Entwicklung eines portablen Neigungsmesssystems

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1 1/5 Ingenieurvermessung th International Conference on Engineering Surveying Zürich, März 2004 Entwicklung eines portablen Neigungsmesssystems Elliot Gordon, Geodätisches Institut Technische Universität Darmstadt Zusammenfassung: Das Geodätische Institut der Technische Universität Darmstadt entwickelt in Zusammenarbeit mit der RWE Power AG ein portables Neigungsmesssystem. Dieses System soll zur Überwachung von Bauwerkssetzungen infolge von Grundwasserentnahmen in Braunkohletagebaugebieten eingesetzt werden und die bisher durchgeführten Präzisionsnivellements ersetzen. Im Gegensatz zu den bereits auf dem Markt erhältlichen Geräten arbeitet dieses System mit nur zwei Auflagepunkten und ohne eine weitere Fixierung. Die zentrale Rolle innerhalb der Systemkomponenten nimmt der Handheld-Computer PSION-Workabout ein. Dieser verknüpft die Signale der Neigungssensoren mit der Identifikation der Messstelle über einen Barcodescanner. Die Datenverwaltung auf dem Handheld-Computer ist in Datenbanken organisiert. Diese können in gängige Formate konvertiert werden. Bei Messungen an Objekten im Rheinland wird derzeit die Praxistauglichkeit des Systems geprüft. 1 Motivation Im Umkreis der Braunkohlentagebaue im Rheinland kommt es durch den abbaubedingten Grundwasserentzug zu großräumigen Bodensenkungen, die sowohl eine regelmäßige Beobachtung der Erdoberfläche als auch Setzungsmessungen an zahlreichen Bauwerken erfordern. In diesem Zusammenhang hat die damalige Rheinbraun AG, die in die neue RWE Power AG aufgegangen ist, den Wunsch geäußert, ein Messverfahren zu entwickeln, dass die bisher durchgeführten zeit und kostenaufwändigen Präzisionsnivellements zur Gebäudeüberwachung ersetzt. Am Geodätischen Institut der TU Darmstadt wird daher ein portables Neigungsmessgerät entwickelt und dessen Einsatz geprüft. Das Messprinzip tragbarer Neigungsmessgeräte beruht auf einer Setzstelle, die wie ein Höhenbolzen in das Objekt eingelassen wird. Auf diese Messstelle wird jeweils nur für die Dauer der Messung das Messgerät aufgesetzt. Der abgelesene Neigungswert kann mit vorangegangenen Messungen an dieser Messstelle verglichen werden und gibt Aufschluss über mögliche Bewegungstrends. 1/5

2 2/5 Die Fixierung des Messbalkens an der Setzstelle erfolgt bei bestehenden Systemen beispielsweise dem Clinometer BL200A von SolExperts über drei Punkte. Am Geodätischen Institut der TU Darmstadt wird die Auflage mit nur zwei Punkten und die Minimierung des Einflusses bei Querneigung angestrebt. 2 Systemkomponenten Das portable Neigungsmesssystem der TU Darmstadt besteht aus einem ZEROTRONIC 5 Typ 3 Sensor der Wyler AG (2) (s. Abb. 1), dem Querneigungssensor N2 der Firma SEIKA Mikrosystemtechnik GmbH (3), Verstärker und Schnittstellenelektronik ebenfalls von der Firma SEIKA (5), einem PSION Workabout mit integriertem Barcodescanner zur Datenerfassung (4), dem Messbalken (1) und der Setzstelle (s. Abb. 2). Der Neigungssensor ZEROTRONIC arbeitet nach dem Prinzip eines Vertikalpendels, das zwischen zwei Elektroden gelagert ist. Je nach Sensorlage ändert sich die Kapazität. Darüber wird der Neigungswert digital über das RS232- ACD-Inerface-Modul an den PSION weitergegeben. Der Querneigungssensor N2 ist ein kapazitiv wirkender Flüssigkeitsneigungssensor mit integrierter Sensorelektronik, der ein analoges Spannungssignal liefert. Die Verstärker- und Schnittstellenelektronik besteht aus einem Filternormierverstärker NV8a und dem RS232-ACD-Interface-Modul. Diese Komponenten ermöglichen die Analog/Digital-Wandlung der Spannungssignale des N2 Querneigungssensors und das Auslesen der beiden beteiligten Sensoren über eine RS232-Schnittstelle. Der PSION Workabout Scanner ist ein Handheld-Computer mit 2 MB Arbeitsspeicher, der um 16 MB erweitert werden kann. Die RS232-Schnittstelle ermöglicht die Kommunikation mit den Sensoren oder einem PC. Mit dem eingebauten Scanner können Barcodes erfasst werden. Das Messprogramm für den PSION-Computer wurde in der mitgelieferten Software-Entwicklungsumgebung OVAL (Object-based Application Language) geschrieben. Der Messbalken ist ein Prototyp. Er besteht aus einem Messingblock, an den der Neigungssensor angeschraubt ist. An der Unterseite des Blocks befindet sich die Aufnahme für die Setzstelle. Sie ist als V-Nut auf beiden Seiten ausgebildet und kann darüber auf die Kugeln der Messstelle aufgesetzt werden. Die Messbasis beträgt 20 cm. Die Setzstelle ist aus Aluminium gegossen. Die Auflagekugeln sind direkt auf die Messstelle geschraubt. Es handelt sich dabei um V2A-Stahlkugeln, die der Maß- und Formgenauigkeit nach DIN 5401 genügen. 2/5

3 3/ Abb. 1 : Systemkomponenten 3 Identifikation der Messstelle Abb. 2 : Setzstelle Beim Zusammenspiel der einzelnen Systemkomponenten nimmt der Handheld- Computer PSION eine zentrale Rolle ein. Er verknüpft die Informationen der Neigungssensoren ZEROTRONIC und N2 mit der Identifikation der Messstelle über einen Scanner. Jede Messstelle ist mit einem Strichcodeaufkleber (s. Abb. 3) versehen, der sie identifiziert. Dieser Barcode wird zu Beginn einer jeden Messung mit dem Laserscanner des PSION eingelesen. Durch Angabe der in 3/5

4 4/5 den Strichen verschlüsselten Nummer auf dem Aufkleber ist auch eine manuelle Eingabe der Punktnummer möglich. Dies ist in der Datenerfassungssoftware implementiert. Somit kann beispielsweise bei einer Beschädigung des Aufklebers oder bei schwacher Batterie des PSION der Scanvorgang umgangen werden. 4 Datenerfassung Abb. 3 : Strichcodeaufkleber Die Neigungsmessung erfolgt in vier Messreihen in jeweils zwei Lagen im Rhythmus Lage1-Lage2-Lage2-Lage1. Pro Messreihe werden 20 Messwerte im 2 sec-takt erfasst. Dieses Intervall ist in der Datenerfassungssoftware einstellbar. Vor und nach jeder Messung mit dem ZEROTRONC-Sensor erfolgt eine Messung mit dem N2-Sensor, bei der die Querneigung des Messbalkens bestimmt wird. So kann der Einfluss der Querneigung auf das eigentliche Signal rechnerisch berücksichtigt werden. 5 Datenverwaltung Die Daten werden in Datenbanken verwaltet zum einen für die Objektinformationen, zum anderen für die Messwerte. Die Barcodeaufkleber können mit einschlägigen Computerprogrammen vom Nutzer des Neigungsmesssystems erstellt werden. Damit bietet sich die Möglichkeit, neben der Punktnummer weitere Informationen über die Messstelle, beispielsweise die Adresse des Messobjektes, in der Zahlenkombination zu verschlüsseln sowie alphanummerische Barcodes zu erstellen. Das Messprogramm soll mit dem eingescannten Strichcode selbstständig aus der Datenbank die Objektinformationen (z.b. Objektart, Adresse, Datum und Wert der ersten Messung) auslesen. Die Datenbank der Messwerte ist ebenfalls nach den Barcodes sortiert, d.h. pro Messpunkt existiert eine Tabelle, in der alle Messwerte und weitere Informationen wie Datum und Uhrzeit abgelegt werden. Die PSION-Datenbanken können in gängige Datenbankformate konvertiert werden. 4/5

5 5/5 6 Fazit und Ausblick Das Neigungsmesssystem ist in der Lage, Neigungsmessungen in Messreihen durchzuführen, die erfassten Daten auf Plausibilität zu prüfen und in festgelegten Strukturen zu speichern. Die Genauigkeit des Systems liegt zurzeit bei 10 µrad. Messungen an Objekten im Rheinland ermöglichen eine Verifikation des Systems im Vergleich mit gleichzeitig stattfindenden Präzisionsnivellements. Ist die Verifikation abgeschlossen, soll das System bei der Überwachung von Gebäuden zum Einsatz kommen, wobei die Messungen von nur einer Person durchgeführt werden. So ist vor Ort ein Bewegungstrend feststellbar und es kann frühzeitig mit eventuellen Gegenmaßnahmen begonnen werden. Literatur: WYLER AG: ZEROTRONIC, PSION ENTERPRISE COMPUTING LTD: PSION Workabout Scanner, SCHULZE, C [2000]: Erstellung eines Messkonzeptes für ein portables Neigungsmesssystem. Technische Universität Darmstadt, Diplomarbeit, 9/2000. KREKER; S [2003]: Untersuchung und Ausbau eines portablen Neigungsmesssystems. Technische Universität Darmstadt, Diplomarbeit, 3/2003. Anschrift: Technische Universität Darmstadt: Dipl.-Ing. Elliot Gordon Geodätisches Institut Petersenstraße 13 D Darmstadt gordon@geod.tu-darmstadt.de 5/5