DE10164018B4

DE10164018B4 - Procedure for determining the heat capacity and, if applicable, the thermal conductivity

Info

Publication number: DE10164018B4
Application number: DE2001164018
Authority: DE
Inventors: Dirk Wollesen
Original assignee: Wollesen Dirk Dr
Current assignee: Wollesen Dirk Dr
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2021-12-29
Also published as: DE10164018A1

Abstract

Verfahren zur Ermittlung der Wärmekapazität eines Substrats mit den Schritten
– Anordnen von zwei in Reihe geschalteten Widerständen R1 und R2 in einen Stromkreislauf,
– Anordnen von zwei in Reihe geschalteten Widerständen R3 und R4 in diesen Stromkreislauf, wobei die Widerstände R3 und R4 parallel zu den Widerständen R1 und R2 geschaltet sind, und wobei jeweils mindestens einer der parallel geschalteten Widerstände R1, R3 und R2, R4 eine hohe Temperaturabhängigkeit aufweist,
– Einsetzen der Widerstände R1 und R4 in eine Umgebung mit konstanter Wärmekapazität,
– Einsetzen der Widerstände R2 und R3 in das zu messende Substrat,
– Aufheizen der Widerstände R1 bis R4 mit konstanter Heizspannung,
– Erfassen und Anzeigen der durch unterschiedliche Aufheizung der Widerstände R1 bis R4 entstehenden Spannung zwischen den Widerständen R1, R3 einerseits und R2, R4 andererseits als Indikator der Wärmekapazität des Substrats.Method for determining the thermal capacity of a substrate with the steps
Arranging two resistors R1 and R2 connected in series in a circuit,
- Arranging two series-connected resistors R3 and R4 in this circuit, the resistors R3 and R4 being connected in parallel with the resistors R1 and R2, and with at least one of the parallel-connected resistors R1, R3 and R2, R4 being highly temperature-dependent having,
- inserting the resistors R1 and R4 in an environment with constant heat capacity,
Inserting the resistors R2 and R3 into the substrate to be measured,
- heating resistors R1 to R4 with constant heating voltage,
- Detection and display of the voltage between resistors R1, R3 on the one hand and R2, R4 on the other hand resulting from different heating of the resistors R1 to R4 as an indicator of the heat capacity of the substrate.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Wärmekapazität sowie ggf. der Wärmeleitfähigkeit und ein Messgerät zur Durchführung des Verfahrens sowie eine Anordnung mit mindestens zwei Messgeräten zur Durchführung des Verfahrens.The invention relates to a method to determine the heat capacity as well possibly the thermal conductivity and a measuring device to carry out of the method and an arrangement with at least two measuring devices for execution of the procedure.

Als Substrate werden im folgenden Elemente, aber auch Stoffmischungen mit wasserhaltigen organischen und/oder anorganischen sowie ggf. auch gasförmigen Komponenten bezeichnet. Es kann sich um Böden, Mineralmischungen, beispielsweise zur Herstellung von Keramik oder Porzellan, um lagerndes Getreide aber auch um lagernde Holzhackschnitzel handeln.The following are substrates Elements, but also mixtures of substances with water-containing organic and / or inorganic and possibly also gaseous components. It can be floors, Mineral mixtures, for example for the production of ceramics or Porcelain, around stored grain, but also around stored wood chips act.

Die Erfassung bzw. Messung der Wärmekapazität eines Substrats kann z.B. vorteilhaft zur Bestimmung des Substratwassergehalts eingesetzt werden, da in wasserhaltigen Substraten, z.B. Böden, organischen Stoffen wie Holz, Getreide etc. Wasser eine im Verhältnis zu den anderen Bestandteilen des Substrats außerordentlich hohe Wärmekapazität aufweist. Der Substratwassergehalt kann – durch entsprechende Umrechnung nach Messung der Wärmekapazität – in Volumen- oder Gewichtsprozent angegeben werden.The acquisition or measurement of the thermal capacity of a Substrate can e.g. advantageous for determining the substrate water content are used because in water-containing substrates, e.g. Soils, organic Substances like wood, grain etc. water in relation to one another the other components of the substrate has an extremely high heat capacity. The substrate water content can - through appropriate conversion after measurement of the heat capacity - in volume or weight percent can be specified.

Ein weiterer Parameter, der auf der Grundlage der Messung der Wärmekapazität des Substrats ermittelt werden kann, ist der pF-Wert als Angabe für die im Substrat gegebene Saugspannung.Another parameter based on the Based on the measurement of the heat capacity of the substrate determined is the pF value as an indication of the given in the substrate Driving potential.

Die Wärmekapazität wird nach dem Stand der Technik mittels sogenannter TDR-Sonden, wie sie beispielsweise von der Fa. Umwelt-Geräte-Technik GmbH, Münchberg, hergestellt werden, gemessen. Diese Sonden messen die Dielektrizitätskonstante in Substraten, die vor allem vom Wassergehalt bestimmt wird. Die Genauigkeit dieses vergleichsweise teuren Systems liegt bei +–1 Volumen-%.The heat capacity is according to the state of the art by means of so-called TDR probes, such as those from the company Environmental equipment technology GmbH, Münchberg, be produced, measured. These probes measure the dielectric constant in substrates, which is primarily determined by the water content. The The accuracy of this comparatively expensive system is + –1% by volume.

Alternativ wird, beispielsweise bei der Messung von Böden, die Saugspannung im Substrat mittels Unterdruckmanometer (sog. Tensiometer) gemessen. Diese Geräte sind in der manuellen Ausführungsform preiswert, mit der Möglichkeit zum Anschluss an automatische Meßanordnungen liegt der Preis für ein Gerät aber ähnlich hoch wie bei TDR-Sonden. Die Genauigkeit dieses Systems liegt bei +–1,5% Volumen-%.Alternatively, for example at the measurement of soils, the suction voltage in the substrate using a vacuum manometer (so-called tensiometer) measured. These devices are in the manual embodiment inexpensive, with the possibility the price is for connection to automatic measuring arrangements for a Device but similarly high like TDR probes. The accuracy of this system is + –1.5% volume%.

Ein geeigneter Parameter zur Erfassung des Wassergehalts in Substraten ist die Wärmeleitfähigkeit. Messverfahren, die die Wärmeleitfähigkeit erfassen, sind an sich bekannt, so ist zum Beispiel in der JP 08 029 370 ein Kapazitäts-Sensor beschrieben, der Anwendung auf eine Feuchtigkeitsmessung findet. Allerdings wird hier ein Schwingkreis eingesetzt. Auch in der EP 0 549 947 wird ein Messverfahren basierend auf der Erfassung der Wärmeleitfähigkeit beschrieben. Diese Anordnung erfordert mindestens zwei Temperatursensoren und fünf Widerstände und ist damit sehr aufwendig. Fehler beim Aufbau der sehr komplexen Anordnung können schnell zu falschen Messergebnissen führen.A suitable parameter for recording the water content in substrates is thermal conductivity. Measurement methods that record thermal conductivity are known per se, for example in the JP 08 029 370 described a capacitance sensor which is used for a moisture measurement. However, a resonant circuit is used here. Also in the EP 0 549 947 describes a measurement method based on the detection of thermal conductivity. This arrangement requires at least two temperature sensors and five resistors and is therefore very complex. Errors in the construction of the very complex arrangement can quickly lead to incorrect measurement results.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein Messgerät bzw. eine Anordnung von Messgeräten zur Messung der Wärmekapazität vorzuschlagen, das preiswert und genau ist.It is therefore an object of the invention a method and a measuring device or an arrangement of measuring devices to propose to measure the heat capacity, that is inexpensive and accurate.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Ermittlung der Wärmekapazität mit den Schritten

– Anordnen von zwei in Reihe geschalteten Widerstän den R1 und R2 in einen Stromkreislauf,
– Anordnen von zwei in Reihe geschalteten Widerständen R3 und R4 in diesen Stromkreislauf, wobei die Widerstände R3 und R4 jeweils parallel zu den Widerständen R1 und R2 geschaltet sind, und wobei jeweils mindestens einer der parallel geschalteten Widerstände R1, R3 und R2, R4 eine hohe Temperaturabhängigkeit aufweist,
– Einsetzen der Widerstände R1 und R4 in eine Umgebung mit konstanter Wärmekapazität,
– Einsetzen der Widerstände R2 und R3 in das zu messende Substrat,
– Aufheizen der Widerstände R1 bis R4 mit konstanter Heizspannung
– Erfassen und Anzeigen der durch unterschiedliche Aufheizung der Widerstände R1 bis R4 entstehenden Spannung und ggf. Umrechnung der im Stromkreis entstehenden Differenz in der Brückenspannung zwischen den Widerständen R1, R3 einerseits und R2, R4 andererseits als Indikator der Wärmekapazität des Substrats.

This problem is solved by a method for determining the heat capacity with the steps

Arranging two resistors R1 and R2 connected in series in a circuit,
- Arranging two series connected resistors R3 and R4 in this circuit, the resistors R3 and R4 are each connected in parallel to the resistors R1 and R2, and wherein at least one of the parallel connected resistors R1, R3 and R2, R4 is high Exhibits temperature dependency,
- inserting the resistors R1 and R4 in an environment with constant heat capacity,
Inserting the resistors R2 and R3 into the substrate to be measured,
- Heating resistors R1 to R4 with constant heating voltage
- Detection and display of the voltage produced by different heating of the resistors R1 to R4 and, if necessary, conversion of the difference in the bridge voltage arising in the circuit between the resistors R1, R3 on the one hand and R2, R4 on the other hand as an indicator of the heat capacity of the substrate.

Diese Messanordnung, die auch als Abwandlung einer Wheatstone'schen Brückenschaltung aufgefasst werden kann, soll die Wärmekapazität von Substraten messen. Bei Substraten, in denen neben Wasser gasförmige und Feststoff-Komponenten enthalten sind, basiert das Messverfahren auf der Tatsache, daß in Substraten mit schwankenden Wassergehalten die Wärmekapazität variiert.This measurement arrangement, also called Modification of a Wheatstone bridge circuit can be understood can, the heat capacity of substrates measure up. For substrates in which gaseous and Solid components are included, the measurement method is based on the fact that in Substrates with fluctuating water contents the heat capacity varies.

Im System Boden beispielsweise, das aus organischer Substanz, Mineralkörper, Luft und Wasser besteht, variieren wechselseitig insbesondere die Wasser- und Luftanteile, während der Anteil der mineralischen und organischen Substanz mittelfristig konstant bleibt. Liegt demnach im Substrat ein hoher Wassergehalt vor, so ist entsprechend der Luftanteil um den gleichen Volumenbetrag (bezogen auf das Gesamtvolumen) reduziert und umgekehrt.In the floor system, for example, that consists of organic matter, mineral bodies, air and water, the water and air fractions vary mutually, while the proportion of mineral and organic matter remains constant in the medium term remains. If there is a high water content in the substrate, then the air proportion is related to the same volume ( to the total volume) and vice versa.

Da die Wärmekapazität des Wassers weitaus höher liegt als die Wärmekapazität für Luft, Mineralien oder organische Stoffe, korrelieren die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren resultierenden Spannungsdifferenzen z.B. zwischen den Widerständen sehr genau mit dem Wassergehalt.Because the heat capacity of the water is much higher than the heat capacity for air, Minerals or organic substances correlate with the method according to the invention resulting voltage differences e.g. between the resistors very much exactly with the water content.

Eine besonders deutliche Anzeige schon minimaler Spannungen, die z.B. durch geringe Wassermengen im Substrat erzeugt werden, ist möglich, wenn zur Messung im Substrat entsprechend temperaturempfindliche Widerstände verwendet werden, die schon bei geringen Temperaturschwankungen deutliche Spannungsdifferenzen anzeigen.A particularly clear display even minimal tensions, e.g. due to small amounts of water generated in the substrate is possible if for measurement in Substrate used according to temperature sensitive resistors become clear even with slight temperature fluctuations Show voltage differences.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Anordnung zu dessen Durchführung sind einfach und kompakt aufgebaut. Sie kommen mit wenigen, verhältnismäßig preiswerten und gut verfügbaren, robusten Bauteile aus. Die Geräte können ohne großen Aufwand an verschiedenste Meßsituationen angepasst werden, zum Beispiel zur Messung der Bodenfeuchte oder zur Erfassung des Wassergehalts von landwirtschaftlichen Produkten.The inventive method and the arrangement to carry it out are simple and compact. They come with a few, relatively inexpensive and readily available, robust components. The devices can without much effort to a wide variety of measurement situations can be adapted, for example to measure soil moisture or for recording the water content of agricultural products.

Der Vollständigkeit halber sei angemerkt, dass die oben gewählte Zuordnung der Widerstände, bei der R1 und R3 ein erstes parallel geschaltetes Paar von Widerständen sind und R2 und R4 ein zweites, parallel geschaltetes Paar von Widerständen sind, die zu dem ersten Paar in Reihe geschaltet sind, nur schematischer Natur ist. Entscheidend ist, dass bei dem ersten und dem zweiten parallelen Paar von Widerständen jeweils ein Widerstand in einer Umgebung mit konstanter Wärmekapazität angeordnet ist, während der jeweils andere Widerstand des ersten und des zweiten parallelen Paares in dem zu messenden Substrat angeordnet ist, das sich in der Regel durch wechselnde Wassergehalte auszeichnet. Entsprechend gilt für die nachstehenden Ausführungen, dass die Anordnung der Widerstände nach den Vorgaben des An spruchs 1 unabhängig von der jeweiligen Benennung der Widerstände erfolgt.For the sake of completeness, it should be noted that the one chosen above Allocation of resistances, at R1 and R3 are a first pair of resistors connected in parallel and R2 and R4 are a second pair of resistors connected in parallel, which are connected in series to the first pair, only more schematically Is nature. It is crucial that the first and the second parallel pair of resistors one resistor is arranged in an environment with constant heat capacity is while the other resistance of the first and the second parallel Pair is arranged in the substrate to be measured, which is in the Usually characterized by changing water contents. The same applies accordingly for the following explanations, that the arrangement of the resistors after the requirements of claim 1 regardless of the respective designation of resistance he follows.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann nach einer einfachen Ausführungsform in der Weise durchgeführt werden, dass bei beiden Paaren von Widerständen R1, R3 und R2, R4 jeweils einer von den parallel angeordneten Widerständen, also R1, R3 oder R2, R4, als Widerstand mit "festen" Ohmwerten ausgebildet ist, also als Widerstand mit verhältnismäßig geringer Temperaturabhängigkeit. Der jeweils andere Widerstand eines parallel geschalteten Paares R1, R3 und R2, R4 wird so ausgewählt, dass er stark temperaturabhängig ist. Die temperaturabhängigen Widerstände werden vorzugsweise zur Messung im Substrat eingesetzt.The method according to the invention can be carried out according to simple embodiment performed in the way be that with both pairs of resistors R1, R3 and R2, R4 respectively one of the resistors arranged in parallel, i.e. R1, R3 or R2, R4, is designed as a resistor with "fixed" ohmic values, that is as a relatively low resistance Temperature dependence. The other resistance of a pair connected in parallel R1, R3 and R2, R4 is selected so that it is highly temperature dependent is. The temperature dependent resistors will preferably used for measurement in the substrate.

Diese Ausführungsform des Messgeräts ist preiswert und zuverlässig. Sie arbeitet nach dem erfindungsgemäßen Prinzip, bietet aber nur eine Auflösung der zu erfassenden Wärmekapazität, die bei der Hälfte liegt, die eine Messung mit vier temperaturabhängigen Widerständen ermöglicht. Für orientierende Messungen oder bei Substraten, bei denen große Schwankungen des Wassergehaltes nur ungefähr erfasst werden sollen, kann eine solche Ausführungsform, u.a. wegen der geringen Baukosten, aber durchaus zweckmäßig sein.This embodiment of the measuring device is inexpensive and reliable. It works according to the principle of the invention, but only offers a resolution the heat capacity to be recorded, which at half lies, which enables a measurement with four temperature-dependent resistors. For orienting Measurements or for substrates where there are large fluctuations in the water content just approximately Such an embodiment can be detected, i.a. because of the low construction costs, but be functional.

Nach einer verbesserten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und des hierzu vorgeschlagenen Messgeräts werden alle vier Widerstände R1, R3, R2 und R4 so ausgewählt, dass sie stark temperaturabhängig sind. Die Messgenauigkeit wird durch diese Auswahl sehr verbessert und es können wesentlich feinere Schwankungen des Wassergehalts im zu messenden Substrat erfasst und angezeigt werden.According to an improved embodiment of the inventive method and the proposed measuring device, all four resistors R1, R3, R2 and R4 selected so that they're highly temperature dependent are. The measurement accuracy is greatly improved by this selection and it can much finer fluctuations in the water content in the measured Substrate can be recorded and displayed.

Grundsätzlich ist es möglich, verschiedene Widerstände, sowohl temperaturabhängige als auch solche mit festen Ohm werten, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verwenden. Bei der Ermittlung des Wassergehaltes können unterschiedliche Leitfähigkeiten oder Ohmzahlen der Widerstände rechnerisch ohne weiteres berücksichtigt werden. Es ist aber zu bedenken, dass sich, je nach Art der gewählten Widerstände, unter Umständen während des Meßvorganges die variierende Umgebungstemperatur überproportional in der Brückenspannung niederschlagen kann. Es hat sich deshalb als vorteilhaft erwiesen, Widerstände gleicher Bauart und technischer Merkmale zu verwenden, um die Erfassung und Auswertung der Messergebnisse zu vereinfachen. Gleichzeitig senkt die Verwendung gleicher Bauteile die Baukosten von Messgeräten zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.Basically, it is possible to use different resistances, both temperature-dependent values as well as those with fixed ohms for carrying out the method according to the invention to use. When determining the water content can be different conductivities or ohmic numbers of the resistors be taken into account mathematically without further notice. However, it should be borne in mind that, depending on the type of resistance selected, Circumstances during the measuring process the varying ambient temperature disproportionately in the bridge voltage can precipitate. It has therefore proven to be advantageous resistors same design and technical features to use to capture and to simplify the evaluation of the measurement results. simultaneously the use of the same components lowers the construction costs of measuring devices for carrying out the inventive method.

Durch die Verwendung von vier temperaturabhängigen Widerständen ist die Messbrücke trotz variierender Umgebungstemperatur im wesentlichen stets ausgeglichen. Temperaturunterschiede, beispielsweise bei Tag-Nacht-Schwankungen bei Messreihen, die über längere Zeit wiederholt werden, wirken auf alle vier Widerstände in gleicher Weise ein. Diese Schwankungen verursachen bei der gewählten Anordnung keine gravierende Änderung der Anzeige, die Messbrücke bleibt ausgeglichen. Lediglich wenn durch das umgebende Substrat unterschiedliche Aufheiz-Beträge der Widerstände verursacht werden, wird die Messbrücke aus dem Gleichgewicht geführt und es wird eine deutliche Brückenspannung angezeigt.By using four temperature dependent resistors the measuring bridge in spite of varying ambient temperature essentially always balanced. Differences in temperature, for example with day-night fluctuations for series of measurements over longer Repeated times have the same effect on all four resistors Way. These fluctuations cause the chosen arrangement no major change the display, the measuring bridge remains balanced. Only if through the surrounding substrate different heating amounts of resistance caused, the measuring bridge is out of balance and a clear bridge voltage is displayed.

Sind jedoch die Schwankungen der Umgebungstemperaturen sehr groß und soll die Wärmekapazität des Substrats besonders genau erfasst werden, dann wird für eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens und der Vorrichtung vorgeschlagen, die Umgebungstemperatur mit zu erfassen und bei der Auswertung der Messung der Wärmekapazität des Substrats rechnerisch mit zu berücksichtigen. Dabei wird folgender Effekt erfasst: Die ohmschen Differenzbeträge verkleinern sich bei gleicher Aufheizung, je höher die Grundwiderstandswerte infolge einer Erhöhung der Umgebungstemperatur anwachsen. Der daraus resultierende, minimale Effekt bei der Erfassung der Wärmekapazität kann auf diese einfache Weise kompensiert werden. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird also bei der Erfassung der durch die Messung verursachten Aufheizung der Widerstände R2 und R3 die Umgebungstemperatur rechnerisch berücksichtigt und kompensiert.If, however, the fluctuations in the ambient temperatures are very large and the heat capacity of the substrate is to be recorded particularly precisely, then it is proposed for a preferred embodiment of the method and the device to also record the ambient temperature and also to calculate it when evaluating the measurement of the heat capacity of the substrate consider. The following effect is recorded: The ohmic differences decrease with the same heating, the higher the basic resistance values increase due to an increase in the ambient temperature. The resulting minimal effect on the detection of the heat capacity can be compensated in this simple way. According to a particularly preferred embodiment of the method according to the invention, the surroundings become so when the heating of the resistors R2 and R3 caused by the measurement is detected temperature is taken into account and compensated.

Insbesondere in Messsituationen mit starken Schwankungen z.B. der Temperaturamplitude im Tagesverlauf kann nicht ausgeschlossen werden, dass die Umgebungstemperatur dennoch Einfluss auf das Messergebnis nimmt, vor allem, wenn das Material der Widerstände bzw. ihrer Schutzhülle (näheres hierzu wird nachstehend erläutert), das zu messende Substrat und auch das Material der Umgebung mit konstanter Wärmekapazität ein deutlich abweichendes Aufwärm- und Abkühlverhalten aufweist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass das erfindungsgemäße Verfahren ausgelegt ist, schon kleinste Aufheizbeträge der Widerstände zu erfassen. Daher sollte während der Messungen die Umgebungstemperatur keine allzustarke Schwankungen aufweisen.Especially in measuring situations with strong fluctuations e.g. the temperature amplitude during the day can not be excluded that the ambient temperature nevertheless Influences the measurement result, especially if the material of the resistors or their protective cover (more on this will be explained below), the substrate to be measured and also the material of the environment with constant Heat capacity clearly deviating warm-up and cooling behavior having. This is due to the fact that the inventive method is designed to detect even the smallest heating amounts of the resistors. Therefore, during the measurements the ambient temperature no excessive fluctuations exhibit.

Messungen sind im Allgemeinen ohne weiteres genau und präzise, wenn die Tagesamplitude unter 12°C/24h liegt, zum Beispiel auch dann, wenn das Material der Schutzhülle und das Material der Umgebung mit konstanter Wärmekapazität ein vom zu messenden Substrat abweichendes Verhalten beim Aufwärmen und Abkühlen zeigen.Measurements are generally without more accurate and precise, if the daily amplitude is below 12 ° C / 24h lies, for example, even if the material of the protective cover and the material of the environment with constant heat capacity is one of the substrate to be measured deviating behavior when warming up and cooling demonstrate.

Bei starken Temperaturschwankungen kann der sich ergebende Meßfehler reduziert oder vermieden werden, wenn das Material für die Widerstände, ggf. die Schutzhüllen und die Umgebung mit konstanter Wärmekapazität so ausgewählt wird, daß das Aufheizen und Abkühlen möglichst bei allen Bauteilen in etwa gleicher Weise wie beim zu messenden Substrat erfolgt, da sich Substrat und Werkstoffe dann in ihren physikalischen Parametern gleichen. Als gutes Beispiel hierfür kann eine Schutzhülle aus Glas herangezogen werden, die das Abkühlen und Aufheizen eines Erdbodens gut nachbildet.With strong temperature fluctuations the resulting measurement error be reduced or avoided if the material for the resistors, possibly the protective covers and the environment with constant heat capacity is selected so that the heating and cooling preferably for all components in approximately the same way as for the component to be measured Substrate occurs because the substrate and materials are then in their same physical parameters. As a good example of this, one cover Glass can be used to cool and heat an earth reproduces well.

Andernfalls ergeben sich trotz der temperaturkompensierten Meßbrücke Meßfehler, die dadurch entstehen, daß während des Aufheizvorganges zusätzlich ein Umgebungstemperaturgradient vorhanden ist, der den Aufheizbetrag vergrößert, bzw. verkleinert.Otherwise arise despite the temperature compensated measuring bridge that arise from the fact that during the Heating process additionally there is an ambient temperature gradient that represents the heating amount enlarged or reduced.

Die Messgenauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. des zu seiner Durchführung entwickelten Messgeräts wird von der Heizspannung beeinflusst, mit der die Widerstände aufgeheizt werden. Bevorzugt wird eine besonders stabile Spannungsquelle, insbesondere mit einer Temperaturdrift von weniger als 50 ppm/K, bevorzugt weniger als 20 ppm/K, besonders bevorzugt von weniger als 10 ppm/K. In Abhängigkeit von der Stromversorgung wird die Heizspannung möglichst hoch gewählt, weil eine hohe Heizspannung eine hohe Messauflösung und damit -genauigkeit gewährleistet.The measurement accuracy of the method according to the invention or its implementation developed measuring device is influenced by the heating voltage with which the resistors are heated become. A particularly stable voltage source is preferred, in particular with a temperature drift of less than 50 ppm / K, preferably less than 20 ppm / K, particularly preferably less than 10 ppm / K. Dependent on from the power supply, the heating voltage is chosen as high as possible, because a high heating voltage a high measurement resolution and thus accuracy guaranteed.

Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist von besonderer Wichtigkeit, dass die Messdauer für den einzelnen Messvorgang mit großer Genauigkeit eingehalten wird. Gerade bei hoher Heizspannung sollte die Zeitspanne, für die die Heizspannung an die Messbrücke angelegt wird, möglichst konstant sein. Die Messdauer sollte mindestens auf eine Zehntelsekunde, bevorzugt auf eine Hundertstelsekunde genau erfasst werden. Es wird bei einem Messgerät nach einer besonders genau arbeitenden Ausführungsform der Erfindung vorgeschlagen, die Messdauer auf die Millisekunde genau einzuhalten.For the implementation of the method according to the invention is of particular importance that the measurement duration for the individual Measuring process with large Accuracy is maintained. Especially with high heating voltage the period of time for the heating voltage is applied to the measuring bridge, if possible be constant. The measurement duration should be at least one tenth of a second, preferably recorded to the nearest hundredth of a second. It will be at a measuring device proposed according to a particularly precise working embodiment of the invention, to adhere to the measurement duration to the millisecond.

Da Bauteile zur präzisen Zeitmessung in guter Qualität verfügbar sind, stellt die Einhaltung dieses Parameters der Messung trotz den auf den ersten Blick hohen Anforderungen an die Genauigkeit keinen entscheidend kostensteigernden Faktor dar. Zum Bau eines entsprechenden Messgerätes für das erfindungsgemäße Verfahren wird vorgeschlagen, die Heizspannung durch eine Art Zeitschalt-Vorrichtung zu steuern. Bevorzugt ist diese Zeitschalt-Vorrichtung einstellbar, so dass die Messdauer ggf. dem Substrat bzw. geänderten Widerständen angepasst werden kann.Because components for precise time measurement in good quality available adherence to this parameter despite the measurement none of the high demands on accuracy at first glance decisive cost-increasing factor. To build a corresponding meter for the method according to the invention the heating voltage is proposed by a kind of time switching device to control. This time switch device is preferably adjustable, so that the measurement duration can be adapted to the substrate or changed resistances if necessary can.

Die übliche Messdauer des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt zwischen 1 Sekunde und 10 Minuten, bevorzugt zwischen 30 Sekunden und 150 Sekunden, besonders bevorzugt zwischen 60 und 120 Sekunden.The usual measurement duration of the method according to the invention is between 1 second and 10 minutes, preferably between 30 seconds and 150 seconds, particularly preferably between 60 and 120 seconds.

An sich kann z. B. eine Anzeige der nach einer Messung angezeigten Spannungsdifferenzen, z. B. in mV unmittelbar z.B. als Indikator für den Wassergehalt eines Substrats verwendet werden. Es wird aber bevorzugt, die nach der Messung angezeigte Spannung umzurechnen in die gewünschte Angabe beispielsweise von Volumen- oder Gewichtsprozent Wassergehalt, Saugspannung (pF-Wert) oder dergleichen. Eine Auswerte-Einheit, die diese Umrechnung vornehmen kann, ist einfach zu programmieren, vor allem für die Parameter, für die eine lineare Korrelation mit der angezeigten Spannung anzunehmen ist. Auch hier ist die Umrechnung der Wärmekapazität in den Wassergehalt eines Substrates ein gutes Beispiel.In itself, e.g. B. a display of voltage differences displayed after a measurement, e.g. B. in mV immediately e.g. as an indicator of the water content of a substrate can be used. But it will preferably to convert the voltage displayed after the measurement in the desired one Specification of, for example, volume or weight percent water content, Suction tension (pF value) or the like. An evaluation unit who can do this conversion is easy to program, especially for the parameters for which assume a linear correlation with the displayed voltage is. Here too the conversion of the heat capacity into the water content is one Substrates a good example.

Als besonders vorteilhaft ist es anzusehen, wenn bei Raumtemperatur niederohmige Widerstände, also Widerstände mit bis zu 500 Ohm, vorzugsweise bis zu 100 Ohm, besonders bevorzugt bis zu 10 Ohm eingesetzt werden. Das Verfahren er fordert dann geringen Energieeinsatz, was sich besonders für eine Anwendung eignet, bei der keine Versorgung des Messgeräts durch die übliche Stromversorgung möglich ist.It is particularly advantageous to see if low-resistance at room temperature, so resistors with up to 500 ohms, preferably up to 100 ohms, particularly preferred up to 10 ohms can be used. The procedure then requires little Use of energy, which is particularly suitable for an application of no supply to the measuring device through the usual Power supply possible is.

Um die volle Messgenauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens und des entsprechenden Messgeräts zu nutzen, sollten die in das Substrat einzubringenden Widerstände so groß gewählt werden, dass eine ausreichende Kontaktfläche zwischen Widerstand und Substrat gewährleistet ist. Bei Messgeräten mit geringer Auflösung kann bereits eine Länge des Widerstands von ca. 1 mm genügen, bevorzugt wird aber, wenn der Widerstand eine Länge von ca. 4 mm, besonders bevorzugt von bis zu 10 mm, aufweist. Das erfindungsgemäße Verfahren wird im einfachsten Fall mit Widerständen R2 und R3 durchgeführt, die unmittelbar in dem zu messenden Substrat angeordnet werden. Auf diese Weise werden Messergebnisse schnell und ohne Verzerrung ermittelt, sofern die Widerstände gegen unerwünschte Feuchtigkeitseinflüsse geschützt sind. Als besonders geeignet hat es sich erwiesen, wenn die Kabelführungen der Widerstände, die in das zu messende Substrat eingebracht werden, dadurch abgedichtet werden, dass sie in Kunststoff, Glas, Keramik oder Kunstharz eingegossen werden.In order to use the full measuring accuracy of the method according to the invention and the corresponding measuring device, the resistances to be introduced into the substrate should be selected to be large enough to ensure a sufficient contact area between the resistor and the substrate. In the case of measuring devices with low resolution, a length of the resistance of approximately 1 mm may already suffice, but it is preferred if the resistance has a length of approximately 4 mm, particularly preferably up to 10 mm. In the simplest case, the method according to the invention is carried out with resistors R2 and R3 leads, which are arranged directly in the substrate to be measured. In this way, measurement results are determined quickly and without distortion, provided the resistors are protected against undesired moisture influences. It has proven to be particularly suitable if the cable guides of the resistors, which are introduced into the substrate to be measured, are sealed by casting them in plastic, glass, ceramic or synthetic resin.

Allerdings kann es sein, gerade wenn z. B. in Böden gemessen wird, dass die Widerstände beim Einbringen in den Boden beschädigt werden. Auf jeden Fall liegt ein erhöhter Verschleiß vor. In diesen Fällen empfiehlt es sich, einen oder beide Widerstände mit einer Schutzhülle zu versehen, die jedoch wasserdurchlässig sein muss, um korrekte Messungen vornehmen zu können. Glas-, Kunststoff- oder Keramikhüllen mit entsprechender Porosität können z. B. zum Schutz der in das Substrat eingebrachten Widerstände verwendet werden, um Verschleiß oder Beschädigung zu vermeiden.However, it can be, especially if z. B. in soils that is measured the resistances damaged when inserted into the ground. Definitely lies an elevated Wear before. In these cases it is advisable to provide one or both resistors with a protective cover, which, however, is permeable to water must be in order to be able to take correct measurements. Glass, plastic or ceramic covers with corresponding porosity can e.g. B. used to protect the resistors introduced into the substrate to wear or damage avoid.

Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung haben sich temperaturabhängige Widerstände mit einer hohen Resistenz gegen Korrosion als vorteilhaft erwiesen. Insbesondere mit Glas oder Keramik umhüllte Widerstände haben sich für die Widerstände, die dem zu messenden Substrat ausgesetzt sind, sehr bewährt. Weiter wird es bevorzugt, wenn Widerstände mit einer hohen Langzeitstabilität verwendet werden, damit die Messgenauigkeit über einen längeren Zeitraum gewährleistet bleibt.According to a particularly preferred embodiment The invention has temperature-dependent resistors a high resistance to corrosion has proven to be advantageous. Resistors encased in particular with glass or ceramic have been found for the resistors, which are exposed to the substrate to be measured, have proven themselves. Further it is preferred if resistors with a high long-term stability be used so that the measuring accuracy is guaranteed over a longer period of time remains.

Je nach Messaufgabe ist es sinnvoll, die beiden temperaturabhängigen Widerstände (R2, R3) nicht direkt dem zu messenden Substrat auszusetzen, so zum Beispiel bei der Erfassung von Substratwassergehalten in Böden. Es entstehen nämlich Meßungenauigkeiten durch einen mangelhaften Kontakt der Widerstände mit dem zu messenden Substrat. Da zudem auch noch die Lagerungsdichte von Böden sehr heterogen sein kann, was ebenfalls die Messergebnisse negativ beeinflusst, ist die Verwendung eines standardisierten Messkopfes vorteilhaft. Dieser besteht beispielsweise aus poröser Keramik oder Standard-Substrat (Standard-Substrat ist ein Substrat mit genormter Zusammensetzung, dessen Verhalten bekannt ist). Neben der Auswahl des richtigen Standard-Substrats ist bei der Auswahl von porösen Schutzkappen für die Widerstände je nach Art der Messung ggf. darauf zu achten, dass die Porosität der Schutzkappen die Porenstruktur des zu messenden Substrats (Böden, Getreide, andere organische Substanzen) zumindest ungefähr nachbildet. Wenn diese Voraussetzung erfüllt ist, dann ist gewährleistet, dass der Feuchtigkeitsausgleich zwischen Substrat und Widerstand durch die Schutzhülle hindurch den tatsächlichen Wassergehalt des Substrats nachbildet, da die Kappillarstruktur von Substrat und Schutzkappe ähnlich ist.Depending on the measurement task, it makes sense the two temperature dependent resistors (R2, R3) not directly exposed to the substrate to be measured, see above for example when recording substrate water content in soils. It namely arise measurement inaccuracies due to poor contact of the resistors with the substrate to be measured. There the storage density of soils can also be very heterogeneous, what also negatively affects the measurement results is the use a standardized measuring head. This exists, for example from porous Ceramic or standard substrate (standard substrate is a substrate with a standardized composition, the behavior of which is known). Next The choice of the right standard substrate is in the selection of porous Protective caps for the resistances Depending on the type of measurement, make sure that the porosity of the protective caps the pore structure of the substrate to be measured (soils, cereals, other organic Substances) at least approximately replicates. If this requirement is met, then it is guaranteed that the moisture balance between substrate and resistance through the protective cover through the actual Replicates the water content of the substrate because of the capillary structure of substrate and protective cap similar is.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet genauere Messergeb nisse als bekannte Verfahren bei geringen Kosten für die Messgeräte. Das vorgeschlagene Verfahren ermittelt den Wassergehalt eines Substrats mit einem Fehler unter 0,5 Vol.-%, vorzugsweise unter 0,25 Vol.-%, besonders bevorzugt mit einem Fehler unter 0,1 Vol.-%. Die Genauigkeit der Ermittlung des Wassergehalts kann durch die Auswahl besonders geeigneter Widerstände positiv beeinflusst werden.The method according to the invention offers more precise Measurement results as a known method at low cost for the measuring devices. The proposed method determines the water content of a substrate with an error of less than 0.5% by volume, preferably less than 0.25% by volume, particularly preferably with an error of less than 0.1% by volume. The precision Determining the water content can be special through the selection suitable resistors be positively influenced.

Das vorstehend geschilderte Verfahren wird bevorzugt durchgeführt mit einem Messgerät mit

– einer Spannungs- bzw. Heizquelle, an die vier Widerstände R1 bis R4 angeschlossen sind,
– zwei in Reihe geschalteten Widerständen R1 und R2 in einem Stromkreislauf, der einen Anschluss an eine Stromquelle oder eine Verbindung zu einer Stromquelle aufweist,
– zwei in Reihe geschalteten Widerständen R3 und R4 in diesen Stromkreislauf, wobei die Widerstände R3 und R4 parallel zu den Widerständen R1 und R2 geschaltet sind, und wobei jeweils mindestens einer der parallel geschalteten Widerstände R1, R3 und R2, R4 eine hohe Temperaturabhängigkeit aufweist,
– die Widerstände R1 und R4 in eine Umgebung mit konstanter Wärmekapazität eingesetzt sind, und wobei
– das Messgerät so ausgebildet ist, dass die Widerstände R2 und R3 zur Messung des Wassergehalts in das zu messende Substrat eingebracht sind, und mit
– einer Auswerte-Einheit mit Mitteln zum Erfassen, Berechnen und Anzeigen einer in dem Stromkreis durch die unterschiedlichen Aufheizbeträge der Widerstände R2 oder R3 gegenüber den konstanten Aufheizbeträgen der Widerstände R1 und R4 erzeugten und zwischen den Widerständen R1, R3 einerseits und R2, R4 andererseits gemessenen elektrischen Spannung als Indikator des Wassergehalts des Substrats oder des Wassergehalts des Substrats.

The method described above is preferably carried out with a measuring device

A voltage or heating source to which four resistors R1 to R4 are connected,
Two resistors R1 and R2 connected in series in a circuit which has a connection to a current source or a connection to a current source,
Two resistors R3 and R4 connected in series in this circuit, the resistors R3 and R4 being connected in parallel with the resistors R1 and R2, and in each case at least one of the resistors R1, R3 and R2, R4 connected in parallel being highly temperature-dependent,
- The resistors R1 and R4 are used in an environment with constant heat capacity, and wherein
- The measuring device is designed so that the resistors R2 and R3 for measuring the water content are introduced into the substrate to be measured, and with
- An evaluation unit with means for detecting, calculating and displaying a generated in the circuit by the different heating amounts of the resistors R2 or R3 compared to the constant heating amounts of the resistors R1 and R4 and measured between the resistors R1, R3 on the one hand and R2, R4 on the other electrical voltage as an indicator of the water content of the substrate or the water content of the substrate.

Zu den für das Messgerät geeigneten und vorteilhaft zu verwendenden Bauteilen wurde auch bei der Erläuterung des Verfahrens bereits wesentliches ausgeführt, auf das hier zur Vermeidung von Wiederholungen Bezug genommen wird.To those suitable for the measuring device and components to be used advantageously also in the explanation the procedure already carried out essential to avoid here reference to repetitions.

Die Bauform des Messgerätes kann an sich frei gewählt werden. Es hat sich jedoch als zweckmäßig erwiesen, die temperaturabhängigen Widerstände R1 bis R4 in einem gemeinsamen Gehäuse unterzubringen. Dabei sind die Widerstände R1 und R4, die nach einer bevorzugten einfachen Ausführungsform feste Ohmwerte aufweisen, oder die nach einer verbesserten Ausführungsform temperaturabhängig sind, in eine Umgebung mit konstanter Wärmekapazität eingesetzt, z. B. in einen mit Epoxydharz ausgegossenen Metallzylinder.The design of the measuring device can freely chosen in itself become. However, it has proven to be expedient to use the temperature-dependent resistors R1 to R4 in a common housing accommodate. The resistors R1 and R4, which are after a preferred simple embodiment have fixed ohmic values, or those according to an improved embodiment are temperature dependent, used in an environment with constant heat capacity, e.g. B. in one metal cylinder cast with epoxy resin.

Die Widerstände R2 und R3 sind in möglichst unmittelbarer Nähe zu den Widerständen R1 und R4 jeweils in einem Sensorkopf angeordnet, der z. B. aus poröser Keramik und in der Keramik angeordnetem Standard-Substrat besteht.The resistors R2 and R3 are as possible in close proximity to the resistors R1 and R4 each arranged in a sensor head, the z. B. consists of porous ceramic and arranged in the ceramic standard substrate.

Ein vier-adriges Anschlusskabel, welches aus zwei Kabeln zur Stromversorgung und zwei Kabeln zur Messwerterfassung besteht, verbindet die Widerstände R1 bis R4 mit der Auswerteeineit.A four-core connection cable, which consists of two cables for power supply and two cables for Measured value acquisition exists, connects the resistors R1 to R4 with the evaluation unit.

Verbunden wird diese Sensoreinheit, die nach einer bevorzugten Ausführungsform als Ganzes in das zu messende Substrat eingebracht wird, durch das vieradrige Kabel mit einer Auswerte-Einheit, die für die Erzeugung und Steuerung der Heizspannung sowie der Erfassung und ggf. Speicherung und Anzeige der im Verlauf einer oder mehrerer Messungen der Brückenspannung angezeigten Werte verantwortlich ist.This sensor unit is connected, according to a preferred embodiment is introduced as a whole into the substrate to be measured, through which four-core cable with an evaluation unit, which is used for the generation and control of the heating voltage as well as the acquisition and, if necessary, storage and Display of the bridge voltage during one or more measurements displayed values is responsible.

Zusätzlich zu den oben beschriebenen Komponenten der Sensoreinheit kann diese, zum Zweck einer höheren Genauigkeit der Messung, zusätzlich mit einem Thermometer versehen werden, welches ebenfalls über eine entsprechende Kabelführung mit der Auswerte-Einheit verbunden ist. Die Erfassung der Umgebungstemperatur sollte vor dem Aufheizen der Messbrücke erfolgen, um eine stets auftretende, jedoch kleine Temperaturdrift der Brückenschaltung rechnerisch kompensieren zu können.In addition to the ones described above Components of the sensor unit can be used for higher accuracy the measurement, additionally with be provided with a thermometer, which also has a appropriate cable routing is connected to the evaluation unit. The detection of the ambient temperature should be done before heating the measuring bridge to always Arithmetically occurring but small temperature drift of the bridge circuit to be able to compensate.

Die von der Ausleseeinheit gelieferte Heizspannung sollte z. B. beim Einsatz von PT-100 Widerständen mindestens 5 Volt betragen, wobei die Widerstände in der Spitze einer Belastung von ca. 50mA ausgesetzt werden. Diese Leistung sollte nach einer vorteilhaften Ausführungsform die Heizspannungsquelle mit einer Temperaturdrift von unter 50 ppm/K, vorzugsweise von unter 20 ppm/K, besonders bevorzugt von unter 10 ppm/K liefern. Zugleich sollte die Auswerte-Einheit eine präzise, auf die Zehntel- oder Hundertstelsekunde, vorzugsweise aber auf die Millisekunde genaue, zeitliche Steuerung der Heizspannung gewährleisten.The one supplied by the readout unit Heating voltage should, for. B. when using PT-100 resistors at least 5 volts, with the resistances at the top of a load of about 50mA. This performance should be after a advantageous embodiment the heating voltage source with a temperature drift of less than 50 ppm / K, preferably below 20 ppm / K, particularly preferably below 10 deliver ppm / K. At the same time, the evaluation unit should be precise the tenth or hundredth of a second, but preferably to Ensure accurate, timed control of the heating voltage in milliseconds.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Messgerät einen Speicher zum Speichern von Messergebnissen auf. So können zum Beispiel zeitliche Änderungen im Wassergehalt des Substrats erfasst werden. Tages- oder jahreszeitliche Schwankungen von Wasser in Böden, Lagerstätten organischen Materials wie Getreide oder Holzschnitzeln und ähnliche Effekte können gespeichert und später abgerufen werden.According to a preferred embodiment the measuring device according to the invention Memory for storing measurement results. So for Example changes over time be recorded in the water content of the substrate. Daily or seasonal Fluctuations in water in soils, organic deposits Materials such as grain or wood chips and similar effects can be saved and later be retrieved.

Damit das erfindungsgemäße Messgerät vielseitig einsetzbar ist, kann die Versorgung des Stromkreises und der Heizquelle über eine Batterie oder einen Akkumulator erfolgen. Besonders bevorzugt wird die Messung bei einer Spannung von 0,5 V bis 220 v, besonders bevorzugt bei 3 V bis 24 v, insbesondere 5 V bis 12 V durchgeführt.So that the measuring device according to the invention is versatile can be used, the supply of the circuit and the heating source via a Battery or an accumulator done. Is particularly preferred the measurement at a voltage of 0.5 V to 220 V, particularly preferred at 3 V to 24 V, especially 5 V to 12 V.

Die im Messgerät verwendete Heizquelle weist vorteilhaft eine Leistung auf, die ggf. unter Zwischenschaltung eines Transformators die vorstehend genannte Spannung mit minimalen Schwankungen und – vor allem – geringer Temperaturdrift abgibt. Diese minimale Temperaturdrift sollte sehr konstant eingehalten werden, um Ungenauigkeiten in der Messung auszuschließen.The heating source used in the measuring device shows advantageous to a performance, possibly with the intermediary of a transformer the minimum voltage mentioned above Fluctuations and - before everything - less Emits temperature drift. This minimal temperature drift should be very are constantly observed to rule out inaccuracies in the measurement.

Die in diesem Messgerät verwendeten Komponenten, also Widerstände, Heizquelle und Auswerte-Einheit sowie Material zum Herstellen des Stromkreises und ggf. eine Speichereinheit sind sehr preiswerte Komponenten, die kaum einem Verschleiß unterliegen. Das erfindungsgemäße Messgerät ist daher preiswert.The used in this meter Components, i.e. resistors, Heat source and evaluation unit as well as material for manufacturing the Circuit and possibly a storage unit are very inexpensive Components that are hardly subject to wear. The measuring device according to the invention is therefore inexpensive.

Es liegt deshalb nahe, mindestens zwei, vorzugsweise aber mehrere Messgeräte mit einer zentralen Auswerte-Einheit zu einer Anordnung zu verbinden, wobei die zentrale Auswerte-Einheit die Messergebnisse der einzelnen Messgeräte anzeigt und ggf. speichert.So it makes sense, at least two, but preferably several measuring devices with a central evaluation unit to connect to an arrangement, the central evaluation unit the measurement results of the individual measuring devices displays and saves if necessary.

Auf diese Weise kann ein räumlich ausgedehntes Messprofil eines Substrates erstellt werden.In this way, a spatially extended Measurement profile of a substrate can be created.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens und des zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagenen Messgeräts werden nachstehend unter Bezug auf die Fig. näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the method according to the invention and the implementation The measuring device proposed by the method is described below With reference to the figures explained. It demonstrate:

1 eine Seitenansicht von zwei in das zu messende Substrat einzubringenden Widerständen 1 a side view of two resistors to be introduced into the substrate to be measured

2 eine Draufsicht eines Messfühlers mit zwei in das zu messende Substrat einzubringenden Widerständen sowie mit einem Temperatursensor; 2 a plan view of a sensor with two resistors to be introduced into the substrate to be measured and with a temperature sensor;

3 eine Ansicht eines erfindungsgemäßen Mess-Sensors 3 a view of a measuring sensor according to the invention

4 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Mess-Sensor 4 a section through a measuring sensor according to the invention

5 eine schematische Darstellung des bevorzugten Schaltschemas für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens 5 is a schematic representation of the preferred circuit diagram for performing the method according to the invention

6 eine schematische Darstellung eines Temperatursensors 6 a schematic representation of a temperature sensor

7 eine schematische Darstellung einer einfachen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messgeräts 7 is a schematic representation of a simple embodiment of the measuring device according to the invention

8 eine schematische Darstellung einer zweiten einfachen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messgeräts 8th is a schematic representation of a second simple embodiment of the measuring device according to the invention

1 zeigt ein Element eines Messgeräts 1 zum Erfassen des Wassergehalts eines Substrats, nämlich eine Sensorspitze 2 mit einem Träger 4, auf dessen Oberseite ein erster temperaturabhängiger Widerstand R3 und auf dessen Unterseite ein zweiter temperaturabhängiger Widerstand R2 angeordnet ist. Diese Sensorspitze wird in das zu messende Substrat eingebracht, um dessen Wassergehalt zu erfassen. 1 shows an element of a measuring device 1 for detecting the water content of a substrate, namely a sensor tip 2 with a carrier 4 , on the upper side of which a first temperature-dependent resistor R3 and on the underside of which a second temperature-dependent resistor R2 is arranged. This sensor tip is inserted into the substrate to be measured in order to record its water content.

Die Widerstände, die in den 1 bis 5 dargestellt sind, sind PT-100 Platin-Widerstände der Fa. Heraeus, die sich für diesen Einsatz-Zweck als sehr geeignet erwiesen haben.The resistances in the 1 to 5 are PT-100 platinum resistors from Heraeus, which have proven to be very suitable for this purpose.

2 zeigt einen Sensor, auf dessen Leiterplatine 6 die Sensorspitze 2 aus 1 aufnimmt, und die weiter zwei in Epoxidharz eingegossene, temperaturabhängige Widerstände R1 und R4 trägt. Auch die Widerstände R1 und R4 sind PT-100 Widerstände, die baugleich mit den Widerständen R2 und R3 sind. Zwei weitere Widerstände 8 mit weitaus höheren Ohmwerten sind ebenfalls auf der Leiterplatine 6 angeordnet. Diese Widerstände 8, deren Schaltung in 6 näher dargestellt wird, sind PT 2000 Widerstände, also Platin-Widerstände mit 2 kΩ der Fa. Heraeus. 2 shows a sensor on its circuit board 6 the sensor tip 2 out 1 picks up, and which further carries two temperature-dependent resistors R1 and R4 cast in epoxy resin. Resistors R1 and R4 are also PT-100 resistors that are identical in construction to resistors R2 and R3. Two more resistors 8th with much higher ohmic values are also on the circuit board 6 arranged. These resistances 8th whose switching in 6 Shown in more detail are PT 2000 resistors, i.e. platinum resistors with 2 kΩ from Heraeus.

Diese Widerstände sind, wie in 6 dargestellt, mit den in Epoxidharz eingegossenen Widerständen R1 und R4 zu einem Temperatursensor 9 verschaltet, dass jeweils ein Widerstand 8 und einer der Widerstände R1 oder R4 parallel geschaltet sind, und dass sich zwei Reihen parallel geschalteter Widerstände ergeben. Mit dieser Anordnung wird erreicht, dass der Einfluss der Umgebungstemperatur das Ergebnis der Messung der Wärmekapazität im Substrat nicht verfälscht, sondern möglichst genau und unbeeinflusst von der umgebenden Temperatur erfolgt.These resistors are as in 6 shown, with the resistors R1 and R4 cast in epoxy resin to form a temperature sensor 9 interconnected that one resistor each 8th and one of the resistors R1 or R4 are connected in parallel, and that there are two rows of resistors connected in parallel. With this arrangement it is achieved that the influence of the ambient temperature does not falsify the result of the measurement of the thermal capacity in the substrate, but takes place as precisely as possible and unaffected by the surrounding temperature.

3 zeigt einen erfindungsgemäßen Mess-Sensor 10. Der Mess-Sensor 10 setzt sich zusammen aus einem zentralen, etwa zylindrischen Metallkörper 12, hier z. B. ein Messingkörper, in den die Leiterplatine 6 eingesetzt bzw. mit Epoxidharz eingegossen ist. Der Metallkörper 12 bildet für die Leiterplatine 6 und die darauf angeordneten Widerstände R1 und R4 eine Umgebung mit konstanter Wärmekapazität. Auf den Metallkörper 12 wird eine Schutzhülle 14 aufgesetzt, hier: verklebt. Die Schutzhülle 14 ist im vorliegenden Beispiel aus poröser Keramik. Die Porosität ist dabei dem zu messenden Substrat möglichst genau nachgebildet, um Kapillareffekte und andere Parameter der Wasserbewegungen im Substrat so genau wie möglich zu kopieren. 3 shows a measuring sensor according to the invention 10 , The measuring sensor 10 is composed of a central, approximately cylindrical metal body 12 , here z. B. a brass body in which the circuit board 6 used or cast with epoxy resin. The metal body 12 forms for the printed circuit board 6 and the resistors R1 and R4 arranged thereon an environment with constant heat capacity. On the metal body 12 becomes a protective cover 14 put on, here: glued. The protective cover 14 is in the present example made of porous ceramic. The porosity is modeled as closely as possible of the substrate to be measured in order to copy capillary effects and other parameters of the water movements in the substrate as precisely as possible.

An das andere Ende des Metallkörpers 12 ist eine Kabelverschraubung 16 angesetzt, die die Verbindung zur hier nicht näher dargestellten Auswerte-Einheit herstellt. Auch die Heiz- bzw. Spannungsquelle ist hier nicht näher gezeigt. Sie steht ebenfalls über die Kabelverschraubung 16 mit den Widerständen in Verbindung.To the other end of the metal body 12 is a cable gland 16 that establishes the connection to the evaluation unit, not shown here. The heating or voltage source is also not shown here. It is also above the cable gland 16 connected with the resistors.

4 zeigt, wie die Leiterplatine 6 in dem Metallkörper 12 angeordnet ist. Die Platine 6 selbst ist in den Metallkörper 12 eingegossen. Die Sensorspitze 2 ragt aus dem Metallkörper 12 heraus in die Schutzhülle 14 hinein. Die Schutzhülle 14 ist ein Hohlkörper, der mit dem Metallkörper 12 verklebt ist. Der Innenraum 18 der Schutzhülle 14 ist mit einem Standard-Substrat 20 ausgefüllt. Bei dem Standard-Substrat handelt es sich um einen sogenannten Norm-Boden, dessen Zusammensetzung und Dichte sowie weitere kennzeichnende Parameter einer bekannten, standardisierten Zusammensetzung entsprechen. Das bei der Ausführungsform nach 3, 4 verwendete Standard-Substrat macht den erfindungsgemäßen Mess-Sensor 10 also für die Messung des Wassergehalts von Böden besonders geeignet. Der Mess-Sensor 10 ist durch die Anordnung der Sensor-Spitze 2 in der Schutzhülle 14 besonders robust und langlebig, ohne den Aufbau des Mess-Sensors 10 sehr zu vergrößern. Im übrigen entspricht die in 4 dargestellte Leiterplatine 6 der Darstellung der 2. 4 shows how the circuit board 6 in the metal body 12 is arranged. The circuit board 6 itself is in the metal body 12 cast. The sensor tip 2 protrudes from the metal body 12 out in the protective case 14 into it. The protective cover 14 is a hollow body that matches the metal body 12 is glued. The interior 18 the protective cover 14 is with a standard substrate 20 filled. The standard substrate is a so-called standard soil, the composition and density of which and other characteristic parameters correspond to a known, standardized composition. According to the embodiment 3 . 4 The standard substrate used makes the measuring sensor according to the invention 10 So particularly suitable for measuring the water content of soils. The measuring sensor 10 is due to the arrangement of the sensor tip 2 in the protective cover 14 particularly robust and durable, without the construction of the measuring sensor 10 very enlarge. Otherwise corresponds to in 4 PCB shown 6 the representation of the 2 ,

5 zeigt, wie die Widerstände R1, R2, R3 und R4 geschaltet sind, um das erfindungsgemäße Verfahren durchführen zu können. In einen Stromkreis, an dem eine Spannung U von 5 V anliegt, sind zwei Widerstände R1 und R2 in Reihe geschaltet. Jeweils parallel zu diesen Widerständen R1 und R2 sind Widerstände R3 und R4 geschaltet. Die Widerstände sind baugleich, es handelt sich um PT-100-widerstände von Fa. Heraeus. Die Widerstände R1 und R4 sind in Epoxidharz eingegossen, befinden sich also in einer Umgebung mit konstanter Wärmekapazität. Die Widerstände R2 und R3 sind auf der Sensorspitze 2 angeordnet, befinden sich also während der Messung im zu messenden Substrat. Außerhalb der Messvorgänge sind die Widerstände R1 bis R4 vergleichbaren Umgebungseinflüssen ausgesetzt, insbesondere liegen gleiche Umgebungstemperaturen vor. Unter diesen Voraussetzungen ist die in 5 dargestellte Messbrücke ausgeglichen. Die schematisch angedeutete Spannungsdifferenz Um ist gleich Null. 5 shows how the resistors R1, R2, R3 and R4 are connected in order to be able to carry out the method according to the invention. Two resistors R1 and R2 are connected in series in a circuit to which a voltage U of 5 V is applied. Resistors R3 and R4 are connected in parallel with these resistors R1 and R2. The resistors are identical in construction, they are PT-100 resistors from Heraeus. Resistors R1 and R4 are cast in epoxy resin, so they are in an environment with constant heat capacity. The resistors R2 and R3 are on the sensor tip 2 arranged, are thus in the substrate to be measured during the measurement. Outside the measuring processes, the resistors R1 to R4 are exposed to comparable environmental influences, in particular the same ambient temperatures are present. Under these conditions, the in 5 compensated measuring bridge shown. The schematically indicated voltage difference Um is zero.

Die parallelen Paare von Widerständen, R1 und R3 sowie R2 und R4 sind sozusagen "über Kreuz" angeordnet, um die Spannungsdifferenz bei der Messung des Substrats korrekt zu ermitteln. Für die Durchführung des Verfahrens und das Funktionieren des Messgeräts kommt es auf die Anordnung der Widerstände, nicht auf deren Benennung im einzelnen an.The parallel pairs of resistors, R1 and R3 as well as R2 and R4 are so to speak "arranged crosswise" to the To correctly determine the voltage difference when measuring the substrate. For the execution of the procedure and the functioning of the measuring device it depends on the arrangement of the resistors, not on the naming of them in detail.

Vor bzw. während einer Messung, wenn sich die Sensor-Spitze 2 mit den daran angeordneten Widerständen R2, R3 in dem zu messenden Substrat befindet, wird mittels des in 2-4 und 6 dargestellten Temperatursensors 9 die Umgebungstemperatur erfasst und an die Auswerte-Einheit übermittelt. Die Auswerte-Einheit berücksichtigt diesen Wert bei der Ermittlung des Wassergehalts des Substrats.Before or during a measurement if the sensor tip is 2 with the resistors R2, R3 arranged thereon in the substrate to be measured is by means of the in 2 - 4 and 6 temperature sensor shown 9 the ambient temperature is recorded and transmitted to the evaluation unit. The evaluation unit takes this value into account when determining the water content of the substrate.

Die eigentliche Messung beginnt mit dem Einschalten der Spannungs- bzw. Heizquelle und dem Aufheizen der Widerstände, wobei die widerstände R1 und R4 in der vorbeschriebenen Umgebung mit konstanter Wärmekapazität angeordnet sind, während die Widerstände R2 und R3 im zu messenden Substrat eingesetzt sind.The actual measurement begins with switching on the voltage or heating source and heating up of resistance, being the resistors R1 and R4 are arranged in the above-described environment with constant heat capacity, while the resistances R2 and R3 are used in the substrate to be measured.

Ein Substrat mit geringem Wassergehalt wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren messtechnisch dadurch charakterisiert, daß die Widerstände R2 und R3 nur mit einem geringen Wasservolumen in Berührung kommen. Wenig Wasser leitet nur wenig Wärme ab, die Widerstände R2 und R3 werden deshalb stärker aufgeheizt. Die stärkere Aufheizung der temperaturabhängigen Widerstände R2 und R3 verursacht eine verhältnismäßig geringe Spannungdifferenz gegenüber den Widerständen R1 und R4, die in konstant wärmeleitender Umgebung mit ebenfalls geringer Wärmekapazität angeordnet sind.A substrate with a low water content is characterized by the method according to the invention in that the resistors R2 and R3 come into contact with only a small volume of water. Little water dissipates little heat, so resistors R2 and R3 are heated up more. The stronger heating of the temperature-dependent resistors R2 and R3 ver causes a relatively small voltage difference compared to the resistors R1 and R4, which are arranged in a constantly thermally conductive environment with also low heat capacity.

In einem Substrat mit hohem Wassergehalt dagegen werden die Widerstände R2 und R3 durch die hohe Wärmekapazität des Wassers weniger stark aufgeheizt. Die vergleichsweise gerin ge Erwärmung der Widerstände R2 und R3 verursacht demzufolge auch eine beträchtliche Spannungsdifferenz gegenüber den Widerständen R1 und R4, die in konstant wärmeleitender Umgebung mit geringer Wärmekapazität angeordnet sind.In contrast, in a substrate with a high water content become the resistors R2 and R3 due to the high heat capacity of the water less heated. The comparatively low warming of the resistors As a result, R2 and R3 also cause a considerable voltage difference across from the resistances R1 and R4, which are in constant thermal conductivity Environment with low heat capacity arranged are.

Die durch die vom zu messenden Substrat bewirkte, durch mehr oder weniger starke Aufheizung der Widerstände erzeugte Spannung wird von der Auswerte-Einheit, ggf. nach Berücksichtigung der Umgebungstemperatur, angezeigt, entweder als mV oder nach weiterer Umrechnung in Volumen- oder Gewichts-% als unmittelbare Angabe des Wassergehalts im Substrat. Alternativ kann auch die Saugspannung des Substrats durch Messung der Wärmekapazität erfaßt und als pF-Wert angezeigt werden.The effects caused by the substrate to be measured generated by more or less strong heating of the resistors Voltage is generated by the evaluation unit, if necessary after consideration the ambient temperature, displayed either as mV or after another Conversion into volume or weight% as an immediate indication of the Water content in the substrate. Alternatively, the suction voltage of the substrate by measuring the heat capacity and displayed as a pF value become.

Der Messvorgang dauert bei dem hier gewählten Ausführungsbeispiel 90 Sekunden, wobei die Zeit auf die Millisekunde genau eingehalten wird. Die Wärmebeträge, die innerhalb dieses Zeitraums in die Widerstände eingespeist wurden, werden genau erfasst und an die Auswerte-Einheit weitergegeben. Entsprechend genau werden die an den Widerständen R1, R4 und R2, R3 festgestellten Verluste an Wärme an die Auswerte-Einheit übermittelt. Aus der Differenz, also den Verlusten der eingespeisten Wärmebeträge, ergibt sich der Wassergehalt des zu messenden Substrats mit einem Fehler kleiner 0,5% bezogen auf das Volumen des Wassergehalts.The measuring process takes here selected embodiment 90 seconds, the time being kept to the millisecond becomes. The amounts of heat that were fed into the resistors within this period precisely recorded and passed on to the evaluation unit. Corresponding exactly those on the resistors R1, R4 and R2, R3 detected heat losses transmitted to the evaluation unit. From the difference, i.e. the losses of the heat amounts fed in the water content of the substrate to be measured with an error less than 0.5% based on the volume of water content.

6 zeigt den in 2 und 4 dargestellten Temperatursensor mit Widerständen 8, die mit in Epoxidharz eingegossenen Widerständen in einer Anordnung verschaltet sind, die derjenigen von 5 entspricht. Dieser Temperatursensor dient zur Erfassung der Umgebungstemperatur. 6 shows the in 2 and 4 shown temperature sensor with resistors 8th connected with resistors cast in epoxy in an arrangement similar to that of 5 equivalent. This temperature sensor is used to record the ambient temperature.

7 zeigt – ebenso wie 8 – eine einfache Ausführungsform des erfindungsgemäßen Messgeräts. Nach der Ausführung von 7 sind die parallel zu den Widerständen R 1 und R 3 geschalteten Widerstände R 2 und R4 Widerstände mit festen Ohmwerten. Widerstand R1 ist in eine Umgebung mit konstanter Wärmekapazität eingesetzt, Widerstand R 3 ist in eine Messumgebung mit variabler Wärmekapazität eingesetzt. Mit dieser Anordnung wird ein weniger hoch aufgelöstes, aber für zahlreiche Anwendungen durchaus ausreichendes Messergebnis erreicht, allerdings ist das Messgerät durch die Verwendung von zwei preiswerteren Widerständen entsprechend kostengünstiger. 7 shows - just like 8th - A simple embodiment of the measuring device according to the invention. After executing 7 are the resistors R 2 and R4 connected in parallel with the resistors R 1 and R 3, resistors with fixed ohmic values. Resistor R1 is used in an environment with constant heat capacity, resistor R 3 is used in a measurement environment with variable heat capacity. With this arrangement, a less high-resolution measurement result is achieved, which is quite sufficient for numerous applications. However, the measurement device is correspondingly less expensive due to the use of two cheaper resistors.

8 zeigt jeweils in Reihe angeordnete Widerstände R1 und R3, mit Widerstand R2 in paralleler Anordnung zu R1 und Widerstand R4 in paralleler Anordnung zu R2. Die Anordnung der temperaturabhängigen Widerstände R1, R2 und der Widerstände mit festen Ohmwerten R3, R4 in einer Umgebung mit variabler bzw. konstanter Wärmekapazität ist für die einzelnen Widerstände so wie in 7. Auch hier wird ein preiswertes, für viele Anwendungsfälle brauchbares Messgerät vorgeschlagen. 8th each shows resistors R1 and R3 arranged in series, with resistor R2 in parallel with R1 and resistor R4 in parallel with R2. The arrangement of the temperature-dependent resistors R1, R2 and the resistors with fixed ohmic values R3, R4 in an environment with variable or constant heat capacity is as in FIG 7 , Here too, an inexpensive measuring device that can be used for many applications is proposed.

Claims

Method for determining the thermal capacity of a substrate with the steps - Arrange of two resistors R1 and R2 connected in series in a circuit, - Arrange of two resistors R3 and R4 connected in series in this circuit, being the resistors R3 and R4 are connected in parallel to the resistors R1 and R2, and in each case at least one of the resistors R1 connected in parallel, R3 and R2, R4 has a high temperature dependency, - Deploy of resistance R1 and R4 in an environment with constant heat capacity, - Insert the resistors R2 and R3 into the substrate to be measured, - Heating up the resistors R1 to R4 with constant heating voltage, - Capture and display the voltage generated by different heating of the resistors R1 to R4 between the resistors R1, R3 on the one hand and R2, R4 on the other hand as an indicator of the heat capacity of the substrate.

Method for determining the thermal capacity of a substrate with the steps - Arrange of two resistors R1 and R2 connected in series in a circuit, - Arrange of two resistors R3 and R4 connected in series in this circuit, being the resistors R3 and R4 are connected in parallel to the resistors R1 and R2, and in each case at least one of the resistors R1 connected in parallel, R3 and R2, R4 has a high temperature dependency, - Deploy of resistance R1 and R4 in an environment with constant heat capacity, - Insert the resistors R2 and R3 into the substrate to be measured, - Heating up the resistors R1 to R4 with constant heat capacity -To capture by different heating of the resistors R1 to R4 arising voltage.

Method according to Claim 1, in which the voltage difference arising in the circuit is displayed directly or, based on the heat capacity of the substrate to be measured, the suction voltage of the substrate as pF value and / or the correlating water content, if appropriate, displayed in Vo lumen or weight% is calculated.

A method according to claim 1, characterized in that at least three temperature-dependent resistors for Measurement of the heat capacity of the measuring substrate can be used.

A method according to claim 1, characterized in that all resistors R1, R4, R2, R3 depending on temperature are.

A method according to claim 1, characterized in that the resistors R1, R2, R3 and R4 are of the same type.

A method according to claim 1, characterized in that the Conversion of the cooling caused by the measurement Resistors R2 and R3 the ambient temperature is taken into account.

A method according to claim 1, characterized in that for heating of resistance a voltage or heating source is used that has a minimum Has temperature drift, preferably below 50 ppm / K, particularly preferably below 20 ppm / K, in particular around 10 ppm / K.

A method according to claim 1, characterized in that the measurement period the process between about 1 second and about 10 minutes, preferably between 30 seconds and 150 seconds, particularly preferably between Is 60 seconds and 120 seconds.

A method according to claim 1, characterized in that the measurement period the method to a tenth of a second, preferably to a hundredth of a second, is particularly preferably adhered to with a precision of one millisecond.

A method according to claim 1, characterized in that low-resistance resistors, with up to 500 ohms, preferably up to 100 ohms, particularly preferably up to 10 ohms to carry out of the procedure can be used.

A method according to claim 1, characterized in that at least one of the preferably temperature-dependent resistors R2 and R3 is arranged directly in the substrate to be measured.

A method according to claim 1, characterized in that at least one of the preferably temperature-dependent resistors R2 and R3 with a protective cover, preferably a water permeable cover is arranged in the substrate to be measured.

A method according to claim 1, characterized in that the water-permeable protective cover a porosity has about the porosity of the substrate to be measured is reproduced.

A method according to claim 1, characterized in that at least one of the preferably temperature-dependent resistors R2 and R3 is surrounded by a standard substrate surrounded by a water-permeable protective cover , the at least one of the standard substrate and the cover surrounded resistor R2 or R3 arranged in the substrate to be measured becomes.

A method according to claim 1, characterized in that the water content of the substrate to be measured with an error of less than 0.5% by volume, preferably of less than 0.25% by volume, in particular of less than 0.1% by volume becomes.

gauge to carry out a determination of substrate water content with - one Voltage or heating source connected to the four resistors R1 to R4 are, - two resistors connected in series R1 and R2 in a circuit that connects to a power source or has a connection to a power source, - two in Series of switched resistors R3 and R4 in this circuit, the resistors R3 and R4 parallel to the resistors R1 and R2 are connected, and in each case at least one of the resistors connected in parallel R1, R3 and R2, R4 has a high temperature dependency, - the resistors R1 and R4 are used in an environment with constant heat capacity, and where - The measuring device is designed in this way is that the resistors R2 and R3 for measuring the water content in the substrate to be measured are introduced and with - one Evaluation unit with means for recording, calculating and displaying one in the circuit by heating resistors R2 or R3 generated and between the resistors R1, R3 on the one hand and R2, R4 on the other hand measured electrical voltage as an indicator the water content of the substrate or the water content of the substrate.

gauge according to claim 16, characterized in that the voltage or heating source and the resistances R1 and R4 with their environment with constant heat capacity accommodated in one housing are.

Measuring device according to claim 16, characterized in that the resistors R2 and R3 outside the housing, but in connection with the voltage or heating source and the ejection-on are arranged.

gauge according to claim 16, characterized in that the evaluation unit a Has memory for storing measurement results.

gauge according to claim 16, characterized in that the energy for the supply of the Circuit and for heating the resistors as an accumulator or battery is trained.

gauge according to claim 16, characterized in that the voltage or heating source a Voltage in the range from 0.5 V to 220 V, preferably from 3 V to 24 V, particularly preferably from 5 V to 12 V.

gauge according to claim 16, characterized in that in the to be measured Resistors to be introduced into the substrate at least one length of about 1 mm, preferably of about 4 mm, particularly preferably of up to 10 mm.

Arrangement for implementation the determination of substrate water contents with at least two measuring devices one of the claims 16 to 21, the at least two measuring devices with a central evaluation unit which are connected to the individual measurement results of at least two measuring devices displays.