DE1648973A1

DE1648973A1 - Vorrichtung zur Messung des Trockenraumgewiehtes eines Bodens und Verfahren zu ihrer Einstellung

Info

Publication number: DE1648973A1
Application number: DE19671648973
Authority: DE
Inventors: Fritz Dr Rer Nat Koenig; Klaus Koenig
Original assignee: Losenhausen Maschinenbau AG
Current assignee: Losenhausen Maschinenbau AG
Priority date: 1967-11-29
Filing date: 1967-11-29
Publication date: 1971-05-27
Also published as: SE388687B; GB1245987A; DE1648973C3; DE1648973B2; FR1595786A

Description

Patentanmeldung

Losenhausen Maschinenbau AG. 4- Düsseldorf, Schlüterstr. 19

Vorrichtung zur Messung des Trockenraumgewichtes eines Bodens und Verfahren zu ihrer Einstellung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Trockenraumgewichts eines Bodens entweder unmittelbar (z.B. in Tonnen pro Kubikmeter) oder bezogen auf eine bekannte Bodengröße (z.B. die Proctordichte) mit einer Meßsonde enthaltend zwei Elektroden in dem zu untersuchenden Boden.

Für die Erstellung von Unterbauten von Straßen sowie auch bei Schüttungen von Dämmen ist eine ausreichende Verdichtung des aufgebrachten Bodens unerläßlich. In I

der Regel geben die Ausschreibungsbedingungen der Baubehörden hierfür bestimmte Mindestwerte an, die bei der Erstellung des Bauwerkes zu erreichen, sind. Es sind verschiedene Verfahren bekannt, die bei der Verdichtung des Bodens erzielte Verdichtung der Schüttung zu messen. Übliche Verfahren bedienen sich dabei der Entnahme ungestörter Bodenproben ₉ deren Trockengewichte und Volumina bestimmt werden. Diese Verfahren

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sind aber wegen ihrer Umständlichkeit in der Handhabung sowie wegen der Zeitdauer, die man zu ihrer Durchführung benötigt, in der Praxis wenig geschätzt. Es kommt hinzu, daß die Bestimmung der.Trockenraumdichte in beispielsweise 50 oder 80 cm Tiefe unter der Oberfläche der Schüttung sehr beschwerlich ist und daher selten mit der erforderlichen Sorgfalt und Genauigkeit ausgeführt werden kann.

Andere Keßverfahren benutzen die Absorption radioaktiver Strahlen durch die festen und flüssigen Bodenbestandteile . Die Trennung dieser beiden Absorptionseinflüsse macht es erforderlich, die Absorptionen verschiedener Strahlungen (Neutronenstrahlung und Gammastrahlung) nebeneinander zu beobachten, wodurch neben den Schwierigkeiten, die mit dem Umgang mit radioaktiven Stoffen allgemein verbunden sind, insbesondere der apparative Aufwand ins Gewicht fällt. Es bietet außerdem Schwierigkeiten, aus den erhaltenen Zählraten auf die gesuchten Meßgrößen zu schließen. ⁱ

Es ist ferner bekannt, Dichtebestimmungen des Bodens zu ersetzen durch Bestimmung der Elastizitätsmoduln mittels statischer (Lastplattenversuch) oder dynamischer Methoden (Ausbreitungsgeschwindigkeit räumlicher oder flächiger Wellenformen). Abgesehen davon, daß Platteridruckversuche praktisch auf ober-

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flächennahe Bereiche beschränkt bleiben und die Auswertung der Messungen über die Wellenausbreitung für die Praxis zu verwickelt und im einzelnen auch nicht genügend sicher ist, haftet diesem feifahren der Kachteil an, daß die durch sie ermittelte 'Größe viel eher durch die Vorspannung des Bodens als durch dessen Verdichtung bestimmt wird. So lassen sich zum Beispiel nach J. Theiner, Dissertation TH Aachen "1957., durch die bessere Verspannung der oberen Schotter- I

lage mit schweren Glattwalzen die 1/erte des Elastizitätsmoduls um bis zu 1oo % erhöhen, ohne daß dabei das Trockenraumgewicht wesentlich verändert wird. Zieht man in Betracht, daß bei den Aussreibungsbedingungen bereits einige Prozente des Trockenraumgewichts eine bedeutsame Rolle spielen, so kann von diesen Verfahren nicht erwartet vierden, daß von ihren Ergebnissen ein Entscheid über die Annahme oder Ablehnung einer Bauleistung abhängig gemacht werden kann»

Es ist ferner bekannt, für die Dichteprüfung von g

Boden elektrische V/iderstandsmessungen zu verwenden (G. Kronenberger in: Forscliunccsberichte des Landes Nordrhein-Westfalen TTr. 977)· Das bekannte Verfahren arbeitet mit Gleichstrom» Der Widerstand des Bodens wird mit einer Wheatstone'sehen Brücke gemessen. Es ergibt sich also nicht eine direkte Anzeige des gesuchten TrockenraurnRewichtes, sondern es ist ein

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Brückenabgleich erforderlich. Es ergeben sich dabei verschiedene Schwierigkeiten:

Nach der Messung des Bodenwxderstandes ist nicht bekannt , in welcher Weise der erhaltene Meßwert einen Rückschluß auf das Trockenraumgewicht des Bodens ermöglichen soll. Das Verfahren wird daher nur insoweit als geeignet angesehen, als es den Verlauf der Verp dichtungszunahme in Abhängigkeit von der Tiefe und der Anzahl der Übergänge festzuhalten gestattet, nicht jedoch für eine quantitative Messung.

Eine weitere Schwierigkeit für die Praxis ergibt sich daraus, daß ein Brückenabgleich erforderlich ist. Dabei gestattet der Einfluß der Polarisation an den Elektroden nur Meßzeiten bis zu maximal 2 Sek. Es bedarf schon einer gewissen Geschicklichkeit des Bedienenden, in dieser Zeit eine Brückschaltung abzugleichen.

Um die verschiedenen Meßwerte miteinander vergleichen zu können, bezieht man diese auf den Meßwert am frisch geschütteten Boden. Es zeigt sich jedoch, daß Schüttdichten sehr ungleichmäßig und in keiner V/eise reproduzierbar sind. Der Bezug der erhaltenen Meßwerte auf solche unsicheren Bezugsgrößen gestattet keinen Vergleich der Verdichtungen an verschiedenen Orten oder bei verschiedenen Bearbeitungen. Aus den genannten Gründen hat das bekannte Verfahren der Dichteprüfung

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von Böden mit Hilfe elektrischer Widerstandsmessungen in der Praxis keinen Eingang gefunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung des Trockenraumgewichtes*'eines Bodens zu schaffen, welche diese Meßgröße entweder unmittelbar oder bezogen auf eine bekannte Bodengröße (z.B. die Proctordichte) anzeigt. Es soll dem | Bedienenden also erspart werden, verschiedene Daten, wie Volumen, Gewicht und Wassei'gehalt einzeln zu bestimmen und danach anhand einer bestimmten Rechenanleitung des bezogene Tröekenraumgewicht zu berechnen.

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der vorliegenden Art zu schaffen, die eine ausreichende Genauigkeit ergibt.

Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der vorliegenden Art zu schaffen, welche Messungen in jeder Tiefe des Bodens gestat- I

tet und auf möglichst allen in der.Praxis vorkommenden Böden einsatzfähig ist.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde» eine Vorrichtung der vorliegenden Art zu schaffen, welche eine kurze Meßzeit besitzt.

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Bine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung der vorliegenden Art äu schaffen, welche.Messungen auch während der Bearbeitung des Bodens ermöglicht und insbesondere mechanisch gegen die Bearbeitung des Bodens unempfindlich ist.

Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde an eine V/echselstrom quelle angeschlossen ist und daß der die Meßstrecke enthaltende Stromkreis mit einem anhand von Testmessungen mit bekannten Bodenproben einstellbaren Analogrechnernetzwerk zur Erzeugung eines dem bezogenen Trockenraumgewieht analogen Ausgangssignals verbunden ist.

'Grundgedanke der Erfindung beruht auf der empirisch gefundenen Erkenntnis, daß sich der Strom über die Meßstrecke als Produkt je einer Linearform des Wassergehaltes des Bodens und des bezogenen Trockenrauragewiehts darstellen läßt. Durch Messung an zwei Proben des untersuchten Bodens mit bekannten Trockenraumgewichten lassen sich die Koeffizienten bestimmen» Die Erfindung sieht vor, daß die Zusammenhänge zwischen dem bezogenen Trockenraumgewicht und den elektrischen Meßgrößen durch ein Analogrechnernetzwerk durch Testmessunpren so einstellbar ist, daß sich ein dem bezogenen Trockenraumgewicht analoges Ausgangssignal ergibt*, Wesentlich iat dabei, daß sich

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der Wassergehalt des Bodens bei der Verdichtung praktisch nicht ändert.

Der Aufbau des Analogrechners hängt wesentlich davon ab, von welcher elektrischen Heßgröße ausgegangen wird. Grundsätzlich ist der Aufbau solcher Analogrechnerschaltungen bei Vorgabe der durchzuführenden Rechenoperationen dein Fachmann geläufig. Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn von dem I Sondenstrom I als elektrischer Heßgröße ausgegangen wird. Es ergibt sich nämlich, daß das reziproke bezogene Trockenraumgewicht eine lineare Punktion des Sondenstromes ist, und zwar ist

₂ = 1 - (1 - Vg) (I - I₂)Z(I₁ - I₂) darin bedeutet:

Tt β Trockenraumgewicht des zu messenden Bodens Trockenraumgewicht d Bodenproben 1 und 2,

* τ - Trockenraumgewicht der zwei bekannten

g ₁₂

I β Strom der fleßsonde bei der zu untersuchenden Bodenprobe,

1_Λ _o β Strom der Bodenproben 1 und 2.

Die Anordnung wird dann zweckmäßigerweise so getroffen, daß die Meßsonde mit konstanter Wechselspannung

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beaufschlagt ist, daß mit der Meßsonde ein Meßwiderständ in Reihe geschaltet ist, an dem eine dem Sondenstrom proportionale Spannung abfällt, daß die an dem Ileßwiderstand abgegriffene Spannung einem stetig einstellbaren Anteil der besagten konstanten Wechselspannung überlagert ist und daß an einem phasenempfindlich gleichrichtenden Anzeigegerät einem von Null aus stetig einstellbaren Anteil der durch ™ .. die" Überlagerung erhaltenen Summenspannung ein zweiter von Mull aus stetig einstellbarer Anteil der konstanten Wechselspannung überlagert ist.

Mit einem solchen Analogrechner läßt sich die oben angegebene Beziehung nachbilden, so daß eine unmittelbare Anzeige des bezogenen Trockenraumgewichtes beziehungsweise des Reziprokwei'tes desselben erhalten wird. Die Einstellung der Vorrichtung kann vorteilhaft in der Weise erfolgen, daß aus dem zu untersuchenden Boden eine erste und eine zweite Bodenprobe »bekannten Trockenrauragewichts hergestellt wird-,, daß fe bei einer Meßsonde in der zweiten Bodenprobe der zweite Anteil der konstanten Wechselspannung auf Null eingestellt und der erste Anteil so eingestellt wird, da^· das Anzeigegerät Null anzeigt, daß anschließend bei einer Meßsonde in der ersten Bodenprobe der Anteil der Sümmenspannunrr zunächst auf Null und der zweite Anteil der konstanten Wechselspannung so eingestellt wird, daß die Anzeige dem

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Trockenraumgewicht der zweiten Bodenprobe entspricht und daß anschließend der Anteil der Summenspannung solange verändert wird, bis sich eine dem Trockenraumgewicht der ersten Bodenprobe entsprechende Anzeige ergibt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Abbildung dargestellt und im folgenden besehrieben:

Mit 1 ist ein Niederfrequenz-Oszillator mit einer Schwingfrequenz von beispielsweise 2oo Hz bezeichnet, dessen Ausgangsspannung auf einen Verstärker 2 gegeben wird. Der Verstärker 2 besitzt einmal einen sehr niedrigen Ausgangswiderstand. Zum anderen ist er aber kurzschlußfest. Die Ausgangsspannung des Verstärkers gelangt über einen Meßwiderstand 3 an zwei Zungen eines Schrittschalters 4-, der wenigstens zwei Schaltebenen aufweist. Über diese beiden- Schaltebenen des Schalters 4- sind Meßsonden 6 über Kabel 5 wahlweise in den Ausganßsstromkreis des Verstärkers 2 in Heihe mit dem ließwiderstand 3 einschaltbar. Von einem Leiter 7» der im folgenden als Bezugspotential angesehen wird, führt ein Mitkopplunprswiderstand 8 auf den JÜingang des Verstärkers 2 zurück» Die an dem ifeßwiderstand 3 abgegriffene Spannung wird über Addiarwiderstände 9 niit einer Teilspannung der Ausgangsspannung des Verstärkers 2 addiei't. Diese Teilspannung wird an einem einstellbaren Potentiometer Ίο

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~ Ίο -

(abgegriffen. Von der so erhaltenen Summenspannüng wird an einem Spannungsteiler 11 wiederum eine Teilspannung abgegriffen. Diese Seilspannung der Sumräenspennung, welche am Potentiometer 11 abgegriffen wird, v/ird über weitere Addierviderstände 12 zu einer zweiten Teilspannung der Ausgangsspannung des Verstärkers 2 addiert, die an einem Potentiometer 13 abgegriffen A wird« Die so erhaltene Summenspannung gelangt an einen gesteuerten Gleichrichter 14-, der von der Ausgangsspannung des Verstärkers 2 gesteuert wird. Die so erhaltene phasenempfindlich gleichgerichtete Spannung wird an einem Anzeigeinstrument 15 angezeigt.

Auf den Eingang des gesteuerten Gleichrichters 14-wird zusätzlich über einen Addierwiderstand 16 die ÄMagangsspaiinung einer Pliasenumkehrstufe 17 hinp.u-■addierte-Der Eingang der Phasenumkehrstufe 1? wird Ub^ eine weitere Zunge 18 des 3chrittschalters 4- ;j.n Jessen dritter Schaltebene in der ersten Stellung _ - ' ^ei^uckalteifs !tit dem Beäugspotential des Leiters "' mi4 in alleri. weiteren Stellungen mit der darauf be-

-Spannung des Verstärkers 2 verbunden. . Vr

Mms .beschri.eibene Anordnung arbeitet wie folgt: ,

t der 'frockenraumdichte der zu untersuchenden

sc

b^ und dem Sondenstrom besteht, vie·" oben angegeben, te ZusaKmenhang rt^/irt « 1

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An den Elektroden der Meßsonden 6 liegt eine konstante Spannung an, die durch den Oszillator 1 und den Verstärker 2 bestimmt wird* Der erhaltene Sondenstrom I erzeugt einen dazu proportionalen Spannungsabfall an dem Meßwiderstand 3» Die Schaltung
wird nun wie folgt eingestellt:

In der ersten Stellung des Schritt schalters 4- wird die Äusganjrsspannunr': des Verstärkers 2 über den Meßwiderstand 3 und über das erste der Verbindungska- g bei 5 an diejenige Sonde 6 geführt, die sich in der Bodenprobe 2 befindet. In dieser Schalterstellung
stellt man den Schleifer des Potentiometers 11 auf den Addierpunkt, das heißt, es wird die volle Summenspannung abgegriffen. Der Spannungsteiler 13 wird mit seinem Schleifer auf das Refernezpotential der Leitung 7 gelegt. Es wird also von diesem Spannungsteiler keine Spannung abgegriffen. Unter diesen Umstünden wird dann der Spannungsteiler 1o solange
verstellt, bis das Instrument 15 gleichstromfrei
wird. Der Schalter 14 wird dann in die zweite Stellung geschaltet, bei welcher die Ausgänge des Verstärkers 2 über den Meßwiderstand 3 an die in der (J Bodenprobe 1 befindliche Sonde geführt sind. In
dieser Schalterstellung führt man zunächst den Abgriff des Potentiometers 11 auf das Referenzpotential der Leitung 7* Es wird also von der Summenspannung der Anteil Hull abgegriffen. Mittels des Poten—

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tiometers 13 wird dann die Anzeige am Instrument so eingestellt, daß das auf die Proctordichte bezogene Trockenraumgewicht der Probe 2 angezeigt wird. Dieses Trockenraumgewicht war ja bekannt. Wenn das Potentiometer 13 auf diese Weise eingestellt ist, wird nun das Potentiometer 11 so erstellt, daß die Anzeige dem auf die Proctordichte bezogene Trockenraumgewicht der Bodenprobe 1 entspricht. Damit ist der Analogrechner vollständig eingestellt. In den weiteren Stellungen arbeitet der Schalter 4- als Heßstellenumschalter für die weiteren angeschlossenen Sonden 6.

Man erkennt, daß mit der beschriebenen Einstellung die oben angegebene Beziehung zwischen dem auf die Proctordichte bezogenen TrockenraumgeWicht der jeweils untersuchten Probe und dem Sondenstrom nachgebildet ist. Am Heßwiderstand 3 bildet sich eine Spannung aus, die dem durch die angeschlossene Meßsonde bei dieser konstanten Spannung fließenden Strom I entspricht. Am Addierpunkt vor dem Potentiometer 11 ist hiervon der der Bodenprobe "^"entsprechende Meßwert in Abzug gebracht. Das Potentiometer 1o war ja so eingestellt worden, daß in der Bodenprobe "2" die Sumiaenspannuni?: Null wurde. Das Signal entspricht also I - Ig» Die Einstellung des Potentiometers 11 berücksichtigt den Faktor, mit welchem I - I2 in der oben angegebenen Beziehung

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im rechten Summanden erscheint. Die an dem Potentiometer 13 abgegriffene und hinzuaddierte Spannung stellt den linken Summanden der angegebenen Beziehung darl . . .· "

Die über, den Addierwiderstand 16 über die Phasenumkehrstufe 17 auf den Eingang des gesteuerten Gleichrichters 14 hinzuaddierte Spannung bewirkt eine ä Trennung des elektrischen und des mechanischen Nullpuhktes des für die umgekehrte Stromrichtung durch eine Diode geschützten Instrumentes I5. Das Instrument trägt über seinem mechanischen Anzeigebereich die folgende Skala:

% vom Vollausschlag I00 80 60 50 $$ -v2o ο Skalenwert 75^8^ . 94': 1οό lot 125

Zweckmäßigerweise ist die Bodenprobe "1" auf die Proctordichte des gemessenen Materials und die Bodenprobe "2" auf 80 # dieses Wertes verdichitfet.

In sinngemäßer Weise könnte eine Vorrichtung der vorliegenden Art statt zur Bestimmung des Trockenraumgewichtes eines Bodens bei konstantem Wassergehalt auch zur Bestimmung des variablen Wassergehaltes bei konstantem Trockenraumgewicht benutzt werden· Die oben angegebene Beziehung würde in äquivalenter Weise auch, für den Wassergehalt gelten. Statt zweier

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Bodenproben bekannten Trockenraumgewichtes würden zwei Bodenproben mit bekanntem Wassergehalt für die ersten beiden Sonden vorgesehen werden. Die Einstellung des Analogrechnernetzwerkes würde in gleicher Weise vorgenommen wie es oben für das Trockenraumgewicht beschrieben worden ist. Die Skala des Anzeigeinstruments trägt zu diesem Zweck vorteilhaft eine α zweite Teilung zur Messung des. Wassergehalts des Bodens.

Die Erfindung gestattet somit, die Verdichtung eines Bodens sogar schon während der Bearbeitung laufend auf eine sehr bequeme Art und mit ausreichender Genauigkeit zu messen. Es ergibt sich eine direkte Anzeige. Bs können somit die Arbeiten auf-der Baustelle laufend überwacht werden. Die Erfindung kann auch im Prüffeld bei der Ermittlung der Einsatzfähigkeit und der Leistungsdaten verschiedener Verdichtungsgeräte verwendet werden.

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Claims

Patentansprüche

1.) Vorrichtung zur Messung des Trdckenraumgewichts eines Bodens entweder unmittelbar oder bezogen
auf eine bekannte Bodengröße (z.B. die Froctordichte) -g

mit einer Meßsonde enthaltend zwei Elektroden
in dem zu untersuchenden Boden,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Meßsonde (6) an eine Wechselstromquelle (1, 2) angeschlossen ist und

daß der die ließstrecke enthaltende Stromkreis"

mit einem anhand von Testmessungen mit bekannten Bodenproben einstellbaren Analogrechnernetzwerk

(9 bis 12) zur Erzeugung eines dem bezogenen |

Trockenraumgewicht analogen Ausgangssignals

verbunden ist.

2.) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Meßsonde (G) mit konstanter Wechselspannung beaufschlagt ist,

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daß mit der Meßsonde (6) ein Meßwiderstand (3) in Reihe geschaltet ist, an dem eine dem Sondenstrom (I) proportionale Spannung abfällt,

daß die an dem Meßwiderstand (3) abgegriffene Spannung einem stetig einstellbaren Anteil (siehe 1o) der besagten konstanten Wechselspannung überlagert ist und

daß.an einem phasenempfindlich gleichrichtenden Anzeigegerät (14·, 15) einem von null aus stetig einstellbaren Anteil (siehe 11) der durch die Überlagerung erhaltenen Summenspannung ein zweiter von null aus stetig einstellbarer Anteil (siehe 13) der konstanten Wechselspannung überlagert ist.

J.) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß auf das Anzeigegerät (14·, I5) über einen Schalter (4-) und eine Phasenumkehrstufte (1?) zusätzlich die volle konstante Wechselspannung aufschal tbar ist.

4·.) Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet,

daß eine Mehrzahl von Meßsonden (6) vorgesehen ist, die über einen Umschalter (4-) wahlweise in den

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6.) Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2» durch ihre Verwendung zur Bestimmung des haltes eines Bodens.

Stromkreis der Wechselspannung und des Meßwiderstandes (3) einschaltbar sind. -

·) Verfahren zum Einstellen einer Vorrichtung nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet,

daß aus dem zu untersuchenden Boden eine erste und eine zweite Bodenprobe bekannten Trockenraumgewichts (Ki_ry2) hergestellt wird,

daß mit einer Meßsonde (6) in der zweiten Bodenprobe der zweite Anteil der konstanten Wechsel* spannung auf null eingestellt und der erste Anteil so eingestellt wird, daß das Anzeigegerät (15) null anzeigt,

daß anschließend mit einer Meßsonde (6) in der ersten Bodenprobe der Anteil der Summenspannung zunächst auf null und der zweite Anteil der konstanten Wechselspannung so eingestellt wird, daß die Anzeige dem Trockenraumgewicht T2 der zweiten Bodenprobe entspricht und

daß anschließend der Anteil der Suinraenspannung solange verändert wird, bis sich eine dem Trockenraumgewicht ΊΡΛ der ersten Bodenprobe entsprechende Anzeige ergibt.

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