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Drucksonden

| Eppensteiner Tom | Messstationen/Telemetrie

In der Zeit der Schneeschmelze, bei Gewittern oder unerwarteten Wetteränderungen können Teile des Höllochs überflutet werden und dadurch Höhlenforscher gefährden. Zudem sind in den letzten Jahren immer wieder Bereiche der Höhle überschwemmt worden, welche davor als hochwassersicher galten. Der genaue Ablauf, örtlich wie auch zeitlich, ist unklar. Einige Vorgänge waren seit Beginn der Höllochforschung bekannt und die Erfahrungen und Beobachtungen wurden von Generation zu Generation überliefert und weitergegeben. Trotzdem blieb vieles im Dunkeln und das Wasser war immer wieder zu Überraschungen bereit. Neben der Beobachtung des Wasserstandes an verschiedenen Stellen im Hölloch und in den unterschiedlichsten Situationen, wurden seit 1950 immer wieder Bestimmungen des Kalkgehaltes gemacht, Fliessgeschwindigkeiten ermittelt und Temperaturen gemessen.

Erste Sonden

Am 15. April 1989 wurden an vier kritischen Hochwasserpunkten die erste Generation Wasserfühler installiert, die bestimmen konnten wann das Wasser kommt und geht. Felix Ziegler realisierte diese ersten Sonden mit einer Elektronik, welche mittels einem Schwimmer aus Styropor und einem Magnetkontakt das Vorhandensein von Wasser feststellte. Die Registrierelektronik war in einem Einmachglas untergebracht, was einerseits sehr kostengünstig ist und andererseits den enormen Druckverhältnisses standhalten zu vermag. Der Magnetkontakt wurde alle 2 Minuten durche eine einfache Elektronik abgefragt und in einen nichtflüchtigen Speicher gebrannt (EPROM). Die im ersten Jahr gewonnenen Daten - bei einer Sonde streikte die Elektronik, eine zweite ging in Brüche, da das schützende Styropor vom Wasserdruck zusammengepresst wurde - liessen noch viele Fragen offen. So kam im März 1990 an den bereits bestückten und sieben weiteren Orten eine verbesserte Version von Wassersonden zum Einsatz. Die »Feuerlöscher«, diesen Spitznamen verdankten sie ihrer orangefarbenen PVC-Rohr-Hülle, arbeiteten neu mit einem Magnetschwimmer, der bei Hochwasser einen Kontakt betätigte. Bis im Herbst 1997 sammelten solche Sonden an verschiedenen Stellen im Hölloch Daten.

Die Entwicklung neuer Sonden

In der Zwischenzeit wurden auch Prototypen weiterer Sonden gebaut, die detailliertere Informationen erfassen können. Man ist interessiert, den zeitlichen Verlauf von Druck, Temperatur, Kalkgehalt etc. an einer bestimmten Stelle zu kennen. Alle diese Daten könnten zudem in Relation gesetzt werden zu den 1988 installierten Regenmessern auf der Oberfläche und Aufzeichnungen von Abflussmengen, Temperatur- und Leitfähigkeitsmessungen bei den "Schlichenden Brünnen".

Felix Ziegler realisierte Prototypen von neuen Sonden, welche auf Standard-Drucksensoren basieren, und z.B. für Tanks entwickelt wurden. Diese können sehr hohe Drücke messen und sind zu vernünftigen Preisen erhältlich. Ziel war es, nicht nur die Information 'überflutet-nicht überflutet' zu erhalten sondern auch den Stand des Wasserpegels, den Anstieg und das Absenken zu registrieren.Weiter sollte der Zeitraum und die Genauigkeit des Aufzeichungszeitpunktes deutlich erhöht werden. Zusätzliche parallele Messungen von Temperatur (Kalibrierung des Sensors) und Leitfähigkeit (Information über gelöste Stoffe im Wasser) sollen möglich sein. Die Sonden bestehen aus drei Teilen: Einem Drucktransmitter (Drucksensor und Signalverstärkung integriert), Aufzeichungselektronik und einer 9 V Batterie. Es sind verschiedene Drucktransmitter entsprechend den erwarteten Druckverhältnissen im Einsatz (2, 5, 10 oder 20 bar). Ein Wasserpegel von 100 m entspricht in etwa 10 bar und kann problemlos an verschiedenen Stellen im Hölloch auftreten.

Konstruktion

Das Gehäuse ist ein 19 cm lange Stück 5/4" (Zoll) Wasserrohr aus Messing, welche beidseitig mit Abschlussdeckeln versehen ist. Der Drucktransmitter ist einer der Verschlusskappen eingebaut, so dass sich die elektrischen Kontakte (welche nicht wasserdicht sind) zusammen mit der Elektronik im Innern befinden. Für hohe Druckverhältniss ist das Rohr mit einem umweltfreundlichen Öl gefüllt, um das Druckgefälle zwischen aussen und innen zu verringern.

Aufbau der Wasser-Drucksonde

Abbildung 1: Bestandteile der Sonde (Verschlusskappe mit Sensor, Elektronikplatine, Batterie und Gehäuse)

Aufzeichnungselektronik

Die Elektronik besteht aus einem Singlechip-Microcontroller (ATMEL AT90LS8535) mit integriertem A/D-Wandler (Analog-Digital Umsetzer), einem 3 Leitungs 8 Mbit FLASH Speicherchip (AT45DB081), einem Uhrenbaustein und der Batteie.

Technische Daten:

Drucksensor KELLER Drucktransmitter, Typ PA-21SC

https://www.keller-druck.ch/ or https://www.keller-pressure.co.uk/
Drucksensor
Bereich
2, 5, 10 oder 20 bar mit 0.5...4.5 V Ausgangsspannung
Externe
Messkanäle
3
Interne
Messungen
Batteriespannung, Temperatur
Speicherkapazität 8 Mbit oder 512'000 Messungen
Versorgung 9 V GLR61/522/6AM6

Ruhestrom 15 uA

während Messzyklus (10 ms) Stromaufnahme kleiner 10 mA
Messintervalle Konfigurierbar, z.B. Druck 144 Messungen/Tag,
Temperatur 12/Tag, Batteriespannung 1 Messung/Tag

Die Schaltung hat eine 3 V Spannungsversorgung und separaten, geschalteten 5 V für den Sensor. Die Schaltung ist vollständig in Oberflächenbestückungs-Technologie (SMT) auf einer doppelseitigen Platine realisiert. Die Materialkosten belaufen sich auf etwa CHF 150.- exkl. Drucktransmitter (weitere CHF 200.-). Die aufgezeichneten Daten können seriell ausgelesen und beispielsweise in ein Tabellenverarbeitungsprogramm übernommen werden.



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