DE19520021A1

DE19520021A1 - Determining dielectric constants in mixture e.g. in arable soil or in liquid

Info

Publication number: DE19520021A1
Application number: DE1995120021
Authority: DE
Inventors: Roland Dipl Ing Trautmann; Detlef Dipl Ing Dr Poppe; Manfred Dipl Ing Dr Seyfarth
Original assignee: UMWELT GERAETE TECHNIK GmbH
Current assignee: UMWELT GERAETE TECHNIK GmbH
Priority date: 1995-05-31
Filing date: 1995-05-31
Publication date: 1996-12-05

Abstract

The dielectric constant determines the moisture content of the soil (1). An HF signal is applied in an electrical lead (2) and the signal amplitude is determined as a function of the signal frequency. The dielectric constants are evaluated from the frequency response curve of the measured signals. The electric lead used is a two wire lead with essentially parallel electric conductors. A coaxial lead can be used as the electric lead, one individual conductor coated with a dielectric or a rigid conductor is applied on a carrier as a coating.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten in Gemengen oder Flüssigkeiten, insbesondere in Erdboden bzw. Ackerboden, sowie weiterer Bodeneigenschaften wie z. B. der Leitfähigkeit und der Salinität, die teilweise auch miteinander zusammenhängen können. Dabei sind das Verfahren und die Vorrichtung selbstverständlich auch auf beliebig andere Gemenge oder Flüssigkeiten anwendbar, die z. B. in industriellen Produktionsverfahren verwendet werden. Sinnvoll sind das Verfahren und die Vorrichtung vor allem dort anzuwenden, wo eine Komponente des Gemenges oder der Flüssigkeit eine von den übrigen Komponenten deutlich abweichende Dielektrizitätskonstante hat, so daß sich über die Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten sehr einfach und leicht Rückschlüsse auf den Anteil dieser einen Komponente ableiten lassen. Im Falle von Erdboden bzw. Ackerboden ist diese eine Komponente der Feuchtigkeitsgehalt bzw. Wassergehalt, da Wasser eine gegenüber allen übrigen Bodenkomponenten deutlich höhere Dielektrizitätskonstante hat. Die folgende Beschreibung konzentriert sich auf die Feuchtigkeitsbestimmung von Erdboden, ohne daß hiermit eine Beschränkungsabsicht verbunden ist. Gegebenenfalls sind also alle speziell im Zusammenhang mit Erdboden erwähnten Merkmale und Maßnahmen des Verfahrens und der entsprechenden Vorrichtung in völlig analoger Weise auch auf andere Gemenge oder Flüssigkei ten, einschließlich Emulsionen, Lösungen oder Flüssigkeitsmischungen zu übertragen.The present invention relates to a method and an apparatus for determining the Dielectric constants in batches or liquids, especially in soil or Arable soil, as well as other soil properties such. B. the conductivity and salinity, the can sometimes also be related to each other. Here are the procedure and the The device can of course also be used on any other batch or liquid, the z. B. used in industrial production processes. The procedure and are reasonable to use the device especially where a component of the batch or Liquid has a significantly different dielectric constant from the other components, so that the determination of the dielectric constant is very simple and easy Draw conclusions about the proportion of this one component. In the case of earth or arable soil, this is a component of the moisture content or water content, because Water has a significantly higher dielectric constant than all other soil components Has. The following description focuses on soil moisture determination, without any intention to limit it. So if necessary, everyone is special Features and measures of the method and the measures mentioned in connection with soil corresponding device in a completely analogous manner to other batches or liquids including emulsions, solutions or liquid mixtures.

Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Messung der Dielektrizitätskonstanten von Bodenmaterial und einer daraus abgeleiteten Feuchtigkeitsbestimmung verwenden im allgemeinen eine elektrische Leitung, die in den Erdboden hineingesteckt wird. Das herausstehende Ende der Leitung ist mit einem Sender sowie einem Empfänger für hochfrequente elektrische Signale verbunden. Das Signal wird in die elektrische Leitung eingeleitet, an deren Ende reflektiert und vom Empfänger empfangen. Aus der Zeitverzögerung läßt sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Erdboden bestimmen, die gemäß der BeziehungThe known methods and devices for measuring the dielectric constant of Soil material and a moisture determination derived therefrom generally use an electrical line that is inserted into the ground. The protruding end of the Cable is with a transmitter and a receiver for high-frequency electrical signals connected. The signal is introduced into the electrical line, reflected at the end and received by the recipient. The speed of propagation can be derived from the time delay Determine electromagnetic waves in the ground according to the relationship

wobei c die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Boden, c₀ die Vakuumlichtgeschwindigkeit, ε_r die Dielektrizitätskonstante des Bodens und µ_r die Permeabilität ist, die jedoch in der Praxis in fast allen interessierenden Fällen = 1 gesetzt werden kann und daher im Folgenden nicht mehr berücksichtigt wird.where c is the speed of propagation in the soil, c₀ the speed of light in vacuum, ε _r the dielectric constant of the soil and µ _r the permeability, which in practice can be set to 1 in almost all cases of interest and is therefore no longer considered in the following.

Aus den Signallaufzeiten kann dann die Ausbreitungsgeschwindigkeit gemessen und hieraus gemäß der obigen Beziehung die Dielektrizitätskonstante ermittelt werden. Will man die elektrische Leitung nicht übermäßig lang machen, so liegen die zu messenden Lautzeiten im Bereich weniger Nanosekunden. Die exakte Messung derart kurzer Laufzeiten, die für eine verläßliche Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten und damit der Feuchtigkeitswerte des Bodens erforderlich sind, erfordern einen außerordentlich hohen meßtechnischen Aufwand, der dennoch in der Praxis nicht immer die gewünschten genauen Ergebnisse liefert. Darüberhinaus läßt ein solcher hoher Aufwand den verbreiteten Einsatz derartiger Meßsysteme, z. B. durch einen einzelnen landwirtschaftlichen Betrieb oder eine Genossenschaft, insbesondere auch in ärmeren Staaten oder Entwicklungs ländern nicht zu. Gerade dort ist jedoch eine genaue Kenntnis des Feuchtigkeitsgehaltes und ein dadurch optimiertes, sparsames Bewässern besonders von Nöten. Auch viele Industrienationen klagen zunehmend über Wasserknappheit, so daß auch hier eine möglichst sparsame Bewässerung sinnvoll erscheint, die andererseits nicht dazu führen soll, daß die zu bewässernden Pflanzen unter Wassermangel leiden und geringere Erträge bringen. Auch unter Kostengesichts punkten ist für einen landwirtschaftlichen Betrieb eine sparsame Bewässerung selbstverständlich sinnvoll.The propagation speed can then be measured from the signal propagation times and from this the dielectric constant is determined according to the above relationship. Do you want the electrical If you do not make the line excessively long, the noise times to be measured are less Nanoseconds. The exact measurement of such short transit times, for a reliable determination the dielectric constant and thus the moisture values of the soil are required, require an extraordinarily high level of metrological effort, which in practice is not always delivers the exact results you want. In addition, such a high cost the widespread use of such measuring systems, e.g. B. by a single agricultural Company or a cooperative, especially in poorer countries or developing countries do not country. However, there is a precise knowledge of the moisture content and a optimized, economical irrigation is particularly necessary. Many industrialized nations too increasingly complain of water shortages, so that here too one is as economical as possible Irrigation seems reasonable, which on the other hand should not lead to irrigation Plants suffer from a lack of water and bring lower yields. Even from a cost perspective scoring is a matter of course for an agricultural enterprise, economical irrigation sensible.

Wie bereits erwähnt, ist das bekannte System für den verbreiteten Einsatz zu ungenau oder zu aufwendig. Daneben sind selbstverständlich noch andere Verfahren, z. B. der chemischen oder physikalischen Analyse bekannt, die zwar mehr genau sind, jedoch einen noch höheren Aufwand und den Einsatz eines Labors erfordern, was erst recht die Möglichkeiten eines einzelnen Betriebes oder einer kleinen Genossenschaft übersteigt und dabei auch äußerst unpraktisch und zeitaufwendig ist.As already mentioned, the known system is too imprecise or too common for widespread use complex. In addition, there are of course other methods, e.g. B. the chemical or known physical analysis, which are more accurate, but an even higher effort and the use of a laboratory require what is even more the possibilities of an individual Company or a small cooperative and is also extremely impractical and is time consuming.

Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten in Gemengen oder Flüssigkeiten mit den bereits erwähnten Merkmalen zu schaffen, welche mit vergleichsweise geringem Aufwand sehr schnelle und genaue Werte der Dielektrizitätskonstanten des Systems bzw. des daraus abgeleiteten Feuchtigkeitsgehaltes liefern.Compared to this prior art, the present invention is based on the object Method and device for determining the dielectric constant in batches or To create liquids with the features already mentioned, which with comparative little effort very fast and accurate values of the dielectric constant of the system or the moisture content derived therefrom.

Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein hochfrequentes elektrisches Signal in die elektrische Leitung eingegeben und die Signalamplitude als Funktion der Signalfrequenz ermittelt wird, woraufhin die Auswertung, d. h. der Rückschluß auf die Dielektrizitäts konstante, aus dem Frequenzgang des gemessenen Signals vorgenommen wird.With regard to the method, this object is achieved in that a high-frequency electrical signal entered into the electrical line and the signal amplitude as a function of Signal frequency is determined, whereupon the evaluation, d. H. the conclusion on the dielectric constant, made from the frequency response of the measured signal.

Gleichzeitig können aus der Signaldämpfung (Amplitudendämpfung) die Bodenleitfähigkeit, die Salinität und andere Bodeneigenschaften aus den erfindungsgemäßen Messungen der Amplituden in Abhängigkeit von der Frequenz bestimmt werden.At the same time, from the signal attenuation (amplitude attenuation), the ground conductivity, the Salinity and other soil properties from the measurements of the amplitudes according to the invention can be determined depending on the frequency.

Vorzugsweise wird als elektrische Leitung eine Doppelleitung aus im wesentlichen parallelen elektrischen Leitern verwendet. Eine solche Leitung liefert im allgemeinen ein relativ gut meßbares Signal auch bei schwachen Sendeleistungen.A double line consisting of essentially parallel lines is preferably used as the electrical line electrical conductors used. Such a line generally provides a relatively easy to measure Signal even with weak transmission powers.

Die Doppelleitung kann gegebenenfalls auch als Koaxialleitung ausgestaltet sein. Daneben ist selbstverständlich auch die Verwendung einer einfachen Leitung möglich, insbesondere mit einem dünnwandigen, dielektrischen Überzug.The double line can optionally also be designed as a coaxial line. Is next to it of course, the use of a simple line is also possible, especially with one thin-walled, dielectric coating.

Alternativ kommt auch die Verwendung von Streifenleitungen, zum Beispiel in Form metallisch beschichteter Keramik- oder Kunststoffelemente, in Frage.Alternatively, strip lines can also be used, for example in the form of metal coated ceramic or plastic elements, in question.

Wichtig ist, daß im Gegensatz zum Stand der Technik nicht Signallaufzeiten gemessen werden, sondern daß die Frequenzabhängigkeit der Signale erfaßt und ausgewertet wird.It is important that, in contrast to the prior art, signal propagation times are not measured, but that the frequency dependence of the signals is recorded and evaluated.

Vorzugsweise ist die elektrische Doppelleitung als sogenannte Lecherleitung ausgestaltet, die wiederum vorzugsweise an ihrem den Meßvorrichtungen abgewandten Ende offen ist. Eine Lecherleitung besteht aus zwei exakt parallelen elektrischen Leitern, im allgemeinen rohrförmigen Hohlleitern, da die in Rede stehenden hochfrequenten Signale ohnehin nur durch die Ober flächenbereiche von elektrischen Leitern verlaufen.The electrical double line is preferably designed as a so-called Lech line is again preferably open at its end facing away from the measuring devices. A Lecher line consists of two exactly parallel electrical conductors, generally tubular ones Waveguides, since the high-frequency signals in question are only transmitted through the upper areas of electrical conductors.

Selbstverständlich können die Leitungen jedoch auch aus massiven elektrischen Leitern bestehen und der Begriff Lecherleitung wird im Sinne der vorliegenden Erfindung durchgehend für zwei möglichst exakt parallele, gerade Leiter gleicher Länge verwendet.Of course, the lines can also consist of solid electrical conductors and the term Lecher line is used continuously for two in the sense of the present invention as precisely parallel, straight conductors of the same length are used.

In einer bevorzugten Variante des Verfahrens erfolgt die Auswertung allein durch Erfassen des Frequenzabstandes der beim Durchstimmen der Sendefrequenz auftretenden Maxima und/oder Minima der Signalamplituden. Wenn das zu messende System eine kleine Dielektrizitätskonstante hat, sind die Abstände zwischen aufeinander folgenden Maxima oder Minima der frequenz abhängigen Signalamplitude relativ groß und werden mit wachsender Dielektrizitätskonstante, im Falle von Erdboden also mit zunehmender Feuchtigkeit, deutlich kleiner. Der Abstand der (in der Praxis am einfachsten zu messenden) aufeinander folgenden Maxima der Signalamplituden in Abhängigkeit von der Frequenz ändert sich zum Beispiel bei einem konkret verwendeten System um über 60%, wenn der Feuchtigkeitsgehalt des Bodens von 30% auf 12% abnimmt. Bei entsprechender Eichung weist das Verfahren daher einen hohen Grad an Genauigkeit auf, insbesondere für den Feuchtigkeitsbereich, der in der Praxis auch für Ackerböden von großem Interesse ist.In a preferred variant of the method, the evaluation is carried out solely by detecting the Frequency distance of the maxima and / or occurring when tuning the transmission frequency Minima of the signal amplitudes. If the system to be measured has a small dielectric constant the distances between successive maxima or minima of the frequency dependent signal amplitude relatively large and become with increasing dielectric constant, in So in the case of soil with increasing moisture, significantly smaller. The distance of the (in the Practice the easiest to measure) consecutive maxima of the signal amplitudes in Dependence on the frequency changes, for example, in the case of a specifically used system by over 60% when the moisture content of the soil decreases from 30% to 12%. At Appropriate calibration, the method therefore has a high degree of accuracy, especially for the moisture range, which in practice is also great for arable soils Interest is.

Grundsätzlich wäre es selbstverständlich auch möglich, aus einem kleinen Abschnitt des Frequenzganges, d. h. beispielsweise aus dem steilsten Abschnitt zwischen Maximum und Minimum der Signalamplitude, gemessen in Abhängigkeit von der Frequenz, die Dielektrizitätskon stante bzw. den Feuchtigkeitsgehalt abzuleiten.In principle, it would of course also be possible to use a small section of the Frequency response, d. H. for example from the steepest section between maximum and Minimum of the signal amplitude, measured as a function of the frequency, the dielectric constant constant or derive the moisture content.

Zur Feuchtigkeitsbestimmung erscheint es am zweckmäßigsten, das System durch eine Reihe konkreter Messungen und Analysen mit Hilfe von chemischen und/oder physikalischen Verfahren eine Eichmessung vorzunehmen.For moisture determination, it seems most appropriate to line up the system concrete measurements and analyzes with the help of chemical and / or physical processes to carry out a calibration measurement.

Mit dem beschriebenen Verfahren läßt sich die Dielektrizitätskonstante aus den generellen Beziehungen zwischen Wellenlänge, Frequenz, Lichtgeschwindigkeit und Dielektrizitätskonstante ermitteln, wobei im Falle der verwendeten Lecherleitung die zusätzliche Bedingung hinzukommt, daß bei einer offenen Leitung Maxima des Signals, d. h. Resonanzen der Doppelleitung auf das Sendesignal, immer dann zu erwarten sind, wenn die konkrete Länge L der Lecherleitung einem ungradzahligen Vielfachen einer Viertelwellenlänge entspricht. Für die Maxima gilt also die Beziehung (2n + 1) λ/4 = L. Im Falle einer Lecherleitung mit geschlossenem Ende würde die entsprechende Beziehung n/2 λ = L lauten.With the described method, the dielectric constant can be determined from the general relationships between wavelength, frequency, speed of light and dielectric constant. In the case of the Lech line used, there is the additional condition that, with an open line, maxima of the signal, ie resonances of the double line to the transmission signal, are always to be expected if the concrete length L of the Lecher line corresponds to an odd multiple of a quarter wavelength. The relationship ( 2 n + 1) λ / 4 = L therefore applies to the maxima. In the case of a Lech line with a closed end, the corresponding relationship would be n / 2 λ = L.

Für benachbarte Maxima unterscheiden sich die entsprechende Werte von n gerade um 1. Mit Hilfe dieser Bedingungen lassen sich die zu den jeweiligen Frequenzen gehörenden Wellenlängen und damit auch der Wert für die Dielektrizitätskonstante 8 ermitteln. Weil Wasser eine im Vergleich zum übrigen Bodenmaterial sehr hohe Dielektrizitätskonstante hat, wird diese Wert maßgeblich durch den Wasseranteil bzw. den Feuchtigkeitsgehalt besummt. Die genaue Zuordnung des Feuchtig keitsgehaltes zu den entsprechenden Werten von ε erfolgt am besten anhand einer Eichmessung.For neighboring maxima, the corresponding values of n differ by just 1. With the aid of these conditions, the wavelengths belonging to the respective frequencies and thus also the value for the dielectric constant 8 can be determined. Because water has a very high dielectric constant compared to the rest of the soil material, this value is significantly summed up by the water content or the moisture content. The exact assignment of the moisture content to the corresponding values of ε is best done using a calibration measurement.

Die entsprechende Vorrichtung weist die bereits erwähnte Doppelleitung auf, vorzugsweise in Form einer Lecherleitung, sowie einen zumindest in einem begrenzten Frequenzbereich durchstimm baren Sender. Prinzipiell würde es ausreichen, wenn der Sender über einen Frequenzbereich hinweg durchstimmbar ist, der das Erfassen eines Maximums und eines Minimums der Signalamplitude in Abhängigkeit von der Frequenz erlaubt. Genauer wird die Messung jedoch, wenn insgesamt mindestens zwei Maxima oder zwei Minima der betreffenden Kurve erkennbar werden. Der Oszillator sollte deshalb über einen Frequenzbereich hinweg durchstimmbar sein, dessen größter und kleinster Wert sich um einen Faktor von mindestens 2, besser noch um einen Faktor von mindestens 5 unterscheiden. Konkret wird ein Oszillator angestrebt, der im Frequenzbereich zwischen 150 MHz und 900 MHz durchstimmbar ist. Aber auch mit höheren Frequenzen, zum Beispiel bis in den Bereich von 10 GHz und darüber, läßt sich das erfindungs gemäße Prinzip verwirklichen. Höhere Frequenzen haben dabei vor allem den Vorteil, daß kürzere elektrische Leitungen als "Antennen" verwendet werden können.The corresponding device has the double line already mentioned, preferably in the form a Lecher line, as well as tune at least in a limited frequency range cash transmitter. In principle, it would be sufficient if the transmitter over a frequency range is tunable away, which is the detection of a maximum and a minimum of Signal amplitude allowed depending on the frequency. However, the measurement becomes more precise if a total of at least two maxima or two minima of the curve in question can be seen will. The oscillator should therefore be tunable over a frequency range, whose largest and smallest value is a factor of at least 2, better still one Distinguish factor of at least 5. Specifically, an oscillator is aimed for Frequency range between 150 MHz and 900 MHz is tunable. But also with higher ones Frequencies, for example up to the range of 10 GHz and above, can be the invention according to the principle. Above all, higher frequencies have the advantage that shorter ones electrical lines can be used as "antennas".

Es versteht sich, daß die Ausgangsverstärkung des Oszillators über den gesamten Frequenzbe reich hinweg möglichst konstant sein oder sich allenfalls gleichmäßig ändern sollte. Die Maxima und Minima der Signalamplitude entstehen dann allein aufgrund der Dämpfung oder Resonanz des Lechersystems. Besonders bevorzugt ist für Sender und Empfänger die sogenannte PLL-Technik (Phase locked loop), die eine sehr genaue frequenzgefilterte bzw. frequenzselektive Messung kleinster Signale ermöglicht.It is understood that the output gain of the oscillator over the entire frequency range should be as constant as possible across the board or should change evenly at best. The maxima and minima of the signal amplitude then arise solely on the basis of the attenuation or resonance of the Lechersystems. So-called PLL technology is particularly preferred for transmitters and receivers (Phase locked loop), which is a very precise frequency-filtered or frequency-selective measurement smallest signals possible.

Die elektrische Leitung besteht vorzugsweise aus zwei parallelen (oder auch einer einzelnen), mit einer Schutzschicht ummantelten Leitungen, die zweckmäßigerweise jeweils oder gemeinsam mit einer Spitze versehen werden, die das Einschieben der Leitung in Bodenmaterial erlaubt. Der Zwischenraum zwischen den Leitungen sollte beim Einschieben in den Boden möglichst weitgehend durch Bodenmaterial ausgefüllt werden können, so daß es sinnvoll erscheint, wenn allenfalls schmale Brücken oder Stege die beiden Leitungen bzw. deren Ummantelung direkt miteinander verbinden, um die beiden Leitungen stabil in ihrem parallelen Abstand zu halten, wobei die Verbindung selbstverständlich nichtleitend ist.The electrical line preferably consists of two parallel (or also a single) with a protective layer sheathed lines, which suitably each or together with be provided with a tip that allows the cable to be inserted into the floor material. Of the The space between the lines should be as possible when inserted into the floor can be largely filled with soil material, so that it makes sense if at most, narrow bridges or bridges directly connect the two lines or their jacketing connect to each other to keep the two lines stable at their parallel distance, whereby the connection is of course not conductive.

Eine andere Variante besteht darin, daß die Leitungen auf gegenüberliegenden Seiten eines Rohres parallel angeordnet werden, welches in den Boden eingesteckt bzw. gerammt werden kann. Das Rohr sollte dementsprechend dünnwandig, gleichzeitig jedoch auch stabil sein. Statt eines vollständigen Rohres könnten jedoch auch ein Rohrsektor oder ein Halbrohr verwendet werden, bei welchem die Leitungen entlang der freien Kanten dieses Rohrsektors angeordnet sind. Bei einer solchen Ausgestaltung läßt sich das Lechersystem relativ leicht in Bodenmaterial einschieben, vorausgesetzt, dieses ist nicht allzu stark verdichtet und verfestigt. Gleichzeitig dringt auch das Bodenmaterial auf der konkaven Seite des Rohrsektors oder Halbrohres in den Bereich zwischen den beiden Leitungen ein, so daß dieses Material auch tatsächlich die Ausbreitungs geschwindigkeit und damit die Wellenlänge der elektrischen Signale in der Leitung bestimmt.Another variant is that the lines on opposite sides of a Pipe are arranged in parallel, which are inserted or rammed into the ground can. Accordingly, the tube should be thin-walled, but at the same time also stable. Instead of However, a pipe sector or a half pipe could also be used for a complete pipe in which the lines are arranged along the free edges of this pipe sector. With such a configuration, the Lechersystem can be relatively easily in soil material insert, provided that it is not too densely compacted and solidified. Penetrates at the same time also the soil material on the concave side of the pipe sector or half pipe in the area between the two lines so that this material is actually the spread speed and thus the wavelength of the electrical signals in the line.

Die Vorderkante eines Rohres, Halbrohres oder Rohrsektors ist zweckmäßigerweise als Schneide ausgebildet oder auch zu einer Spitze geformt. Die Zuleitungen sollten an einem Ende der Doppelleitung vorzugsweise seitlich erfolgen. Auf diese Weise kann das Ende der Leitung noch mit einem Druck- oder Schlagkopf versehen werden, der das Eintreiben der Doppelleitung in Bodenmaterial erleichtert.The front edge of a pipe, half pipe or pipe sector is expediently as a cutting edge trained or formed into a tip. The supply lines should be at one end of the Double line is preferably carried out laterally. This way the end of the line can still be provided with a pressure or impact head, which drives the double line in Soil material relieved.

Die Leistung des betreffenden Senders sollte möglichst unter 100 mW liegen, damit der Fernsehempfang in der näheren Umgebung des betreffenden Senders möglichst nicht gestört wird.The power of the transmitter in question should be less than 100 mW, so that the TV reception in the immediate vicinity of the transmitter in question is not disturbed if possible.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der dazugehörigen Figuren. Es zeigen:Further advantages, features and possible uses of the present invention will become apparent clear from the following description of a preferred embodiment and the associated figures. Show it:

Fig. 1 ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Systems, Fig. 1 is a block diagram of the system according to the invention,

Fig. 2 eine erste, konkrete Ausgestaltung einer Lecherleitung zur Verwendung in dem in Fig. 1 dargestellten System, Fig system shown a first specific embodiment of a Lecher line for use in the in FIG. 1. 2,

Fig. 3 und 4 schematisch zwei weitere Ausführungsformen einer Lecherleitung, FIGS. 3 and 4 schematically illustrate two further embodiments of a Lecher line,

Fig. 5, 6 und 7 die gemessenen Frequenzabhängigkeiten der Signale bei einem System nach Anspruch 1 bei verschiedenen Bodenfeuchtigkeiten. Fig. 5, 6 and 7, the measured frequency dependencies of the signals in a system according to claim 1 at various soil moisture.

In Fig. 1 erkennt man schematisch eine Lecherleitung 2, bestehend auf zwei parallelen, elektrischen Leitern, die am Ende offen, d. h. nicht miteinander verbunden sind. Die Lecherleitung 2, die mechanisch entsprechend stabil ausgeführt ist, teilweise gekapselt sein kann und gegebenenfalls Gehäuseabschnitte mit verstärkten Enden aufweist, ist in den schraffiert angedeuteten Erdboden 1 eingesteckt bzw. eingerammt. Ein durchstimmbarer Hochfrequenzgene rator 3 speist ein hochfrequentes, elektromagnetisches Signal in die Leitung 2 ein. Sofern die Frequenz genügend hoch und die Länge der Lecherleitung 2 hinreichend lang ist, bilden sich in der Lecherleitung 2 dieselben elektromagnetischen Wellenzustände aus wie in einer Antenne. Hierzu muß die Länge der Leitung 2 in der Größenordnung von mindestens einem Viertel der Wellenlänge der hochfrequenten elektromagnetischen Wellen liegen. Es versteht sich, daß unter praktischen Gesichtspunkten die Lecherleitung 2 nicht allzu lang sein darf, auch wenn sie üblicherweise nicht, wie in Fig. 1 dargestellt ist, vertikal in den Boden gesteckt werden muß, sondern im allgemeinen vielmehr flach unter einem kleinen Winkel zur Bodenoberfläche in diesen eingeschoben wird, um vor allem die Feuchtigkeit der oberen Bodenschichten zu bestimmen, die für das Gedeihen von Ackerfrüchten relevant sind. Andererseits kann die Lecherleitung auch senkrecht in den Boden gesteckt werden, wenn sie genügend kurz ist. Verwendet man eine Frequenz von 150 MHz, so beträgt im Vakuum die Wellenlänge der entsprechenden elek tromagnetischen Wellen 2 Meter und die entsprechende Lecherleitung müßte demnach 50 cm lang sein, um den Resonanzzustand einer stehenden Welle mit 150 MHz ausbilden zu können.In Fig. 1 you can see schematically a Lecher line 2 , consisting of two parallel electrical conductors which are open at the end, ie not connected to each other. The perforated pipe 2 , which is designed to be mechanically stable, can be partially encapsulated and optionally has housing sections with reinforced ends, is inserted or rammed into the ground 1 indicated by hatching. A tunable high-frequency generator 3 feeds a high-frequency, electromagnetic signal into line 2 . If the frequency is sufficiently high and the length of the Lecher line 2 is sufficiently long, the same electromagnetic wave states are formed in the Lecher line 2 as in an antenna. For this purpose, the length of the line 2 must be on the order of at least a quarter of the wavelength of the high-frequency electromagnetic waves. It is understood that, from a practical point of view, the Lecher line 2 must not be too long, even if it does not usually have to be inserted vertically into the ground, as shown in FIG. 1, but generally rather flat at a small angle to the ground surface is inserted into them, primarily to determine the moisture of the upper soil layers, which are relevant for the flourishing of crops. On the other hand, the Lecher line can also be inserted vertically into the ground if it is short enough. If a frequency of 150 MHz is used, the wavelength of the corresponding electromagnetic waves in a vacuum is 2 meters and the corresponding Lecher line would therefore have to be 50 cm long in order to be able to develop the resonance state of a standing wave at 150 MHz.

Da jedoch im Erdboden die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen deutlich langsamer ist als im Vakuum, kann die Lecherleitung 2 in der Praxis um einen entsprechenden Faktor in der Größenordnung von 2-3 verkürzt werden. Je kürzer die Lecherleitung 2 ist, desto eher ist es sinnvoll, sie senkrecht in den Boden zu stecken, soweit damit nur die relevanten Bodenschichten erfaßt werden. Will man außerdem die Frequenz um mindestens einen Faktor 2 variieren, um die Resonanzen zum Bestimmen der Lecherleitung 2 zu erfassen, d. h. diejenigen Frequenzen, bei denen die aktuelle Wellenlänge λ der Gleichung (2n+1) · λ/4 = L genügt, wobei L die Länge der Lecherleitung ist, so muß die Frequenz mindestens in dem Bereich von 150 MHz bis 300 MHz durchstimmbar sein. Bei einem in der Praxis gut brauchbaren und leicht handhab baren System dürfte also die verwendbare Frequenz und damit der durchstimmbare Bereich zwischen etwa 100 MHz und 1000 MHz liegen und die Lecherleitung 2 müßte dann eine Länge in der Größenordnung zwischen 10 und 30 cm haben, um die Dielektrizitätskonstanten nach der erfindungsgemäßen Methode messen zu können, deren Werte zwischen etwa 1 und 80 fallen. Hohe Frequenzen, gegebenenfalls bis in den Bereich von 10 GHz oder gar darüber sind deshalb besonders bevorzugt, sofern entsprechende frequenzabgestimmte Sender und Empfänger höher Empfindlichkeit zur Verfügung stehen.However, since the speed of propagation of electromagnetic waves in the ground is significantly slower than in a vacuum, the Lecher line 2 can be shortened in practice by a corresponding factor of the order of 2-3. The shorter the Lecher line 2 , the sooner it makes sense to insert it vertically into the ground, insofar as only the relevant soil layers are covered. If one also wants to vary the frequency by at least a factor of 2 in order to record the resonances for determining the Lecher line 2 , ie those frequencies at which the current wavelength λ satisfies the equation (2n + 1) · λ / 4 = L, where L the length of the Lech line is, the frequency must be tunable at least in the range from 150 MHz to 300 MHz. In a system that is well usable in practice and easy to handle, the usable frequency and thus the tunable range should be between approximately 100 MHz and 1000 MHz and the Lech line 2 would then have a length of the order of 10 to 30 cm in order to To be able to measure dielectric constants using the method according to the invention, the values of which fall between approximately 1 and 80. High frequencies, possibly up to the 10 GHz range or even above, are therefore particularly preferred, provided that corresponding frequency-matched transmitters and receivers with higher sensitivity are available.

Die von dem Hochfrequenzgenerator 3 an die Lecherleitung 2 abgegebene Energie wird in den Erdboden abgestrahlt, wobei sich, wie bereits erwähnt, bei bestimmten Wellenlängen resonante Zustände ausbilden. Die Signalamplitude, die mit dem Meßsystem erfaßt wird, welches durch die Bezugszeichen 4 bis 7 wiedergegeben ist, wird daher in Abhängigkeit von der Frequenz oder Wellenlänge periodisch schwanken. Diese Schwankungsperiode wird zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten 8 verwendet. Mit 4 ist ein Eingangsverstärker bezeichnet, der ebenso wie der Hochfrequenzsender 3 an das obere Ende der Lecherleitung 2 angeschlossen ist. Die Bezugszahl 5 bezeichnet einen Gleichrichter und mit 6 ist ein Analog-Digital Wandler bezeichnet. In einem Rechnerteil 7 werden die Meßwerte erfaßt und ausgewertet und können in einem RAM- Speicher 8 gespeichert und in einer Anzeigeeinheit 9 angezeigt werden. Mit 10 sind schematisch Bedienelemente dargestellt, deren Zustand zweckmäßigerweise vom Rechner 7 erfaßt wird, um die Einstellungen der Bedienelemente beim Auswerten der Meßergebnisse berücksichtigen zu können. Konkret könnten die Bedienelemente 10 durch die Tastatur eines Rechners gebildet werden. Unabhängig davon können jedoch auch Einstellelemente an den einzelnen Geräten vorhanden sein.The energy given off by the high-frequency generator 3 to the Lecher line 2 is radiated into the ground, whereby, as already mentioned, resonant states are formed at certain wavelengths. The signal amplitude, which is detected by the measuring system, which is represented by the reference numerals 4 to 7 , will therefore fluctuate periodically as a function of the frequency or wavelength. This fluctuation period is used to determine the dielectric constant 8 . 4 designates an input amplifier which, like the high-frequency transmitter 3, is connected to the upper end of the Lech line 2 . The reference number 5 denotes a rectifier and 6 denotes an analog-digital converter. The measured values are recorded and evaluated in a computer part 7 and can be stored in a RAM memory 8 and displayed in a display unit 9 . 10 schematically shows control elements, the state of which is expediently recorded by the computer 7 in order to be able to take the settings of the control elements into account when evaluating the measurement results. In concrete terms, the operating elements 10 could be formed by the keyboard of a computer. Regardless of this, however, setting elements can also be present on the individual devices.

In einer anderen, nicht dargestellten Variante könnten der Verstärker 4 und der Gleichrichter 5 durch einen schmalbandigen, in der Frequenz parallel zum Generator 3 mitgeführten Empfänger bestehen. Derartige frequenz- und gegebenenfalls auch phasenempfindliche Empfänger haben eine sehr hohe Meßempfindlichkeit, so daß bei einem solchen System die Leistung des UHF- Generators 3 sehr gering und z. B. deutlich unter 100 mW liegen könnte, was zur Vermeidung von Störungen im Fernsehfrequenzbereich wünschenswert ist.In another variant, not shown, the amplifier 4 and the rectifier 5 could consist of a narrow-band receiver with the frequency parallel to the generator 3 . Such frequency and possibly also phase-sensitive receivers have a very high sensitivity, so that in such a system the performance of the UHF generator 3 is very low and z. B. could be significantly below 100 mW, which is desirable to avoid interference in the television frequency range.

Bild 2 zeigt mehr oder weniger schematisch eine konkrete Ausgestaltung einer Lecherleitung. Die beiden Leitungen 2a, 2b die z. B. aus Kupfer-Beryllium Rohren bestehen könnten, sind mit ihren vorderen Enden in eine Kappe 12 eingesteckt, die mit einer Spitze versehen ist. Die Verbindung der Rohre 2a, 2b mit der Kappe 12 sollte entweder formschlüssig oder mit gut haftenden Kleber erfolgen. Die Kappe 12 sollte möglichst schmal und glatt ausgeführt sein und könnte auch eine metallische Spitze aufweisen. Am hinteren Ende, an welchem der Generator 3 und der Meßverstärker 4 angeschlossen werden, sind die Enden der Rohre 2a, 2b mit einer Druck- oder Schlagkappe 11 versehen, die hier im Schnitt dargestellt ist und die dazu dient, auf das hintere Ende der Lecherleitung 2 gegebenenfalls Druck auszuüben, um sie in den Erdboden einzudrücken, oder gegebenenfalls auch um die mit einem Hammer oder dergleichen. In den Boden ein zuschlagen der Druck- oder Schlagkopf 11 weint seitliche Bohrungen auf, durch welche die Anschlußleitungen hindurchgeführt werden. Je nach Länge des Systems können auch noch ein oder mehrere Verbindungsbrücken 13 vorgesehen sein, welche die beiden Rohre 2a, 2b in ihrer parallelen Ausrichtung festhalten. Figure 2 shows more or less schematically a concrete design of a Lecher line. The two lines 2 a, 2 b the z. B. could consist of copper-beryllium tubes are inserted with their front ends in a cap 12 which is provided with a tip. The connection of the tubes 2 a, 2 b to the cap 12 should either be form-fitting or with a good adhesive. The cap 12 should be as narrow and smooth as possible and could also have a metallic tip. At the rear end, to which the generator 3 and the measuring amplifier 4 are connected, the ends of the tubes 2 a, 2 b are provided with a pressure or impact cap 11 , which is shown here in section and which serves to the rear end the Lecher line 2, if necessary, to exert pressure in order to press it into the ground, or possibly also with a hammer or the like. In the ground hit the print or hammer head 11 cries lateral holes through which the connecting lines are passed. Depending on the length of the system and also one or more connecting bridges 13 can be provided, which hold the two tubes 2 a, 2 b in their parallel alignment.

Eine andere, schematisch angedeutete Variante ist in Fig. 3 dargestellt. In diesem Fall weist die Lecherleitung ein rohrförmiges Gehäuse 14 auf, welches in den Boden eingerammt oder eingesteckt werden kann. Das Vorderende des rohrförmigen Gehäuses 14 ist mit einem scharfkantigen Rand ausgebildet, so daß hierdurch das Einstecken in den Boden erleichtert wird. Dabei dringt der Boden in das Rohr ein und füllt damit den Raum zwischen den beiden Leitungen 2a und 2b aus, die auf gegenüberliegenden Seiten des Rohres parallel zur Achse des Rohres 14 verlaufen.Another, schematically indicated variant is shown in FIG. 3. In this case, the Lecher line has a tubular housing 14 which can be rammed into the ground or inserted. The front end of the tubular housing 14 is formed with a sharp-edged edge, so that this makes it easier to insert it into the ground. The floor penetrates into the tube and thus fills the space between the two lines 2 a and 2 b, which run parallel to the axis of the tube 14 on opposite sides of the tube.

Fig. 4 zeigt eine weitere Variante, bei welcher das Gehäuse 14′ als Halbrohr oder auch als Rohrsektor mit mehr oder weniger als 180° Umfangswinkel ausgebildet ist. An den freien Kanten des Rohrsektors 14′ sind wiederum die beiden Leitungen 2a und 2b der Lecherleitung 2 achsparallel verlaufend angeordnet. Das vordere Ende des Rohrsektors 14′ ist zu einer Spitze auslaufend geformt. Diese Variante ist noch leichter in den Boden einzubringen als das Rohr 14 nach Fig. 3, wobei ebenfalls sichergestellt ist, daß das Erdbodenmaterial den Raum zwischen den Leitungen 2a und 2a ausfüllt. Das hier nicht dargestellte hintere Ende bei den Ausführungsformen nach Fig. 3 oder Fig. 4 könnte ebenso wie im Falle der Fig. 2 mit einem Druck- oder Schlagkopf 11 ausgestattet sein. Fig. 4 shows a further variant, in which the housing 14 'is designed as a half pipe or as a pipe sector with more or less than 180 ° circumferential angle. At the free edges of the pipe sector 14 ', the two lines 2 a and 2 b of the Lecher line 2 are in turn arranged axially parallel. The front end of the pipe sector 14 'is tapered to a tip. This variant is even easier to introduce into the ground than the pipe 14 according to FIG. 3, whereby it is also ensured that the soil material fills the space between the lines 2 a and 2 a. The rear end, not shown here, in the embodiments according to FIG. 3 or FIG. 4 could, like in the case of FIG. 2, be equipped with a pressure or impact head 11 .

Die Fig. 5, 6 und 7 zeigen die mit einem System nach Fig. 1 gemessenen Signalamplituden eines nach dem Schema der Fig. 1 aufgebauten Versuchsystems in Abhängigkeit von der variablen Frequenz des UHF-Generators 3, wobei die Messungen in den Fig. 5, 6 und 7 jeweils bei unterschiedlichen Bodenfeuchtigkeiten vorgenommen wurden, die unabhängig bestimmt wurden. Zunächst soll hier noch kurz der Zusammenhang zwischen dem Abstand der Signalmaxi ma und der Dielektrizitätskonstanten abgeleitet werden, aus welcher wiederum, spätestens nach einer entsprechenden Eichmessung, auf den Feuchtigkeitsgehalt zurückgeschlossen werden kann.The Fig. 5, 6 and 7 measured with a system according to Fig. 1, signal amplitudes show a according to the scheme of FIG. 1 assembled test system in response to the variable frequency of the UHF-generator 3, the measurements in Figs. 5, 6 and 7 were carried out at different soil moisture levels, which were determined independently. First of all, the relationship between the distance between the signal maxi ma and the dielectric constant is to be derived briefly, from which, in turn, at the latest after a corresponding calibration measurement, conclusions can be drawn about the moisture content.

Die beiden grundlegenden Beziehungen sind die schon in der Beschreibungseinleitung erwähnten Gleichungen (1 und 2), die hier in vereinfachter Form nochmals wiedergegeben werden:The two basic relationships are those already mentioned in the introduction to the description Equations (1 and 2), which are reproduced here again in a simplified form:

c = ν × λ = c₀/√ε (1)c = ν × λ = c₀ / √ε (1)

und für die Maxima der Signalamplituden bei einer offenen Lecherleitung:and for the maxima of the signal amplitudes with an open Lecher line:

L = (2n + 1) · λ/4 (2)L = (2n + 1) λ / 4 (2)

Aus 1 erhält man durch UmformungOne obtains from 1 by reshaping

Dieses eingesetzt in Gleichung 2 ergibtThis inserted in equation 2 gives

wobei ν_n,max denjenigen Frequenzen entspricht, bei welchen ein Maximum der Signalamplitude auftritt und n diese Amplituden in der Reihenfolge ihres Auftretens abzählt.where ν _{n, max} corresponds to those frequencies at which a maximum of the signal amplitude occurs and n counts these amplitudes in the order in which they occur.

Diese Gleichung aufgelöst nach νn,max ergibtThis equation solved for νn, max

Für den Frequenzabstand Δν zweier benachbarter Maxima der Signalamplituden, d. h. die Differenz zwischen ν_n+1,max und ν_n,max, erhält man demnach:For the frequency spacing Δν of two adjacent maxima of the signal amplitudes, ie the difference between ν _{n + 1, max} and ν _{n, max} , we get:

Dies aufgelöst nach √ε ergibtThis resolved according to √ε results

Damit ist die Wurzel aus der Dielektrizitätskonstanten unmittelbar auf den Abstand Δν der Maxima in der Kurve der Signalamplituden in Abhängigkeit von der Frequenz zurückgeführt.Thus the root of the dielectric constant is directly on the distance Δν of the maxima in the curve of the signal amplitudes as a function of the frequency.

Aus den Fig. 5 bis 7 erkennt man, daß sich der Abstand der Signalmaxima von 105,5 MHz über 89,5 MHz bis zu 84,0 MHz deutlich ändert, wenn die Bodenfeuchtigkeit nur im Bereich zwischen 19,2% und über 25,7% bis 28,2% variiert. Man erkennt daraus, daß man die Bodenfeuchtigkeiten ohne weiteres bis auf 0,2% genau bestimmen kann, wenn sich die Lage der Maxima bzw. der Abstand der Maxima auf etwa 0,5 MHz genau bestimmen läßt, was bei einer digitalen Auswertung der Meßkurven ohne weiteres möglich ist.From FIGS. 5 to 7 it is seen that the distance of the signal peaks of 105.5 MHz on 89.5 MHz significantly changes up to 84.0 MHz when the soil moisture only in the range between 19.2% and more than 25, 7% to 28.2% varies. It can be seen from this that the soil moisture can be determined with an accuracy of up to 0.2% if the position of the maxima or the distance between the maxima can be determined with an accuracy of about 0.5 MHz, which is the case with a digital evaluation of the measurement curves further is possible.

Claims

1. A method for determining the dielectric constant in batches, for example in arable soil, or in liquids, in which a high-frequency electrical signal is sent into an electrical line introduced into the batch or the like and constant from the signal propagation or reflection on the dielectric closed and if necessary the moisture content of the batch is derived from it, characterized in that the high-frequency signal is input into the electrical line and the signal amplitude is determined as a function of the signal frequency, whereupon the evaluation, ie the conclusion on the dielectric constant from the frequency response of the measured signal is taken before.

2. The method according to claim 1, characterized in that as an electrical line a double line consisting of essentially parallel electrical conductors is used.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that as electrical Line a coaxial line, a single line coated with a dielectric or a strip line applied as a layer to a carrier is used.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that as electrical double line a Lecher line preferably open at the end used becomes.

5. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the Evaluation of the frequency response, the frequency spacing of maxima and / or minima the signal amplitude is used.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the evaluation is carried out using the following relationships and boundary conditions: where λ is the wavelength in the double line, ν is the signal frequency, c is the speed of light, ε is the dielectric constant, µ the (generally = 1 to be set) permeability L is the length of the double line and n is an integer.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that A calibration measurement was carried out in batches with known moisture contents becomes.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, wherein for moisture measurement in Dug a hole in the bottom and the measuring probe (double line) in the hole horizontally is inserted into the ground, the measurement possibly in different Soil depths is repeated.

9. The method according to any one of claims 1 to 8, characterized in that the Frequency variation at least one factor 2, preferably at least one factor 5 is.

10. The method according to claim 9, characterized in that the frequency at least in the range from 200 to 600 MHz, preferably in the range from 150 to 900 MHz and is varied between 1 and 10 GHz.

11. Device for determining the dielectric constant of a mixture, such as soil or a liquid, with a line which can be introduced into the mixture or the liquid, at least one end of the line being connected to a transmitter for high-frequency electrical signals, and wherein a receiver for the signals which have passed through or have been reflected in the line is connected to the line, characterized in that the transmitter ( 3 ) can be tuned within a predeterminable frequency range which is sufficient to make the frequency dependence of the received signal to determine.

12. The apparatus according to claim 11, characterized in that the line is a double line ( 2 ).

13. The apparatus according to claim 12, characterized in that the line is a Coaxial line, a single line coated with a dielectric or one on stripline applied to a carrier.

14. Device according to one of claims 11 to 13, characterized in that the Tunability range of the frequency includes at least a factor of 2.

15. The apparatus according to claim 14, characterized in that the tunable speed range comprises at least a factor of 5 and preferably the range of Corresponds to 150 MHz to 900 MHz.

16. The apparatus according to claim 14, characterized in that the tunable range is between 1 and 10 GHz.

17. The device according to one of claims 11 to 16, characterized in that the Line is a Lecher line preferably open at its outer end.

18. Device according to one of claims 11 to 17, characterized in that the electrical conductor with a protective layer, preferably made of plastic, coated are.

19. Device according to one of claims 11 to 18, characterized in that the two conductors ( 2 a, 2 b) are non-conductively connected to one another via narrow webs ( 13 ).

20. Device according to one of claims 11 to 19, characterized in that the two electrical conductors ( 2 a, 2 b) on opposite sides of a tube ( 14 ) or half-tube ( 14 ') or tube sector are attached.

21. Device according to one of claims 11 to 20, characterized in that the front end of the double line is provided with one or more tips ( 12 ) or with a cutting edge.

22. Device according to one of claims 11 to 21, characterized in that the electrical leads are brought laterally to one end of the double line and that this end is equipped with a flat head ( 11 ) made of a resistant material.

23. The device according to one of claims 11 to 22, characterized in that the Transmitter power is adjustable to less than 100 mW.

24. The device according to one of claims 11 to 23, characterized in that the Transceiver system is a PLL system.