DE19629745C2 - Vorrichtung sowie Verfahren zur Bestimmung von Bodeneigenschaften - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Bestimmung von Bodeneigenschaften, insbesondere zur Bestimmung des Matrixpotentials im Boden.

Als Matrixpotential des Bodens wird die Kraft pro Flächenein­ heit bezeichnet, mit der das darin enthaltene Wasser gebunden wird. Das Matrixpotential wird daher üblicherweise in der Ein­ heit Pascal mit negativen Vorzeichen angegeben. Gebräuchlich ist jedoch auch der Begriff "Saugspannung", der mit positiven Vorzeichen angegeben wird.

Aus DE 39 11 151 A1 ist ein Gerät bekannt, das zum Messen des Matrixpotentials im Boden verwendet werden kann. Dieses Gerät besteht im wesentlichen aus einer in den Boden einzuführenden rohrförmigen und gasdichten Meßzelle. Die Meßzelle wird anfäng­ lich mit Wasser gefüllt, das nach Einführung in den Boden ent­ sprechend dem im Boden herrschenden Matrixpotential durch einen porösen, flüssigkeitsdurchlässigen Abschnitt der Meßzelle in den Boden entweicht. Durch das teilweise Entweichen des Wassers aus der Meßzelle entsteht in dieser ein meßbarer Unterdruck, der als Maß für das im Boden vorherrschende Matrixpotential verwendet wird.

Aus DE-OS 16 73 046 ist eine Vorrichtung bekannt, mit der eine Messung der Bodenfeuchte ermöglicht wird. Das Gerät weist eine in den Boden einzuführende Meßzelle auf, in der Elektroden an­ geordnet sind, die durch ein Dielektrikum mit bekannter Porosi­ tät und Porengröße voneinander getrennt sind. Die zwischen den Elektroden vorherrschende Kapazität, deren Größe durch die Art des verwendeten Dielektrikums bestimmt wird, wird durch eine entsprechende Meßschaltung ausgewertet. Aufgrund des Eindrin­ gens von Bodenfeuchte in das Dielektrikum wird die die Kapazi­ tät bestimmende effektive Permitivitätszahl bzw. Dielektrizi­ tätszahl verändert. Die bestimmbare Kapazitätsänderung wird als Maß für die im Boden herrschende Feuchte angesehen. Das in der Meßzelle vorgesehene Dielektrikum ist vorzugsweise eine Kera­ mik.

Aus DE-OS 20 04 142 ist eine Vorrichtung zur Messung der Bodenfeuchte bekannt, die ein Dielektrikum aus Quarzsand aufweist, in die Elektroden eines Meßkondensa­ tors eingebracht sind. Der Meßkondensator besteht insbesondere aus einer inneren Stabelektrode und einer diese konzentrisch umgebenden schraubenlinienförmi­ gen Wendel, die als zweite Elektrode dient. Die Stabelektrode ist von einem pulver­ förmigen Dielektrium umhüllt. Als bevorzugtes Dielektrium wird feinkörniges Alumini­ umoxid bzw. feinkörniger Quarzsand vorgeschlagen.

Eine weitere Vorrichtung zur Feuchtemessung ist aus SU-A-1484331 bekannt. Die entsprechende Vorrichtung weist eine zentrale Elektrode und zwei gleichförmige late­ rale Elektroden auf, wobei eine Schicht eines Dielektrikums mit bekannter Permitivi­ tät unter einer der lateralen Elektroden ausgebildet ist. Die Vorrichtung mißt die Bo­ denfeuchte über eine durch die Feuchte bewirkte Kapazitätsänderung.

Es ist bekannt, daß insbesondere in der Landwirtschaft die Mes­ sung des Matrixpotentials eines Bodens größere Bedeutung hat, als die Messung der Bodenfeuchte. Ein feinkörniger Boden aus einem bestimmten Material hat aufgrund einer pro Volumeneinheit größeren wasserabsorbierenden Oberfläche eine bessere Fähig­ keit, das in dem Boden enthaltene Wasser zu binden, als ein Bo­ den aus gleichem Material, der jedoch eine höhere Korngröße aufweist. Unter der Voraussetzung, daß beide Böden die gleiche Feuchtigkeit aufweisen, wird es für Pflanzen in dem Boden mit höherer Korngröße leichter sein, das darin enthaltene Wasser aufzusaugen.

Das aus der DE 39 11 151 A1 bekannte Gerät ist damit für Anwen­ dungen in der Landwirtschaft besser geeignet, als das aus der DE-OS 16 73 046 bekannte Gerät. Jedoch beruht das aus der DE 39 11 151 A1 bekannte Gerät auf einem Prinzip, das eine Bestimmung des Matrixpotentials im wesentlichen nur in einem Meßbereich zwischen 0 bis ca. -800 Pascal ermöglicht, wobei dieser Bereich nur bei sehr feuchten Böden anzutreffen ist.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vor­ richtung sowie ein Verfahren anzugeben, mit denen das Matrixpo­ tential eines Bodens in einfacher und genauer Weise gemessen werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der Patentansprüche 1 und 7 gelöst.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß das Matrixpoten­ tial eines Bodens trotz der Abhängigkeit vom Wassergehalt im Boden dennoch zuverlässig bestimmt werden kann, wenn für die Messung ein Dielektrikum verwendet wird, für das der Zusammen­ hang zwischen Matrixpotential und Wassergehalt vorbekannt ist.

Die effektive oder wirksame Permitivitätszahl bzw. Dielektrizi­ tätszahl des in der Meßzelle vorhandenen Dielektrikums wird durch den aufgrund der Bodenfeuchte in das Dielektrikum eintre­ tenden Wassergehalt beeinflußt. Durch eine entsprechende Meß­ schaltung ist diese Veränderung der Dielektrizität meßbar, wo­ durch ein Rückschluß auf den im Dielektrikum vorhandenen Was­ sergehalt ermöglicht wird. Da für das verwendete Dielektrikum der Zusammenhang zwischen Wassergehalt und Matrixpotential vor­ bekannt ist, wird dadurch auch ein Rückschluß auf das im Boden herrschende Matrixpotential ermöglicht, da dieses aus Gründen des Gleichgewichts gleich dem im Dielektrikum vorliegenden Ma­ trixpotential ist.

Die Erfindung und insbesondere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden im folgenden unter anderem unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen die Zeichnungen im einzelnen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausfüh­ rungsform für das erfindungsgemäße Meßgerät;

Fig. 2 und 3 schematische Darstellungen einer bevorzugten Kon­ struktionsweise für die Meßzelle, und

Fig. 4 einen schematischen Zusammenhang zwischen Wassergehalt und Matrixpotential für verschiedene Materialien.

Fig. 1 zeigt in schematischer Weise eine mögliche Ausführungs­ form für das erfindungsgemäße Meßgerät. Das Meßgerät besteht aus einer Meßzelle oder Sonde 1 sowie einer Auswerteschaltung 2, wobei diese Einheiten über eine Verbindungsleitung 9 mitein­ ander verbunden sind. Die Meßzelle 1 weist in der Ausführungs­ form gemäß Fig. 1 eine zylindrische Form auf und enthält, wie genauer aus Fig. 2 ersichtlich ist, mindestens zwei Elektroden 3. Die äußere Form der Meßzelle sowie die Form und die Anzahl der Elektroden ist jedoch in weitem Maße beliebig gestaltbar, wie der Fachmann erkennen wird. Die Elektroden 3 sind voneinan­ der beabstandet und in ein Dielektrikum 4 eingebettet. Die Meß­ zelle weist weiter ein Gehäuse 5 auf, das zumindest stellenwei­ se aus einem Material besteht, das ein Eindringen von Wasser oder Wasserdampf von außen in das Zelleninnere ermöglicht. Ein dafür geeignetes Material ist beispielsweise Polyamid oder Ny­ lon. Vorzugsweise besteht daher zumindest der Teil des Gehäu­ ses, der das Dielektrikum 4 umgibt, aus einem Polyamid-Netz.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, besteht die Meßzelle vorzugs­ weise aus zwei Abschnitten. Einem unteren Abschnitt 7, in dem die Elektroden und das Dielektrikum untergebracht sind und ei­ nem oberen Abschnitt 6, der vorzugsweise die Elektroden trägt und in dessem Inneren eine elektrische Schaltung zur Signaler­ fassung untergebracht ist. Der obere Abschnitt 6 der Meßzelle kann so groß ausgeführt sein, daß darin die gesamte elektrische Auswerteschaltung Platz findet, so daß eine externe Auswerte­ schaltung 2, wie sie in Fig. 1 gezeigt ist, nicht mehr notwen­ dig ist.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, kann insbesondere der untere Ab­ schnitt 7 der Meßzelle durch einen Rahmen 8 gebildet sein, der das die Außenhaut bildende Polyamid-Netz 5 trägt.

Das verwendete Dielektrikum 4 weist vorzugsweise eine Permiti­ vitätszahl oder relative Dielektrizitätszahl von kleiner oder gleich 81 auf. Ein geeignetes Material stellt somit beispiels­ weise Quarz dar, das als Quarzsand in das Innere der Meßzelle eingefüllt werden kann. Um ein möglichst gutes Meßergebnis zu erreichen, ist darauf zu achten, daß das Dielektrikum lücken­ los, d. h. ohne Zwischenräume die Elektroden umgibt.

Die in der Auswerteschaltung 2 und/oder dem oberen Abschnitt 6 der Meßzelle vorhandene elektrische Schaltung muß so ausgelegt sein, daß eine Veränderung der Permitivität des Dielektrikums 4 aufgrund von aus dem Boden in die Zelle eindringendem Wasser erfaßt werden kann. Die Permitivitätsänderung wird meßtechnisch vorzugsweise über eine Kapazitätsänderung der durch die Elek­ troden gebildeten Kapazität erfaßt. Eine Permitivitätszahl von kleiner oder gleich 81 sollte deshalb gewählt werden, da die Permitivitätszahl von Wasser bei etwa 81 liegt. Je kleiner die Permitivitätszahl des verwendeten Dielektrikums 4 ist, umso größer wird der Einfluß des eindringenden Wassers auf die ef­ fektiv wirksame Permitivitätszahl sein.

Die Veränderung der Permitivität aufgrund des von außen ein­ dringenden Wassers kann meßtechnisch als Amplitudenänderung, Frequenzänderung oder Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des elektromagnetischen Feldes im Dielektrikum erfaßt werden.

Die Messung der Permitivitätsänderung über eine Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit eines elektromagnetischen Feldes im Dielektrikum wird allgemein als Time Domain Reflectometry (TDR) bezeichnet. Vereinfacht ausgedrückt, wird bei dieser Meßart eine elektromagnetische Welle entlang der Elektroden 3 der Fig. 1 ausgesendet, die dann entsprechend den Gesetzen der Hochfrequenztechnik reflektiert wird. Die Zeit zwischen Puls­ aussendung und Empfang des reflektierten Pulses stellt ein Maß für die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle im Dielektrikum dar. In einem Material mit hoher Dielektrizitätszahl breiten sich elektromagnetische Wellen langsamer aus, als in Materia­ lien mit geringen Dielektrizitätszahlen. Entsprechend wird ein Dielektrikum mit hohem Wassergehalt eine größere Laufzeit für die Welle bewirken, als dasselbe Dielektrikum im trockenen Zu­ stand. Die Auswertung dieser Laufzeitunterschiede kann als Maß für die Veränderung der Gesamtpermitivität und somit für den vorhandenen Wassergehalt ausgewertet werden. Die hierzu notwen­ digen Schaltungen sind dem Fachmann geläufig, ebenso wie Schal­ tungen zur Messung einer aufgrund der Permitivitätsänderung be­ wirkten Kapazitätsänderung, auf eine genaue Beschreibung wird daher verzichtet.

Fig. 4 illustriert den prinzipiellen Zusammenhang zwischen Ma­ trixpotential und Wassergehalt im Boden bzw. in einem wasser­ aufnehmenden Material. Derartige Kurven werden üblicherweise als sogenannte pF-Kurven bezeichnet. Wie zu erkennen ist, ver­ ringert sich das Matrixpotential mit zunehmendem Wassergehalt. Dies ist gleichbedeutend damit, daß ein feuchter Boden das dar­ in enthaltene Wasser weniger bindet als ein weniger feuchter Boden. Für Pflanzen ist es in einem bestimmten Boden dann leichter, Wasser aufzunehmen, wenn dieser Boden bereits eine hohe Feuchtigkeit aufweist.

Fig. 4 zeigt pF-Kurven für Sand-, Schluff- sowie Tonboden. Der Wassergehalt ist in Volumenprozent angegeben, das Matrixpoten­ tial in hpa.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird für die Meßzelle ein Die­ lektrikum 4 verwendet, bezüglich dem der in Fig. 4 dargestellte prinzipielle Zusammenhang zwischen Matrixpotential und Wasser­ gehalt bekannt ist. Nach dem Einsetzen der Meßzelle in den Bo­ den wird sich die wirksame Permitivität des Dielektrikums 4 aufgrund eindringenden Wassers verändern. Da diese Dielektrizi­ tätsveränderung durch die erwähnte Auswerteschaltung meßtech­ nisch erfaßbar ist, ist damit auch eine Erfassung des Wasserge­ halts im Dielektrikum möglich. Insbesondere dann, wenn die Per­ mitivitätszahl des Dielektrikums 4 wesentlich geringer ist als die des Wassers, wird die effektiv wirksame Permitivität bei ausreichend feuchten Böden überwiegend durch das eindringende Wasser bestimmt. Dadurch, daß meßtechnisch ein Rückschluß auf den im Dielektrikum 4 vorhandenen Wassergehalt möglich ist, ist aufgrund des bekannten Zusammenhangs zwischen Wassergehalt und Matrixpotential für das Dielektrikum 4 auch ein Rückschluß auf das momentan im Dielektrikum 4 herrschende Matrixpotential mög­ lich. Dieses Matrixpotential stimmt mit dem außerhalb der Meß­ zelle im Boden herrschenden Matrixpotential überein, da anson­ sten kein Gleichgewicht vorliegen würde. Somit wird über die Änderung der Permitivität des Dielektrikums 4 eine Messung des Matrixpotentials im Boden ermöglicht.

Mit der vorliegenden Erfindung ist ein Meßbereich zwischen 0 und -40 Megapascal erfaßbar. Obwohl bisher stets auf einen "Boden" Bezug genommen wurde, ist klar, daß die vorliegende Er­ findung auch im Labor an beliebigen wasseraufnehmenden Materia­ lien angewendet werden kann.

Besonders geeignet ist die vorliegende Erfindung für die Land­ wirtschaft, um dort das im Ackerboden vorherrschende Matrixpo­ tential ständig zu überwachen. Das erfindungsgemäße Meßgerät kann in Zusammenhang mit einem Regelsystem verwendet werden, das bei Überschreiten eines bestimmten vorgegebenen Matrixpo­ tentials im Boden eine automatische Bewässerung des Bodens ver­ anlaßt. Dadurch wird gewährleistet, daß das Matrixpotential im Boden stets in einem Bereich gehalten wird, das es den Pflanzen ermöglicht, in optimaler Weise Wasser und Nährstoffe aufzuneh­ men.

Eine weitere bedeutende Anwendung für die vorliegende Erfindung stellen Umweltuntersuchungen bezüglich Wasser- und Stofftrans­ port im Boden dar. Ist die Matrixpotentialverteilung im Boden bekannt, so erlaubt dies einen Rückschluß auf die Verteilung von in den Boden eindringenden Wassers. Führt das einsickernde Wasser Schadstoffe mit, so wird dadurch auch ein Rückschluß auf die Verteilung von Schadstoffen im Boden ermöglicht.

Das als Dielektrikum verwendetete Material sollte möglichst eine große wasserabsorbierende Oberfläche aufweisen, wodurch eine Verbesserung der Auflösung erreicht wird. Der Sättigungs­ wassergehalt des Materials sollte möglichst höher als 30 Volu­ menprozent liegen.

Vorzugsweise weist das Material weiterhin ein durchgehendes, miteinander verbundenes Porensystem auf. Dies ermöglicht einen schnellen Ausgleich des Matrixpotentials innerhalb des Mate­ rials mit dem des zu messenden Bodens. Das Porensystem sollte sowohl wasser- als auch luft- bzw. wasserdampfdurchlässig sein. Dadurch wird ermöglicht, daß auch im trockenen Zustand, wenn sich das Wasser im Boden vorwiegend in gasförmiger Form bewegt, ein Ausgleich des Matrixpotentials schnell vonstatten geht.

Das Dielektrikum 4 der in Fig. 1 gezeigten Meßzelle 1 kann vor­ zugsweise für unterschiedliche Meßbereiche ausgetauscht werden. Beispielsweise kann für eine Messung in einem trockenen Boden ein anderes Dielektrikum verwendet werden, als in einem feuch­ ten Boden. Da für den Rückschluß von der gemessenen Dielektri­ zitätsänderung auf das Matrixpotential der in Fig. 4 gezeigte Zusammenhang zwischen Wassergehalt und Matrixpotential für das entsprechende Dielektrikum bekannt sein muß, müssen in diesem Fall entsprechende Referenzwerte für die unterschiedlichen Die­ lektrika vorgespeichert sein und dann entsprechend dem verwen­ deten Dielektrikum ausgelesen werden. Vorzugsweise arbeitet eine derartige Meßanordnung digital, so daß die einzelnen Kur­ ven für die unterschiedlichen zu verwendenden Dielektrika als digitale Werte vorgespeichert sind. Jedoch ist selbstverständ­ lich insbesondere, wenn nur ein Dielektrikum verwendet wird, auch eine vollständig analoge Auswertung möglich.

Die Elektroden 3 der Meßzelle aus Fig. 1 sind vorzugsweise mit einer isolierenden Schicht überzogen, um einen Stromfluß zwi­ schen den Elektroden zu verhindern. Dennoch wird die durch den Wassergehalt bewirkte elektrische Leitfähigkeit innerhalb des Dielektrikums unter Umständen Einfluß auf das Meßergebnis neh­ men. Entsprechend wichtig ist es daher, daß der vorbekannte Zu­ sammenhang zwischen Wassergehalt und Matrixpotential des ver­ wendeten Dielektrikums speziell für das konkret verwendete Die­ lektrikum einschließlich seiner Struktur ermittelt wurde.

Obwohl bisher davon ausgegangen wurde, daß beim Meßvorgang be­ reits ein Gleichgewicht zwischen dem Matrixpotential in der Meßzelle und dem Boden vorliegt, ist klar, daß die Messsung auch anhand der Änderungsgeschwindigkeit des Matrixpotentials im Dielektrikum mit ausreichender Genauigkeit vorgenommen werden kann. Dies ist für eine schnelle Messung und insbesondere bei großen Schwankungen des Wassergehalts im Boden vorteilhaft.

Claims (14)

1. Verfahren zum Messen des Matrixpotentials im Boden mit fol­ genden Schritten:
Einführen einer Meßzelle in den zu messenden Boden, wobei die Meßzelle zumindest abschnittsweise das Eindringen von Boden­ feuchte in das Innere der Zelle gestattet und die Zelle in ih­ rem Inneren zumindest zwei in ein Dielektrikum eingebettete Elektroden aufweist,
Bereitstellen eines Zusammenhangs für das verwendete Dielektri­ kum zwischen Wassergehalt und Matrixpotential,
Erfassen der Veränderung des Wassergehalts im Dielektrikum der Meßzelle aufgrund eindringender Bodenfeuchte,
Bestimmen des im Dielektrikum herrschenden Matrixpotentials aufgrund des vorbekannten Zusammenhangs zwischen Wassergehalt und Materixpotential sowie des ermittelten aktuellen Wasserge­ halts im Dielektrikum,
Verwenden des ermittelten Matrixpotentials für das Dielektrikum als Matrixpotential des gemessenen Bodens.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum eine Permitivitätszahl von kleiner oder gleich 81 aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wassergehalt im Dielektrikum meßtechnisch über die durch das eindringende Wasser veränderte Dielektrizität erfaßt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrizitätsänderung über eine Kapazitätsmessung erfaßt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dielektrizitätsänderung über eine Messung der Ausbreitungsge­ schwindigkeit einer elektromagnetischen Welle im Dielektrikum, vorzugsweise über eine TDR-Messung, erfaßt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum wahlweise entsprechend dem für den zu messenden Boden geeigneten Meßbereich ausgewählt wird.

7. Meßgerät zum Messen des Matrixpotentials im Boden mit:
einer Meßzelle mit einem Gehäuse, das zumindest abschnittsweise aus einem Material besteht, welches ein Eindringen von Boden­ feuchtigkeit in das Innere des Gehäuses ermöglicht, mindestens zwei in dem Gehäuse angeordneten und voneinander beabstandeten Elektroden und einem Dielektrikum, das den Zwischenraum zwi­ schen Elektroden und Gehäuseinnenwand auffüllt,
einer Meßauswerteschaltung, die meßtechnisch den Wassergehalt im Dielektrikum der Meßzelle erfaßt und daraus anhand eines vorbekannten Zusammenhangs zwischen Wassergehalt und Matrixpo­ tential des verwendeten Dielektrikums das im Dielektrium vor­ liegende Matrixpotential ermittelt und dieses als Meßergebnis anzeigt.

8. Meßgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßzelle ein zylinderförmiges Gehäuse und zwei darin parallel verlaufende Stabelektroden aufweist.

9. Meßgerät nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Dielektrikum eine Permitivitätszahl von kleiner oder gleich 81 aufweist.

10. Meßgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Auswerteschaltung zumindest teilweise im Ge­ häuse der Meßzelle angeordnet ist.

11. Meßgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Auswerteschaltung in Digitaltechnik ausge­ führt ist und der Zusammenhang zwischen Wassergehalt und Ma­ trixpotential des verwendeten Dielektrikums als digitale Werte gespeichert sind.

12. Meßgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Auswerteschaltung den Wassergehalt im Dielek­ trikum über eine Messung der zwischen den Elektroden herrschen­ den Kapazität erfaßt.

13. Meßgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Auswerteschaltung den Wassergehalt über eine TDR-Messung, bei der eine elektromagnetische Welle entlang den Elektroden durch das Dielektrikum gesendet wird, erfaßt.

14. Meßgerät nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Dielektrikum der Meßzelle entspechend dem ge­ wünschten Meßbereich auswechselbar ist und die Auswerteschal­ tung für entsprechend andere Dielektrika ausgelegt ist.