DE10011636A1 - Soil moisture meter - Google Patents

Soil moisture meter

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Abstract

The meter has two electrodes which are inserted into the medium being tested. A measuring device is connected to the electrodes for measuring the impedance between them. An evaluation unit determines the moisture of the medium from the impedance values. The two electrodes are connected to an interdigital transducer (2) of a surface acoustic wave (SAW) transponder, the transducer acting as a reflector. Further reflectors (5,6) may be arranged in the SAW path on both sides of the interdigital transducer. The variable impedance level of the two electrodes and that of the interdigital transducer are preferably matched to each other.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feuchtemessung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a device for measuring moisture according to the preamble of claim 1.

Es ist bekannt, insbesondere bei der Messung von Boden­ feuchte, in das zu untersuchende Medium, insbesondere den Bo­ den, Elektroden einzubringen und die zwischen den Elektroden vorhandene Impedanz zu messen. Die Impedanz hängt von der Feuchte des Mediums ab, da Wasser eine sehr hohe Dielektrizi­ tätskonstante und je nach Salzgehalt eine hohe Leitfähigkeit hat. Die Impedanz zwischen den Elektroden ist daher eine Funktion der Feuchte des Mediums, beispielsweise der Boden­ feuchte. Durch die Wahl der Länge und des Abstands der Elekt­ roden kann der variable Impedanzbereich eingestellt werden. Bei der Messung der Bodenfeuchte ändert sich die komplexe Dielektrizitätskonstante des Wassers mit der verwendeten Messfrequenz und der Bodenzusammensetzung.It is known, especially when measuring soil damp, in the medium to be examined, especially the Bo the to insert electrodes and the between the electrodes measure existing impedance. The impedance depends on the Moisture of the medium because water has a very high dielectric constant and, depending on the salinity, high conductivity Has. The impedance between the electrodes is therefore one Function of the moisture of the medium, for example the soil wet. By choosing the length and distance of the elec the variable impedance range can be set. The complex changes when measuring soil moisture Dielectric constant of the water with that used Measurement frequency and the soil composition.

Die Überwachung lokaler Variationen der Feuchte des Mediums, insbesondere der Bodenfeuchte gestaltet sich bei herkömmli­ chen Messanordnungen. Diese Überwachung wird manuell durchge­ führt.Monitoring local variations in the moisture of the medium, In particular, the soil moisture is a matter of convention Chen measuring arrangements. This monitoring is carried out manually leads.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der ein­ gangs genannten Art zu schaffen, welche einfach bedient wer­ den kann.The object of the invention is therefore a device of the to create the type mentioned above, which is easy to operate that can.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. This object is achieved by the characterizing Features of claim 1 solved.  

Bei der Erfindung sind die beiden Elektroden, zwischen denen die feuchteabhängige Impedanz des zu untersuchende Mediums, insbesondere Bodens, gemessen wird, an einen OFW (Oberflä­ chenwellen)-Transponder angeschlossen, der über Funk mit einem Abfragegerät verbunden ist. Man erreicht hierdurch einen fernabfragbaren Feuchtesensor, welcher an verschiedenen Orten des zu untersuchenden Mediums eingesetzt werden kann, so dass lokale Variationen der Feuchte im zu untersuchenden Medium, insbesondere der Bodenfeuchte, in einfacher Weise er­ fasst werden können.In the invention, the two electrodes are between them the moisture-dependent impedance of the medium to be examined, in particular soil, is measured to an SAW (surface Chenwellen) transponder connected via radio with is connected to a query device. You can achieve this a remote-sensing moisture sensor, which is connected to various Locations of the medium to be examined can be used, so that local variations in humidity in the area under investigation Medium, especially the soil moisture, in a simple way can be grasped.

In bevorzugter Weise kommt ein OFW-Transponder zum Einsatz, wie er in Fortschritts-Berichte VDI Reihe 8, Nummer 515, VDI- Verlag 1995, Seiten 62 bis 79, insbesondere Seiten 73 und 74 beschrieben ist. Hierdurch erreicht man die passive Fernab­ fragbarkeit der komplexen Impedanz zwischen den beiden Elekt­ roden, die in das zu untersuchende Medium, insbesondere in den zu untersuchenden Boden eingesteckt sind. Hierzu sind die beiden Elektroden an einen als Reflektor wirkenden Interdigi­ talwandler des OFW-Transponders angeschlossen. Der OFW- Transponder besitzt ferner einen Ein-/Auskoppelwandler, der mit einer Empfangs-/Sendeantenne verbunden ist. Das von einem Abfragegerät eingekoppelte hochfrequente Abfragesignal wird vom Ein-/Auskoppelwandler in eine akustische Oberflächenwelle (OFW) umgewandelt. Der als Reflektor wirkende zweite Interdi­ gitalwandler des OFW-Transponders, welcher mit den beiden Elektroden verbunden ist, befindet sich im Strahlengang der OFW. Die von diesem Reflektor reflektierte OFW hängt von der zwischen den beiden Elektroden vorhandenen Impedanz ab. Das reflektierte Signal wird über den Ein-/Auskoppelwandler und die mit ihm verbundene Empfangs-/Sendeantenne an das Abfrage­ gerät zurückgesendet. Im Abfragegerät wird das zurückgesen­ dete Signal empfangen und ausgewertet. Betrag und Phase dieses Reflektionssignals sind eine Funktion der feuchteabhängi­ gen Impedanz zwischen den beiden Elektroden.An SAW transponder is preferably used, as described in progress reports VDI row 8 , number 515, VDI publishing house 1995 , pages 62 to 79, in particular pages 73 and 74. This achieves the passive Fernab questionability of the complex impedance between the two electrodes, which are inserted into the medium to be examined, in particular in the soil to be examined. For this purpose, the two electrodes are connected to an interdigital transducer of the SAW transponder acting as a reflector. The SAW transponder also has an input / output converter which is connected to a receive / transmit antenna. The high-frequency interrogation signal coupled in by an interrogation device is converted into an acoustic surface wave (SAW) by the coupling-in / coupling-out converter. The second interdigital converter of the SAW transponder, which acts as a reflector and is connected to the two electrodes, is located in the beam path of the SAW. The SAW reflected by this reflector depends on the impedance between the two electrodes. The reflected signal is sent back to the interrogator via the coupling / decoupling converter and the receiving / transmitting antenna connected to it. The returned signal is received and evaluated in the interrogator. The amount and phase of this reflection signal are a function of the moisture-dependent impedance between the two electrodes.

Die durch die Erfindung gewonnen Messwerte können bei unter­ schiedlichen technischen Steuerungs- und Überwachungsvorgän­ gen zum Einsatz kommen, bei denen die Feuchte eine Rolle spielt. Beispielsweise kann die Erfindung bei der Überwachung der Feuchte in einem Sterilisationsgerät für medizinische Zwecke, bei denen die Sterilisationswirkung entscheidend von der Feuchte abhängt, zum Einsatz kommen. Eine bevorzugte An­ wendung findet die Erfindung bei der Messung der Boden­ feuchte. Beispielsweise zu Bewässerungszwecken in der Land­ wirtschaft lässt sich aufgrund der Messwerte die zum Bewäs­ sern benötigte Wassermenge bestimmen und regeln. Da hierdurch nur so viel Wasser zugeführt wird, wie erforderlich ist, kön­ nen Ressourcen geschont und Kosten minimiert werden. Da die Feuchtemessung bei der Erfindung fernabfragbar ist, entfallen aufwendige Verkabelungen, die bei einem Einsatz auf Feldern landwirtschaftliche Arbeiten stören können. Der zum Einsatz kommende OFW-Transponder benötigt keine Batterie, welche in einem Freilandeinsatz aus ökologischen und ökonomischen Grün­ den nicht erwünscht ist. Auch in Sterilisationsanlagen können Batterien nicht verwendet werden, wegen der dort auftretenden hohen Temperaturen. Der durch die Erfindung geschaffene Fern­ abfrage Feuchtesensor ist daher herkömmlichen Messanordnungen überlegen.The measured values obtained by the invention can be found under various technical control and monitoring processes conditions are used in which the moisture plays a role plays. For example, the invention can be used in surveillance the humidity in a sterilizer for medical Purposes where the sterilizing effect is critical the humidity depends, are used. A preferred type The invention finds application in the measurement of the soil wet. For example, for irrigation purposes in the country economy can be irrigated based on the measured values Determine and regulate the amount of water required. Because of this only as much water as is required can resources and costs are minimized. Since the Moisture measurement in the invention can be queried remotely elaborate cabling when used in fields can interfere with agricultural work. The one used upcoming SAW transponder does not require a battery that is in outdoor use made of ecological and economic green which is not wanted. Can also be used in sterilization systems Batteries are not used because of the occurrence there high temperatures. The Fern created by the invention query Moisture sensor is therefore conventional measuring arrangements think.

Anhand der Figuren wird an einem Ausführungsbeispiel die Er­ findung noch näher erläutert.Using the figures, the Er finding explained in more detail.

Es zeigtIt shows

Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zur Feuchtemessung, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist; und Fig. 1 shows schematically a device for moisture measurement, which is an embodiment of the invention; and

Fig. 2 zwei Elektroden, welche beim Ausführungsbeispiel der Fig. 1 zum Einsatz kommen können. Fig. 2 two electrodes, which can be used in the embodiment of FIG. 1.

Das in der Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel besitzt einen OFW(Oberflächenwellen)-Transponder 3, an welchen zwei Elektroden 1 angeschlossen sind. Die Elektroden 1 werden in ein nicht näher dargestelltes zu untersuchendes Medium zur Feuchtemessung eingebracht. Beispielsweise können die Elekt­ roden zur Messung der Bodenfeuchte in der Landwirtschaft auf einem Feld eingesetzt werden. Die beiden Elektroden sind an einen Reflektor, welcher als Interdigitalwandler 2 ausgebil­ det ist, angeschlossen. Der Reflektor 2 befindet sich im Strahlengang einer akustischen Oberflächenwelle, welche von einem Interdigitalwandler 7, der als Ein-/Auskoppelwandler wirkt, erzeugt wird. Ein Abfragegerät 4 sendet über eine Sende-/Empfangsantenne 10 ein hochfrequentes Abfragesignal, das von einer Empfangs-/Sendeantenne 9 des OFW-Transponders 3 empfangen wird. Die Empfangs-/Sendeantenne 9 ist hierzu an den Interdigitalwandler (Ein-/Auskoppelwandler) 7 angeschlos­ sen. Der als Reflektor wirkende Interdigitalwandler 2, an dessen Sammelschienen die beiden Elektroden 1 angeschlossen sind, befindet sich im Strahlengang der vom Interdigitalwand­ ler 7 ausgelösten akustischen Oberflächenwelle (OFW). Die vom Interdigitalwandler (Reflektor) 2 reflektierte OFW wird be­ einflusst durch die komplexe Impedanz zwischen den beiden Elektroden 1, welche von der Feuchte im zu untersuchenden Me­ dium, insbesondere Boden abhängt. Die reflektierte OFW wird vom Interdigitalwandler 7 umgewandelt und über die Empfangs- /Sendeantenne 9 als hochfrequentes Reflexionssignal zum Ab­ fragegerät 4 zurückgesendet. Im Abfragegerät 4 wird das zu­ rückgesendete Signal im Hinblick auf die zu messende Feuchte, insbesondere Bodenfeuchte ausgewertet. The exemplary embodiment shown in FIG. 1 has an SAW (surface wave) transponder 3 to which two electrodes 1 are connected. The electrodes 1 are placed in a medium to be examined, not shown, for moisture measurement. For example, the electrodes can be used to measure soil moisture in agriculture in a field. The two electrodes are connected to a reflector which is designed as an interdigital transducer 2 . The reflector 2 is located in the beam path of an acoustic surface wave, which is generated by an interdigital transducer 7 , which acts as an input / output transducer. An interrogation device 4 transmits a high-frequency interrogation signal via a transmission / reception antenna 10 , which is received by a reception / transmission antenna 9 of the SAW transponder 3 . The receiving / transmitting antenna 9 is connected to the interdigital transducer (coupling / decoupling converter) 7 for this purpose. The interdigital transducer 2 acting as a reflector, to whose busbars the two electrodes 1 are connected, is located in the beam path of the acoustic surface wave (SAW) triggered by the interdigital transducer 7 . The SAW reflected by the interdigital transducer (reflector) 2 is influenced by the complex impedance between the two electrodes 1 , which depends on the moisture in the medium to be examined, in particular the soil. The reflected SAW is converted by the interdigital transducer 7 and sent back via the receive / transmit antenna 9 as a high-frequency reflection signal to the interrogator 4 . In the interrogator 4 , the signal to be returned is evaluated with regard to the moisture to be measured, in particular soil moisture.

Zusätzlich zum impedanzempfindlichen Reflektor (Interdigital­ wandler 2) sind wie aus Fig. 1 zu ersehen ist, zwei weitere feste Reflektoren 5, 6 im Strahlengang der akustischen Ober­ flächenwelle angeordnet. Diese beiden Reflektoren 5 und 6 können zur Messung und zur Kompensation der Entfernung zwi­ schen dem OFW-Transponder und dem Abfragegerät sowie der Tem­ peratur, insbesondere im Bereich des OFW-Transponders 3 ver­ wendet werden. In vorteilhafter Weise kann der impedanzemp­ findliche Reflektor (Interdigitalwandler 2) mit einer Paral­ lelinduktivität gegen statische Ladungen geschützt werden. Zur Maximierung des Sensoreffektes kann eine elektrische An­ passung zwischen dem variablen Impedanzniveau der beiden Elektroden 1 und dem impedanzempfindlichen Reflektor (Inter­ digitalwandler 2) vorgesehen sein, wobei diese elektrische Anpassung gleichzeitig den Schutz des OFW-Transponders 3 vor statischer Aufladung mitübernimmt.In addition to the impedance-sensitive reflector (interdigital transducer 2 ), as can be seen from FIG. 1, two further fixed reflectors 5 , 6 are arranged in the beam path of the acoustic surface wave. These two reflectors 5 and 6 can be used to measure and to compensate for the distance between the SA transponder and the interrogation device and the temperature, in particular in the area of the SA transponder 3 . Advantageously, the impedance sensitive reflector (interdigital transducer 2 ) can be protected against static charges with a parallel inductance. To maximize the sensor effect, an electrical adaptation can be provided between the variable impedance level of the two electrodes 1 and the impedance-sensitive reflector (inter digital converter 2 ), this electrical adaptation simultaneously taking over the protection of the SAW transponder 3 against static charging.

Die geometrischen Abmessungen der beiden Elektroden 1 können vorteilhafter Weise so gewählt werden, dass das Hochfrequenz- Impedanzniveau, welches sich bei einem ordnungsgemäßen Be­ trieb ergibt, zur Steuerung des impedanzempfindlichen OFW- Transponders 3 günstig liegt. Hierzu können insbesondere die Länge D, die Querschnitte q1 und q2 sowie der Abstand d (Fig. 2) in geeigneter Weise bemessen werden.The geometrical dimensions of the two electrodes 1 can advantageously be chosen such that the high-frequency impedance level, which results from a proper operation, is favorable for controlling the impedance-sensitive SAW transponder 3 . For this purpose, in particular the length D, the cross sections q1 and q2 and the distance d ( FIG. 2) can be dimensioned in a suitable manner.

Ferner kann am impedanzempfindlichen Interdigitalwandler 2 die Überlappungslänge und die Anzahl der Überlappungen der Interdigitalfinger so gewählt werden, dass die am meisten sensitiven Impedanzbereiche des Wandlers zum Impedanzniveau der Elektroden 1 günstig liegt.Furthermore, the overlap length and the number of overlaps of the interdigital fingers on the impedance-sensitive interdigital transducer 2 can be selected such that the most sensitive impedance ranges of the transducer are favorable to the impedance level of the electrodes 1 .

Die Strukturen der Interdigitalwandler 2 und 7 sowie der Re­ flektoren 5, 6 sind auf einem piezoelektrischen Substrat 8 aufgebracht, für welches in herkömmlicher Weise geeignete piezoelektrische Kristalle zum Einsatz kommen können.The structures of the interdigital transducers 2 and 7 and the reflectors 5 , 6 are applied to a piezoelectric substrate 8 , for which suitable piezoelectric crystals can be used in a conventional manner.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Feuchtemessung mit wenigstens zwei in ein zu untersuchendes Medium einbringbaren Elektroden und einer an die Elektroden angeschlossenen Messeinrichtung, welche die Impedanz zwischen den Elektroden misst, und einer Auswerte­ einrichtung, welche aus den Impedanzwerten die Feuchte des Mediums ermittelt, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elektroden (1) an einen als Reflektor wirkenden Inter­ digitalwandler (2) eines OFW (Oberflächenwellen)-Transponders (3) angeschlossen ist, der über Funk mit einem Abfragegerät (4) verbunden ist.1. Device for moisture measurement with at least two electrodes that can be introduced into a medium to be examined and a measuring device connected to the electrodes, which measures the impedance between the electrodes, and an evaluation device that determines the moisture of the medium from the impedance values, characterized in that the two electrodes ( 1 ) are connected to an interdigital transducer ( 2 ) acting as a reflector ( 2 ) of an SAW (surface wave) transponder ( 3 ), which is connected to an interrogator ( 4 ) by radio. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, dass beidseits des als Reflektor wirkenden Interdigi­ talwandlers (2) weitere Reflektoren (5, 6) im OFW-Strahlen­ gang angeordnet sind.2. Apparatus according to claim 1, characterized in that on both sides of the interdigi talwandlers acting as a reflector ( 2 ) further reflectors ( 5 , 6 ) are arranged in the SAW beam path. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das variable Impedanzniveau der beiden Elektroden (1) und der als Reflektor wirkende Interdigital­ wandler (2) elektrisch aneinander angepasst sind.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the variable impedance level of the two electrodes ( 1 ) and the interdigital transducer ( 2 ) acting as a reflector are electrically matched to one another. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlappungslänge und die An­ zahl der Überlappungen der Interdigitalfinger des als Reflek­ tor wirkenden Interdigitalwandlers (2) an das Impedanzniveau der Elektroden zur Erzielung sensitiver Impedanzbereiche des Wandlers (2) angepasst sind.4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the overlap length and the number of overlaps of the interdigital fingers of the interdigital transducer acting as a reflector ( 2 ) are adapted to the impedance level of the electrodes to achieve sensitive impedance areas of the transducer ( 2 ) . 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Messung von Bodenfeuchte ausgebildet ist.5. Device according to one of claims 1 to 4, characterized characterized that they are used to measure soil moisture is trained.
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