Merkmale und Anwendungsfälle von integrierten hydrologischen Radar-Durchflussmessern

IIn den Bereichen hydrologische Überwachung, städtische Entwässerung und Hochwasserwarnung ist die genaue und zuverlässige Durchflussmessung in offenen Gerinnen (wie Flüssen, Bewässerungskanälen und Entwässerungsrohren) von entscheidender Bedeutung. Herkömmliche Methoden zur Messung von Wasserstand und Fließgeschwindigkeit erfordern häufig das Eintauchen der Sensoren in Wasser, wodurch diese anfällig für Beschädigungen durch Sedimente, Treibgut, Korrosion und Hochwassereinwirkung sind. Der integrierte hydrologische Radar-Durchflussmesser mit seinen berührungslosen, hochpräzisen und multifunktionalen Vorteilen begegnet diesen Herausforderungen optimal und etabliert sich zunehmend als bevorzugte Lösung für die moderne hydrologische Überwachung.

I. Was ist ein „integrierter“ Durchflussmesser?

Der Begriff „integriert“ bezieht sich auf die Zusammenführung von drei zentralen Messfunktionen in einem einzigen Gerät:

1. Geschwindigkeitsmessung: Nutzt das Prinzip des Doppler-Effekts im Radar, indem Mikrowellen auf die Wasseroberfläche ausgesendet und Echos empfangen werden. Die Oberflächenströmungsgeschwindigkeit wird anhand der Frequenzänderungen berechnet.
2. Wasserstandsmessung: Nutzt die FMCW-Radartechnologie (Frequency Modulated Continuous Wave), um die Entfernung vom Sensor zur Wasseroberfläche präzise zu messen, indem die Zeitdifferenz zwischen Mikrowellenübertragung und -empfang berechnet wird, und leitet daraus den Wasserstand ab.
3. Durchflussberechnung: Ausgestattet mit einem Hochleistungsprozessor berechnet es automatisch momentane und kumulative Durchflussmengen mithilfe hydraulischer Modelle (z. B. Geschwindigkeits-Flächen-Methode) auf Basis von Echtzeitmessungen des Wasserstands und der Geschwindigkeit in Kombination mit der zuvor eingegebenen Querschnittsform und den Abmessungen des Kanals (z. B. rechteckig, trapezförmig, kreisförmig).

II. Kernmerkmale und Vorteile

1. Vollständig berührungslose Messung
   • Besonderheit: Der Sensor ist über der Wasseroberfläche aufgehängt, ohne direkten Kontakt zum Gewässer.
   • Vorteil: Probleme wie Sedimentablagerungen, Verheddern durch Treibgut, Korrosion und Ausspülung werden vollständig vermieden, wodurch Wartungskosten und Sensorverschleiß deutlich reduziert werden. Besonders geeignet für extreme Bedingungen wie Überschwemmungen und Abwasser.
2. Hohe Präzision und Zuverlässigkeit
   • Besonderheit: Die Radartechnologie bietet eine hohe Störfestigkeit und ist weniger anfällig für Umwelteinflüsse wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Wasserqualität. Die Messgenauigkeit des FMCW-Radars beim Wasserstand beträgt ±2 mm bei gleichzeitig stabiler Geschwindigkeitsmessung.
   • Vorteil: Liefert kontinuierliche, stabile und genaue hydrologische Daten und bietet damit eine verlässliche Grundlage für Entscheidungen.
3. Einfache Installation und Wartung
   • Besonderheit: Zur Befestigung des Sensors über dem Kanal, ausgerichtet auf den Messquerschnitt, wird lediglich eine Halterung (z. B. an einer Brücke oder einem Mast) benötigt. Bauwerke wie Beruhigungsschächte oder Messrinnen sind nicht erforderlich.
   • Vorteil: Vereinfacht die Installationsplanung erheblich, verkürzt die Bauzeit, reduziert die Baukosten und Installationsrisiken. Die tägliche Wartung beschränkt sich auf die Reinigung der Radarlinse, wodurch der Wartungsaufwand minimiert wird.
4. Integrierte Funktionalität, intelligent und effizient
   • Besonderheit: Das „integrierte“ Design ersetzt herkömmliche Mehrgerätekonfigurationen wie z. B. „Wasserstandssensor + Strömungsgeschwindigkeitssensor + Strömungsberechnungseinheit“.
   • Vorteil: Vereinfacht die Systemstruktur und reduziert potenzielle Fehlerquellen. Integrierte Algorithmen führen alle Berechnungen automatisch durch und übertragen Daten per 4G/5G, LoRa, Ethernet usw., was einen unbemannten Betrieb und eine Fernüberwachung ermöglicht.
5. Breites Anwendungsspektrum und vielseitige Einsatzmöglichkeiten
   • Besonderheit: Kann sowohl langsam fließendes Wasser als auch Hochwasser mit hoher Geschwindigkeit messen, mit Wasserstandsmessbereichen bis zu 30 Metern oder höher.
   • Vorteil: Geeignet für die ganzjährige Überwachung, von Trockenperioden bis hin zu Hochwasserperioden. Das Gerät wird durch plötzliche Wasseranstiege weder überflutet noch beschädigt, wodurch eine unterbrechungsfreie Datenerfassung gewährleistet ist.

III. Typische Anwendungsfälle

Fallbeispiel 1: Intelligente städtische Entwässerung und Warnung vor Überschwemmungen

• Szenario: Eine Großstadt muss den Wasserstand und die Durchflussrate wichtiger Entwässerungsleitungen und Flüsse in Echtzeit überwachen, um auf extreme Regenfälle reagieren und umgehend Hochwasserschutz- und Entwässerungsnotfälle einleiten zu können.
• Problem: Herkömmliche Unterwassersensoren verstopfen oder beschädigen sich leicht durch Ablagerungen bei starken Regenfällen, und ihre Installation und Wartung in Brunnen sind schwierig und gefährlich.
• Lösung: Installation von integrierten Radar-Durchflussmessern an wichtigen Rohrleitungsabgängen und Flussquerschnitten, montiert auf Brücken oder an eigens dafür vorgesehenen Masten.
• Ergebnis: Die Geräte arbeiten rund um die Uhr stabil und laden Durchflussdaten in Echtzeit auf die intelligente Wassermanagementplattform der Stadt hoch. Bei plötzlichen Durchflussspitzen, die auf ein erhöhtes Überschwemmungsrisiko hinweisen, gibt das System automatisch Warnungen aus und ermöglicht so eine wertvolle Reaktionszeit. Die berührungslose Messung gewährleistet Genauigkeit auch bei stark verschmutztem Wasser und macht den Einsatz von Personal in Gefahrenbereichen für Wartungsarbeiten überflüssig.

Fallbeispiel 2: Überwachung der ökologischen Durchflussmengen im Wasserbau

• Szenario: Umweltvorschriften verlangen von Wasserkraftwerken und Stauseen die Abgabe eines bestimmten „ökologischen Durchflusses“, um die Gesundheit der flussabwärts gelegenen Flüsse zu erhalten, was eine kontinuierliche Überwachung der Einhaltung erforderlich macht.
• Problem: Die Auslassöffnungen weisen komplexe Umgebungen mit turbulenten Strömungen auf, was die Installation herkömmlicher Instrumente erschwert und sie anfällig für Beschädigungen macht.
• Lösung: Installation integrierter Radar-Durchflussmesser oberhalb der Abflusskanäle zur direkten Messung der Geschwindigkeit und des Wasserstands des abgelassenen Durchflusses.
• Ergebnis: Das Gerät misst Durchflussdaten präzise und unbeeinflusst von Turbulenzen und Spritzwasser und erstellt automatisch Berichte. Dies liefert den Wasserbehörden unbestreitbare Nachweise zur Einhaltung der Vorschriften und vermeidet gleichzeitig die Schwierigkeiten der Geräteinstallation in explosionsgefährdeten Bereichen.

Fallbeispiel 3: Messung von Bewässerungswasser in der Landwirtschaft

• Szenario: Große Bewässerungsgebiete benötigen eine präzise Messung der Wasserentnahme auf verschiedenen Kanalebenen für eine volumenbasierte Abrechnung.
• Problem: Die Kanäle weisen einen hohen Sedimentgehalt auf, der Kontaktsensoren verschütten kann. Die Stromversorgung und Kommunikation vor Ort stellen eine Herausforderung dar.
• Lösung: Einsatz von solarbetriebenen integrierten Radar-Durchflussmessern, die auf Messbrücken über landwirtschaftlichen Kanälen installiert sind.
• Ergebnis: Berührungslose Messung umgeht Sedimentprobleme, Solarenergie löst Probleme der Feldstromversorgung und drahtlose Datenübertragung ermöglicht automatisierte und präzise Bewässerungswassermessung und fördert so Wassereinsparung und effiziente Nutzung.

Fallbeispiel 4: Bau hydrologischer Messstationen für kleine und mittelgroße Flüsse

• Szenario: Bau hydrologischer Stationen in abgelegenen Gebieten an kleinen und mittelgroßen Flüssen als Teil des nationalen hydrologischen Messnetzes.
• Problem: Hohe Baukosten und schwierige Instandhaltung, insbesondere bei Überschwemmungen, wenn die Durchflussmessung riskant und schwierig ist.
• Lösung: Verwendung von integrierten Radar-Durchflussmessern als zentrale Durchflussmessgeräte, ergänzt durch einfache Beruhigungsbrunnen (zur Kalibrierung) und Solarenergiesysteme zum Aufbau unbemannter hydrologischer Stationen.
• Ergebnis: Der Aufwand für die Tiefbauplanung und die Baukosten hydrologischer Stationen werden erheblich reduziert, eine automatisierte Durchflussüberwachung wird ermöglicht, Sicherheitsrisiken für das Personal bei Hochwassermessungen werden beseitigt und die Aktualität und Vollständigkeit hydrologischer Daten verbessert.

IV. Zusammenfassung

Mit seinen herausragenden Merkmalen wie berührungsloser Messung, hoher Integration, einfacher Installation und minimalem Wartungsaufwand revolutioniert das integrierte hydrologische Radar-Durchflussmessgerät die traditionellen Methoden der hydrologischen Durchflussüberwachung. Es bewältigt Messherausforderungen unter schwierigen Bedingungen optimal und findet breite Anwendung in der städtischen Entwässerung, im Wasserbau, in der Umweltüberwachung, in der landwirtschaftlichen Bewässerung und vielen weiteren Bereichen. Es bietet eine zuverlässige Datengrundlage und technische Sicherheit für intelligentes Wassermanagement, die Wasserressourcenverwaltung sowie den Hochwasser- und Dürreschutz und ist damit ein unverzichtbares Werkzeug in modernen hydrologischen Überwachungssystemen.

Komplettes Server- und Software-Funkmodul, unterstützt RS485, GPRS, 4G, WLAN, LoRa und LoRaWAN

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