Um die Gleislage während der Bauarbeiten zu sichern, entschied sich das planende Ingenieurbüro, ein Monitoring-System zu installieren. Zur Überwachung wurden die individuell kombinierbaren Messsensoren von LeicaGeosystems mit der Monitoring Software LeicaGeoMoS und das GeoMoS-Web eingesetzt. Das installierte Messsystem umfasste das Leica Totalstationen TCA1800 und den Test des speziell für das Monitoring entwickelten Tachymeter, Leica TM30. Die motorisierten Sensoren ermöglichen eine lückenlose Messung mit Dokumentation rund um die Uhr zu 100 Prismen, die direkt am Bauwerk angebracht wurden. Ergänzend dazu wurden meteorologische Sensoren, eine Webcam sowie 38 Neigungssensoren installiert. Die Tachymeter wurden im setzungsfreien Bereich auf zwei rund drei Meter hohe Pfeiler gesetzt und mittels eines speziell angefertigten Gehäuses vor Witterung, Vandalismus und Diebstahl geschützt. Aufgrund der strengen Auflagen der Deutschen Bahn musste das eingesetzte Monitoring-System hohen Anforderungen gerecht werden. Zum einen sollte eine Messgenauigkeit von ±0,3 mm/m bei den eingesetzten Neigungssensoren garantiert, zum anderen eine Genauigkeit von ±1,0 mm bei den Tachymetermessungen gewährleistet werden. Damit ein solches System zuverlässig funktioniert, ist das Speichern und Sichern der Messdaten besonders wichtig.
Anforderungen an das System
Neben einer festen Datenleitung (DSL) wurde eigens ein Fallback-System installiert, das den Datentransfer im Notfall auch über UMTS aufrechterhält. Zudem muss das Messsystem durch eine unabhängige Stromversorgung (USV) Stromausfälle kurzfristig überbrücken können. Im Falle einer Toleranzüberschreitung wird der zuständige Fahrdienstleiter per SMS benachrichtigt. Separat hat man für diesen Fall auch die Option einer Mitteilung über das Festnetz eingerichtet. Ziel war es, im Falle einer Querneigung der Schwellen von mehr als 3 mm (etwa 0,12°) ein Alarmsignal für eine genauere Überprüfung der Situation zu generieren. Dafür wurden zweiachsige Neigungssensoren benötigt, die robust gegen Stöße und Vibrationen bei den Zugüberfahrten sind und große Temperaturdifferenzen (–40 bis 85°) und Feuchtigkeit (IP67-Dichtheit) ertragen. Ebenso wichtig war eine hohe Reproduzierbarkeit (<0,03°) ohne Hysterese und eine hohe Langzeitstabilität (<0,03° / Jahr). Die Wahl fiel auf die Neigungssensoren mit Stromausgang von A.B. Jödden. Die Sensoren wurden mit einem geeigneten Blech gegen Steinschlag und direkte Sonneneinstrahlungen (bis +80 C) geschüzt. Mit PUR-Kabelen wurden die Stromschnittstellen mit dem Datenlogger-System verbunden. Dieses überwacht und sammelt die Daten. Die starken Vibrationen der Zugfahrten (schnelle Neigungsänderungen) werden vom Sensor bei 1 Hz gemessen und zusätzlich durch das Datenlogger-System gefiltert. Durch die interne Temperaturkompensation und die hoch reproduzierbare kapazitive Siliziumtechnik wird mit einem kleinen Budget ein hoher Genauigkeitsbereich erreicht Wären Präzisions-Inklinometer mit zweidimensioneller Mehrpunkt-Kalibrierung eingesetzt worden, wären die Kosten drei- bis fünffach höher gewesen.
Prinzip der Messung
Der kostengünstige und robuste Neigungssensor lässt sich auch für Beschleunigungs- und Vibrationsmessungen verwenden, da verschiedene Messbereiche (bis 12 g) und Messfrequenzen (bis 400 Hz) angeboten werden. Grundsätzlich kommt die Methode der Schwungmasse zur Anwendung. Das heißt, eine Prüfmasse wird entweder durch die Beschleunigung oder durch eine Vibration bewegt. Die Prüfmasse ist zwischen zwei Kondensatorplatten angeordnet und verändert die kapazitiven Werte. Diese Methode kommt besonders dann zur Anwendung, wenn die Anforderungen an Genauigkeit hoch sind oder externe Einflüsse wie Temperatur, Vibration und Schock unter Kontrolle zu bringen sind. Mit dieser Technik lassen sich Wiederholbarkeiten von besser als 0,03° und Auflösungen von besser als 0,003° erreichen. Durch den speziellen Aufbau ist selbst nach harten Schlägen (bis 70000 g) keine Drift wegen Deformation der Prüfmasse zu erwarten. Die Gasdämpfung innerhalb des Sensorelementes verhindert Resonanzfrequenzen sowie Überschwingen. Der in einem robusten IP68-geschützten Gehäuse eingebaute Sensor kann über drei Schraubenlöcher einfach montiert und über PG-Verschraubung und Pur-Kabel angeschlossen werden. Dass die Sensoren unterwassereinsatzfähig sind, wurde im Klöntalersee in der Schweiz getestet. Ein Neigungssensor wurde fünf Wochen lang zehn Meter tief versenkt. Der 4...20mA-Signalausgang erlaubt auch längere Anschlussleitungen. Über einen entsprechenden Widerstand kann das Stromsignal in ein Spannungssignal von wahlweise 1…5 oder 2…10 V umgewandelt werden. Standardmäßig sind Neigungssensoren (wahlweise ein- oder zweiachsig) mit den Bereichen ±30° (±0,5 g) oder ±90° (±1 g) erhältlich. Alle Sensoren sind auf 1 g/0°, oder optional auf ±45°, abgeglichen. Damit ist –abgesehen von mechanischen Anpassungen in der Applikation –grundsätzlich kein weiterer Nullpunktabgleich erforderlich. Für Beschleunigungs- und Vibrationsmessungen stehen Sensoren mit ±12 g Messbereich zur Verfügung.☐
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