CaveLink-Telemetriesystem
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Physikalischer Hintergrund (Kurzfassung):
Wenn eine elektomagnetische Welle, bei der elektrischer und magnetischer Anteil verschränkt sind, auf ein leitfähiges Medium (z.B. Erde, Fels) trifft, dringt die Welle in das Medium ein. Dabei wird der elektrische Anteil durch die Leitfähigkeit mehr oder weniger kurzgeschlossen und damit abgedämpft. Damit verschwindet aber, durch die Verschränkung, auch der magnetische Anteil. Diese Eindringtiefe ist auch als Skin-Effekt bekannt.
Um Signale drahtlos durch ein leitfähiges Medium wie Erde oder Fels zu übertragen, muss man sich auf den magnetischen Anteil beschränken. Die Reichweite wird auch dadurch begrenzt, dass sich der elektrische Anteil von selber wieder bildet. Ab etwa 10x der Wellenlänge ist die elektromagnetische Welle wieder komplett und damit zur Übertragung durch ein leitfähiges Medium ungeeignet.
Durch diesen Effekt beschränkt sich der nutzbare Frequenzbereich auf den Langwellenbereich (etwa 10kHz-150kHz). Höhere Frequenzen sind ungeeignet, da die Eindringtiefe mit zunehmender Frequenz abnimmt.
Die verwendeten Antennen sind entweder Loop-Antennen (Spulen), die nur ein magnetisches Feld erzeugen, welches mit dem Abstand hoch drei abnimmt.
Oder man verwendet sogenannte Erdstromantennen. Diese erzeugen ein magnetisches Feld, welches mit dem Abstand hoch zwei abnimmt und gleichzeitig durch die Ausbildung eines Spannungsabfalls im leitfähigen Medium (Äquipotentiallinien) ein elektrisches Feld. Die Feldstärke des elektrischen Feldes nimmt mit dem Abstand hoch drei ab. Die Antennen arbeiten nicht resonant, dazu sind sie viel zu kurz (etwa 10m-100m lang). Die Enden sind durch Endkapazitäten gegen Erde in der Lage, in der Antenne einen Stromfluss und damit ein magnetisches Feld zu erzeugen. Aber kein elektromagnetisches Feld, da die beiden Anteile nicht verschränkt sind.
Man bewegt sich bei der drahtlosen Nachrichtenübertragung durch ein leitfähiges Medium physikalisch in einem Bereich, welcher in der klassischen Funktechnik mit elektromagnetischen Wellen meistens keine Rolle spielt.
CaveLink:
Das von Felix Ziegler entwickelte CaveLink-Gerät wurde und wird bereits sehr erfolgreich als Höhlen-Kommunikationsgerät eingesetzt.
Das CaveLink-Gerät mit Zubehör: Peli-Box, Antennenkabel, Endkapazitäten und Ladegerät
Aufgrund seiner technischen Daten und die Einspeisung der Signale in den leitfähigen Untergrund mittels Erdstrom-Antennen ermöglichen die Geräte eine sichere Verbindung durch mehr als 1km Fels oder Erde.
Da auf der schwäbischen Alb solche Entfernungen kaum vorkommen, arbeiten wir mit kürzeren Antennen.
Technische Daten der CaveLink-Geräte V2:
Frequenzbereich: | 20 kHz - 140 kHz |
Abstimmschrittweite: | 1 Hz |
Empfänger-Bandbreite: | 300 Hz |
Empfänger-IP3: | +15 dBm |
Modulationsverfahren: | 4-PSK |
Übertragungsrate (ungestört) | ca. 13 Bytes (8bit) /Sec (104 Baud) |
Sender / Empfäger-Steuerung: | ARQ |
Sender-Ausgangsleistung (interner Akku): | ≤20 Watt |
Empfänger-Grenzempfindlichkeit: | -128 dBm = 90 nV an 50 Ω |
Stromverbrauch: Standby: | <100 µA |
Empfänger: | 30 mA |
Sender: | 70 mA + Sender-Ausgangsleistung |
Abmessungen: (LxBxH) | 95mm x 118mm x 51mm |
Gewicht (mit Batterie) | 650g |
CaveLink beschreibt jedoch nicht nur das einfache "Endgerät", sondern ein komplettes System von Zusatzgeräten und Sensoren, welche eine drahtlose Übertragung von so gut wie allen messbaren Parametern an die Oberfläche erlauben. Dabei kann auch jedes Gerät im Berg als Relaisstation verwendet werden, um auch sehr große Entfernungen zu überbrücken.
Die Daten werden von der Oberflächenstation über ein GSM-Modul direkt an einen Server übertragen. Dort erfolgt eine Speicherung und Aufbereitung als PDF-File, um die Informationen für jedermann im Internet zugänglich zu machen.
Unter www.vetterhoehle.de , www.baerentalhoehle.de und www.steebschacht.de sind die Daten der Vetterhöhle, Bärentalhöhle und des Steebschachtes abrufbar; ein Link ist auch hier auf der Homepage unter "Vetterhöhle", "Bärentalhöhle" und "Steebschacht" zu finden.
Die Messungen erfolgen normalerweise jede halbe Stunde, die Übertragung und die Generierung des PDF-Files alle 1-2 Stunden.
Bei aktuellen Ereignissen, wie zum Beispiel schnell ansteigendes Hochwasser, können diese Zeiten über ein normales Mobilfunkgerät jederzeit geändert werden.
Eine in der Höhle eingebaute Messstation besteht aus einem CaveLink-Gerät und den für die spezielle Stelle vorgesehenen Sensoren. Das Bild zeigt zwei Drucksensoren, welche zur Wasserstandsmessung verwendet werden, einen Lufttemperatursensor und das CaveLink-Gerät.
Alle Stecker, Kabel und Gehäuse sind selbst in den trockenen Höhlenbereichen wasserdicht ausgelegt.
Als Verbindungskabel wird sogenanntes "Feldkabel" mit zwei Adern verwendet. Darüber wird die Stromversorgung der Sensoren sowie in Gegenrichtung die Daten übertragen.
Die Telemetrie-Konfiguration in der Vetterhöhle zur 2x Wasserstands- und 3x Temperaturmessung
Mit den benötigten Akkus werden die Geräte in wasserdichten Koffern geschützt in der Höhle deponiert.
Gerät mit Akku und Temperatursensor (rechts) in der Vetterhöhle
Die Montage von Sensoren, hier des Wasserstandsensors im Wolkenschloss, ist manchmal etwas aufwendiger.
Montage der Wasserstands- und Wassertemperatur-Sensoren im Wolkenschloss
Zur Konfiguration und auch zum Einspielen von neuer Software benötigt man auch einmal einen Rechner in der Höhle. Dabei haben sich am besten Tablet-PCs bewährt, da man keine Tastatur benötigt und der Rechner mit einer Plastikfolie leichter höhlenfest zu machen ist.
Folgende Sensoren werden momentan in der Vetterhöhle, Bärentalhöhle und Steebschacht eingesetzt:
- Lufttemperatur
- Wassertemperatur
- Luftdruck
- Luftfeuchte
- Wasserdruck (Wasserstand)
- Windgeschwindigkeit
- Kohlendioxid-Konzentration
- Sauerstoff-Konzentration
- Regen (Aussenstation)
Übliche Windrad-Anemometer sind in Höhlen nur sehr beschränkt einzusetzen, da die Lager in der feuchten und lehmigen Umgebung nur eine sehr kurze Lebensdauer haben und die Windräder manchmal betauen und deshalb wegen Unwucht durch Wassertropfen nur schwer anlaufen.
Daher kommt ein Anemometer ohne bewegliche Teile auf der technologischen Basis eines Hitzedrahtanemometers zum Einsatz, welches jedoch eine Richtungsinformation des Luftstroms liefert und Windgeschwindigkeiten ab etwa 0,01m/s anzeigt. Auf den Bildern sieht man das in einem Rohr eingebaute Gerät in der Bärentalhöhle.
Alle verwendeten Sensoren haben alle eine sehr hohe Auflösung und Genauigkeit.
Die Hitzedraht-Anemometer wurden in einem Windkanal der Fa. Testo kalibriert. Diese Kalibrierung ist auf DKD rückführbar.
Interessante Ereignisse:
Vetterhöhle:
Ein schönes Beispiel eines mittels Telemetrie zu verfolgenden Hochwassers ereignete sich im Januar 2011. Das am 17.1.2011 aufgenommene Teiemetrie-Diagramm vom Hochwasserstand im "Wolkenschloss" und in der "Abzweighalle" zeigt einen maximalen Abfluss am Blautopf von etwa 20m3/s und einen Pegelstand im "Wolkenschloss" und in der "Abzweighalle" von etwa 2,8m, das ist mehr als 2m über dem Normalpegel.
In der "Abzweighalle" bildete sich ein See und das "Wolkenschloss" war nicht mehr zu befahren, da der Wasserstand den Zugang blockierte:
Bärentalhöhle:
Höhlenfunk, Gesetzliche Grundlagen
Die "Bundesnetzagentur für Elektrizität, Gas, Telekommunikation, Post und Eisenbahnen", kurz Bundesnetzagentur (BNetzA) ist für die Regulierung der Frequenzen in Deutschland zuständig.
Da die Übertragung beim sogenannten Höhlenfunk induktiv erfolgt und sich aufgrund des leitfähigen Mediums kein abgestrahlter elektrischer Anteil und damit auch keine elektromagnetische Welle ausbilden kann, sowie durch die Verwendung einer sogenannten Erdstromantenne handelt es sich um eine induktive Funkanwendung.
In der Verfügung werden für die Allgemeinzulassung feste Grenzwerte in dBμA/m für die magnetische Feldstärke aufgeführt, wie sie in 10m Abstand von der Sendeantenne nicht überschritten werden dürfen.
Mittels einer kalibrierten Rohde & Schwarz H-Feld Loop-Messantenne und einem mit den Korrekturdaten der Messantenne geladenen Agilent-Spektrumanalysator wurde die magnetische Feldstärke gemessen.
Die Messung erfolgte gemäß den Normen ETSI EN 300 330-1 V1.7.1 und ETSI EN 300 330-2 V1.5.1.
Messaktivitäten an der Außenstation der Vetterhöhle
Die im folgenden Bild rot eingezeichneten Grenzwerte werden bei der Verwendung des CaveLink-Gerätes an der Außenstation der Vetterhöhle nicht überschritten. Der Sendepegel liegt mit 43,1dBμA/m um 22,9dB unter dem bei 132kHz Sendefrequenz gültigen Grenzwert von 66dBμA/m.
Die Sendefrequenz bei 132kHz liegt an der oberen Grenze des Arbeitsbereiches der CaveLink-Geräte. Die Erdstromantenne arbeitet mit besserem Wirkungsgrad als bei niedrigeren Frequenzen, dadurch ist die erzeugte magnetische Feldstärke maximal (worst case). Der Abstand zum Grenzwert vergrößert sich bei niedrigeren Frequenzen.
Da sich bei verschiedenen Aufnahmen des an der Antenne anliegenden Empfangs-Frequenzspektrums ein im oberen Frequenzbereich ungünstiger Störpegel herausstellte, werden aktuell nur Frequenzen unter 90kHz außerhalb der Schutzbänder der Normalfrequenz-Sender benutzt.
Jede Station arbeitet auf vorher mit einem Spektrum-Analysator ausgemessenen, freien Frequenzen, auf denen Störungen so weit möglich ausgeschlossen werden können.
Die Beschränkungen bezüglich magnetischer Feldstärke gemäß der Verfügung Nr. 4/2010 geändert mit Vfg. 2/2014 der Bundesnetzagentur für Elektrizität, Gas, Telekommunikation, Post und Eisenbahnen werden eingehalten.
Weitere Informationen zum CaveLink-Gerät gibt es hier.
[Stand: Nov. 2019]