Als technischer Mitarbeiter am Institut für Wasserbau und landwirtschaftliche Wasserwirtschaft war er maßgeblich an der Entwicklung des nun eingesetzten Messsystems beteiligt und hatte stets gute Ideen zur Weiterentwicklung und Verbesserung des Systems. Ein allgemeiner Dank geht auch an die Abteilung für Wasserbau und landwirtschaftliche Wasserwirtschaft, die ein angenehmes Arbeitsumfeld ermöglicht hat. Natürlich hatten meine Geschwister Bernhard, Jakob und Teresa immer aufmunternde Worte für mich.
Zum Schluss noch ein großes Dankeschön an meine Kommilitonen und Freunde, die arbeitsreiche (Prüfungen, Projekte...) und lockere (Ausflüge, Nachbereitung...) Zeiten mit mir durchgemacht haben. Die Kalibrierung des neuen Messsystems wurde erfolgreich abgeschlossen und die Messungen im Feld lieferten sehr zufriedenstellende Ergebnisse. Es beschreibt die Adaption eines Penetrologger-Systems zur Messung des Bodens des Neusiedler Sees und von Hartschlammschichten.
Da das Grundsystem den Messbereich stark einschränkte, wurde das ursprüngliche Messsystem auf die Grundelemente reduziert. Um einen Überblick über die Krafteinleitung während der Messung zu erhalten, wurde eine analoge Anzeige hinzugefügt.
Allgemein
Fragestellung und Zielsetzung
Untersuchungsgebiet
Seebodenaufbau
Projektbeschreibung
Anforderungen an den Penetrologger für Messungen im Neusiedlersee
Einflussgrößen auf den gemessenen Eindringwiderstand
Die beiden unterschiedlichen Kurven ergeben sich aus den unterschiedlichen Positionen des Wasserspiegels im Graben während der Messungen. Die obere Linie stammt vom unteren Wasserspiegel (sowohl 70 als auch 80 cm bis zur Oberfläche), die untere Linie reicht von 20 bis 30 cm bis zur Oberkante des Grundes. Wie bereits erwähnt, hängt der Eindringwiderstand nicht nur vom Wassergehalt und Matrixpotential, sondern auch von der Speicherdichte des Bodens ab.
Bei gleichem organischen Gehalt variiert die Speicherdichte des Torfbodens; je höher diese, desto höher ist der Widerstand gegen das Eindringen und die Widerstandsfähigkeit des Bodens (Wind & Schothorst, 1964).
Aufbau Penetrologger Grundsystem
Laut Eijkelkamp (2007) eignet sich der Penetrologger zur Messung des Eindringwiderstands von Böden bis zu einer Tiefe von 80 cm.
Funktionsweise Grundsystem
Herzstück des Messgerätes ist der Kraftaufnehmer, der einwirkende Kräfte in messbare Spannungen umwandelt. Kraftaufnehmer auf Basis von Dehnungsmessstreifen (DMS) verfügen über einen sogenannten Federkörper oder Verformungskörper, in den die zu messenden Kräfte eingeleitet werden. Bei der Verformung des Federkörpers entstehen an der Oberfläche Spannungen, die mit Dehnungsmessstreifen gemessen werden.
Die Aufgabe des Federkörpers besteht also darin, die gemessenen Kräfte in Dehnungen umzuwandeln…“ „...Das eigentliche Messelement ist der Dehnungsmessstreifen. Diese Elemente bestehen aus einer Isolierschicht, dem sogenannten Träger, auf dem ein Messgitter aufgebracht ist. Typischerweise werden vier Dehnungsmessstreifen verwendet, von denen zwei so installiert sind, dass sie sich bei Krafteinwirkung dehnen.
Eine Ausgangsspannung wird immer dann erzeugt, wenn die vier Widerstände unterschiedlich sind: beispielsweise wenn sich der Widerstand des Dehnungsmessstreifens aufgrund einer durch eine Kraft verursachten Spannung ändert. Das Ausgangssignal hängt von der Widerstandsänderung des Dehnungsmessstreifens ab, die vom Grad der Dehnung und damit direkt von der eingeleiteten Kraft abhängt.
Labormessungen
Messungen im Schlamm
Allerdings liefern die Experimente keine weiteren verwertbaren Ergebnisse, da der Widerstand aus mehreren Variablen resultiert. Durch die Durchmischung der Probe wird das Gefüge gestört, was großen Einfluss auf den Eindringwiderstand hat (siehe Kapitel 5.4).
Messungen im Sand
Aus den Messprotokollen geht nicht hervor, ob eine schnellere Penetration zu höheren Werten führt als eine langsamere. Bei bewussten Abweichungen von den Standardeinstellungen konnten keine Unterschiede in den Messwerten festgestellt werden.
Feldmessungen
Biologische Station Illmitz - Steg
Da die Software die maximale Messtiefe auf 80 cm begrenzt, waren 2 Messungen erforderlich, um ein vollständiges Profil zu erhalten. Obwohl Pen01 und Pen02 rein optisch gut zusammenpassen, ist bei Pen04 und Pen05 von Problemen bei der Datenerfassung auszugehen. Pen01 und Pen04 korrelieren im oberen Bereich recht gut, sodass die Messmethode grundsätzlich geeignet ist, reproduzierbare Daten zu erhalten.
Der Ausgangswert, der bei allen Messungen über Null liegt, wird durch das Eigengewicht des Penetrologen erreicht, wenn dieser zunächst die Schlammschicht berührt.
Seebad Illmitz
Bei dieser Messung wurde die Schlammoberkante deutlich präzise erfasst, da hier der Ausgangswert Null ist und die Widerstandswerte schön regelmäßig ansteigen (Abbildung 13). Dies wurde erreicht, indem der Penetrologe zunächst die Schlammschicht und damit sein Eigengewicht berührte. Dies könnte durch das weitere Absinken des Penetrologen während des Umbaus der Referenzplatte erklärt werden, es könnten aber auch andere Gründe im Messvorgang selbst liegen.
Probleme und Unzulänglichkeiten bei den ersten Feldmessungen
Da wir komplett auf die digitale Anzeige verzichtet haben, eine ungefähre Abschätzung der Kräfte während der Messung jedoch sinnvoll ist, haben wir diese durch eine analoge Anzeige ersetzt. Da auch der Ultraschall-Höhenmesssensor für die direkte Datenaufzeichnung deaktiviert war, musste eine neue Route gefunden werden. Die X-, Y- und Z-Koordinaten werden per GPS ermittelt, außerdem wird die Eindringgeschwindigkeit durch Änderung der Z-Koordinate erfasst.
Da zur präzisen Erfassung eines GPS-Signals eine möglichst geringe Abschirmung für den Penetrologger-Messer erfolgen muss, wurde diese durch eine „Antennenstruktur“ weitgehend eliminiert.
GPS
Feldlaptop
Feldbox
Sowohl der Datenlogger als auch die GPS-Station können auf Trägerplatten montiert werden, die in die vorgefertigten Schienen eingeschoben werden können (Abbildung 20). Dadurch entsteht ein stabiler Halt sowie die Möglichkeit, die Module im Rucksack zu montieren. Die fertige Box wurde außerdem mit einem Loch für das Anschlusskabel des Hand-GPS-Moduls versehen, um nach den vorgegebenen Punkten zu suchen.
Zusammenhang zwischen Belastung und angezeigter Spannung – zentrische Belastung 28
Für die eigentlichen Berechnungen haben wir die Gewichte einzeln gewogen und so das „wahre“ Gewicht ermittelt. Um das Experiment wiederholbar zu machen, wurde die Datenkabelverbindung als Referenzpunkt genommen (in Abbildung 25 als „Output“ markiert). Wie Sie sehen können, gibt es bei einer Gesamtlast von 5617,3 g (5082 g Gewicht + 535,3 g Platte) einen spürbaren Spannungsunterschied aufgrund der Platzierung der Gewichte.
Die Tabelle zeigt den Durchschnittswert aus einer Reihe von Messdaten für jede Position. Diesem Durchschnittswert entspricht die Position 10 als Wiederholungsmessung der Position 1, die ebenfalls eine zentrische Belastung darstellt.
Gewicht <> Gestänge
Analoge Anzeige
Labor
- Zentrischer Belastungsversuch
- Analoge Anzeige
- Gewicht <> Gestänge
- Kraftaufnehmer
Mit dem Gewicht als zweiter Achse ergibt sich dann ein linearer Zusammenhang und somit eine Gerade mit der Formel y= 29,82x + 44,28. Der Gradient von 29,82x zeigt an, dass bei einer Gewichtszunahme des Penetrometers um ein Kilogramm 29,82 mV mehr vom Spannungssensor geliefert werden. In der ersten Spalte finden Sie das neu hinzugekommene Gewicht, in der zweiten die Summe der Belastung in Gramm.
In der letzten Spalte wird aus der gemessenen Spannung das Gewicht berechnet, das sich ergibt, wenn, wie in 9.1.1 berechnet, 29,82 mV pro Kilogramm verwendet werden. Die Basisspannung ergibt sich unter anderem aus dem Gewicht unter dem Sensor. Da es eine Grundspannung von 38,3 mV hat, zeigt das Display auch ohne Last etwa 3 % an.
Interessanterweise besteht wiederum ein linearer Zusammenhang zwischen Gewicht und angezeigter Spannung (Abbildung 29). Da Abb. 29 jedoch nur den unteren Teil des in Abschnitt 9.1.1 untersuchten Gewichtsbereichs zeigt, kann diese Übereinstimmung als Bestätigung der in den obigen Abschnitten gewonnenen Daten gewertet werden. Die berechnete Spannung ist die Grundspannung abzüglich der Belastung durch das Gewicht der Verbindung.
Wie in Abbildung 30 zu sehen ist, zeigt dieser Test jedoch, dass auch im Spannungsbereich ein linearer Zusammenhang besteht. Als Fazit dieses Experiments können 29,82 mV/kg auch im negativen Spannungsbereich der Messungen zur Auswertung herangezogen werden. Da sich die Dehnungsmessstreifen des Stromrichters in der Mitte des Endmaßblocks befinden, wirkt die Masse darunter als Zugkraft.
Die in Kapitel 0 gemessene tatsächliche Basisspannung von 18,5 mV ergibt sich aus der theoretischen Basisspannung und der Reduzierung durch die den Dehnungsmessstreifen ziehende Masse. Da in Abschnitt 9.1.2 der Penetrologe auf den Kopf gestellt wurde, übt diese Masse nun Druck aus und erhöht die theoretische Basisspannung auf eine gemessene Basisspannung (Offset) von 38,3 mV. Da auf die Maßbänder jeweils die gleiche Masse einwirkt und, wie im vorherigen Kapitel beschrieben, die Spannung pro Kilogramm auf Zug und Druck gleich ist, lässt sich die theoretische Grundspannung berechnen.
Feld
Systematischer Fehler
Dies sollte jedoch so erfolgen, dass die messende Person nicht in die Quere kommt. In der neuen Fassung gab es auch keine Hinweise auf eine Verschlechterung des Schutzes durch den Körper der messenden Person.
Höhenbeschränkungen
Kraftaufnehmer
Der Messbereich wurde theoretisch auf unbegrenzt erweitert, wobei Messpunkte nun per GPS mit einer Genauigkeit von 2 cm vermessen werden können. Diese wurden zufällig mit Echolotmessungen verglichen und stimmen im Wesentlichen mit diesen an den gemessenen Standorten überein (Kogelbauer, 2011). Dadurch werden auch dann Daten generiert, in das Feldbuch übertragen und zusammen mit den GPS-Daten gespeichert, wenn das Messboot keine Echolotmessungen durchführen konnte.
4 Abbildung 2: Zusammenhang zwischen Tragfähigkeit und Feuchtigkeitsgehalt für Torfböden mit einem organischen Anteil von 40 bis 50 % (Schothorst, 1982). 7 Abbildung 4: Korrelation zwischen Penetrationswiderstand und Schüttdichte bei verschiedenen organischen Fraktionen für zwei verschiedene Matrixpotentiale (pF cm und pF 2,0 = 100 cm) (Schothorst, 1982). Auswirkungen des Klimawandels auf den Wasserhaushalt des Neusiedler Sees (Abschlussbericht im Auftrag der Burgenländischen Landesregierung vom 15. Juli 2005).
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Eijkelkamp LAB01121 – PLOTX002
Eijkelkamp LAB01121 – PLOTX004
Eijkelkamp ISTE0831
Feldprotokoll Seebad 31.8.2011
Eijkelkamp IBAD0831
Zentrische Belastung
Exzentrische Belastung
