigengewicht, um dem Wasserdruck entgegenzuwirken.

Die Stabilisierung eines bruchgefährdeten Deichs erfordert einen enormen materiellen und personellen Aufwand sowie Zeit, die in akuten Hochwasserlagen Mangelware ist. Daher braucht es Sicherungsverfahren, die hinsichtlich des Einsatzes von Personal, Material und Zeit effektiver sind, als die Anbringung von Sandsäcken an der Deichbinnenseite.

Neuartiges mobiles Deichschutzsystem

Christopher Massolle vom Institut für Wasserbau der Hochschule Bremen entwickelt eine Lösung, die den Zeit- und Personenaufwand erheblich reduzieren kann. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Forschungsprojekts DeichSCHUTZ wird an einem neuartigen mobilen Deichschutzsystem zur Stabilisierung von Deichen bei Hochwasserereignissen gearbeitet. Dabei kommt auch Messtechnik von STS zum Einsatz.

Zur Erprobung des mobilen Deichschutzsystems wurde auf dem Gelände des Technischen Hilfewerks in Hoya ein Testdeich aufgebaut. Hierfür wurde ein U-förmig gebautes, 550 Kubikmeter Wasser fassendes Einstaubecken konstruiert, an dessen Ende ein Deich sitzt:

Wie auf dem Video zu sehen ist, wurden am linken Rand des Deichs mehrere Rohre eingesetzt. In diesen Rohren befinden sich die Pegelsonden ATM/N aus dem Hause STS. In der Versuchsanordnung wird das Einstaubecken mit Grundwasser gefüllt. Unter realitätsnahen Bedingungen soll das Wasser über einen Zeitraum von 30 Stunden auf eine Höhe von 3 Meter steigen. Die ATM/N Präzisionssonden messen die Entwicklung der Sickerlinie über diesen Zeitraum. Dank eines Druckmessbereichs von 1 bis 250 mH2O bei einem Gesamtfehler von ≤ ± 0.30 %FS (-5 bis 50 °C) geschieht das auf den Zentimeter genau. Sobald die Sickerlinie nicht weiter ansteigt, wird das mobile Deichschutzsystem auf der wasserseitigen Böschung angebracht und soll weiteres eindringen von Sickerwasser verhindern. Der Deichkörper entwässert weiterhin und die Höhe der darauf folgenden Änderung der Sickerlinienlage soll durch die eingesetzten Pegelsonden gemessen werden. Mit den ausgegebenen Messergebnissen kann somit die Funktionalität des Schutzsystems geprüft werden.

Gesicherte Grund- und Oberflächen-Wasserüberwachung in Rumänien

Gesicherte Grund- und Oberflächen-Wasserüberwachung in Rumänien

Es braucht ein lückenloses Kontrollsystem mit Alarmfunktion, um präzise Wasserstandsmessungen durchzuführen und verlässliche Prognosen für die Trinkwasserversorgung zu erstellen und Hochwasser zu antizipieren. STS hat zusammen mit seinem Partner MDS Electric Srl ein umfassendes System zur Grund- und Oberflächen-Wasserverwaltung in Rumänien realisiert.

Rumänien bezieht einen Grossteil seines Trinkwassers aus Oberflächengewässern wie der Donau sowie aus Grundwasser-Ressourcen. Daher ist eine ordnungsgemässe Bewirtschaftung der natürlichen Ressourcen von grosser Bedeutung.

Zur Sicherung der Trinkwasserversorgung und zum Schutz vor Überschwemmungen investierte das Land in eine umfassende hydrologische Messinfrastruktur.

Abbildung 1: Grundwasser Messstelle 

In Zusammenarbeit mit dem rumänischen Kooperationspartner MDS Electric Srl wurden über die vergangenen Jahre daher über 700 Datenlogger und mehr als 350 Datenübertragungssyteme im ganzen Land installiert – darunter auch in abgelegenen Gegenden. Aus diesem Grund wurde vornehmlich in batteriebetriebene Messinstrumente investiert, die jeweils die aktuelle Situation an den Flüssen des Donaugebiets und den Grundwasserbrunnen des Landes überwachen.

Anforderungsspezifische Messlösungen 

Ein komplexes Unterfangen: Jede der eingesetzten Tauchsonden und Datenübertragungssysteme erfordern eine andere Beurteilung und Behandlung, um den jeweiligen Bedingungen gerecht zu werden. Unerlässlich dabei ist auch eine automatische Alarmfunktion, falls festgelegte Grenzwerte überschritten werden.

Die permanente Überwachung des Wasserstands an wichtigen Knotenpunkten für die Trinkwasserversorgung sowie der Flüsse im Donaugebiet ist an eine Vielzahl Anforderungen geknüpft:

  • Eine automatisierte und zuverlässige Datenübertragung via M2M-Protokoll
  • Automatische Alarmfunktion bei Grenzwertüberschreitung
  • Überwachung von Pegelstand und Wassertemperatur sowie in einigen Fällen der Umgebungstemperatur
  • Eine Server-Lösung mit Funktionen zur Visualisierung, Bewertung und Verarbeitung der gemessen Daten sowie integrierter Datenbank
  • Einfache Installation sowie Instandhaltung
  • Kundendienst vor Ort

Für die Umsetzung der gross angelegten Projekte wählte STS die Datenlogger zur Druck- und Temperaturmessung DL/N 70 und WMS/GPRS/R/SDI-12  oder – je nach Anforderung – den digitalen Datentransmitter DTM.OCS.S/N mit Modbus Schnittstelle, um eine höchstpräzise Wasserstandsmessung mit 0,03 Prozent Kennlinie an kritischen Stellen sicherzustellen.

In Zusammenarbeit mit dem lokalen Partner MDS Electric Srl konnte STS das komplette Wasserstandüberwachungssystem aus einer Hand realisieren. Jeder Einsatzort wurde von den MDS Electric Srl und STS Experten vor Ort evaluiert, um an jedem einzelnen Messpunkt eine passgenaue Lösung zu installieren. Auch auf die Langzeitstabilität der eingesetzten Druckmesstechnik ist verlass. So glänzt der Modbus Transmitter DTM.OCS.S/N mit ausgezeichneter Langzeitstabilität mit weniger als 0,1 Prozent Gesamtfehler pro Jahr. Dank des geringen Energieverbrauchs und einem widerstandsfähigen Design übt der Sensor seinen Dienst über Jahre hinweg weitgehend wartungsfrei aus.

Weitere Vorteile des DTM.OCS.S/N im Überblick:

  • Druckmessbereich: 200mbar…25bar
  • Kennlinie: ≤ ± 0.15 / 0.05 / 0.03 % FS
  • Betriebstemperatur: -40… 85 °C
  • Mediumtemperatur: -5…80 °C
  • Schnittstelle: RS485 mit Modbus RTU (standardisiertes Protokoll)
  • Simple Implementierung in das bestehende System
  • Einfache Einstellung von Steigung und Offset

 

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

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