DE102019218812A1

DE102019218812A1 - Matrixpotenzialsensor und Messverfahren zur Bestimmung des Matrixpotenzials

Info

Publication number: DE102019218812A1
Application number: DE102019218812.5A
Authority: DE
Inventors: Steffen Kurth; William Mende; Benjamin Heibutzki; Sven Voigt; Perez Weigel; Toni Großmann; Wolfgang Dettmann; Jochen Arold
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2019-12-03
Filing date: 2019-12-03
Publication date: 2021-06-10

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Matrixpotentialsensor zur Bestimmung der Saugspannung eines Mediums mit einem ersten, mit dem Medium hydraulisch gekoppelten Probenkörper (104), der wenigstens ein saugfähiges erstes Matrixmaterial enthält, wobei der elektrische Widerstand des ersten Probenkörpers von der Saugspannung des mit diesem hydraulisch gekoppelten Mediums abhängt. Eine genaue , störungsfreie und zuverlässige Messung soll dadurch realisiert werden, dass zur Messung des elektrischen Widerstandes des ersten Probenkörpers in oder an diesem ein erstes Elektrodenpaar (102a, 102b) mit einer ersten Elektrode (102a) und einer von dieser beabstandeten zweiten Elektrode (102b) vorgesehen ist, die mit wenigstens einer elektrischen Stromquelle (1, 2) verbunden sind und zwischen denen durch die Stromquelle ein elektrischer Strom durch das erste Matrixmaterial erzeugt wird, und dass an oder in dem ersten Probenkörper zur Messung eines Spannungsabfalls ein zweites Elektrodenpaar (101a, 101b) mit einer dritten Elektrode (101a) und einer von dieser beabstandeten vierten Elektrode (101b) vorgesehen ist, wobei alle Elektroden (101a, 101b, 102a, 102b) separat voneinander angeordnet, insbesondere die erste und die zweite Elektrode und deren Zuleitungen von der dritten und der vierten Elektrode und deren Zuleitungen innerhalb des Matrixmaterials beabstandet sind.

Description

Matrixpotenzialsensoren werden unter anderem zur Bestimmung der Saugspannung im Boden eingesetzt, können aber auch die Saugspannung in einem beliebigen an den Sensor hydraulisch gekoppelten Medium messen. Dabei wird die sich mit der Saugspannung des Mediums ändernde Leitfähigkeit des Matrixmaterials als Messprinzip verwendet.
Matrixpotenzialsensoren - teilweise auch als Gipsblocksensoren bekannt - dienen vorzugsweise zur Bestimmung der Saugspannung im Boden. Die Saugspannung gibt an, wie groß die Haltekräfte des Wassers im Boden sind und wird üblicherweise in Millibar oder Hektopascal angegeben. Pflanzen müssen die Haltekräfte des Wassers überwinden, um Wasser aus dem Boden zu entziehen.
Matrixpotenzialsensoren sind preiswert und ausreichend genau für Steueranwendungen in der Pflanzenbewässerung. Somit sind sie für übliche Anwendungen den zwar genaueren aber auch in der Anschaffung deutlich teureren Tensiometern überlegen.
Der Messeffekt beruht darauf, dass der Flüssigkeitsgehalt eines porösen Mediums die elektrische Leitfähigkeit dieses Mediums beeinflusst, wenn die Flüssigkeit eine definierte spezifische Leitfähigkeit aufweist. Zur Messung wird ein Probekörper aus einem porösen Material (Matrixmaterial) eingesetzt. Wenn der Probekörper eine hydraulische Anbindung an das Umgebungsmedium besitzt, dessen Saugspannung ermittelt werden soll, stellt sich nach einer von den jeweiligen Umständen (Berührungsfläche, Material zum Trennen des Probekörpers und Umgebungsmediums, Saugspannung des Probekörpers und des Umgebungsmediums) abhängigen Zeit ein Gleichgewicht der Saugspannungen ein. Dabei bewegt sich die Flüssigkeit des Umgebungsmediums in den Probekörper, solange die Saugspannung des Probekörpers größer als die des Umgebungsmediums ist. Im Gegensatz dazu bewegt sich Flüssigkeit aus dem Probekörper in das Umgebungsmedium, solange die Saugspannung des Umgebungsmediums größer als die des Probekörpers ist. Diese Ausgleichsvorgänge sind abgeschlossen, wenn die Sauspannung von Probekörper und Umgebungsmedium gleich sind.
Die Saugspannung poröser Materialien hängt von deren Porosität und vom Flüssigkeitsgehalt ab. Materialien mit kleinen Kapillaren erzeugen bei gleichem Flüssigkeitsgehalt eine größere Saugspannung aus Materialien mit größeren Kapillaren. Wird als Probekörper ein poröses Material mit definierten Kapillaren eingesetzt, kann man davon ausgehen, dass es in einem bestimmten Wertebereich der Saugspannung des Umgebungsmediums zu einem von dieser Saugspannung abhängigen Flüssigkeitsgehaltes des Probekörpers kommt. Neben flüssigkeitsgefüllten Kapillaren bestehen auch Kapillaren, die mit Luft oder einem anderen Gas aus der Umgebung und Dämpfen gefüllt sind. Diese tragen im Gegensatz zu den mit Flüssigkeit gefüllten Kapillaren nicht oder nur sehr gering zur elektrischen Leitung bei. Je mehr Kapillaren mit Flüssigkeit gefüllt sind, desto größer ist die elektrische Leitfähigkeit des porösen Materials des Probekörpers. Je weniger Kapillaren mit der Flüssigkeit gefüllt sind, desto niedriger wird die elektrische Leitfähigkeit des porösen Materials des Probekörpers.
Wird davon ausgegangen, dass die Flüssigkeit im Probekörper eine definierte Leitfähigkeit aufweist, kann durch eine Messung des spezifischen Widerstandes des porösen Materials des Probekörpers auf dessen Gehalt an Flüssigkeit und demzufolge auf die Saugspannung des Probekörpers geschlossen werden.
Aus der Offenlegungsschrift DE102004056178A1 ist eine Messmethode für Matrixpotenzialsensoren bekannt, welche die Nachteile des üblichen Verfahrens, welches mittels Wechselspannung arbeitet kompensiert und eine Messung des Widerstandes bzw. der Leitfähigkeit des Probekörpers selbst möglich macht. Hierzu wird in kurzen Pulsen eine Gleichspannung an den Sensor angelegt und durch Spannungsmessung zu verschiedenen Zeitpunkten eine Bilanzierung der Spannungen durchgeführt, um den Spannungsabfall über dem Probekörper direkt zu bestimmen. Ein Mikrocontroller übernimmt dabei die automatische Durchführung der Messung. Aufgrund der Ladespannung, die sich an beiden elektrischen Leitern zur Kontaktierung des Probekörpers aufgrund der Verwendung von Gleichspannungsimpulsen bildet, wird die gemessene Spannung mit dem Potential der Ladespannung überlagert und dadurch verfälscht. Die genannte Offenlegungsschrift beschreibt, dass dieser Störeffekt erst nach einer Minute abgeklungen ist und dazu zwingt, ein entsprechend langes Messintervall nicht zu unterschreiten. Ein Ziel der neuen Lösung besteht darin, diesen Nachteil zu beseitigen.
Aus der Offenlegungsschrift WO2014/113460A1 ist ein Aufbau eines biodegradierbaren Sensors bekannt, welcher aus dem Erdreich seine Daten beim Überfahren mit Landmaschinen oder mit einer Ausleseeinheit mittels RFID-Technologie übertragen kann. Der Sensorknoten besitzt keine Batterie und es werden unterschiedliche Sensormechanismen wie z. B. ionenselektive Messung, Leitfähigkeit, Feuchtigkeit, Temperatur, beschrieben.
Die Offenlegungsschrift WO2012/175976A1 beschreibt einen Matrixpotentialsensor welcher mit Hilfe von flexiblen Zwischenschichten zwischen porösen Material und Elektroden die Messgenauigkeit erhöht, indem Unebenheiten der Elektrodenoberfläche ausgeglichen werden und Hohlräume vermieden werden. Eine solche Zwischenschicht ist durch die Nutzung von Elektroden aus leitfähigem Polymer und dem in der hier beschriebenen Erfindung nicht notwendig.
Das US-Patent USOO7705616B2 beschreibt den Matrixpotenzialsensor und seinen konkreten Aufbau mit Gips-Tablette, einem Paar konzentrisch angeordneter Ringelektroden und dem gelochten Metallgehäuse mit Vlieseinlage.
Der vorliegenden Erfindung liebt vor dem Hintergrund des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, ein einfaches elektrisches Messverfahren sowie einen Matrixpotentialsensor zu schaffen, um den Zusammenhang zwischen Matrixpotenzial und elektrischer Leitfähigkeit herzustellen und in einem kompakten Gehäuse als Sensor für Messungen bereitzustellen. Dabei sollen bekannte Nachteile der Standardmessverfahren kompensiert oder vermieden werden. Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Erfindung durch einen Matrixpotentialsensor gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben mögliche Implementierungen.
Die Erfindung bezieht sich demgemäß auf einen Matrixpotentialsensor zur Bestimmung der Saugspannung eines Mediums mit einem ersten, mit dem Medium hydraulisch gekoppelten Probenkörper, der wenigstens ein saugfähiges erstes Matrixmaterial enthält, wobei der elektrische Widerstand des ersten Probenkörpers von der Saugspannung des mit diesem hydraulisch gekoppelten Mediums abhängt.
Die Aufgabe, einen derartigen Sensor möglichst einfach und derart zu gestalten, dass Messungen genau und unverfälscht ermöglicht werden, wird gemäß der Erfindung derart gelöst, dass zur Messung des elektrischen Widerstandes des ersten Probenkörpers in oder an diesem ein erstes Elektrodenpaar mit einer ersten Elektrode und einer von dieser beabstandeten zweiten Elektrode vorgesehen ist, die mit wenigstens einer elektrischen Stromquelle verbunden sind und zwischen denen durch die Stromquelle ein elektrischer Strom durch das erste Matrixmaterial erzeugt wird, und dass an oder in dem ersten Probenkörper zur Messung eines Spannungsabfalls ein zweites Elektrodenpaar mit einer dritten Elektrode und einer von dieser beabstandeten vierten Elektrode vorgesehen ist, wobei alle Elektroden separat voneinander angeordnet, insbesondere die erste und die zweite Elektrode elektrisch mit der dritten und der vierten Elektrode innerhalb des ersten Probenkörpers ausschließlich mittels eines Matrixmaterials verbunden sind.
Die Aufgabe kann in einer alternativen Darstellung der Lösungsform auch dadurch gelöst werden, dass zur Messung des elektrischen Widerstandes des ersten Probenkörpers in oder an diesem ein erstes Elektrodenpaar mit einer ersten Elektrode und einer von dieser beabstandeten zweiten Elektrode vorgesehen ist, die mit wenigstens einer elektrischen Stromquelle verbunden sind und zwischen denen durch die Stromquelle ein elektrischer Strom durch das erste Matrixmaterial erzeugt wird, und dass an oder in dem ersten Probenkörper zur Messung eines Spannungsabfalls ein zweites Elektrodenpaar mit einer dritten Elektrode und einer von dieser beabstandeten vierten Elektrode vorgesehen ist, wobei die erste und die zweite Elektrode und deren Zuleitungen von der dritten und der vierten Elektrode und deren Zuleitungen innerhalb des Matrixmaterials beabstandet sind.
Durch die beschriebene Gestaltung und Anordnung der Elektroden können Verfälschungen der Messung, die durch parasitäre Widerstände und Kapazitäten sowie durch elektrochemische Effekte an den Elektroden entstehen könne, weitgehend vermieden werden. Mit dem ersten Elektrodenpaar kann zuverlässig ein Strom mit einer kontrollierbaren Stromstärke in dem Matrixmaterial eingeprägt/erzeugt werden. Durch die Wahl einer geeigneten Stromquelle, beispielsweise mit einem genügend hohen Innenwiderstand und/oder durch Vorsehen eines ausreichend hohen Vorwiderstandes, beispielsweise auch durch die Wahl geeigneter Materialien mit einem ausreichend hohen elektrischen Widerstand für die erste und die zweite Elektrode und/oder durch Verwendung einer Stromregelung kann die Stromstärke ausreichend genau bestimmt und auch konstant gehalten werden. Dies gilt auch bei Änderungen der Kontaktierung zwischen dem Matrixmaterial und den Elektroden des ersten Elektrodenpaares. Solche Änderungen können relativ leicht auftreten dadurch, dass die Elektroden in das Matrixmaterial lediglich eingesteckt sind und dass das Matrixmaterial nicht notwendigerweise fest ist. Das Matrixmaterial kann auch wenigstens teilweise als Schüttung oder als eine gepresste Menge eines Schüttgutes vorliegen. Der Leitungswiderstand jeder der Elektroden, insbesondere der ersten und der zweiten Elektrode, einschließlich ihrer Zuleitungen, kann jeweils zwischen dem im Probekörper angeordneten Ende und dem an eine Messschaltung angeschlossenen Ende zwischen 500 Ohm und 500 Kiloohm betragen. Solche Werte könne durch die Verwendung von leitfähigen Polymerelektroden erreicht werden. Hierzu kann beispielsweise das Polymer mit einem leitfähigen Werkstoff gefüllt sein. Durch die Erzeugung derartiger Zuleitungswiderstände wird der Strom durch den Probekörper zusätzlich, auch bei Kontaktwiderstandsänderungen stabilisiert.
Dadurch, dass die Spannungsmessung unabhängig von der Stromeinprägung implementiert ist, kann die Spannungsmessung für sich optimiert werden. Elektrochemische Effekte an den Elektroden können somit entweder eliminiert oder zumindest stabilisiert/konstant gehalten werden, so dass sie die individuellen Messungen nicht beeinflussen. Die Elektroden zur Spannungsmessung müssen auch nicht niederohmig mit dem Matrixmaterial verbunden sein, so dass die Messung auch bei nicht optimalem Kontakt noch zuverlässig durchgeführt werden kann.
Eine besondere Ausgestaltung des Sensors kann dabei vorsehen, dass die Anordnung der zwei Elektrodenpaare als Vier-Leiter- Anordnung ausgebildet ist.
Die Vier- Leiter- Anordnung umschreibt dabei die Anordnung der vier Einzelelektroden der beiden genannten Elektrodenpaare, die jeweils einzeln separat in dem Probenkörper angeordnet sind, und von denen insbesondere jede ihre eigene Zuleitung bis zur Steuer- und Auswerteschaltung besitzt.
Eine Implementierung der Erfindung kann auch vorsehen, dass das erste und/oder das zweite Elektrodenpaar als Paar von Polymerelektroden ausgebildet ist.
Solche Polymerelektroden können aus einem an sich schon teilweise leitfähigen Werkstoff bestehen oder der Werkstoff kann mit einem leitfähigen Material, wie zum Beispiel Kohlenstoff, gefüllt sein. Es kommen als Grundmaterial beispielsweise einige Kunststoffe, Keramik oder auch Gummi in Frage.
Eine weitere mögliche Implementierung kann vorsehen, dass zusätzlich zu dem ersten Probenkörper wenigstens ein zweiter Probenkörper mit wenigstens einem zweiten Matrixmaterial vorgesehen ist, wobei zur Messung des elektrischen Widerstandes des zweiten Probenkörpers in oder an diesem ein drittes Elektrodenpaar mit einer fünften Elektrode und einer von dieser beabstandeten sechsten Elektrode vorgesehen ist, die insbesondere mit der ersten und zweiten Elektrode identisch oder mit diesen verbunden sind, die mit wenigstens einer elektrischen Stromquelle verbunden sind und zwischen denen durch die Stromquelle ein elektrischer Strom durch das zweite Matrixmaterial erzeugt wird, und dass an oder in dem zweiten Probenkörper zur Messung eines Spannungsabfalls ein viertes Elektrodenpaar mit einer siebten Elektrode und einer von dieser beabstandeten achten Elektrode vorgesehen ist, wobei die fünfte und die sechste Elektrode und deren Zuleitungen von der siebten und der achten Elektrode und deren Zuleitungen separat, insbesondere innerhalb des Matrixmaterials beabstandet sind oder wobei die fünfte und die sechste Elektrode elektrisch mit der siebten und der achten Elektrode innerhalb des zweiten Probenkörpers ausschließlich mittels eines Matrixmaterials verbunden sind und wobei insbesondere das erste Matrixmaterial von dem zweiten Matrixmaterial verschieden ist.
Mit der beschriebenen Anordnung wird die Widerstandsmessung und damit die Messung der Saugspannung in dem Matrixsensor gleichzeitig oder nacheinander an mehreren Probenkörpern möglich. Diese können unterschiedliche Matrixmaterialien aufweisen, die zum Beispiel unterschiedlich porös sind oder unterschiedliche Arten oder Beimengungen von Salzen enthalten, die die eindringende Flüssigkeit leitfähig machen.
Die Elektroden des zweiten Probenkörpers können separat von denen des ersten Probenkörpers angelegt sein, jedoch können für die Stromeinprägung ohne weiteres dieselben Elektroden des ersten Paares sowohl für einen ersten als auch einen zweiten Probenkörper verwendet werden. Das dritte Elektrodenpaar ist in einem solchen Fall gleich/identisch dem ersten Elektrodenpaar oder stellt Verlängerungen der Elektroden des ersten Elektrodenpaares bis zum zweiten Probenkörper dar.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Stromquelle zur Erzeugung von Wechselstrombelastungen mit einer Impulsgruppendauer zwischen 1 Millisekunde und 500 Millisekunden und Pausen zwischen den Impulsgruppen eingerichtet ist, deren Dauer länger ist als die Dauer der Impulsgruppen, insbesondere länger als die zweifache oder fünffache Impulsgruppendauer, weiter insbesondere länger als 5 oder 10 Sekunden.
Um jegliche Belastung oder Veränderung der physikalischen Verhältnisse an den Elektroden des ersten oder dritten Elektrodenpaares zu vermeiden, wird ein zeitlich begrenztes und gegebenenfalls wiederholtes Wechselstromsignal für die Messung verwendet. Die Pausen zwischen den Impulsgruppen sind für eine Beruhigung und Normalisierung des Matrixmaterials und der Kontaktstelle zwischen dem Matrixmaterial und den Elektroden vorgesehen.
Die Erfindung bezieht sich zudem auf ein Verfahren zum Betrieb eines mit einem Medium hydraulisch gekoppelten Matrixpotenzialsensors mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Elektrodenpaar, deren Elektroden in oder an einem ersten Matrixmaterial eines ersten Probenkörpers jeweils separat oder beabstandet voneinander angeordnet sind, wobei im Zuge des Verfahrens mittels des ersten Elektrodenpaares in dem ersten Matrixmaterial des ersten Probenkörpers ein elektrischer Strom erzeugt wird und mittels des zweiten Elektrodenpaares ein Spannungsabfall in dem ersten Matrixmaterial gemessen wird, wobei mittels des ersten Elektrodenpaares ein Wechselstrom mit einer Impulsgruppendauer zwischen 1 Millisekunde und 500 Millisekunden erzeugt wird, wobei während der Zeit, in der der Wechselstrom fließt, durch das zweite Elektrodenpaar ein Spannungsabfall in dem ersten Matrixmaterial erfasst wird und wobei die Stromparameter und die gemessenen Spannungsparameter verknüpft und aus diesen ein elektrischer Widerstand des ersten Matrixmaterials ermittelt wird.
Die erfassten Strom- und Spannungswerte werden gesondert einem Microcontroller zugeleitet, der aus den Werten einen elektrischen Widerstandswert und aus diesem einen Wert für die Saugspannung im Probenkörper und in dem Medium ermittelt
Eine weitere mögliche Implementierung eines solchen Verfahrens kann vorsehen, dass das oben beschriebene Verfahren nach einer Pause wiederholt wird, deren Dauer länger ist als die Dauer der Impulsgruppe, insbesondere länger als die zweifache oder fünffache Impulsgruppendauer, weiter insbesondere länger als 5 oder 10 Sekunden.
Mit einem solchen Tastverhältnis zwischen den „bursts“, das heißt den Impulsen einer ersten Impulsgruppe, denen einer folgenden Impulsgruppe und der Pausendauer dazwischen wird eine bleibende Veränderung der elektrischen Verhältnisse im Betrieb an den Elektroden vermieden.
Eine weitere mögliche Implementierung kann zudem vorsehen, dass das oben beschriebene Verfahren nacheinander oder gleichzeitig an verschiedenen Matrixmaterialien in verschiedenen Probenkörpern des Matrixpotentialsensors durchgeführt wird.
Hierdurch kann einerseits durch Parallelmessungen die Zuverlässigkeit der Messung erhöht oder bei Verwendung verschiedener Matrixmaterialien der Messbereich erweitert werden.
Zusätzlich zu dem Sensor und dem Messverfahren bezieht sich die Erfindung auch auf einen Probenkörper für einen Matrixpotentialsensor der oben beschriebenen Art mit einem ersten Matrixmaterial, das ein poröses Grundmaterial, insbesondere eine Keramik oder einen Kunststoff aufweist, das von einem Salz, insbesondere Kaliumsulfat durchsetzt ist.
Durch die Durchsetzung des Matrixmaterials mit einem in Wasser löslichen Material, das die elektrischen Leitfähigkeit beeinflusst, wird bei Eindringen des Wassers in das Matrixmaterial spätestens mit der Sättigung der Lösung eine definierte Leitfähigkeit der Flüssigkeit erreicht, so dass aus der Leitfähigkeit des mit der Flüssigkeit angereicherten Matrixmaterials das Maß der Füllung mit der Flüssigkeit ermittelt werden kann. Es kommen für das Matrixmaterial verschiedene poröse Materialien wie Sinterkeramiken oder gepresste Kunststoffgranulate in Frage, die jeweils mit Salzen durchsetzt oder gefüllt sein können.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren einer Zeichnung dargestellt und nachfolgend erläutert.
Dabei zeigt

1: einen schematischen Aufbau eines Matrixpotentialsensors,
2: einen schematischen Aufbau eines Matrixpotentialsensors mit 2 Probenkörpern,
3: ein Ersatzschaltbild eines Matrixpotentialsensors,
4 a-d: eine elektronische Schaltung zur Durchführung von Messungen an einem Matrixpotentialsensor sowie Spannungsverläufe zur Erzeugung eines Stroms durch ein Matrixmaterial,
5 a-c: verschiedene Darstellungen eines Matrixpotentialsensors mit 2 Probenkörpern, sowie
6 a und b: verschiedene Darstellungen eines weiteren Matrixpotentialsensors.

Die Messung erfolgt entsprechend der vorliegenden Erfindung im Matrixmaterial beispielsweise an Elektroden aus einem leitfähigem Polymermaterial unter Nutzung einer Vier-Leiter-Anordnung. Die Messung wird mittels eines Mikrocontrollers gesteuert und das Messsignal wird in dem Mikrocontroller ausgewertet. Hierdurch werden auch Störeinflüsse anhand von Referenzmessungen eliminiert. Zur Messung wird an die Steuerleitungen der Messfelder, das heißt die Anschlussleitungen der Elektroden des ersten und gegebenenfalls des dritten Elektrodenpaars ein Wechselspannungssignal angelegt, welches aus kurzen Impulsgruppen (Gesamtlänge z.B. 5ms) und verhältnismäßig langen Pausen (z.B. 10 Sekunden) dazwischen besteht. Dies minimiert den Leistungsverbrauch erheblich und lässt die Nutzung als autarken Sensorknoten zu.
Um einen Störeinfluss der offenliegenden, leitfähigen Elektroden aus Polymermaterial zu vermeiden, werden diese außerhalb des Matrixmaterials mit einer Isolierenden Beschichtung versehen. Die Elektroden können mitsamt ihren Zuleitungen aus demselben Material, also dem leitenden Polymermaterial, bestehen
Das Matrixmessfeld, also das Volumen des jeweiligen Probenkörpers ist gefüllt mit einer Materialmischung aus Kalziumsulfat und einem granularen Füllstoff, welche ein poröses Medium bildet. Die Granularität des Füllstoffes kann gemäß dem gewünschten Messbereich der Saugspannung gewählt werden. Durch individuelle Materialkombinationen und Mischungsverhältnisse, beispielsweise zwischen einem Füllstoff und einem hinzugefügten Salz, kann der Messbereich zusätzlich auf den jeweiligen Anwendungsfall angepasst werden. Durch den Einsatz von mehreren Messfeldern oder Probenkörpern - welche auch mit unterschiedlichen Matrixmaterial gefüllt sein können oder der Kombination von verschiedenen Materialmischungen innerhalb eines Messfeldes, ist eine fein abgestufte Anpassung des Messbereichs möglich.
Die Erfindung umfasst ein Messverfahren, eine Vorrichtung zur Bestimmung der Saugspannung im Umgebungsmedium mittels eines Matrixpotenzialsensors, sowie die Materialkombinationen im Matrixmessfeld/Probenkörper.
Wenn der Ausgleichsvorgang der Durchsetzung des Messfelds/Probenkörpers mit der Flüssigkeit des Mediums abgeschlossen ist, entspricht die Saugspannung des Probekörpers der Saugspannung des Umgebungsmediums. Die Leitfähigkeit der Flüssigkeit im Probekörper soll dabei durch den Einsatz eines speziellen Salzes wenigstens in dem örtlichen Bereich, in dem Leitfähigkeitsmessung stattfindet, definiert und unabhängig von der Saugspannung eingestellt werden. Zu diesem Zweck ist der Einsatz von Kalziumsulfat als Bestandteil des Messfeldes/Probenköprers bekannt, das im Wasser eine gesättigte Lösung bildet und aufgrund der starken Dissoziation des Wassers eine hohe Leitfähigkeit der Flüssigkeit gewährleistet, solange sie wässriger Natur ist. Das Kalziumsulfat löst sich im Wasser und ionisiert dieses, sodass eine gesättigte Lösung entsteht und damit ist eine Messung der Leitfähigkeit des Probenkörpers unabhängig vom Vorhandensein anderer Stoffe im Wasser möglich. Die Leitfähigkeit des Matrixmaterials des Probenkörpers ändert sich mit steigendem Wassergehalt/Flüssigkeitsgehalt im Matrixmaterial und es ergibt sich somit ein Zusammenhang zwischen gemessener Leitfähigkeit und Saugspannung.
Die elektrische Leitfähigkeit wird mittels einer durch einen Mikrokontroller gesteuerten elektronischen Schaltung ermittelt. Bei der Gestaltung der Schaltung und der elektrischen Kontaktierung des Probekörpers sowie bei der Wahl der Messspannung sind elektrische und elektrochemische Effekte zu berücksichtigen.
Zwischen dem Matrixmaterial des Probekörpers und dem Material der elektrischen Kontaktierung bildet sich beim Anlegen einer elektrischen Spannung eine elektrochemische Doppelschicht. Zusammen mit der leitfähigen Flüssigkeit ergibt jeder elektrische Kontakt zum Material des Probekörpers eine Anordnung, die eine Doppelschichtkapazität, eine Pseudokapazität durch Redoxreaktionen und einen Widerstand parallel dazu beinhaltet. Diese Effekte sind bei einer einfachen Messung des Widerstandes gemäß dem Stand der Technik an einem Flüssigkeit enthaltenden Probekörper durch zwei angelegte elektrische Leiter zu beachten und überlagern den Messeffekt durch einen elektrischen Widerstand zwischen dem elektrischen Leiter und dem Probekörper, der unter anderem vom Stromfluss und von der Dauer des Stromflusses abhängt, durch eine elektrische Kapazität zwischen dem elektrischen Leiter und dem mit Flüssigkeit gefüllten Probekörper und durch eine elektrochemische Ladespannung.
Nach dem Stand der Technik wird bei Matrixpotenzialsensoren ein Wechselspannungssignal angelegt und über die Messung des Spannungsabfalls über einen Referenzwiderstand die Berechnung des komplexen Widerstandes des Probekörpers möglich. Dieser komplexe Widerstand beinhaltet jedoch auch Leitungswiderstände, Leitungskapazitäten und Übergangswiderstände, welche das Messergebnis erheblich beeinflussen. Diese genannten Störeinflüsse erden gemäß der Erfindung vermieden oder minimiert.
Trotz der preisgünstigen Herstellung von Gipsblocksensoren und der einfachen elektrischen Auswertung sind die Genauigkeit und der Messbereich der bekannten Sensoren eingeschränkt. Deren Kennwerte sind abhängig von der Materialmischung (Porosität) des Matrixmaterials und des Widerstandnetzwerks, welches sich aus Vorwiderstand, Leitungswiderstand und dem Widerstand des Probekörpers selbst ergibt. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, beeinträchtigen diese Effekte Messgenauigkeit und Einsatzbedingungen.
Die oben genannten Effekte, die die Messgenauigkeit beeinträchtigen, werden durch den Einsatz einer Vier-Leiter-Messung gemäß der Erfindung weitgehend eliminiert. Dabei werden vier Elektroden in den Probenkörper so eingebracht, dass ein erstes Elektrodenpaar einen elektrischen Strom im Matrixmaterial des Probenkörpers erzeugt oder einprägt, wenn eine elektrische Spannung an den Anschlussleitungen angelegt wird. Durch eine geeignete Schaltungsanordnung wird ein impulsförmiger oder ein kontinuierlicher Wechselstrom durch den Probenkörper geleitet. Die Schaltungsanordnung ist so gestaltet, dass die Amplitude des Stromes nur wenig oder nicht von der Doppelschichtkapazität, der Pseudokapazität, dem Gleichstromwiderstand und der elektrischen Ladespannung beeinflusst wird. Das erfolgt durch so genannte Stromquellen-Schaltungen, durch eine Einspeisung des Potentials über einen hochohmigen externen Widerstand, der als Vorwiderstand vor dem Probenkörper dient. Es kann auch die Amplitude des Stromes gemessen und auf einen Zielwert geregelt werden. Ein zweites Elektrodenpaar, das sich im Strompfad des Probenkörpers befindet, dient dazu, die elektrische Potentialdifferenz hochohmig abzugreifen, das sich proportional zum Widerstand im Inneren des Probekörpers im elektrischen Strompfad bildet. Der Stromfluss durch die Elektroden dieses zweiten Elektrodenpaares ist sehr gering und wird vom Innenwiderstand der elektrischen Schaltung zur Spannungsmessung und durch die Kapazität der Zuleitungen bestimmt.
Die elektrische Widerstandsmessung am Probenkörper erfolgt durch einen symmetrischen Schaltungsaufbau derart, dass ein Wechselstrom bzw. Wechselstromimpulse durch den Probenkörper fließen. Gleichstromanteile werden weitgehend unterdrückt. Infolgedessen kommen es nahezu nicht zu Redoxreaktionen an den Elektroden, wie das beim Einsatz einer Gleichstromquelle der Fall wäre. Konsequenterweise wird die Messung des elektrischen Potentials durch die elektrisch leitfähigen Polymerelektroden gleichfalls mit einer symmetrischen Schaltungsanordnung durchgeführt, so dass gegebenenfalls in die Messschaltung abfließende Ströme in der folgenden Halbperiode der Wechselspannung oder der impulsförmigen Wechselspannung kompensiert werden und effektiv keine elektrische Ladung verbleibt.
Diese aus der klassischen Elektrotechnik bekannte Vierleitertechnik zur Messung des spezifischen Widerstandes bekommt in dieser Anwendung eine besondere Bedeutung dadurch, dass neben der Reduzierung des Einflusses von Zuleitungs- und Kontaktwiderständen, wie in der klassischen Elektrotechnik, auch die Wirkung einer elektrischen Ladespannung am ersten Elektrodenpaar wesentlich reduziert wird bzw. sich die Wirkung einer elektrischen Ladespannung am zweiten Elektrodenpaar gegenseitig kompensiert und dadurch unwirksam wird. Die Anordnung entfaltet Vorteile besonders auch dann, wenn die Kontaktbedingungen zwischen den Elektroden und dem Matrixmaterial, das beispielsweise als Schüttung vorliegen kann, nicht optimal definiert oder nicht sehr stabil sind.
Eine bevorzugte Variante der Anordnung benutzt elektrisch leitfähige Elektroden aus Polymermaterial, z.B. kohlenstoffgefülltes Polymer. Das hat den Vorteil, dass die bei Metallen bekannten Korrosionseffekte, die zu reduzierter Elektrodenfläche, zu Veränderungen der elektrochemischen Effekte oder zur mechanischen Zerstörung der Elektroden führen können, nicht auftreten. Außerdem können die Elektroden und gegebenenfalls auch ihre Zuleitungen als Vorwiderstand für die Stromeinprägung verwendet werden. Zudem ist eine umweltschonende thermische Verwertung derartiger Sensoren nach dem Gebrauchsende einfacher möglich. Die Nutzung von Polymeren als Materialien zum Aufbau der Sensoren ermöglicht einen Aufbau von vollständig biologisch abbaubaren bzw. inerten Sensorelementen. Sowohl Sensorgehäuse als auch die Elektronik können aus kompostierbaren oder inerten Materialen ausgeführt sein und ermöglichen umweltfreundlich abbaubare Elektroniksysteme, welche nach dem Ende ihrer Lebensdauer z.B. thermisch verwertet werden oder kompostiert werden können.
Die vorliegende Lösung gestattet zudem eine anwendungsspezifische Messbereichseinstellung durch den Einsatz von mehreren Probenkörpern mit unterschiedlichen Matrixmaterialmischungen. Somit kann der Messbereich an die Anforderungen angepasst werden und es kann durch Überlagerung oder Kombination der Messwerte verschiedener Matrixmessfelder ein großer Messbereich abgedeckt werden. Der Einsatz ist nicht auf das Material von Böden limitiert.
Die 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Matrixpotenzialsensors mit einem integrierten Mikrocontroller 107, welcher auf einer Trägerplatine 108 aufgebracht ist. Dies kann entweder eine gewöhnliche Leiterplatte oder ein biologisch abbaubares Trägersubtrat sein.
1 zeigt den schematischen Aufbau eines Matrixpotenzialsensors mit einem ersten Paar 102a, 102b und einem zweiten Paar 101a, 101b elektrisch leitfähiger Polymerelektroden und einem Probekörper 104 mit einer porösen Matrixmaterialmischung, die Kalziumsulfat und einen Füllstoff enthält. Der Probekörper ist innerhalb des Gehäuses 106 angeordnet und hydraulisch an das Umgebungsmedium gekoppelt (z.B. in den Boden eingebracht). Jeweils ein Ende der elektrisch leitfähigen Polymerelektroden 101a, 101b, 102a, 102b sind an eine Auswerteelektronik mit integriertem Mikrokontroller 107 angeschlossen. Dabei ragen die elektrisch leitfähigen Polymerelektroden 102a, 102b in den Probekörper hinein und sind dazu vorgesehen, einen elektrischen Strom im Probekörper 104 zu erzeugen. Die elektrisch leitfähigen Polymerelektroden 101a, 101b ragen ebenfalls in den Probekörper hinein und werden zur Messung einer elektrischen Potentialdifferenz/eines Spannungsabfalls im Probenköper 104 eingesetzt, die ein Maß für den elektrischen Widerstand des Matrixmaterials ist.
2 zeigt den schematischen Aufbau eines Matrixpotenzialsensors mit elektrisch leitfähigen Polymerelektroden 101a, 101b,102a, 102b,103a, 103b und zwei Probekörpern 104, 105 mit einer porösen Matrixmaterialmischung (Kalziumsulfat + Füllstoff). Die Probekörper 104, 105 sind innerhalb des Gehäuses 106 angeordnet und hydraulisch an das Umgebungsmedium gekoppelt (z.B. in den Boden eingebracht). Die Enden der elektrisch leitfähigen Polymerelektroden 101a, 101b, 102a, 102b, 103a, 103b sind an eine Ansteuer- und Auswerteelektronik angeschlossen. Dabei sind die elektrisch leitfähigen Polymerelektroden 102a, 102b des ersten Elektrodenpaares dazu vorgesehen, einen elektrischen Strom in beiden Probenkörpern 104 und 105 zu erzeugen. Die Verlängerungen der Polymerelektroden 102a, 102b bis zum zweiten Probenkörper 105 können auch als drittes Elektrodenpaar mit einer fünften Elektrode 120a, und einer sechsten Elektrode 120b betrachtet und bezeichnet werden. Die elektrisch leitfähigen Polymerelektroden 101a, 101b des zweiten Elektrodenpaares werden zur Messung der abfallenden elektrischen Spannung im ersten Probenköper 104 und die Polymerelektroden 103a, 103b des vierten Elektrodenpaares werden zur Messung der abfallenden elektrischen Spannung im zweiten Probenköper 105 verwendet und sind in den Probenkörpern jeweils zwischen den Elektroden 102a, 102b, 120a, 120b angeordnet. Die Polymerelektroden 103a, 103b des vierten Elektrodenpaares sind in dem Ausführungsbeispiel derart gebogen, dass sie den zweiten Probenkörper neben den Elektroden120a, 120b passieren, aus dem zweiten Probenkörper austreten und nach einer 180 Grad-Wendung zwischen den Elektroden 120a, 120b wieder in diesen zur Spannungsmessung hineinragen. Damit kann mittels der Probenkörper 104, 105 in einem Matrixsensor eine Saugspannung mit unterschiedlichen Matrixmaterialien und verschiedenen Messempfindlichkeiten bzw. Messbereichen ermittelt werden.
3 zeigt das Ersatzschaltbild des Matrixpotenzialsensors mit einer Vier-Leiter-Anordnung. Folgende Elemente sind darin enthalten:

a. R2₁, R2₂, R2₃ sind die Widerstände zwischen den Elektroden im Matrixmaterial des Probekörpers. Sie stehen in direkten Zusammenhang mit dem Wassergehalt im Material
b. C2₁, C2₂, C2₃ sind parasitäre Kapazitäten im Gehäuse und an den Elektroden außerhalb des Probekörpers und beinhalten auch die Leitungskapazitäten
c. R1_x, U1_x, C1_x (x kann=1, 2 oder 3 sein) repräsentieren Störgrö-ßen, welche aus z.B. aus Kontaktwiderständen und elektrochemischen Prozessen entstehen. Sie verfälschen das Messergebnis.
d. R_V1, R_V2, R_V3, R_V4 sind Widerstände der Zuleitungen aus elektrisch leitfähigem Polymermaterials bzw. externe Widerstände, die als Vorwiderstände bei der Stromeinprägung in den Probekörpern dienen und eine Größenordnung von jeweils zwischen 500 Ohm und 500 Kiloohm aufweisen.

4a zeigt schematisch anhand eines Beispiels eine elektronische Schaltung zur Widerstandsmessung an einem Probenkörper unter Verwendung einer impulsförmigen Wechselspannung zur Erzeugung eines Stroms durch den Probenkörper. Zwei Spannungsquellen 1,2, die durch Ausgänge eines Mikrocontrollers gespeist werden, erzeugen die Spannungsimpulse U_inv und Utr, wie im Diagramm 4b bzw. 4c gezeigt ist. Aufgrund der elektrischen Schaltung mit den Dioden D11, D12, den Schutzdioden D21 und D22 sowie den Widerständen Rinv und Rtr bildet sich als resultierende Potentialdifferenz an den Elektroden 102a und 102b eine elektrische Spannung U_t = U_t1 - U_t2, wie im Diagramm 4d gezeigt ist. Obwohl die Spannungen U_inv und Utr unipolar Spannungen sind, ist die Spannung am Probenkörper symmetrisch bipolar, so dass ein Wechselstrom bzw. ein impulsförmiger Wechselstrom durch den Probenkörper fliest und effektiv keine Ladung zurückbleibt.
5a, 5b und 5c zeigen ein Ausführungsbeispiel als Topfpflanzensensor mit zwei Matrixmessfeldern. Der Matrixpotentialsensor enthält zwei Probekörper, wobei ein Probekörper 104 lediglich im oberen Bereich des Sensors an das Umgebungsmedium angekoppelt ist und ein anderer Probeköper 105 lediglich im unteren Bereich an das Umgebungsmedium angekoppelt ist. Das ermöglicht die Messung der Saugspannung in unterschiedlichen Bereichen des Umgebungsmediums. Das Ausführungsbeispiel enthält eine Trennung zwischen dem mit dem Matrixmaterial versehenen Probekörpern 104 und 105 und dem Umgebungsmedium in Form eines Kunststoffvlieses und einer perforierten Wand 110 des Gehäuses 106. Im Ausführungsbeispiel besteht der perforierte Teil der Wand des Gehäuses 106 aus Metall. Es kann jedoch hierfür auch Kunststoff oder ein anderes biologisch abbaubares Material eingesetzt werden. Die Enden der elektrisch leitfähigen Polymerelektroden 101a,101b, 102a, 102b, und 103a, 103b sind im abgebildeten Ausführungsbeispiel mit einer elektrischen Kontaktleiste 111 für den elektrischen Anschluss an eine elektronische Schaltung verbunden. Das untere Ende des Matrixpotentialsensors in dieser Ausführung wird durch ein sich nach außen verjüngendes Gehäuseteil 107 gebildet, das bis in das Innere des Gehäuses 106 ausgebildet ist und jeweils den unteren Abschluss der Probenkörper 104 und 105 bildet. Dadurch ist das Füllen der Probenkörper 104 und 105 mit dem Matrixmaterial möglich, bevor das sich nach unten verjüngende Gehäuseteil 107 mit dem Gehäuse 106 zusammengebracht und mechanisch zusammengefügt wird. Der dargestellte Topfpflanzensensor enthält zudem noch Messfühler für Temperatur und Beleuchtung.
Die 6a und 6b zeigen in zwei verschiedenen Ansichten ein Ausführungsbeispiel für einen Bodensensor mit einem Gehäuse aus kompostierbaren Materialen. Das Gehäuse 106 besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus zwei gleichen Gehäusehälften, die in ihrem Inneren eine elektronische Schaltung 108 mit Mikrokontroller 107, ein Funk-Kommunikationsmodul 111, Antenne 112 und Batterie besitzen. Der Probenkörper 104 ist bei diesem Ausführungsbeispiel im unteren, spitz zulaufenden Bereich des Sensors angebracht und durch Perforationen des Gehäuses 106 hydraulisch an das Umgebungsmedium angekoppelt. Der Bodensensor enthält zudem Messfühler 113 zur Erfassung der Temperatur.
Aspekte der Erfindung

1. Matrixpotentialsensor zur Bestimmung der Saugspannung des angekoppelten Mediums mit einem Probenkörper aus einem Matrixmaterial, das insbesondere aus Kalziumsulfat und Füllstoff besteht und dessen elektrischer Widerstand als Maß für die Saugspannung des angekoppelten Mediums gemessen wird, wobei die Messung des elektrischen Widerstandes des Probenkörpers mittels einer Vier-Leiter- Messung erfolgt und wobei insbesondere die elektrischen Anschlüsse zum Probenkörper 104, 105 durch elektrisch leitfähigem Polymerelektroden 101a, 101b und 102a, 102b, 103a, 103b, 120a, 120b ausgebildet sind.
2. Matrixpotentialsensor nach Aspekt 1, wobei die elektrisch leitfähigen Elektroden, insbesondere Polymerelektroden 101a, 101b und 102a, 102b, 103a, 103b, 120a, 120b, jeweils einen elektrischen Widerstand zwischen ihren an der Auswerteschaltung oder dem Mikrocontroller angeschlossenen Enden und ihren Enden im Probenkörper zwischen 0,5 Kiloohm und 500 Kiloohm aufweisen.
3. Matrixpotentialsensor nach Aspekt 2, wobei die elektrisch leitfähigen Elektroden, insbesondere Polymerelektroden 101a, 101b und 102a, 102b, 103a, 103b, 120a, 120b außerhalb des Probenkörpers eine isolierende Beschichtung aufweisen oder gekapselt sind.
4. Matrixsensor nach einem der Aspekte 1 bis 3, wobei die Messung des Widerstandes des Probenkörpers durch eine elektronische Schaltung realisiert wird, die eine effektive Wechselstrombelastung mittels kurzer Impulsgruppen (Impulsgruppendauer zwischen 1 Millisekunde und 500 Millisekunden) und verhältnismäßig langen Pausen zwischen den Impulsgruppen (zwischen 500 Millisekunden und 10 Sekunden) erzeugt.
5. Matrixsensor nach einem der Aspekte 1 bis 4, wobei die Spannung zwischen den elektrisch leitfähigen Polymerelektroden 101a, 101b in einer kurzen Zeit (zwischen 0,01 Millisekunde und 100 Millisekunden) nach der Wechselspannungsbelastung gemessen und zur Berechnung des Widerstandes des Probenkörpers 104 verwendet wird.
6. Matrixsensor nach einem der Aspekte 1 bis 5, wobei mehrere Probenkörper 104, 105 verwendet werden und die Messung der elektrischen Widerstände der Probenkörper getrennt erfolgt.
7. Matrixmessfeld nach Aspekt 6 wobei die Ansteuerung mehrerer Messfelder/ Probenkörpern 104, 105 mit ihren Matrixmaterialmischungen mit dem gleichen Steuersignal in Form eines eingeprägten elektrischen Stroms erfolgt und eine gekoppelte Messung und Überlagerung oder Kombination der Messergebnisse der abfallenden Spannungen zu den einzelnen Messfeldern/Probenkörpern zur Messbereichserweiterung genutzt wird
8. Matrixsensor nach Aspekt 7, wobei die Probenkörper 104, 105 mit unterschiedlichem Matrixmaterial gefüllt sind und sich die Matrixmaterialien hinsichtlich der Porosität oder des Volumen- Füllgrades unterscheiden.
9. Matrixmessfeld nach einem der Aspekte 1 bis 9 mit einem Probenkörper 104, 105 mit einem porösem Medium aus keramischem Material oder Kunststoff in welches Kalziumsulfat eingebracht ist, sodass eindringendes Wasser zu einer gesättigten Kalziumsulfatlösung wird.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004056178 A1 [0007]
WO 2014/113460 A1 [0008]
WO 2012/175976 A1 [0009]

Claims

Matrixpotentialsensor zur Bestimmung der Saugspannung eines Mediums mit einem ersten, mit dem Medium hydraulisch gekoppelten Probenkörper (104), der wenigstens ein saugfähiges erstes Matrixmaterial enthält, wobei der elektrische Widerstand des ersten Probenkörpers von der Saugspannung des mit diesem hydraulisch gekoppelten Mediums abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung des elektrischen Widerstandes des ersten Probenkörpers in oder an diesem ein erstes Elektrodenpaar (102a, 102b) mit einer ersten Elektrode (102a) und einer von dieser beabstandeten zweiten Elektrode (102b) vorgesehen ist, die mit wenigstens einer elektrischen Stromquelle (1, 2) verbunden sind und zwischen denen durch die Stromquelle ein elektrischer Strom durch das erste Matrixmaterial erzeugt wird, und dass an oder in dem ersten Probenkörper zur Messung eines Spannungsabfalls ein zweites Elektrodenpaar (101a, 101b) mit einer dritten Elektrode (101a) und einer von dieser beabstandeten vierten Elektrode (101b) vorgesehen ist, wobei alle Elektroden (101a, 101b, 102a, 102b) separat voneinander angeordnet, insbesondere die erste und die zweite Elektrode elektrisch mit der dritten und der vierten Elektrode innerhalb des ersten Probenkörpers ausschließlich mittels eines Matrixmaterials verbunden sind.
Matrixpotentialsensor zur Bestimmung der Saugspannung eines Mediums mit einem ersten, mit dem Medium hydraulisch gekoppelten Probenkörper (104), der wenigstens ein saugfähiges erstes Matrixmaterial enthält, wobei der elektrische Widerstand des ersten Probenkörpers von der Saugspannung des mit diesem hydraulisch gekoppelten Mediums abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass zur Messung des elektrischen Widerstandes des ersten Probenkörpers in oder an diesem ein erstes Elektrodenpaar (102a, 102b) mit einer ersten Elektrode (102a) und einer von dieser beabstandeten zweiten Elektrode (102b) vorgesehen ist, die mit wenigstens einer elektrischen Stromquelle (1, 2) verbunden sind und zwischen denen durch die Stromquelle ein elektrischer Strom durch das erste Matrixmaterial erzeugt wird, und dass an oder in dem ersten Probenkörper zur Messung eines Spannungsabfalls ein zweites Elektrodenpaar (101a, 101b) mit einer dritten Elektrode (101a) und einer von dieser beabstandeten vierten Elektrode (101b) vorgesehen ist, wobei die erste und die zweite Elektrode und deren Zuleitungen von der dritten und der vierten Elektrode und deren Zuleitungen innerhalb des Matrixmaterials beabstandet sind.
Matrixpotentialsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der zwei Elektrodenpaare (101a, 101b, 102a, 102b) als Vier-Leiter- Anordnung ausgebildet ist.
Matrixpotentialsensor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder das zweite Elektrodenpaar (101a, 101b, 102a, 102b) als Paar von Polymerelektroden ausgebildet ist.
Matrixpotentialsensor nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem ersten Probenkörper (104) wenigstens ein zweiter Probenkörper (105) mit wenigstens einem zweiten Matrixmaterial vorgesehen ist, wobei zur Messung des elektrischen Widerstandes des zweiten Probenkörpers in oder an diesem ein drittes Elektrodenpaar mit einer fünften Elektrode (120a) und einer von dieser beabstandeten sechsten Elektrode (120b) vorgesehen ist, die insbesondere mit der ersten und zweiten Elektrode (102a, 102b) identisch oder mit diesen verbunden sind, die mit wenigstens einer elektrischen Stromquelle verbunden sind und zwischen denen durch die Stromquelle ein elektrischer Strom durch das zweite Matrixmaterial erzeugt wird, und dass an oder in dem zweiten Probenkörper (105) zur Messung eines Spannungsabfalls ein viertes Elektrodenpaar (103a, 103b) mit einer siebten Elektrode (103a) und einer von dieser beabstandeten achten Elektrode (103b) vorgesehen ist, wobei die fünfte und die sechste Elektrode und deren Zuleitungen von der siebten und der achten Elektrode und deren Zuleitungen separat, insbesondere innerhalb des Matrixmaterials beabstandet sind oder wobei die fünfte und die sechste Elektrode elektrisch mit der siebten und der achten Elektrode innerhalb des zweiten Probenkörpers ausschließlich mittels eines Matrixmaterials verbunden sind und wobei insbesondere das erste Matrixmaterial von dem zweiten Matrixmaterial verschieden ist.
Matrixpotentialsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Stromquelle (1, 2) zur Erzeugung von Wechselstrombelastungen mit einer Impulsgruppendauer zwischen 1 Millisekunde und 500 Millisekunden und Pausen zwischen den Impulsgruppen (200) eingerichtet ist, deren Dauer länger ist als die Dauer der Impulsgruppen, insbesondere länger als die zweifache oder fünffache Impulsgruppendauer, weiter insbesondere länger als 5 oder 10 Sekunden.
Verfahren zum Betrieb eines mit einem Medium hydraulisch gekoppelten Matrixpotenzialsensors mit wenigstens einem ersten und einem zweiten Elektrodenpaar, deren Elektroden (101a, 101b, 102a, 102b) in oder an einem ersten Matrixmaterial eines ersten Probenkörpers (104) jeweils separat oder beabstandet voneinander angeordnet sind, wobei im Zuge des Verfahrens mittels des ersten Elektrodenpaares (102a, 102b) in dem ersten Matrixmaterial des ersten Probenkörpers ein elektrischer Strom erzeugt wird und mittels des zweiten Elektrodenpaares (101a, 101b) ein Spannungsabfall in dem ersten Matrixmaterial gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des ersten Elektrodenpaares ein Wechselstrom mit einer Impulsgruppendauer zwischen 1 Millisekunde und 500 Millisekunden erzeugt wird, dass während der Zeit, in der der Wechselstrom fließt, durch das zweite Elektrodenpaar ein Spannungsabfall in dem ersten Matrixmaterial erfasst wird und dass die Stromparameter und die gemessenen Spannungsparameter verknüpft und aus diesen ein elektrischer Widerstand des ersten Matrixmaterials ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren nach einer Pause wiederholt wird, deren Dauer länger ist als die Dauer der Impulsgruppe (200), insbesondere länger als die zweifache oder fünffache Impulsgruppendauer, weiter insbesondere länger als 5 oder 10 Sekunden.
Verfahren zum Betrieb eines mit einem Medium hydraulisch gekoppelten Matrixpotenzialsensors, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren gemäß Patentanspruch 7 oder 8 nacheinander oder gleichzeitig an verschiedenen Matrixmaterialien in verschiedenen Probenkörpern (104, 105) des Matrixpotentialsensors durchgeführt wird.
Probenkörper für einen Matrixpotentialsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6 mit einem ersten Matrixmaterial, das ein poröses Grundmaterial, insbesondere eine Keramik oder einen Kunststoff aufweist, das von einem Salz, insbesondere Kaliumsulfat durchsetzt ist.