DD231654A1

DD231654A1 - APPARATUS FOR HUMIDITY AND DENSITY MEASUREMENT IN CULTURED BOARDS

Info

Publication number: DD231654A1
Application number: DD27031484A
Authority: DD
Inventors: Peter Fechler; Wolfgang Thiel
Original assignee: Berlin Ing Hochschule
Priority date: 1984-12-05
Filing date: 1984-12-05
Publication date: 1986-01-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schnellbestimmung von Feuchte und Dichte, an Ort und Stelle, vorzugsweise von Kulturboeden der Pflanzenproduktion und ist fuer artverwandte Wirtschaftszweige, wie Bergbau und Bauwesen gleichermassen anwendbar. Ziel der Erfindung ist die Schnellbestimmung von Feuchte und Dichte in Bodensubstraten und die Senkung des bisher hohen Aufwandes fuer derartige Untersuchungen. Die natuerliche Variabilitaet von Bodensubstraten soll an Ort und Stelle nahezu zerstoerungsfrei, flaechendeckend zu charakterisieren sein. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe geloest durch die Messung der komplexen Dielektrizitaetskonstante in einem hochfrequenten Wechselstromfeld ueber Impedanzaenderung. Die Vorrichtung besteht aus einer kompakten Einheit von einem stabfoermigen Messwertaufnehmer und der Messwertverarbeitung mit einem Kleinrechner, sowie aus zwei Schwingquarzen verschiedener Frequenz, einem Oszilatorschaltkreis mit Spannungsverstaerkung und Parallelschaltung der Uebertragungsglieder auf eine Differenzverstaerkerschaltung, die Digitalsisierung des Analogsignals und anschliessender arithmetischer Verknuepfung in einer Rechnereinheit bei digitaler Anzeige der Aufgabengroesse.The invention relates to a device for rapid determination of moisture and density, in place, preferably of Kulturboeden of plant production and is equally applicable for similar economic sectors, such as mining and construction. The aim of the invention is the rapid determination of moisture and density in soil substrates and the reduction of the previously high cost of such investigations. The natural variability of soil substrates should be characterized on the spot virtually free from destruction, surface covering. According to the invention, the object is achieved by measuring the complex dielectric constant in a high-frequency alternating current field via impedance change. The device consists of a compact unit of a stabfoermigen transducer and the measured value processing with a mini-computer, and two quartz oscillators of different frequency, a Oszilatorschaltspannung with Spannungsverstaerkung and parallel connection of Uebertragungsglieder on a Differenzverstaerkerschaltung, the digitalization of the analog signal and subsequent arithmetic operation in a computer unit in digital Display of the task size.

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schnellbestimmung von Feuchte und Dichte mehrkomponentiger Stoffe, an Ort und Stelle, vorzugsweise in Kulturböden der Pflanzenproduktion. Für zahlreiche Produktionsprozesse der Landwirtschaft und des Gartenbaus ist die Kenntnis physikalischer Zustandgrößen, des Bodens und deren schnelle Bestimmung Voraussetzung für sichere und zielgerichtete Maßnahmen der Bodenbearbeitung, Befahrbarkeit und für die Einleitung biologischer Prozesse. Mit der Vorrichtung ist die obere Bodenschicht bis 300 mm Tiefe erfaßbar. In artverwandten Wirtschafszweigen wie Bauwesen und Bergbau ist die Vorrichtung gleichermaßen anwendbar.The invention relates to a device for rapid determination of moisture and density of multicomponent substances, in situ, preferably in cultivated soils of plant production. For many production processes in agriculture and horticulture, the knowledge of physical state variables, the soil and its rapid determination is a precondition for safe and targeted measures of tillage, trafficability and for the initiation of biological processes. With the device, the upper soil layer to 300 mm depth can be detected. In related industries such as construction and mining, the device is equally applicable.

Characteristic of known technical solutions

Es sind Verfahren und Vorrichtungen zur Feuchtebestimmung auf der Grundlage elektrischer Eigenschaften von Stoffen bekannt. Dabei findet das Prinzip der elektrischen Leitfähigkeit Anwendung. Das Meßergebnis bei mehrkomponentigen Stoffen, wie Erden und Stoffen organisch vegetabiler Herkunft wird durch Dissoziation, chemischer Aktivität und durch die Form der Wasserbedingung beeinflußt. Messungen in körnigem Schüttmaterial sind oft wegen der unterschiedlichen Schüttdichte der Güter sehr fehlerhaft und nicht reproduzierbar.Methods and apparatus for determining moisture based on electrical properties of substances are known. The principle of electrical conductivity is used. The measurement result for multicomponent substances such as soils and substances of organic vegetable origin is influenced by dissociation, chemical activity and by the shape of the water condition. Measurements in granular bulk material are often very faulty and not reproducible because of the different bulk density of the goods.

Bekannt geworden sind Feuchtigkeitsmessungen, bei denen über die komplexe Dielektrizitätskonstante mit Hilfe von kapazitiv reagierenden Schaltungen Feuchtigkeitsgehalte von Stoffen bestimmt werden. Das Anwendungsprinzip ist dadurch gekennzeichnet, daß die komplexe Dielektrizitätskonstantesich mit der Wasserbeladung eines Stoffes in dem Maße änderte, je größer die Differenz der Konstanten von Wasser und dem zu untersuchenden Stoff ist. Die Genauigkeit ist von Temperatur, unterschiedlicher Dichte, der Zusammensetzung der Stoffe und von der Wasserverteilung abhängig. Verwendete Frequenzen zwischen 0,1 und 0,15MHz sind für Feuchte-und Dichtebestimmungen in Ackerböden ungeeignet DE-OS 2829952 und 2557389, weil störende Einflüsse der Mineraldüngung und anderes nicht auszuschließen sind. Alle bisher bekannt gewordenen Lösungen der verschiedenen Meßverfahren eigenen sich auf Grund des hohen technischen und zeitlichen Aufwandes sowie aus der unzureichenden Exaktheit der Meßergebnisse nicht.Moisture measurements have become known in which moisture contents of substances are determined via the complex dielectric constant with the aid of capacitive reacting circuits. The principle of use is characterized in that the complex dielectric constant changes with the water load of a substance as the difference between the constants of water and the substance to be examined is greater. The accuracy depends on the temperature, the density, the composition of the substances and the water distribution. Used frequencies between 0.1 and 0.15 MHz are unsuitable for moisture and density determinations in agricultural soils DE-OS 2829952 and 2557389, because interfering influences of mineral fertilization and others can not be ruled out. All previously known solutions of the various measuring methods are not suitable due to the high technical and time complexity and from the insufficient accuracy of the measurement results.

- Die Kompensation des störenden Einflusses unterschiedlicher Dichte der Stoffe analog den Vorrichtungen DE-OS 2537977 und 1798449 über die Absorption von Gammastrahlen oder durch Komprimierung des Meßsubstrates erfordern einen hohen Aufwand sowie besondere Sicherheitsvorkehrungen und schließen die Anwendung zu vorhergenanntem Zwecke gleichermaßen aus.- The compensation of the disturbing influence of different density of substances analogous to the devices DE-OS 2537977 and 1798449 on the absorption of gamma rays or by compression of the measuring substrate require a lot of effort and special safety precautions and exclude the application for the aforementioned purposes alike.

Die Verwendung von zwei verschiedenen Frequenzen zur gleichzeitigen Bestimmung der Dichte und Feuchte von Schnee wird mit der PS-CH 2200885 vorgestellt. Dabei wird die Meßkapazität mit zwei zylindrisch und konzentrisch geformten und angeordneten Elektroden gebildet. Über Frequenzmodulation wird das Gleichgewicht zwischen Meßfrequenz und der Ausgleichsimpedanz bestimmt. Mit erheblichem Aufwand werden für Steuer- und Meßeinrichtung über Nomogramme auf der Grundlage einer empirischen Beziehung der Dichte, der Volumenanteil des Wassers bestimmt. Nachteilig ist, daß die Vorrichtung aus Gründen des hohen schaltungstechnischen Aufwandes, der verwendeten Meßkondensatoren, sowie der Handhabung der Vorrichtung für die Bestimmung von Feuchte und Dichte in Kulturböden nicht geeignet ist und angewandt werden kann.The use of two different frequencies for the simultaneous determination of the density and moisture of snow is presented with the PS-CH 2200885. The measuring capacity is formed with two cylindrically and concentrically shaped and arranged electrodes. Frequency modulation determines the balance between the measuring frequency and the compensation impedance. With considerable effort for control and measuring device via nomograms on the basis of an empirical relationship of the density, determines the volume fraction of the water. The disadvantage is that the device for reasons of high circuit complexity, the measuring capacitors used, and the handling of the device for the determination of moisture and density in culture soils is not suitable and can be applied.

Bei allen bekannten Vorrichtungen werden Platten oder zylindrisch und konzentrisch angeordnete Meßwertaufnehmer verwendet, die für Dichtebestimmungen in Bodensubstanzen ungeeignet sind, weil die vollständige Füllung des Kondensatorvolumens mit Sicherheit nicht realisierbar und das Bodensubstrat durch Stauchung in der Dichte maßgeblich verändert wird.In all known devices plates or cylindrically and concentrically arranged transducers are used, which are unsuitable for density determinations in soil substances, because the complete filling of the capacitor volume with certainty not feasible and the soil substrate is significantly changed by compression in density.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Schnellbestimmung von Feuchte und Dichtein Bodensubstraten zu entwickeln und den hohen Aufwand für Untersuchungen mit herkömmlichen Vorrichtungen zu senken. Gleichzeitig soll die natürliche Variabilität von Bodensubstraten an Ort und Stelle nahezu störungsfrei in Dichte und Feuchte flächendeckend zu charakterisieren sein.The aim of the invention is to develop a device for rapid determination of moisture and Dichtein soil substrates and to reduce the high cost of investigations with conventional devices. At the same time, the natural variability of soil substrates on site should be able to characterize the entire area of density and moisture virtually without disruption.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit Hilfe eines Meßgerätes an Ort und Stelle vorwiegend in Kulturböden der Pflanzenproduktion die Zustandsgrößen, Dichte und Feuchte mit einer Schnellmethode zu bestimmen. Die flächenbedeckende Charakteristik dieser Größen erfordert in jedem Fall einen bestimmten Stichprobenumfang. Über die gegebene Variabilität von Ackerböden und aus der arithmetischen Verknüpfung von Mittelwert und Standardabweichung wird der physikalische Zustand nach Dichte und Feuchte sowie deren Verteilung auf einer Fläche sofort an der Vorrichtung angezeigt. Sämtliche Operationen der Meßwerterfassung und -verarbeitung sind selbsttätig. Damit ist der unmittelbare Zugriff zum Meßwert der Aufgabengröße — Trockenrohdichte {$> d) und Wasservolumen (VW) gegeben.The invention has for its object to determine the state variables, density and humidity with a rapid method using a meter in place mainly in cultivated soils of plant production. The area-covering characteristic of these quantities in each case requires a certain sample size. Given the variability of arable soils and the arithmetic combination of mean and standard deviation, the physical state of density and moisture and their distribution on a surface are immediately displayed on the device. All operations of the measured value acquisition and processing are automatic. Thus, the immediate access to the measured value of the task size - dry bulk density {$> d) and water volume (VW) is given.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch Messung der komplexen Dielektrizitätskonstante des Meßsubstrates in einem hochfrequenten Wechselstromfeld, über die Impedanzänderung einer Meßschaltung. Die Vorrichtung besteht aus einer kompakten Einheit von einem stabförmigen Meßwertaufnehmer und der Meßwertverarbeitung und -anzeige. Die Meßschaltung besteht aus einem Oszillatorschaltkreis für zwei verschiedene Meßfrequenzen im Bereich bis 50MHz, einer Verstärkerstufe, einer Differenzverstärkerstufe und einem Mikroprozessor. Die aus wechselbarem Kleinakkumulator eingespeiste Spannung wird elektronisch stabilisiert. Gleichzeitig wird eine Spannung mit fester Frequenz und entsprechender Amplitude verstärkt. Die Spannungen für zwei verschiedene Frequenzen unterschiedlicher Kalibrierung liegen nacheinander am Ausgangswiderstand an. Der Meßwertaufnehmer mit dem Ausgangswiderstand bilden eine Widerstandskondensatorschaltung. Parallel zum Ausgangswiderstand wird die HF-Spannung geteilt, wobei der eine Zweig einen festen Kondensator (Cf) enthält und der andere Zweig durch den Meßwertaufnehmer (C_m) gebildet wird, dessen Ausgangsspannung sich proportional zu Feuchte und Dichte im Meßsubstrat verhält. Die in diesen Schaltungsteilen ausgeglichene Amplitude wird beim Meßvorgang im Bodensubstrat bestimmt. Der Potentialunterschied wird über eine Differenzverstärkerstufe ermittelt. Die beim Differenzverstärker auftretende Kollektorgleichspannung wird als Analogsignal von einem AD-Wandler digitalisiert. Über ein gesteuertes Tor werden diese Ausgangssignale dem Rechnerdatenbus zugeführt. Datenspeicher und Mikroprozessor verarbeiten die Werte nach vorgegebenen Algorithmen. Durch die getroffene Auswahl und Anordnung der Speicher und Programmspeicher ist eine arithmetische Verknüpfung möglich, die Mittelwert und Verteilung der Meßgrößen flächendeckend erkennen lassen.According to the invention the object is achieved by measuring the complex dielectric constant of the measuring substrate in a high-frequency AC field, via the impedance change of a measuring circuit. The device consists of a compact unit of a rod-shaped transducer and the measured value processing and display. The measuring circuit consists of an oscillator circuit for two different measuring frequencies in the range up to 50 MHz, an amplifier stage, a differential amplifier stage and a microprocessor. The voltage fed from removable small accumulator is electronically stabilized. At the same time a voltage with fixed frequency and corresponding amplitude is amplified. The voltages for two different frequencies of different calibration are applied successively to the output resistance. The transducer with the output resistance form a resistance capacitor circuit. Parallel to the output resistance, the RF voltage is divided, wherein the one branch contains a fixed capacitor (Cf) and the other branch is formed by the transducer (C _m ) whose output voltage is proportional to humidity and density in the measuring substrate. The balanced in these circuit parts amplitude is determined during the measurement process in the soil substrate. The potential difference is determined via a differential amplifier stage. The collector DC voltage occurring at the differential amplifier is digitized as an analog signal by an AD converter. Via a controlled gate these output signals are fed to the computer data bus. Data memory and microprocessor process the values according to given algorithms. Due to the choice made and the arrangement of the memory and program memory, an arithmetic link is possible, the mean and distribution of the measured variables can be detected area-wide.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachstehend am Ausführungsbeispiel der zweckmäßigsten Form der Ausführung näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen wird gezeigt:The invention will be explained in more detail below the embodiment of the most expedient form of execution. The accompanying drawings show:

Fig. 1: kompakte Einheit von Meßwertaufnehmer, -erfassung und -verarbeitung Fig. 2: Blockschaltbild für die Anordnung der elektronischen Baugruppen.Fig. 1: compact unit of transducers, detection and processing Fig. 2: Block diagram of the arrangement of the electronic modules.

Auf einem zylinderförmigen Meßwertaufnehmer mit einem Durchmesser 10 mm aus PVC 1 sind drei Elektroden 2 angebracht.On a cylindrical transducer with a diameter of 10 mm PVC 1 three electrodes 2 are attached.

Die an der Basis des Meßwertaufnehmers angebrachten Handgriffe 3 unterstützen die Kräfte beim Einstich des Meßwertaufnehmers in den Boden. In einem gegen äußere Einflüsse besonders Witterungseinfiüsse, schützenden Gehäuse 4 sind die elektronischen Bauelemente untergebracht. Aus Gründen der Erkennbarkeit unter den wechselnden Einsatzbeidingungen werden die Meßwertgrößen auf einer Flüssigkristallanzeige 5 sichtbar gemacht.The attached to the base of the transducer handles 3 support the forces when puncturing the transducer in the ground. In a against external influences particularly Witterungseinfiüsse, protective housing 4, the electronic components are housed. For reasons of recognizability under the changing conditions of use, the measured value quantities are made visible on a liquid-crystal display 5.

Die stabilisierte Versorgungsspannung 6 von 12 Volt 6 speist den Oszillator?. Nach der Verstärkerstufe 8 ist die Spannungsteilung 9 mit dem Meßwertaufnehmer 10 angeordnet. Das Analogsignal wird über die Differenzverstärkerstufe 11 erzeugt und mit dem AD-Wandler 12 auf der Grundlage des Schaltkreises C 520 gewandelt. Der Mikroprozessor 13 U 880 wird komplettiert durch die Programmspeicher U 556, CMOS und Datenspeicher vom Typ U 224. Die Meßwertanzeige wird durch eine Flüssigkristallanzeige 5 realisiert.The stabilized supply voltage 6 of 12 volts 6 feeds the oscillator. After the amplifier stage 8, the voltage division 9 is arranged with the transducer 10. The analog signal is generated via the differential amplifier stage 11 and converted with the AD converter 12 based on the circuit C 520. The microprocessor 13 U 880 is completed by the program memory U 556, CMOS and data storage type U 224. The measured value display is realized by a liquid crystal display 5.

Claims

claims:

1. A device for measuring moisture and density in cultivated soils, via the measurement of the complex dielectric constant with two different fixed frequencies, characterized in that a capacitive transducer (1) of three electrodes (2) is formed, with the in combination of two oscillators ( 7), an oscillator circuit and a differential amplifier stage (11), the impedance change of the amplitude of a high-frequency AC voltage can be determined, and the density and humidity is displayed throughout the area directly through the connection with a small computer.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the transducer (1) with the output resistance of the oscillator circuit, a resistance capacitor circuit whose capacitance is variable and allows the determination of the impedance change via a differential amplifier stage (11).

3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the device by a supply voltage (6) is fed, which allows the operation location-dependent.

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