DE1798131A1 - Kapazitiver Feuchtigkeitsmesser,kapazitive Sonde und Verfahren zur Anwendung - Google Patents

Description

19056 Stanton Ave., CASTRO VALLEY, California 94-54-1/USA

Dennison H.MORET, 555 Irvin Lane, SANTA ROSA, California 95401 / USA

Melvin SILVA, B.O.Box 3276, HATWARD, California /USA.

Kapazitiver !Feuchtigkeitsmesser, kapazitive Sonde und Verfahren zur Anwendung.

Die Erfindung betrifft das Messen von Feuchtigkeits» gehalten in nachgiebigem Material wie z.B. Erdboden, Sand und Flüssigkeiten, w&wi die Feuchtigkeit in freier Form beispielsweise als FiIi oder Tröpfchen an der Oberfläche fester Partikel vorliegt oder als Flüssigkeit

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wie z.B. Alkohole, Aceton, Glycerin und kurzkettige Acetate,Cetone und öle bezeichnen.

Bisher bekannte Vorrichtungen aim Messen des freien - Feuchtigkeitsgehaltes in nachgiebigem Material benutzten die elektrischen Eigenschaften des Materials wie z.B. den Widerstand, die Kapazität des Materials oder einer porösen Masse, die in Kontakt mit dem Material gebracht wurde und von diesem Feuchtigkeit absorbierte. Nachteile der bekannten Techniken sindi geringes Auflösungsvermögen, zu stark veränderlicher oder unsicherer Kontakt der Sondenelektroden mit dem nachgiebigen Material und Ungenauigkeiten im angezeigten Feuchtigkeitsgehalt wegen Tej>eratureinf lüssen oder »Änderungen im elektrischen Verhalten dea nachgiebigen Materials oder der porösen Masse, hervorgerufen durch Veränderungen In der Balz« konzentration oder dem Ionisationsvermögen der Feuchtigkeit und ähnlichem. Ein weiterer Grund für nicht reproduzierbare Feuchtigkeitsanzeige ist die unterschiedliche Masse des nachgiebigen Materials, die die Sonde beeinflußt. So ist beispielsweise bei Kapazitätsmesiungen die Anzeige abhängig vom Eindringvermögen des hochfrequenten fechselfeldes in das die Sonde umgebend· Mfctsrial, wobei dieses Eindringvermögen abhängig ist von der Frequenz und der Größe und Form der Probenelektrode.

Ein weiterer Nachteil der bisherigen Vorrichtungen besteht in der langen Einstellzeit. Die Einstellzeit ist besonders

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groß bei Anordnungen, wo zwischen zwei Elektroden eine poröse Masse vorgesehen ist entweder mit den Elektroden in leitendem Kontakt für Widerstandsmessungen oder von diesen isoliert für Kapazitätsmessungen.

In diesen beiden Fällen muß erst das Feuchtigkeitsgleich» gewicht zwischen dem umgebenden zu vermessenden Material und der porösen Masse abgewartet werden»

Zu-dem gibt es gewisse Nachteile bei den zu Kapazitäts» anzeigen benutzten Schaltungen. In einigen Vorrichtungen ist die Sonde mit Frequenzbestimmenden G-lMern des Oszillators verbunden und die resultierende Frequenz des Oszillators wird gemessen und zur Anzeige für die Kapazität der Sonde benutzt. Obwohl die verbesserte Sonde und Anwendungsmethode hierfür gemäß der Erfindung auch in Verbindung mit bekannten Schaltungen benutzt werden kann, ist es doch schwierig, Stabilität und Reproduzierbar= keit mit diesen zu erreichen und es erfordert einen ausgebildeten Techniker, um die hierbei sehr schwierige Eichung vorzunehmen.

Fehler treten häufig auf, wenn nachgiebiges Material von unterschiedlicher Dichte getestet wird wie z.B. Flüssigkeiten oder hoch komprimierte Erdproben. Solche Materialien können Luft enthalten abhängig vom Grad der Verdichtung und der gemessene Feuchtigkeitsanteil hängt

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dann sehr stark von der eingeschlossenen Luft ab. Dieses Problem ist allerdings nur dann wichtig, wenn der wahre Feuchtigkeitsgehalt des Bodens gemessen werden soll und wenn nicht, wie beispielswjese in der Landwirtschaft, nur der Feuchtigkeitsgehalt des Bodens unabhängig von der Dichte des Bodens interessiert.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine verbesserte kapazitive Sonde vorgesehen, in der leitende Elemente, die den Sondenkondensator darstellen, voneinander isoliert sind, durch einen Körper aus Feuchtigkeit abstoßendem, dielektrischem Material, in welchem der eine Leiter eingebettet ist, so daß jeder Kontakt mit dem die Sonde umgebenden, zu bestimmenden Material vermieden wird, während der andere Leiter um den dielektrischen Körper herum angebracht ist und eines oder mehrere Fenster besitzt, die Teile der Oberfläche des dielektrischen Körpers nach außen hin freigeben. Eine Veränderung im der Kapazität der Sonde tritt dann auf, wenn die freiliegende Oberfläche des Isolators und der diesen umhüllende Lei« ter in Kontakt mit einer nachgiebigen Materie, die getestet werden soll, oder mit einer zur Eichung dienenden Flüssigkeit gebracht wird. Die Änderung wird hervorgerufen durch den Kontakt der Feuchtigkeit aus der zu bestimmenden Materie mit der freiliegenden Oberfläche der vom Feuchtigkeitsgehalt des Materials abhängt und in reiner Flüssigkeit am größten ist. Es hat sich gezeigt, daß das

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Auflösungsvermögen und die Einstellzeit bei dieser Sonde wesentlich günstiger sind als bei bisher bekannten Sonden. Außerdem ist hierbei die Anzeige nur wenig vom Salzgehalt oder dem Ionisationsvermögen in der Materie abhängig, da die Sonde und die neue Meß- und Eichmethode im wesentlichen die hieraus entstehenden Fehler vermeidet. Anzeigegenauigkeiten für Wasser in Erdboden von besser als 1 % konnten erreicht werden.

Außerdem beschafft die Erfindung eine verbesserte Meßschaltung, die vorzugsweise in Verbindung mit der verbesserten Sonde benutzt wird, wobei jedoch ihre Anwendung nicht nur hierauf beschränkt ist. Die Schaltung besitzt einen im Radiofrequenz= bereich arbeitenden Oszillator von konstanter Frequenz und Ausgangsspannung. Der Ausgang des Oszillators ist mit einer Induktivität und der Probe verbunden. Beide sind in Serie geschaltet und so ausgelegt, daß sie für wenigstens einen Zustand der Sonde in der Nähe der Resonanz liegen. Parallel zur Sonde kann ein abstimmbarer Kondensator angeordnet werden, der zur Eichung des Instrumentes dient, in dem er den Schwingkreis auf eine Resonanzfrequenz in der Nähe der Frequenz des Oszillators bringt. Die Spannung über einem der beiden in Serie geschalteten Schaltungsteile vorzugsweise der Sonde wird mit geeigneter Vorrichtung angezeigt. Hierzu dient beiwpielsweise eine elektronische Schaltung mit hoher Eingangsimpedanz, die einen Ausgangsstrom, eine Ausgangs= spannung oder eine Ausgangsfrequenz erzeugt, die den

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Feuchtigkeitsgehalt mittels der Sondenkapazität anzeigen. In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ist ein Amperemeter vorgesehen, dessen Skala direkt in Feuchtig= keitsgraden geeicht ist.

Die Versorgungsspannung für den Meßkreis kann beliebig vorgesehen sin. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Feuchtigkeitsmesser tragbar in einem kleinen Gehäuse angeordnet und mit Trockenbatterien oder Quecksilberzellen gespeist. Bei dieser Ausführungsform ist die Schaltung mit einer Spannungsstabilisierungsstufe versehen, die die Ausgangsspannung des Oszillators unabhängig von der Batteriespannung konstant hält. Um die Linearität des Ausgangsstromes zujöhalten oder zu verbessern, ist in der Schaltung eine Gegenkopplung vorgesehen, die zusätzlich die Amplitude des Oszillators kontrolliert und die Stabilität der Meßschaltung verbes» sert.

Wenn mit dem Instrument die freie Feuchtigkeit eines Materials in Abhängigkeit von der Dichte bestimmt werden soll, so wird das Material, wie z.B. eine Erdprobe, in einen Behälter getan, in dem sich auch der aktive Sondenteil befindet und dann einem bestimmten Druck ausgesetzt.

Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Es zeigen:

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. 1 eine maßstabgetreue Ansicht des Meßgerätes und der Sonde,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Sonde in deren Mitte, Fig. 3 einen Querschnitt durch die Sonde gemäß der Linie

3 - 3 in Fig.2, jedoch in etwas vergrößertem Maßstab, Fig. 4- die Skala des Anzeigeinstrumentes, Fig. 5 den Schaltplan des Meßinstrumentes, Fig. 6 die Vorrichtung zum Komprimieren der Bodenproben.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, besitzt der Kapazitätsmesser ein Gehäuse 10 mit fest verbundenem Handgriff 11 auf der Rückseite und einer Instrumentenkonsole,auf dem das Feuch= tigkeit anzeigende Meßinstrument 12, ein Aus- Einschalter und ein Justierknopf 14 für die veränderliche Kapazität angeordnet sind. Eine Sonde 1f? ist fest aber lösbar durch eine koaxiale Steckverbindung mit zwei elektrischen Anschlüssen mit dem Gehäuse verbunden. Die Sonde kann jedoch auch mit einem flexiblen Koaxialkabel und Stecker angeschlossen werden. Wie in den Fig. 2 und 3 gezeigt, ist die Sonde von länglicher und im wesentlichen zylindrischer Form. An ihrem aktiven Ende bei 16 ist die Sonde abgeflacht. Sie besitzt an ihrem Ende eine scharfe Kante 17, die das Hinein= stecken in Erboden, Hand und andere Materialien erleichtert. Die Sonde besitzt einen Körper 18 aus dielektrischem Material, der Wasserabstoßend ist und beispielsweise aus Polyaethylen , Polypropylen oder Teflon besteht. Dieses Material ist

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vorzugsweise hydrophob, wenn Wasserfeuchtigkeit und die Feuchtigkeit von Wassergemischen gemessen wird oder oleophofc, wenn mit Wasser nicht mischbare Feuchtigkeiten bestimmt werden sollen. Durchsichtige und glänzende Materialiaa sollten jedoch vermieden werden. Ein erster elektrischer Leiter 19 ist als Umhüllung vorgesehen und umgibt den Körper 18 eng anliegend, läßt jedoch im aktiven Teil bei 16 Fenster frei, so daß eine oder mehrere äußere Oberflächen 20 des Körpers 18 frei liegen und vorzugsweise glatt mit der äußeren Oberfläche des Leiters 19 abschließen. Der Körper enthält einen zweiten elektrischen Leiter 21, der sich vom hinteren Ende bis kurz vor die Kante 17 erstreckt. Der Leiter 21 kann an der Stelle 16 etwa verbreitert ausgeführt sein. Der Leiter 21 ist vom Leiter 19 und dem die Sonde umgebenden und zu bestimmenden Material vollständig isoliert. Die Leiter 19 und 21 bilden den Sondenkondensator. Vorzugsweise wird der Leiter 19 aus korrosionsbeständigem Metall, wie z.B. Messing oder rost» freiem Stahl, gebildet. Beide Leiter sind an ihrem hinteren Ende so ausgebildet, daß sie in den Stecker am Gehäuse 10 passen.-

In der bevorzugten Aueführungsform ist der flache Teil 16 mit einem Paar diametral angeordneter Flügel 22 und 22' versehen, die mit dem mittleren zylindrischen Teil 23 des Körpers aus einem Stück bestehen und von dem Leiter 19 umhüllt sind. Die nach außen frei liegenden Flächen 20

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des dielektrischen Körpers 18 sind an dem konvexen mittleren Teil 23 zwischen den Hügeln gelegen und reichen in ihrer Längenausdehnung über die ganze Länge des aktiven Teils 16 der Sonde , wie aus Fig. 1 und 2 ersieht» lieh ist. Die Länge der Fenster im Leiter 19 beträgt z.B. das Vierfache bis Fünfzehnfache der Breite. Die Oberflächen 20 sind vorzugsweise glatt, obwohl sie gerippt sein können. Typische Abmessungen für die Ober=» flächen 20 sind eine Breite von 3 - 12 mm und eine Länge von25 bis 150 mm.

In Fig. 5 ist die verwendete elektrische Schaltung dargestellt. Sie besitzt eine 9 Volt Batterie 24, die die tragbare Ausführung des Gerätes erlaubt. Die Batterie ist zwischen der gemeinsamen Masseleitung 25 und dem Schalter 13 angeordnet. Der Schalter kann mit einer Federvorspannung versehen normalerweise of£en sein, so daß er nur während des Eich- oder Meßvorganges gedrückt wird. Die Leitung 26 ist mit einem Oszillator irgendeines gewünschten Typs verbunden, der auf eine bestimmte Frequenz im Radiofrequenzbereich abgestimmt ist. Eine Frequenz von„MegHz hat sich als besonders geeignet heraus» gestellt. Jedoch können auch andere Frequenzen Vorzugs= weise zwischen 100 KHz und 10 MegHz Qe nach Größe und Empfindlichkeit der Sonde und nachder Beschaffenheit des Sondenmaterials verwendet werden.

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In der dargestellten Ausführungsform ist ein Golpittsoszillator benutzt, der durch einen Schwingkreis, bestehend aus dem Kondensator C-1 in Serie mit 0-2 und der Induktivität L-1 abgestimmt wird. Die Induktivität ist induktiv mit einer Spule 27 gekuppelt. Die Enden der Spule 27 sind mit einer verdrillten Leitung 28 verbunden, die einen niedercjmigen Ausgang des Oscillators darstellt und deren andere Enden mit der Erdleitung 25 und einem noch zu beschreibenden Serienresonanzkreis verbunden sind. Ein Kondensator 0-9 ist vorzugsweise als Kurzschluß für Hochfrequenz parallel zur Stromversorgung vorgesehen. Widerstände E-1 und R-2 bilden einen Spannungsteiler, dessen Mitte über eine leitung 29 mit der Basis des ΝΡΪΓ-Transistors Q-1 verbunden ist. Der Emitter ist über eine Leitung 30 und einen· Widerstand R-3 mit der Masseleitung 25 verbunden, während der Kollektor über eine Leitung 3"! und den Schwingkreis, bestehend aus 0-i, C-2, .■' L-1 mit der Leitung 26 verbunden ist. Durch die Verbindung der Emitterleitung 30 mit der Verbindung der beiden Kondensatoren 0-1 und C-2 ist eine Mitkopplung vorgesehen.

Zum Ausgleich von Batterieschwankungen ist eine Stabilisierungsstufe vorgesehen, die Abweichungen von der Batteriespannung von 9 Volt um mehrere Volt ausgleichen kann. Diese Stufe besteht aus einem PNP Transistor Q-2, dessen Kollektor über die Leitungen 30 und 32 mit dem Emitter des Transistors Q-1 verbunden ist und dessen Basis über die Leitung 33 wie folgt

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angeschlossen ist: Ein Widerstand R-4- und eine Diode D-1 sind mit der Leitung 31 verbunden, wobei der Widerstand durch den Kondensator C-4 für Hochfrequenz kurzgeschlossen wird, über einen Widerstand R-5 ist die Basis mit der Leitung 26 verbunden, wobei der Widerstand R-5 für Hochfrequenz kurzgeschlossen ist durch den Kondensator C-5. Der Emitter ist durch die Leitung 34- wie folgt angeschlossen: Eine Zejrfnerdiode Z-1 ist mit der Leitung 26 verbunden und ein Widerstand R-6 ist mit dem Emitter des Transistors Q~3 verbunden. Die Zenerdiode kann auch durch in Durchlaßrichtung betriebene Dioden ersetzt werden, deren Anode mit der Leitung 26 verbunden werden müßte.

Die Diode Z-1 in der Emittarleitung von Q-2 liefert eine feste Spannungsdifferenz zur Leitung 26, die verglichen wird mit der Spannung E-1 am Schwingkreis. Da der Kondensator C-4 den Widerstand R-4 für Hochfrequenz kurzschließt, liegt die Spannung E-1 an der Diode D-1 und liefert so die Vorspannung für die Basis von Q-2. R-5 dient als Lastwiderstand für D-1 ebenso wie als Basiswiderstand für Q-2 und C-5 filtert die Hochfrequenz. Wenn die erzeugte Spannung E-1 und entsprechend die Spannung E-2 im Oszillatorausgangskreis 28 aufgrund von nachlassender BatterieSchwankung oder Änderungen im Oszillator absinkt, zieht der Transistor Q-2 weniger Strom land die Emitter-Kollektor spannung von Q-1 steigt an, so daß eine größere Hochfrequenz spannung- am

Schwingkreis entsteht. Bei Ansteigen der Spannung E-1 läuft der umgekehrte Vorgang. Aus diesem Grund "bildet der Schaltkreis mit dem Transistor Q-2 •inc-.-v Konstante Spannungssystem, wobei Q-2 die AusgangBBpwmrnmg«yag^t regelt. Wie hieraus hervorgeht, ist das Wesentliche an diesem Regelireis die Verbindung zwischen den Transistoren Q-1 und Q-2. Jedoch kann diese so geändert werden, daß auch andere Schaltkreis elemente verwendet werden können. So können beispielsweise Q-1 ein HSTP und Q-2 ein NHJ-Transistor sein, wobei jedoch die Anschlüsse und die Polarität vertauscht werden müssen. Ebenso sind andere kleinere Änderungen notwendig, wenn ein anderer als ein Colpittsoszillator verwendet werden solle».

Die Hochfrequenz E-2 liegt an einem Serienresonanzkreis, bestehend aus der Induktivität L-2 und der 15wobei zur Sonde 15 noch ein Eichkondensator 0-6 parallel liegt, ebenso wie die restlichen Schaltkreis-und Streukapazitäten. Der äußere Leiter der Sonde 15 1st mit der Masseleitung 25 über eine Leitung 35 verbunden, während der innere Leiter über eine Leitung 36 mit der Verbindung von L-2, C-6 und der Diode D-2 verbunden ist. Der Eichkondensator C-6 wird mit Hilfe des Knopfes 14 verstimmt. Hiermit wird did maximal mögliche Kapazität für eine vorgegebene Sonden- und Feuchtigkeitskombin ation eingestellt. Zuvor wird mit der Induktivität L-2 das Verhältnis von Induktivität zur Kapazität und damit die

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Empfindlichkeit des Gerätes eingestellt. Die Spannung entweder über der Induktivität L-2 oder der Kapazität der Sonde 15 wird gemessen. Vorzugsweise mißt man die Spannunj über der Sonde 15· Der Meßkreis besitzt eine Detektor* diode D-2, deren Anode mit der Verbindung der Sonde und der Induktivität L-2 verbunden ü. Die Kathode ist über eine Leitung 37 mit der Basis des ITPN Transistors Q-3 verbunden, die über den Widerstand R-7 mit der Masseleitung φ 25 verbunden ist. Der Kondensator C-7 wir&tals Hochfrequenz» kurzschluß für den Widerstand R-7· Der E kLtt#r ist über die Leitung 38 mit dem Widerstand R-6 verbunden und über den Widerstand E-8 mit der Masseleitung 25· Der Kollektor ist mit einem Meßinstrument 12 verbunden, dessen anderer Anschluß mit der Kathode der Diode D-1 über einen strombegrenzenden Widerstand R-9 und mit der Leitung 39 verbunden ist. Der Kondensator 0-8 wirktals Hochfrequenz»

kurzschluß der positiven Seite des Meßinstrumentes 12 _

zur Masseleitung 25.

Der N£N Transistor Q-3 wirkt; ,wie dargestellt, als Stromverstärker. Wenn an der Sonde 15 keine Hochfrequenz» spannung E-3 liegt oder nur eine sehr geringe, so ist Q-3 gesperrt. Der Öffnungspunkt des Transistors Q-3 ist durch die Emittervorspannung gegeben, die über den durch den Widerstand R-8 fließenden Strom erfolgt. Dieser Strom fließt von der positiveren Leitung 34 her durch den Widerstand R-6 und den Widerstand R-8 zur Masse.

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Derselbe Strom dient auch als erforderlicher Zenerstrom für die Zenerdiode Z-1. Wenn die Hochfrequenzspannung D-3 über der Sonde 15 hoch genug ist, richtet die Diode D-2 die Hochfrequenzspannung gleich und liefert eine Basisp spannung für den Transistor Q-3» so daß dieser leitend wird, sobald die resultierende Gleichspannung am Widerstand R-7 groß genug ist. Der Kollektorstrom I_Q, der durch das Meßinstrument 12 fließt, ändert sich dann direkt proportional zur Hochfrequenzspannung E-3 an der Sonde 15.

Das Meßinstrument 12 kann direkt in !feuchtigkeitegraden oder in beliebigen anderen Einheiten geeicht werden. Wenn beispielsweise die freie Feuchtigkeit im Erdboden gemessen / werden soll, so ist es angebracht, die Skala von O - 100 % Feuchtigkeit, wie in Fig. 4- dargestellt, einzuteilen. Ein Anzeigeinstrument ist jedoch nicht unbedingt notwendig. In industriellen und anderen Anwendungen kann der Kollektor des Transistors Q-3 direkt zur Ansteuerung von Funktionen, wie z.B. Magnetventilen automatischer Sprinkleranlagen, benutzt werden. Ebenso braucht die Skala auf dem Meßinstrument nicht unbedingt linear mit der Feuchtigkeit zu sein.

In der dargestellten Schaltung wird der mit der Sonde verbundene Schwingkreis vorzugsweise auf eine Frequenz nahe der Resonanzfrequenz eingestellt. Bei der Resonanzfrequenz, nähmlich der Frequenz des Oszillators, ist der resultierende Blindwiderstand der Induktivität L-2 gleich dem Blindwiderstand

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der aus der Probe 15 und dem Kondensator 0-6 resultierenden Kapazität. Der hler verwendete Schwingkreis ist ein Serienresonanzwchwingkreis. Es kann jedoch auch ein Parallelresonanzschwingkreis an die Oszilatorstufe angekoppelt werden, der dann in ähnlicher Weise arbeitet. Im hier dargestellten Falle arbeitet der Schwingkreis mit einer resultierenden Kapzität, die unter der für den Resonanzfall erforderlichen Kapazität liegt. Der Schwingkreis ist dann, wenn die Sonde trocken und die Kapazität der Sonde niedrig ist, auf eine oberhalb der Resonanz liegende Frequenz abgestimmt. Wenn der Blindwiderstand näher an die Resonanz gebracht wird, z.B. durch Eintauchen der Sonde 15 in eine feuchte Umgebung, steigt der zirkulierende Strom I^ mchneller an, als der Blindwiderstand abnimmt. Daher nimmt die über der Sonde liegende Spannung zu. Wenn die Spannung E-3 über der Kapazitätsänderung grafisch aufgetragen wird, so findet man unter den oben erwähnten Resonanz= bedingungen einen linearen resultierenden Stromverlauf bei Änderungen der Kapazität von ungefähr 20% des bei der Resonanz benötigten Wertes und ^befindet sich im steilen Teil der Kurve. Bekanntlich ist die Steilheit der Resonanzkurve eine Funktion von Q₀,dem Gütefaktor des Resonanzkreises, der als Verhältnis des Blindwiderstandes zu dem resultierenden Serienwiderständen und Verlusten definiert ist. Wenn Q₀ verhältnismäßig niedrig gehalten

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wird, sind die Fehler, die durch Verluste, wie β ·Β. Leitfähigkeiten, Widerstände oder Ionisation, auftreten, von g^eingerem Einfluß auf die oben erwähnt© Kurve. Wie schon o"ben erwähnt, wurde es für -günstiger befunden, mit der Feuchtigkeit die Kapazität und nicht die Induktivität des Schwingkreiseβ, was verlustreicher wäre, zu verändern. Weitere Vorteile dieser Schaltung sind ihre große Empfindlichkeit gegen KapazitätSanierungen, ein niedriger Stromverbrauch und eine niedrige erforliche Verstärkung für den Anzeigeteil. Daher ist titäk erfordere liehe Schaltung klein Ί leicht einzustellen und zu eichen und billig in der Herstellung. Die maacimal mögliche Kapazitätsänderung in der Sonde 1J? ißt normaleri= weise klein und liegt zwischen 5 und 10 Picofarad. Mit diesem Kapazitätsbereich werden praktisch alle Feuchtigkeitsmessungen erfaßt. Bei der gewählten 3frequenE ist es leicht möglich, mit den Schaltungsel«ment©a den Schwingkreis so einzustellen, daß eine nahezu linear© Anzeige gewährleistet wird und die Länge der Bunde 15 nur wenig in die Beziehung eingeht.

Um eine bessere Linearität der Abhängigkeit dee Stromes I durch das Instrument 12 in Abhängigkeit von derSondenk kapazität zu erreichen, ist es sehr wünschenswert, nooh eine zusätzliche Kompensation einzuführen. Wie schon erwähnt, wird eine Gegenkopplung dadurch erreicht., daß der Strom I_Q durch den Widerstand S-4 fließt. Der

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Spannungsabfall am Widerstand R-4 addiert sich, zu der am Oszillator entstehenden Hochfrequenzspannung E-1 und öffnet den !Transistor Q-2 weiter, so daß die Spannung E-1 und damit die Spannung E-2 und der Strom I sinken. Für Jeden Wert von I arbeitet die Regelstufe so wie vorher beechrieben mit Ausnahme der Tatsache, daß die Oszillatorausgangsspannung E-1 auf einen -etwas niedrigeren Wert eingeregelt wird als wenn der Strom I_Q gleich 0 wäre. Die so beschriebene Gegenkopplung stabilisiert die Verstimmung des Anzeigeschwingkreises und die Verstärkung der Verstärkerstufe mit dem Transistor

Die Funktionsweise der Sonde kann am besten wie folgt erklärt werden. Die Kapazität eines Kondensators ist abhängig von der Größe und Form der beiden die Kondensator« platten darstellenden Leiter und von der Susceptibilität des dielektrischen Mediums, das sich im wirksamen Bereich der beiden Leiter befindet. Das wirksame dielektrische Material, das die Susceptibilität erhöht, ist dasjenige, das vom elektrischen Feld der beiden isolierten elektrischen Leiter durchdrungen wird. Wenn die Grenzen des elektrostatischen Feldes an der Oberfläche des dielektrischen Materialee 1Θ der Sonde 15 liegen, siehe Fig.3, wird die Susceptibilitätsänderung nur in einer dünnen Material« schicht, die eng an das Dielektrikum anliegt, hervorgerufen.

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Das Maximum des elektrischen Feldes befindet sich, hierbei an den Rändern der Fenster. Flüssigkeiten als am besten bewegliche Materialien werden besser in diesen Bereich gelangen und so eine efearke Änderung der ßusceptibilität und damit der Kapazität hervorrufen.·

Wenn die Grenzen des elektrischen Feldes so, wie eben beschrieben, liegen, liegt die empfindlichste Zone dicht an der Oberfläche des Dielektricums und ein weites Eindringen

η in das feuchte Material wird vermieden. Die Mndrigtiefe des elektrischen Feldes kann durch die Fensterbreite, die Frequenz des Meßgerätes und durch den Grad des seitlichen Hervorstehens des Dielektricums 18 beeinflußt werden. Wie schon vorher erwähnt, besteht der Vorteil eines solchen

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Feldes darin, daß gelegentlich die Feuchtigkeitsänderung angezeigt wird und nicht die Ionisation des umgebenden Materials, dessen Ionisationsfähigkeit und Susceptibilität mit der Feuchtigkeit variieren. Mit der in den Zeichnungen dargestellten Sonde wird eine Ionisation weitgehend vermieden und werden die durch die Ionisation hervorgeerufenen Fehler auf einen vernachlässigbar kleinen Wert gebracht.

Weiterhin ist bei dieser Sonde der Verschiebungsstrom im konstanten Dielektricum der Sonde größer als im verlust« reicheren zu vermessenden dielektrischen Material der Umgebung. Die Anordnung der dargestellten Sonde kann als koaxial bezeichnet werden, wobei die Kapazitätsänderung

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pro Längeneinheit linear sein kann. Die Fenstermenge bestimmt dann lediglich die Menge des vermessenen Materials.

Die Skala des Anzeigeinstrumentes kann für die Fenster= Öffnung geeicht werden.

Da der Körper 18 ^euchtigkeitsabstoßend ist, nimmt der Feuchtigkeitsgehalt an dessen Oberfläche nach dem Heraus« ziehen der Sonde aus dem zu vermessenden Material schnell ab. Daraus ergibt sich ein schnelleres Ansprechvermögen.

Die Sonde kann durch Abreiben mit einem Tuch gereinigt werden.

Wie schon oben gesagt ist, ist der Anwendungsbereich des Feuchtigkeitsmeesers nicht nur auf den Wassergehalt beschränkt, sondern umfaßt auch andere Flüssigkeiten, die eine im Verhältnis zum dielektrischen Körper 18 hohe Dielektricitatskonstante besitzen. So können verschiedene organische Flüssigkeiten vermessen werden, deren Dielektricitätskonstante größer ist als 10, wobei das Meßgerät lediglich neu geeicht werden muß. Wenn nicht mit Wasser mischbare Flüssigkeiten gemessen werden, sollte die freiliegende Oberfläche 20 diese Flüssigkeiten abweisen. Teflon ist ein für verschiedene Flüssigkeiten geeignetes Material.

Die vorliegende Vorrichtung ist nützlich zum Bestimmen des Feuchtigkeitsgehaltes in losem Material, das zum Beispiel als Bauuntergrund verdichtet wird, wie beispielsweise beim Bau von Häusern oder Straßen. Wie aus Fig. 6 ersichtlich,

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wird der Feuchtigkeitsmesser dann in Kombination mit einer Vorrichtung gebraucht, die einen Boden, ßeitenwände 51, 52, 53 und 54-» besitzt und die oben offen ist zur Aufnahme einer bestimmten Menge des unverdienteten Materials. Eine Deckelplatte 55? äie von gleicher Größe wie die obere öffnung der Vorrichtung ist,wird obenauf gelegt und an den Seiten= wänden anliegend nach unten bewegt. Eine der Seitenwände ist mit einem vertikal sich erstreckenden Schlitz 56 versehen, der so groß ausgebildet ist, daß die Sonde des Feuchtigkeitsmessers hineingesteckt werden kann. Mittel sind vorgesehen, die Deckelßla**· auf die Bodenplatte zu zu bewegen und, sie mit vorgegebener Haltekraft in einer bestimmten Stellung zu halten, wobei das in der Vorrichtung befindliche zu untersuchende Material unter Druck gehalten wird. Vorzugsweise Sind zwei Seitenwände durch din U-förmiges Teil 57 verbunden, in dem ein Gewindeloch 58 zur Aufnahme der Gewindestange 59 vorgesehen ist, die mit einem Stempel 60 auf die Deckelplatte drückt. Eine Methode zur Erzeugung" eines bestimmten Druckes auf die Deckelplatte besteht darin, ein bestimmtes Drehmoment auf die Gewindestange wirken zu lassen. Dazu dient ein Drehmomentmeßgerät 61 mit einem Zeiger 62, einer Skalenplatte 63 und darauf befindlichen Anzeigemarkierungen 64.

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Beim Gebrauch dieser Vorrichtung wird eine bestimmte Menge des auf seine Feuchtigkeit zu untersuchenden Materials in den Behälter gegeben. Gewöhnlich wird dieser nur teilweise gefüllt, so daß die Meßsonde leicht durch den Seitenschlitz eingeführt werden kann. Nachdem das Meßgerät geeicht wurde, wird die Sonde in den Behälter gesteckt. Sodann wird der Behälter mit weiterem Material aufgefüllt, um die Sonde ganz zu bedecken. Dann wird die Deckelplatte aufgelegt und das Drehmomentmeßgerät so lange gedreht, bis ein bestimmtes Drehmoment angezeigt wird. Daraufhin wird der Feuchtigkeitsmesser mit dem Schalter 13 eingeschaltet und die Anaeige des Anzeige=» instrumentes 12 wird mit einer Umrechnungstabelle ver= glichen, die für diesen Bodentyp gilt.

Die Eichung der Sonde und der Meßschaltung erfolgt in einfacher Weise. Zunächst sollen die Elektrizitätskonstanten der Flüssigkeit und des zu messenden Materials betrachtet werden. Wenn die Sonde in eine Flüssigkeit gesteckt wird, so zeigt sie einen Wert an, der direkt proportional zur Dielektrizitätskonstante der Flüssigkeit ist. Bei. einer linearen Skala des Meßinstrumentes 12 von 0 - 100 wird für eine wässrige Lösung von 500 ppm von Natriumchlorid der Wert 95 angezeigt. Für entionisiertββ Wasser wird 80 angezeigt, für Methanol wird 60 angezeigt und für Aceton 10. Anzeigewerte unter 10 werden für

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gewöhnlich nicht berücksichtigt, da die meisten trockenen Meifrialien .Dielektrizitätskonstanten unter 10 besitzen. Da das Meßgerät in jeder Flüssigkeit auf einen beliebigen Wert geeicht werden kann, wird die Eichung in ■ einer Standardflüssigkeit vorgenommen. In der Praxis wird das Gerät durch Verstellen von L-2 und C-6 so einge= stellt, daß es zunächst in entionisiertem Wasser 80 anzeigt und sodann in Methanol 60 anzeigt. Wenn Mdnanol die höchste anzuzeigende Dielektrizitätskonstante besitzt, kann das Instrument auch in Alkohol auf einen höheren Wert geeicht werden, wobei sich die Empfindlichkeit der Anzeige entsprechend erhöht.

Als weiteres Beispiel kann sft geeicht werden, daß in Wasser 100# angezeigt wird, wenn die Sonde voll eingetaucht ist. In diesem Pail kann am Meßinstrument abgelesen werden, wie weit die Sonde eingetaucht ist. Eine Anzeige von fjOflo wird auch erhalten, wenn nur eine Seite des empfindlichen Bereiches der Sonde mit Wasser bedeckt ist. So kann die Sonde und das Meßgerät auch als Flüssigkeiten Standanzeiger benutzt werden. Wichtig ist, zu bemerken, daß die Empfindlichkeit und Reproduzierbarkeit der Sonde leicht überprüft werden kann. Da die Anzahl von Feuchtigkeitsmolekülen die die Sonde bedecken, den Feuchtigkeitsgehalt in dem zu untersuchenden Material repräsentiert, bildet die oben beschriebene Eichmethode einen bedeutenden

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Vorteil für reproduzierbare Messungen.

Wenn Feuchtigkeitsmessungen in feuchtem Boden vorgenommen werden sollen, wird die Sonde zunächst in Wasser getaucht, dessen Ionengehalt etwa dem der Feuchtigkeit im Boden entspricht. Meistene genügt Leitungswasser oder Berieselungswasser. Sodann wird mit dem Knopf 14· bei niedergedrücktem Schalter 13 eine Anzeige von 95 eingestellt. Die Sonde wird sodann in den Boden gesteckt und die Messung kann vorgenommen werden. In den meisten praktischen Anwendungsfällen wird bei linearer Skala des Meßinstrumentes die Anzeige dem Prozentgehalt von freiem Wasser im Boden entsprechen, da 95 den maximalen Wassergehalt von Böden angibt. Bei Tonböden beispielsweise kann eine höhere Anzeige als 95 vorkommen, wenn die Böden schlammig sind. In einer Korrekturkurve oder Tabelle können die genauen Prozentgehalte für einen bestimmten Boden angegeben werden oder auf dem Instrument eingeeicht sein.

Die Linearität der Anzeige in Abhängigkeit von der Kapazität bei der beschriebenen Sonde und Meßvorrichtunfe ist von weniger großer Bedeutung beim Meßvorgang. Sie ist jedoch besonders wichtig für das leichte Eichen der Sonde für verschiedene Feuchtigkeitsgehalte und hilft so Fehler zu vermeiden. Die oben beschriebene Schaltung kann für eine Vielzahl unterschiedlich großer und geformter

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Sonden benutzt werden, die Kapazitätsänderungen in Abhängigkeit von der Feuchtigkeit zeigen. Ebenso kann die Sonde mit anderen Kapazitätsmeßvorrichtungen, die beispielsweise Brücken enthalten können, betrieben werden und für eine Vielzahl von Messungen benutzt , werden.

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Claims (13)

Patentansprüche:

1). Kapazitive Sonde zur Messung freier Feuchtigkeit in nachgiebigem Material, bestehend aus einem Körper (18) aus dielektrischem, für Feuchtigkeit undurchdring=* lichem Material, einem ersten elektrischen Leiter (19)» der ein Kondensatorteil bildet und an der Außenseite des Körpers (18) so angebracht ist, daß er diesen teilweise bedeckt und einen Teil des Körpers freiläßt zum Kontakt mit dem nachgiebigen Material, ferner bestehend aus einem zweiten elektrischen Leiter (21), der ein weiteres Kondensatorteil bildet, in dem di^=. elektrischen Körper vollständig vom ersten elektrischen Leiter isoliert angeordnet siaör und von der Außenseite der Sonde durch den dielektrischen Körper völlig isoliert -ΐί<

2). Kapazitive Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (18) und der erste Leiter (19) als Dorn ausgebildet sind, der mit einem verjüngten Ende, das vom ersten Leiter umhüllt ist, zum Einstechen in nachgiebiges Material bestimmt ist, wobei der erste Leiter als Umhüllung einen Teil des Körpers umgibt und der freigelassene Teil

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des Körpers sich in der Nähe des verjüngten Endes befindet.

5) Kapazitive Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie von länglicher Form ist und im Bereich des freigeß= lassenen Teiles des Körpers einen Querschnitt mit zwei mit dem Körper aus einem Stück bestehenden und sich von diesem weg erstreckenden Flügeln besitzt, wobei die beiden Flügel von dem ersten Leiter (19) bedeckt werden und wobei der freiliegende Teil des Körpers zwischen den bedeckten Teilen der Flügel gelegen ist.

4) Kapazitive Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die freiliegende Oberfläche des Körpers (18) glatt, konvex und von größerer Länge als Breite ist.

5) Kapazitiver Feuchtigkeitsmesser, bestehend aus

a) einem Radiofrequenzoszillator mit einem Ausgangskreis,

b) einer kapazitiven Sonde nach Anspruch 1 und einer hierzu in Serie geschalteten Induktivität in diesem Ausgangskreis,

c) einer Meßschaltung, die so angeschlossen ist, daß sie die Spannung über einem der beiden in Serie befindlichen Teilen aus § b) mißt.

6) Kapazitätsfeuchtigkeitsmesser nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Heßschaltung eine Anzeigevorrichtung enthalt, die direkt in Feuchtigkeitsgraden des nachgiebigen Materials geeicht werden kann.

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7) Kapazitätsfeuchtigkeitsmesser nacli Anspruch. 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßschaltung so angeschlossen ist, daß sie die Spannung über der Sonde mißt.

8) Kapazitätsmesser nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß ein Eichkondensator parallel zur Sonde vorgesehen ist, der von solcher Größe ist, daß er die strienverbundenen Elemente des § b) von Anspruch 5 in Resonanz "bringen kann.

9) Verfahren zur Bestimmung des freien Feuchtigkeitsgehaltes in nachgiebigem Material, bestehend aus den Schritten:

a) Das in engen Kontakt Bringen der kapazitiven Sonde nach Anspruch 1) mit dem zu messenden Material, wobei auf die freiliegende Oberfläche des dielektrischen Körpers eine Menge Feuchtigkeit gelangt, die vom Feuchtig= keitsgehalt des zu vermessenden Materials abhängt,

b) Anlegen eines Radiofrequenzsignals von einem Oszillator an den Sondenkondensator,

c) Messen des an der Kapazität während der angelegten Hochfrequenz entstehenden Effektes zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes des Materials.

10) Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des elektrischen Signals auf einer konstanten Spannung gehalten wird und einem Serienschwingkeeis zugeführt wird, der beinahe in Resonanz ist und aus einer Induktivität und der Sonde besteht, wobei der an der Kapazität auftre= tende Effekt an einem der beiden in Serie befindlichen Elemente gemessen wird.

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11) Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung des Radiofrequenzsignals durch eine Gegenkopplung beeinflußt wird, die von der gemessenen Spannung auf den Oszillator rückwirkt. '

12) Verfahren zur Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes

i von lockerer nachgiebiger Materie, die folgenden Schritte

beinhaltend:

a) Einfüllen des Materials in ein Druckgefäß,

b) Einführen der kapazitiven Sonde nach Anspruch 1 in das Gefäß zum Kontakt mit dem Material,

c) Ausübung eines vorher bestimmten Druckes auf das Material und die Sonde,

d) Messen des Feuchtigkeitsgehaltes mit Hilfe des Effektes auf die Kapazität der Sonde.

13) Kapazitätsmesser nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Oszillator einen Transistor bestimmter Polarität und eine Batteriestromversorgung besitzt und daß ztm Oszillator eine Spannungsstabilisierungsstufe mit einen Transistor entgegengesetzter Polarität gehört, die so mit dem Oszilator verbunden ist, daß sie die Spannung des Ausgangssignals unabhängig von der Batterieapamumg konstant hält, wobei die Verbindung darin besteht, daß d#r Kollektor des einen Transistors mit dem Emitter des anderen Traneistora verbunden ist.

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14-) Kapazitätsmesser nach Anspruch 5» dadurch gekenn= zeichnet, daß die Heßschaltung mit einer Gegenkopplung mit dem Oszillator verbunden ist, so daß "bei einem Ansteigen der gemessenen Spannung die Oszillatorausgangsspannung verringert wird.

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