DE3412498A1

DE3412498A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der feuchte und temperatur mineralischer und/oder organischer gemische

Info

Publication number: DE3412498A1
Application number: DE19843412498
Authority: DE
Inventors: Klaus 6901 Neckarsteinach Bruder; Wolfgang-Albert Dr. 6900 Heidelberg Flügel
Original assignee: GEOTEC GmbH
Current assignee: GEOTEC GmbH
Priority date: 1984-01-26
Filing date: 1984-04-03
Publication date: 1985-10-10

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Feuchte und Temperatur mineralischer und/oder organischer Gemische

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Feuchte und Temperatur mineralischer und/oder organischer Gemische, insbesondere des Erdbodens, mit Hilfe einer Meßzelle, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ferner betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein derartiges Verfahren sowie eine derartige Vorrichtung sind bereits in der deutschen Patentanmeldung P 34 02 708.4 beschrieben. Sie beruhen auf dem Prinzip der kapazitiven Messung des Bodenwassergehaltes mit Hilfe einer neuartigen Meßzellenkonstruktion und einer zugehörigen elektronischen Schaltung, wobei die relative Dielektrizitätskonstante des Wassers, deren Einfluß auf die Kapazität eines Kondensators mit dem Wassergehalt in dem Material, dessen Feuchte gemessen werden soll, und das sich zwischen den Platten des Kondensators befindet, schwankt.

Es wurde nun festgestellt, daß bei der vorgeschlagenen Verfahrensweise und der zu ihrer Durchführung verwendeten Vorrichtung der Temperatureinfluß des Meßmediums auf das Meßsignal zu einer gewissen Verfälschung der Feuchte- und Temperaturbestimmung der mineralischen und/organischen Gemische führt.

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Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, Verfahren und Vorrichtung der bekannten Art so weiterzubilden, daß der Temperatureinfluß des Meßmediums bis zur Bedeutungslosigkeit kompensiert werden kann.

Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß der Einfluß der Umgebungstemperatur auf das Meßsignal ausgeschaltet wird, indem mit der Impulsfrequenz des Oszillators eine monostabile Kippstufe angestossen wird, die auf eine feste Impulsbreite ausgelegt ist und mit ihrem Temperaturgang dem Temperaturgang des Impulsoszillators entgegenwirkt.

Zur Durchführung dieses Verfahrens dient wie beim Gegenstand der genannten älteren Patentanmeldung eine Meßzelle, die als Meßfühler in Form einer in das Meßgut einsteckbaren Steckgabel ausgebildet ist, die zwei parallele Zinken aufweist, welche je eine Kupferplatte enthalten, die an einem Stück der Leiterplatte angeschlossen sind und einen konstanten Abstand voneinander aufweisen und die wenigstens mit einem Temperaturfühler versehen ist, wobei die Bestückung der Leiterplatte eine elektronische Schaltung ■bildet, die ein kapazitätiv gemessenes, die Feuchte des zwischen den Zinken befindlichen Meßgutes abgebendes Signal erzeugt. Die elektronische Schaltung ist zu diesem Zweck mit einer einen Oszillator und eine Sendestufe aufweisenden Eingangsstufe versehen, wobei eine monostabile Kippstufe mit der Impulsfrequenz des Oszillators anstossbar ist, die auf eine feste Impulsbreite ausgelegt ist und mit ihrem Temperaturgang dem Temperaturgang des Oszillators entgegenwirkt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

ΕΡΟ - c ο ρ γ

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Impulsabstandes des Oszillators bei geringer Feuchte (a) und bei Feuchtezunahme (b),

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Impulsfrequenz

und monostabilen Kippstufe bei geringster Feuchte,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Pulsfrequenz

und monostabilen Kippstufe bei zunehmender Feuchte,

Fig. 4 eine schematische Darstellung der temperaturabhängigen Kopplung des Impulsgenerators mit der monostabilen Kippstufe und

Fig. 5 eine schematische Darstellung der elektronischen Schaltung der Feuchte-/Temperatur-Meßzel1e, die als Steckgabel ausgebildet ist.

Das Meßprinzip für die Bestimmung der Feuchte und Temperatur mineralischer und/oder organischer Gemische, insbesondere _des Erdbodens, beruht auf der Auswertung der relativen Dielektrizitätskonstanten des Wassers, deren Einfluß auf die Kapazität eines Kondensators mit dem Wassergehalt zwischen den Kondensatorplatten schwankt, und zwar gemäß der folgenden Kondensatorgleichung:

<»■ y C Y A

c ₌ ^c" ^x '^ ^x

mit: C = Kapazität des Kondensators in Farad · j £_n = natürliche Dielektrizitätskonstante (8,85 χ 10~¹²As/Vij £ = relative Dielektrizitätskonstante des Boden- Wasser- ;

gemi sches

A = Fläche einer Kondensatorplatte (cm²) d = Abstand der Kondensatorplatten voneinander (cm)

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Die erfindungsgemäße Verfahrensweise und die zugehörige Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sind nun so aufgebaut, daß ein Impulsoszillator derart beeinflußt wird, daß sich sein Impulsabstand mit der feuchteabhängigen Änderung der Kapazität des Meßzellenkondensators ändert, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt. Dabei schwingt der Oszillator bei sehr geringer Feuchte in der Nähe seiner Grundfrequenz, wie in Fig. 1 bei a angedeutet. Nimmt die Feuchte zu, so wächst der Impulsabstand, wie in Fig. 1 bei b angedeutet.

Diese Umformung wird aber durch die Umgebungstemperatur also die Temperatur des Meßmediums, beispielsweise des Erdbodens, beeinflußt. Um diesen Einfluß auszuschalten, wird mit dem Impulsfrequenz des Oszillators eine monostabile Kippstufe angestossen, die auf eine feste Impulsbreite ausgelegt ist, wie aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich, und mit ihrem Temperaturgang dem Temperaturgang des Impulsoszillators entgegenwirkt, wie aus Fig. 4 ersichtlich.

Bei geringer Feuchte weist der Normal- und Komplementärausgang die gleichen Flächeninhalte auf (Fig.2), so daß ihre Differenz Null ist.

Bei zunehmender Feuchte weist der Komplementärausgang eine weitaus größere Fläche auf als der Normal ausgang (Fig.3), so daß zwischen ihnen eine meßbare, von Feuchtegehalt abhängige Differenz besteht.

Die Kopplung des Impulsgenerators mit der monostabilen Kippstufe bewirkt, daß eine temperaturabhängige Vergrößerung des Impulsabstandes beim Impulsoszillator eine entsprechende Vergrößerung des Normal ausgangs der monostabilen Kippstufe hervorruft. Der temperaturabhängigen Flächenzunahme des

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Normalausgangs entspricht wiederum eine gleich große Flächenzunahme des Komplementärausgangs, so daß sich die Flächenzunahmen beider Ausgänge gegenseitig kompensieren. Das bedeutet in bezug auf die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Signalausgänge, daß eine Flächendifferenz beider Ausgänge einzig und allein von der zu- oder abnehmenden Feuchte im Meßmedium und nicht von der Umgebungstemperatur abhängt, deren Einfluß durch die Kopplung ausgeschaltet wird.

Von dem Normal- und dem Komplementärausgang der monostabil en Kippstufe werden die Mittelwerte gebildet, und die Pulsspannung wird mit RC-Gliedern geglättet. Die Differenz beider geglätteter Spannungen wird über einen Meßwiderstand abgenommen und mit einem Differenzverstärker, der gleichzeitig als "Output-Buffer" dient, in eine geerdete "Gleichspannung" umgesetzt, die der Meßgröße und damit dem Feuchtegehalt im Meßmedium direkt proportional ist. Hierzu wird auf das in Fig. 5 gezeigte Schaltungsschema der Feuchte/ Temperatur-Meßzelle verwiesen. In dem bedeutet das Bezugszeichen \ den Meßfühler in Form einer in das Meßgut einsteckbaren Steckgabel mit zwei parallelen Zinken, die je eine Kupferplatte enthalten, welche an eine bestückte Leiterplatte angeschlossen sind und einen konstanten Abstand voneinander aufweisen, und die wenigstens mit einem Temperaturfühler 1a versehen sind, wobei die Leiterplatte eine elektronische Schaltung bildet, zu der wenigstens die folgenden Bestandteile gehören: Temperaturkompensation 2 mit Impulsoszillator 8, Feuchtefrequenzmesser 3, Frequenz-DC-Konverter 4, Output-Buffer 5 für das Feuchtesignal, Output-Buffer 6 für das Temperatursignal, Temperatur DC-Konverter 7 und Stromsteuerlogik 9.

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Da sich die mineralische Zusammensetzung des Meßmediums zwischen den beiden Kupferplatten des Kondensators des Meßfühlers 1 nicht ändert, wird die Kondesatorkapazitat nur noch von dem sich durch Austrocknung oder Befeuchtung verändernden Wassergehalt des Meßmediums zwischen den Platten bestimmt.

Wie beim Gegenstand der eingangs genannten älteren Patentanmeldung, so wird auch hier der störende elektrolytische Einfluß der Bodenwasserlösung durch Verwendung eines wasser- und säureresistenten Kunstharzes für den Meßfühler, in den die Kondensatorplatten eingebettet sind, eliminiert.

Die Temperaturmessung wird nahezu zeitgleich mit Hilfe einer temperaturabhängigen HalbleiterstromqueTle, die in die Spitze des Meßfühlers eingebaut ist, gemessen.

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.9.

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Claims

ΑΜwalte:

341249° TISCHER · KERN & BREHM

Albert-Rosshaupter-Strasse 65 ■ D 8000 München 70 · Telefon (089) 7605520 ■ Telex 05-212284 patsd Telegramme Kernpalent München

Geot-7176/1 Ke/hö

3.April 1984

GEOTEC GmbH
Ladenburger Str. 80
6900 Heidelberg

Patentansprüche

{' 1.J Verfahren zur Bestimmung der Feuchte und Temperatur mineralischer und/oder organischer Gemische, insbesondere des Erdbodens, mit Hilfe einer Meßzelle, durch die eine kapazitive Messung des Bodenwassergehaltes vorgenommen
wird, wobei die relative Dielektrizitätskonstante des
Wassers, deren Einfluß auf die Kapazität eines Platten-.kondensators von dem Wassergehalt des zwischen den Kondensatorplatten befindlichen Meßgutes abhängt, entsprechend der Gleichung

^n ^{X e}r ^{x A}

C -

mit: C = Kapazität des Kondensators in Farad
£_n = natürliche Dielektrizitätskonstante
£_r = relative Dielektrizitätskonstante des Boden-Wassergemisches

A = Fläche einer Kondensatorplatte
d = Abstand der Kondensatorplatten voneinander

gemessen und mit Hilfe einer elektronischen, eine Eingangsstufe mit einem Oszillator und einer Sendestufe arbeitenden Schaltung über einen HF-Transistor ein hochfrequenter Spannungsimpuls an die eine Kondensatorplatte gelegt wird, der durch das Meßgut hindurch auf die zweite Kondensatorplatte übertragen und in einer Empfangsstufe mit angeschlossenem AC-Verstärker in ein digitales, die Feuchte allein oder in Verbindung mit der Temperatur des Meßgutes angebendes Signal verwandelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfluß der Umgebungstemperatur auf das Meßsignal ausgeschaltet wird, indem mit der Impulsfrequenz des Oszillators eine monostabile Kippstufe angestossen wird, die auf eine feste Impulsbreite ausgelegt ist und mit ihrem Temperaturgang dem Temperaturgang des Impulsoszillators- entgegenwirkt.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Meßzelle, die als Fühler in Form einer in das Meßgut einsteckbaren Steckgabel ausgebildet ist, welche zwei parallele Zinken aufweist, die je eine Kupferplatte enthalten, welche an eine bestückte Leiterplatte angeschlossen sind und einen konstanten Abstand voneinander aufweisen, und die wenigstens mit einem Temperaturfühler versehen sind, wobei die Bestückung der Leiterplatte eine elektronische Schaltung mit einer einen Oszillator und eine Sendestufe aufweisenden Eingangsstufe zur Erzeugung eines kapazitiv gemessenen, die Feuchte des zwischen den Zinken befindlichen Meßgutes angebenden Signales aufweist, gekennzeichnet durch eine monostabile Kippstufe, die mit der Impulsfrequenz des Oszillators (8) anstossbar ist und auf eine feste Impulsbreite ausgelegt ist und einen Temperaturgang aufweist, der dem Temperaturgang des Oszillators entgegenwirkt.

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