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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messkabel zur hydrostatischen Bestimmung von Höhen im Untertagebau.
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Schildausbausysteme im Untertagebau können Bewegungen teilweise oder vollständig automatisiert ausführen. Dazu sowie allgemein zur Kontrolle des Zustands des Systems, insbesondere aus der Ferne, ist es erforderlich, die Lage des Schildausbausystems entlang des Strebs genau zu kennen. Neben der Messung von Neigungswinkeln ist insbesondere die Kenntnis der genauen Höhe verschiedener Teile des Schildausbausystems relevant. Durch die Messung der Höhe an verschiedenen Abschnitten des Schildausbausystems können relative Abstände bestimmt werden. Beispielsweise lässt sich aus dem Höhenunterschied zwischen der Kappe und der Kufe die Höhe einzelner Schilde und daraus wiederum die Höhe des Strebs an dieser Stelle bestimmen. Aus mehreren Messungen entlang des Strebs kann zudem ein genaues Höhenprofil des Schildausbausystems bzw. des Strebs ermittelt werden.
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Zur Messung von Höhendifferenzen sind Schlauchwaagen bekannt, bei denen die relative Höhe eines Endes eines mit einer Flüssigkeit gefüllten Schlauchs gegenüber dem anderen Ende dieses Schlauchs aus dem Druckunterschied der Flüssigkeit an diesen beiden Enden bestimmt wird. Mit Hilfe solcher Schlauchwaagen ist es möglich, über Distanzen von mehreren Metern einen Höhenunterschied zwischen zwei Messpositionen mit einer Genauigkeit im Millimeterbereich zu messen. Sollen mehrere Messpunkte gleichzeitig bestimmt werden, kann der Druck der Flüssigkeit in dem Schlauch an mehr Stellen als lediglich den Enden des Schlauchs zugleich gemessen werden. Prinzipiell sind auf diese Weise sehr lange Schlauchwaagen denkbar, mit denen in diskreten Abständen ein Höhenprofil entlang der gesamten Länge des Schlauchs bestimmt werden kann.
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Schwierigkeiten ergeben sich bei der Einrichtung eines solchen Systems und insbesondere bei der Anpassung an verschiedene Verläufe und Längen. So sind zunächst der Schlauch zu verlegen und verschiedene Drucksensoren an entsprechende Positionen anzubringen. Anschließend muss der Schlauch als Ganzes mit einer Flüssigkeit befüllt und zugleich entlüftet werden. Dies erfordert insbesondere zusätzliche Pumpen zur Befüllung der Schlauchwaage mit der Flüssigkeit und zur Aufrechterhaltung eines Grunddrucks. Gerade im Untertagebau ist der vorhandene Raum jedoch in der Regel sehr eingeschränkt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur hydrostatischen Bestimmung von Höhen im Untertagebau zu schaffen, die einfach, platzsparend und an die Bedingungen im Untertagebau gut angepasst ist sowie sich gut in bereits vorhandene Systeme, insbesondere Schildausbausysteme, integrieren lässt.
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Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 und insbesondere dadurch, dass ein Messkabel einen von einem Kabelmantel umgebenen Kabelstrang mit zwei Enden, einen mit einem Fluid gefüllten Schlauch, mindestens einen an dem Schlauch angeordneten Drucksensor an einem Ende des Kabelstrangs sowie an den beiden Enden des Kabelstrangs jeweils ein Steckverbindungselement umfasst.
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Das erfindungsgemäße Messkabel entspricht in seinem Erscheinungsbild im Wesentlichen einem im Untertagebau typischen Kabel und ist durch einen vorzugsweise robusten Kabelmantel gegen Beschädigungen infolge von starker mechanischer Beanspruchung geschützt. Insbesondere kann das Kabel an im Untertagebau relevante Sicherheitsstandards (z. B. Ex) angepasst sein. Der Kabelmantel umgibt einen Kabelstrang, der zahlreiche Leitungen zur Erfüllung verschiedener Funktionen im Untertagebau umfassen kann und insbesondere über seine gesamte Länge von einem Schlauch durchzogen ist. Der Schlauch ist mit einem Fluid gefüllt und dicht verschlossen. Bei dem Fluid kann es sich um eine Flüssigkeit, beispielsweise Wasser handeln. An einem Ende des Schlauchs und somit zugleich an dem einen Ende des Kabelstrangs des Messkabels ist ein Drucksensor vorgesehen, durch den der Druck des Fluids an dieser Stelle ermittelt werden kann. Entlang des Schlauchs und insbesondere an dem anderen Ende des Schlauchs können weitere Drucksensoren vorgesehen sein.
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Der lokale Druck des Fluids in dem Schlauch hängt nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren von der Lage des Schlauchs im Raum ab. Der relative Druck zwischen zwei Messpunkten an dem Schlauch kann als Maß für den Höhenunterschied zwischen diesen Messpunkten herangezogen werden. Auf ähnliche Weise kann der relative Druck zwischen zwei verschiedenen Fluiden, die im Wesentlichen demselben Verlauf im Raum folgen, zur Höhenmessung herangezogen werden. Somit kann das Messkabel, gegebenenfalls gleichzeitig mit anderen Funktionen, die denen herkömmlicher Kabel entsprechen können, zur Höhenbestimmung verwendet werden. Da das Fluid dabei in dem Schlauch eingeschlossen ist, ist ein aufwändiges Entlüften und Befüllen des Schlauchs nicht erforderlich. Das Messkabel kann daher ohne solche vorbereitenden Schritte unmittelbar und somit besonders einfach eingesetzt werden.
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Wie bereits erwähnt, kann das Messkabel neben dem mit dem Fluid gefüllten Schlauch verschiedene Leitungen umfassen, die sich durch den Kabelstrang erstrecken. Dabei kann es sich beispielsweise um elektrische Leitungen zur Stromversorgung der Drucksensoren in dem Messkabel und/oder zum Auslesen von Messsignalen dieser Drucksensoren handeln. Es können aber auch (weitere) Leitungen zu ganz anderen Zwecken durch das Messkabel hindurchgeführt sein. Somit kann ein Messkabel, in das alle Funktionen eines herkömmlichen Kabels integriert sind, dieses herkömmliche Kabel einfach ersetzen. Auf diese Weise kann die Höhenmessung ohne das Verlegen zusätzlicher Kabel sondern lediglich durch den Austausch bereits vorhandener Kabel und somit besonders platzsparend und weitgehend an bereits vorhandene Systeme angepasst erfolgen.
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An den Enden des Kabelstrangs des Messkabels ist jeweils ein Steckverbindungselement vorgesehen, mit dem das Messkabel an weitere Elemente angeschlossen werden kann. Bei diesen Elementen kann es sich beispielsweise um Teile eines Schildausbausystems, um Verlängerungen, Verzweigungen oder um eine Einrichtung zum Auslesen von Messsignalen, z. B. Druck- und/oder Höhensignale, des Messkabels handeln. Insbesondere kann es sich auch um weitere gleichartige Messkabel handeln, so dass mehrere Messkabel miteinander in einer Reihe verbunden werden können, wie weiter unten beschrieben wird. Zudem können die Steckverbindungselemente etablierten Standards für Anschlüsse im Untertagebau entsprechen, so dass sie sich besonders einfach in bestehende Systeme integrieren lassen.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, den Zeichnungen sowie den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Drucksensor dazu ausgebildet sein, den Druck des Fluids im Schlauch relativ zu dem Druck eines weiteren Fluids in der Umgebung des jeweiligen Drucksensors zu bestimmen. Bei dieser differentiellen Druckmessung gibt der Drucksensor den Druck des Fluids nicht als absoluten Wert aus, sondern als Unterschied zu dem Druck eines weiteren Fluids. Bei diesem Referenzfluid kann es sich beispielsweise einfach um die Umgebungsluft um das Messkabel herum handeln. Bevorzugt ist das Referenzfluid allerdings in einem definierten Volumen angeordnet, das bezüglich seiner Größe und Lage im Raum im Wesentlichen der Größe und der Lage des Schlauchs entspricht. Dann nämlich wirken sich Veränderungen der Lage des Messkabels, insbesondere der Höhe der beiden Enden des Kabelstrangs relativ zueinander, gleichermaßen auf das Fluid im Schlauch und auf das weitere Fluid aus, so dass der Druckunterschied zwischen den Fluiden besonders gut zur Höhenbestimmung herangezogen werden kann.
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Es kann dabei vorteilhaft sein, wenn das weitere Fluid einen Innenraum des Messkabels ausfüllt. Bei dieser Ausführungsform stellt das Messkabel mit dem Kabelmantel und den beiden Steckverbindungselementen ein abgeschlossenes Volumen dar, das mit dem weiteren Fluid, beispielsweise Luft oder einem anderen Gas, gefüllt ist. Das Fluid in dem Schlauch des Messkabels und das weitere Fluid in dem Innenraum des Messkabels sind dann bezüglich ihres jeweiligen Verlaufs im Raum im Wesentlichen gleich angeordnet.
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Alternativ dazu kann es vorteilhaft sein, wenn das Messkabel einen weiteren Schlauch umfasst, der mit dem weiteren Fluid gefüllt ist und sich als Teil des Kabelstrangs von dessen einem Ende zu dem anderen Ende entlang des Messkabels erstreckt. Auch hier sind das Fluid und das weitere Fluid bezüglich ihres jeweiligen Verlaufs im Raum im Wesentlichen gleich angeordnet. Ein besonderer Vorteil bei dieser Ausführungsform ist jedoch, dass das Messkabel als Ganzes keinen für das weitere Fluid abgeschlossenen Innenraum aufweisen muss. Dies vereinfacht die Fertigung des Messkabels, ohne dass auf die Vorteile einer differentiellen Messung mit einem Referenzfluid verzichtet werden müsste.
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Gemäß einer anderen Ausführungsform umfasst das Messkabel mindestens zwei Drucksensoren, von denen mindestens ein Drucksensor an einem Ende und mindestens ein anderer Drucksensor an dem anderen Ende des Kabelstrangs angeordnet sind, wobei die Drucksensoren dazu ausgebildet sind, den Druck des Fluids in dem Schlauch in der Umgebung des jeweiligen Drucksensors absolut zu bestimmen. Im Gegensatz zur genannten differentiellen Druckmessung, bei der der jeweilige Drucksensor direkt eine Druckdifferenz ausgibt, aus der dann eine Höhe bestimmt werden kann, wird bei dieser Ausführungsform jeweils ein absolutes Messsignal ausgegeben. Durch die Verwendung von mindestens zwei Drucksensoren kann daraus wiederum eine Druckdifferenz bestimmt werden. Da zumindest an den beiden Enden des Kabelstrangs jeweils ein Drucksensor vorgesehen ist, kann daraus direkt der Höhenunterschied zwischen diesen Enden ermittelt werden. Sind weitere Drucksensoren zur absoluten Druckmessung entlang des Schlauchs angeordnet, können weitere Höhenunterschiede jeweils paarweise zwischen zwei Drucksensoren, vorzugsweise jeweils in Bezug auf einen der Drucksensoren an einem Ende des Kabelstrangs, und daraus ein Höhenverlauf des Messkabels bestimmt werden.
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Es kann ferner vorteilhaft sein, wenn der Schlauch einen für das Fluid diffusionsfesten Mantel aufweist. Bei Ausführungsformen, bei denen ein weiterer Schlauch für ein weiteres Fluid vorgesehen ist, kann es zudem vorteilhaft sein, wenn dieser einen für das weitere Fluid diffusionsfesten Mantel aufweist. Bei dem erfindungsgemäßen Messkabel brauchen die Schläuche nicht mit einem jeweiligen Fluid befüllt, entlüftet oder entleert zu werden, weil das jeweilige Fluid permanent in dem Schlauch enthalten ist. Dafür ist es wichtig sicherzustellen, dass das Fluid nicht durch den jeweiligen Schlauch diffundieren kann. Hierzu kann ein Mantel des jeweiligen Schlauchs auf an sich bekannte Weise diffusionsfest für das jeweilige Fluid ausgebildet sein, beispielsweise durch die Verwendung eines doppelten Schlauchmantels mit einem Gas im Zwischenraum oder durch die Aufbringung einer speziellen, die Diffusion behindernden Schicht. Auf diese Weise kann eine hohe Langlebigkeit des Messkabels gewährleistet werden.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann ein jeweiliger Schlauch des Messkabels ein abgeschlossenes Volumen umgeben und einen Expansionsabschnitt aufweisen, durch den dieses Volumen variabel ist. Handelt es sich bei dem verwendeten Fluid um eine Flüssigkeit, kann es bei der Verwendung des Messkabels, insbesondere bei einem besonders großen Höhenunterschied zwischen den Enden des Messkabels, zu Unterdrucken in dem Messkabel kommen, die zum Austreten von Gasen aus der Flüssigkeit oder zum Auftreten von Vakuumbereichen innerhalb des Schlauchs führen können. Um dies zu verhindern, können jeweilige Schläuche des Messkabels Expansionsabschnitte aufweisen, durch die das Volumen des Schlauchs automatisch an die herrschenden Druckverhältnisse angepasst wird.
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Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn das Messkabel eine Elektronikeinheit umfasst, an die die Drucksensoren des Messkabels elektrisch angeschlossen sind und die über Leitungen mit dem ersten und dem zweiten Steckverbindungselement verbunden ist. Diese Elektronikeinheit kann einen jeweiligen Drucksensor mit Strom versorgen und Messsignale des Drucksensors auslesen. Wenn das Messkabel mehrere Drucksensoren umfasst, kann die Elektronikeinheit mit all diesen Drucksensoren verbunden sein und alle jeweiligen Messsignale empfangen. Vorzugsweise kann die Elektronikeinheit die Messsignale umrechnen bzw. miteinander verrechnen und auf diese Weise zumindest einen ersten Schritt zur Bestimmung eines Höhenwerts aus den Messsignalen ausführen. Durch die Verbindung der Elektronikeinheit mit den beiden Steckverbindungselementen über Leitungen des Kabelstrangs kann die Elektronikeinheit über diese Steckverbindungselemente ihrerseits mit Strom versorgt werden und Signale ausgeben. Sind in dem Messkabel weitere Leitungen vorgesehen, die nicht zur Funktion des Messkabels zur Höhenbestimmung beitragen, kann die Elektronikeinheit auch weitere Funktionen im Zusammenhang mit diesen anderen Leitungen erfüllen.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann das erste Steckverbindungselement des Messkabels mit dem zweiten Steckverbindungselement eines anderen gleichartigen Messkabels mechanisch und/oder elektrisch verbindbar sein. Das erste Steckverbindungselement ist dann komplementär zum zweiten Steckverbindungselement ausgebildet, beispielsweise nach Art eines Steckers und einer Buchse. Die Verbindung kann auf an sich bekannte Weise kraftschlüssig und/oder formschlüssig erfolgen. Insbesondere können die Steckverbindungselemente im Untertagebau typischerweise verwendeten Anschlüssen entsprechen und auf diese Weise kompatibel zu einer Vielzahl vorhandener Einrichtungen sein. Die Verbindung zwischen zwei gleichartigen Messkabeln kann unmittelbar erfolgen oder über ein oder mehrere Zwischenelemente. Bei diesen Zwischenelementen kann es sich beispielsweise um Adapter, Verlängerungen, Verzweigungen, um andere Kabel ohne Höhenmessfunktion oder Teile anderer Einrichtungen wie etwa des Schildausbausystems handeln. Somit lassen sich die Messkabel auf vielfache Weise miteinander und mit weiteren Elementen zusammenschließen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind mindestens zwei Messkabel zu einem Messsystem zur hydrostatischen Bestimmung von Höhen im Untertagebau mechanisch und/oder elektrisch miteinander verbunden. Auch hier kann die Verbindung wiederum unmittelbar oder über die genannten Zwischenelemente erfolgen. Die Verbindung kann seriell oder durch Verwendung von Verzweigungen auch zumindest teilweise parallel erfolgen, so dass bei Verwendung zahlreicher Messkabel lange und komplexe Messsysteme verwirklicht werden können. Vorzugsweise werden die Messkabel überwiegend unmittelbar oder nur durch solche Zwischenelemente, deren Höhenlage im Raum bekannt ist, miteinander verbunden. Auf diese Weise wird gewährleistet, dass aus der jeweiligen Höhendifferenz der Enden der einzelnen Messkabel ein Höhenprofil entlang der gesamten Länge und Verzweigung des Messsystems zuverlässig bestimmt werden kann.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messkabels 11, das einen Kabelstrang 13 mit zwei Enden 15, 17 umfasst. Der Kabelstrang 13 weist einen mechanisch robusten Kabelmantel 19 auf, der den Kabelstrang 13 im Wesentlichen rohrförmig umschließt. Innerhalb des Kabelmantels 19 und entlang des Kabelstrangs 13 sind mehrere Leitungen 21 sowie ein Schlauch 23 angeordnet. Der Schlauch 23 umfasst ein abgeschlossenes Volumen, das vollständig mit einem Fluid 25 gefüllt ist, bei dem es sich in der hier gezeigten Ausführungsform um eine Flüssigkeit (schraffiert) handelt. Den Rand des Schlauchs 23 bildet ein Mantel 27, der für die Flüssigkeit 25 diffusionsfest ist. An dem einen Ende des Schlauchs 23, das dem einen Ende 15 des Kabelstrangs 13 entspricht, weist der Schlauch 23 einen Expansionsabschnitt 29 auf, der durch eine elastische Faltung des Mantels 27 nach Art eines Faltenbalges gebildet ist. Durch diesen Expansionsabschnitt 29 ist das durch den Schlauch 23 definierte Volumen zwar abgeschlossen, aber in seiner Größe variabel und passt sich abhängig von den Druckverhältnissen im Schlauch 23 an.
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An dem anderen Ende des Schlauchs 23 und zugleich am Ende 17 des Kabelstrangs 13 ist ein Drucksensor 31 an dem Schlauch 23 angeordnet, der dazu ausgebildet ist, lokal in der unmittelbaren Umgebung des Drucksensors 31 den Druck der Flüssigkeit 25 zu messen. Der Drucksensor 31 in 1 bestimmt den Druck der Flüssigkeit 25 relativ zu dem Druck eines weiteren Fluids 33 (nicht gezeigt) in der Umgebung des Drucksensors 31, wobei es sich in dieser Ausführungsform bei dem weiteren Fluid 33 um ein Gas handelt, das sich in einem Innenraum 35 des Messkabels 11 befindet und darin eingeschlossen ist. Von dem Drucksensor 31 führt eine Leitung 21 zu einer Elektronikeinheit 37, über die der Drucksensor 31 mit Strom versorgt wird und an die der Drucksensor 31 jeweilige Messsignale ausgibt. An den Enden des Kabelstrangs 15, 17 befinden sich ein erstes und ein zweites Steckverbindungselement 39, 41, die als zueinander komplementäre Stecker und Buchse ausgebildet sind und entsprechende Anschlusselemente 43 aufweisen. Die Anschlusselemente 43 sind metallische Kontakte, die über Leitungen 21 mit der Elektronikeinheit 37 verbunden sind.
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Der Kabelstrang 13 sowie der Schlauch 23 und die Leitungen 21 als Teile des Kabelstrangs 13 sind flexibel, so dass insbesondere der Schlauch 23 mit der darin enthaltenen Flüssigkeit 25 auf ganz verschiedene Weise im Raum angeordnet sein kann. Abhängig von der relativen Lage des einen Endes des Schlauchs 23 zum anderen Ende des Schlauchs 23, also abhängig von der relativen Lage des einen Endes 15 des Messkabels 11 zum anderen Ende 17 des Messkabels 11, variiert der von dem Drucksensor 31 gemessene lokale Druck der Flüssigkeit 25, woraus der Höhenunterschied zwischen den Enden 15, 17 des Messkabels 11 bestimmt werden kann.
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2 zeigt wiederum in schematischer Darstellung eine alternative Ausführungsform des Messkabels 11, die im Wesentlichen der in 1 gezeigten entspricht, bei der aber im Unterschied zu der in 1 gezeigten Ausführungsform das Messkabel 11 einen weiteren Schlauch 45 umfasst, der mit einem weiteren Fluid 33, hier einem Gas (gepunktet), gefüllt ist. Den Rand des weiteren Schlauchs 45 bildet ein Mantel 47, der für das in dem Schlauch 45 enthaltene Gas 33 diffusionsfest ist. Wie der Schlauch 23 weist auch der weitere Schlauch 45 einen Expansionsabschnitt 49 auf, durch den das in dem Schlauch 45 eingeschlossene Volumen variabel ist. Der Drucksensor 31 bestimmt den Druck der Flüssigkeit 25 in dem Schlauch 23 relativ zu dem Druck des Gases 33 in dem weiteren Schlauch 45 in unmittelbarer Umgebung des Drucksensors 31. Da das zu Referenzzwecken verwendete Gas 33 in dem weiteren Schlauch 45 diffusionsfest eingeschlossen ist und sich nicht wie in 1 in einem Innenraum des Messkabels 11 befindet, brauchen das Messkabel 11 und insbesondere der Kabelmantel 19 und die Steckverbindungselemente 39, 41 bei der hier gezeigten Ausführungsform keinen diffusionsfest abgeschlossenen Raum für das Gas 33 darzustellen.
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Eine weitere alternative Ausführungsform ist in 3 in schematischer Darstellung gezeigt. Das hier dargestellte Messkabel 11 umfasst zwei Drucksensoren 31, von denen der eine am einen Ende 15 des Kabelstrangs 13 am Schlauch 23 und der andere am anderen Ende 17 des Kabelstrangs 13 am Schlauch 23 angeordnet ist. Der Expansionsabschnitt 29 des Schlauchs 23 befindet sich bei dieser Ausführungsform beabstandet von den Enden des Schlauchs 23. Beide Drucksensoren 31 sind mit der Elektronikeinheit 37 über Leitungen 21 verbunden. Die Elektronikeinheit 37 kann über diese Leitungen 21 die Drucksensoren 31 mit Strom versorgen und jeweilige Messsignale auslesen. Da die Messung des Höhenunterschieds zwischen dem einen Ende 15 des Kabelstrangs 13 und dem anderen Ende 17 des Kabelstrangs 13 durch Messung des Druckunterschieds an den Enden des Schlauchs 23 erfolgt, werden die beiden Messsignale der Drucksensoren 31 in der Elektronikeinheit 37 miteinander verrechnet und als einzelner Differenzwert über die Leitungen 21 an die Steckverbindungselemente 39, 41 weitergeleitet, von wo aus die Signale ausgelesen werden können. An das erste oder das zweite Steckverbindungselement 39, 41 können eine Einrichtung zum Auslesen der Messsignale oder andere Einrichtungen angeschlossen sein (nicht gezeigt). Außerdem kann das Messkabel 11 über die Steckverbindungselemente 39, 41 mit weiteren gleichartigen Messkabeln zu einem Messsystem verbunden werden (nicht gezeigt).
