Inhaltsverzeichnis
1. Pegelmessung
2. Wie wird der Wasserpegel mit einem Drucksensor gemessen?
3. Drahtloses LoRaWAN-basiertes System
4. Installation des Pegelmesssystems
5. Das Elektrizitätssystem des Kololo-Reservats
6. Pegelmessung in vielen Industriebereichen
7. Long Range Wide Area Network
Das Kololo-Wildreservat befindet sich in der Nähe von Vaalwater, Limpopo (Südafrika). Es gehört zum Welgevonden-Wildreservat. Das Reservat ist ländlich gelegen und verfügt deshalb über eine autarke Wasser- und Stromversorgung. Zwar ist Kololo an das Stromnetz angeschlossen – da Ausfälle jedoch vorkommen können, verfügt das Reservat über einen Diesel-Generator für Reserve-Strom. Zudem verfügt es über ein dreistufiges Wassersystem bestehend aus einem Brunnen, acht Sammeltanks und einem Verteilsystem mit Rohren und Schläuchen, um das Wasser zu den Lodges, zum Restaurant und zum Pool zu leiten. Die Hauptwasserquelle ist ein 100 m tiefer Brunnen. Da der Wasserbestand nicht unendlich ist, muss er mittels Pegelmessung im Brunnen eingeschätzt werden. Aus dem Brunnen wird das Wasser über einen Kilometer in acht 5000-Liter-Tanks gepumpt. Sie sind nach ihrem Hersteller Jojo benannt und heißen ebenfalls „Jojos“. Sie befinden sich auf einem Hügel und dienen als Speicher. Das Wasser aus den Jojos wird durch die Schwerkraft über eine Rohrleitung vom Hügel hinab verteilt.
Pegelmessung
Um einen Einblick in den aktuellen Pegelstand zu erhalten, der für den Wasserbestand über einen bestimmten Zeitraum repräsentativ ist, muss sowohl der Pegel im Brunnen als auch in den Jojos gemessen werden. Zu diesem Zweck installierte die Keller AG für Druckmesstechnik, Winterthur, im Februar 2020 ein komplettes System zur Pegelmessung in einem der Jojos. Die Daten werden über ein drahtloses LoRa-Netzwerk ausgelesen. Da alle acht Jojos miteinander verbunden sind, ist der gemessene Pegel auch für die anderen Tanks repräsentativ. Die Schweizer verfügen über ein breites Angebot an analogen und digitalen Pegelsonden. Zusätzlich zur Messung der Standardparameter Temperatur und Pegel können digitale Pegelsonden optional sogar die Leitfähigkeit ermitteln. Da die Daten am Schluss in einer Datenbank auf der Kolibri-Cloud des Herstellers gespeichert werden, kann außerdem die Datenhistorie eingesehen werden, die Rückschlüsse über den Verbrauch, Lecks usw. zulässt.
Wie wird der Wasserpegel mit einem Drucksensor gemessen?
Haben Ihnen beim Tauchen schon mal die Ohren weh getan? Dieses Gefühl entsteht durch das Gewicht der Wassersäule über Ihnen. Gewicht ist eine Kraft, die mit der Formel F = m x g berechnet wird, wobei m = Masse und g = Schwerkraft ist. Druck ist Kraft geteilt durch Fläche, weshalb eine Flüssigkeitssäule mit einem Drucksensor gemessen werden kann. Wenn die Dichte der Flüssigkeit bekannt ist, kann man den Druck in eine Länge (= Flüssigkeitssäule) umrechnen. Wenn man die Länge, die Fläche und die Dichte der Flüssigkeit kennt, kann man die Messdaten in ein Litervolumen umrechnen.
Drahtloses LoRaWAN-basiertes System
Das Projekt verlangte aufgrund der Größe des Reservats eine drahtlose IoT-Lösung, allerdings ist die Mobilfunkabdeckung im Reservat aufgrund der ländlichen Lage minimal. 4G und NB-IoT (also bereitgestellte Netzwerke) sind somit nicht verfügbar. Das Reservat ist jedoch ans Internet angeschlossen. Die Lösung ist ein LoRaWAN-basiertes Mikronetzwerk. Es gibt verschiedene drahtlose IoT-Systeme wie etwa LoRaWAN und Sigfox. Die bekanntesten LoRaWAN-Systeme sind Loriot und The Things Network (TTN). TTN hat den großen Vorteil, dass man mit einem ans Internet angeschlossenen TTN-kompatiblen Gateway ganz einfach eine lokale Abdeckung schaffen kann. Ein typisches lokales LoRa-Netzwerk beinhaltet drei Grundelemente: einen digitalen Sensor oder ein digitales Messgerät, einen LoRa-Transmitter zur Übertragung der Messwerte sowie ein LoRa-Gateway – einen Empfänger, der über Ethernet oder WLAN mit dem Internet verbunden ist, und der die Messdaten in die Kolibri Cloud von Keller weiterleitet. In Kololo wird ein Sentrius-Gateway von Laird als LoRa-Gateway verwendet. Die LoRa-Fernübertragung wird mit einer ADT1-LoRa-Box der Schweizer bewerkstelligt. An die ADT1-Box ist eine digitale Pegelsonde aus der Serie 36XW des Herstellers angeschlossen, die den Druck (= Wasserpegel) und die Temperatur misst. Die ADT1-Box ruft den Pegel von der Pegelsonde ab und überträgt die Daten zusammen mit dem Luftdruck und der Lufttemperatur an den LoRa-Gateway.
Schließlich leitet das LoRa-Gateway alle Daten über das Internet an die Cloud von Keller, in der die Daten gespeichert werden. Die Daten können in der Cloud Web-App eingesehen werden.
Die Web-App bietet jedoch noch viel mehr, als nur die Dateneinsicht: Daten können zum Beispiel exportiert und ausgedruckt, in andere Einheiten umgerechnet oder sogar für Berechnungen von Tankinhalten verwendet werden.
Installation des Pegelmesssystems
- Schritt 1: Das LoRa-Gateway im Büro des technischen Leiters installieren und bei TTN registrieren
- Schritt 2: Den LoRa-Empfang an der Messstelle ermitteln, um zu sehen, ob die ADT1-LoRa-Box eine gute Verbindung zum LoRa-Gateway herstellen könnte. Eine stabile Verbindung zwischen dem Gateway und der ADT1-Box stellt sicher, dass die Daten von der Pegelsonde ins Internet und schließlich in die Cloud von Keller gelangen
- Schritt 3: Die ADT1-Box für die Registrierung und die Verbindung mit dem TTN-Netzwerk einrichten
- Schritt 4: Die Pegelsonde PAA-36 XW an die ADT1-LoRa-Box anschließen und im oder auf dem Tank anbringen
Die Installation und das Set-up dauerten eine Weile, da die Suche nach der richtigen Sendeleistung ohne Überlastung viel Präzision erforderte. Das Gebiet erlaubt es nicht, schnell zurückzukehren, um etwa die Batterien auszuwechseln. Nach der Installation und dem Set-up wurde das System mit einem stündlichen Messintervall gestartet. Am nächsten Tag zeigten die ersten Messungen eine abfallende Kurve. Ein Vergleich zweier nächtlicher Messungen zeigte einen Unterschied von annähernd 100 l/h. Die einzige mögliche Ursache dafür war ein Leck. Die Stelle wurde am Boden eines Tanks gefunden: Ein Rohrgewinde war aus einem Tankanschluss gerutscht. So hatte sich das Pegelmesssystem bereits nach einem Tag bewährt.
Das System könnte mit einer digitalen Pegelsonde aus der Serie 26X des Herstellers für das Bohrloch ausgeweitet werden, um den Grundbestand an Wasser zu überwachen.
Das Elektrizitätssystem des Kololo-Reservats
Kololo ist an ein Stromnetz angeschlossen, doch Stromausfälle kommen vor. Zur Absicherung für solche Fälle besitzt das Reservat einen dieselbetriebenen Stromgenerator. Manchmal werden die Vorratsbehälter nicht gründlich gereinigt; dadurch gelangt beim Auffüllen Wasser in den Dieseltank. Zudem kommt es vor, dass Diesel gestohlen wird. Oft kaschieren die Diebe dies, indem sie die Tanks zum Ausgleich mit Wasser auffüllen. Für einen Diesel-Generator wäre das eine Katastrophe, da Wasser im Motor erhebliche Schäden und damit hohe Reparaturkosten verursacht. Da das LoRa-System höchstens in Abständen von 15 min. Messungen durchführen kann, reicht eine Pegelsonde vielleicht nicht immer, um einen veränderten Dieselpegel zu entdecken, falls der Pegel innerhalb von 15 min. mit Wasser wieder auf das vorherige Niveau erhöht wird. Über die Leitfähigkeit kann man jedoch eine Veränderung in der Zusammensetzung des Gemischs ermitteln. Wasser ist schwerer als Diesel und hat eine andere Leitfähigkeit. Eine veränderte Leitfähigkeit weist also darauf hin, dass sich Wasser im Dieseltank befindet. Die digitale Sonde aus der Serie 36XiW-CTD misst gleichzeitig den Pegelstand und die Leitfähigkeit. Mit dieser Sonde können wir Veränderungen des Pegels und der Leitfähigkeit ermitteln und feststellen, ob sich Wasser im Dieseltank befindet. (jg)
Pegelmessung in vielen Industriebereichen
Das Pegelmesssystem eignet sich für alle Pegelmessungen von Flüssigkeiten in vielen Industriebereichen wie etwa Wildreservate, Bohrlöcher, Landwirtschaft, Petrochemie usw. Jeder Sensor der Schweizer mit einem digitalen Ausgang (RS485 oder SDI-12) kann für IoT-Anwendungen eingesetzt werden.
Details zu den Pegelsonden von Keller
Kontakt:
Keller AG für Druckmesstechnik
St. Gallerstrasse 119
8404 Winterthur/Schweiz
Tel. +41 52 235–2525
info@keller-druck.com
www.keller-druck.com
Die bekanntesten LoRaWAN-Systeme sind Loriot und The Things Network (TTN)Bild: Keller/LoRa Alliance
Long Range Wide Area Network
LoRaWAN steht für Long Range Wide Area Network: ein energiesparendes Netzwerk-Kommunikationsprotokoll für drahtlose Anwendungen (insbesondere IoT). Mit Datenraten von max. 50 kbit/s ist die Technologie für vergleichsweise simple Daten wie Sensor-Messwerte ausgelegt (im Gegensatz etwa zu einem HD-Video-Stream). LoRaWAN hat eine Reichweite von einigen Kilometern und durchdringt auch Gebäude.
