DE4432687C2

DE4432687C2 - Moisture sensor and its use

Info

Publication number: DE4432687C2
Application number: DE19944432687
Authority: DE
Inventors: Alexander Dr Brandelik
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1994-09-14
Filing date: 1994-09-14
Publication date: 1998-07-16
Anticipated expiration: 2014-09-15
Also published as: DE4432687A1; DE4447767C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Feuchtesensor nach dem Oberbe griff des Patentanspruchs 1, sowie dessen Verwendung.The invention relates to a moisture sensor according to the Oberbe handle of claim 1, and its use.

Meteorologische Modelle erfordern eine genaue Kenntnis des Wassergehalts im Boden, da der Energieaustausch zwischen Boden und Atmosphäre wegen der großen Wärmekapazität des Wassers ge genüber der Luft hauptsächlich durch Verdampfung und Kondensa tion von Wasser vermittelt wird. In der Hydrologie bildet die genaue Kenntnis des Wassergehalts die Planungsgrundlage. In der Landwirtschaft ist eine optimale Bewässerung ohne exakte Wasserbestimmung nicht möglich. Eine zu geringe Wassermenge führt zur Schädigung der Pflanzen, während eine zu starke Bewässerung ein Auswaschen der Nährstoffe verursacht. Bei Trocknungsprozessen bringt eine genaue Kenntnis des Wasserge haltes Kostenvorteile, da die Trocknungsvorgänge sehr ener gieintensiv sind.Meteorological models require precise knowledge of the Water content in the soil due to the exchange of energy between the soil and atmosphere because of the large heat capacity of the water compared to the air mainly through evaporation and condensation tion of water is conveyed. In hydrology that forms precise knowledge of the water content the planning basis. In Agriculture is optimal irrigation without exact Water determination not possible. Too little water leads to damage to the plants, while too strong Irrigation causes a washout of the nutrients. At Drying processes bring a precise knowledge of the water Haltes cost advantages, because the drying processes very ener are energy intensive.

In der Regel werden zur Feuchtebestimmung Sonden benutzt, bei denen der Dielektrizitätskoeffizient DK des Gemisches durch Reflexionsmessungen ermittelt wird. Die Feuchte wird daraus über Kalibriermessungen bestimmt.As a rule, probes are used to determine moisture, at which the dielectric coefficient DK of the mixture Reflectance measurements is determined. The moisture becomes from it determined via calibration measurements.

Aus A. P. Gregory et al.: NPL Report DES 125 "RF and Microwave dielectric measurements upon layered materials using a reflec tometric coaxial sensor", März 1989, S. 1-6, ist ein Sensor der gattungsgemäßen Art bekannt. Nachteilig bei diesem Sensor ist der geringe sensitive Durchmesser und eine über diesen Be reich hinausragende Platte, durch welche Pflanzen bei der Mes sung beschädigt werden können.From A.P. Gregory et al .: NPL Report DES 125 "RF and Microwave dielectric measurements upon layered materials using a reflec tometric coaxial sensor ", March 1989, pp. 1-6, is a sensor of the generic type known. A disadvantage of this sensor is the small sensitive diameter and one above this protruding plate through which plants at the Mes solution can be damaged.

Des weiteren ist ein Feuchtesensor der gattungsgemäßen Art auch aus der GB 2 194 340 A bekannt, bei welchem die HF- Lei stung lediglich mit einem am Leitungsende offenen Koaxialkabel auf die Probe übertragen wird. Furthermore, a moisture sensor of the generic type also known from GB 2 194 340 A, in which the HF Lei only with a coaxial cable open at the end of the line is transferred to the sample.

Aus Proceedings of the IEEE Vol. 62, No. 1, January 1974, Sei ten 93 bis 98 ist ein Feuchtesensor bekannt, bei dem ein Mo denwandler die von einer Quelle kommenden Mikrowellen in Ober flächenwellen einer Platte wandelt. Damit können nur Proben gemessen werden, die sich auf der Platte befinden.From Proceedings of the IEEE Vol. 62, No. 1, January 1974, Be 93 to 98 a moisture sensor is known in which a Mo converters the microwaves coming from a source in Ober surface waves of a plate converts. Only samples can do this measured on the plate.

Aufgabe der Erfindung ist es einen Sensor der e. g. Art so auszugestalten, daß bei einer Messung eine möglichst große Fläche erfaßt werden kann, ohne daß die Vegetation beeinträch tigt wird.The object of the invention is a sensor of the e. G. Kind of like that to design that as large as possible in a measurement Area can be recorded without affecting the vegetation is done.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche beschreiben vorteil hafte Ausgestaltungen des Sensors. Der Anspruch 5 zeigt eine vorteilhafte Verwendung.This task is solved by the characteristic features of claim 1. The sub-claims describe advantage adhesive designs of the sensor. Claim 5 shows one advantageous use.

Ein besonderer Vorteil des Sensors besteht in seinem konstruk tionsbedingten sehr kleinen Durchmesser des Oberflächenwellen leiters, damit auch die ganze Konstruktion leicht und schlank wird, wodurch im Feldbetrieb eine leichte Handhabung auch zwi schen den Pflanzen möglich ist. Es ist auch möglich Medien mit welliger oder rauher Oberfläche zu untersuchen, wie Schüttgü ter und Straßenbeläge. Durch eine geeignete exponentielle Ge staltung der Hornöffnung kann die Gesamtlänge des Sensors auf ca. 1,5 m reduziert werden.A special advantage of the sensor is its design very small diameter of the surface waves ladder, so that the whole construction is light and slim is, which in field operation easy handling between plants is possible. It is also possible to use media to examine wavy or rough surface, such as bulk solids ter and road surfaces. With a suitable exponential Ge design of the horn opening can increase the overall length of the sensor be reduced by approx. 1.5 m.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Beispiels mit Hilfe der Figur näher erläutert.The invention is described below using an example Help of the figure explained in more detail.

Die Figur zeigt am oberen Ende des Sensors den Modenwandler 1, welcher als Horn ausgeführt ist. Das Reflexionsmessgerät, das sich weiter oben anschließt, ist hier nicht dargestellt. Durch die exponentielle Ausgestaltung der Hornöffnung wird eine kom pakte Form des Sensors erreicht. Der Anschlußwellenleiter 4, welcher das Horn mit dem Reflexionsmessgerät verbindet ist hier als Koaxialleiter dargestellt. Dies hat den Vorteil, daß der Oberflächenwellenleiter, welcher dem Horn nach unten folgt, direkt konzentrisch anschließbar ist. Der Anschlußwel lenleiter kann auch ein Hohlleiter sein.The figure shows at the upper end of the sensor the mode converter 1 , which is designed as a horn. The reflection measuring device that follows further above is not shown here. Due to the exponential design of the horn opening, a compact shape of the sensor is achieved. The connecting waveguide 4 , which connects the horn to the reflection measuring device, is shown here as a coaxial conductor. This has the advantage that the surface waveguide, which follows the horn downwards, can be directly connected concentrically. The connection wel lenleiter can also be a waveguide.

Die Linien mit den Pfeilen stellen im Bereich des Horns die koaxiale Wellenmode und im Bereich des Oberflächenwellenlei ters die Oberflächenwellenmode dar.The lines with the arrows represent the in the area of the horn coaxial wave mode and in the area of surface waveguide ters the surface wave mode.

Der Oberflächenwellenleiter, welcher direkt auf die Oberfläche 5 des zu messenden Mediums aufgesetzt ist, besteht aus einem Metallzylinder 2 mit hoher Leitfähigkeit, dessen Oberfläche 3 derart ausgestaltet ist, daß sich Oberflächenwellen verlustarm ausbreiten können, wobei der Grenzradius der Oberflächenwellen groß ist. Der Grenzradius bedeutet hier, wie in der Elektro technik üblich, den Bereich in dem 90% der Energie konzen trisch geführt wird.The surface waveguide, which is placed directly on the surface 5 of the medium to be measured, consists of a metal cylinder 2 with high conductivity, the surface 3 of which is designed such that surface waves can propagate with little loss, the limit radius of the surface waves being large. The limit radius here, as is common in electrical engineering, means the area in which 90% of the energy is concentrated.

Der Metallzylinder 2 kann auch ein Hohlzylinder sein.The metal cylinder 2 can also be a hollow cylinder.

Für den Oberflächenwellenleiter werden zwei verschiedene Bei spiele angegeben.Two different examples are used for the surface waveguide games specified.

Im ersten Fall ist die Oberfläche 3 eine dielektrische Schicht auf dem Metallzylinder 2. Dadurch werden hier die Verluste klein gehalten.In the first case, the surface 3 is a dielectric layer on the metal cylinder 2 . As a result, the losses are kept low here.

Im zweiten Fall wird die Oberfläche 3 durch die Oberfläche des Metallzylinders 2 selbst gebildet. Die entspricht dem Sommer feldschen Drahtleiter. Nachteilig bei diesem Leiter ist der relativ hohe Verlust.In the second case, the surface 3 is formed by the surface of the metal cylinder 2 itself. This corresponds to the Feldfeld wire conductor in summer. The disadvantage of this conductor is the relatively high loss.

Durch geeignete Veränderung der Frequenz und der Oberfläche 3 kann der Grenzradius variabel gestaltet werden. The limit radius can be made variable by suitably changing the frequency and the surface 3 .

Die Eindringtiefe des HF Feldes in das zu messende Medium, und damit der Messbereich, ist direkt proportional zum Grenzra dius.The penetration depth of the HF field into the medium to be measured, and thus the measuring range is directly proportional to the limit dius.

Durch die Verwendung von Sensoren mit unterschiedlichen Grenz radien kann nun an einer Meßstelle ein Feuchtigkeitstiefenpro fil erhalten werden.By using sensors with different limits radii can now be at a measuring point a moisture depth pro fil can be obtained.

Das kann durch unterschiedliche Frequenzen beim gleichen Sen sor realisiert werden oder durch unterschiedliche Ausgestal tungen des Oberflächenwellenleiters. Eine beliebige Kombina tion der Änderung beider Parameter, welche den Grenzradius be stimmen ist ebenfalls möglich.This can be due to different frequencies with the same Sen can be realized or by different configurations lines of the surface waveguide. Any combination tion of the change of both parameters, which be the limit radius voting is also possible.

Ein Feuchtesensor, der besonders für Feuchtemessungen von Bö den geeignet ist, ist wie folgt dimensioniert.A moisture sensor that is particularly suitable for moisture measurements from Bö which is suitable is dimensioned as follows.

Der Modenwandler ist ein exponentiell öffnendes Horn, dessen maximaler Durchmesser 0.5 m und dessen Länge ca. 0.4 m be trägt.The mode converter is an exponentially opening horn, whose maximum diameter 0.5 m and its length approx. 0.4 m wearing.

Der Oberflächenwellenleiter ist ein Messingrohr von 8 mm Außendurchmesser. Die Oberfläche 3 ist ein 2,5 mm dicker PVC- Mantel. Die bevorzugte Meßfrequenz liegt zwischen 500 und 1000 MHz. Die Grenzradien leigen dabei zwischen 0.25 und 0.1 m.The surface waveguide is a brass tube with an outer diameter of 8 mm. The surface 3 is a 2.5 mm thick PVC jacket. The preferred measuring frequency is between 500 and 1000 MHz. The limit radii are between 0.25 and 0.1 m.

Claims

1. Moisture sensor consisting of a radio frequency (RF) reflection measuring device and means for transmitting the HF, characterized in that the means for transmitting the HF are available

a) a mode converter ( 1 ) which converts the waves coming from the measuring station into surface waves, the mode converter ( 1 ) being an exponentially opening horn and
b) a surface waveguide which is open at the end of the line, the surface waveguide being at least 2.5 wavelengths long.

2. Moisture sensor according to claim 1, characterized in that the surface waveguide is a with a dielectric sheathed metal cylinder ( 2 ).

3. Moisture sensor according to claim 1, characterized in that the surface waveguide is a Sommerfeld wire conductor is.

4. Moisture sensor according to one of claims 1 to 3, characterized ge indicates that the radius of the horn opening is at least so is large, like the limit radius of the surface waves, which form on the surface waveguide.

5. Use of at least two moisture sensors according to one of claims 1 to 4 with different limit radii depth-resolved moisture measurement.