EP1565730A1 - Verfahren und eine vorrichtung zur bestimmung von eigenschaften des erdreichs anhand der transmissionseigenschaften einer oberirdisch geführten leitung, z.b. einer überlandstromleitung - Google Patents

Verfahren und eine vorrichtung zur bestimmung von eigenschaften des erdreichs anhand der transmissionseigenschaften einer oberirdisch geführten leitung, z.b. einer überlandstromleitung

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Publication number
EP1565730A1
EP1565730A1 EP03775245A EP03775245A EP1565730A1 EP 1565730 A1 EP1565730 A1 EP 1565730A1 EP 03775245 A EP03775245 A EP 03775245A EP 03775245 A EP03775245 A EP 03775245A EP 1565730 A1 EP1565730 A1 EP 1565730A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
line
electrically conductive
lines
ground line
measurement
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP03775245A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Brandelik
Christof HÜBNER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Original Assignee
Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungszentrum Karlsruhe GmbH filed Critical Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Publication of EP1565730A1 publication Critical patent/EP1565730A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
    • G01N27/223—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance for determining moisture content, e.g. humidity

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for determining 5 properties of the soil, in particular the moisture content, and of heights of snow and ice cover.
  • moisture is to be understood to mean any type of water. So in addition to water, 25 moisture and snow also fall under moisture, possibly also as a covering of the ground.
  • a moisture sensor for extended layers is known from WO 96/22522, which in each case consists of at least one high-frequency electrical signal generator, a signal propagation time measuring device, a reflectometer and a line system composed of at least two independent lines which do not touch and cross each other.
  • this moisture sensor is disadvantageous because it has to be introduced into the ground for operation, which is expensive, complex and mechanically complicated, especially when it comes to snow fields.
  • the length of the sensor ie the area examined, is limited and has only a limited measuring range around the jvless line, since the spread of the measuring field into the ground or snow field is small due to the small line diameter.
  • the object of the present invention is to provide a method and a device with which it is possible to carry out the determination of properties of the soil, in particular moisture content or snow or ice thicknesses, over a wide area without great technical effort.
  • the object is also achieved by a device for coupling to at least one electrically conductive above-ground line
  • At least one generator for generating a time-limited or permanent AC voltage
  • At least one receiver for connection to the at least one electrically conductive above-ground line and spaced in the longitudinal direction of the line from the at least one generator
  • At least one measuring device for recording the transit time of the wave packet used to generate the time-limited electromagnetic field and / or changing at least one parameter of the AC voltage
  • any type of overhead lines already installed i.e. H. Cables that are installed above ground at a certain distance from the ground are used.
  • the electrically conductive above-ground line comprises one or more lines selected from the group consisting of overhead power lines, supply lines, above-ground telephone lines, overhead rail lines, cable car lines.
  • the measuring method is independent of the soil from the soil, for example, from its growth and / or local nature (rock, rivers, lakes, etc.) due to the spacing of the measuring line.
  • such lines are spanned so low above the ground that a well-measurable proportion of the electromagnetic field generated by the measuring line extends into the ground below.
  • the properties of the soil or soil coverings to be determined influence the electrical properties of the soil or its cover, which is penetrated by the electromagnetic field, such as conductivity, dielectric properties (dielectric constant) and magnetic permeability. This in turn affects the spread of the field along the line.
  • the conductivity and the dielectric in a complex manner cause both an attenuation and a time delay of the field.
  • the conductivity and dielectric of the soil or its coverings also depend on their moisture content.
  • the dielectric constant and the conductivity and thus the moisture content of the soil can be calculated by measuring the signal delay and / or attenuation.
  • the assignment of the moisture content to the conductivity and the dielectric can be done by calibration, for which these parameters and the moisture of a soil sample is measured at different moisture levels (for example after oven drying) to determine calibrated standard values.
  • the other sizes such as growth and vegetation stage
  • the calibrated standard values are suitable for comparison.
  • the actual assignment can be carried out, for example, with sufficient accuracy by three-dimensional electromagnetic field calculations (analytical or numerical) known to the person skilled in the art, which use the dielectric constant and the conductivity. For these calculations, the dielectric constant and conductivity of the soil with different water content are required. Sufficiently accurate, approximate values are known to the person skilled in the art and can, for. B. from the book "Dielectric Properties of Heterogeneous Materials", Editor A. Priou, PIER 6 Progress in Electromagnetics Research, 1992 Elsevier Science Publishing Co. New York.
  • the electrically conductive above-ground lines preferably comprise individual lines and / or two-wire and / or multi-wire.
  • the high-voltage overhead lines for power transmission are three or more lines installed on masts.
  • Examples of two-wire are low-voltage supply lines for small consumers, as they are widely installed above the streets in small communities.
  • Telephone lines are also often designed as two-wire.
  • Railway overhead lines and cable car lines are mostly single lines.
  • the at least one electrically conductive above-ground line can be shut down during the measurement for your normal operation, i. H. it is only used as a measuring line. This can either be a dedicated measuring line or the line is shut down for the short time of the measurement (maximum a few seconds), for example for the power supply or for making calls.
  • the at least one electrically conductive above-ground line remains available for your normal operation during the measurement.
  • RF blocks frequency-selective coupling elements and / or high-frequency blocks (RF blocks), such as.
  • B. Transformers, coupling capacitors, filters or crossovers are added to the primary transmission variable, ie are modulated on. Then the measurement signals do not impair the primary functions of the line system.
  • the generator and / or the measuring device are connected to the at least one electrically conductive above-ground line via coupling elements and, if appropriate, high-frequency blocks are arranged in front of and behind a measuring section on the at least one electrically conductive above-ground line.
  • a frequency range between 1 and 1000 MHz is favorable, the higher the frequency, the smaller the damping caused by the soil, but also the possible Penetration depth of the measuring field. This must be taken into account when selecting the frequency range.
  • a frequency range between 100 and 1000 MHz is used, in that the attenuation becomes negligible and the moisture only correlates with the dielectric.
  • a frequency range between 1 kHz and 450 kHz and / or 1 to 1000 MHz can be used for the measurement.
  • time-limited, low-frequency signal packets can then be used, which are suitable for measuring the throughput time along a long line.
  • Such signal packets are common and known to the person skilled in the art.
  • the signal waveform will be greatly deformed at the end and beginning of the packet, i.e. H. wear out, making it difficult to measure time.
  • the above-mentioned delay (due to the wet floors) can be replaced by measuring the phase change of the signal.
  • the wetter the soil the greater its dielectric constant and thus the phase change along the line. If the line is so long that several wavelengths of the measurement signal fit on the line, it must be ensured that the phase measurement is carried out correctly, i. H. the ambiguity of the phase range must be taken into account.
  • Multi-frequency measurements can be carried out for this. This has the advantage that the redundancy of the measurement is increased by the multi-frequency measurements, which in turn contributes to increased measurement accuracy.
  • the attenuation and / or time delay and / or phase change of the field between the at least two points in the at least one electrically conductive above-ground line is preferably measured.
  • the dielectric constant of water for direct current is up to approx. 1 gigahertz and 20 ° C approx. 80. Ice, on the other hand, has its relaxation frequency at approx. 10 kHz, so that its dielectric constant approaches 103 kHz below and above 3.16 above 400 kHz ("Snow Dielectric Measurements", Adv. Space Res. Volume 9, No. 1, 1989).
  • measurements are therefore carried out at at least two frequencies at which the dielectric numbers differ.
  • the measurement of ice and snow is further facilitated by the fact that they cause a very small damping of the measuring field.
  • a time-limited wave packet is switched to the measuring line by a generator.
  • the signal delayed by the soil moisture is routed to a receiver, for example through shielded cables.
  • the signals are led from the generator and from the receiver to a measuring device in which, in addition to the damping, the time difference between the signals (ie the transit time) is also measured.
  • the measured values obtained are then converted into the dielectric constant and conductivity and then finally accordingly into the moisture content.
  • a sine wave is switched to the measuring line by a sine generator whose frequency can be selected.
  • the signal which is influenced, for example, by the soil moisture
  • a phase-correct receiver through shielded cables.
  • the signals are led to a measuring device in that in addition to the damping, the phase change is also determined.
  • the measured values obtained are then converted into the dielectric constant and conductivity and then accordingly into the moisture content.
  • the receiver can be integrated in the measuring device and the generators and / or receivers can be connected to the measuring line either directly when the primary transmission is switched off or via coupling elements.
  • signal transmission is influenced by all lines, including those that are not directly connected to the generator or receiver for measurement.
  • all lines are provided with matching resistors at both ends.
  • Electrical engineers call devices "adapted" if their input and / or output impedances are equal to the measuring line impedance.
  • the measuring line impedance depends, for example, on the unknown soil moisture.
  • the impedance of the measuring line can be chosen so that it corresponds to the average soil moisture. Further details, features and advantages of the present invention are explained below with reference to the drawing. Show it:
  • Fig. 1 shows a first embodiment of the invention
  • Fig. 2 shows a second embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a third embodiment of the invention
  • FIG. 8 shows a seventh embodiment of the invention
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the device according to the invention with interrupted primary transmission on the line L used.
  • Interrupted primary transmission means that the line L used, for example, in the normal case for the overland transmission of electricity, is used for a short time only for the measuring method according to the invention. This can be done either by decoupling the measuring line 1, for example by means of a switch, from the rest of the line L. However, it is also possible to shut down the entire line L for the short duration of the measurement.
  • All lines that are used for coupling the device according to the invention to the measuring line are shielded lines.
  • the line L is spanned by insulators I between electricity pylons M a few meters above the floor B.
  • the actual measuring line 1 which hovers above the ground B to be measured, is connected to a generator 2 and a combined receiver and measuring device 3 via coupling elements 9, 10, which are each arranged at the beginning and at the end of the measuring line.
  • the generator 2 is connected via a line 5 to the coupling element 9 at the start of the measuring line 1.
  • the combined receiver and measuring device 3 is connected to the coupling element 10 via a line 7.
  • the measurement signal generated by generator 2 is fed into measurement line 1 and passes through it, whereby damping, a delay or a phase change, or a combination of the three, occurs through interaction of the field lines generated by the current through which current flows with ground B. experiences the aforementioned parameters.
  • the signal is then recorded by the receiver 3 and fed into the measuring device combined with the original one Measuring signal, which passes from the generator to the receiver via a separate line 6, is compared, so that the damping, delay and phase change caused by the interaction of the field with the ground are determined.
  • the computational evaluation of the measured values determined by the measuring device is carried out in a data processing system 4 connected to the measuring device via a line 8, which in addition to the calculation and data acquisition can also be used to control the device (e.g. measuring times etc.).
  • the measurement signal can be modulated onto the line via frequency-selective coupling elements 9 and 10 during the primary transmission.
  • the transmission of the exhibition signal and the primary transmission take place in a different frequency range, so that they do not interfere and can take place in parallel.
  • the high-frequency locks 16 and 17, which are arranged in front of and behind the coupling elements 9 and 10, serve to prevent measurement errors and interference in primary operation. Otherwise, the embodiment shown in FIG. 2 essentially corresponds to that from FIG. 1.
  • line L2 in addition to line L1, which represents the actual measuring line 1
  • the signal transmission is influenced not only by the actual measuring line 1, but also by the other lines L2.
  • the lines L2 not used for the measurement are connected at their respective ends
  • Matching resistors 13 and 14 are provided, which are connected to line L2 via coupling elements 12 and 11.
  • the impedance of line L2 at the input and output is adapted to the measurement line impedance via these resistors, so that the measurement line is quasi "suppressed".
  • the measuring line impedance depends, for example, on the moisture in the ground, so that it is difficult to adapt the line L2 impedance and theoretically it would have to be constantly changed.
  • a line impedance is set that corresponds to the average soil moisture.
  • resistors 15 and 16 are also provided on the generator 2 and on the receiver / measuring device 3, via which the impedance of the measuring line can be changed. This can be done, for example, during routine maintenance of the generator and the receiver / measuring device.
  • Measuring device / receiver 3 are connected to the floor B via a line 11. All the generator current then flows through the bottom and the full generator voltage is then between the bottom B and the
  • F run from line L to floor B, as shown in Fig. 4a. If several lines are used, there are also various switching options. The bottom can still be used for the return line and two or more parallel lines can be connected for the measuring line. As a result, the measuring device will act on the floor in a wider strip below the lines, as can be seen, for example, from FIGS. 5 and 5a.
  • the lines L1 and L2 are connected in parallel via coupling elements 13 and 14 connected to the elements 9 and 10, so that the field lines lead from the lines to the ground and cover a larger area. This also increases the depth of penetration of the measuring field into the ground.
  • two or more lines connected in parallel can be used for the line and / or the return line, so that the effect of the floor but also the attenuation is weakened more.
  • the measuring field can be influenced by the choice of the distance between the conductors (see Figs. 7a - 7c). As the distance between the lines increases, the penetration depth of the measuring field or field lines increases. I.e. With the permutation of the possible circuit arrangements in the case of multi-conductors, it is possible to achieve different measuring widths and different measuring depths. This also applies to wiring with different polarity of the lines.
  • the lines lie at different heights above the ground, since the materials usually used, such as steel, vary greatly in length with the temperature. For example, aluminum, copper and steel expand when the temperature rises and a pipe made of them "sags", reducing the distance to the floor. However, this also changes the measuring field in the ground, so that a correction of a possibly occurring temperature effect on the measured values is possible when using different measuring arrangements. This procedure can also be used to determine whether the lines themselves are iced up.
  • line L1 is connected via a Bridge 15 connected in series with the line L2, so that the coupling element 10 is arranged approximately at the same location as the coupling element 9 and the lines 6 and 7 between the generator, receiver and measuring line become short.
  • the generator, receiver and measuring device can also be designed in one housing.

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Abstract

Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften des Erdreichs, insbesonderedes Feuchtigkeitsgehaltes umfassend die Schritte: - Erzeugung eines zeitlimitierten oder permanenten elektromagnetischen Feldes in mindestens einer elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung durch Wechselspannungsbeaufschlagung derart, dass das mindestens eine Feld in das Erdreich hinein reicht, - Messung mindestens der Laufzeit des zur Erzeugung des zeitlimitierten elektromagnetischen Feldes dienenden Wellenpakets oder einer Änderung der Wechselspannungsparameter des Feldes zwischen mindestens zwei in Längsrichtung der Leitung voneinander beabstandeten Punkten in der mindestens einen oberirdischen Leitung, - Vergleich der mindestens gemessenen Laufzeit und/oder der gemessenen Änderung der Wechselspannungsparameter zwischen den mindestens zwei Punkten in der mindestens einen elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung mit Standardwerten.

Description

VERFAHREN UND EINE VORRICHTUNG ZUR BESTIMMUNG VON EIGENSCHAFTEN DES ERDREICHS ANHAND DER TRANSMISSIONSEIGENSCHAFTEN EINER OBERIRDISCH GEFÜHRTEN LEITUNG, Z.B.
EINER ÜBERLANDSTROMLEITUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung 5 von Eigenschaften des Erdreichs, insbesondere des Feuchtigkeitsgehaltes, sowie von Höhen von Schnee- und Eisbedeckungen.
Die genaue und großflächige Bestimmung von Eigenschaften des 10 Erdreichs, insbesondere Feuchtigkeitsgehaltes ist wichtig zur Abschätzung und Verwaltung der Wasserressourcen zum Beispiel für die Land- und Forstwirtschaft. Nur mit dieser Kenntnis kann zum Beispiel eine großflächige angepasste Bewässerung und Erntevorhersage gelingen.
15 Die Eigenschaften des Erdreichs, insbesondere Feuchtigkeitsgehaltes spielen auch eine wichtige Rolle bei öffentlichen Bauvorhaben zum Beispiel Straßenbau, wo der Untergrund nicht zu feucht sein darf.
Auch für die meteorologische Vorhersage spielt die von der 20 Bodenfeuchtigkeit abhängige aufsteigende Wasserdampfmenge eine nicht unerhebliche Rolle.
Unter Feuchtigkeit soll in der vorliegenden Erfindung jeder Art von Wasser verstanden werden. Unter Feuchtigkeit fällt also neben Wasser auch 25 Schnee und Eis, ggf. auch als Bedeckung des Erdreichs.
Die Bestimmung der Schnee- und Eismenge ist wichtig für die Lawinenvorhersage und zur Warnung vor Hochwasser während der Frühlingsschmelze sowie für die Vorhersage des Füllstandes von mit 30 Schmelzwasser gefüllten Wasserreservoirs. Aus der WO 96/22522 ist ein Feuchtesensor für ausgedehnte Schichten bekannt, der aus jeweils mindestens einem hochfrequenten elektrischen Signalgenerator, einem Signallaufzeitmessgerät, einem Reflektometer und einem Leitungssystem aus mindestens zwei sich kreuzenden einander nicht berührenden unabhängigen Leitungen besteht. Dieser Feuchtesensor ist jedoch nachteilig, da er zum Betrieb in das Erdreich eingebracht werden muss, was teuer und aufwändig sowie mechanisch kompliziert ist, insbesondere wenn es sich um Schneefelder handelt. Ferner ist der Sensor in seiner Länge, d. h. in der untersuchten Fläche begrenzt und besitzt um die Jvlessleitung herum nur einen limitierten Messbereich, da die Ausbreitung des Messfeldes in das Erdreich oder Schneefeld aufgrund des kleinen Leitungsdurchmessers gering ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der es ohne großen technischen Aufwand möglich ist, die Bestimmung von Eigenschaften des Erdreiches, insbesondere Feuchtigkeitsgehaltes oder schnee- oder Eisdicken weiträumig durchzuführen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, welches die Schritte
Erzeugung eines zeitlimitierten oder permanenten elektromagnetischen Feldes in mindestens einer elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung durch Wechselspannungsbeaufschlagung derart, dass das mindestens eine Feld in das Erdreich hinein reicht,
Messung mindestens der Laufzeit des zur Erzeugung des zeitlimitierten elektromagnetischen Feldes dienenden
Wellenpakets oder einer Änderung der Wechselspannungsparameter des Feldes zwischen mindestens zwei in Längsrichtung der Leitung voneinander beabstandeten Punkten in der mindestens einen oberirdischen Leitung,
Vergleich der mindestens gemessenen Laufzeit und/oder der gemessenen Änderung der Wechselspannungsparameter zwischen den mindestens zwei Punkten in der mindestens einen elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung mit Standardwerten.
umfasst.
Die Aufgabe wird ebenfalls durch eine Vorrichtung zur Ankopplung an mindestens eine elektrisch leitfähige oberirdische Leitung mit
mindestens einem Generator zur Erzeugung einer zeitlich limitierten oder permanenten Wechselspannung zur
Verbindung mit der mindestens einen elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung,
mindestens einem Empfänger zur Verbindung mit der mindestens einen elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung und in Längsrichtung der Leitung beabstandet von dem mindestens einem Generator, und
mindestens einem Messgerät zur Erfassung der Laufzeit des zur Erzeugung des zeitlimitierten elektromagnetischen Feldes dienenden Wellenpakets und/oder der Änderung zumindest eines Parameters der Wechselspannung
gelöst. Aufgrund der Verwendung einer elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung zur Erzeugung des elektromagnetischen Feldes, das in das Erdreich hineinreicht, ist es aufgrund des Abstandes zum Boden möglich, ein weiträumiges Areal zu vermessen. Auch die schwierige Einbringung der Leitung in den Boden bzw. ein Schneefeld entfällt.
Erfindungsgemäß können prinzipiell jede Art von bereits installierten Freileitungen, d. h. Leitungen, die oberirdisch mit einem gewissen Abstand vom Erdboden verlegt wurden, eingesetzt werden.
Besonders bevorzugt ist es, wenn die elektrisch leitfähige oberirdische Leitung eine oder mehrere Leitungen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Überlandstromleitungen, Versorgungsleitungen, überirdische Telefonleitungen, Schienenverkehrsoberleitungen, Seilbahnleitungen umfasst.
Solche Leitungen existieren schon und es müssen daher keine neuen aufwändigen Baumaßnahmen getroffen werden und der von solchen Leitungen bedeckte Bereich umfasst praktisch die gesamte Erdkugel, sodass der Messbereich unter diesen Leitungen enorm ist. Es wird eine ähnlich große Oberfläche abgedeckt, wie dies sonst nur mit der Satellitenoder Luft-gestützten Messtechnik möglich wäre. Insbesondere ist das Messverfahren durch die Beabstandung der Messleitung von dem Erdboden beispielsweise von dessen Bewuchs und/oder lokaler Beschaffenheit (Gestein, Flüsse, Seen usw.) unabhängig.
Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit sind solche Leitungen so niedrig über den Boden aufgespannt, dass ein gut messbarer Anteil des elektromagnetischen Feldes, das von der Messleitung erzeugt wird, in den darunter liegenden Boden hineinreicht. Die zu bestimmenden Eigenschaften des Bodens oder der Bodenbedeckungen (zum Beispiel Bewuchs oder Schnee) beeinflussen die elektrischen Eigenschaften des Erdreichs oder dessen Bedeckung, das von dem elektromagnetischen Feld durchdrungen wird, wie die Leitfähigkeit, die dielektrische Beschaffenheit (Dielektrizitätszahl) und die magnetische Permeabilität. Hierdurch wird wiederum die Ausbreitung des Feldes entlang der Leitung beeinflusst.
In den meisten Böden und Bedeckungen, in denen nur eine vernachlässigbare oder keine Magnetisierung vorkommt, wird das Feld
(Messsignal) nur von den zwei erstgenannten Eigenschaften beeinflusst.
Die Leitfähigkeit und die Dielektrizität verursachen in komplexer Weise sowohl eine Dämpfung als auch eine zeitliche Verzögerung des Feldes.
Die Leitfähigkeit und die Dielektrizität des Bodens oder seiner Bedeckungen hängen aber ebenfalls von deren Feuchtigkeitsgehalt ab.
Somit ist es durch Messung der Verzögerung und/oder der Dämpfung über die Bestimmung der Leitfähigkeit und der Dielektrizitätszahl möglich, die Beschaffenheit des Bodens festzustellen. Für den Fachmann war zwar schon früher bekannt, dass die Signalübertragung durch die Bodeneigenschaften beeinflusst wird. Diese aber früher als störend angesehenen Effekte wurden jetzt überraschend als primäre Kenngrößen für die Bestimmung der Beschaffenheit des Bodens erkannt.
Für den Fachmann war überraschend und nicht vorhersehbar, dass durch die Messung der Signal-Verzögerung und/oder Dämpfung die Dielektrizitätszahl und die Leitfähigkeit und somit der Feuchtigkeitsgehalt des Bodens berechnet werden können.
Die Zuordnung des Feuchtigkeitsgehaltes zu der Leitfähigkeit und der Dielektrizität kann durch Kalibrierung geschehen, wozu diese Parameter und die Feuchtigkeit einer Bodenprobe bei unterschiedlich festgelegten Feuchtigkeitsgehalten (zum Beispiel nach Ofentrocknung) zur Bestimmung von kalibrierten Standardwerten gemessen werden. Während der eigentlichen späteren Messungen müssen natürlich die anderen Größen (wie Bewuchs und Vegetationsstadium) denen der kalibrierten Proben entsprechen, so dass die kalibrierten Standardwerte zum Vergleich taugen.
Die eigentliche Zuordnung kann beispielsweise mit ausreichender Genauigkeit durch dem Fachmann bekannte dreidimensionale elektromagnetische Feldberechnungen (analytisch oder numerisch), welche die Dielektrizitätszahl und die Leitfähigkeit verwenden, erfolgen. Für diese Rechnungen wird zunächst die Dielektrizitätszahl und Leitfähigkeit des Bodens bei unterschiedlichem Wassergehalt benötigt. Ausreichend genaue, angenäherte Werte sind dem Fachmann bekannt und können z. B. aus dem Buch "Dielectric Properties of Heterogeneous Materials", Editor A. Priou, PIER 6 Progress in Electromagnetics Research, 1992 Elsevier Science Publishing Co. New York, entnommen werden.
Auf dem Gebiet der Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes des Bodens (inklusive Schnee) haben sich unter vielen Empfehlungen für Berechnung der Dielektrizitätszahl und der Leitfähigkeit des Bodens die von Birchak et al. empfohlenen mathematischen Funktionen (Mischregeln) sehr gut bewährt ("High dielectric constant microwave probes for sensing soil moisture", Proceedings of the IEEE, 62 (1), 93 - 98, 1974).
Da die Aufnahme eines vollständigen Satzes von Standardwerten
(Kalibrationskurve) viele Messungen benötigt, ist es möglich die Werte der Kalibrierung mit denen der Feldberechnung zusammen zu fassen, so dass nur wenige Messwerte zur Aufstellung der Kalibrationskurve nötig sind. In diesem Fall wird der relative Verlauf der Kalibrationskurve anhand der oben angegebenen mathematischen Funktionen (Mischregeln) aufgezeichnet. Diese relative Kalibrationskurve wird dann selbst mittels _ mindestens eines absoluten Werts, der aus einer Probenvermessung stammt, kalibriert, d. h. dem absoluten Wert angepasst. Mehrere absolute Werte zur Kalibrierung liefern dabei eine höhere Genauigkeit.
Vorzugsweise umfassen die eingesetzten elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitungen einzelne Leitungen und/oder Zweileiter und/oder Mehrleiter. So handelt es sich zum Beispiel bei den Hochspannungsüberlandleitungen für die Energieübertragung um drei- oder mehrfach Leitungen, welche auf Masten installiert sind. Beispiele für Zweileiter sind Niedervoltversorgungsleitungen für Kleinverbraucher, wie sie verbreitet über den Straßen in kleinen Gemeinden installiert sind. Auch Telefonleitungen sind häufig als Zweileiter ausgeführt. Eisenbahnoberleitungen und Seilbahnleitungen sind meistens einzelne Leitungen.
Die mindestens eine elektrisch leitfähige oberirdische Leitung kann während der Messung für Ihren normalen Betrieb stillgelegt sein, d. h. sie wird nur als Messleitung eingesetzt. Dabei kann es sich entweder um eine dedizierte Messleitung handeln oder es wird für die kurze Zeit der Messung (maximal wenige Sekunden) die Leitung zum Beispiel für die Stromversorgung oder für das Telefonieren stillgelegt.
Andererseits ist es möglich, dass die mindestens eine elektrisch leitfähige oberirdische Leitung während der Messung für Ihren normalen Betrieb verfügbar bleibt.
Es ist dann sinnvoll, dass das Messsignal mittels frequenzselektiven Koppelelementen und/oder Hochfrequenzsperren (HF-Sperren), wie z. B. Transformatoren, Koppelkapazitäten, Filter oder Frequenzweichen zu der primären Übertragungsgröße addiert, d. h. aufmoduliert wird. Dann beeinträchtigen die Messsignale die primäre Funktionen des Leitungssystems nicht.
Daher ist es bevorzugt, wenn der Generator und/oder das Messgerät über Koppelelemente mit der mindestens einen elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung verbunden sind und gegebenenfalls Hochfrequenzsperren vor und hinter einer Messstrecke an der mindestens einen elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung angeordnet sind.
Eine entsprechende Technik wurde für die Verwendung an Hochspannungsüberlandleitungen für Gesprächs- und
Dienstschaltungsübertragungen in den 60'er Jahren ausgearbeitet und eingesetzt (Trägerfrequenznachrichtenübertragung über
Hochspannungsleitungen, Siemens-Zeitschrift Heft 8, August 1965, Seiten 898 bis 904; Trägerfrequenzausrüstungen in Wechselstrom- Höchstspannungsnetzen und auf Gleichstromübertragungsleitungen, Brown Boveri Mitteilungen, Band 53, Nr. 4/5, April/Mai 1966, Seiten 350 bis 364). Mit der technischen Entwicklung des drahtlosen Telefonierens und der Satellitentechnik wurde diese so genannte "Trägerfrequenz- Nachrichtenübertragung über Hochspannungsleitungen" obsolet und daher abgeschaltet und abmontiert. Die damals eingesetzten Methoden und Geräte können - gegebenenfalls mit Änderungen - für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden.
Grundsätzlich sind Messungen mit dem obengenannten Ziel sowohl in der Zeitdomäne als auch in der Frequenzdomäne möglich. Für Feuchtigkeitsgehaltsmessungen in Böden ist ein Frequenzbereich zwischen 1 und 1000 MHz günstig, wobei je höher die Frequenz, desto kleiner ist die vom Boden verursachte Dämpfung aber auch die mögliche Eindringtiefe des Messfeldes. Dies muss bei der Auswahl des Frequenzbereiches berücksichtigt werden. In der klassischen Bodenfeuchtemesstechnik wird ein Frequenzbereich zwischen 100 und 1000 MHz genutzt, indem die Dämpfung vernachlässigbar wird und die Feuchtigkeit nur noch mit der Dielektrizität korreliert. Dies vereinfacht die Berechnung ("Subsurface Sensing and Subsurface Aquametry", Subsurface Sensing Technologies and Applications, An International Journal, Volume 1 , Number 4, Oktober 2000, Kluwer Academic / Plenum Publishers; "RF & Microwave Sensing of Moist Materials, Food and other Dielectrics", Sensor Update Volume 7, Wiley-VCH Weinheim 2000). Sollte eine hochfrequente Übertragung nicht möglich sein, da beispielsweise der Abstand zwischen den einzelnen Leitungen sehr groß ist, wie dies zum Beispiel bei Überlandleitungen häufig der Fall ist, kann auch in tieferen Frequenzbereichen gearbeitet werden.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass sich für die wirtschaftliche Übertragung von Nachrichten auf Hochspannungsleitungen ein Frequenzbereich von etwa 30 bis 450 kHz eignet ("Fernwirkübertragung auf Hochspannungsleitungen", Siemens-Zeitschrift, Juli 1957, Heft 7). Auch diese Frequenzbereiche können für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden. Allerdings sind durch technische Verbesserungen noch tiefere Frequenzen als die damals gezogene Grenze von 30 kHz einsetzbar.
Somit kann erfindungsgemäß ein Frequenzbereich zwischen 1 kHz und 450 kHz und/oder 1 bis 1000 MHz für die Messung eingesetzt wird.
Allerdings ist die Dämpfung in dem tiefen Frequenzbereich nicht mehr vernachlässigbar. Daher wird auch die Leitfähigkeit ein wesentlicher Parameter in der Verknüpfung zwischen den elektrischen Eigenschaften des Bodens und des Feuchtigkeitsgehaltes sein. In diesem Fall werden zweidimensionale Standardwerte eingesetzt. Es sollte berücksichtigt werden, dass hierbei die Möglichkeit der Messung in der Zeitdomäne bei diesen tiefen Frequenzen stark eingeschränkt ist.
Jedoch können dann zeitlich limitierte, tief-frequente Signalpakete verwendet werden, die für die Messung der Durchlaufzeit entlang einer langen Leitung geeignet sind. Solche Signalpakete sind üblich und dem Fachmann bekannt. Jedoch wird die Signal-Wellenform am Ende und am Anfang des Paketes stark deformiert werden, d. h. verschleißen, sodass eine Zeitmessung erschwert wird.
In dem Frequenzdomänen-Messverfahren kann die oben genannte Verzögerung (durch die nassen Böden) durch die Messung der Phasenänderung des Signals ersetzt werden. Je nasser der Boden ist, desto größer wird seine Dielektrizitätszahl und somit auch die Phasenänderung entlang der Leitung. Wenn die Leitung so lang ist, dass mehrere Wellenlängen des Messsignals auf die Leitung passen, muss dafür gesorgt werden, dass die Phasenmessung richtig erfolgt, d. h. die Mehrdeutigkeit des Phasenbereichs berücksichtigt werden. Auch eine solche Berücksichtigung ist dem Fachmann bekannt und üblich. Dazu können Mehrfrequenzmessungen erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass durch die Mehrfrequenzmessungen die Redundanz der Messung erhöht wird, was wiederum zu erhöhter Messgenauigkeit beiträgt.
Vorzugsweise wird die Dämpfung und/oder zeitliche Verzögerung und/oder Phasenänderung des Feldes zwischen den mindestens zwei Punkten in der mindestens einen elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung gemessen.
Bei der Auswahl der Frequenzbereiche für die Messung der Schnee- oder Eisbedeckung von Böden sind Besonderheiten zu beachten. Schnee ist eine Mischung von Eis, Luft und Wasser, wobei der Wasseranteil bis kurz vor der Schmelze vernachlässigbar ist. Soll die Erfindung jedoch auch für die Vorwarnung von Schmelzwasser Überflutungen verwendet werden, ist es wichtig, auch den flüssigen Wasseranteil zu erfassen. Eis und Wasser unterscheiden sich stark in ihrer Dispersionscharakteristik in der Dielektrizitätszahl, wodurch die Unterscheidung der beiden durch Messung der Dielektrizitätszahl bei unterschiedlichen Frequenzen möglich wird.
Die Dielektrizitätszahl von Wasser beträgt bei Gleichstrom bis ca. 1 Gigahertz und 20 °C ca. 80. Eis dagegen besitzt seine Relaxationsfrequenz bei etwa 10 kHz, so dass sich seine Dielektrizitätszahl darunter bei 1 kHz 103 annähert und darüber ab 400 kHz 3,16 annähert ("Snow Dielectric Measurements", Adv. Space Res. Volume 9, Nr. 1 , 1989). Daher werden für die Detektion von Schnee oder Eis Messungen bei mindestens zwei Frequenzen durchgeführt, bei denen die Dielektrizitätszahlen unterscheiden. Die Messung von Eis und Schnee wird ferner dadurch erleichtert, dass sie eine sehr kleine Dämpfung des Messfeldes bewirken.
Für die Messung in der Zeitdomäne wird durch einen Generator ein zeitlich limitiertes Wellenpaket auf die Messleitung geschaltet. Am Ende der Messleitung wird das durch die Bodenfeuchtigkeit verzögerte Signal zum Beispiel durch geschirmte Kabel zu einem Empfänger geführt. Von dem Generator und von dem Empfänger werden die Signale zu einem Messgerät geführt, in dem neben der Dämpfung auch der Zeitunterschied zwischen den Signalen (also die Laufzeit) gemessen wird. Die erhaltenen Messwerte (Dämpfung, Verzögerung) werden dann in die Dielektrizitätszahl und Leitfähigkeit und dann schließlich entsprechend in den Feuchtigkeitsgehalt umgerechnet. Für die Messung in der Frequenzdomäne wird durch einen Sinusgenerator, dessen Frequenz wählbar ist, eine Sinuswelle auf die Messleitung geschaltet. Am Ende der Messleitung wird das zum Beispiel durch die Bodenfeuchtigkeit beeinflusste Signal durch geschirmte Kabel zu einem phasentreuen Empfänger geführt. Sowohl von dem Generator als auch von dem Empfänger, analog zur Zeitdomänenmessung, werden die Signale zu einem Messgerät geführt, indem neben der Dämpfung auch die Phasenänderung bestimmt wird. Die erhaltenen Messwerte (Dämpfung, Phasenänderung) werden dann in die Dielektrizitätszahl und Leitfähigkeit und dann entsprechend in den Feuchtigkeitsgehalt umgerechnet.
Der Empfänger kann in beiden Fällen in dem Messgerät integriert sein und die Generatoren und/oder Empfänger entweder direkt bei abgeschalteter Primärübertragung oder über Koppelelemente an die Messleitung geschaltet werden.
Die Signalübertragung wird bei einem Mehrleitungs-Messsystem von allen Leitungen, auch von denen, die nicht direkt mit dem Generator oder Empfänger zur Messung verschaltet sind, beeinflusst. Um diese störende Beeinflussung zu reduzieren und um die Signalausbeute der Messleitung zu verbessern, werden alle Leitungen an ihren beiden Enden mit Anpassungswiderständen ("matched loads") versehen. "Angepasst" nennen Elektrotechniker Geräte, wenn ihre Ein- und/oder Ausgangsimpedanzen der Messleitungsimpedanz gleich kommen. Im vorliegenden Fall hängt die Messleitungsimpedanz zum Beispiel von der unbekannten Bodenfeuchtigkeit ab. Um einen guten Kompromiss zwischen der eigentlich für jede Messung benötigten Impedanz und der ständigen Änderung der Impedanzen zu erreichen, kann die Impedanz der Messleitung so gewählt werden, dass sie der mittleren Bodenfeuchtigkeit entspricht. Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit unterbrochener Primärübertragung auf der eingesetzten Leitung;
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung, bei der die Messungen während der Primärübertragung auf der eingesetzten Leitung stattfindet; Fig. 3 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung bei Verwendung eines Mehrleitungs- Übertragungssystems; Fig. 4, 4a eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung; Fig. 5, 5a eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung bei Parallelschaltung von zwei Leitungen; Fig. 6, 6a eine sechste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Verwendung zweier Leitungen unterschiedlicher Polarität; Fig. 7a, 7b, 7c schematisch den Verlauf der Feldlinien in Abhängigkeit des Abstandes und der Polarität der verwendeten Leitungen; und Fig. 8 eine siebte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung bei Verwendung von zwei in Reihe geschaltete Leitungen.
In den Figuren sind sich entsprechende Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit denselben Bezugszeichen beziffert. In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit unterbrochener Primärübertragung auf der eingesetzten Leitung L dargestellt. Unterbrochene Primärübertragung bedeutet, dass die beispielsweise im Normalfall für die Überlandübertragung von Strom eingesetzte Leitung L kurzfristig nur für das erfindungsgemäße Messverfahren eingesetzt wird. Dies kann entweder durch Entkopplung der Messleitung 1 beispielsweise mittels Schalter vom Rest der Leitung L erfolgen. Es ist aber auch möglich die gesamte Leitung L für die kurze Dauer der Messung stillzulegen.
Bei allen Leitungen, die zur Ankopplung der Erfindungsgemäßen Vorrichtung an die Messleitung Verwendung finden, handelt es sich um abgeschirmte Leitungen.
Die Leitung L ist über Isolatoren I zwischen Strommasten M einige Meter über dem Boden B aufgespannt. Die eigentliche Messleitung 1 , die über dem zu vermessenden Boden B schwebt, ist über Kopplungselemente 9,10, die jeweils am Anfang und am Ende der Messleitung angeordnet sind, mit einem Generator 2 und einem kombinierten Empfänger und Messgerät 3 verbunden. Der Generator 2 ist über eine Leitung 5 mit dem Kopplungselement 9 am Anfang der Messleitung 1 verbunden. Am Ende der Messleitung 1 ist das kombinierte Empfänger und Messgerät 3 über eine Leitung 7 mit dem Kopplungselement 10 verbunden.
Über die Leitung 5 wird das von dem Generator 2 erzeugte Messesignal in die Messleitung 1 eingespeist und durchläuft diese, wobei es durch Wechselwirkung der von dem Strom durchflossenen Leiter erzeugten Feldlinien mit dem Boden B eine Dämpfung, eine Verzögerung oder eine Phasenänderung oder eine Kombination der drei vorgenannten Parameter erfährt. Das Signal wird dann vom Empfänger 3 aufgezeichnet und in dem damit kombinierten Messgerät mit dem ursprünglichen, eingespeisten Messsignal, welches über eine gesonderte Leitung 6 vom Generator zum Empfänger gelangt, verglichen, so dass die auf Grund der Wechselwirkung des Feldes mit dem Erdboden hervorgerufene Dämpfung, Verzögerung und Phasenänderung bestimmt werden.
Die rechnerische Auswertung der vom Messgerät bestimmten Messwerte wird in einer mit dem Messgerät über eine Leitung 8 verbundenen Datenverarbeitungsanlage 4 durchgeführt, die neben der Rechnung und Datenerfassung auch zur Steuerung der Vorrichtung (z. B Messzeiten usw.) dienen kann.
Sollte eine direkte Ankopplung der Messvorrichtung und der damit verbundenen Stilllegung der Leitung L unerwünscht sein, so kann, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, das Messsignal über frequenzselektive „ Koppelungselemente 9 und 10 während der Primärübertragung auf die Leitung aufmoduliert werden. Mit anderen Worten, die Übertragung des Messesignals und die Primärübertragung finden in einem unterschiedlichen Frequenzbereich statt, so dass sich diese nicht stören und parallel stattfinden können. Zur Verhinderung von Messfehlern und Störungen im Primärbetrieb dienen die Hochfrequenzsperren 16 und 17, die jeweils vor und hinter den Kopplungselementen 9 und 10 angeordnet sind. Ansonsten entspricht die in Fig. 2 dargestellte Ausführungsform im wesentlichen der aus Fig. 1.
Befindet sich, wie in Fig. 3 dargestellt und es meist der Fall ist, neben der Leitung L1 , die die eigentliche Messleitung 1 stellt, eine weitere Leitung L2, so wird die Signalübertragung nicht nur durch die eigentliche Messleitung 1 beeinflusst, sondern auch durch die übrigen Leitungen L2. Um diese störende Beeinflussung zu reduzieren und die Signalausbeute in der Messleitung zu verbessern, werden die nicht zur Messung dienenden Leitungen L2 an ihren jeweiligen Enden mit Anpassungswiderständen 13 und 14 versehen, die über Kopplungselemente 12 und 11 mit der Leitung L2 verbunden sind. Über diese Widerstände wird die Impedanz der Leitung L2 am Eingang und Ausgang der Messeleitungsimpedanz angepasst, so dass die Messleitung quasi "entstört" ist.
Allerdings hängt die Messleitungsimpedanz zum Beispiel von der Feuchtigkeit im Boden ab, so dass eine Anpassung der Impedanz der Leitung L2 schwierig ist und theoretisch ständig geändert werden müsste. Um dies zu verhindern, wird eine Leitungsimpedanz eingestellt, die der mittleren Bodenfeuchtigkeit entspricht. Um eine trotzdem möglicherweise notwendige Anpassung, zum Beispiel beim Wechsel der Jahreszeiten, einfacher vornehmen zu können, ist es sinnvoll wenn am Generator 2 und am Empfänger/Messgerät 3 ebenfalls Widerstände 15 und 16 vorgesehen sind, über die die Impedanz der Messleitung veränderbar ist. Dies kann zum Beispiel bei der routinemäßigen Wartung des Generators und des Empfängers/Messgerätes vorgenommen werden.
Bei einer einleitigen Fernleitung, wie zum Beispiel einer Eisenbahnoberleitung, wie sie in Fig. 4 dargestellt ist, muss die notwendige Rückleitung über den Boden stattfinden, so dass der
Generator 2 über eine entsprechende Leitung 12 und das
Messgerät/Empfänger 3 über eine Leitung 11 mit dem Boden B verbunden sind. Der ganze Generator-Strom fließt dann durch den Boden und die volle Generator-Spannung liegt dann zwischen dem Boden B und der
Leitung L an. In einem solchen Fall ist die verzögernde oder phasenverändernde Wirkung des Bodens am stärksten und die Feldlinien
F verlaufen von der Leitung L zum Boden B hin, wie dies in Fig. 4a gezeigt ist. Werden mehrere Leitungen eingesetzt, so bestehen auch verschiedene Möglichkeiten der Schaltung. Für die Rückleitung kann weiterhin der Boden eingesetzt werden und für die Messleitung zwei oder mehrere parallel laufende Leitungen verschaltet werden. Dadurch wird das Messgerät in einem breiteren Streifen unter den Leitungen auf den Boden wirken, wie dies beispielsweise aus Fig. 5 und Fig. 5a hervorgeht. Hier sind die Leitungen L1 und L2 über mit den Elementen 9 und 10 verbundenen Koppelungselementen 13 und 14 parallel geschaltet, so dass die Feldlinien von den Leitungen zum Boden hin führen und einen größeren Bereich abdecken. Dadurch wird auch die Eindringtiefe des Messfeldes in den Boden erhöht.
Für die Rückführung des Generator-Stroms (Rückleitung) kann an Stelle des Bodens auch eine weitere parallel verlaufende Leitung eingesetzt werden. Dann spricht man von einem Zweileiter. In einem solchen Fall, wie er in Fig. 6 dargestellt ist, fließt nur ein Teil des Generator-Stroms in den Boden. Der Messeffekt wird kleiner und die gesamte Dämpfung entlang der Leitung ist auch wesentlich kleiner. Für längere Messstrecken ist deshalb vorzugsweise die Zweileiter-Variante einzusetzen.
Dabei ist es möglich, die Leitungen L1 und L2 mit Spannung unterschiedlicher Polarität zu beaufschlagen, so dass die Feldlinien immer noch durch den Boden B, jedoch von der einen Leitung L1 zu anderen Leitung L2 verlaufen (siehe Fig. 6a).
In der Zweileiter-Variante können für die Leitung und/oder die Rückleitung zwei oder mehrere parallel geschaltete Leitungen verwendet werden, so dass sich der Effekt des Bodens aber auch die Dämpfung stärker abschwächt. Gleichzeitig ändern sich jedoch auch die Breite des Messbereichs und die Eindringtiefe in den Boden. Mit der Wahl des Abstandes zwischen den Leitern lässt sich also das Messfeld beeinflussen (vgl. Fig. 7a - 7c). Mit zunehmendem Abstand der Leitungen nimmt auch die Eindringtiefe des Messfeldes bzw. der Feldlinien zu. D. h. man kann mit der Permutation der möglichen Schaltungsanordnungen bei Mehrleitern gegebenenfalls unterschiedliche Messbreiten und unterschiedliche Messtiefen erreichen. Dies gilt auch bei der Beschaltung mit unterschiedlicher Polarität der Leitungen.
Diese Tatsache ermöglicht die Feststellung des Ausmaßes einer Schneedecke, die über den Boden verteilt ist.
Weiterhin erhöht die Verwendung von unterschiedlichen Anordnungen die Redundanz der Messungen, wodurch die Messgenauigkeit gesteigert wird.
Bei unterschiedlichen Temperaturen liegen die Leitungen in unterschiedlichen Höhen über dem Boden, da die üblicherweise verwendeten Materialien, wie Stahl mit der Temperatur in ihrer Länge stark schwanken. So dehnen sich zum Beispiel Aluminium, Kupfer und Stahl bei einer Erhöhung der Temperatur aus und eine daraus bestehende Leitung "hängt durch", wodurch der Abstand zum Boden kleiner wird. Hierdurch ändert sich jedoch auch das Messfeld im Boden, so dass bei Verwendung unterschiedlicher Messanordnungen eine Korrektur eines möglicherweise auftretenden Temperatureffekts auf die Messwerte möglich ist. Mit diesem Verfahren lässt sich auch feststellen, ob die Leitungen selbst vereist sind. Bei Verwendung von Systemen mit mehreren Leitungen besteht die Möglichkeit eine Schleifen- oder Ring-Schaltung vorzunehmen, so dass die Messleitung hin- und zurück-geschaltet wird, wodurch der Empfänger/Messgerät und der Generator sich am selben Ort befinden können, so dass lange Leitungen zwischen Generator und Empfänger nicht nötig sind, was der Signalgüte zum Vorteil gereicht und die Wartung vereinfacht (vgl. Fig. 8). Im einfachsten Fall wird die Leitung L1 über eine Brücke 15 mit der Leitung L2 in Reihe geschaltet, so dass das Kopplungselement 10 etwa am selben Ort wie das Kopplungselement 9 angeordnet ist und die Leitungen 6 und 7 zwischen Generator, Empfänger und Messleitung kurz werden. Eine solche Schaltung insbesondere bei Überlandleitungen der Energieverteilungssysteme möglich, da es sich hierbei häufig um Netzwerke handelt. Ferner ist dann auch eine Ausführung des Generators, Empfängers und Messgeräts in einem Gehäuse möglich.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften des Erdreichs, insbesondere des Feuchtigkeitsgehaltes umfassend die Schritte:
- Erzeugung eines zeitlimitierten oder permanenten elektromagnetischen Feldes in mindestens einer elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung durch
Wechselspannungsbeaufschlagung derart, dass das mindestens eine Feld in das Erdreich hinein reicht,
- Messung mindestens der Laufzeit des zur Erzeugung des zeitlimitierten elektromagnetischen Feldes dienenden
Wellenpakets und/oder einer Änderung der
Wechselspannungsparameter des Feldes zwischen mindestens zwei in Längsrichtung der Leitung voneinander beabstandeten Punkten in der mindestens einen oberirdischen Leitung,
Vergleich der mindestens gemessenen Laufzeit und/oder der gemessenen Änderung der Wechselspannungsparameter zwischen den mindestens zwei Punkten in der mindestens einen elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung mit
Standardwerten.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die
Dämpfung und/oder zeitliche Verzögerung und/oder Phasenänderung des Feldes zwischen den mindestens zwei Punkten in der mindestens einen elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung gemessen wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elektrisch leitfähige oberirdische Leitung während der Messung für Ihren normalen Betrieb stillgelegt ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine elektrisch leitfähige oberirdische Leitung während der Messung für Ihren normalen
Betrieb verfügbar bleibt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Dämpfung und/oder zeitlichen Verzögerung und/oder Phasenänderung des Feldes zwischen den mindestens zwei Punkten in der mindestens einen elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung mit kalibrierten und/oder berechneten Standardwerten verglichen wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Messung der Änderung des Feldes in der Frequenzdomäne und/oder Zeitdomäne erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein
Frequenzbereich zwischen 1 kHz und 450 kHz und/oder 1 bis 1000 MHz für die Messung eingesetzt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung bei mindestens zwei
Frequenzen durchgeführt wird.
9. Vorrichtung zur Ankopplung an mindestens eine elektrisch leitfähige oberirdische Leitung zur Bestimmung von Eigenschaften des Erdreichs, insbesondere des Feuchtigkeitsgehaltes mit
- mindestens einem Generator zur Erzeugung einer zeitlich limitierten oder permanenten Wechselspannung zur Verbindung mit der mindestens einen elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung,
mindestens einem Empfänger zur Verbindung mit der mindestens einen elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung und in Längsrichtung der Leitung beabstandet von dem mindestens einem Generator, und
mindestens einem Messgerät zur Erfassung der Laufzeit des zur Erzeugung des zeitlimitierten elektromagnetischen Feldes dienenden Wellenpakets und/oder der Änderung zumindest eines Parameters der Wechselspannung.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige oberirdische Leitung eine oder mehrere Leitungen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Überlandstromleitungen, Versorgungsleitungen, überirdische Telefonleitungen, Schienenverkehrsoberleitungen,
Seilbahnleitungen umfasst.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige oberirdische Leitung eine einzelne Leitung und/oder Zweileiter und/oder Mehrleiter umfasst.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Generator und/oder das Messgerät über Koppelelemente mit der mindestens einen elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung verbunden sind.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Hochfrequenzsperren vor und hinter einer
Messstrecke an der mindestens einen elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Leitungen eines Mehrleiters an den jeweiligen Enden der Messstrecke Anpassungswiderstände aufweisen.
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