Pegelmessung goes IoT

Eggenfelden, 03.08.2020

Vom Nilometer zur automatischen Alarmierung: die Historie der Pegelmessung

Die Messung von Wasserständen reicht lange zurück. Bereits die alten Ägypter haben mit mehreren Nilometern den Pegelstand am Nil gemessen, um diese Informationen bei der Bewirtschaftung ihrer Felder zu nutzen.
In Europa kam die Pegelmessung an Fließgewässern im Hochmittelalter auf, als sich das vorindustrielle Mühlenwesen entwickelte und die Wasserentnahme einer rechtlichen Grundlage bedurfte.
Während früher die Daten noch vor Ort „per Hand“ von Mitarbeitern ermittelt, aufgezeichnet und weitergeleitet wurden, haben sich mit den Jahren immer mehr „automatische“ Systeme durchgesetzt. Die manuelle Ermittlung des Wasserpegels vor Ort blieb aber trotzdem lange Zeit das Standardverfahren und ist auch heute noch an sehr vielen Messstellen anzutreffen.
Durch die zunehmende Industrialisierung, Ausbau des Gütertransports auf dem Wasserweg und Besiedlung von Gebieten in potenziellen Überschwemmungsgebieten, kam der hydrologischen Datenerfassung immer mehr Bedeutung zu. Zudem rückte immer mehr die Grundwassermessung in den Vordergrund. Hier aber nicht nur um die Grundwasserreserven für die Trinkwassergewinnung zu ermitteln, sondern auch um z.B. in Deponien die Altlasten zu überwachen.

Aktuell und zuverlässig: was moderne Pegelsysteme heute leisten müssen

Wurde früher vor allem ein Augenmerk auf die Hochwasserfrüherkennung und Alarmierung gelegt, haben uns gerade die Dürrejahre 2018/2019 das andere Extrem vor Augen geführt. Hier kam zu weiten Teilen der Gütertransport auf den Binnengewässern zum Erliegen. Auch weitreichende ökologische Auswirkungen, wie z.B. Fischsterben in Folge des Wassermangels und Trinkwasserknappheit in einigen Gemeinden konnten beobachtet werden. Das öffentliche und mediale Interesse steigt natürlich in solchen Zeiten extrem an. Hier ist es dann wichtig gegenüber der Öffentlichkeit verlässliche Messwerte zur Verfügung stellen zu können.
Gerade in Zeiten des Klimawandels mit seinen Wetterextremen wie Starkniederschlägen und Hitzeperioden können gut funktionierende Alarmsysteme zum Teil lebensrettend sein.
Wichtig dabei ist, dass den zuständigen Behörden und der breiten Öffentlichkeit verlässliche und geprüfte Daten in kürzester Zeit zur Verfügung stehen. Dies geschieht heute schon zum Teil über WEB-Plattformen wie z.B. der Hochwassernachrichtendienst oder die Plattform „Mein Pegel“. Auf der amtlichen Wasserstands- und Hochwasser-App „Mein Pegel“ laufen zur Zeit ca. 2500 Pegel aus ganz Deutschland auf.

Die Herausforderung hierbei ist, die Messwerte Pegelmessung innerhalb kurzer Zeit zu aktualisieren und eine hohe Qualität der dargestellten Werte zu gewährleisten.

So sehen moderne Systeme zur Pegelmessung heute aus

Sehr häufig sind heute hydrostatische Sonden mit Datenlogger und Fernübertragungsmodulen im Einsatz. Bei den hydrostatischen Sonden unterscheidet man Systeme mit Absolut- und Relativdruckmessung. Während bei Absolutdrucksensoren immer ein separater Sensor benötigt wird, um den Barometrischen Luftdruck zu messen und diesen dann wieder rechnerisch vom Messwert der Füllstandsonde abzuziehen, wird bei der Relativdruckmessung dieser barometrische Luftdruck über eine Kapillare im Kabel in die Messzelle geführt. Viele Hersteller schützen diese Kapillare vor Kondenswasser indem sie Trockenmittel verwenden. Diese Trockenmittel haben aber den Nachteil, dass der Wartungsaufwand sehr hoch ist, da dieses zyklisch getauscht werden muss. ACS-CONTROL-SYSTEM geht hier mit seinem neuen System zur Pegelmessung bewusst einen anderen Weg. Durch eine spezielle Luftführung konnte bereits schon beim Vorgängersystem auf dieses Trockenmittel sehr erfolgreich verzichtet werden. Dadurch verringern sich der Wartungsaufwand und die Kosten pro Messstelle erheblich.
Das Wichtigste sind und bleiben genaue und verlässliche Messwerte. Dies wird mittlerweile von vielen Herstellern durch Verwendung von hochwertigen zum Teil kapazitiven keramischen Messzellen angestrebt. Allerdings ist man hier immer noch auf eine Messwertermittlung alleine angewiesen. Laut Pegelhandbuch des Bundes sind aber wichtige Pegel mit einer Redundanzmessung auszurüsten. Bei etwas weniger wichtigen Pegeln und Grundwassermessstellen wird zumindest eine zyklische Messwertüberprüfung z.B. per Lichtlot gefordert. Gemeinsam ist hier der Gedankenansatz, dass der „primäre“ Messwert durch ein anderes physikalisches Messsystem überprüft wird. In der Praxis wird dies häufig durch separat montierte Radar- oder Ultraschallmessungen realisiert. Da diese Sensoren dann aber meist räumlich entfernt z.B. an Brücken oder Auslegern montiert werden, kann es schnell zu Differenzen zwischen den Messwerten am Druck- und Redundanzsensor kommen. Hervorgerufen z.B. durch Aufstauungen an der Brücke oder auch Windeinfluss auf den Ultraschallsensor.
ACS-CONTROL-SYSTEM hat nun die Vorteile der automatischen Redundanzmessung aufgegriffen und gleichzeitig deren aktuellen Nachteile eliminiert. Dabei ist ein neuartiges innovatives Messsystem herausgekommen, dass bereits zum Patent angemeldet ist.
Bei diesem System werden der hydrostatische „Primärsensor“ und die Redundanzmessung in Form einer Laufzeitmessung zusammen in einer Messstelle integriert. Dabei wird in einem Pegelrohr ab 2“ Durchmesser ein Drucksensor wie üblich im Wasser eingetaucht und zudem ein schlanker Ultraschallsensor über den zu erwartendem Höchstwasserstand im gleichen Rohr positioniert. Bei der Messung stellt dann der Drucksensor den Primärwert bereit und nach einem einstellbaren Zyklus, z.B. einmal täglich, wird dann über den Ultraschallsensor ein Referenzwert erzeugt. Diese beiden Werte werden von der Auswertelektronik verglichen. Der Anwender kann im Vorfeld eine maximale Differenz der beiden Messwerte vorwählen, ab der dann eine Alarmierung erfolgt. Dies bietet ein Höchstmaß an Messwertsicherheit und hat den Vorteil, dass bei Ausfall eines Sensors mit dem Reservewert des zweiten Sensors weitergemessen werden kann. Nicht zu unterschätzen ist das immense Sparpotenzial durch Wegfall von häufigen Kontrolllotungen vor Ort. Hier aber nur die Kosten- und die Arbeitszeitersparnis zu betrachten, wäre zu kurz gedacht. Es müssen nicht mehr bei jedem Wetter an einen verschneiten Damm mit der Gefahr ins reißende Wasser abzurutschen Kontrolllotungen durchgeführt werden, was ein großes Plus in Punkto Arbeitssicherheit darstellt.
Ein weiterer wichtiger Punkt bei autark arbeitenden Messstellen ist die Spannungsversorgung. Hier sollten möglichst lange Standzeiten der Batterien möglich sein. An vielen Orten ist es zudem auch schlecht möglich, die Messstellen mit PV-Modulen auszurüsten, da entweder zu wenig Lichteinfall vorherrscht, oder die Gefahr von Vandalismus zu hoch ist. ACS-CONTROL-SYSTEM hat daher seine beiden Datenlogger mit Fernübertragungsmodul so konzipiert, sodass mit einem optimierten Powermanagement Standzeiten der Lithiumbatterien bis zu 10 Jahren möglich sind.Zudem hat der Anwender auch die Möglichkeit, die Module mit Akku-Technologie in Verbindung mit einem PVModuleingang oder bei vorhandener Spannungsversorgung, mit einem Netzteil zu betreiben.

Leicht verbaut und installiert: die Bedienung vor Ort

Wichtig ist eine einfache und intuitive Bedienung und Inbetriebnahme der Messstellen vor Ort. Vorbei sind auch die Zeiten, in denen die Anwender bereit waren spezielle herstellergebundene Programmiergeräte mit Spezialkabeln zu erwerben. ACS-CONTROL-SYSTEM setzt hier auf kontaktlose Low-Power Bluetooth-Schnittstellen, die über vorhandene Tablets bzw. Smartphones angesprochen werden können. Da traditionell ein hohes Augenmerk auf die Schnittstelle Mensch-Maschine gelegt wird, sind die Bedienprogramme (App) so gestaltet, dass diese ohne große Bedienungsanleitungen weitgehend selbsterklärend sind.

Die Datenübertragung, fit für die Zukunft

War vor kurzer Zeit noch das 2G-Netz in Verbindung mit der csd-Datenübertragung die vorherrschende Technologie im Bereich der Datenübertragung, werden die 2G-Netze in naher Zukunft abgeschaltet.
Bei vielen Anwendern ist nun veraltete Technologie verbaut und es muss auf die Schnelle auf moderne Standards umrüstet werden. Aber gerade hier stellt sich ein großes Problem dar. Es werden zwar gerne medienwirksam Begriffe wie 5G-Netzausbau oder IoT (Internet of Things) propagiert, allerdings wird der flächendeckende Ausbau des 5G-Netzes mit Sicherheit noch etwas auf sich warten lassen. Zumal die Pegelmessstellen meist nicht in den Ballungsräumen montiert sind, sondern in entlegenen Landstrichen, die beim 5G-Ausbau mit Sicherheit zuletzt bestückt werden. Zudem ist es fast unmöglich im Dschungel der vielen Provider und Tarifverträge, den richtigen Mobilfunkvertrag für die beste Netzabdeckung vor Ort zu finden. ACS-CONTROL-SYSTEM geht deshalb neue Wege. Bei den Geräten werden zukunftssichere Mobilfunkmodule verbaut, die alle Netze von 2G bis 4G und LTE bedienen können. Zudem besteht eine Vorrüstung für 5G-Netze. Bei der Datenübertragung wird auf eine Embedded-SIM gesetzt, die unabhängig das stärkste Mobilfunknetz und den stärksten Provider vor Ort nutzt.
Für den Anwender entstehen keine zusätzlichen Kosten. Der gesamte Datenverkehr ist entweder für mehrere Jahre bereits im Gerätepreis integriert, oder er kann zyklisch über Daten- oder Wartungsverträge, separat berechnet werden.
Die Datenübertragung erfolgt dabei nach den neuesten Sicherheitsstandards wie z.B. Verschlüsselung der Daten und VPN-Tunnel.

Messdaten sicher verwalten: eine Daten-Cloud speziell für Pegelmesstechnik

Mit dem ACS-Portal bietet ACS-CONTROL-SYSTEM eine Datenplattform zum Verwalten aller Messstellen und Daten. Da es sich hier um keine Daten-Cloud „von der Stange“ handelt, konnte speziell auf die Belange und Bedürfnisse der Grundwasser- und Pegelmessung eingegangen werden.
Über einen autorisierten Benutzerzugang bietet das ACS-Portal einen Zugriff auf die Daten und die Messstellenverwaltung – von jedem Ort der Welt ohne zusätzliche Softwareinstallation. Durch eine übersichtliche Struktur ist auf einen Blick der Status aller Messstellen erkennbar. Messstellen mit Alarmen oder anderen „Auffälligkeiten“ werden sofort gekennzeichnet und können vom Bediener somit schnell lokalisiert werden.
Über die Karten- bzw. Satellitenbildansicht von Google-Maps können die Positionen der einzelnen Messstellen eingeblendet werden, deshalb sind z.B. bei der vorbeugenden Wartung bessere Routenplanungen möglich.
Die Parametrierung oder auch nötige Softwareupdates der Geräte vor Ort können von der Plattform aus durchgeführt werden. Dadurch wird das Aufsuchen der Messstellen auf ein absolutes Minimum reduziert.
Weitere Funktionen wie die grafische Darstellung der Messwerte, Datenübertragung und Archivierung der Daten, sowie verschiedene Reportingfunktionen, runden das Leistungsspektrum ab.

So wichtig wie nie: zuverlässige Alarmierung

Eine ganz wichtige Funktion, die zum Teil auch lebensrettend sein kann, ist das Alarmmanagement. Hat sich in bisherigen Systemen die Alarmierung meist auf SMS-Nachrichten beschränkt, geht ACS-CONTROL-SYSTEM auch hier modernere Wege. Zwar bleibt die klassische SMS bestehen, wird aber ergänzt durch die Möglichkeit Alarme durch eine Push-Nachricht direkt in die ACS-App des Smartphone zu übertragen. Weiterhin bietet sich die Möglichkeit einer WhatsApp oder EmailBenachrichtigung an. Durch die Einteilung der Alarme in Eskalationsstufen ist es möglich, verschiedene Szenarien der Alarmierung ablaufen zu lassen.

Alles aus einer Hand: Wartung mit planbaren Kosten

Ein Grundsatz ist immer noch, dass ein Produkt nur so gut ist wie der Service, der dahinter steckt. Bei ACS-CONTROL-SYSTEM endet der Support nicht bei einer kostenlosen Telefonhotline, sondern wir bieten von der Installation bis zur kompletten Messstellenbetreuung alles aus einer Hand. Der Kunde kann dabei aus verschiedenen Wartungsoptionen ein Paket nach seinen Wünschen zusammenstellen. Der Vorteil besteht in einer professionellen Wartung und Reparatur der Geräte in Verbindung mit einem planbaren Kostenrahmen bei einer Schonung der eigenen Personalressourcen.

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