SK20 Anleitung - UMS
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Bedienungsanleitung<br />
<strong>SK20</strong><br />
Saugkerze<br />
© <strong>UMS</strong> GmbH München<br />
Art.Nr. <strong>SK20</strong><br />
Version 12/2008<br />
Author: ge/tk/mn
<strong>SK20</strong><br />
Inhalt<br />
1 <strong>SK20</strong> 4<br />
1.1 Sicherheits- und Gefahrenhinweise 4<br />
1.2 Lieferumfang 4<br />
1.3 Vorwort 4<br />
1.4 Bestimmungsgemäße Verwendung 5<br />
1.5 Garantie 5<br />
2 Produktbeschreibung 6<br />
2.1 Aufbau 6<br />
2.2 Die keramische Kerze 7<br />
2.3 Acrylglas-Schaft 7<br />
2.4 Saugschlauch 7<br />
2.5 Schutzschlauch 7<br />
3 Bodenwassergewinnung 8<br />
3.1 Methoden 8<br />
3.1.1 Die einfachste Methode 8<br />
3.1.2 Die Konstant-Vakuum-Methode 9<br />
3.1.3 Tensiometergesteuertes Vakuum 10<br />
3.2 Erfahrungswerte 10<br />
3.2.1 Sandböden 10<br />
3.2.2 Vakuumwerte 11<br />
3.2.3 Porenverschlämmung 11<br />
3.2.4 Erreichbare Wassermengen 11<br />
3.3 Allgemeine Empfehlungen 12<br />
4 Vakuumsysteme 13<br />
4.1 Sammelflaschen 13<br />
4.1.1 Sammelflaschen-Kappe 13<br />
4.1.2 Geeignete Materialien 13<br />
4.1.3 Volumen 14<br />
4.1.4 Überlaufschutz 14<br />
4.2 Lagerung der Lösung 15<br />
4.3 Puffer Flasche 15<br />
4.4 Saugschläuche 15<br />
4.4.1 Materialien 16<br />
4.4.2 Dimensionierung 16<br />
4.5 Vakuumschläuche 16<br />
4.6 Planung und Konzeption 18<br />
4.6.1 Die diskontinuierliche Methode: 18<br />
4.6.2 Die Konstant-Vakuum-Methode: 18<br />
4.6.3 Tensiometergesteuertes Vakuum: 19<br />
4.7 Höhenunterschiede 20<br />
4.8 Probenahmeintervall 21<br />
4.9 Energiemanagement 21<br />
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<strong>SK20</strong><br />
5 Installation 22<br />
5.1 Spülen der Kerzen 22<br />
5.2 Installation der Saugkerzen 22<br />
5.2.1 Bohrer 22<br />
5.2.2 Besondere Hinweise 23<br />
5.2.3 Verwendung von Hüllrohren 23<br />
5.2.4 Einbauwinkel 24<br />
5.2.5 Bohrung 24<br />
5.2.6 Verlegen der Verschlauchung 25<br />
5.3 Erste Inbetriebnahme 25<br />
5.4 Probenahme 25<br />
5.4.1 Diskontinuierliche Methode 25<br />
5.4.2 Kontinuierliche Methode 27<br />
6 Wartung und Lagerung 28<br />
6.1 Entleeren der Saugkerzen bei Frost 28<br />
6.2 Lagerung 28<br />
7 Schutz der Messeinrichtung 29<br />
7.1 Diebstahl und Vandalismus 29<br />
7.2 Schutz der Kabel und Schläuche 29<br />
7.3 Frost 29<br />
8 Fehlersuche 30<br />
9 Wissenschaftlicher Hintergrund 31<br />
9.1 Unterstützende Institute 31<br />
9.2 Materialeignung 32<br />
9.3 <strong>UMS</strong> Saugkerzen und Saugplatten 33<br />
9.3.1 Saugkerzen 33<br />
9.3.2 Saugplatten 34<br />
9.3.3 Lysimeter KL2 34<br />
10 Anhang 35<br />
10.1 Technische Daten 35<br />
10.2 Zubehör 36<br />
10.2.1 Schläuche 36<br />
10.2.2 Sammelflaschen und Zubehör 36<br />
10.2.3 Feld-PVC-Box 37<br />
10.2.4 Bohrer 37<br />
10.2.5 Vakuumsysteme 38<br />
10.3 Begriffsdefinitionen 40<br />
10.4 Einheitenübersicht für Bodenwasser- und Matrixpotentiale 41<br />
11 Literatur 42<br />
12 Stichwortverzeichnis 44<br />
Ihre Ansprechpartner bei <strong>UMS</strong> 48<br />
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<strong>SK20</strong><br />
1 <strong>SK20</strong><br />
1.1 Sicherheits- und Gefahrenhinweise<br />
An dieser Stelle möchten wir besonders auf folgende Gefahren-<br />
Quellen hinweisen:<br />
Achtung - nur implosionsgeschützte Sammelflaschen verwenden.<br />
Die Keramik ist zerbrechlich - übermäßige Belastungen durch<br />
Druck, Biegung und Gewaltanwendung können zum Bruch führen.<br />
Die Keramikkerze nie mit bloßen Fingern berühren. Hautfette oder<br />
Schweißrückstände beeinträchtigen die Qualität der Keramik.<br />
1.2 Lieferumfang<br />
Im Lieferumfang ist enthalten:<br />
• <strong>SK20</strong> Saugkerze bestehend aus Schaft, Schutzschlauch und<br />
Saugschlauch (Standard: 5m)<br />
1.3 Vorwort<br />
Messsysteme müssen zuverlässig, wartungsarm und langlebig sein,<br />
um präzise Ergebnisse zu liefern und um den Betreuungsaufwand<br />
minimal zu halten. Der Erfolg jeder technischen Einrichtung ist aber<br />
auch von der sachgerechten Anwendung abhängig.<br />
Zu Beginn einer Messaufgabe oder eines Forschungsprojektes<br />
müssen aus der Zieldefinition alle Einflussgrössen gesamtheitlich<br />
betrachtet – sowie Gegebenheiten und Randbedingungen definiert<br />
werden. Daraus leiten sich die Anforderungen an das<br />
wissenschaftliche und technische Projektmanagement ab, das alle<br />
qualitätsrelevanten Prozesse definiert, die Auswahl der<br />
einzusetzenden Verfahren trifft, die der technischen und<br />
messtechnischen Werkzeuge, der Verifizierung, der Datenablage<br />
und der Modellierung.<br />
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<strong>SK20</strong><br />
Das kontinuierlich optimierte Zusammenwirken der einzelnen<br />
Teilbereiche und deren Qualitätssicherung sind schließlich<br />
ausschlaggebend für den Erfolg des Projektes.<br />
Wir wünschen Ihnen viel Erfolg bei Ihren Messprojekten und stehen<br />
Ihnen gerne weiter zur Verfügung.<br />
Ihr,<br />
Georg von Unold<br />
1.4 Bestimmungsgemäße Verwendung<br />
Saugkerzen sind zur Entnahme von Bodenwasserproben aus<br />
gesättigten und ungesättigten Böden geeignet. Um<br />
Bodenwasserproben zu gewinnen, muss ein Unterdruck zur<br />
Verfügung stehen. Die Kerzen sind aus einer speziellen Keramik<br />
gefertigt und weisen eine konstante und definierte Porosität bei<br />
geringer chemischer Aktivität und Adsorption auf.<br />
1.5 Garantie<br />
Die Garantiedauer beträgt 12 Monate und erstreckt sich bei<br />
bestimmungsgemäßer Verwendung auf Herstellungsfehler und<br />
Mängel. Der Umfang ist beschränkt auf die ersatzweise Lieferung<br />
oder Reparatur inkl. Verpackung. Versandspesen werden nach<br />
Aufwand berechnet. Erfüllungsort ist München, Gmunderstr. 37.<br />
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Produktbeschreibung<br />
2 Produktbeschreibung<br />
2.1 Aufbau<br />
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Produktbeschreibung<br />
2.2 Die keramische Kerze<br />
Die Kerze besteht zu 70% aus porösem Al 2 O 3 – und zu knapp 30%<br />
SiO 2 -Sintermaterial. Das spezielle Herstellungsverfahren garantiert<br />
homogene Porosität bei guter Wasserleitfähigkeit und sehr hoher<br />
Festigkeit. Der Bubble-Point liegt bei über 2.000 hPa. Die Kerze ist<br />
im Vergleich zu herkömmlichen porösen Keramiken sehr robust.<br />
Die Kerze wurde gemäß standardisiertem und für die DIN-NORM<br />
Ausschuss NAW12/UA5/AK4 vorgeschlagenem Testverfahren von<br />
der TU München, Wissenschaftszentrum Weihenstephan,<br />
Fachgebiet Waldernährung und Wasserhaushalt getestet.<br />
Die Kerze eignet sich für:<br />
Nitrat Chlorid Sulfat Calcium<br />
Natrium Magnesium DOC<br />
Sie ist nicht geeignet für<br />
Schwermetalle oder Aluminium<br />
(siehe Tabelle „Materialeignung“ im Kapitel „Wissenschaftlicher<br />
Hintergrund“).<br />
Konditionieren Sie die Keramik vor der Verwendung wie in Kapitel<br />
„Spülen der Kerze“ beschrieben.<br />
2.3 Acrylglas-Schaft<br />
Der Schaft dient vor allem dazu die Saugkerze in größeren Tiefen<br />
einfach einzubauen. Der Schaft besteht aus Acryl-Glas resist und ist<br />
sehr widerstandsfähig gegen Schläge, Kratzer und Bruch.<br />
2.4 Saugschlauch<br />
Material PE, Durchmesser außen: 2,8mm, innen 1,6mm.<br />
Der Saugschlauch wird i. d. R. an eine Sammelflasche<br />
angeschlossen in welcher ein Vakuum anliegt.<br />
2.5 Schutzschlauch<br />
Ein Schutzschlauch dient dazu die Saugleitung vor Knickung,<br />
Scherung sowie auch Mäuseverbiss zu schützen.<br />
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Bodenwassergewinnung<br />
3 Bodenwassergewinnung<br />
3.1 Methoden<br />
Um Bodenwasserproben zu gewinnen muss die Bodenwasserspannung<br />
(kapillare Haltekraft des Bodens) überwunden werden.<br />
Dies kann erreicht werden mit Vakuum oder durch eine „hängende<br />
Wassersäule“ in einem Saugschlauch. Entspricht das Vakuum der<br />
Bodenwasserspannung, so ist das System „Boden – Saugkerze“ im<br />
Gleichgewicht, - es fließt kein Wasser. Ist das Vakuum größer, fließt<br />
Wasser aus dem Boden in die Saugkerze, - ist es kleiner fließt es<br />
von der Saugkerze in den Boden. Freies Wasser kann in<br />
Schwerkraftlysimetern durch einen freien Ablauf gewonnen werden.<br />
Als Faustregel muss das Vakuum zumindest 50 hPa größer als die<br />
Wasserspannung sein, damit Strömungs- und Benetzungswiderstände<br />
überwunden werden.<br />
Ein Sammeln von Bodenwasser ist unter folgenden Bedingungen<br />
möglich:<br />
- steinreiche Böden bis pF 1 (10 hPa)<br />
- sandige Böden bis pF 2 (100 hPa)<br />
- lehmige Böden bis pF 2,7 (500 hPa)<br />
Saugkerzen agieren als chemische und physikalische Filter. Hohes<br />
Vakuum an wassergesättigten Böden verursacht einen Stofftransport<br />
kleinster Partikel in die Poren der Kerze. Dieser Prozess ist<br />
irreversibel und kann bei falsch angelegtem Vakuum die Kerzen<br />
verstopfen.<br />
<strong>UMS</strong> bietet 3 verschiedene Methoden an. Eine Empfehlung hängt<br />
stark von der Anwendung ab.<br />
3.1.1 Die einfachste Methode<br />
Sammelflaschen werden mit einer Handvakuumpumpe auf<br />
beispielsweise 500 hPa evakuiert. Ist die Bodenwasserspannung<br />
kleiner als 500 hPa, wird Probenwasser angesaugt. Durch das<br />
angesaugte Probenwasser baut sich das Vakuum langsam ab.<br />
Anwendungen<br />
• Qualitative Bodenwasseruntersuchungen<br />
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Bodenwassergewinnung<br />
Vorteile<br />
• Kostengünstig<br />
• Einfache Handhabung<br />
Nachteil<br />
• Diskontinuierliche und undefinierte Probennahme<br />
Geräte<br />
• Saugkerzen<br />
• Handvakuumpumpe VPS-1 oder VacuPorter<br />
• Sammelflaschen<br />
3.1.2 Die Konstant-Vakuum-Methode<br />
Das Vakuum wird auf einen Wert von 0 ... 700 hPa eingestellt und<br />
über eine Pumpe und einen Regler konstant gehalten. Durch die<br />
Wahl des Vakuums können Bodenwässer und bestimmte Porenarten<br />
beprobt werden:<br />
• Für Sickerwasserstudien wird ein Vakuum von 60 hPa eingestellt<br />
und damit das schwach gebundene Wasser aus Grob – und<br />
Sekundärporen gewonnen. Der Wasserhaushalt wird dadurch<br />
minimal beeinflusst.<br />
• Vakuum 100 ... 300 hPa: schwach gebundenes Porenwasser<br />
auch aus Sand-, Lehm- und Tonböden<br />
• Vakuum 300 ... 700 hPa: gebundenes Porenwasser aus<br />
Mittelporen bei Lehm- und Tonböden.<br />
Anwendungen<br />
• Langzeit Monitoring Projekte<br />
• Sickerwasserstudien<br />
• Bodenwasserentnahme mit einem Vakuum, das auf eine<br />
Porengröße abgestimmt ist (s.o.)<br />
Vorteil<br />
• Definierte Probenahme<br />
Nachteil<br />
• Änderungen der Bodenwasserspannung bleiben unberücksichtigt<br />
Geräte<br />
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Bodenwassergewinnung<br />
• Saugkerzen oder Sickerwassersammler<br />
• Vakuumstation VS, VS-pro ohne Steuertensiometer<br />
• Sammelflaschen<br />
3.1.3 Tensiometergesteuertes Vakuum<br />
Es wird eine konstante Druckdifferenz (Wirkdruck) zur laufend<br />
gemessenen Wasserspannung eingestellt. Damit ist das<br />
Wirkpotential (Saugpotential) konstant.<br />
Die Vorteile:<br />
• Filtrations- und Sorptionsverhalten sind etwa konstant, - geringe<br />
Memoryeffekte.<br />
• Die Kerzen setzen sich vergleichsweise geringfügig mit<br />
Feinpartikeln zu.<br />
• Bis max. 700 hPa wird Wasser gewonnen, - unabhängig von der<br />
Wasserspannung. Je größer die Druckdifferenz, je feuchter der<br />
Boden, je sandhaltiger der Boden (nur bis etwa 100 hPa), desto<br />
mehr Wasser wird gewonnen.<br />
Grenzen:<br />
• Größerer Aufwand<br />
• Der Füllstand des Tensiometers muß überwacht werden.<br />
Geräte<br />
• Saugkerzen oder Sickerwassersammler<br />
• Vakuumstation VS, VS-pro mit Steuertensiometer<br />
• Sammelflaschen<br />
3.2 Erfahrungswerte<br />
3.2.1 Sandböden<br />
Grobsandböden oder reine Mittelsandböden sind problematisch, weil<br />
der Wassergehalt im ungesättigten Bereich häufig zu gering ist, um<br />
Bodenwasser in ausreichender Menge zu bekommen. Wenn in<br />
Sandböden gearbeitet wird, dann sollte das Vakuum kontinuierlich<br />
anliegen. Anderenfalls können Sickerwasserereignisse, die in<br />
Grobsandböden kurzzeitig sind und an der Kerze „vorbeieilen“, nicht<br />
oder nur zufällig mit erfasst werden. Im Gegensatz dazu werden bei<br />
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Bodenwassergewinnung<br />
Sandfraktionen bis zu 50% hohe Wassermengen erzielt. [Riess<br />
1993]<br />
3.2.2 Vakuumwerte<br />
Im Gegensatz zur Bodenmatrix sind alle Poren der Kerze vollständig<br />
mit Wasser gefüllt. Wird bei z.B. sandigem Boden ein zu großes<br />
Vakuum angelegt, so führt dies zu einer Entwässerung des die<br />
Kerze umgebenden Bodens, womit die Wasserleitfähigkeit stark<br />
zurück geht. Das Vakuum ist daher nur so groß wie nötig anzulegen.<br />
Im Allgemeinen ist es ausreichend, ein Vakuum anzulegen, das um<br />
nur 50 hPa größer ist als die Bodenwasserspannung (siehe auch<br />
Hinweise im Kap. „Methoden“).<br />
Bei diskontinuierlicher Probenahme Vakuum – kein Vakuum –<br />
Vakuum wird die natürliche Wasserbewegung gestört. Bei<br />
Sandböden besteht dabei die Gefahr, dass der Kapillarfilm im Boden<br />
mit zunehmendem Vakuum abreißt.<br />
Der Potentialunterschied bei unterschiedlichem Niveau von<br />
Saugkerze und Sammelflasche ist bei der Größe des Vakuums zu<br />
berücksichtigen (siehe auch Kapitel „Sammelflaschen“).<br />
3.2.3 Porenverschlämmung<br />
Die Poren der Kerzen können sich durch Feinpartikel im Laufe der<br />
Zeit verschließen. Das Spülen der Saugkerzen im eingebauten<br />
Zustand hat sich nur bedingt bewährt, da das in die Poren<br />
eingeschlämmte Feinmaterial wieder in den die Kerze umgebenden<br />
Boden gespült wird. Idealerweise sollte die<br />
Strömungsgeschwindigkeit klein – und etwa konstant sein<br />
(Tensiometersteuerung), da hier die geringste Verschlämmung<br />
beobachtet wurde. Daher sollte das Vakuum nur so groß wie nötig<br />
angelegt werden. [Riess 1993]<br />
3.2.4 Erreichbare Wassermengen<br />
• In freiem Wasser bei 500 hPa Vakuum: ca. 5 ml/10 Minuten<br />
• In sandigem Lehmboden bei 500 hPa V: ca. 5 ml/1 Stunde (180<br />
L/4 Jahre)<br />
• High-flow-Keramiken können maximal die dreifache Menge an<br />
Wasser liefern.<br />
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Bodenwassergewinnung<br />
3.3 Allgemeine Empfehlungen<br />
Je länger Kerzen eingebaut sind, umso geringer werden evtl.<br />
störende Sorptionseinflüsse.<br />
Je nach Art der Untersuchung kann es nötig sein, die Proben unter<br />
Schutzgas zu lagern.<br />
Stark heterogene Böden sind problematisch, weil Saugkerzen<br />
punktuell wirken und je nach hydraulischem Anschluss zu Primäroder<br />
Sekundärporen (Risse, Makroporen) verschiedenartiges<br />
Wasser gewonnen wird.<br />
Sommermonate und trockene Böden sind problematisch, weil<br />
Bodenwasser nur bei feuchten Böden gewonnen werden kann.<br />
Durch Mausgänge unter Grünland wird Bodenwasser rasch in tiefere<br />
Schichten verlagert, weshalb dort viel Bodenwasser anstehen kann<br />
[Riess 1993].<br />
Auf folgende Punkte sollten Sie achten:<br />
Bei geregelten Systemen ist zu beachten, dass das Vakuum direkt<br />
am VS-System – und nicht an der Saugkerze gemessen wird -<br />
insbesondere bei langen Zuleitungen sind dabei die Widerstände,<br />
hervorgerufen durch Blasen in der Saugleitung zu beachten.<br />
Pumpen und Vakuumanlagen sind vor Probenwasser zu schützen<br />
(Überlaufschutz, ausreichendes Volumen, Wassereintrittssensor<br />
am Vakuumsystem)<br />
Alle Komponenten einer Vakuumanlage müssen<br />
implosionsgeschützt sein.<br />
Falls die Sammelflasche in einer anderen Höhe positioniert ist als<br />
die Saugkerze ist auf das hydrostatische Gefälle zu achten. (siehe<br />
Kapitel „Höhenunterschiede“.<br />
12/48
Vakuumsysteme<br />
4 Vakuumsysteme<br />
4.1 Sammelflaschen<br />
4.1.1 Sammelflaschen-Kappe<br />
Der Saugschlauch (Außendurchmesser<br />
2,8 mm; Innendurchmesser<br />
1,6 mm) wird<br />
üblicherweise an eine Sammelflasche<br />
angeschlossen, in der ein<br />
durch eine Vakuumpumpe<br />
erzeugtes Vakuum anliegt.<br />
Am Deckel sind 2 Anschlüsse (+ 1<br />
Reserveanschluß) angebracht<br />
(siehe Abb. rechts). Der auf der<br />
Abbildung linke Anschluß führt zu<br />
der Vakuumpumpe, der rechte<br />
Anschluß zur Saugkerze.<br />
Der Silikon-Fixierschlauch ist<br />
dabei nicht in Berührung mit der<br />
Bodenlösung, da der<br />
Saugschlauch durch den Deckel in die Flasche hineinragt.<br />
Der nicht abgeschnittene Reserveanschluß ist für einen weiteren<br />
Anschluß einer Saugkerze oder einer Vakuumleitung zur nächsten<br />
Sammelflasche vorgesehen (auf der Abbildung der mittlere, nach<br />
hinten versetzte Anschluß).<br />
Für den Anschluß einer weiteren Saugkerze muß nur die Spitze<br />
abgeschnitten werden, für einen Anschluß an eine Pufferflasche<br />
wird der obere Zapfen abgeschnitten.<br />
4.1.2 Geeignete Materialien<br />
PE, PP, PA: als Flaschen ungeeignet für Vakuumbetrieb, bedingt<br />
geeignet für Transport und Laborlagerung.<br />
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Vakuumsysteme<br />
Glas: geeignet, jedoch implosionsgefährdet. Glasflaschen müssen<br />
daher einen Kunststoffmantel haben. Sie sind im Allgemeinen für<br />
Lagerung und Transport geeignet.<br />
4.1.3 Volumen<br />
Von <strong>UMS</strong> werden 3 Größen 0,5 l (SF-500), 1 l (SF-1000), 2 l(SF-<br />
2000) für die Sammelflaschen angeboten.<br />
Die Wahl der Flasche und damit das Volumen hängen von der<br />
Anwendung ab:<br />
1. wie viel Bodenwasser wird in einem bestimmten Zeitintervall<br />
erwartet?<br />
2. Wird eine Mischprobe aus mehreren Saugkerzen<br />
gesammelt?<br />
3. Sofern die Sammelflasche mit als Vakuumvorratsgefäß<br />
dient, sollte ihr Volumen ca. dreimal so groß sein wie die für<br />
Analysen benötigte Wasserprobenmenge.<br />
Mit dem Überlaufschutz (SF-protect; siehe<br />
Kapitel im Anschluß) kann das Sammelvolumen<br />
variiert oder begrenzt werden. Um das<br />
Sammelvolumen beispielsweise auf 100 ml zu<br />
begrenzen wird der Vakuumschlauch<br />
entsprechend tief in die Flasche gedrückt.<br />
4.1.4 Überlaufschutz<br />
Bei automatischen Vakuumsystemen: Um zu<br />
verhindern, dass Wasser in die Vakuumpumpe<br />
gesaugt wird, bieten wir als Zubehör ein<br />
Überlaufschutz-Automatikventil (SF-protect) an.<br />
Die Überlaufsicherung verhindert, dass<br />
Bodenwasser aus Sammelflaschen in die<br />
Vakuumanlage fließt. Ist die Sammelflasche<br />
voll, dann koppelt die Überlaufsicherung die<br />
Flasche vom Vakuumsystem ab. Das Vakuum wird für diese Flasche<br />
abgeschaltet, während die übrigen weiter arbeiten.<br />
Die SF-protect wird einfach auf den Vakuumschlauch aufgesteckt.<br />
Das Ventil öffnet automatisch wieder, wenn die Flasche entleert wird.<br />
Da der Überlaufschutz einen erhöhten Strömungswiderstand<br />
aufbaut, sollte an der VS ein Vakuumpuffer (2l Flasche) installiert<br />
werden.<br />
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Vakuumsysteme<br />
Wichtig ist jedoch, dass die Vakuumleitung über T-Verbinder (siehe<br />
auch Kap. „Planung und Konzeption“ – „Übersicht“ sowie Abbildung<br />
unten rechts) an das Vakuumsystem angeschlossen werden,<br />
(Bypass – Funktion).<br />
4.2 Lagerung der Lösung<br />
Die Sammelflaschen sollten in einer im Boden versenkten Box<br />
untergebracht werden, damit die Lagerungstemperatur der<br />
Bodentemperatur entspricht und die Proben vor Licht geschützt sind<br />
(Algenbildung).<br />
Die Wasserproben sind vor Licht geschützt – und bei etwa<br />
gleicher Temperatur wie am Entnahmepunkt zu lagern.<br />
4.3 Puffer Flasche<br />
Es ist zu empfehlen eine zusätzliche Vakuumflasche zwischen<br />
Sammelflaschen und dem Pumpeneingang anzuordnen, als<br />
zusätzlichen Überlauf (falls kein Überlaufschutz (s.o.) eingebaut ist)<br />
sowie als Vakuumpuffer (möglichst nah an der VS).<br />
Die modernen VS Vakuumsysteme von <strong>UMS</strong> haben als zusätzlichen<br />
Schutz des Gerätes einen Wassereinbruchssensor - dieser setzt<br />
allerdings bei einem Überlauf das gesamte System außer Betrieb!<br />
4.4 Saugschläuche<br />
Der Saugschlauch ist mit der Kerze verbunden und wird direkt an die<br />
Sammelflasche angeschlossen.<br />
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Vakuumsysteme<br />
4.4.1 Materialien<br />
Folgende Schlauchmaterialien können eingesetzt werden:<br />
• PE für Anionen und Kationen<br />
• PP für Anionen und Kationen<br />
• PA für Anionen und Kationen<br />
• VA-Stahl für alle Stoffe, außer Metalle, Schwermetalle<br />
• Teflon für Schwermetalle<br />
4.4.2 Dimensionierung<br />
Grundsätzlich sollte der Saugschlauch so kurz wie möglich gewählt<br />
werden.<br />
• Damit das Totvolumen klein bleibt und zeitnahe Proben<br />
gewonnen werden.<br />
• Damit die Rückflussmenge bei steigenden Bodenwasserspannungen<br />
klein bleibt.<br />
• Damit der Ströungswiderstand so klein wie möglich bleibt.<br />
Luftblasen in den Saugschläuchen wirken als<br />
Strömungswiderstand. Je kleiner und länger der Schlauch, umso<br />
größer der Fließwidertand. So kann eine 20 Meter lange PE-<br />
Leitung mit 1,6 mm Innendurchmesser im ungünstigsten Fall bis<br />
zu 500 hPa Strömungswiderstand aufbauen.<br />
Saugschläuche sind ca. 10 cm unter der Bodenoberfläche zu<br />
verlegen.<br />
4.5 Vakuumschläuche<br />
Folgende Punkte sind für die Vakuumleitung weiterhin zu beachten:<br />
• Die Relation Oberfläche zu Volumen ist im Schlauch deutlich<br />
ungünstiger als im Sammelgefäß.<br />
• Je länger die Schläuche, umso größer die Gefahr der<br />
Beschädigung, beispielsweise durch Verbiss und umso größer<br />
sollte das Vakuum sein.<br />
• Die Länge der Vakuumleitung von der Pumpe/Regeleinheit zur<br />
Sammelflasche kann bis zu 200 m gewählt werden. Da nur<br />
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Vakuumsysteme<br />
geringe Mengen entnommen werden ist der Volumenstrom<br />
ebenfalls gering, ein Druckabfall bei dichten Systemen zu<br />
vernachlässigen.<br />
• Je nach Länge und Anzahl der Kerzen und Regelsystem ist ein<br />
Schlauchinnendurchmesser von 4 – 10 mm zu wählen.<br />
Es ist darauf zu achten, dass das gesamte System vollkommen<br />
dicht ist.<br />
17/48
Vakuumsysteme<br />
4.6 Planung und Konzeption<br />
Wie in dem Kapitel „Bodenwassergewinnung“ beschrieben wird in 3<br />
verschiedene Methoden unterschieden.<br />
4.6.1 Die diskontinuierliche Methode:<br />
(die einfachste Methode)<br />
Die Sammelflasche ist mit der Saugkerze<br />
verbunden. Das Vakuum wird diskontinuierlich<br />
an die Sammelflasche mittels Handvakuumpumpe<br />
(VPS-2, siehe Kap. „Zubehör-<br />
Vakuumsysteme“) oder über eine mobile<br />
Vakuumpumpe (VacuPorter) angelegt.<br />
Bitte beachten Sie hierbei: das maximale<br />
Sammelvolumen beträgt ca 2/3 des<br />
Flaschenvolumens.<br />
4.6.2 Die Konstant-Vakuum-Methode:<br />
Die Sammelflaschen sind mit den Saugkerzen verbunden. Das<br />
Vakuum wird kontinuierlich an die Sammelflaschen mittels<br />
Vakuumpumpe (VS Systeme siehe Kap. „Zubehör-Vakuumsysteme“)<br />
und einem fest eingestellten Unterdruck eingestellt.<br />
Die Vakuumpumpe ist über einen Vakuumschlauch (z.B. PE<br />
Außendurchmesser 6mm, Innendurchmesser 4 mm) mit den<br />
Sammelflaschen verbunden.<br />
Wird ein Überlaufschutz (SF-Protect) verwendet, dann sollten die<br />
Flaschen, die an das gleiche Vakuum angeschlossen sind mit T-<br />
Schlauchverbindern verbunden werden. (siehe auch Kap.<br />
Überlaufschutz sowie Pufferflasche). Wird eine Pufferflasche<br />
verwendet, dann kann der Reserveanschluß am Deckel verwendet<br />
werden (siehe auch folgende Abbildungen, jedoch ohne<br />
Steuertensiometer).<br />
Bei einem System mit ständig angeschlossener Vakuumpumpe ist<br />
darauf zu achten, daß es zu keiner Überflutung des Systems kommt<br />
(siehe auch Kap. Überlaufschutz sowie Pufferflasche)<br />
18/48
Vakuumsysteme<br />
Abb: Sammelflaschen in Reihe angeordnet mit Pufferflasche als<br />
Überlaufschutz. Der Reserveanschluß wird verwendet<br />
Abb: Sammelflaschen in Reihe angeordnet mit SF-protect als<br />
Überlaufschutz. Bypassfunktion über T-Stücke.<br />
4.6.3 Tensiometergesteuertes Vakuum:<br />
Der Aufbau und die Anordnung der Saugleitungen, Flaschen und<br />
Vakuumleitungen ist mit der Konstant-Vakuum-Methode identisch<br />
(siehe Abbildungen oben). Als Steuerelement wird ein Tensiometer<br />
an das Vakuumsystem (VS Systeme siehe Kap. Zubehör-<br />
Vakuumsysteme) angeschlossen um den Unterdruck<br />
tensionsabhängig zu regeln (siehe auch Kap.<br />
„Bodenwassergewinnung“-„Tensiometergesteuertes Vakuum“)<br />
19/48
Vakuumsysteme<br />
4.7 Höhenunterschiede<br />
Soll aus einer Tiefe, von beispielsweise<br />
einem Meter Bodenwasser, in eine<br />
Sammelflasche an die Bodenoberfläche<br />
gefördert werden, so baut sich im<br />
Saugschlauch eine „hängende Wassersäule“<br />
von 1 m auf. Diese reduziert das an<br />
der Kerze wirkende Vakuum um ca. 98 hPa<br />
(Abbildung rechts)<br />
Es gilt folgende Faustregel:<br />
Sammelflasche höher installiert: Vakuum<br />
vergrößern um Entnahmetiefe, 1cm<br />
entspricht 1 hPa.<br />
Ist die Sammelflasche tiefer als die Kerze<br />
angebracht – beispielsweise an<br />
Profilwänden oder Schachtanlagen -, so<br />
erhöht sich entsprechend das Vakuum<br />
(Abbildung rechts). Dies gilt jedoch nur<br />
dann, wenn der Saugschlauch mit<br />
Wasser gefüllt ist! In der Regel ist das<br />
nicht der Fall, da auch Dampf- oder<br />
Luftblasen mit gefördert werden. Es<br />
sollten daher wenn möglich Sammelflasche<br />
und Saugkerze auf der gleichen<br />
Höhe installiert werden.<br />
Sollte dies nicht möglich sein gilt folgende Faustregel:<br />
Sammelflasche tiefer: Vakuum entspricht dem Vakuum für gleiche<br />
Höhe, da auch Wasser gefördert werden soll, wenn Luft in der<br />
Sammelleitung ist.<br />
20/48
Vakuumsysteme<br />
4.8 Probenahmeintervall<br />
Das Probenahmeintervall wird je nach Untersuchungsgegenstand<br />
gewählt. Für Langzeitstudien hat sich ein Beprobungsintervall von<br />
ein bis zwei Wochen bewährt. Sofern Spitzeneinträge bei<br />
Starkniederschlagsereignissen erfasst werden sollen, muss das<br />
Beprobungsintervall kürzer gewählt werden.<br />
Um eine zeitlich hohe Auflösung der Wassermengen zu erhalten<br />
kann das Gewicht der Sammelgefäße mittels Wägezellen und mit<br />
Datenloggern erfasst werden. Alternativ kann das Probenwasser<br />
über eine Kippwaage (Kipplöffel) in die Sammelflasche geführt<br />
werden. Das digitale Signal kann ebenfalls mittels Datenlogger<br />
erfasst werden.<br />
4.9 Energiemanagement<br />
Bei automatischen Vakuumsystemen: Saugkerzenanlagen ohne<br />
Netzstromversorgung sind von Akkustrom oder Solar- oder<br />
Windstrom abhängig. Daher ist ein Energiemanagement notwendig,<br />
bei dem die Probenwassermenge, Leckagen und Einschaltzyklen,<br />
Lastabschaltung und Beprobungsintervalle berücksichtigt werden.<br />
21/48
Installation<br />
5 Installation<br />
5.1 Spülen der Kerzen<br />
Keramische Sinterwerkstoffe zersetzen sich bei hoher Säurefracht, -<br />
Aluminium wird frei. Daher empfehlen wir, entgegen anderen<br />
Empfehlungen, von Säurespülungen grundsätzlich abzusehen. Die<br />
Kerzen sollen entweder mit entionisiertem Wasser gespült oder mit<br />
der erwarteten Bodenlösung vorgespült werden. Sofern genügend<br />
Zeit zur ersten Probenahme bleibt kann auf die Konditionierung<br />
verzichtet werden, wenn die Proben der ersten Wochen oder ca.<br />
1000 ml verworfen werden.<br />
Empfohlenermaßen sollten Saugkerzen/Saugplatten vor dem Einbau<br />
mit ca. 500 ... 2000 ml entionisiertem Wasser gespült und mit<br />
adäquater Bodenlösung vorkonditioniert werden.<br />
Es ist nicht empfehlenswert, die Kerzen mit einer HCl-Lösung zu<br />
spülen. Dies könnte die Keramik zerstören und führt zum Verlust<br />
der Garantie!<br />
Es wird empfohlen die Kerzen vor dem Einbau (am besten über<br />
Nacht) in deionisiertes Wasser zu stellen, damit die Poren mit<br />
Wasser gesättigt werden.<br />
5.2 Installation der Saugkerzen<br />
5.2.1 Bohrer<br />
Kapillarkontakt: Saugkerzen brauchen einen guten kapillaren<br />
Kontakt zur Bodenmatrix. Daher sollte der Durchmesser des Bohrers<br />
über die Länge der Kerze exakt den Durchmesser der Kerze haben,<br />
damit diese nach dem Einbau einen festen Sitz hat. Der übrige<br />
Bohrer sollte 1-2 mm größer als der Schaftdurchmesser sein, damit<br />
die Störung noch klein, jedoch ein einwandfreier Sitz der Kerze<br />
selbst festgestellt werden kann. Im untersten Teil im Bereich der<br />
Kerze sollte die Bohrung einen Durchmesser von 20 mm aufweisen,<br />
über die Länge des Schafts einen Durchmesser von mindestens 22<br />
mm. Der als Zubehör erhältliche <strong>UMS</strong>-Bohrer TB-20 hat eine formgeschmiedete<br />
Schneide zum passgenauen Bohren.<br />
22/48
Installation<br />
5.2.2 Besondere Hinweise<br />
Eingeschlämmt werden sollte die Kerze nur, wenn beispielsweise<br />
der Boden stark sandig oder steinig ist. Das Schlämmmaterial sollte<br />
aus der Bohrfraktion der Beprobungstiefe genommen werden.<br />
Alternativ kann gewaschener Quarzsand, Maschenweite 1200,<br />
verwendet werden. Dieses wird als Paste gerührt und zähflüssig<br />
mittels eines Kunststoffrohres (z.B. PVC-Rohr DN16 aus dem<br />
Baumarkt für Elektroleitungen) in das Bohrloch gefüllt - oder bei<br />
waagrechtem Einbau geblasen werden.<br />
Problematisch dabei ist, daß das Feinmaterial bei starkem<br />
Sickerwasser ausgewaschen werden kann, - die Saugkerze "hängt"<br />
dann möglicherweise in der Bodenluft ohne Kapillaranbindung. Dann<br />
muss das Einschlämmen widerholt werden.<br />
Bitte beachten Sie auch, daß sandige Böden schnell entwässern<br />
(siehe auch pF-WG Kurve von sandigen Böden) und daher nur bei<br />
geringen Bodenwasserspannungen (pF
Installation<br />
• Grobsandböden, Kiese und Schotter sind problematisch, da<br />
Bohrlöcher nicht stehenbleiben. Sie müssen daher mit<br />
Hüllrohren gestützt werden<br />
5.2.4 Einbauwinkel<br />
Die Einbaulage ist so zu wählen, dass die Hauptflussrichtung nicht<br />
durch die Lage des Kerzenschaftes gestört wird. Beispielsweise<br />
sollte die Saugkerze bei vertikalem Fluss in einem Winkel von<br />
mindestens 20° zur Vertikalen eingebaut werden. Zwischen<br />
Saugkerzen und Messsonden wie Tensiometern oder TDR-Sonden<br />
ist ausreichend Raum vorzusehen.<br />
5.2.5 Bohrung<br />
• Nehmen Sie die ersten Zentimeter organische Bodenauflage mit<br />
einer Schaufel ab um zu vermeiden, dass durch das Bohren<br />
organisches Material nach unten gelangt.<br />
• Markieren Sie den Bohrer mit einem wasserunlöslichen Stift mit<br />
der exakten Bohrtiefe und berücksichtigen Sie den Einbauwinkel.<br />
• Bohren Sie das Loch, jedoch ohne den Boden zu verdichten. Je<br />
nach Bohrgerät sollte dies in 30cm Schritten geschehen.<br />
Den Schaft ohne Krafteinwirkung einführen. Nicht auf das<br />
Schaftende hämmern.<br />
Bei den <strong>SK20</strong> befindet sich am Schaftende eine schwarze<br />
Markierung. Wird die Saugkerze nicht vertikal eingebaut, so sollte<br />
diese Markierung nach oben zeigen. Dadurch befindet sich die<br />
untere Öffnung des Ansaugschlauchs am tiefsten Punkt der<br />
Kerze.<br />
• Legen Sie die organische Auflage – falls vorhanden – wieder auf<br />
und drücken den Boden leicht mit dem Fuß gegen den Schaft,<br />
um die Bohrlücke u schließen.<br />
• Die Wasserablaufmanschette wird über den Schaft gezogen und<br />
verhindert das Ablaufen von Oberflächenwasser in das Bohrloch.<br />
Besonders bei tiefen Bohrungen sollte in den Spalt zwischen<br />
Schaft und Bohrloch Bentonit als Dichtmaterial eingebracht<br />
werden.<br />
24/48
Installation<br />
5.2.6 Verlegen der Verschlauchung<br />
Eine Verlegung der Verschlauchung sollte mindestens 10 cm unter<br />
Bodenoberfläche bzw. falls nötig bei ganzjährigem Betrieb in<br />
Frostschutztiefe erfolgen. Um die Schläuche vor Verbiss zu schützen<br />
sind diese in geeigneten Schutzrohren zu verlegen.<br />
5.3 Erste Inbetriebnahme<br />
Führen Sie jede Saugleitung in eine Sammelflasche.<br />
Für einen diskontinuierlichen Betrieb wird die Vakuumpumpe direkt<br />
mit jeder Sammelflasche verbunden, evakuiert und anschließend der<br />
Verschlußstopfen wieder angebracht.<br />
Für ein Vakuumsystem mit konstantem oder geregeltem Vakuum,<br />
verbinden sie bitte alle Flaschen mit den jeweiligen Saugleitungen.<br />
Schalten Sie die Vakuumanlage ein. (Bitte beachten Sie hierbei die<br />
Bedienungsanleitung der Vakuumanlage).<br />
Mit der ersten Bodenlösung wird das gesamte System gespült.<br />
Je nach Boden und Untersuchungsart müssen die ersten 100 ml ...<br />
2000 ml (Vorlauf) gewonnene Bodenlösung verworfen werden.<br />
5.4 Probenahme<br />
Bitte beachten Sie hierbei auch das Kapitel „Planung und<br />
Konzeption-Probenahmeintervall.“<br />
5.4.1 Diskontinuierliche Methode<br />
Bei einer Probenahme mit diskontinuierlichem<br />
Vakuum sollte die Flasche durch<br />
ziehen des Verschlussstopfens entlüftet<br />
werden. (siehe Abbildung rechts)<br />
Bei einem System mit diskontinuierlichem<br />
Vakuum wird der Vakuumschlauch mit der<br />
Pumpe (Handpumpe (VPS) oder mobile<br />
Pumpe (VacuPorter)) verbunden und auf das<br />
gewünschte Vakuum evakuiert. Danach wird<br />
die Vakuumleitung geknickt, damit kein<br />
atmosphärischer Druckausgleich stattfindet und das Vakuum<br />
verloren geht. Der Verschlußstopfen wird wieder aufgesteckt (siehe<br />
auch „Ablauf der diskontinuierlichen Probenahme“<br />
25/48
Installation<br />
Ablauf der diskontinuierlichen Methode<br />
1. Ziehen Sie den<br />
Verschlußstopfen ab.<br />
2. Verbinden Sie den<br />
Vakuumschlauch der<br />
Pumpe mit dem<br />
Verbindungsstück und<br />
dem Anschluß der<br />
Sammelflasche und<br />
evakuieren bis zum<br />
gewünschten Vakuum.<br />
3. Klemmen Sie die<br />
Anschlußleitung der<br />
Sammelflasche, damit<br />
beim Abziehen des<br />
Verbindungsstückes das<br />
Vakuum in der Flasche<br />
gehalten wird.<br />
4. Drücken Sie möglichst<br />
schnell den Verschlußstopfen<br />
wieder auf das<br />
Anschlußstück der<br />
Sammelflasche<br />
26/48
Installation<br />
5.4.2 Kontinuierliche Methode<br />
(Konstant-Vakuum-Methode oder tensiometergesteuerte Methode)<br />
Bei einer Probennahme mit kontinuierlichem Vakuum sollte die<br />
Pumpe ausgeschaltet und die Vakuumleitung entlüftet werden. Die<br />
Deckel der Flaschen lassen sich dann leicht abheben, nachdem der<br />
Schraubverschluß geöffnet wird.<br />
Nach dem Entleeren der Sammelflaschen werden die Deckel wieder<br />
aufgeschraubt, das Vakuum auf den entsprechenden Unterdruck<br />
eingestellt und die Anlage ist wieder betriebsbereit, nachdem das<br />
eingestellte Vakuum erreicht wird. Eventuell muß aufgrund der<br />
Tensiometerwerte oder weil zuwenig Bodenlösung gesammelt wurde<br />
entsprechend nachjustiert werden, falls keine Tensiometersteuerung<br />
aktiviert ist.<br />
27/48
Wartung und Lagerung<br />
6 Wartung und Lagerung<br />
6.1 Entleeren der Saugkerzen bei Frost<br />
Bei ganzjährigem Betrieb ist darauf zu achten, dass sich die Kerzen,<br />
Schlauchleitungen und Sammelflaschen in frostsicherer Tiefe<br />
befinden. Falls dies nicht der Fall ist, sollten sie entnommen werden<br />
oder es können folgende Maßnahmen getroffen werden:<br />
Die Saugkerzen können während einer Frostperiode,im Boden<br />
verbleiben, müssen jedoch entleert werden.<br />
Zum Entleeren wird eine Spritze (50 ml) sowie eine Schlauchklemme<br />
pro Saugkerze benötigt.<br />
Vorgehensweise zum Entleeren:<br />
• Unterdruck an den Sammelflaschen anlegen und Kerzen<br />
vollständig entleeren.<br />
• Die Spritze am Saugschlauch befestigen und etwa 20 ml Luft<br />
hineinpressen. Dadurch entsteht ein Überdruck von etwa 100<br />
hPa.<br />
• Die Spritze so entfernen, dass der Überdruck erhalten bleibt.<br />
Den Saugschlauch mit der Klemme abdichten.<br />
Die Kerzen lassen sich nicht mehr entleeren, sobald das Wasser<br />
in der Verschlauchung gefroren ist!<br />
6.2 Lagerung<br />
Der Schaft kann mit einem feuchten Tuch abgewischt werden. Die<br />
Saugkerze sollte nicht durchhängend gelagert werden, um eine<br />
Verformung des Schafts zu vermeiden.<br />
Kerze nicht mit den Fingern berühren!<br />
28/48
Schutz der Messeinrichtung<br />
7 Schutz der Messeinrichtung<br />
7.1 Diebstahl und Vandalismus<br />
Ausreichender Schutz vor Diebstahl, Vandalismus oder durch die<br />
Bewirtschaftung sollte gegeben sein. Daher sollten Messflächen<br />
eingezäunt sein. Ein Hinweisschild, das den Untersuchungszweck<br />
erläutert, schützt halbwegs vor mutwilliger Zerstörung.<br />
7.2 Schutz der Kabel und Schläuche<br />
Schläuche sollten gegen Verbiss durch Schutzschläuche geschützt<br />
werden. Wir bieten dazu auch nachträglich montierbare, teilbare<br />
Schutzschläuche an.<br />
7.3 Frost<br />
Die Saugleitungen sind in geeigneter Frostschutztiefe zu verlegen,<br />
die Sammelflaschen sollten in einer isolierten Box im Boden<br />
eingegraben sein. (siehe auch Kap. „Entleerung der Saugkerzen bei<br />
Frost“)<br />
29/48
Fehlersuche<br />
8 Fehlersuche<br />
Wenn Sie über einen längeren Zeitraum kein oder nur wenig<br />
Bodenwasser erhalten haben, dann sollten Sie folgende Schritte<br />
prüfen:<br />
• Bei Leckagen springt bei einer automatischen Regelung<br />
beispielsweise über die VS die Pumpe sehr häufig an. Bitte<br />
prüfen Sie Leitungen und Anschlüsse auf Dichtheit<br />
• Stark heterogene Böden sind problematisch, weil Saugkerzen<br />
punktuell wirken und je nach hydraulischem Anschluss zu<br />
Primär- oder Sekundärporen (Risse, Makroporen)<br />
verschiedenartiges Wasser gewonnen wird.<br />
• Sommermonate und trockene Böden sind problematisch, weil<br />
Bodenwasser nur bei feuchten Böden gewonnen werden kann.<br />
• Durch Mausgänge unter Grünland wird Bodenwasser rasch in<br />
tiefere Schichten verlagert, weshalb dort viel Bodenwasser<br />
anstehen kann [Riess 1993].<br />
• Die Poren der Kerzen können sich durch Feinpartikel im Laufe<br />
der Zeit verschließen. Das Spülen der Saugkerzen im<br />
eingebauten Zustand hat sich nur bedingt bewährt, da das in die<br />
Poren eingeschlämmte Feinmaterial wieder in den die Kerze<br />
umgebenden Boden gespült wird. Idealerweise sollte die<br />
Strömungsgeschwindigkeit klein – und etwa konstant sein<br />
(Tensiometersteuerung), da hier die geringste Verschlämmung<br />
beobachtet wurde. Daher sollte das Vakuum nur so groß wie<br />
nötig angelegt werden. [Riess 1993]<br />
30/48
Wissenschaftlicher Hintergrund<br />
9 Wissenschaftlicher Hintergrund<br />
9.1 Unterstützende Institute<br />
Die „Empfehlungen in diesem Manual wurden in Zusammenarbeit<br />
mit folgenden Instituten zusammengestellt:<br />
• dem Österreichischen Bundesamt für Wasserwirtschaft<br />
Petzenkirchen,<br />
• der Österreichischen Arbeitsgruppe Lysimeter,<br />
http://www.lysimeter.at/<br />
• der Universität Hohenheim,<br />
• der Technischen Universität München,<br />
• Helmholtz Zentrum München, Deutsches Forschungszentrum für<br />
Umwelt und Gesundheit,<br />
• der Bayerischen Landesanstalt für Wald und Forstwirtschaft und<br />
dem<br />
• Bayerischen Landesamt für Wasserwirtschaft.<br />
Mit den Empfehlungen sollen grundlegende Informationen und<br />
Erfahrungswerte für die Gewinnung und Lagerung von<br />
Bodenwasserproben zusammengefasst werden. Sie erheben keinen<br />
Anspruch auf Vollständigkeit. Sie können eine fachkundige Beratung<br />
nicht ersetzen, da die gesamte Prozesskette Entnahmebedingungen,<br />
Boden, Beprobungsart und –intervall, Probenlagerung<br />
und –aufbereitung und Analytik auf die Zielsetzung abgestimmt<br />
werden muss.<br />
Anmerkung: Die Empfehlungen beruhen auf Erfahrungswerten, auf<br />
Laboranalysen oder ungeprüften Literaturstellen und wurden<br />
anlässlich des <strong>UMS</strong> Workshop Bodenwassergewinnung 2000<br />
gesammelt. Diese wurden nach bestem Wissen dargestellt, sollen<br />
tendenziell gelten und können eine fachkundige Beratung nicht<br />
ersetzen. Sofern weitere, einschlägige Erfahrungen vorliegen bitten<br />
wir um Ihre Empfehlung unter info@ums-muc.de.<br />
31/48
Wissenschaftlicher Hintergrund<br />
9.2 Materialeignung<br />
Sinterwerkstoffe Keramische<br />
Saugkerzen Al2O3<br />
Sintermaterialien<br />
P80, K100<br />
<strong>UMS</strong><br />
<strong>SK20</strong><br />
Bezeichnung<br />
PE/Nylon<br />
SPE20<br />
SPA<br />
SIC20/SIC40<br />
zu untersuchende Stoffe<br />
Anionen:<br />
NO3- Nitrat +++ +++ +++ +++<br />
SO42- Sulfat +++ +++ +++ +++<br />
PO43-<br />
+++ +++ +++ +++<br />
Phosphat<br />
Cl- Chlorid +++ +++ +++ +++<br />
Siliziumcarbid<br />
Duranglassinterwerkstoff<br />
SG25 oder<br />
Sinterplatte<br />
SPG120<br />
Kationen:<br />
Ca2+ Calcium + [1] ++ [1] +++ + [1]<br />
K+ Kalium + [1] ++ [1] +++ ++<br />
Na+ Natrium ++[1] + [1] +++<br />
NH4+<br />
+++ +++ +++ +++<br />
Ammonium<br />
Al3+<br />
---(kritisch [2]) ++(kritisch<br />
+++<br />
Aluminium<br />
unter pH2[1])<br />
Cu2+ Kupfer ---[3] [5][8] +++ +++ +++<br />
Cr2+ Chrom -- +++ +++ +++<br />
Fe2+ Eisen - [2] +++ +++ +++<br />
Mg2+<br />
-- +++ +++ +++<br />
Magnesium<br />
Ni2+ Nickel -- +++ +++ +++<br />
Elemente<br />
S Schwefel + [1] + [1] +++ +++<br />
P Phosphor ++ [2] +++ +++ +++<br />
Si Silizium --- +++ - +++<br />
DOC ++ [8] ++[3] ++ +<br />
TOC ++ [1] + [1] ++ +<br />
Huminstoffe:<br />
Schwermetalle:<br />
Cd --- [6] +[6] - -<br />
Pb --- [5] [6] +[6] - -<br />
Herbizide + (Atrazin) [3] [7][8] +(Atrazin) [7] /<br />
Pestizide / / /<br />
Fungizide / / /<br />
32/48
Wissenschaftlicher Hintergrund<br />
PAK<br />
Spurenelemente - / /<br />
Bezug auf Literaturstellen<br />
Legende<br />
[1] Göttlein, 1996<br />
[2] Grossmann et al., 1987<br />
[3] Klotz, Unold, 2000<br />
[4] Riess, 1993<br />
[5] Guggenberger und Zech 1992<br />
[6] Haberhauer 1997<br />
[7] Schroll 1996<br />
[8] Klotz, 1997<br />
--- generell ungeeignet<br />
-- ungeeignet<br />
- nur bei guter Kenntnis und Konditionierung<br />
geeignet<br />
/ keine Kenntnisse<br />
+ bedingt geeignet<br />
++nach Vorkonditionierung und Vorlauf geeignet<br />
+++ nach Vorlauf sehr gut geeignet.<br />
9.3 <strong>UMS</strong> Saugkerzen und Saugplatten<br />
9.3.1 Saugkerzen<br />
<strong>SK20</strong><br />
Keramische Saugkerze K100 für kontinuierliche/diskontinuierliche<br />
Probenahme bei variablem Vakuum. 20 mm, Länge 60 mm.<br />
Schaft- und Schlauchlänge nach Wunsch.<br />
SIC20<br />
Siliziumcarbidsaugkerze für kontinuierliche/diskontinuierliche<br />
Probenahme bei variablem Vakuum. 20 mm, Länge 60 mm.<br />
Schaft- und Schlauchlänge nach Wunsch.<br />
SPE20<br />
Nylonsaugkerze mit PE-Sintermantel wie SKP100, jedoch<br />
schwerpunktmäßig für Metalle, Schwermetalle . 20 mm, Länge 60<br />
mm. Schaft- und Schlauchlänge nach Wunsch.<br />
SKPE25<br />
Keramische Saugkerze SKA100FF zur Sammlung von Probenwasser<br />
im PE-Schaft. 100 cm Schaft haben ein Volumen von 250 ml,<br />
so dass ca. 100 ml Bodenwasser darin gewonnen werden kann.<br />
Diese Kerze eignet sich insbesondere für große Tiefen, da die<br />
Bodenlösung im Schaft nahe bei der Kerze gelagert wird. Erst zur<br />
Probenentnahme aus dem Schaft muss das hydrostatische Potential<br />
(bei 5 m 500 hPa) durch Vakuum oder Überdruck überwunden<br />
werden. 25 mm, Länge 65 mm. Schaft- und Schlauchlänge nach<br />
Wunsch.<br />
SG25<br />
33/48
Wissenschaftlicher Hintergrund<br />
Borsilikatglassinterkerze für kontinuierliche/diskontinuierliche<br />
Probenahme bei variablem Vakuum. 25mm, Länge 65mm.<br />
Schaft- und Schlauchlänge nach Wunsch.<br />
9.3.2 Saugplatten<br />
Saugplatten können in gestörte Bodensäulen oder gefüllte Lysimeter<br />
eingebaut werden. Weiter können Sie von Schachtwänden oder<br />
Profilgruben aus über horizontale Schächte von unten gegen den<br />
Boden gedrückt werden, - z.B. mit Luftkissen, hydraulisch oder<br />
mechanisch mit Edelstahlfedern. Da diese seitlich nicht gefasst sind<br />
muss das angelegte Vakuum exakt nach der Wasserspannung des<br />
umgebenden Bodens im gleichen Horizont gewählt werden, da<br />
anderenfalls eine hydraulische Senke oder ein Strömungswiderstand<br />
aufgebaut wird. Vorteil ist, dass eine größere Fläche beprobt wird als<br />
mit Saugkerzen.<br />
SIC300<br />
Bruchfeste Platte aus porösem Siliziumkarbid für Bodensäulen und<br />
Kleinlysimeter. Die Platte ist in eine Butylfolie eingefaßt mit unterseitigem<br />
Schlauchanschluss.<br />
Geeignet für -60 hPa, Lufteintrittspunkt -80 hPa.<br />
SPG120<br />
Poröse Borosilikat Glasplatte. Geeignet für Phospate und DOC. Der<br />
Saugschlauch endet direkt im Kern der Platte. Dadurch ist keine<br />
Folie oder Abdichtung erforderlich.<br />
9.3.3 Lysimeter KL2<br />
Das Kleinlysimeter kann vergraben werden um in-situ Sickerwasser<br />
zu sammeln - oder als Bodensäule für Laborversuche verwendet<br />
werden.<br />
Am Boden des Behälters ist eine 0,5 bar high flow Platte eingesetzt.<br />
(Keramik oder SIC)<br />
300 mm, Höhe 300/600/1200 mm, Lysimeterwerkstoff Edelstahl<br />
1.4307.<br />
34/48
Anhang<br />
10 Anhang<br />
10.1 Technische Daten<br />
Physikalische Eigenschaften<br />
Schaft<br />
PMMA 20 mm<br />
Saugschlauch<br />
PE, Innen- 1.6 mm, Außen- 2.8mm<br />
Schutzschlauch<br />
PVC, gewebeverstärkt, 11 x 5 mm<br />
Kerzentyp<br />
K100<br />
Kerzenabmessungen Länge 54 mm 0,8, 20 mm - 0.5<br />
Aktive Länge 34 cm 2 1<br />
Hohlraum/Totvolumen 8 ml 1<br />
Porosität 45 % 2 %<br />
Porengröße<br />
1 m 0.1 m<br />
Härte nach Mohs<br />
7 MH<br />
Biegefestigkeit 60 N/mm 2 0,5<br />
Druckfestigkeit 240 N/mm 2 10<br />
Chemische Zusammensetzung<br />
Al 2 O 3 70 0,5 Gew. %<br />
SiO 2 29 0,5 Gew. %<br />
R 2 O 0,8 0,1 Gew. %<br />
35/48
Anhang<br />
10.2 Zubehör<br />
Folgendes Zubehör ist bei <strong>UMS</strong> erhältlich.<br />
10.2.1 Schläuche<br />
Artikel Art .Nr. Beschreibung<br />
Vakuum-Schlauch<br />
PE<br />
SL-PE/6.0 Schlauch PE, Außendurchm. 6,0 /<br />
Innendurchm. 4,0 mm<br />
Schutzschläuche<br />
Teilbarer Schutzschlauch für Kabel und<br />
Schläuche<br />
10.2.2 Sammelflaschen und Zubehör<br />
Artikel Art .Nr. Beschreibung<br />
SF-500<br />
SF-1000<br />
SF-2000<br />
SFK<br />
500 ml Flasche<br />
1000 ml Flasche<br />
2000 ml Flasche<br />
Laborflaschen aus Glas<br />
Implosionsgeschützt<br />
Plastiküberzug zum Splitterschutz<br />
Inkl. Kappe und zwei Schlauchanschlüssen<br />
incl. Reserveanschluß<br />
Ersatzkappe mit 3 Anschlüssen<br />
SF-Clip<br />
Clip zur einfachen Wandbefestigung<br />
von Sammelflaschen<br />
36/48
Anhang<br />
Überlaufschutz für Sammelflaschen<br />
10.2.3 Feld-PVC-Box<br />
Artikel Art .Nr. Beschreibung<br />
SFprotect<br />
SF-<br />
FIELDBOX<br />
Feld-PVC-Box für 6<br />
Sammelflaschen L 400 x B 300 x<br />
H 350 mm, mit wärmegedämmtem<br />
Deckel und 6 PG9<br />
Verschraubungen für<br />
Saugkerzenschläuche und<br />
verstärkten Seitenwänden für<br />
Unterfluranwendung.<br />
10.2.4 Bohrer<br />
Artikel Art.Nr. Beschreibung<br />
TB-20 Formgeschmiedeter Stechbohrer mit<br />
Schlagkopf. Die Spitze der Schneide<br />
entspricht dem Durchmesser der Kerze,<br />
so dass Saugkerzen im Kerzenbereich<br />
passgenau im Bohrloch sitzen. Dadurch<br />
entfällt die Notwendigkeit zum<br />
Einschlämmen der Kerze! Set<br />
bestehend aus Griff mit Schlagkopf,<br />
Stechbohrer 125 cm. Als weiteres<br />
Zubehör : Verlängerungungsstangen<br />
über 100 cm.<br />
37/48
Anhang<br />
10.2.5 Vakuumsysteme<br />
Artikel Art .No Beschreibung<br />
VS<br />
Vakuumsysteme<br />
VS-pro<br />
VS-twin<br />
VS-single<br />
VS-twin<br />
VS-pro<br />
VPS-2<br />
Ein regelbares Vakuum<br />
Zwei regelbare Vakuum<br />
Zwei regelbare Unterdrücke mit Display<br />
und Tastatur<br />
Vakuumsystem für ein oder zwei Unterdrücke,<br />
konstant oder tensio-metergesteuert.<br />
Typische Anwendungen<br />
Langzeitmonitoring<br />
Definierte Bodenwasserprobennahme<br />
Definierte Sickerwassermessung<br />
Lysimeterbeprobung<br />
Vorteile<br />
Erzeugung von bis zu 2 unabhängigen<br />
Unterdrücken mit hoher Genauigkeit<br />
Regelung der Unterdrucksysteme als<br />
Festwert oder über Tensiometermesswert<br />
Statusanzeige über mehrfarbige LED<br />
Optimiert für Akkubetrieb<br />
1 Tensiometer vom Typ T8, T4 oder T5<br />
anschließbar<br />
Vielfältige Konfigurationsmöglichkeiten<br />
Integrierter Datenlogger<br />
Grenzen<br />
Bedienung nur über PC (VS-twin und<br />
VS-single)<br />
Standvakuumpumpe aus Aluminium,<br />
mit Stahlfuß und Manometer,<br />
Hubvolumen 410 ml, erreichbares<br />
Vakuum 0 … 800 hPa, Höhe 57 cm,<br />
Gewicht 2,2 kg<br />
38/48
Anhang<br />
Vakuumkoffer<br />
VacuPorter<br />
Leichter Vakuumkoffer ohne Regelung,<br />
mit Pumpe bis 850 hPa, integriertem<br />
Akku 7 Ah, wasserdichter Koffer,<br />
Partikelfilter, Manometer 0…-1bar und<br />
0... 4 bar, inkl. Ladegerät, Abm.<br />
30x25x13 cm, 4,8kg<br />
39/48
Anhang<br />
10.3 Begriffsdefinitionen<br />
Hängende Wassersäule: Wasserhöhe in Schläuchen oder Rohren<br />
oder Porenstrukturen. Messbar wird sie in einem Rohr dadurch, dass<br />
am obersten Punkt ein Drucksensor eingebaut wird. 100 cm<br />
entsprechen einer hängenden Wassersäule von 98 hPa.<br />
Ungesättigte Zone: Bodenzone oberhalb des Grundwasserspiegels<br />
bis GOK (Geländeoberkante)<br />
Freies Wasser: Nicht oder nur schwach gebundenes Bodenwasser.<br />
Sickerwasser: Durchfließt den Boden und bildet Grund- oder<br />
Stauwasser.<br />
Feldkapazität: Die maximale Haftwassermenge eines Bodens bei<br />
freiem Wasserabzug. In Europa bei 150 hPa, in USA bei 350 hPa<br />
Wasserspannung definiert.<br />
Permanenter Welkepunkt: Wasserspannung, ab der die meisten<br />
Pflanzen irreversible Schäden aufweisen, bei etwa 15000 hPa.<br />
Lysimeter: Behälter mit definierter Oberfläche und einem Boden mit<br />
zumindest einem Auslass. Zur mengenmäßigen Erfassung von<br />
Wasser- und Stoffflüssen, Umsetzungsprozessen und<br />
Simulationsstudien.<br />
Saugkerze: Sonde zur Gewinnung von Bodenlösung der<br />
ungesättigten Zone, bestehend aus hydrophiler Membrane, Schaft<br />
und Saugleitung.<br />
Tensiometer: Messgerät zur Bestimmung der<br />
Bodenwasserspannung.<br />
Vakuum: Drücke kleiner als Atmosphärendruck. Im absoluten<br />
Vakuum sind keine Gasteile mehr vorhanden.<br />
40/48
Anhang<br />
10.4 Einheitenübersicht für Bodenwasser- und<br />
Matrixpotentiale<br />
pF hPa kPa=J/kg Mpa bar psi %rF<br />
1 -10 -1 -0,001 -0,01 -0,1450 99,9993<br />
2,01 -100 -10 -0,01 -0,1 -1,4504 99,9926<br />
FK Feldkapazität 2.53 -330 -33 -0,033 -0,33 -4,9145 99,9756<br />
Standard<br />
Tensiometer<br />
Messbereich<br />
Permanenter<br />
Welkepunkt<br />
2.93 -851 -85,1 -0,085 -0,85 -12,345<br />
3 -1.000 -100 -0,1 -1 -14,504 99,9261<br />
4 -10.000 -1.000 -1 -10 -145,04 99,2638<br />
4.18 -15.136 -1.513 -1.5 -15 -219,52 98,8977<br />
5 -100.000 -10.000 -10 -1 00 -1.450,4 92,8772<br />
Lufttrocken, 6 -1.000.000 -100.000 -100 -1 000 -14.504 47,7632<br />
luftfeuchteabhängig<br />
Ofentrocken 7 -10.000.000 -1.000.000 -1.000 -10 000 -145.038 0,0618<br />
Anmerkung: 9,81hPa entsprechen 10 cm Wassersäule<br />
41/48
Literatur<br />
11 Literatur<br />
Czeratzki, W.; 1971: Saugvorrichtung für kapillar gebundenes<br />
Bodenwasser. Landforschung Völkerode 21, 13-14<br />
DVWK; 1990: Gewinnung von Bodenwasserproben mit Hilfe der<br />
Saugkerzenmethode. DVWK Merkblätter, Heft 217<br />
DVWK; 1980: Empfehlungen zum Bau und Betrieb von Lysimetern<br />
Grossmann, J.; Quentin, K.-E.; Udluft, P.; 1987:<br />
Sickerwassergewinnung mittels Saugkerzen – eine Literaturstudie.<br />
Z. Pflanzenernährung u. Bodenkunde 150, 281-261<br />
G.HENZE, 1999: Umweltdiagnostik mit Mikrosystemen, Verlag<br />
Wiley-VCH, ISBN 3-527-29846-0.<br />
RAMSPACHER, P., 1993: Erste Erfahrungen mit<br />
tensiometergesteuerten Unterdrucklysimetern zur Erstellung von<br />
Sickerwasserbilanzen (Lysimeterstation Wagna), Bericht über die 3.<br />
Gumpensteiner Lysimetertagung „Lysimeter und ihre Hilfe zur<br />
umweltschonenden Bewirtschaftung landwirtschaftlicher<br />
Nutzflächen“, BAL Gumpenstein, 20.-21.4.1993, S. 67-72.<br />
HARTGE, HORN, 1992: Die physikalische Untersuchung von<br />
Böden, Verlag Enke, ISBN 3 432 82123 9.<br />
FEICHTINGER, F., 1992: Erste Erfahrungen beim Einsatz eines<br />
modifizierten Feldlysimeters, Bericht über die 2. Gumpensteiner<br />
Lysimetertagung „Praktische Ergebnisse aus der Arbeit mit<br />
Lysimetern“, BAL Gumpenstein, 28.-29.4.1992, S. 59-62.<br />
KLAGHOFER, E., 1994: Antworten auf die 7 Fragen an uns<br />
Lysimeterbetreiber, Bericht über die 4. Gumpensteiner<br />
Lysimetertagung „Übertragung von Lysimeterergebnissen auf<br />
landwirtschaftlich genutzten Flächen und Regionen“, BAL<br />
Gumpenstein, 19.-20.4.1994, S. 5-7.<br />
ROTH, D., R. GÜNTHER und S. KNOBLAUCH, 1994: Technische<br />
Anforderungen an Lysimeteranlagen als Voraussetzung für die<br />
Übertragbarkeit von Lysimeterergebnissen auf landwirtschaftliche<br />
Nutzflächen, Bericht über die 4. Gumpensteiner Lysimetertagung<br />
„Übertragung von Lysimeterergebnissen auf landwirtschaftlich<br />
genutzten Flächen und Regionen“, BAL Gumpenstein, 19.-<br />
20.4.1994, S. 9-21.<br />
SCHWABACH, H. und H. ROSENKRANZ, 1996: Lysimeteranlage<br />
Hirschstetten - Instrumentierung und Datenerfassung, Bericht über<br />
42/48
Literatur<br />
die 6. Gumpensteiner Lysimetertagung „Lysimeter im Dienste des<br />
Grundwasserschutzes“, BAL Gumpenstein, 16.-17.4.1996, S. 41-45.<br />
KRENN, A., 1997: Die universelle Lysimeteranlage Seibersdorf -<br />
Konzeption, Bericht über die 7. Gumpensteiner Lysimetertagung<br />
„Lysimeter und nachhaltige Landnutzung“, BAL Gumpenstein, 7.-<br />
9.4.1997, S. 33-36.<br />
EDER, G., 1999: Stickstoffausträge unter Acker- und Grünland,<br />
gemessen mit Schwerkraftlysimetern und Sickerwassersammlern,<br />
Bericht über die 8. Gumpensteiner Lysimetertagung „Stoffflüsse und<br />
ihre regionale Bedeutung für die Landwirtschaft“, BAL Gumpenstein,<br />
13.-14.4.1999, S. 93-99.<br />
KUNTZE, ROESCHMANN, SCHWERDTFEGER, 1988:<br />
Bodenkunde, Verlag UTB Ulmer, ISBN 3-8001-2563-3.<br />
Starr, J.L.; Meisinger, J.J. ; Parkin, T.B.; 1991: Experience and<br />
knowledge gained from vadose zone sampling. In: NASH, R.G.;<br />
Leslie A.R. (Eds.): Groundwater Residue Sampling Design. Am.<br />
Chem. Soc. Symp. Series 465, 279-289<br />
Udluft, P.; Quentin, K.-E.; Grossmann, J.; 1988: Gewinnung von<br />
Sickerwasser mittels Saugkerzen – Verbesserung der<br />
Probenahmetechnik und Minimierung der Veränderung der<br />
chemischen und physikalischen Eigenschaften des Sickerwassers.<br />
Abschlußbericht zum Forschungsvorhaben DU 3/10-1. Institut für<br />
Wasserchemie der TU München.<br />
43/48
Stichwortverzeichnis<br />
12 Stichwortverzeichnis<br />
A<br />
Acryl-Glas resist................................7<br />
B<br />
Bodenmatrix....................................11<br />
Borsilikat .........................................32<br />
Bubble Point......................................7<br />
Bypass – Funktion ..........................15<br />
D<br />
DIN-NORM........................................7<br />
diskontinuierliche Methode .............18<br />
diskontinuierliche Probenahme.......11<br />
E<br />
Einheitenübersicht ..........................40<br />
Entleeren.........................................27<br />
F<br />
Filtrations- und Sorptionsverhalten .10<br />
G<br />
Grobsandböden ..............................24<br />
H<br />
Handvakuumpumpe..........................8<br />
hängende Wassersäule ..............8, 20<br />
HCl-Lösung.....................................22<br />
High flow Keramiken.......................11<br />
Hüllrohre ...................................23, 24<br />
hydraulischer Anschluss .................12<br />
hydrostatische Potential..................32<br />
K<br />
kapillare Haltekraft des Bodens ........8<br />
kapillarer Überlaufschutz ................15<br />
Kapillarfilm ......................................11<br />
Kerzenmaterial..................................7<br />
Konstant-Vakuum-Methode ............18<br />
kontinuierliche/diskontinuierliche<br />
Probenahme...............................32<br />
Kunststoffmantel .............................14<br />
L<br />
Langzeitstudien...............................21<br />
Leckage ..........................................29<br />
Lysimeter ........................................30<br />
N<br />
NAW12/UA5/AK4..............................7<br />
P<br />
Porosität............................................7<br />
Potentialunterschied .......................11<br />
Pufferflasche...................................13<br />
44/48
Stichwortverzeichnis<br />
R<br />
Rammkernsonden...........................23<br />
Reserveanschluß............................13<br />
S<br />
Sammelflasche .........................13, 15<br />
Saugschlauch ...................................7<br />
Schutzschlauch.................................7<br />
Sickerwasserereignisse ..................10<br />
Sickerwasserstudien.........................9<br />
Silikon-Fixierschlauch .....................13<br />
SiO 2 -Sintermaterial ...........................7<br />
Sorptionseinflüsse...........................12<br />
Stechbohrer ....................................36<br />
Strömungswiderstand .....................33<br />
T<br />
Technische Daten...........................34<br />
Tensiometergesteuertes Vakuum...19<br />
Tensiometersteuerung..............11, 29<br />
Totvolumen .....................................16<br />
trockene Böden.........................12, 29<br />
T-Verbinder.....................................15<br />
U<br />
<strong>UMS</strong> Workshop...............................30<br />
<strong>UMS</strong>-Bohrer....................................22<br />
V<br />
Vakuumvorratsgefäß ......................14<br />
Vandalismus ...................................28<br />
Verifizierung......................................4<br />
W<br />
Wassereinbruchssensor .................15<br />
Wirkpotential ...................................10<br />
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Stichwortverzeichnis<br />
46/48
Stichwortverzeichnis<br />
47/48
Ihre Ansprechpartner bei <strong>UMS</strong><br />
Ihre Ansprechpartner bei <strong>UMS</strong><br />
Vertrieb Georg v. Unold Tel:+49-89-126652-15<br />
Email: gvu@ums-muc.de<br />
Bedienungsanleitung Thomas Keller Tel:+49-89-126652-19<br />
Email: tk@ums-muc.de<br />
<strong>UMS</strong> GmbH Ph.: +49-89-126652-0<br />
D-81379 München<br />
Fax: +49-89-126652-20<br />
Gmunderstr. 37<br />
email: info@ums-muc.de<br />
Rücknahme nach Elektro G<br />
WEEE-Reg.-Nr. DE 69093488<br />
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