DE4447767C2

DE4447767C2 - Feuchtesensor und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE4447767C2
Application number: DE4447767A
Authority: DE
Inventors: Alexander Brandelik
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1994-09-14
Filing date: 1994-09-14
Publication date: 2000-11-16
Anticipated expiration: 2014-09-15
Also published as: DE4432687C2; DE4432687A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Feuchtesensor, bestehend aus einem Hochfrequenz-Reflexionsmessgerät und Mitteln zur Übertragung der HF. Aufgabe der Erfindung ist es, den Sensor so auszugestalten, daß bei einer Messung eine möglichst große Fläche erfaßt werden kann, ohne daß die Vegetation beeinträchtigt wird. DOLLAR A Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Modenwandler, welcher die vom Messplatz kommenden Wellen in Oberflächenwellen umwandelt und einem Oberflächenwellenleiter, welcher am Leitungsende offen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Feuchtesensor nach dem Oberbe griff des Patentanspruchs 1, wie er aus der GB 2 194 340 A be kannt ist, sowie dessen Verwendung.

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 Be wässerung ein Auswaschen der Nährstoffe verursacht. Bei Trocknungsprozessen bringt eine genaue Kenntnis des Wasserge haltes Kostenvorteile, da die Trocknungsvorgänge sehr ener gieintensiv sind.

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.

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.

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.

Des weiteren ist aus der DE AS 10 58 111 und aus der DE AS 11 40 246 die Verwendung von Hörnern zur Ankopplung einer Ober flächenwellenleitung an eine koaxiale Speiseleitung bekannt.

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.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche beschreiben vorteil hafte Ausgestaltungen des Sensors. Der Anspruch 4 zeigt eine vorteilhafte Verwendung.

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.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Beispiels mit Hilfe der Figur näher erläutert.

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.

Die Linien mit den Pfeilen stellen im Bereich des Horns die koaxiale Wellenmode und im Bereich des Oberflächenwellenlei ters die Oberflächenwellenmode dar.

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.

Der Metallzylinder 2 kann auch ein Hohlzylinder sein.

Die Oberfläche 3 besitzt eine höhere Induktivi tät als der Metallzylinder 2. Dies kann z. B. durch einen Wen delleiter realisiert werden.

Durch geeignete Veränderung der Frequenz und der Oberfläche 3 kann der Grenzradius variabel gestaltet werden.

Die Eindringtiefe des HF Feldes in das zu messende Medium, und damit der Messbereich, ist direkt proportional zum Grenzra dius.

Durch die Verwendung von Sensoren mit unterschiedlichen Grenz radien kann nun an einer Meßstelle ein Feuchtigkeitstiefenpro fil erhalten werden.

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.

Ein Feuchtesensor, der besonders für Feuchtemessungen von Bö den geeignet ist, ist wie folgt dimensioniert.

Der Modenwandler ist ein exponentiell öffnendes Horn, dessen maximaler Durchmesser 0.5 m und dessen Länge ca. 0.4 m be trägt.

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.

Claims

1. Feuchtesensor bestehend aus einem Hochfrequenz (HF)-Refle xionsmeßgerät, einem Oberflächenwellenleiter, welcher am Leitungsende offen ist, zur Übertragung der HF und Mitteln zur Übertragung der HF, dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Mittel zur Übertragung der HF bestehen aus einem Modenwandler (1), welcher die vom Messplatz kommenden Wellen in Oberflächenwellen umwandelt, wobei der Moden wandler (1) ein exponentiell öffnendes Horn ist und
b) der Oberflächenwellenleiter ein Metallzylinder (2) ist, dessen Oberfläche (3) so ausgebildet ist, daß sie eine höhere Induktivität aufweist als ein sonst gut leitender Zylinder.

2. Feuchtesensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der Hornöffnung mindestens so groß ist, wie der Grenzradius der Oberflächenwellen, welche sich am Oberflä chenwellenleiter ausbilden.

3. Feuchtesensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß der Oberflächenwellenleiter mindestens 2,5 Wellen längen lang ist.

4. Verwendung von mindestens zwei Feuchtesensoren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 mit unterschiedlichen Grenzradien zur tiefenaufgelösten Feuchtemessung.