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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Wasserspannung,
insbesondere in Böden oder Stückgütern,
mit einer zumindest teilweise von einer porösen, wasserdurchlässigen
Membran umschlossenen Messzelle und einem Sensor. Die Erfindung
bezieht sich ferner auf ein insbesondere mittels einer solchen Vorrichtung
durchführbares Verfahren zur Messung der Wasserspannung,
insbesondere in Böden oder Stückgütern.
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Die
auch als Bodenwasserspannung, Saugspannung, Matrixpotenzial oder
Tension bezeichnete Wasserspannung stellt eine Größe
zur Beschreibung der Energieverhältnisse im Porenwasser
von Böden oder beliebigen anderen Stückgütern
oder Haufwerken dar, welche die hydraulische Verfügbarkeit
des im Porenvolumen vorhandenen Wassers charakterisiert. In Verbindung
mit der Feuchte des Stückgutes kann durch die Wasserspannung
somit ein für die Porengrößenverteilung
des Bodens oder Stückgutes charakteristischer Wert erhalten
werden. Die Wasserspannung resultiert aus den durch die Poren des Bodens
oder Stückgutes bewirkten Kapillarkräfte und lässt
sich daher in Form eines Druckes ausdrücken, wobei die
Wasserspannung um so größer ist, desto trockener
der Boden oder das Stückgut ist bzw. desto kleiner der
von Wasser benetzte Anteil des Porenvolumens ist. In Böden
auftretende Wasserspannungen können dabei z. B. zwischen
etwa 1 und etwa 107 mbar betragen bzw. – als
dekadischer logarithmischer Wert ausgedrückt – zwischen
etwa pF 0 bis etwa pF 7. Neben der Messung der Wasserspannung in
Stückgütern ist grundsätzlich auch einer
Erfassung derselben in Poren aufweisenden Festkörpern möglich,
wie beispielsweise von Beton oder Mauerwerken allgemein, Bäumen
etc.
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Die
Wasserspannung oder Tension besitzt insbesondere deshalb eine hohe
Aussagekraft, weil sie direkt die Bindungsenergie des Wassers in
dem Boden oder Stückgut angibt. In diesem Zusammenhang
sei beispielhaft erwähnt, dass Pflanzen ab einer Wasserspannung
von größer etwa pF 4,2 (entsprechend 15.800 mbar,
dem sogenannten permanenten Welkepunkt) kein Wasser mehr aufnehmen
können, wobei bei einer solchen Wasserspannung z. B. in Tonböden
noch ein Wassergehalt von etwa 30 Vol.-% vorhanden ist, während
bei Sandböden bei derselben Wasserspannung nur noch ein
Wassergehalt von etwa 2 Vol.-% vorhanden ist. Folglich bietet die Angabe
des Wassergehaltes als solche im Gegensatz zu der Wasserspannung
keine geeignete Bezugsbasis. Aus diesem Grunde werden für
die Steuerung von Bewässerungssystemen vornehmlich Messverfahren
zur Erfassung der Wasserspannung eingesetzt. Entsprechendes gilt
für die Berechnung von Wasserbewegungen in Böden
oder Stückgütern, da die Bewegung der Wassermoleküle
in solchen Substraten vom Gradient der Wasserspannungen bzw. Tensionen
abhängt. Folglich besitzen Verfahren zur Messung der Wasserspannung
nicht nur in der Landwirtschaft, sondern auch in der Bau- und Umwelttechnik
sowie insbeson dere auf dem Gebiet der Hydrologie eine herausragende
Bedeutung.
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Zur
Messung der Wasserspannung finden insbesondere gattungsgemäße
Vorrichtungen in Form von sogenannten Tensiometern verbreiteten Einsatz.
Ein solches Tensionmeter umfasst eine mit einem Sensor bestückte
Messzelle, welche von einer porösen, wasserdurchlässigen
Membran umschlossen ist. Der Innenraum der gasdicht abgeschlossenen
Messzelle ist praktisch gänzlich mit vorzugsweise entgastem
Wasser befüllt. Die Messung der Wasserspannung mittels
eines solchen Tensiometers erfolgt dadurch, dass die poröse,
wasserdurchlässige Membran mit dem jeweiligen Boden oder
Stückgut in Kontakt gebracht wird, wobei letzteres infolge
der durch das Porenvolumen bewirkten Kapillarkräfte so viel
Wasser aus der Messzelle durch die Membran hindurch ”ansaugt”,
bis sich ein Gleichgewichtszustand eingestellt hat. Der durch das
aus der gasdichten Messzelle abgezogene Wasser resultierende Unterdruck
wird von dem Sensor erfasst und durch Kalibrierung in die entsprechende
Wasserspannung umgerechnet. Der Sensor kann folglich von einem mechanischen
oder auch einem elektronischen Manometer gebildet sein. Bei der
die Messzelle umgebenden Membran handelt es sich in der Regel um eine
feinporöse, insbesondere offenporigen Keramik in Kerzenform,
welche über den Bereich der messbaren Druckdifferenzen
mit Wasser gesättigt bleibt und vorzugsweise einen Porendurchmesser
von maximal etwa 1 μm besitzt.
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Ein
solches Tensiometer ist beispielsweise aus der
DE 39 11 151 A1 bekannt.
Weitere Tensiometer der genannten Art sind z. B. den
CH 652 505 A5 ,
GB 1 454 674 A ,
US 3 871 211 A ,
US 6 752 007 B1 oder
US 2009/0050214 A1 zu
entnehmen.
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Ein
Vorteil von derartigen Tensiometern besteht insbesondere darin,
dass die Wasserspannung relativ spontan und direkt erfasst werden
kann, was eine sehr rasche Reaktion auf zeitlich wechselnde Wasserspannungen
ermöglicht. Nachteilig ist indes einerseits der relativ
hohe Wartungsaufwand von Tensiometern, bei welchen der Wasserstand
in der Messzelle regelmäßig kontrolliert und gegebenenfalls
Wasser nachgefüllt werden muss; andererseits wird der das
Tensiometer unmittelbar umgebende Boden – d. h. der Bodenbereich,
innerhalb dessen die Messung vorgenommen wird – insbesondere
im Falle von größeren Wasserspannungswerten durch das
durch die poröse Membran der Messzelle heraus diffundierende
Wasser befeuchtet, was zu einer Verfälschung des Messergebnisses
führt. Darüber hinaus versagen die bekannten Tensiometer
bei Temperaturen unterhalb etwa 0°C, da sie aufgrund des
in der Messzelle eingeschlossenen Wassers nicht frostsicher sind.
Ferner weisen die Tensiometer gemäß dem Stand
der Technik einen nur sehr eingeschränkten Messbereich
auf, welcher unter Normaldruck bei etwa 850 mbar endet, so dass
mittels solcher Tensiometer grundsätzlich nur ein relativ
beschränktes Spektrum an möglichen Wasserspannungen
(siehe hierzu weiter oben) erfasst werden kann. Dies liegt darin
begründet, dass oberhalb einer Wasserspannung von etwa
850 mbar der sogenannten Lufteintrittspunkt der die Messzelle umschließenden
porösen Membran erreicht wird, so dass durch die Membran
hindurch Umgebungsluft in die Messzelle gelangt und der von dem
Sensor zur Messung der Wasserspannung verwendete, charakteristische
Unterdruck in der Messzelle des Tensiometers nicht mehr aufrechterhalten
werden kann. Der gemessene Unterdruck nähert sich folglich
trotz sehr hoher Wasserspannungen dem Wert 0 an, so dass der Sensor fälschlicherweise
eine Wasserspannung im Bereich von 0 mbar angibt, die jedoch tatsächlich
größer 850 mbar beträgt.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie
ein Verfahren zur Messung der Wasserspannung, insbesondere in Böden
oder Stückgütern, der eingangs genannten Art auf
einfache und kostengünstige Weise dahingehend weiterzubilden,
dass den vorgenannten Nachteilen in wirksamer Weise begegnet werden
kann.
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In
vorrichtungstechnischer Hinsicht wird diese Aufgabe erfindungsgemäß bei
einer Vorrichtung zur Messung der Wasserspannung der eingangs genannten
Art dadurch gelöst, dass das Innere der Messzelle mit der
Atmosphäre in Verbindung steht, dass auf zumindest einen
Bereich der porösen, wasserdurchlässigen Membran
im Innern der Messzelle ein wasseraufnahmefähiges Messmedium
aufgebracht ist, welches mit einem Messfühler des Sensors
in Wirkverbindung steht, und dass der Sensor zur unmittelbaren oder
mittelbaren Erfassung des Wassergehaltes des Messmediums ausgebildet
ist.
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In
verfahrenstechnischer Hinsicht sieht die Erfindung zur Lösung
dieser Aufgabe ferner ein insbesondere mittels einer solchen Vorrichtung
durchführbares Verfahren zur Messung der Wasserspannung
der eingangs genannten Art vor, welches durch die folgenden Schritte
gekennzeichnet ist:
- – Inkontaktbringen
eines mit der Atmosphäre in Verbindung stehenden, wasseraufnahmefähigen Messmediums
mit dem Boden oder Stückgut oder einem Festkörper
unter Zwischenanordnung einer porösen, wasserdurchlässigen
Membran zwischen dem Messmedium und dem Boden oder Stückgut
oder Festkörper; und
- – unmittelbares oder mittelbares Erfassen des Wassergehaltes
des Messmediums mittels eines mit diesem über einen Messfühler
wirkverbundenen Sensor.
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Die
Erfindung zeichnet sich insoweit durch eine völlige Abkehr
von der Funktionsweise herkömmlicher Tensiometer aus, als
die Messzelle nicht gasdicht ausgebildet und mit Wasser befüllt
ist, sondern sich im Innern der Messzelle aufgrund ihrer Verbindung
mit der Atmosphäre, z. B. im Form eines aus der Messzelle
herausragenden Druckausgleichsröhrchens oder einer Kapillaren,
lediglich Umgebungsluft befindet (d. h. es vermag ein permanenter
Gasaustausch zwischen dem Innern der Messzelle und der Umgebung
stattzufinden). Die Messung der Wasserspannung mittels des Sensors
erfolgt folglich nicht anhand eines sich in der Messzelle einstellenden
Unterdruckes, sondern es herrscht dort stets Umgebungsdruck, wobei
die erfindungsgemäße Messung der Wasserspannung
auf der Ermittlung des Wassergehaltes des mit dem Sensor wirkverbundenen,
wasseraufnahmefähigen Messmediums beruht, welches während
der Messung in Abhängigkeit von der zu ermittelten Wasserspannung
eines jeweiligen Bodens oder Stückgutes oder auch eines
Festkörpers steht. Der Wassergehalt des wasseraufnahmefähigen Messmediums
stellt folglich einen mit der Wasserspannung des Bodens, Stückgutes
oder Festkörpers korrelierenden Parameter dar. Wie eingangs
angedeutet, lassen sich erfindungsgemäß Wasserspannungen
nicht nur in Böden oder Stückgütern,
sondern auch in solchen Festkörpern messen, welche nicht notwendigerweise
aus einem Partikelhaufwerk gebildet sein müssen, wie beispielsweise
in Mauerwerken, Beton, in Bäumen etc., wobei die wasserdurchlässige
Membran der Messzelle außenseitig mit einem solchen Festkörper
in Kontakt gebracht oder auch in eine in dem Festkörper
vorzunehmende Probebohrung eingeführt werden kann.
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Es
sei in diesem Zusammenhang ausdrücklich darauf hingewiesen,
dass in den nachfolgenden Ausführungen der Einfachheit
halber stets von einer Messung der Wasserspannung in Böden
oder Stückgütern die Rede ist, welche im Allgemeinen
das Hauptanwendungsgebiet von Tensiometern darstellt, die Erfindung
aber gleichwohl auch die Messung der Wasserspannung in Festkörpern
umfasst, welche nicht oder nicht ausschließlich aus mehr
oder minder losen Partikeln gebildet sind.
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Die
erfindungsgemäße Ausgestaltung bietet bei einem äußerst
einfachen und kostengünstigen Aufbau des Tensiometers sowie
einer wartungsfreien Technik gegenüber dem Stand der Technik
eine Reihe an bedeutenden Vorteilen. So können z. B. auch im
Falle von hohen Wasserspannungen in einem Boden oder Stückgut
die erhaltenen Messwerte nicht durch aus der Messzelle heraus diffundierendes Wasser
verfälscht werden, was zu einer erheblichen Erhöhung
der Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der erhaltenen Messwerte
beiträgt. Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße
Tensiometer bei praktisch beliebigen Temperaturen einsetzbar, insbesondere auch
bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser. Der Messbereich
des erfindungsgemäßen Tensiometers ist praktisch
unbegrenzt und lassen sich folglich auch weitaus höhere
Wasserspannungen als etwa 850 mbar genau und reproduzierbar ermitteln,
d. h. der Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen
Tensiometers erstreckt sich weitestgehend über den gesamten
möglichen Bereich von etwa 1 bis etwa 107 mbar
von etwa pF 0 bis etwa pF 7.
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Beim
Betrieb des erfindungsgemäßen Tensiometers werden
die in dem Boden oder Stückgut vorhandenen Wasserspannungen
also auf die poröse Membran übertragen, wobei
die jeweilige Wasserspannung aufgrund der Permeabilität
der porösen Mem bran für Wasser dann zwangsläufig
auch an der Innenseite der porösen Membran anliegt. Die
mit den von der porösen Membran weitergeleiteten Wasserspannungen
korrespondierende Menge an sie permeierendem Wasser wird von dem
innenseitig auf die Membran eng aufgebrachten, wasseraufnahme- bzw.
absorptionsfähige Messmedium aufgenommen, so dass sich
dort ein für die jeweilige Wasserspannung charakteristischer
Wassergehalt eingestellt, wobei sich die Beziehung zwischen dem
Wassergehalt des Messmediums und der zu ermittelnden Wasserspannung
auf einfache Weise durch Kalibrieren des Tensiometers unter Verwendung
von Böden oder Stückgütern mit bekannter,
definierter Wasserspannung ermitteln lässt. Die ”aktive” Übertragung
der Wasserspannungen von dem Boden oder Stückgut über
die poröse Membran an das wasseraufnahmefähige
Messmedium findet indes nur solange statt, wie die poröse
Membran noch flüssiges Wasser enthält bzw. solange
ihre Poren noch mit Wasser befüllt sind. Ist die poröse
Membran mit Wasser gesättigt, so ist sie weitestgehend
gasdicht und überträgt – ähnlich wie
bei bekannten Tensiometern – die in dem Boden oder Stückgut
vorhandenen Wasserspannungen direkt an das hierauf innenseitig aufgebrachte
Messmedium. Aus diesem Grund steht das wasseraufnahmefähige
Messmedium bereits nach sehr kurzer Zeit mit den Kapillarkräften
des Bodens oder Stückgutes im Gleichgewicht und vermag
der mit dem Messmedium wirkverbundene Sensor folglich sehr schnell
ein genaues Messergebnis zu liefern. Ist in dem jeweiligen Messsubstrat
kein flüssiges Wasser mehr enthalten und enthält
die poröse Membran demzufolge kein flüssiges Wasser
mehr, so ist die Membran nicht mehr gasdicht. Liegt die Wasserspannung
in diesem Fall also vornehmlich gasförmig vor, so überträgt
die poröse Membran die Wasserspannungen nur ”passiv” an
das hierauf innenseitig aufgebrachte Messmedium, d. h. die Membran
wird lediglich von gasförmigem Wasser permeiert. Da in
diesem Fall nur vergleichsweise sehr kleine Mengen an gasförmigem Wasser
durch die Membran hindurch diffundieren und zu dem Messmedium gelangen,
vermag der Sensor gleichwohl spontan zu reagieren und liefert folglich
auch hier sehr schnell ein genaues Messergebnis.
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Zumindest
derjenige Bereich des wasseraufnahmefähigen Messmediums,
welcher mit dem Messfühler des Sensors in Verbindung steht,
sollte dabei möglichst eng flächig an die Innenseite
der porösen Membran der Messzelle anliegen, um möglichst
keine Barriere für das durch die poröse Membran
aus dem umgebenden Boden oder Stückgut in das Messmedium
eindringende Wasser zu bilden. Die Verbindung des Messmediums mit
der porösen Membran kann zu diesem Zweck beispielsweise
dadurch verwirklicht sein, dass sie mittels eines vorzugsweise grobmaschigen
Gewebes auf die poröse Membran aufgepresst oder – z.
B. im Falle einer Kunststoffmembran – oberflächig
in diese eingeformt, z. B. eingegossen oder eingespritzt ist. Alternativ
ist beispielsweise auch ein Einsatz von gut wasserdurchlässigen
Klebern denkbar.
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Während
für das wasseraufnahmefähige Messmedium grundsätzlich
beliebige Materialien mit hohem Absorptionsvermögen für
Wasser denkbar sind, kann gemäß einer bevorzugten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Tensiometers vorgesehen sein, dass das wasseraufnahmefähige
Messmedium von einem Textil, wie einem Vlies, Gewebe, Gestricke,
Gewirke, Gelege oder dergleichen, gebildet ist. In diesem Zusammenhang
kann das Textil beispielsweise Fasern aus der Gruppe Naturfasern,
wie Cellulose, Baumwolle, Seide oder dergleichen, und/oder Kunststofffasern,
wie Polyester-, Acrylfasern und dergleichen, aufweisen, wobei grundsätzlich
je nach Abmes sungen der Fasern z. B. auch mineralische oder keramische
Faser einschließlich Keramik- und Glasfasern denkbar sind.
Als besonders geeignet haben sich ferner Fasern mit einer Faserstärke
von kleiner als etwa 1 dtex, sogenannten Mikrofasern, und insbesondere
von kleiner als etwa 0,3 dtex, sogenannte Ultramikrofasern, erwiesen.
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Alternativ
oder zusätzlich kommen als Materialien für das
wasseraufnahmefähige Messmedium auch sogenannte Superabsorber
in Betracht, welche beispielsweise in Form von feinpartikulären
Granulaten, z. B. mit Partikelgrößen zwischen
etwa 10 μm und etwa 5.000 μm, auf Kunststoffbasis
eingesetzt werden können. Für Superabsorber geeignete Kunststoffe
sind aus dem Stand der Technik bekannt und umfassen z. B. Copolymere
von Acrylsäure (Propensäure) mit Alkalimetallsalzen
der Acrylsäure.
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Ferner
sind als Materialien für das wasseraufnahmefähige
Messmedium beispielsweise sogenannte Aerogele denkbar, bei welchen
es sich um hochporöse Festkörper handelt, z. B.
mit einem Porenvolumen von bis zu etwa 90% oder bis zu etwa 95%
ihres Gesamtvolumens. Derartige Aerogele können z. B. auf
Basis von Silikaten, Metalloxiden oder Kunststoffpolymeren ausgebildet
sein.
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Was
die geometrischen Abmessungen das wasseraufnahmefähige
Messmediums betrifft, so kann dieses in vorteilhafter Ausgestaltung
eine Dicke kleiner etwa 30 mm, insbesondere kleiner etwa 5 mm, z.
B. in einem Bereich zwischen etwa 0,5 mm und etwa 5 mm, aufweisen.
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Um
für einen einwandfreien Kontakt des Messfühlers
des Sensors mit dem wasseraufnahmefähigen Messmedium zu
sorgen und etwaige Sperreigenschaften zwischen den genannten Komponenten
zu unterbinden, kann der Messfühler des Sensors vorzugsweise
zumindest teilweise in das Material des wasseraufnahmefähigen
Messmediums hineinragen, wobei er beispielsweise sandwichartig in
dem wasseraufnahmefähigen Messmedium aufgenommen sein kann,
so dass ihn das wasseraufnahmefähige Messmedium im Wesentlichen
allseitig umgibt.
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Die
poröse, wasserdurchlässige Membran der Messzelle
kann im Wesentlichen entsprechend der Membran von aus dem Stand
der Technik bekannten Tensiometern ausgestaltet sein, wobei sie zweckmäßigerweise
möglichst feinporös ausgebildet ist und vorzugsweise
eine Porengröße von kleiner etwa 20 μm,
insbesondere von kleiner etwa 1 μm, aufweist. Darüber
hinaus sollte sie eine offenporige Struktur besitzen. Die poröse,
wasserdurchlässige Membran der Messzelle kann beispielsweise
aus Keramik (z. B. in Form von Glas- oder Siliziumkeramiken), Kunststoff
oder Metall (z. B. in Form von Sintermetall einschließlich
Stahl) gebildet sein. Ferner sind als Membranmaterialen auch Naturstoffe,
wie Gips, Kalkstein, Zeolithe oder dergleichen, denkbar.
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Die
poröse, wasserdurchlässige Membran der Messzelle
sollte zweckmäßig eine Dicke von kleiner etwa
10 mm aufweisen, wobei sie in vorteilhafter Ausgestaltung eine Dicke
von kleiner etwa 5 mm, beispielsweise zwischen etwa 0,5 mm und etwa
5 mm, aufweisen kann, so dass sie einerseits möglichst dünn
ist, andererseits aber eine hinreichende Stabilität bzw.
Festigkeit besitzt.
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Der
Sensor kann zweckmäßig elektrisch sein, wobei
gemäß einer bevorzugten Ausführungsform
vorgesehen sein kann, dass der Sensor zur mittelbaren Erfassung
des Wassergehaltes des Messmediums ausgebildet und die von dem Sensor
erfasste Messgröße mit der Wasserspannung korrelierbar
ist. Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens zeichnet sich folglich dadurch aus, dass der Wassergehalt
des Messmediums mittels des Sensors mittelbar anhand einer mit dem
Wassergehalt des Messmediums korrelierenden Messgröße,
insbesondere elektrisch, erfasst wird, wobei die zwischen der verwendeten
Messgröße und dem Wassergehalt vorhandene Korrelation durch
Kalibrieren erhalten wird.
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In
diesem Zusammenhang kann gemäß einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Tensiometers vorgesehen
sein, dass der Sensor die von dem Wassergehalt des wasseraufnahmefähigen Messmediums
abhängige Wärmekapazität desselben erfasst,
wobei die Wärmekapazität mit zunehmendem Wassergehalt
des Messmediums zunimmt und umgekehrt. Dies kann beispielsweise
mittels eines Verfahrens gemäß der
DE 101 64 018 A1 geschehen,
welche hiermit ausdrücklich zum Gegenstand der vorliegenden
Offenbarung gemacht wird.
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Darüber
hinaus kann vorgesehen sein, dass der Sensor die von dem Wassergehalt
des wasseraufnahmefähigen Messmediums abhängige
Wärmeleitfähigkeit desselben erfasst, welche gleichfalls
mit zunehmendem Wassergehalt des Messmediums zunimmt und umgekehrt.
Lediglich exemplarisch sei in diesem Zusammenhang das sogenannte
Hitzimpulsverfahren erwähnt.
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Ferner
kann vorgesehen sein, dass der Sensor die von dem Wassergehalt des
wasseraufnahmefähigen Messmediums abhängige elektrische
Leitfähigkeit desselben erfasst, welche wiederum mit zunehmendem
Wassergehalt des Messmediums zunimmt und umgekehrt. Dies kann beispielsweise
mittels an das Messmedium anliegender und unter elektrischer Spannung
stehender Elektroden geschehen.
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Überdies
kann vorgesehen sein, dass der Sensor die von dem Wassergehalt des
wasseraufnahmefähigen Messmediums abhängige Dielektrizitätskonstante
desselben erfasst, welche ebenfalls mit zunehmendem Wassergehalt
des Messmediums zunimmt und umgekehrt. In diesem Fall kann das Messmedium
beispielsweise als zwischen den Platten eines Kondensators angeordnetes
Dielektrikum dienen.
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Des
Weiteren ist es möglich, dass der Sensor die von dem Wassergehalt
des wasseraufnahmefähigen Messmediums abhängige
dielektrische Leitfähigkeit (Permittivität) desselben
einschließlich der Permittivitätszahl (relative
Permittivität) erfasst, welche als Quotient der Permittivität
zu der elektrischen Feldkonstante ∊0 (d.
h. der Permittivität im Vakuum) definiert ist.
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Ferner
ist es denkbar, dass der Sensor die von dem Wassergehalt des wasseraufnahmefähigen Messmediums
abhängigen Reflexionseigenschaften desselben von elektromagnetischen
Wellen oder elektrischen Feldern (oder auch die gleichfalls von dem
Wassergehalt des wasseraufnahmefähigen Messmediums abhängigen
Lauflängen von elektromagnetischen Wellen oder elektrischen
Feldern in demselben) erfasst, was beispielsweise mittels Frequenzbereichsreflektometrie
(FDR, Frequency Domain Reflectometry) oder Zeitbereichsreflektometrie (FDR,
Time Domain Reflectometry) erfolgen kann.
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Überdies
kann der Sensor z. B. zur Erfassung der von dem Wassergehalt des
wasseraufnahmefähigen Messmediums abhängigen optischen
Reflexionseigenschaften ausgebildet sein.
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Selbstverständlich
ist es auch grundsätzlich möglich, dass der Sensor
mehrere der von dem Wassergehalt des wasseraufnahmefähigen
Messmediums abhängigen Messgrößen, wie
insbesondere aus der vorstehend erwähnten Gruppe, erfasst,
und/oder dass der Sensor eine oder mehrere sich aus mehreren solcher
Messgrößen ergebende Messgröße(n) erfasst.
Lediglich exemplarisch sei in diesem Zusammenhang auf die sogenannte
Temperaturleitfähigkeit verwiesen, welche als Quotient
der Wärmeleitfähigkeit zu der Wärmekapazität
sowie zu der Dichte definiert ist.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden
Beschreibung von Ausführungsbeispielen einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Messung der Wasserspannung in Böden oder
Stückgütern unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
Dabei zeigen:
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1 eine
schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Tensiometers in geschnittener
Darstellung;
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2 eine
schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Tensiometers; und
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3 eine
schematische Seitenansicht des Tensiometers gemäß 2 in
teilweise geschnittener Darstellung in Richtung des Pfeils III der 2 betrachtet.
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Die
in 1 schematisch wiedergegebene Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Tensiometers umfasst eine
Messzelle 1, welche im vorliegenden Fall etwa kerzen- oder
röhrenförmig ausgestaltet ist, aber grundsätzlich
eine praktisch beliebige Form besitzen kann. Die Messzelle ist im
Bereich ihres in 1 unteren Endes teilweise von
einer porösen, wasserdurchlässigen Membran 2 umschlossen, welche
beispielsweise von einer vornehmlich offenporigen Keramikmembran
mit einer Dicke von etwa 1 mm und einer mittleren Porengröße
von etwa 500 nm gebildet sein kann. Die poröse Membran 2 ist
an ihrem in 1 oberen Ende mit einem Träger 3,
z. B. in Form eines Kunststoffrohres, verbunden, was durch Kleben
oder eine beliebige andere Verbindung gewährleistet sein
kann.
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Im
Bereich seines der porösen Membran 2 abgewandten,
in 1 oberen Endes ist der Träger 3 unter
Freilassung wenigstens eines Druckausgleichskanals 4 verschlossen,
so dass das Innere der Messzelle 1 mit der Atmosphäre
in Verbindung steht und einen ständigen Gasaustausch ermöglicht.
Darüber hinaus umfasst der Träger 3 in
diesem Bereich einen Anschluss oder eine Durchführung 5 für
die Kabel eines nicht näher dargestellten Sensors 6,
welcher zur insbesondere mittelbaren Erfassung des Wassergehaltes
eines im Folgenden näher erläuterten, wasseraufnahmefähigen
Messmediums 7 ausgebildet ist und z. B. eine oder mehrere
der oben genannten Messgrößen zu erfassen vermag,
welche mit der Wasserspannung bzw. Tension in einem außenseitig
mit der porösen Membran 2 in Kontakt gebrachten
Boden oder Stückgut (nicht gezeigt) korreliert. Das wasseraufnahmefähige
Messmedium 7 ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel
auf den unteren Bereich der porösen Membran 2 innenseitig und
an diese eng anliegend aufgebracht, was beispielsweise durch Aufpressen
des Messmediums 7 auf die Membran 2 unter Zwischenanordnung
eines als Haftvermittler dienenden, grobma schigen Netzes geschehen
kann, so dass ein unmittelbarer, flächiger Kontakt der
Membran 2 mit dem Messmedium 7 sichergestellt
ist. Während grundsätzlich auch andere Befestigungsarten
des Messmediums 7 an der Membran 2 möglich
sind, sollte jedoch stets dafür Sorge getragen werden sollte,
dass ein freier Wasseraustausch zwischen der Membran 2 und
dem Messmedium 7 nicht in nennenswerter Weise behindert
wird. Das Messmedium 7 kann z. B. aus einer oder mehreren
Lagen eines absorptionsfähigen Textils, wie in Form eines
aus Mikrofasern erzeugten Vlieses oder dergleichen, gebildet sein.
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Das
Messmedium 7 steht mit einem Messfühler 8 des
Sensors 6 in direkter Verbindung, wobei der Messfühler 8 insbesondere
zumindest teilweise in das Vliesmaterial des Messmediums 7 hineinragen kann,
um einen innigen, flächigen Kontakt derselben zu gewährleisten.
Die Verbindung zwischen dem Messmedium 7 und dem Messfühler 8 kann
rein aufgrund von Form- oder Reibschluss gegeben sein (beispielsweise
durch Aufpressen des Messfühlers 8 auf das Messmedium 7),
wobei auch hier andere Verbindungsarten, wie Klebverbindungen, denkbar
sind. Als geeignete, als Kleber sowohl zwischen der Membran 2 und
dem Messmedium 7 als auch zwischen letzterem und dem Messfühler 8 des
Sensors 6 dienende Materialien haben sich beispielsweise
mit einem vorzugsweise möglichst hohen Anteil an Grobsand
versetzte Kunstharze, wie beispielsweise Epoxydharze, erwiesen,
welche bei einem sehr geringen Wasserwiderstand für eine
einwandfreie und dauerhafte Verbindung der genannten Komponenten
sorgen.
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Bei
der in 2 und 3 dargestellten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Tensiometers sind identische
bzw. funktionsgleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen, wobei
die poröse Membran 2 in 2 durchsichtig
dargestellt ist, um den Blick ins Innere der Messzelle 1 mit
dem dort angeordneten wasseraufnahmefähigen Messmedium 7 freizugeben.
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Die
in 2 und 3 gezeigte Ausführungsform
unterscheidet sich von dem Tensiometer gemäß 1 einerseits
dadurch, dass die Messzelle 1 nicht im Wesentlichen zylindrisch,
sondern flach ausgebildet ist, wobei der die poröse Membran 2 tragende
Träger 3 z. B. aus einer Vergussmasse gebildet
sein und die beispielsweise auf einer Platine angeordnete Elektronik
des Sensors 6 gegen äußere Einwirkungen
geschützt beherbergen kann. Die Verbindung des Inneren
des Messzelle 1 mit der Atmosphäre geschieht hier
mittels eines oder mehrerer Kapillarröhrchen 4',
welches sich von der Messzelle 1 durch die Vergussmasse
des Trägers 3 hindurch nach außen erstreckt.
Entsprechendes gilt für Kabel oder Leitungen des Sensors 6 bzw.
dessen Messfühler 8, wobei das Kapillarröhrchen 4' insbesondere
in das/die Leitungen integriert sein kann. Das Kapillarröhrchen 4' kann
dabei um einen beliebigen Abstand aus dem in 2 und 3 oberen
Ende der Vergussmasse vorstehen, so dass das Tensiometer auch in
größerer Tiefe in einen Boden oder ein Stückgut
eingeführt werden kann und gleichwohl stete ein freier
Gasaustausch des Innern der Messzelle 1 mit der Atmosphäre
gewährleistet ist.
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Andererseits
ist bei dem in 2 und 3 wiedergegebenen
Ausführungsbeispiel das z. B. wiederum in Form eines Textils
ausgestaltete wasseraufnahmefähige Messmedium 7 in
dem Zwischenraum zwischen den im Wesentlichen plattenförmigen
Keramikelementen der wasserdurchlässigen Membran 2 aufgenommen,
wobei der Messfühler 8 des Sensors 6 etwa
sandwichar tig zwischen die Lagen des Messmediums 7 eingebettet
bzw. allseitig von diesem umgeben ist, um bei einer hohen Stabilität
und Dauerhaftigkeit der Verbindung zwischen dem Messmedium 7 und
dem Messfühler 8 für ein minimales Maß an Barriereeigenschaften
für Wasser zu sorgen. Alternativ könnte die wasserdurchlässige
Membran 2 auch nur an einer Seite des Messmediums 7 (z.
B. in 3 rechts oder links) angeordnet und die Messzelle 1 an der
anderen Seite (z. B. in 3 links oder rechts) gasdicht
abgeschlossen sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3911151
A1 [0005]
- - CH 652505 A5 [0005]
- - GB 1454674 A [0005]
- - US 3871211 A [0005]
- - US 6752007 B1 [0005]
- - US 2009/0050214 A1 [0005]
- - DE 10164018 A1 [0023]