Projekt 10304/01

Hochgenauer Regenmesser

Projektträger

Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität BonnMeteorologisches Institut
Auf dem Hügel 20
53121 Bonn
Telefon: 0228/73-5181

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

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 Gerätewartung. Piezoelektrische (PVDF) Folien als Tropfenaufnehmerflächen sind eines der innovativen Teile eines neuartigen Gerätes dieses Typs, das den gängigen Systemen vor allem in punkto Wartungsaufwand und Totzeitvermeidung überlegen ist. Hinzu kommt ein marktfähiger Preis bei deutlich geringerer Leistungsaufnahme. Das sehr robust ausgelegte Gerät kommt ohne bewegliche Teile und Aufbauten aus und ist erstmals mit Erfolgsaussicht auf hoher See verwendbar. Einsatz von Dünger und Pflanzenschutzmittel, Schadstoffauswaschung und -Einträge sowie Bodenerosion hängen eng mit der Tropfenspektroskopie des Regens zusammen, die neben der Regenmenge ebenfalls bestimmt wird.


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 können.
Phase 1 :
- Untersuchungen: Elektroden an PVDF, Einfluss von Ladung und Temperatur der Regentropfen.
- Aufbau einer Schaltung zur Pulsanalyse mit Hilfe eines digitalen Signalprozessors.
- Untersuchung verschiedener, kommerziell vertriebener, Piezowandlersysteme aus der Industrie, insbesondere auf Empfindlichkeitshomogenität und Störanfälligkeit durch Wasserdampfdiffusion.
- Untersuchung verschiedener Materialien zur Schwingungsdämpfung und der damit verbundenen Lärmreduktion und Entkopplung vom Untergrund.
- Messwertanalyse mittels neuronalem Netz.
Phase 2 (geplante Arbeiten, zu denen es aufgrund von Problemen nicht gekommen ist):
- 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.
- Aufbau eines Prototypen des vorgesehenen Regenmessers (Stand-alone-Lösung) mit anschließendem Langzeitvergleich mit anderen Regenmeßsystemen.


Ergebnisse und Diskussion

Leider stellte sich während der ersten Projektphase heraus, dass Literaturangaben unzureichend waren mit der Folge, dass stellenweise viel Zeit zum Nachvollziehen von Arbeitsschritten benötigt wurde. Wegen der schlanken Kostenplanung waren zudem nicht ausreichend Mittel vorhanden, um Aufgaben als F&E-Aufträge zu vergeben. Die Arbeit der Kooperationspartner verlief zum Teil sehr schleppend.

- Mit dem Fraunhofer Institut für 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 Einsatzfähigkeit geprüft.
- In Zusammenarbeit mit dem Botanischen Institut und Botanischer Garten (Bonn), Abteilung Systematik und Biodiversität wurde versucht, die Oberfläche der Sensoren mit hydrophoben Eigenschaften zu versehen. Dies sollte durch Einprägung (oder Laserablation) einer Noppenstruktur oder durch Aufbringen von Chemikalien geschehen.
- In Zusammenarbeit mit dem Institut für Plasmaforschung (Stuttgart) sollten hydrophobe Eigenschaften über eine Plasma-Polymerbeschichtung realisiert werden.
- Im letzten Jahr des Projektes war die Zusammenarbeit mit der FH-München und dem DLR- Oberpfaffenhofen zur Entwicklung eines neuartigen Sensorkopfes geplant.

Da einerseits nicht sicher war, ob die 6-Monatigen Entwicklungsarbeiten zu einem Ziel führen würden, und da andererseits absehbar war, dass das Projekt nicht erfolgreich abgeschlossen werden kann, wurde das Vorhaben im Einvernehmen mit der DBU schließlich zum 31.1.2000 vorzeitig beendet.

Es wurden verschiedene Trägermaterialien getestet. Die besten Ergebnisse liefern Fluorpolymere, die einen Großteil der auftreffenden Energie (ca. 95%) absorbieren. Die verbleibende Energie ist aber immer noch ausreichend, um das Trägermaterial in hohem Maße unerwünscht zu erregen.

Es hatte sich bei den Untersuchungen leider herausgestellt, dass die Vorteile eines Sensors aus PVDF durch seine Nachteile überkompensiert werden. Es gelang nicht, einen Prototypen aufzubauen, der auch außerhalb des Labors einsatzfähig war. Nachteilig sind insbesondere:

- Das Sensormaterial ist sehr temperaturempfindlich.
- Das Sensormaterial ist hydrophob und eingelagertes Wasser verändert die Kennlinie stark.
- Das Sensormaterial reagiert hochempfindlich auf die elektrische Ladung der Wassertropfen.
- Das Trägermaterial für die PVDF-Schicht beeinflusst die Messung sehr stark.

Der letzte Punkt ist schließlich entscheidend für das Versagen des gesamten Konzeptes. In Abhängigkeit von der Tropfengröße und der Auftreffposition auf dem Sensor werden unterschiedliche Schwingungsmoden im Trägermaterial angeregt, was zu komplexen Reaktionsmustern des Sensors führt. Der Versuch die entscheidenden Informationen aus dem Summensignal mit Hilfe eines neuronalen Netz herauszudestillieren war nicht erfolgreich.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Veröffentlichung eines Statusberichtes in den Jahresberichten 1997 und 1998 des Meteorologischen Institutes der Universität Bonn.


Fazit

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 Trägerschicht für das PVDF das gesamte Konzept scheitern lässt. Durch die Energie der auftreffenden Regentropfen wird das Trägermaterial komplex angeregt und der PVDF-Film misst schließlich ein Mischsignal, in dem die Signatur des Regentropfen nicht mehr auffindbar ist. Es wären Modifikationen denkbar, die aber einerseits den Preis für das Endgerät in die Höhe treiben, womit es dann aus finanzieller Sicht unattraktiv wäre und keine Chancen auf dem Markt hätte und andererseits die Stromaufnahme, den Wartungsaufwand und die Ausmaße stark ansteigen lassen würden und dadurch bereits existierenden Systemen unterlegen sein dürfte.

Übersicht

Fördersumme

152.577,17 €

Förderzeitraum

01.10.1997 - 07.09.2000

Bundesland

Nordrhein-Westfalen

Schlagwörter

Umwelttechnik