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Jugend forscht 2016 - Landeswettbewerb
Bau eines U-Boots mit integrierter
Messeinheit für tiefenbasierte
Wasseranalytik
Langfassung
Alexander Holz, Jan Olm, Phillipp Müller
Bau eines U-Boots mit integrierter Messeinheit für
tiefenbasierte Wasseranalytik
Land: SHS, Sparte: J, Fach: T
Kurzfassung
In unserer diesjährigen Jugend forscht-Arbeit haben wir uns parallel zu einem SeminarfachProjekt unseres Gymnasiums das Ziel gesetzt, ein möglichst preiswertes U-Boot zu bauen,
welches neben einem selbstprogrammierten Tauchsystem auch biochemische Parameter zur
vollständigen und effizienten Wasseranalytik mittels einer implementierten Sensoreinheit
bereitstellt. Dabei haben wir uns gewöhnliche Hochtemperatur-Abwasserrohre und den
Baustoff GFK zu Nutze gemacht, um eine stabile und druckbeständige Form unseres U-Bootes
zu gewährleisten. Für die Verarbeitung aller technischen Abläufe innerhalb unseres realisierten
Systems haben wir einen Arduino-Microcontroller verwendet und durch weitreichende
(Mess-)Schaltungen ergänzt. Mittels eines zusätzlichen Verwaltungssystems kann unser U-Boot
gesteuert werden und gleichzeitig eine Parameterauswertung durchführen. Ein abschließender
Testversuch in der Badewanne hat die Funktionstüchtigkeit unseres Systems bestätigt und
gleichzeitig auf Erweiterungsmöglichkeiten aufmerksam gemacht.
Schule
Gymnasium Trittau
Teilnehmer
Phillipp Müller (17) – 22969 Witzhave
Jan Olm (17) – 22929 Rausdorf
Alexander Holz (16) – 23881 Koberg
Inhaltsverzeichnis
1.
Einleitung ........................................................................................................................................................... 1
2.
Funktionsweise des realisierten Messsystems ..................................................................................... 2
3.
2.1
Funktionsdiagramm .............................................................................................................................. 2
2.2
Beschreibung der Funktionen ........................................................................................................... 2
Bau des U-Bootes ........................................................................................................................................... 3
3.1
Beschreibung und Durchführung ..................................................................................................... 3
3.2
Tauchsystem............................................................................................................................................. 4
3.2.1
Herkömmliche U-Boot-Tauchsysteme .................................................................................. 4
3.2.2
Funktionsweise unseres ausgewählten Systems ............................................................... 4
3.2.3
Erforderliche Komponenten unseres Pumpsystems ........................................................ 5
3.2.4
Tankverteilung / Druckkörper .................................................................................................. 5
3.3
4.
Applikationen ................................................................................................................................................... 8
4.1
Verwaltungsapplikationen .................................................................................................................. 8
4.2
Smartphone-Applikation ................................................................................................................... 10
4.3
Arduino Steuerungsapplikation und -system............................................................................ 10
4.3.1
Allgemeine Programmierung ................................................................................................. 10
4.3.2
Motoren- und Pumpensteuerung......................................................................................... 11
4.4
5.
Antrieb ........................................................................................................................................................ 6
Matlab Analyse-Dateien .................................................................................................................... 12
Implementierung der Messeinheiten .................................................................................................... 13
5.1
Funktion und Einbindung.................................................................................................................. 13
5.2
Parameteranalyse ................................................................................................................................. 14
5.2.1
„Vor-Ort-Parameter“ .................................................................................................................. 14
5.2.2
Wasseranalytik: Nitrit-Nachweis ............................................................................................ 14
5.2.3
Wasseranalytik: Nitrat-Nachweis........................................................................................... 14
5.2.4
Wasseranalytik: Phosphat-Nachweis ................................................................................... 15
6.
Zusammenfassung und Fazit ................................................................................................................... 15
7.
Ausblick ............................................................................................................................................................ 15
8.
Anhang ............................................................................................................................................................. 16
9.
Quellverweise ................................................................................................................................................. 16
1. Einleitung
In unserem diesjährigen Jugend forscht-Projekt haben wir parallel zu einer Seminarfacharbeit an
unserem Gymnasium ein U-Boot mit integrierter Messeinheit gebaut. Als ohnehin technikaffine Schüler
kamen wir nach verschiedensten Hobbyprojekten wie beispielsweise dem Bau einer Flugdrohne,
mehreren Modellfliegern oder einem Schaufelrad-Katamaran im Rahmen des alljährlichen DanielDüsentrieb-Wettbewerbs hauptsächlich aus eigenem Interesse auf die Idee, ein U-Boot zu bauen, da wir
uns bisher noch nie mit einem solch komplexen Tauchsystem beschäftigt hatten. Um dem Leitfaden
unseres gewählten Chemie-Physik-Profils nachzukommen, sind wir besonders nach aktuellen
Schlagzeilen bezüglich Wasser-/ Gewässerverschmutzungen der Intention gefolgt, eine Messeinheit zu
integrieren, damit große Gewässer möglichst günstig, schnell und besonders auf unterschiedlichen
Tiefenschichten auf deren Wasserqualität analysiert werden können.
Dabei möchten wir die Möglichkeit überprüfen, ob man mit vorzugsweise einfachen und hauptsächlich
günstigen Werkstoffen ein vollständig funktionsfähiges Unterwasserfahrzeug bauen kann, welches
durch eine integrierte Messeinheit zusätzliche Parameter für biochemische Prozesse im Wasser liefern
kann und mittels chemischer Analysen einen günstigen Beitrag für die Gewässerforschung bietet.
Für das Projekt hatten wir bereits mehrere Grundlagen sowie Kenntnisse bezüglich der Programmierung
einer geeigneten Messapplikation auf dem Arduino-Microcontroller erarbeitet, da uns zum einen durch
das Internet ein großer Zufluss von Code-Erläuterungen bereitstand, wir aber zum anderen wie bereits
angeführt in unserer Freizeit programmieren. So konnten wir unser diesbezügliches Wissen anwenden
und ein kompatibles Gesamt-Softwarepaket für das U-Boot programmieren, welches aus einer Messund Steuerapplikation auf dem Arduino im U-Boot und einer Verwaltungsapplikation auf dem Computer
besteht, mittels welcher das U-Boot unter der Verwendung eines XBOX-Controllers gesteuert werden
kann. Durch den Physik-/Chemieunterricht an unserer Schule konnten wir besonders auf das Wissen
über beispielsweise das Archimedische Prinzip sowie die Wasseranalytik zurückgreifen. Letzteres
konnten wir so mit den Ausgabewerten der Messeinheiten im U-Boot verknüpfen und mit Hilfe von
Matlab visuell auswerten, um die Wasserqualität beziehungsweise allgemeine Wassereigenschaften
nachzuvollziehen.
Um unsere Fragestellung beantworten zu können, möchten wir ihr, auf der Grundlage von den zuvor
genannten theoretischen Voraussetzungen wie beispielsweise unseren physikalischen, chemischen
sowie technischen Kenntnissen beziehungsweise Interessen, nachgehen, indem wir mittels eines
selbstgebauten U-Bootes erste Messversuche, primär Kalibrierungen und kleine Tests, durchführen,
diese untereinander vergleichen und analysieren, um in Hinblick auf unsere Fragestellung anschließend
ein ausgiebiges Fazit ziehen zu können.
1
2. Funktionsweise des realisierten Messsystems
2.1
Funktionsdiagramm
2.2
Beschreibung der Funktionen
Das oben gezeigte Funktionsdiagramm verdeutlicht den genauen Aufbau und die Kommunikation der
beteiligten Anwendungen und Geräte innerhalb unseres Analysesystems. Die volle Kompatibilität aller
Anwendungen untereinander kann bereits jetzt schon als gesichert und fundiert gelten, da unser System
lediglich mit kompatiblen und standardisierten Datenübertragungsschnittstellen wie beispielweise SPI
(Serial Peripheral Interface) Bus und USB (Universal Serial Bus) arbeitet. Dabei haben wir die Jugend
forscht-Arbeit bezüglich der Realisierung eines Bojenmessarrays mit unserem diesjährigen Projekt
kombiniert, um ein Gesamtsystem zu erhalten, mittels welchem theoretisch gesehen ein Gewässer auf
nahezu alle möglichem Parameter untersucht werden kann. Unter anderem zählen dazu die
Wellenanalyse, Luftanalyse und Wasseranalyse, welche durch ein Messungs-U-Boot auf Tiefen unterhalb
des Oberflächenwassers flexibel ausgeweitet werden kann.
Für unser Projekt setzen wir einen zentralen Verwaltungsserver ein, welcher über die Domain
http://www.science-gate.de/?auth=236132 erreichbar ist. Auf diesem läuft ein MySQLDatenbanksystem, welches alle Benutzer- und Messeinheitsdaten beinhaltet. So können über
verschiedenste Anfragen von späteren Anwendern die Messwerte der einzelnen Messarrays, Messbojen
sowie Unterwasserfahrzeugen aus den Messwertdatenbanken eingelesen, Einstellungen bezüglich den
Benutzern und Bojen getätigt und Import-/Exportvorgänge schnell und problemlos bearbeitet werden.
Dabei wird durch die von uns selbstprogrammierte Verwaltungssoftware auf dem Computer und einer
Online-Version ein besonderes Augenmerk auf die Steigerung der Effizienz der Datenmessung sowie
bei der Bearbeitung durch einen späteren Anwender gelegt, beispielsweise für Wissenschaftler an
verschiedenen Forschungsinstitutionen oder Küstenschutzingenieure der Wasserschutzämter.
In dem Funktionsdiagramm 2.1 haben wir zur Veranschaulichung neben einem Messarray und einer
einzelnen Messboje unser gebautes U-Boot in einem Funktionsschema eingezeichnet. Dabei setzen wir
in unserem U-Boot einen Arduino-Controller ein, welcher zuerst über einen 433MHz-Funktransceiver die
2
Steuerungsdaten erhält, die dieser anschließend im Programmcode innerhalb einer Ablauf-Schleife
anwendet und folglich die jeweiligen Funktionen des U-Bootes auf deren Grundlage verwaltet.
Dementsprechend unterscheiden wir zwischen dem Tauchsystem, dem Antriebssystem und der
implementierten Messeinheiten, deren Daten nach Entnahme und Komprimierung in einem
zugewiesenen String zur Übertragung an die Verwaltungsapplikation bereit stehen. Dabei kann der
Datenaustausch an den Datenbankserver prinzipiell automatisch per Steuerungsverbindung oder per
GSM-Modul erfolgen, jedoch auch auf einer handelsüblichen SD-Karte gespeichert und anschließend
manuell per Verwaltungsapplikation in das Messsystem importiert werden. In unserem Fall verwenden
wir derzeit eine Zwischenspeicherung auf dem Arduino und die anschließende Übertragung aller
Echtzeitparameter per aufgebauter Funkverbindung, welche auch für die Steuerungswerte ihren Einsatz
findet.
Wie bereits angeführt, haben wir für beispielsweise die Forschungsinstitute und deren Forscher oder
besser gesagt dem Anwender eine Verwaltungsapplikationen angefertigt, mit welcher die Daten des
Verwaltungsservers abgefragt werden können. In der Applikation finden die Datenverarbeitung und die
anschließende Datenausgabe an den Endbenutzer statt. Dieser hat die Möglichkeit das gesamte System
zu überwachen und die Messwerte aus der Datenbank zu verwalten beziehungsweise zu exportieren.
Dabei kann zwischen verschiedenen Formaten wie zum Beispiel „.csv“ oder „.txt“ gewählt werden. In die
Applikation ist außerdem ein Steuerungssystem integriert, welches direkt per XBOX-Controller oder der
Tastatur am Computer bedient werden kann. So können Ab- und Auftauchvorgänge sowie die Steuerung
des U-Bootes einfach durchgeführt werden. Ebenfalls gibt es einen kleinen Autopiloten, welcher durch
getätigte Einstellungen beispielsweise das U-Boot mit konstanter Geschwindigkeit oder Lenkmanövern
auf Kurs hält. Eine Implementierung eines autonomen Steuersystems wäre in naher Zukunft denkbar.
Über einen kleinen extern angeschlossen Arduino mit Transceiver findet anschließend der
Datenaustausch mit dem U-Boot statt. Zudem kann der Benutzer die Eigenschaften der Messarrays und
U-Boote variieren und so verschiedenste Änderungen vornehmen. Unter anderem können
Benutzergruppen in der Verwaltungsapplikation eingerichtet werden, mit welchen man personalisiert
Zugriff auf alle oder nur bestimmte der bereits genannten Systemanwendungen vergeben und erhalten
kann. Die ausschlaggebende Funktion unserer Software für den Beitrag zu einer effizienten und
möglichst einfachen Gewässeranalyse ist die Implementierung der Berechnungssoftware Matlab, von
welcher wir eine Schülerversion besitzen. So ist in der Verwaltungsapplikation eine Übersicht aller
analysierbaren Parameterwerte des jeweils ausgewählten Messsystems integriert, sodass durch ein
Selektieren ein angepasstes Matlab-File geöffnet wird, mit welchem die weitere Auswertung
durchgeführt werden kann.
3. Bau des U-Bootes
3.1
Beschreibung und Durchführung
Unserem Ziel, ein möglichst günstiges U-Boot zu entwerfen, folgend, haben wir uns zunächst auf das
Grundgerüst des Unterwasserfahrzeugs fokussiert, damit wir eine Basis für den weiteren Auf- und
Ausbau unseres späteren Systems schaffen. Für die U-Boot typische Form verwendeten wir schlichte HTRohre aus dem Baumarkt auf Grund ihrer Stabilität und Beständigkeit, da diese so auch dem höheren
Druck unter Wasser unbeschadet standhalten. Dabei kann durch den einfachen Aufsteckmechanismus
der Rohre miteinander, mittels Muffen, den integrierten Dichtringen und einer zusätzlichen Dichtmasse,
eine vollständige Dichtigkeit erreicht werden. Durch die Verstärkung der Rohrübergangssequenzen mit
GFK und Epoxidharz war es uns möglich, auch die Abschnitte der Tauch- und Druckkörper festzulegen,
denn diese sind für das später erläuterte Tauchsystem essenziell. Außerdem mussten wir neben einer
ausreichenden Antriebsleistung auf eine akkurate Gewichtsverteilung achten.
3
3.2
3.2.1
Tauchsystem
Herkömmliche U-Boot-Tauchsysteme
Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten eines U-Boot-Tauchsystems, welche sich einzig allein auf
dynamischen oder statischen Wege unterscheiden. Bei einem dynamischen Tauchvorgang wird die
Tauchtiefe lediglich durch die Bewegung, d.h. bei schneller Fahrt mit Hilfe von horizontal ausgerichteten
Tiefenrudern oder vertikalen Tauchpropellern, reguliert. Jedoch ist dieses System auf Grund seines
hohen Energieverbrauches bei größeren U-Booten ungeeignet beziehungsweise ineffizient, sodass es
nur bei kleinsten Modellbauprojekten zum Tragen kommt. Daher kann mittels eines statischen
Tauchsystems, bei welchem der Tauchvorgang durch die Veränderung der Gesamtdichte des U-Bootes
bei gleichbleibendem Volumen, also Massenveränderung, eingeleitet wird, die Tauchtiefe ohne weitere
Aufwendung von Energie für lange Zeit gehalten werden.
Beim statischen Tauchsystem wiederum können die Masseveränderungen auf unterschiedliche
Methoden zurückgeführt werden. Zum einen ist es möglich durch das wahrscheinlich meist verbreitete
Kolbentankpresssystemen das Wasser beim Abtauchen durch einen entstehenden Unterdruck
anzuziehen, wenig Energie zu verbrauchen und beim Auftauchen durch das Herauspressen des Wassers
nicht auf Luft angewiesen zu sein. Zum anderen gilt das Pressluftsystem bei echten U-Booten als
bewährte Methode. Während des Abtauchens füllt sich der Tauchtank durch unten liegende Öffnungen,
wenn im oberen Teil des U-Bootes die Luftventile geöffnet werden und die Luft so entweichen lässt.
Beim Auftauchen kann durch Druckluft aus einem Drucklufttank das Wasser dementsprechend
herausgepresst werden, unter der Voraussetzung, dass die Luftventile geschlossen sind.
Das von uns benutzte System ist ein Pumpsystem, welches auch als statischer Tauchvorgang verstanden
wird und mit Hilfe von Pumpen Wasser in einen oder mehrere feste Tauchtanks befördert und so eine
Gewichtsveränderung hervorruft. Im Gegensatz zu den bereits genannten Systemen ist eine Realisierung
vereinfacht möglich und preisgünstig.
3.2.2
Funktionsweise unseres ausgewählten Systems
Wie im letzten Abschnitt angeführt verwenden wir für unser U-Boot ein so genanntes statisches
Tauchsystem, welches durch reine Gewichts- oder Auftriebsveränderungen auf- beziehungsweise
abtauchen kann. Daher mussten wir uns zuerst mit den physikalischen Eigenschaften im gesamten UBoot-System auseinandersetzen, was die jeweiligen Verdrängungsvolumina, Gewichtsverlagerungen
und die daraus resultierenden Dichteverhältnisse umfasst. Hierbei haben wir wie unter Punkt 3.1 erwähnt
darauf geachtet, dass wir die Gewichte beziehungsweise ihre tatsächliche Masse möglichst genau auf
das errechnete Volumen des Druckkörpers, welches später im Wasser als nahezu einzige Auftriebskraft
gilt, auslegen. Um den Tauchvorgang des U-Bootes schließlich einzuleiten, muss sein gesamtes Gewicht
erhöht werden beziehungsweise die Auftriebskraft 𝐹𝐴 größer als die Gewichtskraft 𝐹𝐺 des U-Bootes im
Wasser sein, welches auf das Archimedische Prinzip in der Physik zurückzuführen ist. Demnach gelten
die Formeln und Zusammenhänge wie in M1 dargestellt. An dieser Stelle
𝐹𝐴 = 𝜌 𝑊𝑎𝑠𝑠𝑒𝑟 × 𝑉 × 𝑔
werden nun die Pumpeinheiten eingesetzt, welche durch das Einpumpen
von Wasser in die Tauchtanks eine geringere Gesamtdichte in den
𝐹𝐺 = 𝑚 𝑈𝐵𝑜𝑜𝑡 × 𝑔
jeweiligen Abschnitten erreichen, um das U-Boot insgesamt mittels einer
höheren Masse einer physikalisch bestimmten Verdrängungsänderung
𝐹𝐴 > 𝐹𝐺  Schwimmen
zu unterziehen und das daraus resultierende Abtauchen, vielmehr ein
𝐹𝐴 < 𝐹𝐺  Sinken
Absinken, hervorzurufen. Ab einem bestimmten Zeitpunkt wird das
System die annähernd gleiche Dichte wie Wasser haben, sodass dieses
𝐹𝐴 ≅ 𝐹𝐺  Schweben
langsam die Wasseroberfläche durch ein Sinken verlässt und
M 1: Archimedisches Prinzip
anschließend im Wasser schwebt. Doch das Eintreten dieses Zustandes
ist sehr schwierig zu erreichen, daher haben wir in das U-Boot zusätzlich eine kleine Regelzelle integriert,
welche sich auf den Milliliter genauer einstellen lässt und den Tauchgang beim nächsten Mal
4
vorzugsweise kalibriert ablaufen lassen kann. Gewichtskraft und Auftriebskraft sind in diesem
Zeitabschnitt ungefähr gleich. Durch das weitere Einpumpen von Wasser wird das Gleichgewicht von
Gewichtskraft und Auftriebskraft gestört und das erneute Sinken in tiefere Wasserebenen eingeleitet.
Durch die Variation von Pumpvorgängen in jeweils nur einen Tauchtank kann so die Lage des U-Bootes
relativ zur Wasserlinie in einem Winkel verändert werden, auf welchem Weg beispielsweise schnellere
Abtauchmanöver durch den Einsatz der Motoreinheiten ermöglicht sind.
3.2.3
Erforderliche Komponenten unseres Pumpsystems
Für unser gewähltes Tauchsystem, welches lediglich auf Pumpen basiert, benötigen wir möglichst
kraftvolle Pumpen, die den erforderlichen Druck für die Kompression der sich in den Tauchtanks
befindenden Luft aufbringen kann, da wir ohne Druckluft beziehungsweise deren Entweichung arbeiten.
Als optimale Lösung haben wir klein wirkende Zahnradpumpen verbaut, welche unter 7,2 Volt bei
maximal 4-5 Ampere dennoch einen 6 Bar Wasserdruck aufbauen können. Durch die so vergleichsweise
geringe Durchflussrate von 1,7 l/min bei optimalen Bedingungen würde ein Auf-/ beziehungsweise
Abtauchvorgang bei einer Pumpe pro Tauchtank knapp 2-3 Minuten dauern. Auf Grund dessen mussten
wir den Pumpeneinsatz dementsprechend groß dimensionieren, weshalb wir insgesamt vier Pumpen
verwenden. Unterhalb der Mittellinie im Druckkörper haben wir daher Schlauchnippel mit vorheriger
Gewindebohrung angebracht und mit 2K-Epoxidharzkleber verstärkt, damit auch dort ein ungewollter
Wassereinbruch verhindert wird. Hierher beziehen die Pumpen das Wasser über Schläuche für den
Tauchvorgang. Durch die Zwischenschaltung von Relais mittels einer H-Bridge kann der Pumpvorgang
anschließend umgekehrt werden. (Vgl. 4.2.2)
3.2.4
Tankverteilung / Druckkörper
Tauchtank I
⇔
Druckkörper
⇔
Tauchtank II
Als günstigste Möglichkeit in Hinblick auf die Umsetzung und den dadurch verbundenen Aufwand
haben wir unser U-Boot in drei Bereiche aufgeteilt, welche jeweils zusammengesetzt einen aus drei
Rohrstücken bestehenden zylindrischen Gesamtkörper ergeben. Diese sind oben anhand von
selbstentworfenen CAD-Zeichnungen dargestellt. Für eine optimale Gewichtsverlagerung definierten wir
die beiden äußeren Bereiche als zwei identische Wassertanks und das innere T-Stück als unseren
Druckkörper, welcher später unser technisches System beziehungsweise die Mess- und Steuereinheiten
beinhalten wird. Um die Bereiche voneinander abzutrennen, haben wir eigene Trennwände aus Holz
konstruiert (vgl. M2), die wir mittels GFK und Dichtmasse wasserundurchlässig und druckbeständig
entlang des Rohrdurchmessers einlaminiert haben. Dabei haben wir dementsprechend
Schlauchdurchführungen aus Edelstahl in das Holz eingearbeitet, welche den Pumpen im Betrieb die
Durchflussmöglichkeit zu den Tauchtanks bieten und durch das Überstecken der dehnbaren
Silikonschläuche das Aufbrechen der GFK-Beschichtung verhindern.
5
M 2: Tauchtank innerer Aufbau
1 Holz/GFK-Trennwand, 2 Schlauchdurchführung verdichtet, 3 Blei-Gewichte verklebt,
4 Schlauchverbindung zu den Pumpen
Um die Lagestabilität im sowie unter Wasser sicherzustellen, konnten wir durch die Verwendung und
Platzierung von abgestimmt großen Blei-Gewichten im unteren Bereich entlang der Mittellinie die
Funktion eines Kiels bei einem Schiff auf unseres übertragen. So liegt der Schwerpunkt des U-Bootes
durch die Verlagerung sehr tief, sodass trotz Einflüssen während des Betriebes wie beispielsweise
geringe Strömungen, Wellen oder ähnlichem, die auf die Seitenwände wirken, eine stabile Lage
vorherrscht und das U-Boot selbst im Extremfall steuerbar ist.
Damit alle verwendeten Bauteile bezüglich der Elektronik
während der Fahrt unter Wasser nicht verrutschen
beziehungsweise eine gewisse Lagebeständigkeit erhalten,
haben wir mit AutoCAD zwei verschiedene Trägerplatten
M3 entworfen, welche speziell dem Rohrdurchmesser der
U-Boot-Form angepasst und auf einer kleinen Schiene im Inneren
fixiert sind. Auf ihnen befinden sich Aussparungen und Halterungen für die
Pumpen, die verschiedenen Leiterplatten mit dem Arduino sowie die Lithium-PolymerAkkus, die aus dem Modellbau bekannt sind. Des Weiteren sind Bohrungen
M 3: Trägerplatten aufeinander
für die Schläuche und die Befestigungen der oberen Platte vorhanden,
gesteckt, lediglich montierte Pumpen
sodass der schon sehr geringe Platz im Inneren des U-Bootes durch die
übereinanderliegenden Grundplatten möglichst effizient genutzt werden kann. Dabei ermöglicht die
feste Lage der Akkus an beiden äußeren Seiten eine Entnahme dieser durch den Drehverschluss des TRohres. Insgesamt sorgt eine gefertigte Halterung für Übersichtlichkeit und daher Ordnung im U-Boot,
da ohne diese alle Kabelverbindungen, Schläuche, etc. vermischt und untereinander nicht mehr einfach
identifizierbar wären.
3.3
Antrieb
In den Anfängen unseres Projektes hatten wir uns zunächst auf die Grundform des U-Bootes und des
dazugehörigen Tauchsystems konzentriert, da diese für die spätere Funktion äußerste Priorität haben.
Um das U-Boot im Gewässer jedoch manövrieren zu können und nicht auf externe Einflüsse wie
Strömungs- und Wellenversetzungen angewiesen zu sein, ist es auch notwendig, eine Antriebseinheit in
das U-Boot zu implementieren, welche an der Gesamtgröße orientiert entsprechend leistungsstark
dimensioniert werden muss, um eine schnelle Fortbewegung auch auf kleinerem Raum zu ermöglichen.
Ein zusätzliches Augenmerk mussten wir beim Bau zudem auf die richtige Platzierung dieser
Antriebseinheit legen, sodass insgesamt Gewichtsverlagerungen berücksichtigt werden. Durch
beispielsweise eine Platzierung lediglich einer Einheit am Heck des U-Bootes wäre dort im Vergleich zur
6
gegenüberliegenden Seite (Bug) ein erhöhtes Gewicht sowie Auftriebskraft vorzufinden, welches mit Blei
ausgeglichen werden müsste. Auch die Manövrierbarkeit würde in diesem Falle deutlich schwieriger für
uns umzusetzen sein, da wir uns somit mit einer komplizierten und aufwendigen Rudersteuerung zur
Regelung der Fahrtrichtung und Tiefe auseinandersetzen müssten. Insgesamt können wir so die
Ausgaben für den Bau unseres U-Bootes erheblich minimieren. Denn durch das Anfertigen zweier
separater Antriebseinheiten, von welchen jeweils eine auf den beiden Seiten des U-Bootes möglichst
mittig platziert ist, können wir mit Hilfe von Variationen in der Motorenumdrehung sowie -umkehrung
einen äußert präzisen Positions- und Richtungswechsel unter/über Wasser durchführen.
Als Grundform des Antriebsrohres verwenden wir das gleiche Material wie bereits bei den Tauchtanks
und dem Druckkörper, jedoch HT-Rohre mit dem genormten Außendurchmesser DN90 Millimeter. In
diesen haben wir die Motoren mittels selbstangefertigter Halterungen befestigt, welche uns von einem
Unternehmen zur Verfügung gestellt wurden. Dabei handelt es sich um zwei Planetengetriebemotoren
mit einer Übersetzung von 18:1 beziehungsweise umgangssprachlich einer Untersetzung von 1:18,
sodass bei DC12 Volt-Versorgungsspannung ein maximales Drehmoment von 5,1 Nm und ein
Nenndrehmoment von 1,3 Nm bei knapp 200 Umdrehungen pro Minute erreicht werden kann. Da es
sich bei unserem U-Boot nicht um ein einfaches Boot an der Wasseroberfläche handelt, müssen wir
abhängig von der Tauchtiefe alle Durchführungen komplett druck- und wasserdicht auslegen. Es wäre
sicherlich möglich ein aus dem Modellbau verwendetes Stevensrohr mittels Dichtringen und
Armaturenfett zu verwenden, jedoch wäre diese Lösung sehr wartungsintensiv und leicht anfällig für
Wassereinbruch wenn die Dichtringe porös werden. Daher haben wir uns für eine Magnetkupplung
entschieden, durch welche keine Durchführungen mehr nötig sind und so der Druckkörper der
Antriebseinheit vom Wasser getrennt ist. Mittels eines direkten Anschlusses einer selbstkonstruierten
und später maschinell gefrästen Magnetscheibe aus Aluminium (vgl. M4) an die Getriebewelle, auf
welcher im Kreis entlang starke Neodym-Magnete angeordnet sind, können wir mit einer
gegenüberliegenden Magnetscheibe entgegengesetzter Anordnung durch die physikalisch belegte
Magnetfeldänderung die Getriebewellenumdrehung nach außen hin übertragen. Dabei befindet sich die
komplementäre Magnetscheibe in einer spitz zulaufenden Kegelform, welche am Antriebsgehäuse
befestigt ist. Dafür haben wir zwei aufeinander aufbauende CAD-Zeichnungen angefertigt und diese
fräsen lassen. Durch zwei eingefasste Kugellager im Kegel wie auch eine M5-Welle [M5] an der
Magnetscheibe wird die Schiffsschraube gelagert angetrieben. Aufgrund der spitz zulaufenden Form ist
genügend Wasseranströmung zu den Schiffsschrauben gewährleistet, da diese sonst keinen erheblichen
Vortrieb bringen würden. Bei den Schrauben handelt es sich um 4-Blatt Messingschrauben mit einem
12cm Durchmesser, welche ein hohes Drehmoment erfordern, jedoch selbst bei niedrigen Drehzahlen
hohe Geschwindigkeiten erreichbar machen und besonders eine Kavitation des durch die Propeller
verdängten Wassers verhindert, um das U-Boot möglichst effizient und geräuscharm durch das Wasser
zu bewegen. Denn bei zu hohen Drehzahlen würden sich nach dem Prinzip der Kavitation lauter kleiner
Luftbläschen bilden, die anschließend Kavitationsschäden hervorrufen könnten und durch ein
Implodieren zu einer hohen Geräuschentwicklung sowie einer minderen Effizienz führen würden.
M 4: CAD-Zeichnungen der Magnetkupplungsscheiben
M 5: Motor mit Halterung und Magnetkupplung
7
Den Rohranfang der Antriebseinheit haben wir folglich mittels einer GFKKuppel abgedeckt und mit einer Wandstärke von annähernd 0,6 cm
komplett druckbeständig umgesetzt. So wird die bei der Vorausfahrt
auftretende Reibung durch das Wasser minimiert. Die Magnetkupplung
wird anschließend per Muffenstopfen an dem entsprechenden Rohr
eingelassen. Die Antriebsrohre haben wir anschließend auf beiden Seiten
wie in M6 grundlegend gezeigt durch zwei längliche Holzabschnitte von
dem Hauptkörper des U-Bootes getrennt und diese mittels Rohrschellen
aus dem Baumarkt mit dem U-Boot und anschließend mit den Rohren
verbunden. Durch die GFK-Kuppel haben wir gleichzeitig die Strom- und M 6: Grundgerüst zur Befestigung beider
Datenkabel der Motoren und Umdrehungszahlmesser durchgeführt und Antriebsrohre am Druckkörper
verschlossen, sodass diese unter der zusätzlichen Verwendung einer wasserfesten Dichtmasse ohne
Einschränkungen wasser- sowie druckbeständig ist. Im Steuerungssystem unter 3.3.3 werden die exakte
Motorensteuerung und die Abläufe detaillierter beschrieben.
4. Applikationen
4.1
Verwaltungsapplikationen
M 7: Startansicht der Verwaltungsapplikation; teilweise beispielhafte Darstellung
Die hier beschriebene Verwaltungsapplikation basiert auf vorherigen Versionen des letzten Jugend
forscht-Jahres mit der Smartphone-Messboje. Durch die C und C#-Programmierung in Microsofts Visual
Studio war es uns möglich, diese eigene Windows-Anwendung zu erstellen. Im Verlaufe des diesjährigen
Projektes haben wir zahlreich sinnvolle Funktionen hinzugefügt, mit welchen alle Messeinheiten noch
einfacher und so insgesamt benutzerfreundlich verwaltet werden können. Dabei sind nahezu alle
Funktionen über die Ausgangsseite erreichbar. Im Folgenden werden wir nicht explizit auf die
Programmierung der Applikation eingehen. Falls dennoch weitere Informationen benötigt werden,
können wir die Erklärung von der weitreichenden Programmierung in unseren Vortrag integrieren und
zur Verfügung stellen. Unter www.science-gate.de/langfassung.php?auth=982932&q=3 haben wir für
Sie jedoch schon vorweg einen kleinen Ausschnitt diesbezüglich vorbereitet.
Wie auf der in M7 gezeigten Startansicht befindet sich rechts oben gelegen eine Anmeldebeziehungsweise Abmeldefunktion, mit welcher durch eingerichtete Benutzer variierend Zugriff auf
unser realisiertes System gegeben wird. Alle wichtigen Informationen werden in drei verschiedenen
8
„Content-Grids“ dargestellt, dessen Größe und
Position sich durch Hilfe eines „GridSplitters“
variieren lässt. Dabei wird im linken Abschnitt die
Systemverwaltung angezeigt, welche je nach
Einstellung
die aktiven, inaktiven oder
deaktivierten Bojen, Bojenarrays oder UUVs aller
installierten Messsysteme mit übersichtlichen,
wichtigen Daten auflistet. Die Messeinheiten
können jeweils einzeln oder gemeinsam
ausgewählt werden. Beim Auswählen erscheint
automatisch ein ergänzendes Pop-Up-Fenster,
auf welchem per Knopfdruck die Messsysteme M 8: Fenster der Applikation zur Messeinheits-Generierung
bezüglich ihren Eigenschaften verändert oder ihre Datentabellen exportiert respektive importiert werden
können. Der rechte Teil zeigt eine Übersichtskarte, auf welcher alle Systeme mit entsprechenden
Positionsangaben markiert sind. Durch einen Doppelklick auf die jeweilige Markierung öffnet sich direkt
neben dieser eine kleine Übersicht aller wichtigsten Daten. Im unteren Abschnitt kann man durch ein
gegliedertes Inhaltsmenü jeweils Informationen über den/die Benutzer/-Gruppen, die Messeinheiten
und explizit über die diversen Einstellungen erhalten und Änderungen an diesen vornehmen. Unter dem
Reiter „Messeinheiten“ kann zudem per einem Formular M8 eine neue Messeinheit generiert werden,
die an eine Systemart, den Verbindungstypen sowie die benötigten Berechtigungen gebunden sein
kann. Über den Menüpunkt „Parameter“ (siehe M7) kann eine Auswahl an relevanten Parametern gewählt
werden, um mit einer entsprechend ausgewählten Messeinheit fortzufahren. Dabei wird automatisch auf
den Reiter „Analysetools“ [M9] gewechselt, bei welchem die Art der Auswertungsmethode über Matlab
gewählt werden kann. Im Hintergrund werden die entsprechenden Datensätze heruntergeladen und die
ausgewählten Parameter in eine Einstellungsdatei übertragen, wodurch schließlich die Analyse mit den
jeweilig getroffenen Einstellungen in Matlab eingeleitet wird.
M 9: Inhaltsmenü-Reiter „Analysetools“ für die Auswahl der Matlab-Analysemethode, Fernsteuerung
Außerdem aktiviert sich der Button für die implementierte Fernsteuerung sofern zuvor ein U-BootSystem ausgewählt wurde, welcher schließlich auf das in M10a dargestellte Fernsteuerungsfenster führt.
Zuerst kann über den oben rechts
gelegenen Abschnitt der COM-Port
des
angeschlossenen
SendeArduinos bestimmt werden, welcher
alle Steuerungswerte vom Computer
über den 433MHz Transceiver zum
Arduino in der Boje weiterleitet.
Wenn eine Verbindung aufgebaut
wurde, wird dies ebenfalls farblich
blinkend verdeutlicht. Durch die
Programmierung
einer
XBOXController-Klasse ist es uns möglich,
dass die Motoren und Pumpen
jeweils mit den Werten der Joysticks
und anderen Tasten des Controllers M 10a: Screenshot der implementierten Fernsteuerung in die Verwaltungsapplikation
9
geregelt werden können. Dabei haben wir mehrere Schnellwahlfunktionen sowie unterschiedliche Modi
eingebunden, durch welche alle Abläufe problemlos ausführbar sind. Neben einem automatischen
Tauchvorgang können einige erstellte Autopilot-Funktionen verwendet werden, mittels welchen wie in
2.2 angeführt der Arduino im U-Boot Fahrmanöver automatisch ausführt. Zudem werden in der
Steuerungsapplikation die aktuellsten Messparameter im rechten Bereich
angezeigt und automatisch in die zugehörige Datenbank gespeichert. Die
Lage des U-Bootes (Kompass, Neigung, ungefähre Position) und die
Messwerte werden nebenbei grafisch dargestellt.
4.2
Smartphone-Applikation
Parallel zu der Steuerungsapplikation auf dem Computer haben wir eine
zusätzliche Smartphone-App [M10b] für Windows 10 (Mobile) entwickelt,
in welcher nahezu alle genannten Funktionen der Computersteuerung
integriert sind. Über eine TCP-Socketverbindung mit der Verwaltungsapplikation kann das U-Boot daher von einem späteren Anwender
standortunabhängig auch über Mobilfunk ferngesteuert und überwacht
werden.
4.3
Arduino Steuerungsapplikation und -system
Die Steuerungseinheit des U-Bootes basiert wie im Vorherigen angeführt
auf einem Arduino (Mega), welcher mit den zusammengehörigen
Schaltungen auf der Trägerplatte platziert ist und mittels einer seriellen
Schnittstelle über ein 433 MHz-Funkmodul [HC-11] ferngesteuert wird. Das M 10b: Screenshot der Smartphone-App
Problem bei der Steuerung eines U-Bootes im salzigen Wasser ist, dass die Sendefrequenzen
beziehungsweise die Sendereichweite schon ab den ersten Zentimetern Eintauchtiefe gegen null
tendiert. Lediglich im Süßwasser kann bei bestimmten Frequenzen ein relativ guter Empfang gesichert
werden. Daher haben wir uns bei unserem Projekt für eine Sendeboje, welche über dem U-Boot
schwimmt, mit dem Funkmodul ausgestattet ist und per Kabelverbindung die empfangenen aber auch
gesendeten Datenpakete an den Arduino überträgt, entschieden.
Anderenfalls müsste das U-Boot über eine permanente
Kabelverbindung mit der an Land stehenden Steuerungssoftware
verbunden sein oder über für uns unerschwinglich teure
Ultraschalltechnik ferngesteuert werden. Eine Erweiterung der
Steuerungseinheit, um das U-Boot per direkter Auswertung wichtiger
Kursparameter autonom, ähnlich wie eine Unterwasserdrohne, fahren
zu lassen, wäre hier zusätzlich denkbar und ist nach der jetzigen Bauphase von
uns bereits in Grundzügen weiterentwickelt worden.
M 11: Arduino-ProtoShield mit Sonden-Controllern
4.3.1
Allgemeine Programmierung
Für die Programmierung der Steuerungseinheit haben wir zwei Arduino-Microcontroller verwendet.
Dabei ist eine kleine Platine mit einem Arduino Nano und einem verbundenen Funkmodul für die
Übertragung der Steuerungsparameter der Verwaltungsapplikation
zum U-Boot zuständig, indem dieses Sendemodul per USB an den
Computer angeschlossen ist und per COM-Verbindung mit dem
selbstprogrammierten Steuerungsfenster seriell kommuniziert. Dabei
wird wie im Ausschnitt M12 in der Hauptschleife des Skriptes auf die
Verfügbarkeit einer Nachricht entweder vom U-Boot oder der
Verwaltungsapplikation gewartet und bei Eintreffen direkt an das
jeweils andere System weitergeleitet, sodass dieser Arduino lediglich
M 12: Code-Ausschnitt des Übertragungs-Arduinos
als Kommunikationsschnittstelle verwendet wird.
10
Der zweite Arduino ist das entsprechende Gegenstück und
befindet sich im U-Boot. Wie unter 2.1 dargestellt empfängt
dieser über die Sende- und Empfangsboje (Transceiver) alle
geänderten Steuerungsparameter beziehungsweise sendet
folglich alle gemessenen Parameter bezüglich der
Wasseranalytik,
der
Motorendrehzahl
und
dem
Systemzustand (bspw. Akkuspannung, Drehzahlen) zurück
zur Verwaltungsapplikation. Für das Erhalten von
Steuerungsinformationen zeigt die Abbildung M13 wie der
übertragene String mittels einer erstellten Methode
(‚getValue‘) in seine einzelnen Übertragungsvariablen
zerlegt wird. Diese haben, wie unter 4.2.2 folgend
beschrieben, für die jeweiligen Funktionen des U-Bootes
einen großen Einfluss.
M 12: Code-Ausschnitt des Sender-Arduinos
M 13: Empfangsabschnitt des UUV-Arduinos
Um
die
Echtzeit-Parameter
vom
U-Boot
zur
Verwaltungsapplikation zu übertragen, zeigt die Abbildung
M14 wie per serieller Kommunikation die Daten von den pHsowie ORP-Elektroden abgefragt werden. Zudem werden
durch eine eingebundene Klasse die Achsenwerte des Lagebeziehungsweise
Beschleunigungssensors
MPU6050
M 14: Sendeabschnitt des UUV-Arduinos
abgefragt. Durch den Befehl ‚analogRead‘ können
anschließend Wasserdruck, Leitfähigkeit und Temperatur durch den AD-Wandler gemessen werden. Des
Weiteren werden die bestimmten Abstände der Ultraschallsensoren in Zentimetern abgefragt und im
Anschluss alles in einem String gebündelt per Funkverbindung übertragen.
4.3.2
Motoren- und Pumpensteuerung
Wie zuvor angedeutet werden die empfangenen Daten durch
die Applikation auf dem UUV-Arduino verwertet und
anschließend an die jeweiligen Funktionen weitergegeben,
sodass die für ein U-Boot essenzielle Motoren- und
Pumpensteuerung funktionieren kann. Dabei liegen die
übermittelten Werte im Bereich von -255 bis 255 vor, mittels
welcher mehrere Hochleistungs-Transistoren geschaltet
werden. Diese regulieren demnach die Spannung M 15a: Funktion einer H-Bridge (Relais)
beziehungsweise die Umdrehungszahl des Motors. So wird bei
einem Wert von 255 die maximale Spannung zugewiesen. Um die Schubkraft
auch umkehren zu können, haben wir uns an einer sogenannten H-Bridge
[M15] bedient, welche durch das unterschiedliche Schalten von Relais eine
Umpolung der Motoren und Pumpen bewirkt. Dabei werden die
unterschiedlichen Schaltungen der Relais im Codeausschnitt M17 gezeigt.
Wenn der Motor deaktiviert sein soll, müssen beide Relais folglich auf die
gleiche Stellung (bspw. HIGH, HIGH) ausgerichtet werden, damit kein Strom
fließen kann. Durch das jeweils unterschiedliche Schalten beider werden eine
M 15b: Funktion einer H-Bridge (Transistor)
Umpolung und daher die entgegengesetzte Drehrichtung hervorgerufen.
Die Umsetzung einer H-Bridge kann neben der Verwendung von Relais auch lediglich mit Transistoren
umgesetzt werden, indem wie in M15b dargestellt NPN- und PNP-Transistoren verwendet werden. Um
mehr Platz im Inneren des U-Bootes zu sparen, werden wir diese Lösung in Zukunft bevorzugen und
nach dem Landeswettbewerb realisieren. So werden wir eigene Platinen auf Basis unserer selbsterstellten
Schaltpläne ätzen. Eine komplette Übersicht aller entsprechenden Schaltungen ist in M16 abgebildet.
11
M 16: Kompletter Schaltplan der Motoren-/ Pumpensteuerung
4.4
M 17: Regelung eines Motors
Matlab Analyse-Dateien
Unter dem Abschnitt 5.1 haben wir die
implementierten Messeinheiten im U-Boot
beschrieben,
deren
Daten
über
die
Verwaltungsapplikation auf den Datenbankserver
übertragen werden. Durch die Verwaltungsapplikation können diese einzeln selektiert
werden. Im Hintergrund werden alle Daten M 18: Deklaration der Einstellungen für die Analyse
heruntergeladen und die ausgewählten Parameter in eine eigene Config-Datei übertragen.
Die Matlab-Datei für die Auswertung besitzt daher anfangs einen Einstellungs-Abschnitt M18, wo der
Anwender jeweils separat eine eigene Config-Datei (.cfg) festlegen kann, in welcher die
weitergegebenen Informationen der Verwaltungsapplikation vorhanden sind. Darunter ist beispielsweise
auch das ausgewählte U-Boot-System, sodass Matlab nach dem anschließenden Ausführen alle
Messwerte der Parameter zur Weiterverarbeitung importiert. Zudem kann die
Frequenz, mit welcher der jeweilige Arduino die Messwerte aufgezeichnet hat,
angepasst werden. Um eine Auswertung nur für einen bestimmten Abschnitt
der Messung durchzuführen, kann ein Start- sowie Endwert definiert werden.
Mittels des in M19 gezeigten Code-Ausschnitts kann für jeden in der Matrix
‚data‘ vorhandenen Parameter je nach Auswahl beispielsweise die
Kompassrichtung oder durch den in Matlab integrierten plot-Befehl (vgl. M20 M 19: Visualisierung von Kompassdaten
unten) alle anderen Messwerte visualisiert dargestellt werden. Außerdem haben wir in unser MatlabSkript eine Möglichkeit integriert, alle Messwerte interpoliert darstellen zu lassen, um übergangslose
Messwertverläufe zu generieren beziehungsweise die in Intervallschritten abgefragten Messwerte durch
optimal berechnete Werte zu ergänzen. Die Funktion wird in
M20 beinhaltet und zeigt durch die Option „spline“ neben dem
interpolierten Graphen ebenfalls die Ausgangsmesswerte, um
einen Überblick bezüglich beispielsweise errechneten M 20: Code für interpolierte Visualisierungen
Unterschieden zu erhalten. Eine Ansicht ist in M23 beispielhaft
abgebildet. Des Weiteren können die im Gewässer
gesammelten Daten mittels verschiedener Algorithmen in vieler
Hinsicht ergänzt analysiert werden.
M 20: Code für interpolierte Visualisierungen
12
5. Implementierung der Messeinheiten
5.1
Funktion und Einbindung
Grundsätzlich wollten wir in unser U-Boot eine Messeinheit integrieren,
welche bestimmte Parameter der Wasseranalytik in Gewässern ermitteln
kann. Dabei haben wir eine gute Lösung gesucht, bei welcher möglichst wenig
Platz beansprucht wird, eine hohe Dichtigkeit garantiert ist und nach
erfolgreichen Tauchgängen dem U-Boot wieder entnommen werden kann.
Dafür haben wir uns als Grundlage eine kleine Box aus Lego-Steinen sowie -Platten
gebaut, welche im Inneren ein ausreichend großes Volumen für das spätere
Probenwasser hat und in M21 gezeigt ist. Danach haben wir die Box mit GFK einlaminiert, um
alle Öffnungen druckbeständig abzudichten. Mittels der Platzierung von abgedichteten und
druckbeständigen Kabeldurchführungen konnten wir anschließend die Versorgungs- M 21: Messeinheitsbox mit zwei
schläuche per Schlauch-Eckverbinder an der Box befestigen, sodass diese auch nach externen Elektroden
einem späteren Betrieb entnommen werden können. Der eine Schlauch führt per direkter Verbindung
zu einem weiteren Schlauchnippel im Druckkörper des U-Bootes, der andere hingegen ist an eine weitere
Pumpe angeschlossen, mittels welcher der spätere Wasserdurchfluss gesteuert wird und auf
unterschiedlichen Tiefen beispielsweise neues Probenwasser entnehmen kann. Dieser Box haben wir
zusätzlich zwei Steckplätze respektive Kabeldurchführungen für die Messsonden eingebaut und im
Inneren eine Leitfähigkeits- und Temperaturmesseinheit mittels Edelstahlelektroden und PT1000Messfühler realisiert. Für die Bestimmung der Tauchtiefe und Bodenentfernung haben wir zusätzlich
einen Freescale MPX Drucksensor sowie vier Ultraschallsensoren implementiert. Dank eines Sponsors
konnten wir uns schließlich zwei Sonden mit entsprechendem Controller zulegen, welcher den pH- und
ORP-Wert (Redoxpotential) ermitteln kann. Da die beiden Elektroden bei Nicht-Benutzung ständig in
einer KCL-Lösung gelagert werden sollten und teilweise die interne Flüssigkeit aufgefüllt werden muss,
haben wir uns für die Umsetzung dieser beschriebenen Lösung entschieden. Die Implementierung eines
Entnahmesystems für tiefenbasierte Wasserproben, die später ausgewertet werden, wäre hier denkbar.
Die beiden Elektroden werden an den jeweiligen Controller (vgl. M11) angeschlossen. Dieser hat neben
einer Messschaltung einen weiteren, internen Chip verbaut, welcher daher seriell (RX, TX) per Arduino
angesprochen werden kann und dementsprechend einfach, höchstgenaue Messwerte liefert. Für die
Leitfähigkeits- und Temperaturbestimmung jedoch haben wir eine eigene Messverstärkerschaltung
erstellt, sodass die grundsätzlich sehr kleinen Messsignale zu deutlich größeren Auflösungsbereichen
verstärkt werden, damit diese per Arduino und seinem AD-Wandler (Analog zu Digital) möglichst genau
aufgezeichnet werden können. Dafür haben wir jeweils einen LM324N-Operationsverstärker verwendet.
Die entsprechende Verstärkerschaltung wird in M22 gezeigt und wird wie unter Abschnitt 4.3.1
anschließend mit dem Arduino-Skript ausgelesen.
M 22: Schaltplan -> Messverstärkerschaltung für die Leitfähigkeitsbestimmung (links), pH/ORP-Controller (rechts)
13
5.2
Parameteranalyse
Für die Analyse der aufgezeichneten Messwerte haben wir das mathematische Berechnungs- und
Visualisierungsprogramm Matlab verwendet, mittels welchem wir alle diese Parameter wie in Abschnitt
4.3 beschrieben visualisiert darstellen können und anschließend unter Betrachtung vieler biochemischen Bezüge ausgewertet werden kann. Die integrierte Messeinheit kann dem U-Boot nach einem
Tauchgang entnommen werden, sodass das beinhaltende Probenwasser mit Hilfe von chemischen
Nachweisen auf verschiedenste Inhaltsstoffe untersucht werden kann, wessen Reaktionsabläufe im
Folgenden kurz erläutert werden.
5.2.1
„Vor-Ort-Parameter“
Die sogenannten „Vor-Ort-Parameter“ umfassen die mit Elektroden messbaren Parameter, welche unter
5.1 vorgestellt wurden. Durch deren Integration mit einem passenden Controller in das Messsystem ist
es aufgrund von schnellen Messzeiten sehr einfach, exakt ermittelte Werte zu erhalten. Dabei
interessieren uns bei der Gewässeruntersuchung hauptsächlich der pH-, ORP-, O2-, Temperatur- und
Leitfähigkeitswert. Aus Gründen des Budgets konnten wir allerdings die Elektrode für die
Sauerstoffsättigung (O2-Wert) derzeit noch nicht implementieren. Anhand der in M23 dargestellten
interpolierten Beispielverläufe ausgewählter Parameter wird die Möglichkeit für die spätere graphische
Auswertung und Analyse verdeutlicht. (Vgl. 4.3)
M 23: Interpolierte Darstellung von Beispiel-Messwerten in Matlab
Für die weitere Auswertung des Probenwassers haben wir im Folgenden ein paar chemische
Nachweisreaktionen beschrieben, sodass mittels diesen und weiteren nach einer Fahrt die
Gewässeranalyse im Labor vereinfacht durchgeführt werden kann.
5.2.2
Wasseranalytik: Nitrit-Nachweis
Der Nachweis von Nitrit findet mit der Lunges Reagenz statt (ein Gemisch aus Sulfanilsäure und alphaNaphtylamin in essigsaurer Lösung). Zuerst muss destilliertes Wasser auf die Tüpfelplatte gegeben
werden, hier hinzugefügt werden 1-2 Tropfen der Lösung A (1 prozentige Sulfanilsäure in 30 prozentiger
Essigsäure). Nun 1-2 Tropfen der Lösung B (konzentriertes Alpha-Naphthylamin in 30 prozentiger
Essigsäure) hinzugeben. Wenn die Mischung farblos ist, nun die Probe hinzugeben, 1-2 Tropfen reichen.
Eine sofort auftretende Rotfärbung weist Nitrit nach. Nach circa zwei Minuten zersetzt sich der
Azorenstoff unter Braunfärbung.
5.2.3
Wasseranalytik: Nitrat-Nachweis
Da Nitrat nicht direkt chemisch nachgewiesen werden kann, muss Nitrat mit einem Reduktionsmittel wie
Zink zu Nitrit reduziert werden. Daher muss zuerst ein Nitrit-Nachweis durchgeführt werden (siehe 5.2.2).
Wenn der Nitrit-Nachweis negativ verläuft muss eine Zinkgrenalie zu Lösung A, Lösung B und der Probe
hinzugegeben werden, um eventuell vorhandenes Nitrat in Nitrit zu reduzieren und damit nachzuweisen.
Nach wenigen Sekunden zeigt sich eine leichte Rosafärbung auf der Zinkgrenalie und nach circa zwei
Minuten weist eine deutliche Rotfärbung Nitrat nach.
14
5.2.4
Wasseranalytik: Phosphat-Nachweis
Zuerst wird die Lösung eines Sodaauszuges mit konzentrierter Salpetersäure angesäuert und zu dieser
anschließend Ammoniummolybdatlösung hinzugetropft. Nun muss die gelbe Lösung in einem
Wasserbad erwärmt werden. Das Ammoniummolybdophosphat bildet sich als gelber Niederschlag.
Außerdem könnte eine Analyse auf Inhaltsstoffe wie Blei, Chrom, Kupfer, Mangan, Kalium, Phosphor,
Nickel und von Bakterien sowie Keimen, sozusagen E.coli und coliformen Keimen oder Legionellen, in
den Wasserproben sinnvoll sein, da diese Stoffe giftig beziehungsweise gefährlich für die Umwelt sind.
Die Untersuchung dieser Stoffe wird im Weiteren aber nicht mehr behandelt, da diese grundsätzlich
nicht mehr in den Rahmen dieses Projektes passen würden und als separates Projekt für Jugend forscht
aufgegriffen werden könnte.
6. Zusammenfassung und Fazit
In unserem aktuellen Jugend forscht-Projekt haben wir unter der Zielsetzung, ein möglichst günstiges
U-Boot zwecks einer tiefenbasierten Wasseranalytik zu bauen, gearbeitet. Für dieses entwickelten wir ein
Steuerungssystem mit Hilfe eines Arduino-Microcontrollers, welche wir unter der Benutzung einer
Empfängerboje und eines XBOX-Controllers betreiben können. Mit der freundlichen Hilfe von einigen
Sponsoren war es uns möglich, das von uns angedachte System zu realisieren und es gleichzeitig um
viele verschiedene Funktionen zu ergänzen. Neben einigen Kalibrierungsversuchen und Tests der
Tauchtanks, welche die Richtigkeit unseres Systems verdeutlichen, konnten wir aus einfachen
Baumarktteilen und GFK einen guten Grundkörper konstruieren und mit vielen Funktionen erweitern.
Zusammenfassend haben wir sehr viele Fortschritte bezüglich der Tauchfähigkeit eines U-Bootes mit
tiefenbasierter Wasseranalytik erlangt. Durch die für uns erstmalige Verwendung von so exakten
Messeinrichtungen, konnten wir auch in diesem Bereich wertvolle Erkenntnisse sammeln. Wir sind der
festen Überzeugung, dass wir dieses Projekt im Verlaufe des Jahres mit realen Untersuchungen
fortsetzen und verbessern werden.
7. Ausblick
Unsere aktuelle Zielsetzung für das folgende Jahr betrachtend, möchten wir in unserem Jugend forschtProjekt neben den von uns bereits durchgeführten, kleinen Testversuchen in der Badewanne
weitreichende Messreihen in großen Gewässern realisieren und die dabei ermittelten Messergebnisse
speichern, um sie mit Messwerten von teuren, professionellen Messgeräten vergleichen zu können,
damit eine genaue Messleistung des Unterwasserfahrzeuges gewährleistet ist. Hierbei zielen wir auf eine
noch exaktere Kalibrierung unserer Messeinheiten ab. Wir möchten insbesondere der Problematik der
meist vorherrschenden Wasserverschmutzung in einem größeren Umkreis auf den Grund gehen, um
eventuelle Parallelen bezüglich des Verschmutzungsgrades zwischen einzelnen Gewässern herstellen zu
können. Eine Kooperation mit einem Forschungsinstitut würde uns dabei zusätzlich eine hervorragende
Möglichkeit bieten, unsere Messwerte ausführlich zu vergleichen und unser System folglich zu
verbessern, um anschließend ein irreversibles Fazit ziehen zu können.
15
8. Anhang
Aktualisierende Bildergalerie unter: www.science-gate.de/langfassung.php?auth=982932&q=0
Vollständiger Schaltplan unter: www.science-gate.de/langfassung.php?auth=982932&q=1
CAD-Zeichnungen unter: www.science-gate.de/langfassung.php?auth=982932&q=2
9.
Quellverweise
Textquellen
1.
de.wikipedia.org/wiki/U-Boot, 24.01.16, U-Boot Informationen
2.
de.wikipedia.org/wiki/Kavitation, 24.01.16, Informationen Kavitation
3.
de.wikipedia.org/wiki/Wasseranalyse, 24.01.16, Wasseranalytik
4.
msdn.microsoft.com/library, 24.01.16, Microsoft API- und Referenzkatalog
5.
php.net/manual/en, 24.01.16, PHP-Referenzhandbuch
6.
Vorjährige Langfassung „Smartphone-Messbojen: Smarter Beitrag für effektiven Küstenschutz“,
Jugend forscht 2015
Dokument
5972 Wörter auf 15 Seiten, Segoe UI: 10pt
Wir danken unseren Sponsoren!
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