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Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur automatischen Überwachung des Zustands von Trinkwasserbrunnen einschließlich der Wasserqualität zur Ableitung eines Reinigungsregimes.
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Die Förderleistung und die Laufzeiten vieler Trinkwasserbrunnen sind durch die Bildung von Ablagerungen und/oder Belägen beeinträchtigt. Diese werden vorwiegend durch mikrobiologisch-chemische Prozesse gebildet, die neben einer Mengenreduzierung auch zu einer möglichen Qualitätsbeeinflussung des Rohwassers führen können. Zur Entfernung der Ablagerungen sind turnusmäßig durchzuführende Regenerierungen der Trinkwasserbrunnen notwendig.
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Die Förder- und die Schluckleistung von Brunnen wird neben den geologischen und hydrologischen Bedingungen sowie der Bauart des Trinkwasserbrunnens sehr oft von mikrobiologisch-chemisch gebildeten Ablagerungen beeinflusst. Diese Prozesse sind abhängig von der Wasserbeschaffenheit und Betriebsweise der Trinkwasserbrunnen.
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Je nach der Wasserzusammensetzung und den vorherrschenden Bedingungen handelt es sich bei den Ablagerungen häufig um Eisenhydroxidhydrate und Eisenhydroxysulfate neben Manganverbindungen. Daneben sind aber auch Ablagerungen von Sulfiden, Schwefel, Aluminiumoxidhydraten und Karbonaten – letztere mit dem Begriff der Versinterung bezeichnet – anzutreffen. Eine weitere große Gruppe von Ablagerungen beruht auf der Bildung von mikrobiellen Stoffwandlungsprodukten aus organischen Kohlenstoffverbindungen und den daraus resultierenden Biofilmen. Damit wird auch die Wasserqualität beeinflusst, zum Beispiel durch die Veränderung des Geruchs, einer gestiegenen Keimzahl, der Veränderung der Färbung oder des Sauerstoffgehalts.
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Um diesen Prozessen und ihren Auswirkungen zu begegnen werden Trinkwasserbrunnen derzeit mit unterschiedlichen mechanisch-chemischen Methoden gereinigt und regeneriert.
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Damit werden aber nur die Auswirkungen behandelt, ohne gezielt auf die spezifischen Bedingungen und die den Ablagerungen zu Grunde liegenden Vorgänge einzugehen. Dadurch können in immer kürzeren Abständen Regenerierungsprozesse notwendig werden und beträchtliche Mehrkosten entstehen.
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Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Qualität eines Trinkwasserbrunnens einfach automatisch zu überwachen.
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Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.
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Die Einrichtungen zur automatischen Überwachung des Zustands von Trinkwasserbrunnen einschließlich der Wasserqualität zur Ableitung eines Reinigungsregimes zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die Qualität eines Trinkwasserbrunnens einfach automatisch überwachbar ist.
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Dazu besteht die Einrichtung aus einer Vorrichtung zur automatischen Analyse von Wasserproben und einer im Trinkwasserbrunnen verfahrbaren Bildaufnahmeeinrichtung für die Innenwandung des Trinkwasserbrunnens sowie wenigstens einem Datenverarbeitungssystem.
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Die Vorrichtung zur automatischen Analyse von Wasserproben besteht dazu aus einer Fördereinrichtung für Wasserproben, einem gegenüber einer Bildaufnahmeeinheit bewegbaren Probenträger für wenigstens eine Wasserprobe, mindestens einer elektromagnetischen Strahlungsquelle für die Probe auf dem Probenträger und dem mit der Bildaufnahmeeinheit verbundenem Datenverarbeitungssystem zur Analyse der Wasserprobe aus dem aufgenommenen Bild der Wasserprobe auf dem Probenträger. Bei der Analyse wird dazu das Bild jeweils in einem Modul des Datenverarbeitungssystems vorverarbeitet und segmentiert. Darüber hinaus werden Merkmale in Form der Kontur oder der Farbe oder der Textur oder einer Kombination davon extrahiert und Objekte klassifiziert. Die Bildaufnahmeeinheit ist dazu eine bekannte Digitalkamera mit einem Mikroskop.
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Die im Trinkwasserbrunnen verfahrbare Bildaufnahmeeinrichtung für die Innenwandung des Trinkwasserbrunnens ist mit dem oder einem weiteren Datenverarbeitungssystem verbunden, wobei jeweils in einem Modul des Datenverarbeitungssystems Merkmale in Form der Kontur oder der Größe oder der Farbe oder der Grauwerte oder der Textur oder eine Kombination davon extrahiert und Objekte klassifiziert werden. Dadurch sind Ablagerungen und Verockerungen als Objekte auf der Innenwandung des Trinkwasserbrunnens aufnehm- und bestimmbar.
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Dadurch können vorteilhafterweise die Vorgänge in einem Trinkwasserbrunnen erfasst und automatisch ausgewertet werden. Gleichzeitig sind die vorwiegend durch mikrobiologisch-chemisch induzierte Prozesse, die zu Ablagerungen in Trinkwasserbrunnen führen, erfass- und analysierbar.
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Damit können die Voraussetzungen geschaffen werden, Zustände in einem Trinkwasserbrunnen zu steuern und/oder gezielt zu verändern, um eine Beeinträchtigung der Brunnenleistung und der Wasserqualität zu verhindern.
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Das geschieht durch die Möglichkeit, diese Prozesse frühzeitig zu erkennen. Damit ist der Förderbetrieb intelligent steuerbar.
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Vorteilhafterweise werden dabei auch die Art der Ablagerungen, der Grad der Ablagerungen und deren räumliche Ausbreitung auf der Innenwandung des Trinkwasserbrunnens automatisch detektiert. Darüber hinaus werden aber auch die technischen Gegebenheiten des Trinkwasserbrunnens mit erfasst. Mit einem Abgleich mit einem geometrischen Modell des Trinkwasserbrunnens ist der räumliche Zusammenhang der Ablagerungen im Brunnen automatisch darstellbar. Mit der Einrichtung zur automatischen Überwachung des Zustands von Trinkwasserbrunnen einschließlich der Wasserqualität ist damit vorteilhafterweise die Laufzeit von Trinkwasserbrunnen bei gleich bleibender Förderleistung verlängerbar und die Kosten für die Regenerierung der Trinkwasserbrunnen reduzierbar.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 10 angegeben.
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Eine weitere Rohrstücke zum Transport von Wasser aufweisende Fördereinrichtung für Wasser ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 so angeordnet, dass Wasser zur Reinigung auf den Probenträger gelangt. Die Oberfläche des Probenträgers wird dabei einfach mit Wasser des Trinkwasserbrunnens abgespült, bevor eine neue Probennahme und deren Analyse stattfindet.
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Der Probenträger ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 ein endloses auf Trommeln geführtes Band, wobei eine Trommel eine Antriebstrommel und die andere Trommel eine Umlenktrommel ist. Weiterhin ist der Antrieb der Antriebstrommel mit dem Datenverarbeitungssystem verbunden. Das Band weist vorteilhafterweise wenigstens eine Vertiefung für eine Wasserprobe auf, so dass neben dem sicheren Transport zur Bildaufnahmeeinheit eine durch die geometrischen Abmessungen der Vertiefung definierte Menge in bestimmter Anordnung gewährleistbar ist.
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Der Probenträger ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 wenigstens ein mindestens eine Vertiefung für die Wasserprobe aufweisender und horizontal angeordneter sowie angetrieben bewegbarer Teller.
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Der Teller ist weiterhin korrespondierend zur Bildaufnahmeeinheit so angeordnet, dass ein Bild wenigstens eines Bereiches der Vertiefung mit der Bildaufnahmeeinheit aufnehmbar ist. Darüber hinaus ist der Antrieb des Tellers mit dem Datenverarbeitungssystem verbunden. Dazu ist der Teller selbst ein Drehteller oder der Teller befindet sich an einer Drehachse.
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Das Band oder der Teller ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 transparent für elektromagnetische Strahlung der oder wenigstens einer Strahlungsquelle. Die Wasserprobe ist damit durchleuchtbar, so dass in der Wasserprobe vorhandene Objekte leicht aufnehmbar sind. Dazu können auch mehrere Strahlungsquellen eingesetzt werden, so dass beispielsweise auch fluoreszierende Objekte aufgenommen werden können.
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Im Datenverarbeitungssystem ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 das Modul zur Klassifikation von Objekten mit einem Datenspeicher als Datenbank bestimmter Objekte verbunden, wobei Merkmale in Form der Kontur oder der Größe oder der Farbe oder der Grauwerte oder der Textur oder einer Kombination davon mit gespeicherten und bekannten als Klassifikatorwissen abgelegten Merkmalen verglichen wird.
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Das Modul zur Klassifikation ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 7 ein die Ähnlichkeit des Objekts gegenüber bekannten Objekten der Datenbank bestimmendes Modul zur Klassifikation, wobei während der Berechnung der Ähnlichkeit die Ähnlichkeitsmaße entweder als Distanz- oder als Ähnlichkeitswerte jeweils zwischen dem Objekt und den bekannten Objekten der Datenbank so lange ermittelt werden, bis entweder ein Minimum der Distanzwerte oder ein Maximum der Ähnlich-keitswerte vorhanden ist und der Grad der Übereinstimmung durch das Ähnlichkeits-maß so bestimmt ist, dass der Grad der Übereinstimmung mit sinkendem Ähnlich-keitsmaß abnimmt. Weiterhin ist das Datenverarbeitungssystem ein das einer Klasse ähnlichste Objekt einschließlich dem dazugehörigem Ähnlichkeitsmaß dieser Klasse zuordnendes Datenverarbeitungssystem.
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Vorteilhafterweise ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 8 die Kontur und die daraus bestimmte Größe der Fläche der Ablagerungen oder Verockerungen ein Mail des Zustands des Trinkwasserbrunnens. Im Zusammenhang mit einem geometrischen Modell des Trinkwasserbrunnens ist auch der räumliche Zusammenhang der Ablagerungen im Brunnen automatisch abgleichbar.
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Die Bildaufnahmeeinrichtung ist nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 9 mit dem oder einem weiteren Datenverarbeitungssystem so verbunden, dass über aufgenommene Baueinheiten, Einbauten und Ausgestaltungen der Trinkwasserbrunnen bestimmbar und damit der Standort des Trinkwasserbrunnens zuordenbar ist.
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Nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 10 ist das wenigstens eine Datenverarbeitungssystem mit einem Datensender/Datenempfänger verbunden, so dass die Analyse der Wasserprobe sowie Ablagerungen oder Verockerungen drahtlos fernübertragbar sind. Damit können Trinkwasserbrunnen über eine Zentrale überwacht werden.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen jeweils prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine Einrichtung zur automatischen Überwachung von Trinkwasserbrunnen mit einem Band für eine Wasserprobe und
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2 eine Einrichtung zur automatischen Überwachung von Trinkwasserbrunnen mit Tellern für eine Wasserprobe.
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Eine Einrichtung zur automatischen Überwachung von Trinkwasserbrunnen einschließlich der Wasserqualität zur Ableitung eines Reinigungsregimes besteht im Wesentlichen aus einer Vorrichtung zur automatischen Analyse von Wasserproben und einer im Trinkwasserbrunnen verfahrbaren Bildaufnahmeeinrichtung 2 für die Innenwandung des Trinkwasserbrunnens sowie einem Datenverarbeitungssystem 3.
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Die 1 zeigt eine Einrichtung zur automatischen Überwachung von Trinkwasserbrunnen mit einem Band für eine Wasserprobe in einer prinzipiellen Darstellung.
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Die Vorrichtung zur automatischen Analyse von Wasserproben und die im Trinkwasserbrunnen verfahrbare Bildaufnahmeeinrichtung 2 für die Innenwandung des Trinkwasserbrunnens sowie das Datenverarbeitungssystem 3 befinden sich als Einrichtung zur automatischen Überwachung des Zustands von Trinkwasserbrunnen auf einen gemeinsamen Träger.
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Die Vorrichtung zur automatischen Analyse von Wasserproben besteht im Wesentlichen aus
- – einer Fördereinrichtung für Wasserproben aus dem Wasser 1 des Trinkwasserbrunnens,
- – einem gegenüber einer Bildaufnahmeeinheit 4 bewegbaren Probenträger 5 für wenigstens eine Wasserprobe,
- – mindestens einer elektromagnetischen Strahlungsquelle 6 für die Probe auf dem Probenträger 5 und
- – dem mit der Bildaufnahmeeinheit 4 verbundenem Datenverarbeitungssystem 3 zur Analyse der Wasserprobe aus dem aufgenommenen Bild der Wasserprobe auf dem Probenträger 5.
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Die Fördereinrichtung ist eine bekannte Pumpe 7. Der Einlass ist überein Rohr 8 mit dem Wasser 1 des Trinkwasserbrunnens verbunden. Der Auslass der Pumpe 7 ist mit einem weiteren Rohr 9 verbunden, wobei dieses Rohr 9 über dem horizontal angeordnetem Probenträger 5 endet. Damit gelangt Wasser 1 als Wasserprobe des Trinkwasserbrunnens über das Rohr 8, die Pumpe 7 und das weitere Rohr 9 auf den Probenträger 5. Die Pumpe 7 ist mit dem Datenverarbeitungssystem 3 verbunden, so dass eine bestimmte Menge an Wasser 1 als Wasserprobe gefördert wird.
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Der Probenträger 5 ist in einer ersten Ausführungsform ein endloses auf Trommeln 10 geführtes Band 11, wobei eine Trommel 10 eine Antriebstrommel und die andere Trommel 10 eine Umlenktrommel ist. Der Antrieb der Antriebstrommel ist mit dem Datenverarbeitungssystem 3 verbunden. Das Band 11 weist vorteilhafterweise wenigstens eine Vertiefung für die Wasserprobe auf. Das Band 11 ist korrespondierend zur Bildaufnahmeeinheit 4 und zum Ende des mit der Pumpe 7 verbundenem Rohrs 9 angeordnet. Das Rohr 9 und die Bildaufnahmeeinheit 4 sind beabstandet zueinander angeordnet. Die Vertiefung befindet sich dabei entweder zur Befüllung unter dem Ende des Rohrs 9 oder zur Bildaufnahme unter der Bildaufnahmeeinheit 4 (Darstellung in der 1). Der Antrieb für das Band 11 ist beispielsweise ein bekannter rotatorischer Schrittantrieb. Natürlich kann das Band 11 auch mehrere wenigstens in einer Reihe angeordnete Vertiefungen aufweisen.
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Der Probenträger 5 ist in einer zweiten Ausführungsform wenigstens ein mindestens eine Vertiefung für die Wasserprobe aufweisender und horizontal angeordneter sowie angetrieben verfahrbarer Teller 12. Der Teller 12 ist korrespondierend zur Bildaufnahmeeinheit 4 so angeordnet, dass ein Bild wenigstens eines Bereiches der Vertiefung mit der Bildaufnahmeeinheit 4 aufgenommen wird. Das Ende des mit der Pumpe 7 verbundenem Rohrs 9 ist über dem Teller 12 so angeordnet, dass Wasser 1 als Wasserprobe in die Vertiefung gelangt. Nach einer Bewegung des Tellers 12 befindet sich die Vertiefung zur Bildaufnahme unter der Bildaufnahmeeinheit 4. Für diese Bewegung des Tellers 12 ist dessen Antrieb 13 mit dem Datenverarbeitungssystem 3 verbunden. Der Antrieb 13 ist dazu beispielsweise ein bekannter rotatorischer Schrittantrieb. Der Teller 12 ist dazu in einer Variante selbst drehbar gelagert. In einer weiteren Variante sind mehrere Teller 12 an einer Drehachse 14 angeordnet.
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Die 2 zeigt eine Einrichtung zur automatischen Überwachung von Trinkwasserbrunnen mit Tellern 12 für eine Wasserprobe in einer prinzipiellen Darstellung.
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In weiteren Ausführungsformen ist das Band 11 oder der Teller 12 transparent für elektromagnetische Strahlung der oder wenigstens einer elektromagnetischen Strahlungsquelle 6. Diese ist dazu zwischen dem endlosen Band 11 oder unter dem Teller 6 angeordnet. Damit wird der Probenträger 5 und die Wasserprobe durchleuchtet. Vorteilhafterweise sind Strahlungsquellen 6 unterschiedlicher Wellenlänge angeordnet, so dass elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge auf die Probe fällt. Die wenigstens eine Strahlungsquelle 6 ist mit dem Datenverarbeitungssystem 3 verbunden.
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Die Bildaufnahmeeinheit 4 ist eine bekannte Digitalkamera mit einem Mikroskop als Vorsatz. Die Digitalkamera wandelt das aufgenommene Bild in digitale Daten, die über die Verbindung in das Datenverarbeitungssystem 3 gelangen.
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Im Datenverarbeitungssystem 3 erfolgt die Analyse der Wasserprobe aus dem aufgenommenen Bild der Wasserprobe. Bei der Analyse wird das Bild jeweils in einem Modul des Datenverarbeitungssystems 3 vorverarbeitet und segmentiert. In weiteren Modulen werden Merkmale in Form der Kontur oder der Größe oder der Farbe oder der Grauwerte oder der Textur oder einer Kombination davon extrahiert und Objekte klassifiziert. Die einzelnen Module sind im Datenverarbeitungssystem 3 realisiert und miteinander verbunden. Dabei ist das Modul zur Klassifikation von Objekten mit einem Datenspeicher als Datenbank bestimmter Objekte verbunden, wobei Merkmale in Form der Kontur oder der Größe oder der Farbe oder der Grauwerte oder der Textur oder eine Kombination davon mit gespeicherten und bekannten als Klassifikatorwissen abgelegten Merkmalen verglichen wird. Weiterhin ist das Modul zur Klassifikation ein die Ähnlichkeit des Objekts gegenüber bekannten Objekten der Datenbank des Datenverarbeitungssystems 3 bestimmendes Modul zur Klassifikation, wobei während der Berechnung der Ähnlichkeit die Ähnlichkeitsmaße entweder als Distanz- oder als Ähnlichkeitswerte jeweils zwischen dem Objekt und den bekannten Objekten der Datenbank so lange ermittelt werden, bis entweder ein Minimum der Distanzwerte oder ein Maximum der Ähnlichkeitswerte vorhanden ist und der Grad der Übereinstimmung durch das Ähnlichkeitsmaß so bestimmt ist, dass der Grad der Übereinstimmung mit sinkendem Ähnlichkeitsmaß abnimmt. Das Datenverarbeitungssystem 3 ist dazu ein das einer Klasse ähnlichste Objekt einschließlich dem dazugehörigem Ähnlichkeitsmaß dieser Klasse zuordnendes Datenverarbeitungssystem. Damit kann bei der Betrachtung der Ergebnisse ein nicht sicher bestimmtes Objekt kleiner Ähnlichkeit manuell nachbestimmt werden.
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Die im Trinkwasserbrunnen verfahrbare Bildaufnahmeeinrichtung 2 für die Innenwandung des Trinkwasserbrunnens ist mit dem Datenverarbeitungssystem 3 verbunden. Dabei werden im Datenverarbeitungssystem 3 jeweils in einem Modul Merkmale in Form der Kontur oder der Größe oder der Farbe oder der Grauwerte oder der Textur oder eine Kombination davon extrahiert und Objekte klassifiziert, so dass Ablagerungen und Verockerungen als Objekte auf der Innenwandung des Trinkwasserbrunnens aufgenommen und bestimmt werden. Die Bildaufnahmeeinrichtung 2 ist dazu eine bekannte Videokamera. Diese kann vertikal im Trinkwasserbrunnen verfahren und um ihre Achse gedreht werden. Derartige Antriebssysteme 14 sind bekannt. Weiterhin ist eine Lichtquelle 15 so angeordnet, dass die aufzunehmende Innenwandung beleuchtet wird. Die Lichtquelle 15 ist mit dem Datenverarbeitungssystem 3 verbunden.
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Die Kontur und die daraus bestimmte Größe der Fläche der Ablagerungen oder Verockerungen ist dabei ein Maß des Zustands des Trinkwasserbrunnens. Gleichzeitig werden Baueinheiten und Ausgestaltungen des Trinkwasserbrunnens aufgenommen, die als Objekte dem Standort zuordenbar sind.
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Das Datenverarbeitungssystem 3 ist mit einem Datensender/Datenempfänger verbunden, so dass die Analyse der Wasserprobe sowie Ablagerungen oder Verockerungen drahtlos fernübertragbar sind.
