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PATENTANSPRÜCHE
1. Tensiometer zum Bestimmen des Drucks des Kapillarwassers im Boden mit einem zum teilweisen Einstechen in den Boden und zum Füllen mit einer Messflüssigkeit geeigneten Sondenrohr, das an seinem einen zum Einstechen in den Boden vorgesehenen Ende mit einer für die Messflüssigkeit durchlässigen porösen Kerze verschlossen ist, und an seinem anderen Ende einen zum Einfüllen der Messflüssigkeit geeigneten lösbaren Verschluss aufweist, sowie mit einer Druck messeinrichtung zum Messen des Drucks im Sondenrohr oberhalb der Messflüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmesseinrichtung (20) eine elastisch verformbare Membran (22) aufweist.
2. Tensiometer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elastisch verformbare Membran (22) in einem von dem Sondenrohr trennbaren Gehäuse (21) angeordnet ist und dieses in eine Mess- und eine Referenzkammer (23 bzw. 24) unterteilt, wovon die Referenzkammer eine unbehinderte Öffnung (26) zur umgebenden Atmosphäre aufweist, und die Messkammer mit dem Innenraum (17) des Sondenrohrs (10) verbindbar ist.
3. Tensiometer nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verbinden der Messkammer (23) mit dem Innenraum (17) des Sondenrohrs (10) die Öffnung der Messkammer als Hohlnadel (28) ausgebildet ist und der Verschluss am anderen Ende des Sondenrohrs ein Stopfen (14) aus durchstechbarem und selbstschliessendem Material ist.
4. Tensiometer nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stopfen (14) aus Nitrilkautschuk besteht.
5. Tensiometer nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elastisch verformbare Membran (22) als pie zoelektrischer Wandler ausgebildet ist und weiter ein elektrisches Auswerte- und Anzeigegerät (39) für die bei der Verformung des Wandlers erzeugten elektrischen Signale vorgesehen ist.
6. Tensiometer nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der piezoelektrische Wandler und das elektrische Auswerte- und Anzeigegerät mittels einer Steckverbindung (59) lösbar miteinander verbunden sind.
7. Tensiometer nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlnadel (28) in einem Führungsrohr (31) angeordnet ist und in dem Führungsrohr ein als Scheibe mit einer zum unbehinderten Verschieben längs der Hohlnadel vorgesehenen zentralen Bohrung ausgebildeter und mit einer Spiralfeder (33) belasteter Anschlag (32) vorgesehen ist.
Die Erfindung betrifft ein Tensiometer zum Bestimmen des Drucks des Kapillarwassers im Boden mit einem zum teilweisen Einstechen in den Boden und zum Füllen mit einer Messflüssigkeit geeigneten Sondenrohr, das an seinem einen zum Einstechen in den Boden vorgesehenen Ende mit einer für die Messflüssigkeit durchlässigen porösen Kerze verschlossen ist, und an seinem anderen Ende einen zum Einfüllen der Messflüssigkeit geeigneten lösbaren Verschluss aufweist, sowie mit einer Druckmesseinrichtung zum Messen des Drucks im Sondenrohr oberhalb der Messflüssigkeit.
Als Kapillarwasser ist im folgenden der nicht-absorptiv gebundene Teil des Haftwassers im Boden zu verstehen, der den Lebensraum der aquatischen Bodenorganismen bildet und von den Pflanzen durch die Wurzeln aufgenommen werden kann. Die Kenntnis des Drucks des Kapillarwassers liefert darum, unter anderen, wichtige Informationen über die Lebensbedingungen von Pflanzen, weshalb solche Messungen sowohl zum Beobachten der Änderung des Kapillarwasserhaushalts in begrenzten Bereichen, als auch zum Erforschen der Menge und Richtung von fliessendem Kapillarwasser in relativ grossen Bereichen ausgeführt werden.
Für das Messen des Drucks des Kapillarwassers werden üblicherweise relativ einfache Tensiometer verwendet. Eine gebräuchliche Ausführungsform besteht aus einem zum Einstechen in das Erdreich vorgesehenen Sondenrohr, dessen unteres Ende von einer porösen Kerze aus keramischem Material verschlossen und im Bereich von dessen oberen Ende eine Druckmesseinrichtung angeordnet ist. Diese Druckmesseinrichtung ist gewöhnlich ein einfaches Quecksilbermanometer mit einem Manometerrohr, dessen oberes Ende mit dem oberen Ende des Sondenrohrs in Verbindung steht und dessen unteres Ende in einen mit Quecksilber gefüllten Behälter eintaucht. Bei der Verwendung dieses Tensiometers wird das Sondenrohr im Erdreich versenkt bis die Kerze eine vorgegebene Tiefe erreicht, danach von oben her mit Wasser gefüllt und die Einfüllöffnung mit einem Stopfen luftdicht verschlossen.
Durch die poröse Kerze tritt dann soviel Wasser aus bis das Gewicht der Wassersäule im Sondenrohr gleich dem Gewicht des im Manometerrohr angesaugten Quecksilbers ist.
Die Höhe der angesaugten Quecksilbersäule entspricht dann dem Nullpunkt der Messung. Das die Kerze umgebende Erdreich saugt dann zusätzlich Wasser durch die poröse Sonde bis der dabei entstehende Unterdruck mit dem Druck des Kapillarwassers im Gleichgewicht ist. Dieser Unterdruck entspricht einem weiteren Anstieg des Quecksilbers im Manometerrohr und kann einfacherweise als Höhe der Quecksilbersäule über dem vorgängig definierten Nullpunkt angegeben werden.
Die Nachteile des einfachen Tensiometers sind offensicht lich. Die Ablesegenauigkeit kann wegen des Miniskus der Quecksilbersäule im Manometerrohr und möglicherweise auch im Quecksilberbehälter sowie wegen der fast unvermeidlichen Parallaxefehler nicht beliebig gesteigert werden, weshalb Ablesefehler von mindestens 1 mm Hg toleriert werden müssen. Weiter werden bei der Vermessung sowohl begrenzter als auch grosser Bereiche üblicherweise mehrere hundert Tensiometer verwendet, für deren Manometer eine relativ grosse Menge Quecksilber erforderlich ist, das unangenehm zu manipulieren und umweltschädlich ist.
Die beiden letztgenannten Nachteile werden dadurch verstärkt, dass für die Messung des Drucks des Kapillarwassers die Tensiometer im allgemeinen während mehr als einem Jahr im Erdreich stekken und die auszumessenden Geländebereiche wenig oder gar nicht gegen Unbefugte geschützt sind.
Der vorliegenden Erfindung liegt darum die Aufgabe zugrunde, ein Tensiometer zu schaffen, das eine grosse Messgenauigkeit ermöglicht, für dessen Verwendung keine gesundheits- oder umweltsschädlichen Materialien verwendet werden, und das auch während sehr langen Gebrauchszeiten keine Wartung benötigt.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe mit einem Tensiometer der eingangs genannten Art gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Druckmesseinrichtung eine elastisch verformbare Membran aufweist.
Mit dem neuen Tensiometer können nicht nur die bisher notwendigerweise tolerierten Ablesefehler vermieden werden, sondern es ist sogar möglich, die Ablesegenauigkeit weiter zu steigern, als für die gebräuchliche statistische Awswertung erforderlich ist. Ausserdem enthält das neue Tensiometer kein flüssiges oder gasförmiges Material, welches die Verwendung erschwert, und insbesondere kein Material, das für den Verwender oder die Umgebung, in der das Tensiometer verwendet wird, schädlich ist.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des neuen Tensiometers ist die elastisch-verformbare Membran in einem von dem Sondenrohr trennbaren Gehäuse angeordnet und
dieses in eine Mess- und eine Referenzkammer unterteilt, wovon die Referenzkammer eine unbehinderte Öffnung zur umgebenden Atmosphäre aufweist und die Messkammer mit dem Innenraum des Sondenrohrs verbindbar ist.
Diese bevorzugte Ausführungsform hat den zusätzlichen Vorteil, dass für eine Vielzahl von Sonden nur eine einzige Druckmesseinrichtung erforderlich ist.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemässen Tensiometers mit Hilfe der Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch das Sondenrohr mit einem Verschlussstopfen,
Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch die Druckmesseinrichtung mit der elastisch verformbaren Membran und der Hohlnadel,
Fig. 3 einen schematischen Schnitt durch das Sondenrohr mit der aufgesetzten Druckmesseinrichtung, und
Fig. 4 das Blockschema des elektronischen Mess- und Anzeigegeräts.
In Fig. list ein Sondenrohr (10) gezeigt, das an seinem in der Figur unteren und zum Einstechen in das Erdreich vorgesehenen Ende mit einer porösen keramischen Kerze (11) verschlossen ist. Das in der Figur obere Ende des Sondenrohrs weist einen Hals 12 auf, der zum Einsetzen eines lösbaren Verschlussstopfens 14 vorgesehen ist. Bei der Verwendung des Tensiometers ist das Sondenrohr fast vollständig mit einer Messflüssigkeit 16 und vorzugsweise mit entgastem Wasser gefüllt, so dass zwischen der Oberfläche der Messflüssigkeit und der Unterseite des Stopfens ein Luftpolster 17 verbleibt.
Die in Fig. 2 gezeigte Druckmesseinrichtung 20 enthält ein Gehäuse 21, dessen Innenraum von einer unter der Einwirkung von Druck verformbaren Membran 22 in eine kleinere Messkammer 23 und eine grössere Referenzkammer 24 unterteilt wird. Die Referenzkammer ist durch eine Öffnung 26 in einer der Gehäusewände in direkter Verbindung mit der äusseren Atmosphäre. Die Messkammer ist über einen Kanal 27 mit einer am Gehäuse angeordneten Hohlnadel 28 und durch deren Kanüle mit der Atmosphäre im Bereich der Spitze 29 dieser Hohlnadel verbunden. Die Hohlnadel ist von einem Führungsrohr 31 ummantelt und ist durch die zentrale Bohrung einer Anlagescheibe 32 geführt, welche letztere gegen die Kraft einer Feder 33 vom offenen Ende des Führungsrohrs in Richtung auf den Gehäuseboden 34 verschiebbar ist.
Die Membran besteht aus einem elastisch verformbaren Material und wirkt mit einem geeigneten (nicht gezeigten) mechanischelektrischen Wandler zusammen, dessen elektrische Eigenschaften bei der Verformung der Membran geändert werden. Ein Kabel 36 für die Verbindung des Wandlers mit einem noch zu beschreibenden Mess- und Anzeigegerät ist durch eine weitere Öffnung in der Referenzkammer geführt.
Fig. 4 zeigt das Blockschaltbild eines Mess- und Anzeigegeräts 39 mit angeschlossenem mechanisch-elektrischem Wandler. Der Wandler enthält vier längs des Umfangs der Membran und symmetrisch zueinander angeordnete Wandelelemente 40,41,42,43, die zu einer offenen Messbrücke zusammengeschaltet sind. Der Anschlusspunkt 44 der Messbrücke ist mit einer Stromquelle 46 verbunden, die an die Speisespannungsquelle 47 des Geräts angeschlossen ist. Die gegenüberliegenden offenen Anschlüsse 45, 50 der Messbrücke sind mit den Enden eines Potentiometers 48 verbunden, dessen Schleifkontakt an die Gerätemasse 49 geführt ist.
Die beiden anderen Anschlusspunkte 51, 52 der Messbrücke sind über ein Filter 53 mit dem Differenzeingang eines Ana log/Digital-Wandlers 54 verbunden. Diesem A/D-Wandler ist ein zum Endabgleich vorgesehenes Potentiometer 56 zugeordnet und seinem Ausgang ist eine Kodierschaltung 57 nachgestellt, deren Ausgangssignale an eine Anzeigeeinrichtung 58 geleitet werden. Die Anzeigeeinrichtung ist vorzugsweise eine LCD-Anzeige mit dreieinhalb Digits.
Die Verbindungsleitungen von den die Messbrücke bildenden Wandelelementen zum Mess- und Anzeigegerät sind über eine Steckverbindung 59 geführt, deren einer Teil vorzugsweise am Messkopf 20 befestigt ist, und die eine einfache Trennung von Messkopf und Mess- und Anzeigegerät ermöglicht.
Die Verbindungsleitungen von den die Messbrücke bildenden Wandelelementen zum Mess- und Anzeigegerät sind über eine Steckverbindung 59 geführt, deren einer Teil vorzugsweise am Messkopf 20 befestigt ist, und die eine einfache Trennung von Messkopf und Mess- und Anzeigegerät ermöglicht.
Bei der Verwendung des beschriebenen Tensiometers wird das Sondenrohr mit der Kerze voran in das zu untersuchende Erdreich gesteckt, mit der Messflüssigkeit gefüllt und mit dem Stopfen verschlossen. Dann tritt unter dem Einfluss des Gewichts der Wassersäule 16 und dem (Unter-) Druck des Kapillarwassers solange Messflüssigkeit durch die poröse Kerze in das umgebende Erdreich aus, bis der Unterdruck im Luftpolster 17 den dem Gewicht der Wassersäule entsprechenden Druck und den Druck des Kapillarwassers kompensiert.
Wenn die ab der Mitte der Kerze gemessene Höhe 62 (Fig. 3) der Messflüssigkeit im Sondenrohr bekannt ist, lässt sich der wirksame Druck des Kapillarwassers sehr einfach aus dem Unterdruck im Luftpolster errechnen.
Zum Messen des Unterdrucks im Luftpolster wird die Messbrücke im Messkopf mit Hilfe der Steckverbindung elektrisch leitend mit dem Mess- und Anzeigegerät verbunden.
Dann werden mit dem Potentiometer 48 die Brückenzweige abgeglichen, während auf beiden Seiten der Membran, d. h.
in der Mess- und in der Referenzkammer, der gleiche Druck wirkt. Schliesslich wird der Messkopf auf das Sondenrohr aufgesetzt und die Hohlnadel durch den Stopfen gestochen, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Beim Einstechen der Hohlnadel in den Stopfen wird das Führungsrohr über den Hals des Sondenrohrs geschoben und bildet eine seitliche Führung, während die Anlagescheibe die Feder zusammendrückt und damit die Einstichtiefe der Nadel begrenzt. Dann findet ein Druckausgleich zwischen dem relativ grosgen Volumen des Luftpolsters im Sondenrohr und der relativ kleinen Messkammer im Messkopf statt. Die Membran und mit ihr die Wandelelemente werden dann unter der Wirkung der Druckdifferenz zwischen der Referenz- und der Messkammer verformt, wobei das Mass der Verformung der Druckdifferenz proportional ist.
Diese Verformung ändert die an den Anschlusspunkten 51, 52 der Messbrücke anliegende elektrische Spannung, die über das Filter 53 an den Eingang des A/D-Wandlers geleitet wird. Das Filter beeinträchtigt diese Spannung nicht, verhindert aber, dass durch mögliche Schwingungen der Membran bewirkte höherfrequente Signale den A/D-Wand ler erreichen. Im A/D-Wandler wird die analoge Spannungs änderung an den Anschlusspunkten der Messbrücke in ein entsprechendes digitales Signal gewandelt und in der nachgestellten Kodierschaltung in eine Mehrzahl Erregersignale für die Elemente der Anzeigeeinrichtung kodiert.
Der Stopfen für das Sondenrohr besteht vorzugsweise aus Nitrilkautschuk. Es hat sich gezeigt, dass dieses Material einen druckdichten Verschluss des Sondenrohrs auch währand verhältnismässig langer Zeitspannen gewährleistet, dass dieses Material beim Einstechen der Hohlnadel dicht an der Nadel anliegt und sich nach dem Ausziehen der Nadel wieder dicht verschliesst, so dass mit dem gleichen Stopfen mehrere und beispielsweise bis zu dreissig Messungen ausgeführt werden konnten.
Die Membran kann einfacherweise eine dünne Metallscheibe sein, wie sie für Barometerdosen verwendet wird, und als Wandelelemente können Dehnungsmessstreifen verwendet werden. Eine grössere Genauigkeit ermöglichen piezoresistive Druckaufnehmer, die in unterschiedlichen Ausführungsformen handelsüblich sind. Handelsüblich und darum nicht näher beschrieben sind auch die einzelnen Bauelemente des Mess- und Auswertegeräts.
Das Volumen der Messkammer einschliesslich der Hohlnadel soll so klein sein, dass der beim Einführen der Hohlnadel in das Luftkissen erfolgende Druckausgleich den Druck im Luftkissen nur unwesentlich verändert. Das Luftkissen im Sondenrohr muss gross genug sein, dass beim Durchstechen des Stopfens kein direkter Druck auf die Messflüssigkeit einwirkt und diese nicht durch die Kerze aus dem Sondenrohr herausgepresst wird.
Es versteht sich, dass das Mess- und Anzeigegerät so aufgebaut bzw. eingestellt werden kann, dass der durch den Druckausgleich beim Verbinden der Messkammer mit dem Luftpolster bewirkte Fehler berücksichtigt und dass bei bekannter oder konstanter Höhe der Messflüssigkeit im Sondenrohr nur der Druck des Kapillarwassers angezeigt wird.
Es versteht sich weiter, dass das Mess- und Anzeigegerät für die Anzeige des Drucks in der für die Bestimmung des Drucks des Kapillarwassers gebräuchlichen Einheit cm WS (Centimeter Wassersäule) oder in irgendeiner anderen Druckmesseinheit eingestellt werden kann. Das neuc Tensiometer kann auch zum Messen positiver hydrostatischer Drucke verwendet werden.
Für eine erprobte Ausführungsform des neuen Tensiometers betrug die im Labor gemessene Empfindlichkeit 0,3 bar/cm3. Bei einer Messreihe in einem Sand-Schotter-Boden mit Drücken des Kapillarwassers im Bereich zwischen 150 bis 900 cm WS betrug der mittlere Fehler für gesamthaft 250 Messungen nur 3,75 cm WS.
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PATENT CLAIMS
1. tensiometer for determining the pressure of the capillary water in the ground with a probe tube suitable for partial penetration into the ground and for filling with a measuring liquid, which is closed at one end intended for penetration into the ground with a porous candle permeable to the measuring liquid, and at its other end has a detachable closure suitable for filling the measuring liquid, and with a pressure measuring device for measuring the pressure in the probe tube above the measuring liquid, characterized in that the pressure measuring device (20) has an elastically deformable membrane (22).
2. Tensiometer according to claim 1, characterized in that the elastically deformable membrane (22) is arranged in a housing (21) which can be separated from the probe tube and divides it into a measuring and a reference chamber (23 or 24), of which the reference chamber has an unobstructed opening (26) to the surrounding atmosphere, and the measuring chamber can be connected to the interior (17) of the probe tube (10).
3. Tensiometer according to claim 2, characterized in that for connecting the measuring chamber (23) to the interior (17) of the probe tube (10), the opening of the measuring chamber is designed as a hollow needle (28) and the closure at the other end of the probe tube is a stopper (14) is made of pierceable and self-closing material.
4. Tensiometer according to claim 3, characterized in that the stopper (14) consists of nitrile rubber.
5. Tensiometer according to claim 1, characterized in that the elastically deformable membrane (22) is designed as a pie zoelectric transducer and further an electrical evaluation and display device (39) is provided for the electrical signals generated during the deformation of the transducer.
6. tensiometer according to claim 5, characterized in that the piezoelectric transducer and the electrical evaluation and display device are releasably connected to one another by means of a plug connection (59).
7. tensiometer according to claim 3, characterized in that the hollow needle (28) is arranged in a guide tube (31) and in the guide tube as a disc with a central bore provided for unimpeded displacement along the hollow needle and with a coil spring (33) loaded stop (32) is provided.
The invention relates to a tensiometer for determining the pressure of the capillary water in the soil with a probe tube suitable for partial penetration into the soil and for filling with a measuring liquid, which tube is closed at its one end intended for penetration into the ground with a porous candle permeable to the measuring liquid and has at its other end a detachable closure suitable for filling the measuring liquid, and with a pressure measuring device for measuring the pressure in the probe tube above the measuring liquid.
In the following, capillary water is to be understood as the non-absorptively bound part of the adhesive water in the soil, which forms the habitat of the aquatic soil organisms and can be absorbed by the plants through the roots. Knowing the pressure of the capillary water provides, among other things, important information about the living conditions of plants, which is why such measurements are carried out both to observe the change in the capillary water balance in limited areas and to research the amount and direction of flowing capillary water in relatively large areas will.
Relatively simple tensiometers are usually used to measure the pressure of the capillary water. A common embodiment consists of a probe tube provided for penetration into the ground, the lower end of which is closed by a porous candle made of ceramic material and a pressure measuring device is arranged in the area of the upper end thereof. This pressure measuring device is usually a simple mercury manometer with a manometer tube, the upper end of which is connected to the upper end of the probe tube and the lower end of which is immersed in a container filled with mercury. When using this tensiometer, the probe tube is sunk in the ground until the candle reaches a specified depth, then filled with water from above and the filling opening is sealed airtight with a stopper.
So much water then escapes through the porous candle until the weight of the water column in the probe tube equals the weight of the mercury drawn into the pressure gauge tube.
The height of the mercury column drawn in then corresponds to the zero point of the measurement. The soil surrounding the candle then sucks additional water through the porous probe until the resulting negative pressure is in equilibrium with the pressure of the capillary water. This negative pressure corresponds to a further increase in mercury in the pressure gauge tube and can simply be specified as the height of the mercury column above the previously defined zero point.
The disadvantages of the simple tensiometer are obvious. The reading accuracy cannot be increased arbitrarily due to the miniscus of the mercury column in the pressure gauge tube and possibly also in the mercury container as well as the almost inevitable parallax errors, which is why reading errors of at least 1 mm Hg must be tolerated. Furthermore, several hundred tensiometers are usually used in the measurement of both limited and large areas, the pressure gauges of which require a relatively large amount of mercury, which is unpleasant to manipulate and is environmentally harmful.
The latter two disadvantages are exacerbated by the fact that the tensiometers are generally in the ground for more than a year for measuring the pressure of the capillary water and that the areas to be measured are little or not protected against unauthorized persons.
The present invention is therefore based on the object of providing a tensiometer which enables great measurement accuracy, for which no materials which are harmful to health or the environment are used, and which does not require any maintenance even during very long periods of use.
According to the invention, this object is achieved with a tensiometer of the type mentioned at the outset, which is characterized in that the pressure measuring device has an elastically deformable membrane.
With the new tensiometer, not only the reading errors that were previously tolerated can be avoided, but it is even possible to increase the reading accuracy further than is necessary for the usual statistical evaluation. In addition, the new tensiometer does not contain any liquid or gaseous material that makes it difficult to use, and in particular does not contain any material that is harmful to the user or the environment in which the tensiometer is used.
In a preferred embodiment of the new tensiometer, the elastically deformable membrane is arranged in a housing that can be separated from the probe tube
this is divided into a measuring and a reference chamber, of which the reference chamber has an unobstructed opening to the surrounding atmosphere and the measuring chamber can be connected to the interior of the probe tube.
This preferred embodiment has the additional advantage that only a single pressure measuring device is required for a large number of probes.
A preferred embodiment of the tensiometer according to the invention is described below with the aid of the figures. Show it:
1 shows a schematic section through the probe tube with a sealing plug,
2 shows a schematic section through the pressure measuring device with the elastically deformable membrane and the hollow needle,
Fig. 3 is a schematic section through the probe tube with the pressure measuring device attached, and
Fig. 4 shows the block diagram of the electronic measuring and display device.
In Fig. List a probe tube (10) is shown, which is closed at its lower end in the figure and intended for penetration into the ground with a porous ceramic candle (11). The upper end of the probe tube in the figure has a neck 12 which is provided for inserting a releasable sealing plug 14. When using the tensiometer, the probe tube is almost completely filled with a measuring liquid 16 and preferably with degassed water, so that an air cushion 17 remains between the surface of the measuring liquid and the underside of the stopper.
The pressure measuring device 20 shown in FIG. 2 contains a housing 21, the interior of which is divided into a smaller measuring chamber 23 and a larger reference chamber 24 by a membrane 22 deformable under the action of pressure. The reference chamber is in direct communication with the outside atmosphere through an opening 26 in one of the housing walls. The measuring chamber is connected via a channel 27 to a hollow needle 28 arranged on the housing and through its cannula to the atmosphere in the region of the tip 29 of this hollow needle. The hollow needle is encased by a guide tube 31 and is guided through the central bore of a contact disk 32, the latter being displaceable against the force of a spring 33 from the open end of the guide tube in the direction of the housing base 34.
The membrane consists of an elastically deformable material and interacts with a suitable (not shown) mechanical-electrical transducer, the electrical properties of which are changed when the membrane is deformed. A cable 36 for connecting the transducer to a measuring and display device to be described is passed through a further opening in the reference chamber.
FIG. 4 shows the block diagram of a measuring and display device 39 with a connected mechanical-electrical converter. The transducer contains four converting elements 40, 41, 42, 43 arranged along the circumference of the membrane and symmetrically to one another, which are interconnected to form an open measuring bridge. The connection point 44 of the measuring bridge is connected to a current source 46, which is connected to the supply voltage source 47 of the device. The opposite open connections 45, 50 of the measuring bridge are connected to the ends of a potentiometer 48, the sliding contact of which is guided to the device ground 49.
The two other connection points 51, 52 of the measuring bridge are connected via a filter 53 to the differential input of an analog / digital converter 54. This A / D converter is assigned a potentiometer 56 provided for final adjustment and its output is followed by a coding circuit 57, the output signals of which are passed to a display device 58. The display device is preferably an LCD display with three and a half digits.
The connecting lines from the converting elements forming the measuring bridge to the measuring and display device are routed via a plug connection 59, a part of which is preferably attached to the measuring head 20 and which enables the measuring head and measuring and display device to be separated easily.
The connecting lines from the converting elements forming the measuring bridge to the measuring and display device are routed via a plug connection 59, a part of which is preferably attached to the measuring head 20 and which enables the measuring head and measuring and display device to be separated easily.
When using the described tensiometer, the probe tube is inserted with the candle first into the soil to be examined, filled with the measuring liquid and closed with the stopper. Then, under the influence of the weight of the water column 16 and the (negative) pressure of the capillary water, measuring liquid emerges through the porous candle into the surrounding earth until the negative pressure in the air cushion 17 compensates for the pressure corresponding to the weight of the water column and the pressure of the capillary water .
If the height 62 of the measuring liquid in the probe tube measured from the center of the candle is known, the effective pressure of the capillary water can be calculated very easily from the negative pressure in the air cushion.
To measure the negative pressure in the air cushion, the measuring bridge in the measuring head is connected to the measuring and display device in an electrically conductive manner using the plug connection.
Then the bridge branches are adjusted with the potentiometer 48, while on both sides of the membrane, i. H.
in the measuring and reference chamber, the same pressure acts. Finally, the measuring head is placed on the probe tube and the hollow needle is pierced through the stopper, as shown in FIG. 3. When the hollow needle is inserted into the stopper, the guide tube is pushed over the neck of the probe tube and forms a lateral guide, while the contact disk compresses the spring and thus limits the depth of the needle. Then a pressure equalization takes place between the relatively large volume of the air cushion in the probe tube and the relatively small measuring chamber in the measuring head. The membrane and with it the converting elements are then deformed under the effect of the pressure difference between the reference and the measuring chamber, the extent of the deformation being proportional to the pressure difference.
This deformation changes the electrical voltage present at the connection points 51, 52 of the measuring bridge, which is conducted via the filter 53 to the input of the A / D converter. The filter does not affect this voltage, but prevents higher-frequency signals caused by possible membrane vibrations from reaching the A / D converter. In the A / D converter, the analog voltage change at the connection points of the measuring bridge is converted into a corresponding digital signal and encoded in the adjoining coding circuit into a plurality of excitation signals for the elements of the display device.
The plug for the probe tube is preferably made of nitrile rubber. It has been shown that this material ensures a pressure-tight closure of the probe tube even during relatively long periods of time, that this material lies tightly against the needle when the hollow needle is inserted and closes again tightly after the needle has been pulled out, so that several can be used with the same stopper and for example up to thirty measurements could be carried out.
The membrane can simply be a thin metal disc as used for barometer boxes, and strain gauges can be used as change elements. Piezoresistive pressure transducers, which are commercially available in different embodiments, enable greater accuracy. The individual components of the measuring and evaluation device are also commercially available and therefore not described in detail.
The volume of the measuring chamber including the hollow needle should be so small that the pressure equalization that occurs when the hollow needle is inserted into the air cushion changes the pressure in the air cushion only insignificantly. The air cushion in the probe tube must be large enough that when the plug is pierced there is no direct pressure on the measuring liquid and the candle does not force it out of the probe tube.
It goes without saying that the measuring and display device can be set up or adjusted so that the error caused by the pressure equalization when connecting the measuring chamber to the air cushion is taken into account and that only the pressure of the capillary water is displayed if the measuring liquid in the probe tube is known or constant becomes.
It is further understood that the measuring and display device for displaying the pressure can be set in the unit cm WS (centimeter of water column) used for determining the pressure of the capillary water or in any other pressure measuring unit. The neuc tensiometer can also be used to measure positive hydrostatic pressures.
For a tested embodiment of the new tensiometer, the sensitivity measured in the laboratory was 0.3 bar / cm3. In a series of measurements in a sand-gravel soil with pressures of the capillary water in the range between 150 to 900 cm WS, the mean error for a total of 250 measurements was only 3.75 cm WS.