DE3402708C2

DE3402708C2 -

Info

Publication number: DE3402708C2
Application number: DE19843402708
Authority: DE
Inventors: Wolfgang-Albert Dr. 6900 Heidelberg De Fluegel; Klaus 6901 Neckarsteinach De Bruder
Original assignee: Geotec 6900 Heidelberg De GmbH
Current assignee: Geotec 6900 Heidelberg De GmbH
Priority date: 1984-01-26
Filing date: 1984-01-26
Publication date: 1987-12-17
Also published as: DE3402708A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Feuchte und Temperatur mineralischer und/oder organischer Gemische gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for determining the Moisture and temperature more mineral and / or organic Mixtures according to the preamble of claim 1.

Derartige Vorrichtungen (US-PS 37 61 810) sind bekannt. Bekannt ist in diesem Zusammenhang auch, die Bodenfeuchte als Anzeiger der Speicherung von Niederschlagswasser und die Bodentemperatur als Indikator für die aktuelle Verdunstung zu benutzen. Beides sind wesentliche Komponenten des Naturhaushaltes. Bodenfeuchtigkeiten wurden bisher überwiegend durch die Messung der Kapillarspannungen im Boden und mit Hilfe von geeichten Tensiometern gemessen. Eine Erweiterung der gängigen Tensiometersysteme auf Druckdosentensiometer mit Analogausgang eröffnet zwar die Möglichkeiten der elektronischen Meßwerterfassung der Bodenkapillarkräfte, die als Spannungsänderung an der Druckmembran der Unterdruckdose abgegriffen werden, schließt aber die Mängel aufgrund des oftmals fehlenden Kontaktes zwischen Tensiometer und Boden und aufgrund der infolge von Korrosion alternden mechanischen Eigenschaften der Druckmembran nicht aus. Ferner ist bekannt, die Bodenfeuchte mit Hilfe von Neutronensonden zu bestimmen, bei denen die Reflektion emittierter schneller Neutronen an den Wassermolekülen als Zählrate bestimmt wird. Da die Reflektion vom Wassergehalt abhängig ist, kann über eine Eichung aus der Zählrate auf den Wassergehalt geschlossen werden. Auch hier besteht jedoch eine wesentliche Fehlerquelle in dem durch Schrumpfen des Bodens bei Austrocknung abreißenden Kontakt zwischen Neutronensondenrohr und dem umgebenden Bodenmaterial.Such devices (US-PS 37 61 810) are known. Soil moisture is also known in this context as an indicator of the storage of rainwater and the soil temperature as an indicator of the current evaporation to use. Both are essential components of the natural balance. Soil moisture levels have so far mainly by measuring the capillary tensions in the soil and measured using calibrated tensiometers. A Extension of the common tensiometer systems to pressure can tensiometers with analog output opens up the possibilities the electronic measurement of the ground capillary forces, which as a voltage change on the pressure membrane of the Vacuum can be tapped, but closes the shortcomings due to the often lack of contact between tensiometers and soil and due to corrosion aging mechanical properties of the pressure membrane not from. It is also known to use soil moisture of neutron probes to determine where the reflection faster emitted neutrons at the water molecules than Count rate is determined. Because the reflection of the water content is dependent on a calibration from the counting rate the water content can be closed. Here too however a major source of error in the through Shrinking of the floor when contact dries out between the neutron probe tube and the surrounding one Floor material.

Bodenfeuchtemessungen mit Gipszellen, bei denen der elektrische Widerstand in Abhängigkeit vom Wassergehalt der Zelle bestimmt wird, sind nur bei geringen Bodenwassergehalten einsetzbar und außerdem von der Ionenkonzentration, also dem Salzgehalt des Bodenwassers, abhängig.Soil moisture measurements with plaster cells in which the electrical resistance depending on the water content the cell is determined are only at low soil water contents usable and also of the ion concentration, So depending on the salinity of the soil water.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, die Vorrichtung der genannten Art so auszubilden, daß bei der Durchführung der Messung zur Bestimmung von Feuchte und Temperatur der natürliche Erdbodenaufbau bzw. Aufbau mineralischer und/oder organischer Gemische nicht oder nur in einem erheblich geringerem Ausmaß als bisher gestört wird und eine gleichzeitige Temperaturbestimmung ermöglicht, um den Einfluß der temperaturabhängigen Viskosität der Feuchte zu berücksichtigen.The object of the invention is therefore the device of the type mentioned so that at Carrying out the measurement for determining moisture and Temperature of the natural soil structure or mineral structure and / or organic mixtures not or only disturbed to a much lesser extent than previously and enables simultaneous temperature determination, the influence of the temperature-dependent viscosity the humidity.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved according to the characterizing part of claim 1 solved.

Der Lösung liegt die Idee zugrunde, als Meßzelle für die kapazitive Messung des Bodenwassergehaltes einen Meßfühler in Form einer Steckgabel zu verwenden, die sich mit ihren Zinken leicht in das Meßgut einstecken läßt und deren Zinken als Plattenkondensator ausgebildet sind, so daß eine kapazitive Messung des Bodenwassergehaltes vorgenommen werden kann, wobei die relative Dielektrizitätskonstante des Wassers, deren Einfluß auf die Kapazität eines Plattenkondensators von dem Wassergehalt des zwischen bzw. um den Kondensatorplatten befindlichen Meßgutes abhängt, nach einer an sich bekannten physikalischen Gleichung gemessen werden kann, und wobei mit Hilfe einer elektronischen Schaltung mit einer Sendestufe über einen HF-Transistor ein hochfrequenter Spannungsimpuls an die eine Kondensatorplatte gelegt wird, der durch das Meßgut hindurch auf die zweite Kondensatorplatte übertragen wird.The solution is based on the idea as a measuring cell for the capacitive measurement of the soil water content a sensor to be used in the form of a plug-in fork, can easily insert their prongs into the material to be measured and whose tines are designed as a plate capacitor, so that a capacitive measurement of the soil water content is made can be, the relative dielectric constant of water, their impact on capacity a plate condenser from the water content of the between or measured material located around the capacitor plates depends on a physical known per se Equation can be measured, and being with the help an electronic circuit with a transmission stage a high-frequency voltage pulse via an HF transistor to which a capacitor plate is placed, the through the material to be measured onto the second capacitor plate is transmitted.

Die so geschaffene kombinierte Meßzelle zur Bestimmung der Bodenfeuchte und -temperatur gibt die beiden Meßparameter als mechanisch nicht beeinflußbares Analogsignal aus und kann somit an elektronische Meßwertaufnehmer angeschlossen werden. Ausgewertet wird nur die Dielektrizitätskonstante des Wassers, deren Einfluß auf die Kapazität eines Kondensators mit dem Wassergehalt zwischen den Kondensatorplatten schwankt.The combined measuring cell for determination thus created the soil moisture and temperature are the two measurement parameters as an analog signal that cannot be influenced mechanically and can therefore be connected to electronic sensors be connected. Only the Dielectric constant of water, its influence on the capacity of one Condenser with the water content between the capacitor plates fluctuates.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.Advantageous embodiments of the invention are in the Subclaims marked.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigtThe invention is based on the in the drawing illustrated embodiment explained in more detail. In the Drawing shows

Fig. 1 das Schema einer elektronischen Schaltung für die verwendete Meßzelle und Fig. 1 shows the diagram of an electronic circuit for the measuring cell used and

Fig. 2 eine schematische Drauf- bzw. Seitenansicht der Steckgabel der Meßzelle. Fig. 2 is a schematic plan and side view of the insertion fork of the measuring cell.

Zur kapazitiven Messung des Bodenwassergehaltes dient die in Fig. 1 gezeigte elektronische Schaltung in Verbindung mit der in Fig. 2 gezeigten Meßzelle in Form einer in den Erdboden einsteckbaren Steckgabel 1, die zwei parallele Zinken 2, 3 aufweist, welche je eine Kupferplatte 4, 5 in Folienform enthalten. Diese Kupferplatten sind an eine bestückte Leiterplatte 7 angeschlossen und weisen voneinander einen konstanten Abstand auf, die eine elektronische Schaltung bildet, welche ein kapazitiv gemessenes, die Feuchte des zwischen den Zinken 2, 3 befindlichen Meßgutes, also beispielsweise des Erdreiches oder eines anderen mineralischen und/oder organischen Gemisches, angebendes Signal erzeugt. Diese als Stechgabel ausgeführte Meßzelle, die als Gießling aus einem wasser- und säurebeständigen Kunststoff, beispielsweise Polyesterharz besteht, hält die einen Kondensator bildenden Kupferplatten 4, 5 vollständig von dem umgebenden Meßgut isoliert. Die Fläche der Kupfer- bzw. Kondensatorplatten bleibt durch Verwendung eines Ausstechstempels konstant. For the capacitive measurement of the soil water content, the electronic circuit shown in FIG. 1 is used in conjunction with the measuring cell shown in FIG. 2 in the form of a plug-in fork 1 which can be inserted into the ground and has two parallel prongs 2, 3 , each of which has a copper plate 4, 5 included in foil form. These copper plates are connected to an assembled printed circuit board 7 and are at a constant distance from one another, which forms an electronic circuit which measures a capacitively measured moisture content of the material to be measured between the prongs 2, 3 , for example the soil or another mineral and / or organic mixtures. This measuring cell, designed as a piercing fork, which as a casting consists of a water- and acid-resistant plastic, for example polyester resin, keeps the copper plates 4, 5 forming a capacitor completely insulated from the surrounding material to be measured. The area of the copper or capacitor plates remains constant by using a punch.

Da sich die mineralische Zusammensetzung des Meßgutes, beispielsweise des Bodenmaterials, zwischen den Kondensatorplatten nicht ändert, wird die Änderung der Kapazität nur noch von dem sich durch Austrocknung oder Befeuchtung verändernden Wassergehalt im Bodenmaterial oder Substrat zwischen den Kondensatorplatten bestimmt. Diese Wassergehaltsänderung erfolgt durch den Ausgleich der kapillaren Saugspannungsgradienten im Boden 13 (Fig. 1) zwischen der Stechgabel und dem sie umgebenden Material.Since the mineral composition of the material to be measured, for example the soil material, does not change between the capacitor plates, the change in capacitance is only determined by the water content in the soil material or substrate between the capacitor plates which changes due to drying or moistening. This change in water content takes place by balancing the capillary suction voltage gradients in the bottom 13 ( FIG. 1) between the piercing fork and the material surrounding it.

Ausgewertet wird durch diese Art der Messung nur die relative Dielektrizitätskonstante des Wassers, deren Einfluß auf die Kapazität des Kondensators mit dem Wassergehalt zwischen den Kondensatorplatten schwankt. Dabei gilt die folgende Kondensatorgleichung:This type of measurement only evaluates the relative dielectric constant of water, its influence on the capacitance of the condenser with the water content fluctuates between the capacitor plates. The applies following capacitor equation:

mit:With:

C Kapazität des Kondensators in Farad ε _n natürliche Dielektrizitätskonstante (8,85 × 10^-12 As/Vm) ε _r relative Dielektrizitätskonstante des Boden-Wassergemisches A Fläche einer Kondensatorplatte (cm²) d Abstand der Kondensatorplatten voneinander (cm) C capacitance of the capacitor in farads ε _n natural dielectric constant (8.85 × 10 ^-12 As / Vm) ε _r relative dielectric constant of the soil-water mixture A area of a capacitor plate (cm²) d distance of the capacitor plates from each other (cm)

Zur Realisierung des Meßprinzips und damit der Meßzelle, die ja eine weitgehend störungsfreie Messung des Wassergehaltes und seiner natürlichen Veränderung garantiert, dient eine speziell entwickelte elektronische Schaltung, die prinzipiell in Fig. 1 dargestellt ist. Bei dieser Schaltung wird aus einer an einen Oszillator 8 angeschlossenen Sendestufe 9 über einen HF-Transistor ein hochfrequenter Puls auf eine der Kondensatorplatten 4, 5 gelegt, der sich durch das Meßgut 13, also beispielsweise das Erdreich, auf die zweite Kondensatorplatte überträgt. Um störende parasitäre Kapazitäten im Umfeld der Meßzelle auszuschalten, wird durch Einbau einer sehr hohen parasitären Kapazität, die die natürlichen weit überlagert, das ankommende Signal um 95% gedämpft. Ausgewertet werden die restlichen störungsfreien 5% hinter einer Empfangsstufe 10 durch einen AC-Verstärker 11. Ist das Meßsignal entsprechend verstärkt, wird es über einen DC-Konverter ausgegeben.A specially developed electronic circuit, which is shown in principle in FIG. 1, serves to implement the measuring principle and thus the measuring cell, which guarantees a largely trouble-free measurement of the water content and its natural change. In this circuit, a high-frequency pulse is applied to one of the capacitor plates 4, 5 from a transmitting stage 9 connected to an oscillator 8 via an HF transistor, which pulse is transmitted through the measured material 13 , that is to say, for example, the soil, to the second capacitor plate. In order to eliminate disturbing parasitic capacitances in the vicinity of the measuring cell, the incoming signal is attenuated by 95% by installing a very high parasitic capacitance which is far superior to the natural ones. The remaining 5% interference-free downstream of a receiving stage 10 is evaluated by an AC amplifier 11 . If the measurement signal is amplified accordingly, it is output via a DC converter.

Da sich die relative Dielektrizitätskonstante auch mit dem untersuchten Substrat ändert, muß für unterschiedliche Substrate oder Meßgüter eine Eichung durchgeführt werden. Die elektronische Schaltung verarbeitet auch die durch den Temperaturfühler 6 erhaltenen Temperatursignale mit dem Ziel, die Bestimmung der Bodenfeuchte mit der Bestimmung der Bodentemperatur zu kombinieren und beide Meßparameter als mechanisch nicht beeinflußbares Analogsignal auszugeben, wobei die Feuchtemessung und die Temperaturmessung zeitgleich stattfinden. Die Ausgabe der Meßwerte erfolgt so, daß sie sowohl von automatischen Dataloggern als auch durch manuelle Handmeßgeräte ausgelesen werden können.Since the relative dielectric constant also changes with the substrate under investigation, calibration must be carried out for different substrates or measured materials. The electronic circuit also processes the temperature signals obtained by the temperature sensor 6 with the aim of combining the determination of the soil moisture with the determination of the soil temperature and outputting both measurement parameters as an analog signal which cannot be influenced mechanically, the moisture measurement and the temperature measurement taking place simultaneously. The measured values are output in such a way that they can be read out both by automatic data loggers and by manual hand-held measuring devices.

Die erfindungsgemäße Meßzelle ist somit generell zur kapazitiven Messung des Feuchtegehaltes in mineralischen und organischen Gemischen geeignet, für die je nach Substrat eine einmalige Eichung durchgeführt werden muß. Sie läßt sich nicht nur zur Bestimmung der Bodenfeuchte verwenden, sondern auch bei einer entsprechenden Ausführung der Stechgabel zur Feuchtebestimmung in jedem Schüttgut oder Granulat. Praktische Anwendungsbeispiele sind die hydrologischen Wasserhaushaltsuntersuchungen und die Steuerung von Bewässerungsanlagen in der Landwirtschaft sowie die Messung der Feuchte in Sanden, in der erde- und steineverarbeitenden Industrie und bei Granulaten in der chemischen Industrie. Weitere Anwendungsbereiche sind denkbar, so beispielsweise bei der Trocknung von Feststoffen im Rahmen der Konvektionstrocknung, der Kontakttrocknung oder der selektiven Trocknung von mehrstoffhaltigen Feststoffen. Ferner eröffnet sich in diesem Zusammenhang ein Anwendungsgebiet bei der Erstellung von Trocknungsverlaufskurven, sowie der Auslegung von Trocknern im Hinblick auf die Ermittlung von Maßstabsfaktoren, Einflüssen von Verweilzeitverteilungen, Bypässen, Rückvermischungen und Energieverbrauch.The measuring cell according to the invention is therefore generally for capacitive measurement of moisture content in mineral and organic mixtures suitable for depending on the substrate a one-time calibration must be carried out. She leaves not only use it to determine soil moisture, but also with a corresponding design of the piercing fork for moisture determination in any bulk material or granulate. Practical application examples are hydrological Water balance studies and the control of irrigation systems in agriculture as well as measurement the moisture in sands, in the earth and stone processing Industry and for granules in the chemical industry. Further areas of application are conceivable, for example when drying solids in the context of convection drying, contact drying or selective Drying of multi-substance solids. Also opened an area of application in this context when creating drying progress curves, as well as the Design of dryers with regard to the determination of scale factors, influences of residence time distributions, Bypassing, backmixing and energy consumption.

Claims

1.Device for determining the moisture and temperature of mineral and / or organic mixtures, in particular of the soil, with a measuring cell for the capacitive measurement of the soil water content by determining the relative dielectric constant of the water and its influence on the capacitance of a plate capacitor by the water content of the between and Material to be measured around the capacitor plates, characterized in that the measuring cell is designed as a probe which can be inserted into the measured material in the form of a plug-in fork ( 1 ) which has two parallel, spaced-apart tines ( 2, 3 ) which form a capacitor-forming copper plates ( 4, 5 ), which are connected to a circuit board ( 7 ) connected to an electronic circuit and which generate the capacitively measured signal indicating the moisture of the material to be measured between and around the prongs ( 2, 3 ), and that the copper plates ( 4 , 5 ) with at least one temperature sensor r ( 6 ) are provided.

2. Device according to claim 1, characterized in that the electrical circuit consists of an input stage, which is provided with an oscillator ( 8 ) and a transmission stage ( 9 ), and an output stage, which has a reception stage ( 10 ) and one to it Connected AC amplifier ( 11 ) and a converter ( 12 ) is provided, the high-frequency voltage pulse into a digital from the transmitter stage to the one copper plate ( 4 ), through the material to be transmitted to the second copper plate ( 5 ) Moisture converted alone or in conjunction with the signal indicating the measured material temperature.

3. Device according to claims 1 and 2, characterized in that in the transmission stage ( 9 ) a high-frequency pulse via an RF transistor to one of the copper plates 4, 5 forming a capacitor can be placed.

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the plug-in fork ( 1 ) is made of a water and acid-resistant plastic which encloses the copper plates ( 4, 5 ).

5. The device according to claim 4, characterized in that as Plastic polyester resin is used.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the plug-in fork ( 1 ) is a casting.