Hydrostatische Druckmessung mit piezoresistiven Pegelsonden

by STS Sensors on Juni 4, 2018
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Hydrostatische Pegelmessung


Lebensspender, Lebensgefahr oder einfach nur eine Erfrischung im Sommer: Das Element Wasser bestimmt das tägliche Leben auf der Erde auf vielfältige Weise. Ob seiner Bedeutung ist eine gesicherte Überwachung dieses Elements unerlässlich.

Was man nicht messen kann, kann man auch nicht effizient bewirtschaften. Von der Frischwasserförderung über die Trinkwasseraufbereitung, Trinkwasserspeicherung, die Messung des Wasserverbrauches, der Abwasseraufbereitung bis hin zur Hydrometrie: Ohne korrekte Eingangsgrössen kann nicht wirtschaftlich gearbeitet und geplant werden. Um die heute komplexe hydrometrische Infrastruktur zu erfassen, stehen eine Reihe Geräte und Verfahren zur Auswahl. Der Klassiker der Wasserstandmessung ist dabei sicherlich die Pegellatte, bei der eine Genauigkeit von +/- 1 cm anzulegen ist und die natürlich noch völlig „analog“ funktioniert – also unter Augenschein genommen werden muss und ohne elektronische Datenübertragung auskommt. Eine Remote-Übertragung der gemessenen Daten leisten dafür heute weitaus fortschrittlichere und präzisere Instrumente: Piezoresistive Drucksonden zur Wasserstandmessung in Grund- und Oberflächengewässern.

Pegelmessung mit Drucksensoren

Drucksensoren zur Pegelmessung werden am Grund des zu überwachenden Gewässers angebracht. Im Gegensatz zur Pegellatte kann man sie in aller Regel also nicht in Augenschein nehmen, ohne dabei nass zu werden. Das ist auch nicht nötig. Denn piezoresistive Pegelsonden wurden entwickelt, um den heutigen Anforderungen hinsichtlich Prozessautomatisierung und -kontrolle gerecht zu werden. Dazu gehört selbstredend, dass Pegelstände ohne menschliches Zutun gemessen werden können, was eine kontinuierliche Überwachung an schwer zugänglichen Orten erst ermöglicht.

Hydrostatische Pegelsonden erfassen den hydrostatischen Druck am Grund des Gewässers. Der hydrostatische Druck verhält sich proportional zur Höhe der Flüssigkeitssäule. Er ist des Weiteren abhängig von der Dichte der Flüssigkeit und der Erdanziehungskraft. Nach dem Pascal’schen Gesetz ergibt sich daraus die folgende Berechnungsformel:

p(h) = ρ * g * h + p0

p(h) = hydrostatischer Druck

ρ= Dichte der Flüssigkeit 

g = Erdbeschleunigung 

h = Höhe der Flüssigkeitssäule

Wichtige Vorkehrungen zur reibungslosen Füllstandsüberwachung

Dadurch, dass piezoresistive Pegelsonden am Boden des Gewässers platziert werden, sind sie von Oberflächeneinflüssen geschützt. Weder Schaum noch Treibgut können die Messungen beeinflussen. Natürlich müssen sie an den zu erwartenden Bedingungen unter Wasser angepasst sein. Bei Salzwasser ist beispielsweise eine Pegelsonde mit Titangehäuse zu bevorzugen. Ist mit galvanischen Effekten zu rechnen, ist ein Messgerät aus PVDF die beste Wahl. In den meisten Süssgewässern ist ein hochwertiger Edelstahl völlig ausreichend. Darüber hinaus ist eine ausreichende Erdung der Pegelsonden unabdingbar, um beispielsweise Schäden durch Blitzeinschlag vorzubeugen (mehr zu diesem Thema lesen Sie hier).

Moderne Pegelsonden: Alle Daten, ein Gerät

Piezoresistive Pegelsonden können zur Füllstandüberwachung in offenen Gewässern wie Seen, in Grundwasservorkommen sowie in geschlossenen Tanks eingesetzt werden. Handelt es sich um ein offenes Gewässer, wird mit Relativdrucksonden gearbeitet. Bei diesen Geräten wird über eine Kapillare im Drucksondenkabel für den Luftdruckausgleich gesorgt. In Tanks wird üblicherweise ein Differenzdrucksensor verwendet, da die auf die Flüssigkeit drückende Gasdecke miteinbezogen werden muss (mehr zu diesem Thema lesen Sie hier).

Da piezoresistive Pegelsonden ihren Dienst weitestgehend autark verrichten und auch für sehr hohe Drücke optimiert werden können, sind Messungen in sehr grosser Tiefe möglich. Der Tiefe sind theoretisch kaum Grenzen gesetzt, das Drucksondenkabel muss lediglich lang genug sein.

Pegelsonden zur hydrostatischen DruckmessungAbbildung 1: Beispiele von Pegelsonden zur hydrostatischen Druckmessung

Abgesehen davon, dass hinsichtlich der Tiefe kaum Grenzen gesetzt sind, sind diese modernen Messgeräte auch äusserst vielseitig. Schliesslich ist nicht nur der Pegelstand eines Gewässers für den Menschen von Interesse. In Bezug auf die Überwachung von Grundwasser ist auch die Wasserqualität von grosser Bedeutung. Die Reinheit eines Grundwassereservoirs lässt sich beispielsweise auch über dessen Leitfähigkeit bestimmen: Je geringer die Leitfähigkeit, desto reiner das Wasser (mehr zum Thema Leitfähigkeit lesen Sie hier). Neben Leitfähigkeitssensoren sind Pegelsonden heute auch mit integrierter Temperaturmessung erhältlich. Somit ermöglichen piezoresistive Pegelsonden eine grosse Bandbreite an Überwachungsaufgaben und sind ohne Frage in den meisten Fällen der Pegellatte vorzuziehen.

Topics: Drucktransmitter, Druckmesstechnik, Pegelsonde, Füllstandsüberwachung, Tauchsonde, Trinkwasserversorgung, Hydrostatische Pegelmessung, Pegelmessung, Drucksonde, Grundwasser

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