waterspanningsmeter

"Een waterspanningsmeter is een boven de grond aangebrachte meter die de waterspanning van het grondwater meet. De waterspanningsmeter is hiertoe op een peilbuis gemonteerd. Het is een elektrisch instrument dat, na omrekening met een ijkfactor, de grondwaterdruk aangeeft die op een sensor werkt."

De waterspanningsmeter wordt o.m. toegepast bij berekening en monitoring van de stabiliteit van grond, bijvoorbeeld bij ophogingen bij het aanleggen van nieuwe wegen.
Belangrijk is dat bij grondwerken de peilbuizen met waterspanningsmeters, de kabels, de datalogger e.d. niet beschadigd of ontwricht worden.

Werking van de waterspanningsmeter
Er zijn twee manieren waarop de waterdruk omgezet wordt in een doorgeefbaar en uitleesbaar signaal. 
Bij beide geldt het motto "druk is een mechanische vorm van energie":
- via een Vibrating-Wire (een trillende snaar) waarbij de waterdruk wordt omgezet in een frequentie (de VW-waterspanningsmeter)
- via het Piezo-Resistive principe waarbij vormverandering door de waterdruk omgezet wordt in een verandering van een magnetisch veld (de PR-waterspanningsmeter).
In beide gevallen is sprake van het omzetten van de ene soort energie in een andere soort (in het Engels: transducer).

De VW Vibrating Wire pressure transducer (*)
Het principe van de VW-waterspanningsmeter is als volgt: 
het water drukt op een membraan (trilplaatje) => het membraan zorgt voor spanning in een stalen snaar => (een elektromagnetisch spoeltje wekt trillingen op in de snaar) de door de waterdruk veroorzaakte trilling van de snaar genereert een frequentiesignaal (Hz) => waarvan de waarde door een elektrische kabel wordt gestuurd naar een uitleesapparaat of datalogger.
Een verandering van de waterdruk geeft daarmee een verandering van de frequentie van de snaar die in de vorm van een (veranderd) aantal Hz uiteindelijk zichtbaar is.

De PR Piezo-Resistive pressure transducer (*)
Het principe van de PR-waterspanningsmeter is als volgt:
het water drukt op een membraan (trilplaatje) => het siliconensubstraat waaraan het membraan vastzit, wordt ingedrukt => dat resulteert in een verandering van een elektrische weerstand (bij een bepaalde druk blijft die weerstand gelijk) => door een "chipje" (stroomtoevoer is altijd nodig) wordt a.d.h.v. de weerstand de waarde in mV bepaald en door een elektrische kabel gestuurd naar een uitleesapparaat of datalogger.
Een verandering van de waterdruk geeft daarmee een verandering van de elektrische weerstand wat uiteindelijk (als output) tot een ander Voltage herleid wordt.

De indrukbare waterspanningsmeter is ingebouwd in een conus. Er bestaan ook meters die zowel de VW- als PR-methode in zich bergen.
Voor bepaalde toepassingen kan een multi-level-systeem worden gebruikt, dat een aantal spanningsmeters op verschillende hoogten heeft.
Normaliter is de waterspanningsmeter uiteraard herbruikbaar maar voor bepaalde toepassingen kan ook een goedkopere "verloren" meter worden toegepast die bijvoorbeeld ook een pvc-mantel heeft ipv. een rvs-mantel.

vw-waterspanningsmeter:

pr-waterspannings- meter:

met kabel en handlezer:

Methode
De (boorgat)waterspanningsmeter wordt in het boorgat op de gewenste diepte geplaatst en omstort met enkele decimeters filtergrind. Hierna wordt het gat volgens het geologisch profiel afgedicht. De conus hangt aan een elektrische kabel waardoor het signaal boven de grond kan worden doorgegeven naar een datalogger of centrale computer, of rechtstreeks kan worden uitgelezen met een handuitleesunit.
De waterspanningsmeter levert een waarde die omgerekend is of wordt in de waterdruk op de diepte van de spanningsmeter. Deze berekende druk wordt gecorrigeerd voor de temperatuursverschillen en de luchtdruk. Indien de plaatsingsdiepte bekend is, kan de stijghoogte worden berekend. Geplaatste waterspanningsmeters kunnen worden aangesloten op een centraal opgestelde datalogger in het veld. Wanneer deze datalogger uitgerust is met een GSM-verbinding kunnen de meetgegevens regelmatig naar "het kantoor" gestuurd worden voor verdere analyse.

waterspanningsmeters in hun natuurlijke omgeving, bij het meten van de waterdruk in een dijk om de invloed van de forse neerslag op de waterspanning te onderzoeken bij de vestingwal van hellevoetsluis; klik voor de volledige afbeelding (expertise netwerk waterveiligheid):

multi-level systeem met meer meters (rechts; solinst):

Berekening van de wateroverspanning
De formule is:

WOSP = ( AW - WSPO ) - ( Ba - Bo ) - D

Waarin:

Documentatie
- Waterspanningsmeter (Fugro)

- VW-waterspanningsmeter (Geodelft/Deltares)

In plaats van of in aanvulling op een zakbaak wordt de waterspanningsmeter ook toegepast om (via de grondwaterdruk) de mate van inklinken te bepalen van een opgehoogde grond.

Met dank aan Fugro, Deltares, TU Delft, ENW-info, Keller, Solinst, MBO Infra.

Zie eventueel dijkbewaking.

Eng. (water) pressure transducer

(*) Opmerkingen, voor wellicht een iets beter begrip van de technische benamingen:
- transducer is een energieomzetter (beweging naar elektriciteit e.d.)
- pressure is spanning (druk)
- piezo komt van het Griekse piezien dat persen of drukken betekent (denk, in dit verband tenminste, aan een voorwerp dat verandert door erin te drukken)
- piezo-resistive houdt in: een verandering van de elektrische weerstand R als gevolg van vormverandering (in tegenstelling met piezo-electric, wat inhoudt: een elektrische stroom, in Volt, als gevolg van vormverandering; piezo-resistive wordt toegepast omdat die nauwkeuriger is dan piezo-electric).