AT403213B - Bodenfeuchtesensor - Google Patents

Description

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     Die Erfindung betrifft einen   Bodenfeuchtesensor   (im   folgenden kurz Sensor genannt), mit - mindestens zwei In den Boden einsteckbare Elektroden   (2a. 2b)   - eine   Einrichtung   (1) zum Anlegen einer Wechselspannung an die Elektroden und 
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 abhängigen Ausgangssignals. 



   Derartige Sensoren sind   beispielsweise US 5, 424, 649A,   der FR 2598810 A1 und der US   4, 259. 632   A bekannt. 



   Um einen kostengünstigeren und konstruktiv einfacheren Sensor zu schaffen, Ist erfindungsgemäss ein Sensor vorgesehen, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die elektronischen Bautelle des Bodenfeuchtsensors auf einer Platine angeordnet sind und die Elektroden als Leiterbahnen auf vorzugsweise derselben Platine ausgebildet sind. 



   Der Sensor ist zur Messung der Bodenfeuchte In Erde ebenso wie In sandigen oder steinigen Böden geeignet. Er bzw. seine Elektroden wird (werden) In den Erdboden eingegraben, je nach Bauform beträgt das Messvolumen etwa 15-100 ml. Die Hauptvorteile dieses Sensors sind das einfache und damit kostengünstige Design, der geringe Stromverbrauch und ein Standardspannungsausgang, der eine einfache Anbindung an   Mess- und Steuerungsanlagen ermöglicht   (etwa für Bewässerungen, Rasensprenger, etc.)
Der Sensor ist für Anwendungen konzipiert, bel denen es nicht in erster Linie auf hohe Genauigkeit und Präzision ankommt. Er ist als Alternative zu billigen Sensoren   wie Leitfähigkeitsblöcken (z. B   aus Gips) gedacht, weist jedoch eine wesentlich bessere   Langzeitstabilität   auf. 



   Aufgrund der hohen   Dielektrizitätskonstante   des Wassers kann die   elektrische Kapazität zwischen   Sensorelektroden, die In den Erdboden eingegraben oder eingestochen werden, zur Messung der Bodenfeuchtigkeit verwendet werden. Bel anderen Sensoren werden Messfrequenzen zwischen 30 MHz und 3 GHz verwendet, da In diesem Bereich   die Dielektnzitätskonstante   fast nur vom volumetrischen Wassergehalt bestimmt wird und unabhängig von Bodentyp, Bodenzusammensetzung (Mineralböden, Humus) und vom Salzgehalt ist. 



   Im Gegensatz dazu misst der vorliegende Sensor die Kapazität bei Betnebsfrequenzen zwischen 100 kHz und 5 MHz. Bei diesen niedngen Frequenzen werden die   Dielektrizitätskonstanten   von Böden zusätzlich durch elektnsche Dipole in der Bodenmatrix und durch Oberflächenpolarisationen stark beeinflusst. Es hat sich aber gezeigt, dass auch diese Indirekten, sehr komplexen Effekte im wesentlichen mit der Bodenfeuchtigkeit zusammenhängen. Dadurch werden zwar die Eichkurven des Sensors etwas abhängig vom jeweiligen Bodentyp, die niedrige Betnebsfrequenz erlaubt jedoch eine wesentlich einfachere Konstruktion der Messelektronik und reduziert den Stromverbrauch drastisch. 



   Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand der nachstehenden Figurenbeschreibung näher erläutert. 



   Flg 1 zeigt ein elektrisches Blockschaltdiagramm. Die Figuren 2 bis 4 zeigen verschiedene Bauformen.
Ein Quarz-Oszillator erzeugt als Einrichtung 1 zum Anlegen einer Wechselspannung ein 2 MHz Rechtecksignal (Fig. 1). Dieses Rechtecksignal wird über einen Widerstand R auf die aktive Elektrode 2a gelegt, die gegenüberliegende Elektrode 2b wird mit Masse verbunden. Die Elektrodenkapazität ist also in Form eines RC-Gliedes geschaltet, dessen Zeltkonstante eine Phasenverzerrung des Rechtecksignals bewirkt. Diese Phasenverzerrung wird in eine Pulsbreite umgesetzt, indem das verzerrte Signal durch ein Und-Gatter 3 (Schmitt-Trigger Eingänge) mit dem Oszillatorsignal umgekehrter Polantät   (180'phasenver-   
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 geglättet, ein Skalier- und Pufferverstärker 4 liefert schliesslich das Ausgangssignal (Standard 0-1 V). 



   Der Oszillator 1 und der Phasendetektor (Und-Gatter 3) werden mit high-speed CMOS Gattern realisiert. 



  Die Betnebsspannung wird von einem Micropower 5V-Regler stabilisiert (Typen mit geringer Längsspannung erlauben den Betneb von 6V Batterien). Als Ausgangsverstärker dient ein Typ mit einfacher Spannungsversorgung, der im Nullpunkt und In der Verstärkung über Stellglieder   4a, 4b einstellbar ist.   



   Diese Konstruktion erlaubt Betriebsfrequenzen zwischen 100 kHz und 5 MHz. Bel etwa 2 MHz lässt sich 
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B.kombinieren. 



   Bei den Bauformen gemäss Fig. 2 und Fig. 3 sind die Elektroden 2a, 2b als Stäbe ausgeführt. Sie sind mit einer Isolierschicht 5 ummantelt, sodass nur kapazitive Ströme fliessen können (bei 2 MHz Betriebsfrequenz müsste andernfalls noch die   Elektrolytleitfähigkeit   des Bodens berücksichtigt werden, was eine aufwendigere Elektronik erfordern würde). Die Sensorstäbe sind in ein abgedichtetes Gehäuse 6 eingelassen, In dem sich auch die Elektronik befindet. Die Sensoren können in unterschiedlicher Grösse ausgeführt werden. Eine verbesserte Abschirmung gegen äussere elektrische Einflüsse lässt sich erreichen, Indem nur die aktive Messelektrode 2a isoliert und zwischen zwei blanken Masseelektroden 2b angeordnet wird (Fig. 3).

   Diese Konstruktion bewährt sich besonders, wenn mehrere Sensoren unmittelbar nebeneinander betrie- 

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 ben werden sollen. 



   Als Option können diese Sensoren   zusätzlich einen Temperaturfühler   zur simultanen Messung der Bodentemperatur enthalten. 



   Bel der Weiterentwicklung gemäss   Flg.   4 ist der Herstellungsaufwand dadurch wesentlich   verringert,   dass der gesamte Sensor einschliesslich der Elektroden 2a. 2b auf einer einzigen gedruckten Schaltung (Platine 7) untergebracht ist. Die Elektronik am oberen Ende der Platine und die Kabelanschlüsse werden vergossen   (z. B.   in Epoxid 8). Die   Elektroden 2a, 2b   am unteren Ende werden auf der Platine ein-oder zweiseitig ausgeführt, die Isolierung erfolgt durch eine mechanisch robuste Beschichtung   (z. B. Metallpnmer   und Epoxid). Die aktive Messelektrode 2a ist von der Masseelektrode 2b umgeben, die auch bei dieser Bauform für eine verstärkte Abschirmwirkung blank gelassen werden kann. In diesem Fall wird die Oberfläche durch Verzinnen oder Vergolden passiviert.

   Auch diese Bauform kann optional einen Temperaturfühler enthalten Patentansprüche 1. Bodenfeuchtesensor mit : - mindestens zwei in den Boden einsteckbaren Elektroden einer Einrichtung zum Anlegen einer Wechselspannung an die Elektroden und - einer Einrichtung zum Bilden eines von der elektrischen Kapazität zwischen den Elektroden abhängigen Ausgangssignals, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Bauteile des
Bodenfeuchtsensors auf einer Platine (7) angeordnet sind und die Elektroden (2a, 2b) als
Leiterbahnen auf vorzugsweise derselben Platine (7) ausgebildet sind.

Claims (1)

1. 2. Bodenfeuchtesensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Bauteile in einer aushärtbaren Masse, beispielsweise Epoxidharz, eingegossen sind.

   3. Bodenfeuchtesensor nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die als Elektroden (2a, 2b) wirkenden Leiterbahnen zumindest teilweise durch eine Beschichtung, beispielswei- se Metallprimer oder Epoxidharz abgedeckt und isoliert sind.

   4. Bodenfeuchtesensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass alle Elektro- den (2a, 2b) von einer Isolierschicht ummantelt bzw. abgedeckt sind.

   5. Bodenfeuchtesensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektro- de (2a) von einer Isolierschicht ummantelt bzw. abgedeckt 1St, während die andere (n) als Masseelektrode (n) ausgeführte (n) Elektrode (n) (2b) blank Ist (sind).

   6. Bodenfeuchtesensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine von einer Isolierschicht (5) ummantelte bzw. abgedeckte Elektrode (2a) zwischen zwei Masseelektroden (2b) angeordnet ist.

   7. Bodenfeuchtesensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrich- tung (1) zum Anlegen einer Wechselspannung eine Wechselspannung mit einer Frequenz zwischen 100 kHz und 5 MHz, vorzugsweise in etwa 2 MHz erzeugt.

   8. Bodenfeuchtesensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrich- tung (1) zum Anlegen einer Wechselspannung eine Rechteckspannung erzeugt.

   9. Bodenfeuchtesensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektro- den (2a, 2b) die Kapazität C eines R-C-Gliedes bilden, das eingangsseitig von der Einrichtung (1) zum Anlegen einer Wechselspannung gespeist wird und das ausgangsseitig ein phasenverzerrtes Signal liefert, aus dem das von der Kapazität zwischen den Elektroden (2a, 2b) abhängige Ausgangssignal gewonnen wird.

   10. Bodenfeuchtesensor nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch ein Und-Gatter (4) mit Schmitt-Trigger- eingängen, wobei an den ersten Eingang das durch das R-C-Glied phasenverzerrte Signal angelegt ist und wobei an den zweiten Eingang ein Referenzsignal angelegt ist, welches gegenüber der eingangs- seitlg an das R-C-Glied angelegten Wechselspannung um 180- phasenverschoben Ist. <Desc/Clms Page number 3> 11. Bodenfeuchtesensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal des Und- Gatters (4) vorzugsweise über ein Slebghed gleglättet und gegebenenfalls verstärkt wird