Auswahl der Messmethoden – ohne Standards wird es experimentell

Die richtigen Sensoren zu finden bedurfte einer detaillierten Technologie- und Marktanalyse. Im Projektverbund wurde schon früh als Präferenz die Übertragung der Sensordaten über LoRaWAN festgelegt, was bedingt auf die Auswahl der Sensorik Einfluss hatte. Der LoRaWAN Reichweitentest ergab, dass zusätzlich Mobilfunkmodule für abgelegenere Standorte beschafft werden müssen.

Nach Beurteilung der Eignung von Übertragungsmethoden für die Erfüllung der Ziele des Projekts, steht die Erarbeitung der Kriterien für Sensoren und Auswahl geeigneter Messmethoden an. Das Ziel ist es, den Wasserstand im Extremwetterfall auf der Straße und im Kanal möglich repräsentativ und eindeutig zu messen. Mit den Ergebnissen soll eine kurzfristige  Vorhersage und Alarmierung bei Überflutungen möglich werden. Zudem sollen die Daten der Validierung von 1D/2D-gekoppelten hydrodynamischen Modellen dienen.

Für eine Alarmierung kann im einfachen Fall bereits ein Sensorsignal ausreichen, das ab einem bestimmten Wasserstand eine Meldung auslöst. Hierfür eignen sich z.B. Temperatursensoren oder Schwimmerschalter, welche bei Anstieg des Wasserpegels eine Zustandsänderung dokumentieren. Zur Validierung eines hydrodynamischen Modells sind jedoch höher aufgelöste Daten notwendig. Auch ein Alarmsystem kann von größerer Datendichte profitieren, indem so gebietsweise unterschieden werden kann und die Datensicherheit steigt. Daher sollen Messungen zur Entwicklung des Wasserstands und bestenfalls Durchflussmessungen im Kanal erfolgen.

In Tabelle 1 sind die betrachteten Messmethoden zur automatisierten Wasserstandsmessung aufgeführt, welche für diese Anforderungen infrage kämen. Der Einsatz von Temperatursensoren wird parallel an anderer Stelle getestet. Auf zusätzliche Durchflussmessungen wurde aufgrund der hohen Kosten und der untergeordneten Rolle im Projekt verzichtet.

Messmethode	Messtyp	Eignung  Oberfläche	Eignung  Kanal	Energieverbrauch	Auflagen
Kamera mit Lattenpegel	Optisch	+	–	–	–
Druck	Physisch	+	+	+	+
Ultraschall	Akustisch	+	+	+	+
Radar	Optisch	+	+	0	+
Schwimmer	Physisch	+	+	+	+
Laser	Optisch	0	–	0	–

Laseranwendungen wurden aufgrund der Messunsicherheit bei bewegten Flüssigkeiten und potentieller behördlicher Auflagen bei der Nutzung an der Oberfläche nicht weiter betrachtet. Zudem brint die rein punktuelle Messung auf einen Quadratzentimeter eine zu hohe Störanfälligkeit mit sich, um beim Einsatz einer vertretbaren Menge Sensoren aussagekräftige Ergebniss ezu produzieren. Die Refraktion der Strahlung im Bereich des sichbaren Lichts oder des Infrarot-Bereichs durch den Wasserdampf im Abwasserbereich würde ebenso zu keinen brauchbaren Ergebnissen führen.

Stationäre Kameras mit im Blickfeld markierten Höhenreferenzen sind eine etablierte Methode bei der Wasserstandsmessung von Gewässern und werden ebenfalls in Forschungsprojekten zur Überflutungserkennung verwendet. Allerdings haben Datenschutzauflagen, Energieversorgungsfragen und die Unsicherheit einer zufriedenstellenden Umsetzung durch mehrere Anbieter am Markt und in Rücksprache mit Forschenden in Deutschland und der Schweiz die Methode vorerst unattraktiv gemacht. Für den Einsatz im Kanal sind stationäre Kameras sowohl aufgrund obiger Kriterien, als auch durch das permanente Beschlagen durch Wasserdampf untauglich.

Die Messung mit ist einem Radargerät die der Ultraschallmessung zwar von außen betrachtet ähnlich, unterscheidet sich aber deutlich bei der Messmethode. Während die Radarsonde mit Strahlung im langwelligen Gigaherz-Bereich arbeitet, misst eine Ultraschallsonde indirekt über die zeitliche Differenz von vorher ausgesendeten zurückgeworfenen Schallwellen. Beide Methoden werden für Entfernungsmessungen eingesetzt. Ultraschallsonden sind von der Zusammensetzung und Temperatur der Luft abhängig, da die Ausbreitung und die Geschwindigkeit, mit der sich Schall fortbewegt davon beeinflusst wird. Das kann im Kanalschacht mit einer hohen Luftfeuchtigkeit zu Fehlern führen (es wird von bis zu 10 cm ausgegangen). Dafür sind die Sonden relativ energieeffizient. Radarsonden emittieren hochfrequente, langwellige Strahlung, die wenige dichte Medien gut durchdringen und nach Aggragatszustand sogar differenzieren kann. So kann zum Beispiel schwimmender Schmutz auf der Wasseroberfläche durchdrungen werden, um den Wasserstand zu ermitteln. Ein weiterer Vorteil ist der schmalere Betrachtungswinkel. Bei kleineren Kanalquerschnitten können schmalere Abstrahlwinkel erreicht werden. Allerdings benötigen hochfrequente Radar-Systeme eine höhere Initialspannung und damit mehr Energie, als Ultraschallsensoren. Beide Methoden werden im Projekt vergleichend eingesetzt.

Um einen unabhängigen Vergleichsparameter zu erhalten werden zusätzlich relative Drucksonden im Kanal eingesetzt. Sollte der Wasserstand über den messbaren Bereich der berührungslosen Sensorik hinaus gehen, können Drucksonden weiterhin Daten liefern. Allerdings limitiert am Ende eine Überflutung des Kanalschachts die Sendekapazität beider Sensoren.

An der Oberfläche wären aufgrund der möglichen Ausblendung von Störsignalen Radarsonden zu bevorzugen. Allerdings gestaltet sich eine Standortsuche als sehr schwierig, weshalb dort auf eine andere Methode zurückgegriffen wurde (Oberflächenmesskonzept).

Einer Analyse der Messmethoden folgte ein Vergleich der Geräte nationaler und internationaler Hersteller. Dabei wurden Geräte mit integrierter Datenübertragungseinheit und Einzellösungen betrachtet. Von ursprünglich über 50 betrachteten Lösungen unterschiedlicher Hersteller – von low budget bis zu high tech Sensoren – sind nur wenige tatsächlich allen Kriterien gerecht geworden. Vor allem die Anforderungen an Material (Säurebeständigkeit) und Elektronik (Explosionsschutz-Zertifizierung) hatten eine starke Filterung zur Folge. Viele Datenübertragungsgeräte haben keine Explosionsschutz-Zertifizierung, da sie in vielen Anwendungsfällen außerhalb der explosionsgefährdeten Zone platziert werden. Da nach LoRaWAN Geräten erst seit wenigen Jahren nachgefragt wird, gibt es dementsprechend nur wenige bereits existierende Lösungen mit explosionsgeschütztem Design.

Für die Anwendung der Wasserstandsmessungen über Drucksonde und Ultraschall mit LoRaWAN-Übertragung wurde nur ein Anbieter ausfindig gemacht. Dieser kauft Sensoren von namhaften Herstellern und verbindet sie direkt mit seinen Übertragungseinheiten. Die Alternativlösung über Mobilfunk wurde von mehreren Herstellern angeboten, was mehr Flexibilität bei der Sensorauswahl zuließ. So konnte für den Vergleich mit Ultraschall ein Radargerät für die berührungslose Messung gewählt werden. Die Schwimmerschalter und die Übertragungseinheiten für diese wurden separat bestellt. Da das Messsignal des Schwimmers unkompliziert ist, konnten Geräte verwendet werden, die im Normalfall bei Stromzählern, etc. eingesetzt werden.