Projekt 10304/01

Hochgenauer Regenmesser

ProjekttrÀger

Rheinische Friedrich-Wilhelms-UniversitÀt BonnMeteorologisches Institut
Auf dem HĂŒgel 20
53121 BonnZielsetzung 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 GerĂ€tewartung. Piezoelektrische (PVDF) Folien als TropfenaufnehmerflĂ€chen sind eines der innovativen Teile eines neuartigen GerĂ€tes dieses Typs, das den gĂ€ngigen Systemen vor allem in punkto Wartungsaufwand und Totzeitvermeidung ĂŒberlegen ist. Hinzu kommt ein marktfĂ€higer Preis bei deutlich geringerer Leistungsaufnahme. Das sehr robust ausgelegte GerĂ€t kommt ohne bewegliche Teile und Aufbauten aus und ist erstmals mit Erfolgsaussicht auf hoher See verwendbar. Einsatz von DĂŒnger und Pflanzenschutzmittel, Schadstoffauswaschung und -EintrĂ€ge sowie Bodenerosion hĂ€ngen 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 EmpfindlichkeitshomogenitĂ€t und StöranfĂ€lligkeit durch Wasserdampfdiffusion. - Untersuchung verschiedener Materialien zur SchwingungsdĂ€mpfung und der damit verbundenen LĂ€rmreduktion 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 wĂ€hrend 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-AuftrĂ€ge zu vergeben. Die Arbeit der Kooperationspartner verlief zum Teil sehr schleppend. - Mit dem Fraunhofer Institut fĂŒr 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 EinsatzfĂ€higkeit geprĂŒft. - In Zusammenarbeit mit dem Botanischen Institut und Botanischer Garten (Bonn), Abteilung Systematik und BiodiversitĂ€t wurde versucht, die OberflĂ€che der Sensoren mit hydrophoben Eigenschaften zu versehen. Dies sollte durch EinprĂ€gung (oder Laserablation) einer Noppenstruktur oder durch Aufbringen von Chemikalien geschehen. - In Zusammenarbeit mit dem Institut fĂŒr Plasmaforschung (Stuttgart) sollten hydrophobe Eigenschaften ĂŒber eine Plasma-Polymerbeschichtung realisiert werden. - Im letzten Jahr des Projektes war die Zusammenarbeit mit der FH-MĂŒnchen und dem DLR- Oberpfaffenhofen zur Entwicklung eines neuartigen Sensorkopfes geplant. Da einerseits nicht sicher war, ob die 6-Monatigen Entwicklungsarbeiten zu einem Ziel fĂŒhren wĂŒrden, 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 TrĂ€germaterialien 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 TrĂ€germaterial in hohem Maße unerwĂŒnscht zu erregen. Es hatte sich bei den Untersuchungen leider herausgestellt, dass die Vorteile eines Sensors aus PVDF durch seine Nachteile ĂŒberkompensiert werden. Es gelang nicht, einen Prototypen aufzubauen, der auch außerhalb des Labors einsatzfĂ€hig war. Nachteilig sind insbesondere: - Das Sensormaterial ist sehr temperaturempfindlich. - Das Sensormaterial ist hydrophob und eingelagertes Wasser verĂ€ndert die Kennlinie stark. - Das Sensormaterial reagiert hochempfindlich auf die elektrische Ladung der Wassertropfen. - Das TrĂ€germaterial fĂŒr die PVDF-Schicht beeinflusst die Messung sehr stark. Der letzte Punkt ist schließlich entscheidend fĂŒr das Versagen des gesamten Konzeptes. In AbhĂ€ngigkeit von der TropfengrĂ¶ĂŸe und der Auftreffposition auf dem Sensor werden unterschiedliche Schwingungsmoden im TrĂ€germaterial angeregt, was zu komplexen Reaktionsmustern des Sensors fĂŒhrt. Der Versuch die entscheidenden Informationen aus dem Summensignal mit Hilfe eines neuronalen Netz herauszudestillieren war nicht erfolgreich. Öffentlichkeitsarbeit und PrĂ€sentation Veröffentlichung eines Statusberichtes in den Jahresberichten 1997 und 1998 des Meteorologischen Institutes der UniversitĂ€t 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 TrĂ€gerschicht fĂŒr das PVDF das gesamte Konzept scheitern lĂ€sst. Durch die Energie der auftreffenden Regentropfen wird das TrĂ€germaterial komplex angeregt und der PVDF-Film misst schließlich ein Mischsignal, in dem die Signatur des Regentropfen nicht mehr auffindbar ist. Es wĂ€ren Modifikationen denkbar, die aber einerseits den Preis fĂŒr das EndgerĂ€t in die Höhe treiben, womit es dann aus finanzieller Sicht unattraktiv wĂ€re und keine Chancen auf dem Markt hĂ€tte und andererseits die Stromaufnahme, den Wartungsaufwand und die Ausmaße stark ansteigen lassen wĂŒrden und dadurch bereits existierenden Systemen unterlegen sein dĂŒrfte.

Übersicht

Telefon

0228/73-5181

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Bundesland

Nordrhein-Westfalen

Fördersumme

152.577,17 €

Förderzeitraum

01.10.1997 - 07.09.2000