Zielsetzung und Anlass des Vorhabens<\/p>\n
Die Niederschlagsmessung durch Erfassen der einzelnen Tropfen ist das genaueste Verfahren zur Regenmengenbestimmung, scheiterte aber im Routinebetrieb bisher an den hohen Kosten und der aufwendigen Ger\u00e4tewartung. Piezoelektrische (PVDF) Folien als Tropfenaufnehmerfl\u00e4chen sind eines der innovativen Teile eines neuartigen Ger\u00e4tes dieses Typs, das den g\u00e4ngigen Systemen vor allem in punkto Wartungsaufwand und Totzeitvermeidung \u00fcberlegen ist. Hinzu kommt ein marktf\u00e4higer Preis bei deutlich geringerer Leistungsaufnahme. Das sehr robust ausgelegte Ger\u00e4t kommt ohne bewegliche Teile und Aufbauten aus und ist erstmals mit Erfolgsaussicht auf hoher See verwendbar. Einsatz von D\u00fcnger und Pflanzenschutzmittel, Schadstoffauswaschung und -Eintr\u00e4ge sowie Bodenerosion h\u00e4ngen eng mit der Tropfenspektroskopie des Regens zusammen, die neben der Regenmenge ebenfalls bestimmt wird.<\/p>\n
Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenGeplant war, das Projekt ist in zwei Teilphasen zu unterteilt, wobei die erste dazu dienen sollte, die Anforderungen genau zu definieren um dann einen geeigneten Kooperationspartner finden zu k\u00f6nnen.
\nPhase 1 :
\n– Untersuchungen: Elektroden an PVDF, Einfluss von Ladung und Temperatur der Regentropfen.
\n– Aufbau einer Schaltung zur Pulsanalyse mit Hilfe eines digitalen Signalprozessors.
\n– Untersuchung verschiedener, kommerziell vertriebener, Piezowandlersysteme aus der Industrie, insbesondere auf Empfindlichkeitshomogenit\u00e4t und St\u00f6ranf\u00e4lligkeit durch Wasserdampfdiffusion.
\n– Untersuchung verschiedener Materialien zur Schwingungsd\u00e4mpfung und der damit verbundenen L\u00e4rmreduktion und Entkopplung vom Untergrund.
\n– Messwertanalyse mittels neuronalem Netz.
\nPhase 2 (geplante Arbeiten, zu denen es aufgrund von Problemen nicht gekommen ist):
\n– Suche nach einem PVDF-Kopolymer mit hohem Kristallisationsanteil zur Reduktion der Wasserdampfdiffusion oder nach einem Verfahren zum Verbinden hydrophober PTFE-Folie mit piezoelektrischer PVDV-Folie.
\n– Aufbau eines Prototypen des vorgesehenen Regenmessers (Stand-alone-L\u00f6sung) mit anschlie\u00dfendem Langzeitvergleich mit anderen Regenme\u00dfsystemen.<\/p>\n
Ergebnisse und Diskussion<\/p>\n
Leider stellte sich w\u00e4hrend der ersten Projektphase heraus, dass Literaturangaben unzureichend waren mit der Folge, dass stellenweise viel Zeit zum Nachvollziehen von Arbeitsschritten ben\u00f6tigt wurde. Wegen der schlanken Kostenplanung waren zudem nicht ausreichend Mittel vorhanden, um Aufgaben als F&E-Auftr\u00e4ge zu vergeben. Die Arbeit der Kooperationspartner verlief zum Teil sehr schleppend.<\/p>\n
– Mit dem Fraunhofer Institut f\u00fcr Angewandte Polymerforschung (Berlin) wurde ein kompetenter Partner gefunden. Es wurden verschiedene Sensorenmaterialien entwickelt, die sich vor allem in ihren Empfindlichkeiten unterschieden. Die Materialien wurden auf ihre Einsatzf\u00e4higkeit gepr\u00fcft.
\n– In Zusammenarbeit mit dem Botanischen Institut und Botanischer Garten (Bonn), Abteilung Systematik und Biodiversit\u00e4t wurde versucht, die Oberfl\u00e4che der Sensoren mit hydrophoben Eigenschaften zu versehen. Dies sollte durch Einpr\u00e4gung (oder Laserablation) einer Noppenstruktur oder durch Aufbringen von Chemikalien geschehen.
\n– In Zusammenarbeit mit dem Institut f\u00fcr Plasmaforschung (Stuttgart) sollten hydrophobe Eigenschaften \u00fcber eine Plasma-Polymerbeschichtung realisiert werden.
\n– Im letzten Jahr des Projektes war die Zusammenarbeit mit der FH-M\u00fcnchen und dem DLR- Oberpfaffenhofen zur Entwicklung eines neuartigen Sensorkopfes geplant.<\/p>\n
Da einerseits nicht sicher war, ob die 6-Monatigen Entwicklungsarbeiten zu einem Ziel f\u00fchren w\u00fcrden, und da andererseits absehbar war, dass das Projekt nicht erfolgreich abgeschlossen werden kann, wurde das Vorhaben im Einvernehmen mit der DBU schlie\u00dflich zum 31.1.2000 vorzeitig beendet.<\/p>\n
Es wurden verschiedene Tr\u00e4germaterialien getestet. Die besten Ergebnisse liefern Fluorpolymere, die einen Gro\u00dfteil der auftreffenden Energie (ca. 95%) absorbieren. Die verbleibende Energie ist aber immer noch ausreichend, um das Tr\u00e4germaterial in hohem Ma\u00dfe unerw\u00fcnscht zu erregen.<\/p>\n
Es hatte sich bei den Untersuchungen leider herausgestellt, dass die Vorteile eines Sensors aus PVDF durch seine Nachteile \u00fcberkompensiert werden. Es gelang nicht, einen Prototypen aufzubauen, der auch au\u00dferhalb des Labors einsatzf\u00e4hig war. Nachteilig sind insbesondere:<\/p>\n
– Das Sensormaterial ist sehr temperaturempfindlich.
\n– Das Sensormaterial ist hydrophob und eingelagertes Wasser ver\u00e4ndert die Kennlinie stark.
\n– Das Sensormaterial reagiert hochempfindlich auf die elektrische Ladung der Wassertropfen.
\n– Das Tr\u00e4germaterial f\u00fcr die PVDF-Schicht beeinflusst die Messung sehr stark.<\/p>\n
Der letzte Punkt ist schlie\u00dflich entscheidend f\u00fcr das Versagen des gesamten Konzeptes. In Abh\u00e4ngigkeit von der Tropfengr\u00f6\u00dfe und der Auftreffposition auf dem Sensor werden unterschiedliche Schwingungsmoden im Tr\u00e4germaterial angeregt, was zu komplexen Reaktionsmustern des Sensors f\u00fchrt. Der Versuch die entscheidenden Informationen aus dem Summensignal mit Hilfe eines neuronalen Netz herauszudestillieren war nicht erfolgreich.<\/p>\n
\u00d6ffentlichkeitsarbeit und Pr\u00e4sentation<\/p>\n
Ver\u00f6ffentlichung eines Statusberichtes in den Jahresberichten 1997 und 1998 des Meteorologischen Institutes der Universit\u00e4t Bonn.<\/p>\n
Fazit<\/p>\n
Der Einsatz von PVDF als Sensormaterial schien viele Vorteile zu haben. Es hat sich aber im Laufe der Untersuchungen mehr und mehr herausgestellt, dass der unvermeidbare Einsatz der Tr\u00e4gerschicht f\u00fcr das PVDF das gesamte Konzept scheitern l\u00e4sst. Durch die Energie der auftreffenden Regentropfen wird das Tr\u00e4germaterial komplex angeregt und der PVDF-Film misst schlie\u00dflich ein Mischsignal, in dem die Signatur des Regentropfen nicht mehr auffindbar ist. Es w\u00e4ren Modifikationen denkbar, die aber einerseits den Preis f\u00fcr das Endger\u00e4t in die H\u00f6he treiben, womit es dann aus finanzieller Sicht unattraktiv w\u00e4re und keine Chancen auf dem Markt h\u00e4tte und andererseits die Stromaufnahme, den Wartungsaufwand und die Ausma\u00dfe stark ansteigen lassen w\u00fcrden und dadurch bereits existierenden Systemen unterlegen sein d\u00fcrfte.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"
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