-
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Messsystem zur Messung des Pegelstandes von Flüssigkeiten in unzugänglichen Hohlräumen. Das Messsystem ist besonders geeignet zur Messung des Wasserstandes in Brunnen oder Kavernen, insbesondere in Verbindung mit Pegelrohren.
-
Die Messung von Pegelständen ist ein Verfahren zur Messung des Abstandes der Flüssigkeitsoberfläche zu einem Punkt, dessen Koordinaten im Raum bekannt sind, z. B. zur Erdoberfläche, zum Boden oder zur Einfüllöffnung des Hohlraumes, in dem die Flüssigkeit sich befindet. Die Pegelmessung lässt sich somit auf die Messung von Entfernungen zurückführen. Ein bekanntes Messprinzip sieht dazu vor, die unterschiedliche Laufzeit zweier Signale zu nutzen, die gleichzeitig von einem Sender abgesetzt werden. Dabei wird ein Signal unter irdischen Bedingungen quasi instantan übertragen (Licht, Radiowelle). Dieses wird häufig zur Triggerung einer Zeitmessung am Empfänger eingesetzt, die durch das Einlaufen des zweiten Signals mit geringerer Ausbreitungsgeschwindigkeit (bspw. Schall) gestoppt wird. Aus der Laufzeitdifferenz und der bekannten Geschwindigkeit des zweiten Signals (genauer aus der Geschwindigkeitsdifferenz der Signale) wird die zurückgelegte Entfernung ermittelt. Sender und Empfänger müssen dabei, außer durch die Signale, nicht untereinander verbunden sein.
-
Dieses Messprinzip wird bspw. von der
DE 20 2016 008 129 U1 umgesetzt. Diese offenbart ein Gerät zur unilateralen Distanzmessung auf der Grundlage des Laufzeitunterschiedes eines codemodulierten Signals, das über zwei Kanäle übertragen wird. Als instantanes Signal wird Infrarotstrahlung und als laufzeitabhängiges Signal ein Ultraschallsignal verwendet. Zur Verfeinerung des Verfahrens entspricht die Modulationsfrequenz des Infrarotsignals der Resonanzfrequenz des Ultraschallsignals.
-
Der
DE 20 2016 008 129 U1 ist ein Verweis auf die
FR 2 692 363 A1 zu entnehmen. Diese setzt das beschriebene allgemeine Messprinzip etwas einfacher um. Es kommen Radiowellen- und Ultraschallwellen zum Einsatz, deren Laufzeitdifferenz zur Bestimmung der Entfernung genutzt wird.
-
Die beiden vorgenannten Druckschriften beschreiben ein nutzbares Messprinzip, enthalten jedoch keine Lehre zur Ausgestaltung eines Pegelmesssystems.
-
Die
DE 10 2008 017 070 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Bestimmung der Füllstandshöhe in einem Behälter (bspw. einem Tank). Dabei kommt eine rohrartige Führung zum Einsatz, in der ein oder mehrere Schwimmer angeordnet sind. Der Schwimmer dient als Reflexionskörper für Messsignale. Über eine Laufzeitmessung wird der Abstand des Reflexionskörpers zu einem Sender/Empfänger bestimmt. Die Messsignale können dabei die flüssigkeitsfreie Strecke über dem Reflexionskörper, aber auch die Flüssigkeit selbst, durchlaufen. Im ersten Fall ist der Sender/Empfänger oberhalb des Reflexionskörpers angeordnet, im zweiten Fall befindet sich der Sender/Empfänger in der Flüssigkeit, am Behälterboden. Eine Kombination der beiden Anordnungsformen ist ebenfalls vorgesehen. Als Messsignale kommen Schallwellen, Ultraschallwellen oder Lichtsignale zum Einsatz. Eine Kombination von Lichtsignalen und Schallwellen ist jedoch nicht vorgesehen. Vorgesehenes Anwendungsgebiet der
DE 10 2008 017 070 A1 ist eine Vorrichtung zur Bestimmung der Füllstandshöhe von Öl in der Ölwanne eines Kraftfahrzeugs.
-
Gegenstand der
US 2002/0064090 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Flüssigkeitshöhe in einem Rohr, das als Wellenführung für die Messsignale dient. Auf dem Flüssigkeitsspiegel schwimmt ein Reflektor mit einer definierten Reflexionshöhe über der Flüssigkeitsoberfläche. Am oberen Ende des Rohres sind zwei Schallsignalgeneratoren angeordnet, die einen definierten Abstand voneinander aufweisen. Ein Schallempfänger am oberen Ende des Rohres empfängt die Schallwellen, die von der Flüssigkeitsoberfläche und dem Reflektor zurückgeworfen wurden. Aus den bekannten Geometrien und den Laufzeitunterscheiden der Schallsignale wird der Abstand zur Flüssigkeitsoberfläche ermittelt. Eingesetzt wird stets nur eine Art von Messwellen.
-
Die
EP 2 738 528 A1 beschreibt ein Messsystem zur Bestimmung des Flüssigkeitsniveaus in einem Tank. Dazu kommt ein Schwimmkörper zum Einsatz, der auf der Flüssigkeitsoberfläche treibt. Eine Zwangsführung ist nicht vorgesehen. Der Schwimmkörper kann jedoch drahtgebunden oder drahtlos von einer zentralen Steuereinheit aus gesteuert werden. Mehrere (mindestens drei) an der Wandung des Tanks fest angeordnete Sensoren empfangen Messsignale des Schwimmkörpers bzw. senden selbst Messsignale aus. Als Messsignale können Schallwellen, Ultraschallwellen, oder elektromagnetische Wellen eingesetzt werden. Die Sensoren empfangen Signale des Schwimmkörpers und bestimmen dessen Position durch Triangulation. Durch den Austausch von Signalen zwischen den Sensoren kann die Schallgeschwindigkeit im Tank bestimmt und der Triangulationsberechnung zu Grunde gelegt werden. Es wird stets nur eine Art von Trägerwellen für die Messsignale genutzt.
-
In der
WO 2007/014703 A2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung beschrieben, mittels derer der Füllstand eines Füllgutes, insbesondere einer Flüssigkeit in einem Behältnis, beschrieben wird. Die Anwendbarkeit der
WO 2007/014703 A2 soll sich von Tanks über offene Behälter bis zu Gewässern erstrecken. Vorgesehen ist ein Schwimmkörper, der mit einem oder mehreren Sensoren kommuniziert. Dies erfolgt entweder, indem der Schwimmkörper Signale der Sensoren empfängt oder selbst Signale an die Sensoren aussendet. Auch der Einsatz eines Navigationssystems im Schwimmkörper ist vorgesehen. Weiterhin kann der Schwimmkörper ein- oder zweidimensional zwangsgeführt werden. Als geeignete Signalträger werden elektromagnetischen Wellen, Schallwellen, Radiowellen, Mikrowellen, Infrarotwellen und Lichtwellen genannt. Weiterhin ist vorgesehen, dass die ausgetauschten Wellen weitere Informationen wie Uhrzeit, Koordinaten etc. enthalten. Nicht vorgesehen ist, Wellen unterschiedlicher Träger (Schallwellen oder elektromagnetische Wellen) gleichzeitig zu verwenden. Auch die bei der Signalverarbeitung auftretenden Probleme (Zeitsynchronisation) werden nicht näher beleuchtet.
-
Eignen würden sich auch Messsysteme, die auf der Nutzung von Ultraschall bzw. Laser beruhen. Nachteilig wirkt sich hierbei jedoch aus, dass bei einer Verwendung von Ultraschall nur kurze Distanzen vermessen werden können, denn Luft weist eine stark mit der Frequenz steigende Dämpfung für Ultraschall auf.
-
Laser als monochromatisches Licht mit engem Frequenzbereich mit scharfer Bündelung und großer Kohärenzlänge setzt hingegen voraus, dass keine Unebenheiten oder Einbauten in einem Pegelrohr vorhanden sind.
-
Es stellt sich somit die Aufgabe, ein Messsystem vorzuschlagen, dass zur Pegelmessung in Flüssigkeiten geeignet ist. Besonders geeignet soll das Messsystem zur Pegelmessung in Brunnen, vertikalen Rohren oder Kavernen sein.
-
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Messsystem nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Messsystems sind den rückbezogenen Unteransprüchen zu entnehmen.
-
Das erfindungsgemäße Messsystem zur unilateralen, drahtlosen Distanzmessung in Pegelrohren weist einen Sender und einen Empfänger auf, wobei der Empfänger dazu eingerichtet ist, akustische und elektromagnetische Signale zu empfangen, zu verarbeiten und zu speichern. Der Sender ist dazu eingerichtet, mindestens ein akustisches und mindestens ein elektromagnetisches Signal auszusenden. Die Ausgestaltung umfasst dabei, dass
- - der Empfänger dazu eingerichtet ist, den zeitlichen Abstand von eintreffenden akustischen und elektromagnetischen Signalen zu bestimmen,
- - der Sender flüssigkeitsdicht und als Schwimmkörper ausgeführt ist, der eine definierte Lage in der Flüssigkeit, auf der er schwimmt, einnimmt,
- - der Sender in seinem Oberflächenbereich oberhalb der Flüssigkeit eine Vorrichtung zur Abgabe mindestens eines akustischen Signals und eine Vorrichtung zur Abgabe mindestens eines elektromagnetischen Signals aufweist,
- - der Sender dazu eingerichtet ist, mindestens ein elektromagnetisches und ein akustisches Signal mit definiertem Zeitabstand zwischen elektromagnetischem und akustischem Signal auszusenden,
- - die akustischen Signale im Frequenzbereich zwischen 20 Hz und 20 kHz (hörbarer Bereich) liegen,
- - der Empfänger oder eine an diesen angeschlossene Datenverarbeitungseinrichtung dazu eingerichtet ist, aus dem definierten zeitlichen Abstand, mit dem der Sender elektromagnetische und akustische Signale ausgesendet hat und dem zeitlichen Abstand, mit dem der Empfänger diese elektromagnetischen und akustischen Signale empfangen hat, die räumliche Distanz zwischen Sender und Empfänger zu ermitteln.
-
Kennzeichnend für die vorliegende Erfindung ist, dass der Sender als aktives Element als Schwimmkörper ausgebildet ist. In den vorgesehenen Einsatzszenarien ist mit dem Verlust des Senders zu rechnen. Dieser kann bspw. in Kavernen oder Brunnen leicht verloren gehen. Vorrichtungen nach dem Stand der Technik (in der Art der
DE 10 2008 017 070 A1 ) nutzen daher bevorzugt passive preisgünstige Schwimmkörper, die die Messsignale lediglich passiv reflektieren und deren Verlust hinnehmbar ist.
-
Durch die erfindungsgemäße Kombination der beiden Signalarten (Schall und elektromagnetische Welle) entfällt jedoch eine komplexe Zeitsynchronisation, wie sie etwa in der
EP 2 738 528 A1 notwendig wird. Der Aufbau des erfindungsgemäßen Schwimmkörpers kann daher preisgünstig mit handelsüblichen Bauteilen erfolgen. Der Verbleib des Schwimmkörpers im zu untersuchenden Medium ist somit überraschend zu wirtschaftlichen Bedingungen möglich.
-
Die Position des Empfängers, insbesondere die Höhenkoordinate, ist optional bekannt bzw. kann durch einfaches Abmessen nach dem Stand der Technik bestimmt werden. Der Empfänger ist vorzugsweise in einem konisch geformten Gehäuse untergebracht. Die konische Form erleichtert das definierte Aufsetzen des Empfängers auf ein Pegelrohr, da diese Form zu einer automatischen Zentrierung der konisch geformten Spitze des Empfängers beiträgt. Unterschiedliche Nennweiten der Pegelrohre führen zu unterschiedlichen Eintauchtiefen der konischen Ausformung des Empfängers in die Pegelrohre. Die Unterschiede können durch Dateneingabe berücksichtigt werden. Ein weitere Ausführungsform sieht vor, bei durch einen Sensor, der in der konischen Außenwand des Empfängers angeordnet ist und anhand der Lage der Berührungskante die Nennweite des Rohres und damit die Eintauchtiefe der konischen Spitze in das Pegelrohr ermittelt, zu berücksichtigen. Die Empfangselemente für die elektromagnetischen und akustischen Signale sind vorzugsweise in der Spitze des konischen Gehäuses angeordnet. Optional kann jedoch auch ein Dreibein oder eine ähnliche bekannte Konstruktion zur definierten Positionierung des Empfängers über einer Öffnung, in der der Pegelstand bestimmt werden soll, genutzt werden.
-
Optional weist der Empfänger ein Sendemodul auf, das geeignet ist, ein Konfigurations-Signal an den Sender zu schicken. Der Sender weist dann ein Empfangsmodul für dieses Konfigurations-Signal auf. Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass vom Empfänger mit dem Konfigurations-Signal die künftige Abschaltdauer des Senders, die zu sendende Anzahl von Messsequenzen und/oder den einzuhaltenden zeitlichen Abstand zwischen dem elektromagnetischen und akustischen Signal an den Sender übermittelt. Optional sind im Konfigurations-Signal weitere Informationen enthalten, bspw. zur Zeitsynchronisation.
-
Optional sendet der Empfänger neben dem Konfigurations-Signal oder in diesem enthalten ein Aufforderungssignal an den Sender, gespeicherte Sensordaten zu übermitteln.
-
In einer Ausführungsform ist der Speicher des Empfängers hinreichend groß, um eine Mehrzahl von Messungen oder auch weiteren Daten (Sender-Identifikation, Koordinaten, Temperatur, pH-Wert, Uhrzeit etc.) zu speichern. Weiterhin optional ist der Empfänger mit einem Geolokalisierungssystem (bspw. GPS, GLONAS) ausgerüstet. In einer vorteilhaften Ausgestaltung können die Geolokalisierungsdaten gemeinsam mit den Messwerten gespeichert werden, so dass im Zuge einer nachträglichen Auswertung die Messwerte den zugehörigen Koordinaten und optional weitere Daten, wie Koordinaten, Temperatur, pH-Wert, Uhrzeit etc. zugeordnet sind. Dies ermöglicht das zügige Messen einer Vielzahl von Pegelständen und eine nachträgliche Auswertung. So können vorteilhaft weniger qualifizierte Mitarbeiter für die Messungen eingesetzt werden.
-
Optional weist der Empfänger eine Sendevorrichtung für Mobilfunksignale auf. Damit können die Messergebnisse vorteilhaft an eine Zentrale übermittelt werden.
-
Optional ist am Empfänger eine Anzeige zur Ausgabe von empfangenen Messwerten oder interner Statusmeldungen des Empfängers vorgesehen.
-
Der Sender ist in einem wasserdichten Gehäuse angeordnet, das in einer Weiterbildung auch luftdicht ist. Das Gehäuse besteht bevorzugt aus einem Kunststoff. Um die Korrosion von Bauelementen im Sender zu verhindern oder zumindest zu verzögern kann das Sendergehäuse mit Schutzgas (bspw. Stickstoff, Argon) gefüllt sein. In einer weiteren Ausführungsform weist das Gehäuse in seinem Inneren eine Absorptionstrocknung auf (Silikagel).
-
Der Sender weist in seinem Gehäuse mindestens einen Emitter für elektromagnetische Strahlung und mindestens einen für akustische Signale auf.
-
Der Schwerpunkt des Gehäuses des Senders ist so angeordnet, dass das Gehäuse eine definierte Schwimmposition einnimmt, bei der die Emitter für elektromagnetische Strahlung und für akustische Signale oberhalb des Flüssigkeitsspiegels, bevorzugt in dem am höchsten aus der Flüssigkeit ragenden Bereich des Gehäuses, positioniert sind. Dies wird bspw. erreicht, indem die Batterie des Senders und andere besonders schwere Bauteile des Senders im Gehäuse an der den Emittern gegenüberliegenden Seite angeordnet sind. Optional ist ein Ballast vorzusehen, der dazu beiträgt, den Sender in der Flüssigkeit in die definierte Schwimmposition aufzurichten. Dem Fachmann sind entsprechende Maßnahmen aus dem Stand der Technik bekannt. Die gewählte Gehäuseform unterstützt das Aufrichten des Senders, so dass sich die Emitter oberhalb der Flüssigkeitsoberfläche positionieren. Dazu kann das Gehäuse bspw. eine ovale, eiförmige, stabförmige oder sonstige längserstreckte Form aufweisen, wobei die Emitter an einem Ende oder in der Nähe eines Endes der größten Längserstreckung angeordnet sind.
-
Neben den Emittern ist im Sender die zugehörige Elektronik enthalten. Dies sind insbesondere mindestens ein Mikrokontroller, mindestens eine Batterie, mindestens eine Antenne als Emitter der elektromagnetischen Strahlung sowie mindestens ein Tonerzeuger als Emitter für akustische Signale.
-
Die Frequenzen des Emitters für elektromagnetische Strahlung liegen bevorzug in Bereichen, die für die allgemeine Nutzung freigegeben sind. Hier kommen bspw. die Frequenzbereiche um 433 MHz, 866 MHz oder 2,4GHz in Frage.
-
Die akustischen Signale des akustischen Emitters liegen im hörbaren Bereich (16 Hz bis 20 kHz). Statt Ultraschallwellen werden Frequenzen genutzt, die im hörbaren Schallspektrum liegen, da deren größere Wellenlänge den Vorteil hat, dass über eine große Distanz hinweg die Dämpfung durch den Luftkörper weit geringer ist.
-
In einer ersten einfachen Ausführungsform des Senders ist der Abstand zwischen der Aussendung des elektromagnetischen und des akustischen Signal Null oder auf einen festen Wert vorgegeben. Eine weiterentwickelte Ausführungsform sieht vor, dass dieser Abstand vor der Platzierung des Senders im Pegelrohr fest eingestellt wird. Ebenfalls vorgegeben werden kann in einer einfachen Ausführungsform der Zeitraum, über den sich der Sender abschaltet. Nach diesem Zeitraum erwacht der Sender selbsttätig und sendet entsprechend seiner Programmierung eine oder mehrere Messsequenzen. Anschließend schaltet sich der Sender wieder für den vorgegebenen Zeitraum ab.
-
Optional weist der Sender ein Empfangsmodul auf, mit dem er ein Konfigurations-Signal des Empfängers auffangen kann. Das Empfangsmodul für das Konfigurations-Signal im Sender ist ebenfalls im Gehäuse so angeordnet, dass er in der stabilen Schwimmposition oberhalb des Flüssigkeitsspiegels liegt. Optional kann das Konfigurations-Signal zusätzliche Informationen enthalten. Diese zusätzlichen Informationen werden dann im Mikrocontroller verarbeitet. Optional kann das Konfigurationssignal als Wake-Up-Signal dienen, das den Sender veranlasst, sich außerhalb des vorgegebenen Zeitintervalls einzuschalten und Messsignale und/oder Messwerte zu senden.
-
Weitere Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung können zusätzliche Sensoren im Sender umfassen.
-
Es kommen elektromagnetische Wellen bei der Pegelmessung zum Einsatz, was die Versendung von digitalen Informationen, so z. B. die Übermittlung von Messwerten besagter Sensoren, ermöglicht. Diese Möglichkeit einer Nutzung von Zusatzinformationen stellt eine qualitative Weiterentwicklung zur reinen Distanzmessung mit Hilfe von Lichtwellen dar. Solche Messwerte können z. B. die Temperatur der Flüssigkeit oder der pH-Wert sein. Der pH-Wert kann sich bspw. beim Eindringen von Prozesswasser in den Abstrom von Spülhalden schlagartig ändern und somit die hydrochemischen Eigenschaften des Landschaftswasserhaushalts intensiv stören. Denkbar ist auch eine Chloridmessung, die eine salinare Kontamination (z.B. bei Pegeln unter dem Einfluss von Salzwasser infolge einer Meeresnähe oder eines zu starken Abpumpens von Rohwasser in pleistozänen Grundwasserbereichen über Salzdiapiren) signalisieren kann. Weitere mögliche Sensoren im Sender erfassen: die Temperatur der Luft oberhalb der Flüssigkeit, das Vorhandensein vorbestimmter Gasarten in der Luft oberhalb der Flüssigkeit, die Konzentration weiterer vorgegebener Ionen in der Flüssigkeit.
-
Optional weist auch der Sender einen Speicher auf. Dort können Messwerte zusätzlicher Sensoren vorteilhaft abgelegt werden. Dies kann unter Einbeziehung von Zeitstempeln eines optionalen Zeitgebers erfolgen. Die Messwerte können dann mit dem Messsignal übermittelt werden.
-
Durch den aktiven Sender werden somit Messmöglichkeiten erschlossen, die passive Schwimmkörper zur Pegelmessung nicht bieten können.
-
Entsprechend dem Bedarf zur Problemlösung können die Messintervalle der erfindungsgemäßen Vorrichtung frei programmiert werden, bevor der Sender der Flüssigkeit (bspw. dem Grundwasserspiegel) zugeführt wird. Somit können kurzzeitige Änderungen des Pegelstandes (des Grundwasserspiegels, wie sie zum Beispiel bei Spülhalden in wechselfeuchten Klimaten auftreten) zeitkongruent erfasst werden. Aufgrund der autarken Arbeitsweise und der geringen Stromaufnahme ist das System zur In-Process-Bestimmung von Pegelstandsänderungen (Grundwasserspiegeländerungen) äußerst wartungsarm. Der Schwimmer (Sender) kann somit über einen Zeitraum von mehreren Jahren hinweg, unabhängig von später in dem Pegelrohr installierten Tools (z.B. Pumpen), zuverlässig arbeiten.
-
Eine nachfolgende Änderung des Messintervalls ist auf Nutzeranforderung wie oben beschrieben, möglich. Hierzu sollte der Sender mit einer Energieeinheit versehen werden, die eine höhere Kapazität aufweist, denn diese Kommunikation mit einem oberirdischen Tool erfordert einen deutlich höheren Stromverbrauch.
-
Optional ist der Sender rückholbar ausgestaltet. Dies kann bspw. durch die Anordnung eines oder mehrerer Magnete im oder am Gehäuse erfolgen. Besonders vorteilhaft werden die Magnete als Ballast im Gehäuse angeordnet. Der Sender kann dann mit einem Magneten an einer Leine erfasst und geborgen werden. Andere Rückholmöglichkeiten sehen Haken an der Außenseite des Gehäuses vor, die sich in einem Netz oder Kescher verfangen und die Bergung des Senders ermöglichen.
-
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst auch alle im Sinne der Erfindung gleich wirkenden Ausführungsformen. Ferner ist die Erfindung auch nicht auf die speziell beschriebenen Merkmalskombinationen beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein, sofern sich die Einzelmerkmale nicht gegenseitig ausschließen, oder eine spezifische Kombination von Einzelmerkmalen nicht explizit ausgeschlossen ist.
-
Figurenliste
-
- 1 zeigt schematisch die Vorrichtung zur Messung des Pegelstandes in einer einfachen Ausführungsform. Der Empfänger mit konischen Gehäuse 1 ist auf einem Pegelrohr 10 aufgesetzt. Auf der Flüssigkeit A schwimmt der Sender mit seinen zentralen Bauteilen Mikrocontroller B, elektromagnetischem Emitter (Antenne) D, dem akustischen Emitter (Tonerzeuger) C sowie der Batterie E. Die elektromagnetische Strahlung D1 und der Schall C1 werden im Pegelrohr zum Empfänger gesandt. Dort werden die elektromagnetischen Signale D1 von der Antenne 3 erfasst, während die Schallsignale C1 vom Mikrofon 4 empfangen werden. Die Signale werden vom Mikrocontroller 2 verarbeitet. Insbesondere wird die zeitliche Differenz des Eintreffens der Signale D1 und C1 ermittelt. Unter Einbeziehung des bekannten zeitlichen Abstandes des Aussendens der Signale kann die Laufzeitdifferenz ermittelt werden. Daraus ergibt sich der Abstand von Sender und Empfänger, was zur Bestimmung des Pegelstandes ausreicht. Eine erste Ausgabe des gemessenen Pegelstandes erfolgt über das Display 9. Die ermittelten Daten werden auf der SD-Karte 6 gespeichert. Ein Mobilfunkmodul (SIM-Modul) 7 übermittelt die Daten an eine Zentrale. Die Stromversorgung des Mikrocontrollers 2 und der anderen Bauteile mit Ausnahme des SIM-Moduls 7 erfolgt über den LiPO-Akku 5. Das SIM-Modul 7 hat in der hier dargestellten Ausführungsform eine eigene Stromversorgung durch den LiPO-Akku 8.
- 2 zeigt schematisch einen Messablauf, der mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung von Pegelständen durchgeführt werden kann. Bei diesem Messablauf ist im Sender eine Temperaturmessung (Sensor) vorgesehen. Dessen Messwert wird mit dem elektromagnetischen Signal an den Empfänger übermittelt. Da die Schallgeschwindigkeit stark temperaturabhängig ist, kann bei der Laufzeitberechnung die Schallgeschwindigkeit bei der gemessenen Temperatur zu Grunde gelegt werden, was die Messgenauigkeit vorteilhaft erhöht.
- 3 zeigt schematisch die Signalverläufe für a) das gleichzeitige Aussenden des akustischen Signals C1 und des elektromagnetischen Signals D1 (ohne zeitlichen Versatz) und b) das Aussenden des akustischen Signals C1 mit einem zeitlichen Versatz a zum elektromagnetischen Signal D1. Da die Laufzeit des elektromagnetischen Signals D1 über die betrachteten Entfernungen nahe Null ist, trifft dieses annähernd zum Zeitpunkt t0 beim Sender ein. Der zeitliche Versatz a ist besonders bei geringen zu erwartenden Abständen zwischen Sender und Empfänger vorteilhaft, da die Empfängerelektronik Zeit zur Verarbeitung des elektromagnetischen Signals D1 gewinnt, bevor das akustische Signal C1 einläuft.
-
Ausführungsbeispiel
-
Basis des im Folgenden beispielhaft vorgestellten Messsystems ist eine unilaterale Distanzmessung in Pegelrohren unter Nutzung von zwei Tools, die als Sender und Empfänger arbeiten (vgl. 1).
-
Beide Tools sind separat mit einem wasserdichten Gehäuse 1, A ummantelt. Der Sender ist als Schwimmer konstruiert, welcher auf der Wasseroberfläche im Pegelrohr 4 aufliegt. Durch seine Miniaturisierung können Rohrweiten genutzt werden, deren Größe mindestens 15 mm überschreitet. Damit ist auch ein Einsatz in Probe- und Behelfsbohrungen denkbar.
-
Ein Kunststoffgehäuse A schützt die innenliegende Elektronik vor eindringender Feuchtigkeit, zudem kommen innenliegende Silikagelpäckchen gegen Kondenswasser zum Einsatz.
-
Die Steuerelektronik weist einen Mikrocontroller B auf, der eine Arbeitsweise in Intervallen ansteuert. Nach einer definierten Zeitdauer der Ruhephase (Sleepmode) wird ein elektromagnetisches Signal, zum Beispiel mit einer Radiofrequenz von 433 MHz, ausgesendet. Dies erfolgt über ein entsprechendes Modul mit Antenne D. Parallel dazu wird ein Tonsignal von beispielsweise 2000 Hz über ein Piezzo-Element (=Tonerzeuger, Buzzer, C) abgegeben.
-
Das Aussenden der Daten dauert wenige Mikrosekunden. Die Dauer des Sleepmodes ist variabel programmierbar und kann einen Zeitraum zwischen wenigen Sekunden bis hin zu Jahren umfassen.
-
Um das Tonsignal aus dem Gehäuse A heraus optimal senden zu können, weist es oberhalb des Tonerzeugers C eine Perforierung auf. Dies ist möglich, da der Tonerzeuger C selbst wasserdicht ist.
-
Die Energieversorgung übernehmen Knopfzellen E, die Eingangsspannung kann je nach Schaltung 3 V oder 6 V betragen. Eine optimale Einsparung von Energie während des Sleepmodes wird durch den Einsatz von Transistoren erreicht, welche sämtliche angeschlossenen Komponenten physikalisch zeitweise von der Stromversorgung trennen.
-
Der Empfänger wird auf die Oberkante des Rohres 4 aufgesetzt. Somit entspricht die Distanz der beiden Elemente zueinander dem Abstand zwischen dem Wasserspiegel und der Rohroberkante. Aufgrund der konischen Ausformung des Gehäuses 1 lässt es sich auf Rohre 4 mit beliebigem Durchmesser zwischen 1 und 5 Zoll aufsetzen. Es verschließt deren Ende, sodass störende Einflüsse der Umgebung unterbunden werden. Wiederum regelt eine Steuerelektronik (Mikrocontroller, 2) die Intervalle von Ruhephase (Sleepmode) und Empfangsphase. Der Empfang der vom Sender ausgestrahlten Signale C1, D1 erfolgt z. B. über ein Radiomodul mit angeschlossener Antenne 3 und einem empfindlichen Mikrofon 4. Der zeitliche Abstand der eingehenden Signale C1, D1 zueinander wird gemessen. Die Stromversorgung übernimmt ein LiPo-Akku 5 (3,6 V oder 7,2 V). Eine starke Miniaturisierung wie bei dem Sender ist bei dem Empfänger nicht erforderlich.
-
Die interne Speicherung des gemessenen Zeitintervalls und die daraus von dem Mikrocontroller 2 errechnete Distanz zum Sender werden durch ein MicroSD-Karten-Modul 6 vorgenommen. Die Distanz berechnet sich aus der linearen Beziehung zu der Laufzeit des Schallsignales C1. Entscheidend hierbei ist der Einfluss der Lufttemperatur, der bei der Kalibrierung berücksichtigt werden muss. Die Laufzeit des elektromagnetischen Signales D1 von wenigen Nanosekunden kann bei den zu messenden Entfernungen vernachlässigt werden.
-
Der Sender taucht in das Wasser A ein, wodurch es zur Stabilisierung seiner Emissionsbedingungen kommt (vgl. 1). Auch der Empfänger ist unterhalb der Pegeloberkante lokalisiert. In beiden Fällen wird ein so entstehender Messfehler durch eine Kalibrierung kompensiert.
-
Die Genauigkeit aller Zeitmessungen beträgt in allen Fällen < 1 µs.
-
Alle Messergebnisse können per GSM oder GPRS-Netz versendet werden. Hierzu steht ein SIM-Karten-Modul 7 zur Verfügung, welches aufgrund seiner erhöhten Stromaufnahme von einem eigenen Akku 8 versorgt wird.
-
Bezugszeichenliste
-
Empfänger
- 1
- Gehäuse des Empfängers
- 2
- Mikrocontroller
- 3
- Radioantenne (Empfänger)
- 4
- Mikrofon
- 5
- LiPo Akku
- 6
- MicroSD Karte
- 7
- SIM Modul
- 8
- LiPo Akku für SIM Modul
- 9
- Display mit Beispielangabe der Messtiefe
- 10
- Pegelrohr
- C1
- akustisches Signal
- D1
- elektromagnetisches Signal
- a
- zeitlicher Versatz des Aussendens von elektromagnetischem und akustischem Signal
- t0
- Aussendezeitpunkt des Signals bzw. der Signale
- t1
- Empfangszeitpunkt des akustischen Signals bei Aussendung ohne zeitlichen Versatz
- t2
- Empfangszeitpunkt des akustischen Signals bei Aussendung mit zeitlichem Versatz
-
Sender
- A
- Gehäuse des Senders (Schwimmer)
- B
- Mikrocontroller
- C
- Buzzer
- D
- Radioantenne (Sender)
- E
- Knopfzelle
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 202016008129 U1 [0003, 0004]
- FR 2692363 A1 [0004]
- DE 102008017070 A1 [0006, 0015]
- US 2002/0064090 A1 [0007]
- EP 2738528 A1 [0008, 0016]
- WO 2007/014703 A2 [0009]
