DE69112787T2

DE69112787T2 - Vorrichtung zur Messung des Porenwasserdrucks und der Ionenkonzentration des Bodens.

Info

Publication number: DE69112787T2
Application number: DE1991612787
Authority: DE
Inventors: Gerard Guiraud; Christine Marol; Pierre Moutonnet
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1990-12-06
Filing date: 1991-12-04
Publication date: 1996-04-18
Anticipated expiration: 2011-12-05
Also published as: FR2670290B1; DE69112787D1; EP0489656A1; FR2670290A1; ES2078478T3; DK0489656T3; EP0489656B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Porenwasserdrucks und der Ionenkonzentration des Bodens. Sie findet zahlreiche Anwendungen auf den Gebieten der Hydrologie, der Ökologie, der Landwirtschaft, der Hydrogeologie und der Bodenphysik im allgemeinen. Insbesondere kann sie angewandt werden bei der Dosierung von Düngemitteln und bei der Bestimmung des Verunreinigungs- bzw. Verseuchungsgrads des Bodens.
Das Wasser wandert senkrecht im Boden unter der Wirkung der auf seinem Weg existierenden Porenwasserdruckgradienten. Auf seinem Weg nimmt es verschiedene Materialien und Salze mit, von denen bestimmte nicht mit dem Boden reagieren. Man kann die Bodenwässer also analysieren. Diese Art von Analyse erfordert zwei Vorrichtungen:
- ein Tensimeter zur Messung des Porenwasserdrucks des Bodens; und
- einen Lösungsextraktor, um die Ionenkonzentration des Bodens zu messen.
Eine solche Lösungsextraktionsvorrichtung gibt es unter der Schutzmarkenbezeichnung "DTS 2 000" der Firma Nardeuxhumisol.
In Figur 1 ist ein Tensimeter der vorhergehenden Technik dargestellt..
Dieses Tensimeter umfaßt ein hohles Führungsrohr 2, an dessen unterem Ende eine Kerze 4 aus poröser Keramik angebracht ist.
In der gesamten Beschreibung versteht man unter "Kerze" eine filtrierende Kerze, d.h. einen hohlen und porösen Zylinder.
Die Rolle der Kerze 4 aus poröser Keramik ist es, hydraulisches Äguipotential herzustellen zwischen der Lösung des Bodens und dem Innern des Führungsrohrs. Am oberen Ende des Führungsrohrs gewährleistet ein Abdichtungsstopfen 6 den Verschluß des Führungsrohrs 2. Ein Manometer 8, verbunden mit dem Wasser des Führungsrohrs 2, ist auf dem Abdichtungsstopfen 6 befestigt.
Im Falle des Losungsextraktors ist eine nicht dargestellte Vakuumpumpe verbunden mit dem Führungsrohr 2 und erlaubt die Herstellung eines großen Unterdrucks im Innern des Führungsrohrs 2 und der Keramikkerze 4, was die Ansammlung von Wasser im Innern der Kerze und des Führungsrohrs ermöglicht.
Diese Vorrichtungen weisen zahlreiche Nachteile auf. Das Füllen des Führungsrohrs erfordert nämlich nicht nur ziemlich viel Zeit, sondern vor allem eine große Wassermenge, die auf irreversible Weise entzogen wird.
Es bestehen auch Risken einer Veränderung der Bodenlösung: aufgrund des hergestellten großen Unterdrucks kommt das Bodenwasser vorzugsweise aus den Zonen großer Porosität, was zu einer Veränderung des Gehalts an Gelöstem der Bodenlösung führt.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht, diese Nachteile zu beseitigen.
Sie hat genau eine Meßvorrichtung des Porenwasserdrucks und der Ionenkonzentration des Bodens zum Gegenstand, die autonom im Gelände eingesetzt werden kann.
Noch genauer hat die Erfindung eine Meßvorrichtung des Porenwasserdrucks und der Ionenkonzentration des Bodens zum Gegenstand, die eine ein Führungsrohr umfassende Sonde, eine am unteren Ende des Führungsrohrs angebrachte Keramikkerze, einen Abdichtungsstopfen und eine Druckmeßeinrichtung umfaßt und mit besagter Sonde verbundene Einrichtungen zur Messung des Porenwasserdrucks des Bodens sowie der Konzentration gelöster Stoffe, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde Kapillarröhren umfaßt, die in das Innere von besagter Sonde bis zu der Kerze aus poröser Keramik eintauchen.
Vorteilhafterweise gibt es drei Kapillarröhren, wobei eine erste Kapillarröhre der Messung des Porenwasserdrucks und eine zweite Kapillarröhre der Extraktion des zu untersuchenden gelösten Stoffes dient, und eine dritte Kapillarröhre der Entlüftung eines hydraulischen Kreises dient, der die genannten Kapillarröhren und die Kerze aus poröser Keramik umfaßt.
Erfindungsgemäß dringt die erste Kapillarröhre, mit einem oberen Ende verbunden mit der Druckmeßeinrichtung, bis in den unteren Teil der Kerze aus poröser Keramik ein und die zweite Kapillarröhre, durch ein oberes Ende mit einem Ventil zum Verschließen und Öffnen dieser zweiten Kapillarröhre verbunden, dringt bis in den unteren Teil der Keramikkerze ein, und die dritte Kapillarröhre, durch ein oberes Ende mit einem Ventil zum Verschließen und Öffnen dieser dritten Kapillarröhre verbunden, dringt in die Sonde bis in den oberen Teil der Keramikkerze ein.
Insbesondere ist der Abdichtstopfen auf dem oberen Teil der Kerze aus poröser Keramik befestigt und weist drei Öffnungen auffür den jeweiligen Durchlaß der drei Kapillarröhren.
Erfindungsgemaß umfassen die Einrichtungen zum Messen des Porenwasserdrucks des Bodens sowie der Konzentration an gelösten Stoffen eine peristaltische Pumpe, mit der Sonde über die zweite Kapillarröhre verbunden, einen Dreiwege-Kapillarhahn, ein Loch bzw. eine Bohrung zum Messen der Konzentration an gelösten Stoffen, mit der Sonde verbunden über die dritte Kapillarröhre, eine Stromversorgung, die die elektrische Unabhängigkeit der Vorrichtung sicherstellt, einen Überschußspeicher und einen Speicher für doppeltdestiliertes Wasser, verwendet zum Reinigen und Spülen des hydraulischen Kreises.
Vorteilhafterweise werden die Kapillarröhren hergestellt aus einem steifen und luftundurchlässigen Material, und das Führungsrohr wird aus einen undurchsichtigen Material hergestellt, das das Innere dieses Führungsrohres gegen das Sonnenlicht schützt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung wird die Kerze aus poröser Keramik gefüllt mit Kugeln aus einem chemisch inerten Materials, was eine bessere Reaktions- bzw. Ansprechzeit der Messung gewährleistet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen besser aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, bezogen auf die beigefügten Zeichnungen:
- die Figur 1, schon beschrieben, stellt schmatisch ein Tensimeter der vorangehenden Technik dar;
- die Figur 2 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Sonde;
- die Figur 3 zeigt ein Schema der die Autonomie der erfindungsgemäßen Vorrichtung gewahrleistenden Meßvorrichtung;
- die Figur 4 zeigt eine Kerze aus poroser Keramik nach einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung.
Die Figur 2 stellt ein Schema der erfindungsgemäßen Sonde dar. Diese Sonde 1 umfaßt, wie bei der vorhergehenden Technik, ein lichtundurchlässiges Führungsrohr 2 aus PVC, an dem eine Kerze 4 aus poröser Keramik angebracht ist. Ein Abdichtstopfen 6 ist mittels Epoxyverklebung am oberen Ende 10a der Kerze festgemacht. Die Rolle dieses Abdichtstopfens 6 ist es, das Innere des Führungsrohrs 2 freizuhalten von dem gelösten Stoff, von dem die Kerze durchdrungen ist.
Die wichtige Charakteristik der erfindungsgemäßen Sonde 1 ist das Vorhandensein von drei Kapillarröhren T, P und U aus Nylon. Der Stopfen 6 umfaßt drei Löcher für den Durchlaß der drei Kapillarröhren T, P und U. Das erste Kapillarrohr T verbindet das Manometer 8 mit dem unteren Ende 10b der Kerze. Derart mit dem tiefesten Teil der Keramikkerze 4 verbunden, ermöglicht das Manometer, den Porenwasserdruck des Gelösten zu messen, von dem die Kerze 4 durchdrungen ist. Die zweite Kapillarröhre U taucht ebenfalls bis in den tiefsten Teil der Kerze 4 ein; an ihrem oberen Ende ermöglicht ein Ventil 12U das Öffnen und Schließen der Kapillarröhre U. Ebenso ist das obere Ende der Kapillarröhre P verbunden mit einem Ventil 12P, welches das Offnen oder Schließen der Kapillarröhre P ermöglicht; das untere Ende dieser Kapillarröhre P dringt bis zum oberen Ende 10a der Kerze 4 in die Sonde 1 ein.
Zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme der Vorrichtung sind die Kerze aus poröser Keramik 4 und die drei Kapillarröhren T, U und P mit entlüftetem doppeltdestilliertem Wasser gefüllt, wobei die zweite und die dritte Kapillarröhre U und P durch die jeweiligen Ventile 12U und 12P verschlossen sind. Das doppeltdestillierte Wasser geht auf Äguipotential init der Bodenlösung und die Bodenlösungsionen diffundieren in Richtung Wasser des hydraulischen Kreises (4, T, U, P).
In Figur 3 wurde die Meßvorrichtung der in der Keramikkerze 4 enthaltenen Lösung dargestellt. Diese Meßvorrichtung umfaßt eine mit der zweiten Kapillarröhre U verbundene peristaltische Pumpe 18 und ermöglicht, die zu messende Lösung einer Kerze 4 mittels der Kapillarröhre U zu einem Dreiwege-Kapillarhahn 20 zu leiten. Die von der Pumpe 18 erzeugte Durchflußmenge bewirkt eine Turbulenz senkrecht zu einer Elektrode 16a, wobei die beiden Meßelektroden 16a und 16b ins Innere einer Meßbohrung 14 eintauchen und verbunden sind mit einem Meßdaten-Aufzeichnungsgerät 28.
Wenn die zugeführte Lösungsmenge zu groß ist, wird der überschuß an Lösung zurückgeleitet über die Überschuß-Kapillarröhre 22 zu der dritten Kapillarröhre P. Wenn die Messung beendet ist, wird die Drehrichtung der peristaltischen Pumpe 18 von der Stromversorgung 24 aus umgekehrt. Die überschüssige Lösung wird dann über die Kapillarröhre U zurückgeleitet in die Kerze 4.
Der Kapillarhahn 20 ermöglicht ebenfalls, eine Lösungsaliguote zum Zwecke der chemischen und isotrypischen Analyse zu entnehmen, sodann die Kerze 4 und die drei Kapillarröhren T, U und P zu reinigen und zu spülen mit doppeltdestilliertem Wasser, enthalten in einem Speicher 26.
Die Figur 4 stellt eine Kerze aus poröser Keramik dar, einer Ausführungsart der Erfindung entsprechend. Die Kerze 4 aus Poröser Keramik ist gefüllt mit Kugeln 5 aus einem chemisch inerten Material wie z.B. Quartz, wobei diese Kugeln 5 ermöglichen, das Innenvolumens der Kerze 4 zu verringern. Bei stark verringertem Innenvolumen reduziert sich die Zeit der Äquipotentialherstellung und der Ionendiffusion um den Faktor 2 bis 4, was eine bessere Reaktions- bzw. Ansprechzeit der Messung ermöglicht.
Außer den oben beschriebenen Vorteilen gewährleistet die erfindungsgemäße Vorrichtung elektrische Unabhängigkeit, was die Vorrichtung unbeschränkt beweglich macht und folglich geeignet für den Einsatz im Gelände.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung des Porenwasserdrucks und der lonenkonzentration des Bodens, umfassend eine ein Führungsrohr (2) umfassende Sonde (1), eine Kerze (4) aus poröser Keramik, die an dem inneren Ende des Führungsrohrs angebracht ist, und ein Abdichtungsstopfen (6) und eine Manometervorrichtung (8) und mit der genannten Sonde verbundene Einrichtungen, um den Porenwasserdruck des Bodens sowie die Konzentration gelöster Stoffe zu messen, dadurch gekennzeichnet, daß die Sonde mindestens drei Kapillarröhren (T, U und P) umfaßt, die in das Innere der genannten Sonde bis zu der Kerze aus poröser Keramik eintauchen, wobei eine erste Kapillarröhre (T) dient, den Porenwasserdruck zu messen, eine zweite Kapillarröhre (U) die Gewinnung des zu untersuchenden gelösten Stoffes sicherstellt und eine dritte Kapillarröhre (P) dient, einen hydraulischen Kreis von seiner Luft zu entlüften, der die genannten Kapillarröhren und die Kerze aus poröser Keramik umfaßt.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

- die erste Kapillarröhre (T), die durch ein oberes Ende mit der Manometervorrichtung verbunden ist, bis in den unteren Teil der Kerze aus poröser Keramik eindringt;

- die zweite Kapillarröhre (U), die mit einem oberen Ende mit einem Schieber (12 U) verbunden ist, der das Schließen oder Öffnen der genannten zweiten Kapillarröhre sicherstellt, bis in den unteren Teil der Kerze aus poröser Keramik eindringt;

- die dritte Kapillarröhre (P), die mit einem oberen Ende mit einem Schieber (12 P) verbunden ist, der das Schließen oder öffnen der genannten dritten Kapillarröhre sicherstellt, in die Sonde bis zu dem oberen Teil (10 a) der Kerze aus poröser Keramik eindringt.

3. Vorrichtung gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche dadurch ggekennzeichnet, daß der Dichtungsstopfen an dem oberen Teil der Kerze aus poröser Keramik angebracht ist, und daß er drei Löcher umfaßt, die den jeweiligen Durchtritt der drei Kapillarröhren sicherstellen.

4. Vorrichtung gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen zum Messen des Porenwasserdrucks sowie der Konzentration der gelösten Stoffe umfassen eine peristaltische Pumpe (18), die mit der Sonde mittels der zweiten Kapillarröhre (U) verbunden ist, einen kapillaren Dreiwegehahn (20), einen Meßschacht (14) für die Konzentration der gelösten Stoffe, der mit der Sonde über die dritte Kapillarröhre (T) verbunden ist, eine elektrische Versorgung (24), die die elektrische Unabhängigkeit der Vorrichtung sicherstellt, ein Überlaufgefäß (22) und ein Gefäß (26) für doppelt destilliertes Wasser, das zum Spülen und Reinigen des hydraulischen Kreises verwendet wird.

5. Vorrichtung gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapillarröhren aus einem steifen und luftundurchlässigen Material hergestellt sind.

6. Vorrichtung gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Führungsrohr aus einem lichtundurchlässigen Material hergestellt ist, das das Innere des genannten Führungsrohrs gegen das Sonnenlicht schützt.

7. Vorrichtung gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerze aus poroser Keramik mit Kugeln (5) aus einem chemisch inerten Material gefüllt ist, die somit eine bessere Ansprechzeit bei der Messung sicherstellen.