Datenlogger und Feldbuslösungen für Freilandmessstationen

Schaltschrank mit Lysimeter und Tensiometersensorik

Eine zentrale Frage bei dem Entwurf von Freilandmessstationen ist die Datenaufzeichnung und die Art der Datenerfassung. Hierbei stellen sich Anfangs folgende Fragen:
 
  • Wieviele Sensoren bzw. Messkanäle erhält die Station?
  • Welche Sensoren benötigt man?
  • Welcher Art sind die angeschlossenen Sensoren und welche Anforderungen stellen die jeweiligen Sensoren an die Messtechnik?
  • Wie oft sollen die Messwerte aufgezeichnet werden?
  • Soll die Möglichkeit bestehen, die Anlage zu einem späteren Zeitpunkt zu erweitern?
  • Welcher Datenlogger kommt hierfür in Frage?
  • Wie sollen die Daten ausgelesen werden?
  • Welche Anforderungen ergeben sich für die Stromversorung der Messtechnik?
 
 

Anforderung der Sensoren an die Messtechnik

Grundsätzlich unterscheidet man zwei Arten von rein analogen Sensoren.
 
  • Passive Sensoren, bei denen sich eine elektrische Eigenschaft mit dem physikalischen Messwert (z.B. Temperatur) ändert. In der Regel werden diese Sensoren mit Erregerstrom oder -spannung versorgt und es wird der Spannungsabfall oder eine Differenzspannung gemessen. Je nach Sensortyp ist die zu messende Änderung recht klein, d.h. die Anforderung an die Messtechnik steigt. Bei der Verkabelung sind der maximalen Kabellänge Grenzen gesetzt und eventuelle Störungen von Außen beispielsweise durch Überlandleitungen müssen in Betracht gezogen werden.
  • Sensoren mit eingebautem Messverstärker dagegen stellen grundsätzlich geringere Anforderungen an die Datenlogger Messtechnik. Die zu messende Änderung wird bereits im Sensor verstärkt und in der Regel ist die Stromversorgung des Sensors einfacher. Die Signale von Sensoren mit Messverstärker lassen sich auf eine gemeinsame Bezugserde messen. Dadurch benötigt man pro Sensor nur eine Messleitung (=Single-ended). Viele Datenlogger haben die Möglichkeit auf einen Kanal, an dem normalerweise ein passiver Sensor betrieben wird, zwei oder sogar mehr solcher Single-ended Sensoren anzuschließen. Hierdurch spart man Kanäle am Datenlogger und die Kosten für den Datenlogger reduzieren sich, wenn man auf ein kleineres Modell zurückgreifen kann. In der Regel sind die Sensoren mit eingebautem Messverstärker teuer. Eine Kostenkalkulation muss deshalb für den jeweiligen Fall abgewogen werden. Single-ended Sensoren haben auch Vorteile in der Störempfindlichkeit und Verkabelung.

Anschluss eines Vollbrückensensors z.B. T4 an einen Messkanal

Anschluss von 3 single ended Signalen z.B. 3xT8 an einen Messkanal

Moderne Sensoren ermöglichen einen weitere Anschlussart durch die Integration einer seriellen Schnittstelle. Die Sensoren verfügen über einen eingebauten Mikrocontroller, der über eine serielle Datenleitung mit dem Datenlogger kommunizieren kann. Wenn sich solche Sensoren an einer busfähigen Schnittstelle wie z.B. RS485 betreiben lassen und diese adressierbar sind, so spricht man von Feldbussystemen. In der Regel empfangen alle angeschlossenen Sensoren die Befehle von dem Master Datenlogger und nur der jeweilig adressierte Empfänger antwortet durch die Übermittlung seiner Messdaten. Bekannte Busprotokolle - d.h. standardisierte Befehlssätze und Signalpegel - sind z.B. CAN, Profibus, und Modbus. Häufig sind diese Protokolle jedoch zu komplex um in Low-Cost-Anwendungen zum Einsatz zu kommen. Deshalb implementieren viele Hersteller eigene, proprietäre Protokolle, die nur die notwendigen Eigenschaften für das Gerät bzw. den Sensor verfügen. Moderne Mikrocontrollerelektronik macht es möglich, dass  solche „intelligenten“ Sensoren immer mehr zum Einsatz kommen und Sensoren, die einen reinen analogen Messverstärker integriert haben, verdrängen.
 
Feldbusssensoren lassen sich sehr flexibel verkabeln, d.h. sternförmig, mit T-Abzweigungen, hintereinander etc. sind so in beliebiger Kombination auch über sehr lange Kabellängen von einigen Kilometern möglich. Dies bietet Sparmöglichkeiten für die Verkablung. Nachteilig kann jedoch sein, dass beispielsweise ein einziger defekter Sensor ein ganzes Messsegment lahmlegen kann.

Anzahl der Datenloggerkanäle

20 Tensiometer mit Sensorversorgung an DL2e Datenlogger

Zentrale Frage bei der Auswahl des Datenloggers ist die Anzahl der möglichen Kanäle. Diese hängt wie oben bereits erwähnt auch vom Typ der Sensoren ab. In vielen Fällen ist die Kapazität des Datenloggers gerade zu klein, um auf einen kleinen, günstigen Datenlogger zu setzen. Einige Datenlogger, wie beispielsweise der DL2e sind über Messkarten optional zu erweitern, so dass im Vollausbau eine sehr große Anzahl von Messkanälen möglich ist. Schwierig wird es jedoch, wenn verschiedene Varianten von Sensoren zum Einsatz kommen, die völlig verschiedene Anforderungen an Versorgung und Messung stellen. Datenlogger wie der Datataker DT80 oder DT800 sind hier sehr flexibel konfigurierbar.
 
 
Eine gewisse Erweiterbarkeit der Messstation wird meistens bereits vorher einkalkuliert, denn ein kompletter Datenloggertausch, nur um z.B. zwei weitere Temperaturfühler anzuschließen, kommt sehr teuer. Ein Optimum an Flexibilität bietet hier die Buslösung, bei der ein neuer Sensor nur an einen Verteiler angeschlossen wird und das Datenloggerprogramm um diesen Kanal erweitert wird. Ist keine Buchse mehr führ den Sensor verfügbar, so wird lediglich ein neuer Verteiler installiert, ähnlich wie bei einer Mehrfach-Steckdosenleiste. Der Datenlogger muss für die Buslösung eine serielle Busschnittstelle besitzen und das Protokoll beherrschen, bzw. muss dieses programmierbar sein. Eine Kombination von analogen Eingängen und einer seriellen Busschnittstelle ist ideal, da diese den Anschluss nahezu beliebiger Sensoren und damit auch eine große Erweiterbarkeit ermöglicht.

tensioLINK Sensoren mit einen DT80 Datenlogger

Beispielweise kann der relativ günstige Datenlogger DT80 5-15 analoge Klimasensoren messen und nebenbei noch bis zu 64 Tensiometer vom Typ T8-2005 über die Busschnittstelle erfassen. Mit Temperatur und Druck der T8 sind das dann 133 Messkanäle! Der Einsatz eines günstigen Datenloggers mit wenig analogen Kanälen bietet hierbei trotzdem sehr große Erweiterungsmöglichkeit.
 
 

Auslesen und Übertragen der Daten

Messsation mit GSM Anbindung

Trotz Mobilfunk und Internet werden heute die meisten Freilandmessstellen noch über Laptop oder Wechselspeicher ausgelesen. Der Besuch einer Messstation beinhaltet eben mehr als nur das Auslesen der Daten. Oft können Probleme nur vor Ort erkannt und behoben werden. Bei der Planung der Serviceintervalle ist in der Regel nicht die Kapazität des Datenloggerspeichers entscheidend, sondern eher die Notwendigkeit des Service oder ganz einfach, in welchem Intervall die Daten benötigt werden.
 
Die meisten Datenlogger lassen sich auch über Mobilfunkmodems auslesen. Die Kosten für den Einbau einer solche Fernanbindung halten sich in Grenzen. Betreibt man mehrere Freilandmessstationen können jedoch die Kosten für das aufkommende Datenvolumen relevant sein. Oft wird die Fernanbindung auch nur zur Statusabfrage verwendet. Je nach Häufigkeit der Nutzung kann der Stromverbrauch, der durch die Mobilfunklösung entsteht problematisch werden. Dies muss bei der Dimensionierung des Akku/Solarbetriebs beachtet werden.
 
Immer mehr Messstationen werden auch dauerhaft an das Internet angebunden, entweder in der Nähe von Gebäuden mittels DSL-Technologie, oder im Freiland über GPRS/UMTS, wobei nicht für die Verbindungsdauer Kosten anfallen, sonder über das übermittelte Datenvolumen, das sich meist in Grenzen hält.

Anforderungen an die Stromversorgung von Freilandmessstationen

Solarakku und Regelung mit reichlichen Reserven

Wo keine Netzversorgung zur Verfügung steht, stellt die Planung der Stromversorgung eine der anspruchsvollsten Aufgaben dar. Falsche Dimensionierung führt zu einem kompletten Ausfall der Messdatenaufzeichnung. Diesem umfangreichen Thema werden wir uns in einem der nächsten Artikel widmen.
 
to be continued…
 
 
 

Beispiele von Messstationen

Agrarlysimeter mit T8-, SIS- und TRASE-Sonden

Hydrolysimeter Wagna mit Klimastation

Bodenhydrologische Messstelle Wolfsbach

Gebirgslysimeter Stoderzinken im Mai 2006

Ansprechpartner

Andreas Steins
Tel: +49 89 12 66 52 - 18
Tel: +49 89 12 66 52 - 20
E-Mail: as@ums-muc.de
 
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