Kabellose Messkugeln zur Aufzeichnung tiefenorientierter Temperaturprofile

Simon Schüppler1, Roman Zorn1, Linda Makni1, Hagen Steger2, Philipp Blum2
1 Europäisches Institut für Energieforschung (EIfER)
2 Institut für Angewandte Geowissenschaften (AGW), Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

4.4 in Sensorik und Messen im Grundwasser

27.03.2020, 16:15-16:30, Händel-Saal

Die Messung der ungestörten Bodentemperatur dient der Auslegung oberflächennaher geothermischer Anlagen, insbesondere von Erdwärmesonden (EWS), sowie der Überwachung grundwasserführender Schichten. Vermehrt zum Einsatz kommen dafür sogenannte miniaturisierte Messmolche bzw. Messkugeln, die über eine autarke Energieversorgung sowie Druck- und Temperatursensoren verfügen. Diese werden kabellos in eine fluidgefüllte U-förmige EWS manuell eingebracht und sinken aufgrund ihrer höheren Dichte gegenüber dem Fluid bis zum Basispunkt des Sondenrohrs. Zu den derzeit verwendeten Messkugeln zählt der GEOsniff, der mittels auswählbarer Messfrequenz tiefenaufgelöste und präzise Temperaturprofile über die gesamte Tiefe des U-Rohrs aufzeichnet. Der GEOsniff eignet sich sowohl für Initialmessungen als auch zur Langzeitüberwachung, beispielsweise einer Grundwassermessstelle. Anhand des aufgezeichneten Temperaturprofils lassen sich Rückschlüsse auf Fließgeschwindigkeit- und richtung des Grundwassers, den geothermischen Gradienten am Standort, sowie Auswirkungen der Oberflächentemperatur auf den Aquifer ziehen. In diesem Beitrag werden systematische Messfehler und erweitere Messunsicherheiten, die im Zusammenhang mit kabellosen Temperaturmessungen auftreten, am Beispiel des GEOsniffs ermittelt und mit herkömmlichen Pt100- und Glasfasermessungen verglichen. Empirische Untersuchungen im Labor ergeben eine hohe Genauigkeit und Präzision von 0,1 K bzw. 0,011 K bei einer durchschnittlichen Zeitkonstante von 5 s. Letztere beeinflusst maßgeblich den dynamischen Messfehler. Dieser resultiert aus der Zeit, die der GEOsniff benötigt, um sich der Fluidtemperatur anzugleichen. Unterschiedliche Rahmenbedingungen, wie z. B. veränderte Schräglage des Rohrs oder Veränderung der Dichte bzw. Viskosität des Fluids, wirken sich zudem auf die Sinkgeschwindigkeit der Messkugel aus, die wiederum großen Einfluss auf die Messdynamik und somit Messunsicherheit des GEOsniffs hat. Die durchgeführten Untersuchungen sollen der Qualitätssicherung und Verbesserung dieser Art von Messtechnik dienen. Durch die kleine Messunsicherheit sowie dem geringen logistischen und zeitlichen Aufwand sind kabellose Messungen zur Generierung oberflächennaher Temperaturprofile eine geeignete Alterative gegenüber herkömmlicher Messtechnik.

Messprinzip des GEOsniffs sowie Referenzmessungen in einer Erdwärmesonde
Messprinzip des GEOsniffs sowie Referenzmessungen in einer Erdwärmesonde



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