Induktive Wegaufnehmer: Wie sich Talsperren vollumfänglich überwachen lassen

Induktive Wegaufnehmer: Über Umwege bis nach Chemnitz, Dresden und Freiberg gelangt das Wasser, das die Talsperre Rauschenbach im Freistaat Sachsen aus der Flöha und dem Wernsbach im oberen Flöhatal nahe Cämmerswalde für die Trinkwasserversorgung aufstaut.

Der Stausee und seine besondere Aufgabe

Dabei ist der Stausee quasi ein Grenzgänger, denn der Rückstau der Flöha (tschechisch: Fláje) reicht bis in das angrenzende Gebiet der Gemeinde Český Jiřetín (Georgendorf) in Tschechien. Die Staufläche beträgt insgesamt 114,58 Hektar, wovon 99,43 auf die deutsche Seite entfallen und 15,15 in Tschechien liegen.

Das deutsch-tschechische Nass gelangt von hier über die Revierwasserlaufanstalt Freiberg in das Talsperrensystem Mittleres Erzgebirge und durch weitere Überleitungen ist die 1960 bis 1968 erbaute Stau-Anlage im Flöhatal Teil eines noch viel größeren Trinkwassersystems.

Eine bauliche Besonderheit

Die Talsperre besteht aus einer geraden Gewichtsstaumauer aus Beton, die als konstruktive Besonderheit über eine Betonplatte auf dem Grund des Stausees verfügt. Diese ist mit der Staumauer durch vorgespannte Stahlseile und Felsanker verbunden. 87,5 Meter lang, 13,4 Meter breit und 5 Meter hoch gleicht die Platte die niedrigeren Scherfestigkeitsparameter der statischen Berechnungen aus.

Induktive Wegaufnehmer: Messaufgabe und Lösung

Um die Statik der Staumauer im Blick zu behalten, werden die Abstandsänderungen zwischen ihr und der davor angeordneten Schleppplatte stetig gemessen. Diese Aufgabe übernehmen induktive Wegaufnehmer an insgesamt fünf Messstellen.

Die temperaturbedingten, horizontalen Bewegungen der Staumauer und der dadurch hervorgerufenen Abstandsänderungen betragen im Jahresverlauf nur etwa 0,2 Millimeter. Sie sind damit bezogen auf die Dimensionen des Bauwerks sehr gering. Größere Stauhöhenänderungen wie während des Hochwassers 2013 verursachen jedoch größere Bewegungen, die ebenfalls von den Wegaufnehmern genau erfasst werden. Die Ausgangssignale der Sensoren werden kontinuierlich aufgezeichnet und im 15-Minuten-Takt gemittelt in einer Zeitreihendatenbank archiviert. Die komplette Messeinrichtung hat die Richter Deformationsmesstechnik GmbH (RDMT) aus Frauenstein Burkersdorf 2011 konzipiert und eingerichtet. Zudem wartet das Unternehmen dieses Messsystem im jährlichen Rhythmus.

Dass RDMT diese Aufgabe übernommen hat, ist kein Zufall, denn es handelt sich um einen spezialisierten Komplettanbieter für Lösungen der Baumesstechnik. Ob Talsperre, Stauanlage oder Gebäude – das Unternehmen übernimmt die Umsetzung von Lösungen zur Bauwerksüberwachung. Dazu arbeitet es in der Konstruktion mit dem 3D-CAD-System Autodesk Inventor, um die Entwicklungsprozesse mit den Auftraggebern transparent umzusetzen sowie um mögliche Fehler oder Unklarheiten frühzeitig zu erkennen und abzustellen.

Nach Beratung, Planung und Konstruktion übernehmen die Spezialisten auch die sichere Montage der Messtechnik vor Ort im Bauwerk. Verankerungen aus Edelstahl garantieren dabei genaue Messwerte über Jahre hinweg. Die speziellen Dienstleistungen des sächsischen Mittelständlers sind heute weltweit gefragt.

Die eingesetzten Messaufnehmer

Um möglichst zuverlässig die Messaufgabe zu lösen, nutzt das Unternehmen Richter induktive Wegaufnehmer der Serie SM40 von a.b.jödden, die komplett aus Edelstahl gefertigt werden.

Bei der Erfassung von Längen und Wegen haben sich induktive Sensoren seit vielen Jahren bewährt. Die Technik basiert auf dem Prinzip der Halbbrücke und die Position des verschiebbaren Kerns bewirkt eine Induktivitätsänderung in den beiden Spulenhälften. Eine integrierte Elektronik wandelt die Weg- oder Winkeländerung in ein proportionales analoges Ausgangssignal um.

Diese durchaus einfache Art der absoluten Weg- und Winkelerfassung ermöglicht den Aufbau sehr robuster und zuverlässiger Sensoren. Die Verpackung in ein Edelstahlgehäuse und der komplette Verguss resultieren in einem Wegaufnehmer, der bis 250 g schock- und 20 g vibrationsfest ist, die zwischen -40 und +120 Grad Celsius arbeitet und bis 5 Meter Tiefe dauerhaft dem Wasserdruck standhält.

In der speziell auf die Anwendung im Stausee ausgelegten Ausführung des induktiven Wegaufnehmers hat die a.b.jödden einen Messweg von 2 Millimetern umgesetzt. Dieser Messweg wird durch die integrierte Elektronik in ein Ausgangssignal von 4 bis 20 Milliampere gewandelt. Dieses wird über ein, mit dem Wegaufnehmer fest vergossenes, PUR-­Kabel ausgegeben, das auch die Betriebsspannung (20 bis 32 Volt DC) liefert.

Die Kabellänge variiert, je nach Entfernung der Messstelle zur Messdatenerfassung, zwischen 3 und 16 Metern. Angebaute Gelenkköpfe aus Edelstahl sorgen für eine einfache Montage der Wegaufnehmer.

Induktive Wegaufnehmer sind Teil eines größeren Überwachungssystems

Diese Messapplikation ist ein Aspekt der Bauwerksüberwachung der Talsperre. Die gezeigte Fugenspaltmessung wird beispielsweise durch automatisierte Temperatur und Lotmessungen an unterschiedlichen Stellen in und um den Stausee, in den Kontrollgängen und im Staubecken ergänzt. Alle Daten werden via Draht oder Funk an die Steuerzentrale der Talsperre übermittelt. Bei Überschreitung kritischer Werte wird automatisch Alarm ausgelöst und es können weitere Untersuchungen eingeleitet werden. Wasserstands-, Zu- und Ablaufwerte werden auf einer Webseite veröffentlicht. Die Daten können von den entsprechenden Behörden und teilweise auch öffentlich eingesehen werden. Dies ist nicht zuletzt ein wichtiger Aspekt beim Umgang mit Hochwasserereignissen.

Betreiber der Talsperre ist die Landestalsperrenverwaltung des Freistaates Sachsen in Pirna, die den vorliegenden Bericht mit Informationen und Fotos freundlich unterstützt. Bis dato sind in den 10 Jahren Betrieb keine Fehlfunktionen der Wegaufnehmer (induktive Wegaufnehmer) aufgetreten.

Der Autor Bernd Jödden ist Geschäftsführer der a.b. jödden gmbh.

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