EP1565735A1 - Method and device for determining the water content and conductivity in the ground and in bulk materials - Google Patents

Method and device for determining the water content and conductivity in the ground and in bulk materials

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Publication number
EP1565735A1
EP1565735A1 EP03772275A EP03772275A EP1565735A1 EP 1565735 A1 EP1565735 A1 EP 1565735A1 EP 03772275 A EP03772275 A EP 03772275A EP 03772275 A EP03772275 A EP 03772275A EP 1565735 A1 EP1565735 A1 EP 1565735A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
conductivity
sensor
charging
water content
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Withdrawn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
EP03772275A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Ruth Bernhard
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.)
Helmholtz Zentrum Muenchen Deutsches F
Original Assignee
Helmholtz Zentrum Muenchen Deutsches Forschungszentrum fuer Gesundheit und Umwelt 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 Helmholtz Zentrum Muenchen Deutsches Forschungszentrum fuer Gesundheit und Umwelt GmbH filed Critical Helmholtz Zentrum Muenchen Deutsches Forschungszentrum fuer Gesundheit und Umwelt GmbH
Publication of EP1565735A1 publication Critical patent/EP1565735A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
    • G01N27/223Investigating 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
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/24Earth materials
    • G01N33/246Earth materials for water content

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for determining the water content and conductivity in soils and bulk materials according to the first and sixth claims.
  • the dielectric constant ⁇ m between two electrodes serves as a reliable measure of the water content in a bed or a soil sample.
  • Water itself has a very high dielectric constant compared to many other materials, so that even a low level of moisture in the measurement volume, ie in the soil sample or in the bed, leads to a significant change of ⁇ m .
  • Typical areas of application for such moisture determinations can be found particularly in the monitoring of soils and in the quality control of agricultural cereal products (e.g. for flour, legumes, soybeans), but also in general in the production and conveying technology of moisture-sensitive goods (e.g. sugar ).
  • the electrical conductivity of a moist material can be used as a measure of contamination, which has a significant influence on the electrical resistance of the moist material.
  • a parallel measurement of the dielectric constant ⁇ m and the conductivity of a bed or a soil segment is suitable not only for the determination of the water content but also of the contamination dissolved in the water.
  • the following methods for the simultaneous determination of a dielectric constant ⁇ m and a conductivity ⁇ m in materials are known for the characterization of soils and bulk materials:
  • TDR probe differences in transit time along a waveguide
  • the pulse runs along in a waveguide, a second waveguide serves as a reference mass.
  • the dielectric constant is calculated from a measured pulse speed in the TDR probe and then, for example, the water content ⁇ of a material is determined.
  • An increase in the dielectric constant leads to a decrease in the pulse speed.
  • the relationship between ⁇ m and ⁇ must be assumed to be known.
  • a cable tester is required, which must have a bandwidth of a few 4 GHz to over 100 GHz depending on the time resolution required.
  • [2] also describes the determination of the conductivity ⁇ m of a material using the TDR method from the damping of the impulse.
  • [3] proposes a capacitance method using an electromagnetic resonant circuit to determine the dielectric constant ⁇ m of the material, which can be implemented much more economically than the TDR method .
  • a sensor is designed as a capacitor with two capacitor electrodes connected to an oscillator.
  • An oscillator an analog electronic circuit, generates a sinusoidal output signal, the frequency f OSz of which is determined by the capacitance of the sensor C s , but also by other components. elements, in particular the necessary inductance L for the oscillator, is determined.
  • the connection is
  • a frequency can be recorded precisely, reliably and inexpensively using simple means.
  • exact determinations of dielectric constants are also possible with this method.
  • the frequency f osz generally has a dependency on the conductivity of the material examined, an increasing conductivity generally leading to lower frequencies. A higher dielectric constant is exchanged in this way. However, this influence of the conductivity decreases with increasing frequency, whereby one preferably measures with high frequencies to determine the dielectric constant. Even if the influence of conductivity is reduced, it is still retained.
  • Conductivity ⁇ m of a material the sensor can therefore be regarded as a complex resistance in an equivalent circuit diagram.
  • a network analyzer is again required to determine the complex resistance with a real and an imaginary component, which increases the effort for a simultaneous detection of the water content and the conductivity accordingly.
  • the object of the present invention is therefore to provide a further method and a device for carrying out a method for determining the water content and the conductivity in soil and debris, which is also characterized by less effort.
  • the object is achieved by a method and a device according to the features of the first and sixth patent claims. Preferred embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
  • the invention relates to a method for determining the water content and conductivity in soils and bulk materials.
  • the method initially involves placing a capacitive sensor in the ground or in the bulk material.
  • the sensor is then charged with an external constant current source, an initial current being adjustable and thus predeterminable.
  • the capacitive sensor is charged from a predeterminable first voltage threshold value to a predeterminable second voltage threshold value, with either the voltage curve over time being recorded as continuously as possible and recorded as a voltage-time diagram, or the charging time required for this being measured between the two voltage threshold values.
  • a second charging process of the sensor with the constant external voltage supply is required to determine a second charging time, for which purpose either the initial current and / or at least one of the two voltage threshold values has to be changed , The determination of the water content and the conductivity by verifying the two charging times or the voltage-time diagram.
  • the verification is carried out by comparing the recorded voltage curve profile with the solution of a corresponding linear system of differential equations.
  • the period of the measurement signal is composed of the charging and discharging time of the sensor.
  • the period of the measurement signal is generated from the charging and discharging time of the sensor, the charging time having known discharging behavior being determined in a particularly advantageous manner with the aid of a simple and exact frequency measurement of the periodic loading and unloading.
  • the two frequencies of the two periodic measurement signals are also used to determine the water content and the conductivity.
  • a storage oscilloscope, a transient recorder or a fast measurement data acquisition card, which forwards the acquired data to a process computer or a PC for further evaluation, is ideal for voltage-time diagrams, the periodic measurement signals or the charging times.
  • Fig. 1 is an equivalent circuit diagram of the sensor in its basic form
  • Fig. 3 shows the equivalent circuit diagram of the sensor with insulated electrodes in the presence of a high conductivity of the dielectric.
  • Fig. 8 several charging curves and an upper voltage threshold T in a voltage-time diagram.
  • Fig. 1 shows the equivalent circuit diagram of the sensor in a floor segment or a bed.
  • the conductivity ⁇ m of a material can be represented by an ohmic resistance R s , which is connected in parallel to C s .
  • R s and ⁇ m have the relationship
  • G is a constant geometry factor of the sensor, which can be determined by a calibration measurement.
  • the electrical conductivity in water is also not a metallic conductivity with displaceable charges and an opposite charge on the stationary phase, but an ionic conductivity. This means that in this case the applied electric field separates the charges due to the existing conductivity and pulls them further apart, so that a dipole is induced. The dipoles drift apart. follows until the resulting electric field of the separated ions compensates for the external field.
  • ⁇ ion g ( ⁇ m ) (5).
  • must be determined as the material constant for a soil to be examined or for a bed. ⁇ links the two sizes eats R s and Ci on , so that in addition to C s, only one additional quantity has to be determined, namely R s .
  • the device 2 shows the basic structure of the device with a multi-vibrator circuit for determining the water content and the conductivity in a simplified circuit diagram.
  • the sensor 4 forms together with the load resistor R a 5 an RC element which essentially determines the time constant and thus the frequency of the circuit.
  • the multivibrator circuit essentially consists of an operational amplifier as an active element 9, which is connected on the one hand with its signal output 6 to the load resistor 5 and the part of the voltage divider (resistor 11), on the other hand the voltage 7 between sensor 4 and load resistor 5 and the voltage 8 between taps two further resistors 10 and 11 (voltage divider).
  • the time dependence of the charging curve (voltage 7) at the sensor 4 is determined by the capacitance value of the sensor, the resistor R 5 and a further specification of circuit and the sensor. If the voltage 7 at the sensor 4 reaches a certain threshold voltage U s ⁇ , then the active element 9 switches over and the sensor 4 is discharged. At this stage, the voltage 6 changes to another constant value U 2 . When a lower, ie second, threshold voltage U s2 is reached, the discharge is ended, the active element is switched over again and the sensor is recharged. The output signal 6 is thus a digital square wave signal. With a smaller sensor capacity, charging and discharging processes are faster and the output signal shows a higher frequency.
  • the dielectric constant ⁇ m of a material is first determined using the capacitance method with the aid of the multivibrator circuit, the sensor 4 having the capacitance C s being charged via a resistor R a 5 and discharged again at a specific voltage.
  • a periodically alternating charging and discharging results in a signal sequence with a frequency f, the time constant being determined by the RC element with R a and C s .
  • the occurring frequency f f h (R a , C s ) (7)
  • the capacitance of the RC element is thus influenced by the resistance, an increasing dielectric constant causing a decreasing frequency f.
  • a digital signal is generated directly, which is less susceptible to interference and in which the frequency can also be easily determined.
  • the circuit does not require an inductance L, which can also be disturbed from the outside.
  • the frequency f is also influenced in this case by the conductivity ⁇ m of the material.
  • the frequency f decreases as ⁇ m of the material increases.
  • the decisive point of this dependency is no longer the frequency as in the case of the oscillator, but the resistance R s , which is given by the conductivity of the material as above and which is parallel to the sensor capacitor C s 1 and which leads to C s is charged less, but the capacitor C 10n 3 is connected in series (FIG. 1).
  • Increasing the conductivity leads to a lower R s and also to a lower frequency. It is therefore not clear whether a lower frequency is due to an increase in the dielectric constant or an increase in the conductivity. A higher conductivity can therefore simulate a higher dielectric constant. Only if
  • the device according to FIG. 2 has to be modified.
  • the modifications relate to additional electrical circuits on the digital multivibrator circuit, with which various electrical properties Ei can be varied in a targeted manner.
  • the determination is carried out with measurements with different settings Ei on the same examination object, several frequencies fi being determined.
  • the properties of the material ⁇ m and ⁇ m can then be determined from these frequencies by calculation.
  • the sensor 4 corresponds to a parallel connection of the actual sensor capacitance C s 1 and the series connection of resistor R s 2 and the capacitor Ci ⁇ n 3, which is determined by the conductivity ⁇ m of the material.
  • These electrodes of sensor capacitance 1 must be insulated if the material has a high conductivity. This insulation acts in the equivalent circuit as a series connection of two further capacitors Ci 12 (see FIG. 3).
  • the first embodiment is shown in FIGS. 4 a and b as basic circuit diagrams.
  • the resistor R a 5 according to FIG. 2 has been replaced in FIG. 4 a by a switchable resistor 13 with two switch positions.
  • This switchable resistor 13 consists of two series-connected resistors 15 and 16 and a switch 17, which can be controlled by a signal HL 14, with two switch positions, one switch position bridging the resistor 16 (cf. FIG. 4b).
  • the switchable resistor 13 thus realizes two different series resistors depending on the switch position, namely either a resistor R a ⁇ corresponding to the resistor 15 or a resistor R a2 corresponding to the sum of the resistors 15 and 16.
  • Two load resistors can therefore be set.
  • the influences of R al and R a on the charging and discharging processes differ significantly from one another and, in the case of an unchanged sensor arrangement with an unchanged material, cause two different frequencies fi and
  • the alternative second embodiment is shown in Fig. 5 a and b. It differs from the first embodiment in that the modification to the circuit does not change the charge current, but rather the lower and upper voltage threshold values on the sensor.
  • the resistor 20 therefore corresponds to the resistor 10 from FIG. 2, while the resistor 11 in the resistor circuit is replaced by a series connection of the resistors 21 and 22, the resistor 22 being designed to be bridged by a switch 23, controlled by a switching signal 19.
  • the curve family 24 indicates the function with a small load resistance R a ⁇ , the capacitance C s being varied according to the horizontal x-axis up to 800 pF and the conductance of R s between 0 and 470 ⁇ S.
  • the family of curves 24 is reduced to a curve in FIG. 6, which indicates that the conductance of R s has no major influence on the function.
  • the family of curves 25, shows a comparable measurement, but with a different capacitance and a resistance R a2 , which has about 6 times the value of R ai .
  • Fig. 8 shows several charging curves as a time course of the signal 7 in V (vertical y-axis) over time in ⁇ s (horizontal x-axis). Furthermore, a threshold voltage is indicated as a horizontal line with the voltage value T.
  • the frequency explained at the outset which is composed of periodically successive charging and discharging processes, is influenced by the resistance R s as the voltage T increases as the threshold voltage for an interruption of the charging process ,
  • the sensor circuit is calibrated by integrating calibration capacitances C s and Ci 0n and resistors R s , k into the circuit and determining the respective frequencies f 1, k and f 2 k .
  • the measured frequencies fi and f 2 can then be assigned on the basis of table values and, if appropriate, linear interpolation, optimized variables for C s and R s .
  • a sensor is immersed in deionized water with a conductivity of 1 ⁇ S / cm (case d) and in normal tap water with a conductivity of 540 ⁇ S / cm (case n), the conductivities being in a conventional device of the prior art at a measuring frequency of 400 Hz.
  • the charging curves according to FIG. 8 are verified for the determination of the water content and the conductivity by recording them with a transient recorder or another data storage unit for evaluation.
  • the dielectric constant ⁇ m of the material and the conductivity ⁇ result from two settings Ei and E 2 , ie by determining two frequencies fi and f 2, ie two charging times.
  • the charge curve is calculated using the differential equation system for both Ei and E 2 , from which the corresponding frequencies, ie voltage value T, are determined and compared with fi and f 2 .
  • the input values C ⁇ and R s are changed again and a new employed immediately. This fit procedure is repeated until there is a match between the calculated and measured frequencies within a specified tolerance.
  • the values ⁇ m and ⁇ are calculated according to equations (3) and (2).
  • each with an insulated wire as an electrode are particularly suitable for the depth-resolved measurement of soil water content.
  • each of the two wires consists of several sections which are parallel to one another and which are arranged in a plane such that each section is adjacent to one electrode with two sections of the other electrode.
  • the resulting flat surface and the sensitive thickness, which depends on the wire distance, determines the sensitive volume of the sensor.
  • Sensors consisting of two insulated plates, which are inserted into the ground as electrodes in an upright position and parallel to one another, are preferably used when the depth resolution is irrelevant.
  • the vertical installation of the plates minimizes the interference of the sensors with the water movement in the floor.
  • Sensors consisting of two or more rigid, insulated electrodes which are pierced into the material are particularly suitable for use in bulk goods. This arrangement of the electrodes in the bulk material essentially corresponds to that of a TDR probe according to the prior art.
  • Time domain reflectometry simultaneous measurement of soil water content and electrical conductivity with single probe. Science 224: 989-990.

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Abstract

The invention relates to a method and device for determining the water content and conductivity in the ground and in bulk materials. The aim is to disclose a method for the above, characterised by little technical complexity. Said aim is achieved with a method comprising an introduction of a capacitive sensor (4) into the ground or the bulk material, charging the sensor with a constant external voltage supply with a given initial current from a given first voltage threshold value to a given second voltage value and either determination of a voltage/time diagram, or measurement of the first charging time between both voltage threshold values necessary for the above and charging the sensor with the constant external voltage supply for determination of a second charging time, whereby either the initial current and/or at least one of the both voltage threshold values are altered and a determination of the water content and the conductivity by verification of the both charging times or of the voltage/time diagram.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Wassergehalts und der Leitfähigkeit in Böden und SchüttgüternMethod and device for determining the water content and conductivity in soils and bulk materials
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Bestimmung des Wassergehalts und der Leitfähigkeit in Böden und Schüttgütern gemäß des ersten und des sechsten Patentanspruchs.The invention relates to a method and a device for determining the water content and conductivity in soils and bulk materials according to the first and sixth claims.
Als zuverlässiges Maß für den Wassergehalt in einer Schüttung oder einer Bodenprobe dient die Dielektrizitätskonstante εm zwischen zwei Elektroden. Wasser selbst weist nämlich im Vergleich zu vielen anderen Materialien eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante auf, sodass bereits eine geringe Feuchtigkeit im Messvolumen, d. h. in der Bodenprobe oder in der Schüttung, zu einer signifikanten Änderung von εm führt. Typische Einsatzgebiete für derartige Feuchtigkeitsbestimmungen finden sich insbesondere bei der Überwachung von Böden sowie in der Qualitätskontrolle von landwirtschaftlichen Getreideprodukten (z. B. für Mehl, Hülsenfrüchte, Soja) , aber auch allgemein in der Produktion und Fördertechnik von feuchtigkeitssensiblen Gütern (z. B. Zucker) .The dielectric constant ε m between two electrodes serves as a reliable measure of the water content in a bed or a soil sample. Water itself has a very high dielectric constant compared to many other materials, so that even a low level of moisture in the measurement volume, ie in the soil sample or in the bed, leads to a significant change of ε m . Typical areas of application for such moisture determinations can be found particularly in the monitoring of soils and in the quality control of agricultural cereal products (e.g. for flour, legumes, soybeans), but also in general in the production and conveying technology of moisture-sensitive goods (e.g. sugar ).
In Ergänzung einer Bestimmung des Wassergehaltes in einer Schüttung oder einem Boden über die Dielektrizitätskonstante εm bietet sich parallel hierzu eine ergänzende Ermittlung der Leitfähigkeit an. Die elektrische Leitfähigkeit eines feuchten Materials ist als Maß für eine Verunreinigung, welche den elektrischen Widerstand des feuchten Materials maßgeblich beeinflusst, heranziehbar.In addition to a determination of the water content in a bed or a soil via the dielectric constant ε m , a parallel determination of the conductivity is also possible. The electrical conductivity of a moist material can be used as a measure of contamination, which has a significant influence on the electrical resistance of the moist material.
Insofern eignet sich eine parallele Messung der Dielektrizitätskonstante εm und der Leitfähigkeit einer Schüttung oder einem Bodensegments nicht nur für die Bestimmung des Wassergehalts sondern auch der im Wasser gelösten Verunreinigung. Folgende Verfahren für eine gleichzeitige Bestimmung einer Dielektrizitätskonstante εm und einer Leitfähigkeit σm in Materialien sind für die Charakterisierung von Böden und Schüttgütern bekannt:In this respect, a parallel measurement of the dielectric constant ε m and the conductivity of a bed or a soil segment is suitable not only for the determination of the water content but also of the contamination dissolved in the water. The following methods for the simultaneous determination of a dielectric constant ε m and a conductivity σ m in materials are known for the characterization of soils and bulk materials:
Bei der sogenannten TDR-Methode [1] werden Laufzeitunterschiede entlang eines Wellenleiters (TDR-Sonde) ausgenutzt, welche sich allgemein mit der Feuchtigkeit in einem Material um diesen Wellenleiter ändert. In einem Wellenleiter läuft der Impuls entlang, ein zweiter Wellenleiter dient dabei als Bezugsmasse. Aus einer gemessenen Pulsgeschwindigkeit in der TDR-Sonde wird die Dielektrizitätskonstante berechnet und anschließend z.B. der Wassergehalt θ eines Materials bestimmt. Eine Vergrößerung der Dielektrizitätskonstante führt dabei zu einem Absenken der Pulsgeschwindigkeit. Die Beziehung zwischen εm und θ muss herbei als bekannt vorausgesetzt sein. Zum Betrieb und zum Registrieren des TDR-Signals ist ein Kabeltester notwendig, der entsprechend der geforderten zeitlichen Auflösung eine Bandbreite von einigen 4 GHz bis über 100 GHz haben muss.In the so-called TDR method [1], differences in transit time along a waveguide (TDR probe) are used which generally change with the moisture in a material around this waveguide. The pulse runs along in a waveguide, a second waveguide serves as a reference mass. The dielectric constant is calculated from a measured pulse speed in the TDR probe and then, for example, the water content θ of a material is determined. An increase in the dielectric constant leads to a decrease in the pulse speed. The relationship between ε m and θ must be assumed to be known. To operate and register the TDR signal, a cable tester is required, which must have a bandwidth of a few 4 GHz to over 100 GHz depending on the time resolution required.
[2] beschreibt zudem die Bestimmung der Leitfähigkeit σm eines Materials mit der TDR-Methode aus der Dämpfung des Impuls.[2] also describes the determination of the conductivity σ m of a material using the TDR method from the damping of the impulse.
Eine Auswertung eines TDR-Signals ist aufwendig, der erforderliche Kabeltester und eine daran angeschlossene Auswerteeinheit mit dem erforderlichen Auflösungsvermögen für LaufZeitmessungen sehr teuer.An evaluation of a TDR signal is complex, the required cable tester and an evaluation unit connected to it with the required resolution for runtime measurements are very expensive.
Alternativ wird in [3] eine Kapazitätsmethode unter Ausnutzung eines elektromagnetischen Schwingkreises zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstante εm des Materials vorgeschlagen, welche wesentlich preiswerter als die TDR-Methode umsetzbar. ist. Ein Sensor wird als Kondensator mit zwei Kondensatorelektroden gestaltet an einen Oszillator angeschlossen. Ein Oszillator, eine analoge elektronische Schaltung, erzeugt ein sinusförmiges Ausgangssignal, dessen Frequenz fOSz durch die Kapazität des Sensors Cs, aber auch durch andere Kompo- nenten, insbesondere die notwendige Induktivität L für den Oszillator, bestimmt ist. Der Zusammenhang istAlternatively, [3] proposes a capacitance method using an electromagnetic resonant circuit to determine the dielectric constant ε m of the material, which can be implemented much more economically than the TDR method . is. A sensor is designed as a capacitor with two capacitor electrodes connected to an oscillator. An oscillator, an analog electronic circuit, generates a sinusoidal output signal, the frequency f OSz of which is determined by the capacitance of the sensor C s , but also by other components. elements, in particular the necessary inductance L for the oscillator, is determined. The connection is
Eine höhere Dielektrizitätskonstante zeigt sich also durch ein Absenken von fOSz-A higher dielectric constant is shown by a lowering of f OS z
Eine Frequenz ist mit einfachen Mitteln exakt, sicher und preiswert zu erfassen. Dadurch sind mit dieser Methode auch exakte Bestimmungen von Dielektrizitätskonstanten möglich.A frequency can be recorded precisely, reliably and inexpensively using simple means. As a result, exact determinations of dielectric constants are also possible with this method.
Die Frequenz fosz weist allgemein eine Abhängigkeit von der Leitfähigkeit des untersuchten Materials auf, wobei eine zunehmende Leitfähigkeit prinzipiell zu niedrigeren Frequenzen fuhrt. Eine höhere Dielektrizitätskonstante wird auf diese Weise vorgetauscht. Allerdings nimmt dieser Einfluss der Leitfähigkeit mit zunehmender Frequenz ab, wobei man zur Ermittlung der Dielektrizitätskonstante bevorzugt mit hohen Frequenzen gemessen wird. Auch wenn dabei der Einfluss der Leitfähigkeit reduziert wird, bleibt er dennoch erhalten.The frequency f osz generally has a dependency on the conductivity of the material examined, an increasing conductivity generally leading to lower frequencies. A higher dielectric constant is exchanged in this way. However, this influence of the conductivity decreases with increasing frequency, whereby one preferably measures with high frequencies to determine the dielectric constant. Even if the influence of conductivity is reduced, it is still retained.
Für eine gemeinsame Bestimmung von Dielektrizitätskonstante εm undFor a common determination of dielectric constant ε m and
Leitfähigkeit σm eines Materials ist der Sensor somit als komplexer Widerstand in einem Ersatzschaltbild zu betrachten. Für die Bestimmung des komplexen Widerstandes mit einer reellen und einer imaginären Komponente ist wiederum ein Netzwerkanalysator erforderlich, was den Aufwand für eine simultane Erfassung des Wassergehaltes und der Leitfähigkeit entsprechend erhöht.Conductivity σ m of a material, the sensor can therefore be regarded as a complex resistance in an equivalent circuit diagram. A network analyzer is again required to determine the complex resistance with a real and an imaginary component, which increases the effort for a simultaneous detection of the water content and the conductivity accordingly.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein weiteres Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Durchfuhrung eines Verfahrens zur Bestimmung des Wassergehalts und der Leitfähigkeit in Boden und Schutt- gutern, welche sich zudem durch einen geringeren Aufwand auszeichnet. Die Aufgabe wird durch ein Verfahren und einer Vorrichtung gemäß der Merkmale des ersten bzw. des sechsten Patentanspruch gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche .The object of the present invention is therefore to provide a further method and a device for carrying out a method for determining the water content and the conductivity in soil and debris, which is also characterized by less effort. The object is achieved by a method and a device according to the features of the first and sixth patent claims. Preferred embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Wassergehalts und der Leitfähigkeit in Böden und Schüttgütern. Das Verfahren um- fasst zunächst ein Einbringen eines kapazitiven Sensors in den Boden oder in das Schüttgut. Anschließend wird der Sensor mit einer äußeren konstanten Stromquelle aufgeladen, wobei ein Anfangsstrom einstellbar und damit vorgebbar ist. Dabei wird der kapazitive Sensor von einem vorgebbaren ersten Spannungsschwellwert bis zu einem vorgebbaren zweiten Spannungsschwellwert aufgeladen, wobei entweder der zeitliche Spannungsverlauf möglichst kontinuierlich erfasst und als Spannungs- Zeit-Diagramm aufgezeichnet wird oder die hierfür erforderlichen Aufladezeit zwischen den beiden Spannungsschwellwerten gemessen wird. Für den Fall, dass nur die Aufladezeit und nicht der zeitliche Spannungsverlauf erfasst wird, ist ein zweiter Aufladevorgang des Sensors mit der konstanten äußeren Spannungsversorgung zur Ermittlung einer zweiten Aufladezeit erforderlich, wobei hierzu entweder der Anfangsstrom und/oder mindestens einer der beiden Spannungsschwellwerte zu ändern ist. Die Ermittlung des Wassergehaltes und der Leitfähigkeit durch Verifizierung der beiden Aufladezeiten oder des Spannungs-Zeit- Diagramms .The invention relates to a method for determining the water content and conductivity in soils and bulk materials. The method initially involves placing a capacitive sensor in the ground or in the bulk material. The sensor is then charged with an external constant current source, an initial current being adjustable and thus predeterminable. The capacitive sensor is charged from a predeterminable first voltage threshold value to a predeterminable second voltage threshold value, with either the voltage curve over time being recorded as continuously as possible and recorded as a voltage-time diagram, or the charging time required for this being measured between the two voltage threshold values. In the event that only the charging time and not the voltage curve over time is recorded, a second charging process of the sensor with the constant external voltage supply is required to determine a second charging time, for which purpose either the initial current and / or at least one of the two voltage threshold values has to be changed , The determination of the water content and the conductivity by verifying the two charging times or the voltage-time diagram.
Im Falle einer Aufzeichnung eines Spannungs-Zeit-Diagramms erfolgt die Verifizierung über einen Vergleich des aufgenommen Spannungskurvenverlaufs mit der Lösung eines entsprechenden linearen Differentialgleichungssystems .If a voltage-time diagram is recorded, the verification is carried out by comparing the recorded voltage curve profile with the solution of a corresponding linear system of differential equations.
Im Falle einer Aufzeichnung ausschließlich der Aufladezeiten bei Zugrundelegung zweier verschiedener Parametersätze^ welche sich in den Spannungsschwellwerten und/oder den Anfangsstrom voneinander unterscheiden, bietet es sich an, jede der beiden Aufladezeiten über eine periodische Be- und Entladung des Sensors redundant zu erfassen und eventuelle Störungen über eine Mittelung der einzelnen Aufladezeiten zu eliminieren. Benutzt man einen oberen und einen unteren Spannungsschwellwert jeweils als Anfangstrigger für einen Entladungsbzw. Aufladungsvorgang für den Sensor, setzt sich die Periode des Messsignals aus Auf- und Entladezeit des Sensors zusammen. Die Periode des Messsignals wird aus Auf- und Entladezeit des Sensors erzeugt, wobei die Aufladezeit bei bekannten Entladeverhalten in besonders vorteilhafter Weise mit Hilfe einer einfachen und exakten Frequenzmessung der periodischen Be- und Entladung zu ermitteln ist. Die beiden Frequenzen der beiden periodischen Messsignale werden ebenfalls zur Ermittlung des Wassergehalts und der Leitfähigkeit herangezogen.In the case of recording only the charging times based on two different parameter sets ^ which differ from one another in the voltage threshold values and / or the initial current, it is advisable to record each of the two charging times redundantly by periodically charging and discharging the sensor and to eliminate any malfunctions by averaging the individual charging times. If one uses an upper and a lower voltage threshold value as initial trigger for a discharge or Charging process for the sensor, the period of the measurement signal is composed of the charging and discharging time of the sensor. The period of the measurement signal is generated from the charging and discharging time of the sensor, the charging time having known discharging behavior being determined in a particularly advantageous manner with the aid of a simple and exact frequency measurement of the periodic loading and unloading. The two frequencies of the two periodic measurement signals are also used to determine the water content and the conductivity.
Für die Aufzeichnung der Messsignale, d. h. Spannungs-Zeit-Diagramms, der periodischen Messsignale oder der Aufladezeiten, bietet sich ein Speicheroszilloskop, ein Transientenrecorder oder eine schnelle Mess- datenerfassungskarte an, welche die erfassten Daten an einen Prozessrechner oder einen PC zur weiteren Auswertung weiterleitet.For the recording of the measurement signals, i. H. A storage oscilloscope, a transient recorder or a fast measurement data acquisition card, which forwards the acquired data to a process computer or a PC for further evaluation, is ideal for voltage-time diagrams, the periodic measurement signals or the charging times.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsformen mit den folgenden Figuren erläutert. Es zeigenThe invention is explained on the basis of embodiments with the following figures. Show it
Fig. 1 ein Ersatzschaltbild des Sensors in seiner GrundformFig. 1 is an equivalent circuit diagram of the sensor in its basic form
Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung,2 shows the basic structure of the device,
Fig. 3 das Ersatzschaltbild des Sensors mit isolierten Elektroden bei Vorliegen einer hohen Leitfähigkeit des Dielektrikums.Fig. 3 shows the equivalent circuit diagram of the sensor with insulated electrodes in the presence of a high conductivity of the dielectric.
Fig. 4 a und b die vereinfachten Schaltbilder der Vorrichtung einer ersten Ausführungsform sowie des schaltbaren Widerstands 13 im Sensorzweig, Fig. 5 a und b die vereinfachten Schaltbilder der Vorrichtung einer zweiten Ausführungsform sowie der Widerstandsverschaltung 18 im Referenzzweig, d. h. im Spannungsteilerzweig,4 a and b the simplified circuit diagrams of the device of a first embodiment and the switchable resistor 13 in the sensor branch, 5 a and b the simplified circuit diagrams of the device of a second embodiment and of the resistor circuit 18 in the reference branch, ie in the voltage divider branch,
Fig. 6 die ermittelten Frequenzsignale in Abhängigkeit der Sensorkapazität,6 the frequency signals determined as a function of the sensor capacitance,
Fig. 7 a und 7 b die ermittelten Frequenzen, aufgetragen über die Leitfähigkeit des Bodens bzw. der Schüttung, sowie7 a and 7 b, the frequencies determined, plotted against the conductivity of the soil or the bed, and
Fig..8 mehrere Aufladungskurven sowie einem oberen Spannungsschwellwert T in einem Spannungs-Zeit-Diagramm.Fig. 8 several charging curves and an upper voltage threshold T in a voltage-time diagram.
Fig. 1 gibt das Ersatzschaltbild des Sensors in einem Bodensegment oder einer Schüttung wieder.Fig. 1 shows the equivalent circuit diagram of the sensor in a floor segment or a bed.
Grundsätzlich lässt sich die Leitfähigkeit σm eines Materials durch einen ohmschen Widerstand Rs darstellen, der parallel zu Cs geschaltet ist. Rs und σm haben die BeziehungIn principle, the conductivity σ m of a material can be represented by an ohmic resistance R s , which is connected in parallel to C s . R s and σ m have the relationship
Rs = G/σm (2) ,R s = G / σ m (2),
wobei G ein gleichbleibender Geometriefaktor des Sensors ist, der durch eine Kalibriermessung bestimmbar ist.where G is a constant geometry factor of the sensor, which can be determined by a calibration measurement.
Wassermoleküle beeinflussen mit ihrem vorhandenen großen Dipolmomente, welche in einem elektrischen Feld ausrichten, maßgeblich die Dielektrizitätskonstante des Wassers εw. Die elektrische Leitfähigkeit in Wasser ist zudem keine metallische Leitfähigkeit mit verschiebbaren Ladungen und einer entgegengesetzten Ladung an der ortsfesten Phase, sondern eine ionische Leitfähigkeit. Das heißt, in diesem Fall trennt das angelegte elektrische Feld die Ladungen aufgrund der vorhandenen Leitfähigkeit und zieht sie weiter auseinander, so dass ein Dipol induziert wird. Das Auseinanderdriften der Dipole er- folgt so lange, bis das entstehende elektrische Feld der getrennten Ionen das von außen angelegte Feld kompensiert.With their large dipole moments, which align in an electrical field, water molecules significantly influence the dielectric constant of water ε w . The electrical conductivity in water is also not a metallic conductivity with displaceable charges and an opposite charge on the stationary phase, but an ionic conductivity. This means that in this case the applied electric field separates the charges due to the existing conductivity and pulls them further apart, so that a dipole is induced. The dipoles drift apart. follows until the resulting electric field of the separated ions compensates for the external field.
Die vorgenannte Wirkung der Wassermoleküle als Dipole wird im Ersatzschaltbild gem. Fig. 1 durch den Kondensator 1 mit der KapazitätThe aforementioned effect of the water molecules as dipoles is shown in the equivalent circuit. Fig. 1 by the capacitor 1 with the capacitance
w = εm a { ) w = ε ma {)
dargestellt (Dielektrizitätskonstante εm, Kapazität in Luft Ca) . Dabei ist Ca die Kapazität des Sensors 1 bzw. die Kapazität des Zwischenraumes zwischen der Isolation, wenn isolierte Elektroden benutzt werden, wenn sich im Zwischenraum Luft befindet. Wenn sich im Zwischenraum Material mit einer Dielektrizitätskonstante εm befindet, vergrößert sich die Gesamtkapazität aus Gleichung (2) . Dazu parallel liegt eine Serienschaltung, die aus dem ionischen Widerstand 2 mit einem ohmschen Widerstand Rs = G/σm (Gl. (2)) und einem weiteren Kondensator 3 mit einer Kapazitätshown (dielectric constant ε m , capacitance in air C a ). C a is the capacitance of sensor 1 or the capacitance of the space between the insulation when insulated electrodes are used when there is air in the space. If there is material in the gap with a dielectric constant ε m , the total capacitance from equation (2) increases. Parallel to this is a series circuit consisting of the ionic resistor 2 with an ohmic resistance R s = G / σ m (Eq. (2)) and a further capacitor 3 with a capacitance
on= Sion ^a V ^ .on = Sion ^ a V ^.
besteht, der den Effekt der Ionentrennung wiedergibt, wobei ειon durch eine Funktion von σm gegeben ist:exists, which reflects the effect of ion separation, where ει on is given by a function of σ m :
εion = g(σm) (5) .ε ion = g (σ m ) (5).
In erster Näherung gilt der ZusammenhangIn the first approximation, the relationship applies
εion = α σm (6)ε ion = α σ m (6)
wobei α als Materialkonstante für einen zu untersuchenden Boden oder für eine Schüttung bestimmt werden muss. α verknüpft die beiden Grö- ßen Rs und Cion, so dass neben Cs nur noch eine zusätzliche Größe bestimmt werden muss, nämlich Rs.where α must be determined as the material constant for a soil to be examined or for a bed. α links the two sizes eats R s and Ci on , so that in addition to C s, only one additional quantity has to be determined, namely R s .
Fig. 2 gibt den prinzipiellen Aufbau der Vorrichtung mit einer Multi- vibratorschaltung zur Bestimmung des Wassergehalts und der Leitfähigkeit in einem vereinfachen Schaltbild wieder. Der Sensor 4 bildet zusammen mit dem Arbeitswiderstand Ra 5 ein RC-Glied, das im wesentlichen die Zeitkonstante und damit die Frequenz der Schaltung bestimmt. Die Multivibratorschaltung besteht im wesentlichen aus einem Operationsverstärker als aktives Element 9, welches einerseits mit seinem Signalausgang 6 an den Arbeitswiderstand 5 und dem Teil des Spannungsteilers (Widerstand 11) angeschlossen ist, andererseits die Spannung 7 zwischen Sensor 4 und Arbeitswiderstand 5 sowie die Spannung 8 zwischen zwei weiteren Widerständen 10 und 11 (Spannungsteiler) abgreift. Die Zeitabhängigkeit der Aufladungskurve (Spannung 7) am Sensor 4 wird durch den Kapazitätswert des Sensors, den Widerstand Ra 5 und weitere Spezifikationen von Schaltung und Sensor bestimmt. Erreicht die Spannung 7 am Sensor 4 eine bestimmte Schwellenspannung Usι, dann schaltet das aktive Element 9 um und der Sensor 4 wird entladen. In diesem Stadium wechselt die Spannung 6 in einen anderen konstanten Wert U2. Bei Erreichen einer unteren, d. h. zweiten Schwellenspannung Us2 wird die Entladung beendet, das aktive Element erneut umgeschaltet und der Sensor wieder geladen. Das Ausgangssignal 6 ist damit ein digitales Rechtecksignal. Bei kleinerer Sensorkapazität erfolgen Ladungs- und Entladungsvorgänge schneller und das Ausgangssignal zeigt eine höhere Frequenz.2 shows the basic structure of the device with a multi-vibrator circuit for determining the water content and the conductivity in a simplified circuit diagram. The sensor 4 forms together with the load resistor R a 5 an RC element which essentially determines the time constant and thus the frequency of the circuit. The multivibrator circuit essentially consists of an operational amplifier as an active element 9, which is connected on the one hand with its signal output 6 to the load resistor 5 and the part of the voltage divider (resistor 11), on the other hand the voltage 7 between sensor 4 and load resistor 5 and the voltage 8 between taps two further resistors 10 and 11 (voltage divider). The time dependence of the charging curve (voltage 7) at the sensor 4 is determined by the capacitance value of the sensor, the resistor R 5 and a further specification of circuit and the sensor. If the voltage 7 at the sensor 4 reaches a certain threshold voltage U s ι, then the active element 9 switches over and the sensor 4 is discharged. At this stage, the voltage 6 changes to another constant value U 2 . When a lower, ie second, threshold voltage U s2 is reached, the discharge is ended, the active element is switched over again and the sensor is recharged. The output signal 6 is thus a digital square wave signal. With a smaller sensor capacity, charging and discharging processes are faster and the output signal shows a higher frequency.
In dieser Vorrichtung wird zunächst die Dielektrizitätskonstante εm eines Materials mit der Kapazitätsmethode mit Hilfe der Multivibratorschaltung bestimmt, wobei der Sensor 4 mit der Kapazität Cs über einen Widerstand Ra 5 aufgeladen und bei einer bestimmten Spannung wieder entladen wird. Eine periodisch abwechselnde Auf- und Entladung ergibt eine Signalfolge mit einer Frequenz f, wobei die Zeitkonstante durch das RC-Glied mit Ra und Cs bestimmt wird. Die auftretende Frequenz f f = h ( Ra , Cs ) ( 7 )In this device, the dielectric constant ε m of a material is first determined using the capacitance method with the aid of the multivibrator circuit, the sensor 4 having the capacitance C s being charged via a resistor R a 5 and discharged again at a specific voltage. A periodically alternating charging and discharging results in a signal sequence with a frequency f, the time constant being determined by the RC element with R a and C s . The occurring frequency f f = h (R a , C s ) (7)
wird somit durch den Widerstand die Kapazität des RC-Glied be- einflusst, wobei eine zunehmende Dielektrizitätskonstante eine abnehmende Frequenz f bewirkt. Es wird direkt ein digitales Signal erzeugt, das weniger für Störungen anfällig und bei dem ebenfalls die Frequenz einfach ermittelt werden kann. Außerdem kommt die Schaltung ohne eine Induktivität L aus, die ebenfalls von Außen gestört werden kann.the capacitance of the RC element is thus influenced by the resistance, an increasing dielectric constant causing a decreasing frequency f. A digital signal is generated directly, which is less susceptible to interference and in which the frequency can also be easily determined. In addition, the circuit does not require an inductance L, which can also be disturbed from the outside.
Eine genaue Analyse zeigt aber, dass auch in diesem Fall die Frequenz f durch die Leitfähigkeit σm des Materials beeinflusst wird. Die Frequenz f nimmt ab, wenn σm des Materials zunimmt. Der entscheidende Punkt dieser Abhängigkeit ist nicht mehr die Frequenz wie im Fall des Oszillators, sondern der Widerstand Rs, der wie oben durch die Leitfähigkeit des Materials gegeben ist und der parallel zum Sensor- Kondensator Cs 1 liegt und der dazu führt, dass Cs weniger aufgeladen wird, dafür aber der Kondensator C10n 3 in Serienschaltung (Fig. 1) . Ein Erhöhen der Leitfähigkeit führt zu einem geringeren Rs und ebenfalls zu einer niedrigeren Frequenz. Es ist also nicht eindeutig, ob eine geringere Frequenz auf ein Erhöhen der Dielektrizitätskonstante oder auf ein Erhöhen der Leitfähigkeit zurückzuführen ist. Eine höhere Leitfähigkeit kann also eine höhere Dielektrizitätskonstante vortäuschen. Nur wennHowever, a precise analysis shows that the frequency f is also influenced in this case by the conductivity σ m of the material. The frequency f decreases as σ m of the material increases. The decisive point of this dependency is no longer the frequency as in the case of the oscillator, but the resistance R s , which is given by the conductivity of the material as above and which is parallel to the sensor capacitor C s 1 and which leads to C s is charged less, but the capacitor C 10n 3 is connected in series (FIG. 1). Increasing the conductivity leads to a lower R s and also to a lower frequency. It is therefore not clear whether a lower frequency is due to an increase in the dielectric constant or an increase in the conductivity. A higher conductivity can therefore simulate a higher dielectric constant. Only if
Ra « Rs (8)R a «Rs ( 8)
gilt, dann kann die Frequenz unabhängig von der Leitfähigkeit angesehen werden. Ein kleiner Arbeitswiderstand Ra bewirkt jedoch bei einer vorgegebenen Sensorkapazität Cs eine hohen Frequenz. Bei gegebenen Spezifikationen des Sensors ist diese Bedingung mit den gegenwärtig vorhandenen elektronischen Komponenten nicht erfüllbar, da Mes- sungen mit Unsicherheiten in der Bestimmung von Cs und damit εm behaftet sind.then the frequency can be viewed independently of the conductivity. However, a small load resistance R a causes a high frequency for a given sensor capacitance C s . Given the specifications of the sensor, this condition cannot be met with the currently available electronic components, since measurement solutions with uncertainties in the determination of C s and thus ε m .
Für eine simultane Bestimmung von Dielektrizitätskonstante εm und Leitfähigkeit σm ist die Vorrichtung nach Fig. 2 zu modifizieren. Die Modifikationen betreffen ergänzende elektrische Schaltungen an der digitalen Multivibratorschaltung, mit denen gezielt verschiedene e- lektrische Eigenschaften Ei variiert werden können. Die Bestimmung erfolgt mit Messungen mit verschiedenen Einstellungen Ei am gleichen Untersuchungsobjekt, wobei mehrere Frequenzen fi ermittelt werden. Aus diesen Frequenzen können dann die Eigenschaften des Materials εm und σm durch Rechnung ermittelt werden.For a simultaneous determination of dielectric constant ε m and conductivity σ m , the device according to FIG. 2 has to be modified. The modifications relate to additional electrical circuits on the digital multivibrator circuit, with which various electrical properties Ei can be varied in a targeted manner. The determination is carried out with measurements with different settings Ei on the same examination object, several frequencies fi being determined. The properties of the material ε m and σ m can then be determined from these frequencies by calculation.
Der apparative Aufwand ist im Vergleich zur TDR-Methode, welche auf teure Kabeltester oder der Kapazitätsmethode mit dem teuren Netzwerk- Analysator zurückgreift, vergleichsweise gering. Exakte Frequenzmessungen sind mit vergleichsweise einfachen Mitteln zuverlässig erzielbar. Eine Messung mit zwei Einstellungen Ei und E2, d. h. eine Ermittlung von zwei Frequenzen fi und f2 ist für die Lösung der Aufgabe völlig ausreichend.The expenditure on equipment is comparatively low in comparison to the TDR method, which uses expensive cable testers or the capacity method with the expensive network analyzer. Exact frequency measurements can be reliably achieved with comparatively simple means. A measurement with two settings Ei and E 2 , ie a determination of two frequencies fi and f 2 is completely sufficient for the solution of the task.
Der Sensor 4 entspricht, wie anhand der Fig. 1 beschrieben, einer Parallelschaltung der eigentlichen Sensorkapazität Cs 1 und der Serienschaltung von Widerstandes Rs 2 und dem Kondensator Ciθn 3, die durch die Leitfähigkeit σm des Materials bestimmt wird. Diese Elektroden der Sensorkapazität 1 müssen bei Vorliegen einer hohen Leitfähigkeit des Materials isoliert werden. Diese Isolation wirkt in der Ersatzschaltung als eine Serienschaltung von zwei weiteren Kondensatoren Ci 12 (vgl. Fig. 3). Die der eigentlichen Sensorkapazität Cs 1 zusätzlichen Komponenten, d. h. der Widerstand Rs 2, der Kondensator Ci0n 3 sowie die Kondensatoren C 12, beeinflussen signifikant den zeitlichen Verlauf der Ladungs- und Entladungsvorgänge erheblich und damit auch die Frequenz des Ausgangssignals 6. Durch Modifikationen der Schaltung in Fig. 2 wird es nun möglich, dieAs described with reference to FIG. 1, the sensor 4 corresponds to a parallel connection of the actual sensor capacitance C s 1 and the series connection of resistor R s 2 and the capacitor Ci θn 3, which is determined by the conductivity σ m of the material. These electrodes of sensor capacitance 1 must be insulated if the material has a high conductivity. This insulation acts in the equivalent circuit as a series connection of two further capacitors Ci 12 (see FIG. 3). The additional components of the actual sensor capacitance C s 1, ie the resistor R s 2, the capacitor Ci 0n 3 and the capacitors C 12, significantly influence the time course of the charging and discharging processes and thus also the frequency of the output signal 6. By modification of the circuit in Fig. 2 it is now possible to
Größen von Cs 1 und Rs 2 zusammen mit Ciθn 3 zu bestimmen. Damit ist die gleichzeitige Bestimmung entsprechend der Gleichungen (3) und (2) von εm und σm eines Materials möglich. Determine sizes of C s 1 and R s 2 together with Ci θn 3. This enables simultaneous determination according to equations (3) and (2) of ε m and σ m of a material.
Im Folgenden werden zwei Ausführungsformen' der Vorrichtung zur Bestimmung des Wassergehalts und der Leitfähigkeit in Böden und Schüttgütern, aber auch für andere Materialien beschrieben, welche jeweils eine entsprechende Modifikation enthalten.In the following, two embodiments' of the device for determining the water content and the conductivity in soils and solids, but also described other materials which each contain a corresponding modification.
Die erste Ausführungsform ist in den Fig. 4 a und b als prinzipielle Schaltbilder wiedergegeben. Der Widerstand Ra 5 gemäß Fig. 2 ist in Fig. 4 a durch einen schaltbaren Widerstand 13 mit zwei Schaltstellungen ersetzt worden. Dieser schaltbare Widerstand 13 besteht aus zwei in Reihe geschaltete Widerstände 15 und 16 sowie einem Schalter 17, ansteuerbar durch ein Signal HL 14, mit zwei Schaltstellungen, wobei eine Schaltstellung den Widerstand 16 überbrückt (vgl. Fig. 4b). Der schaltbare Widerstand 13 realisiert somit je nach Schalterstellung zwei verschiedene Vorwiderstände, und zwar entweder einen Widerstand Raι entsprechend dem Widerstand 15 oder einem Widerstand Ra2 entsprechend der Summe der Widerstände 15 und 16. Es sind also zwei Arbeitswiderstände einstellbar. Der Einflüsse von Ral und Ra auf die Lade- und Entladevorgänge unterscheiden sich signifikant voneinander und bewirken bei einem unveränderten Sensoranordnung mit einem unveränderten Material zwei unterschiedliche Frequenzen fi undThe first embodiment is shown in FIGS. 4 a and b as basic circuit diagrams. The resistor R a 5 according to FIG. 2 has been replaced in FIG. 4 a by a switchable resistor 13 with two switch positions. This switchable resistor 13 consists of two series-connected resistors 15 and 16 and a switch 17, which can be controlled by a signal HL 14, with two switch positions, one switch position bridging the resistor 16 (cf. FIG. 4b). The switchable resistor 13 thus realizes two different series resistors depending on the switch position, namely either a resistor R a ι corresponding to the resistor 15 or a resistor R a2 corresponding to the sum of the resistors 15 and 16. Two load resistors can therefore be set. The influences of R al and R a on the charging and discharging processes differ significantly from one another and, in the case of an unchanged sensor arrangement with an unchanged material, cause two different frequencies fi and
Die alternative zweite Ausführungsform ist in Fig. 5 a und b dargestellt. Sie unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass durch die Modifikation an der Schaltung nicht der Ladungsstrom, sondern die untere und obere Spannungsschwellwerte am Sensor veränderbar sind. Die Widerstände 10 und 11, welche in der Grundschaltung nach Fig. 2 als Spannungsteiler in Form des Signals 8 die Schwellspannungen Usι und Us2 für ein Umschalten des aktiven Elements bestimmen, sind durch ein 'Widerstandsverschaltung 18 ersetzt worden. Der Widerstand 20 entspricht daher dem Widerstand 10 aus Fig. 2, während der Widerstand 11 in der Widerstandsverschaltung durch eine Reihenschaltung der Widerstände 21 und 22 ersetzt wird, wobei der Widerstand 22 durch einen Schalter 23, angesteuert von einem Schaltsignal 19, überbrückbar gestaltet ist.The alternative second embodiment is shown in Fig. 5 a and b. It differs from the first embodiment in that the modification to the circuit does not change the charge current, but rather the lower and upper voltage threshold values on the sensor. The resistors 10 and 11, which determine the threshold voltages U s ι and U s2 for switching the active element in the basic circuit according to FIG. 2 as a voltage divider in the form of the signal 8, have been replaced by a ' resistance circuit 18. The resistor 20 therefore corresponds to the resistor 10 from FIG. 2, while the resistor 11 in the resistor circuit is replaced by a series connection of the resistors 21 and 22, the resistor 22 being designed to be bridged by a switch 23, controlled by a switching signal 19.
Eine Kalibrierung einer Schaltung nach Fig. 4 a oder 5 a erfolgt mit einem Austausch von Komponenten des Sensors 4, d.h. mit Kondensatoren Cj (j = l...n) mit bekannter Kapazität anstelle der Sensorkapazität Cs 1 und mit Widerständen Rk (k=l...m) anstelle des Widerstands Rs 2 und davon abhängende Kondensatoren Cn für C±on 3. Bei einer Kalibrierung mit bekannten Kapazitäten Cj und bekannten Widerständen Rk erhält man als Ergebnis der Kalibrierung FunktionenA circuit according to FIG. 4 a or 5 a is calibrated with an exchange of components of sensor 4, ie with capacitors Cj (j = l ... n) with a known capacitance instead of the sensor capacitance C s 1 and with resistors R k ( k = l ... m) instead of the resistor R s 2 and dependent capacitors C n for C ± on 3. When calibrating with known capacitances C j and known resistors R k , functions are obtained as a result of the calibration
Diese Funktionen, beispielhaft in Fig. 6 als Frequenz f in MHz über die Kapazität Cs in pF in einem Diagramm aufgetragen charakterisieren die Schaltungseigenschaften. Die Kurvenschar 24 gibt die Funktion bei einem kleinen Arbeitswiderstand Raι an, wobei die Kapazität Cs entsprechend der horizontalen x-Achse bis 800 pF sowie die Leitwert von Rs zwischen 0 und 470 μS variiert wird. Die Kurvenschar 24 reduziert sich in Fig. 6 auf einen Kurvenverlauf, was darauf hindeutet, dass der Leitwert von Rs keinen großen Einfluss auf die Funktion ausübt. Die Kurvenschar 25 zeigt dagegen eine vergleichbare Messung, jedoch mit anderer Kapazität und einem Widerstand Ra2, welcher etwa den 6- fachen Wert von Rai aufweist. In diesem Fall streut die Funktion auf dem Diagramm, d. h. der Einfluss von Rs auf die Frequenz ist deutlich erkennbar. Die Funktionen (9) sind so beschaffen, dass sich bei gemessenen Frequenzen fi und f2 die Werte Cs und Rs errechnen und damit die Materialeigenschaften εm und σm bestimmen lassen.These functions, plotted in a diagram in FIG. 6 as frequency f in MHz over the capacitance C s in pF characterize the circuit properties. The curve family 24 indicates the function with a small load resistance R a ι, the capacitance C s being varied according to the horizontal x-axis up to 800 pF and the conductance of R s between 0 and 470 μS. The family of curves 24 is reduced to a curve in FIG. 6, which indicates that the conductance of R s has no major influence on the function. The family of curves 25, on the other hand, shows a comparable measurement, but with a different capacitance and a resistance R a2 , which has about 6 times the value of R ai . In this case the function scatters on the diagram, ie the influence of R s on the frequency is clearly visible. The functions (9) are such that the values C s and R s can be calculated at measured frequencies fi and f 2 and the material properties ε m and σ m can thus be determined.
Fig. 7 a und b zeigen die Daten der Kurvenscharen 24 und 25, aufgetragen als Frequenz f in MHz (vertikale y-Achse) über die Leitfähigkeit in μS (horizontale x-Achse) . Die dargestellten Kurvenscharen 26 und 27 repräsentieren die Messergebnisse mit verschiedenen Kapazitäten Cs . Die Kurvenschar 26, ermittelt mit auf der Basis eines vorgenannten kleinen Arbeitswiderstandes Ral, verläuft nahezu horizontal, d.h. es ist nahezu keine Abhängigkeit von Rs bzw. σm gegeben. Wird aber der vorgenannte größere Arbeitswiderstand entsprechend Ra2 eingesetzt, ist bei den Messergebnissen, d. h. bei der Kurvenschar 27 eine signifikante Abhängigkeit von RΞ zu beobachten, die auch von der betrachteten Kapazität Cs abhängt.7 a and b show the data of the family of curves 24 and 25, plotted as frequency f in MHz (vertical y-axis) over the conductivity in μS (horizontal x-axis). The family of curves shown 26 and 27 represent the measurement results with different capacitances C s . The family of curves 26, determined with on the basis of the aforementioned small working resistance R al , runs almost horizontally, ie there is almost no dependence on R s or σ m . However, if the above-mentioned larger working resistance corresponding to R a2 is used, a significant dependency on R Ξ can be observed in the measurement results, ie in the family of curves 27, which also depends on the capacitance C s considered.
Der Einfluss der Größen Cs, Rs und Ciθn auf die Frequenz der Schaltung ist nach den gegebenen Zusammenhängen offensichtlich und ist durch die vorgenannte Funktion gι,2(Cj, Rk) gegeben.The influence of the quantities C s , R s and Ci θn on the frequency of the circuit is obvious from the given relationships and is given by the above function gι, 2 (Cj, R k ).
Für reale Messungen von Böden oder Schüttungen ist dieser Zusammenhang als Umkehrfunktion für die Ermittlung der Größen Cs und Rs aus fi und f2 heranzuziehen. Die Dimensionierung der Widerstände Ral und Ra2 für eine Kalibrierung richtet sich nach den Verhältnissen dieser realen Messungen. Insofern ist Ral so klein wie möglich zu wählen. Diese Größe ist dabei auch an den maximal möglichen Strom, den das aktive Element 9 erzeugen kann, anzupassen. In erster Näherung ist bei einem vorgegebenem Material für die reale Messung ein mittlerer Leitfähigkeitswert anzunehmen. Mit der Auslegung des Sensors ist dann der Geometrie-Faktor G aus der Gleichung (2) festgelegt, so dass sich aus der zuvor genommenen Leitfähigkeitswert ein mittlerer Wert für Rs ergibt. Für eine Kalibrierung sollte der Wert Ra2 möglichst diesem mittleren Wert Rs entsprechen.For real measurements of soils or fillings, this relationship is to be used as an inverse function for the determination of the quantities C s and R s from fi and f 2 . The dimensioning of the resistors R al and R a2 for a calibration depends on the ratios of these real measurements. In this respect, R al should be chosen as small as possible. This variable must also be adapted to the maximum possible current that the active element 9 can generate. In a first approximation, an average conductivity value must be assumed for a given material for the real measurement. With the design of the sensor, the geometry factor G is then determined from equation (2), so that an average value for R s results from the previously taken conductivity value. For a calibration, the value R a2 should correspond to this average value R s if possible.
Fig. 8 zeigt mehrere Aufladungskurven als zeitlichen Verlauf des Signals 7 in V (vertikale y-Achse) über die Zeit in μs (horizontale x- Achse) . Ferner ist eine Schwellspannung als horizontale Linie mit dem Spannungswert T angegeben. Kurve 28 gibt den zeitlichen Verlauf bei CΞ = 80 pF und einer Leitfähigkeit 0 (Wiederstand Rs ist unendlich groß) wieder. Die Kurven 29 und 30 entsprechen derselben Kapazität Cs, aber mit den Widerständen Rs = 4 kΩ bzw. 40 Ω. Jede dieser Kurven erreicht jeweils nach einer als tτ im Diagramm dargestellten Zeit den Spannungsschwellwert T. Alle drei Kurven 28 bis 30 zeigen im unteren Bereich einen nahezu identischen Anfangsverlauf, steigen jedoch bei höheren Spannungen in deutlich unterschiedlicher Weise an. Als Folge wird insbesondere bei der Ausführungsform gemäß der Figuren 4 a und b die eingangs erläuterte Frequenz, welche sich aus periodisch hintereinander aufgereihte Auf- und Entladungsvorgängen zusammensetzt, mit zunehmender Höhe des Spannungswert T als Schwellspannung für einen Abbruch des Aufladevorganges durch den Widerstand Rs beeinflusst.Fig. 8 shows several charging curves as a time course of the signal 7 in V (vertical y-axis) over time in μs (horizontal x-axis). Furthermore, a threshold voltage is indicated as a horizontal line with the voltage value T. Curve 28 shows the time course at C Ξ = 80 pF and a conductivity of 0 (resistance R s is infinitely large). Curves 29 and 30 correspond to the same capacitance C s , but with resistances R s = 4 kΩ and 40 Ω, respectively. Each of these curves reaches after a time shown as t τ in the diagram Voltage threshold value T. All three curves 28 to 30 show an almost identical initial course in the lower region, but rise in significantly different ways at higher voltages. As a result, in particular in the embodiment according to FIGS. 4 a and b, the frequency explained at the outset, which is composed of periodically successive charging and discharging processes, is influenced by the resistance R s as the voltage T increases as the threshold voltage for an interruption of the charging process ,
Cs und Rs, und bei bekanntem α von C±on, aus den beiden Frequenzen fx und f2 lassen sich folglich nach den beiden folgenden Verfahren ermitteln:C s and R s , and with known α of C ± on , from the two frequencies f x and f 2 can therefore be determined using the following two methods:
Im ersten Verfahren wird die Sensor-Schaltung kalibriert, indem Ka- librier-Kapazitäten Cs, und Ci0n, und -Widerstände Rs,k in die Schaltung integriert und die jeweiligen Frequenzen fι,k und f2 k ermittelt werden. Die gemessene Frequenzen fi und f2 sind dann anhand von Tabellenwerten und ggf. linearer Interpolation optimierten Größen für Cs und Rs zuordnungsfähig.In the first method, the sensor circuit is calibrated by integrating calibration capacitances C s and Ci 0n and resistors R s , k into the circuit and determining the respective frequencies f 1, k and f 2 k . The measured frequencies fi and f 2 can then be assigned on the basis of table values and, if appropriate, linear interpolation, optimized variables for C s and R s .
Im zweiten Verfahren wird der Kurvenverlauf eines Aufladungsvorgangs (vgl. Fig. 8) ausgegangen. Mit Hilfe einer linearen gekoppelten Dif- ferenzialgleichung ist ein Kurvenverlauf gemäß Fig. 8 rechnerisch beschreibbar und bei bekannten Schwellspannungen die jeweiligen Frequenzen fi und f2 ermittelbar. Durch eine Fit-Prozedur werden dann die Größen Cs und Rs bestimmtIn the second method, the curve shape of a charging process (see FIG. 8) is assumed. With the aid of a linear coupled differential equation, a curve profile according to FIG. 8 can be described arithmetically and the respective frequencies fi and f 2 can be determined with known threshold voltages. The sizes C s and R s are then determined by a fit procedure
In einem konkreten Anwendungsfall zum zweiten verfahren wird ein Sensor in deionisiertes Wasser mit einer Leitfähigkeit von 1 μS/cm (Fall d) und in normales Leitungswasser mit einer Leitfähigkeit 540 μS/cm (Fall n) eingetaucht, wobei die Leitfähigkeiten in einer konventionellen Gerät gemäß des Stands der Technik bei einer Messfrequenz von 400 Hz bestimmt wurden. Die Frequenzen fi und f2 im Fall d bestimmen sich zu fid = 1,542 MHz und f2d = 2.622 MHz, für den Fall n zu fin = 1,257 MHz und f2n = 2.216 MHz. Es ist offensichtlich, dass die unterschiedliche Leitfähigkeit die Frequenzen beeinflusst. Mit Hilfe des zuvor beschriebenen zweiten Verfahrens lassen sich folgende Größen bestimmen: Cwd = 47 pF, Cwn = 48 pF, Ld = 1072 Ω, Ln = 1709 Ω,In a specific application for the second method, a sensor is immersed in deionized water with a conductivity of 1 μS / cm (case d) and in normal tap water with a conductivity of 540 μS / cm (case n), the conductivities being in a conventional device of the prior art at a measuring frequency of 400 Hz. The frequencies fi and f 2 in case d are determined as f id = 1.542 MHz and f 2d = 2.622 MHz, for case n as fi n = 1.257 MHz and f 2n = 2.216 MHz. It is obvious that the different conductivity influences the frequencies. With the aid of the second method described above , the following variables can be determined: C wd = 47 pF, C wn = 48 pF, L d = 1072 Ω, L n = 1709 Ω,
Cion,d = 129 pF und Ci0n,n = 205 pF, wobei der Kopplungskoeffizient α = 0.12 ist. Damit zeigt sich, dass die Werte für den Effekt der Wassermoleküle, angegeben durch die Kapazität Cw, fast gleich sind und die Leitfähigkeiten Ld sich entsprechend der Messung mit einer anderen Methode ändern. Hierbei ist jedoch zu berücksichtigen, dass die nach den beiden genannten Verfahren gemessenen Leitfähigkeiten nicht linear zusammenhängen. Das wird dadurch verursacht, dass die Leitfähigkeit bei 400 Hz gemessen wurde und das beschriebene Verfahren bei 2 MHz arbeitet.Cion, d = 129 pF and Ci 0n , n = 205 pF, where the coupling coefficient is α = 0.12. This shows that the values for the effect of the water molecules, indicated by the capacitance C w , are almost the same and the conductivities L d change according to the measurement using a different method. However, it must be taken into account here that the conductivities measured by the two methods mentioned are not linearly related. This is caused by the fact that the conductivity was measured at 400 Hz and the method described works at 2 MHz.
Die Aufladungskurven entsprechend der Fig. 8 werden für die Bestimmung des Wassergehalts und der Leitfähigkeit verifiziert, indem sie mit einem Transientenrecorder oder einer anderen Datenspeichereinheit für eine Auswertung aufgezeichnet werden.The charging curves according to FIG. 8 are verified for the determination of the water content and the conductivity by recording them with a transient recorder or another data storage unit for evaluation.
Dies erfolgt einerseits mittels Errechnen einer Aufladungskurve mit einem Differenzialgleichungssystem und den Vergleich mit der gemessenen Kurve. Bei einer Abweichung werden dann sowohl der Eingangswert Cs wie auch der Eingangswert Rs geändert (Fit-Prozedur) . Erst bei Ü- bereinstim ung von Messkurve und errechneter Kurve werden die entsprechenden Werte für Cs und Rs genutzt, um mit den Gleichungen 3 und 2 die Werte εm und σ zu errechnen.This is done on the one hand by calculating a charge curve with a system of differential equations and comparing it with the measured curve. In the event of a deviation, both the input value C s and the input value R s are changed (fit procedure). The corresponding values for C s and R s are used only when the measurement curve and the calculated curve match, in order to calculate the values ε m and σ using equations 3 and 2.
Alternativ ergeben sich die Dielektrizitätskonstante εm des Materials und die Leitfähigkeit σ aus zwei Einstellungen Ei und E2, d. h. über eine Ermittlung von zwei Frequenzen fi und f2 d.h. zwei Aufladungs- zeiten. Auch hier wird die Aufladungskurve mit Hilfe des Differentialgleichungssystems für beide Ei und E2 berechnet, daraus mit der entsprechenden Schwelle, d. h. Spannungswert T, die entsprechenden Frequenzen bestimmt und mit fi und f2 verglichen. Bei einer Abeichung werden wieder die Eingangswerte CΞ und Rs verändert und ein neuer ver- gleich angestellt. Diese Fit-Prozedur wird so lange wiederholt, bis zwischen den errechneten und gemessen Frequenzen eine Übereinstimmung innerhalb einer festgelegten Toleranz besteht.Alternatively, the dielectric constant ε m of the material and the conductivity σ result from two settings Ei and E 2 , ie by determining two frequencies fi and f 2, ie two charging times. Here, too, the charge curve is calculated using the differential equation system for both Ei and E 2 , from which the corresponding frequencies, ie voltage value T, are determined and compared with fi and f 2 . In the event of a deviation, the input values C Ξ and R s are changed again and a new employed immediately. This fit procedure is repeated until there is a match between the calculated and measured frequencies within a specified tolerance.
Bei einem einfachen Prozess werden die gemessenen Frequenzen mit den Kalibrierwerten f1/2 = gι,2 (Cj, Rk) (Gleichung (9)) verglichen und die passenden Werte Cs und Rs gegebenenfalls durch Interpolation bestimmt. Entsprechend der Gleichungen (3) und (2) werden die Werte εm und σ zu errechnet.In a simple process, the measured frequencies are compared with the calibration values f 1/2 = gι, 2 (Cj, R k ) (equation (9)) and the appropriate values C s and R s are determined, if necessary, by interpolation. The values ε m and σ are calculated according to equations (3) and (2).
Als kapazitive Sensoren zur Bestimmung des Wassergehalts und der Leitfähigkeit mit den vorgenannten Vorrichtungen und Verfahren eignen sich folgende Bauformen:The following designs are suitable as capacitive sensors for determining the water content and conductivity using the aforementioned devices and methods:
Sensoren mit jeweils einen isolierten Draht als Elektrode eignen sich insbesondere für die tiefenaufgelöste Messung des Bodenwassergehalts. Idealerweise besteht jeder der beiden Drähte aus mehreren Abschnitten, die parallel zueinander sind und die in einer Ebene so angeordnet sind, dass jeder Abschnitt einer Elektrode benachbart ist mit zwei Abschnitten der anderen Elektrode. Die entstehende ebene Fläche und die sensitive Dicke, die u.A. vom Drahtabstand abhängt, bestimmt das sensitive Volumen des Sensors.Sensors, each with an insulated wire as an electrode, are particularly suitable for the depth-resolved measurement of soil water content. Ideally, each of the two wires consists of several sections which are parallel to one another and which are arranged in a plane such that each section is adjacent to one electrode with two sections of the other electrode. The resulting flat surface and the sensitive thickness, which depends on the wire distance, determines the sensitive volume of the sensor.
Sensoren, bestehend aus zwei isolierte Platten, die als Elektroden hochkant und parallel zueinander in den Boden eingebracht werden, kommen bevorzugt dann zur Anwendung, wenn die Tiefenauflösung keine Rolle spielt. Durch den vertikalen Einbau der Platten wird die Störung der Sensoren auf die Wasserbewegung im Boden minimiert.Sensors consisting of two insulated plates, which are inserted into the ground as electrodes in an upright position and parallel to one another, are preferably used when the depth resolution is irrelevant. The vertical installation of the plates minimizes the interference of the sensors with the water movement in the floor.
Für den Einsatz in Schüttgut eignen sich insbesondere Sensoren, bestehend aus zwei oder mehreren starren isolierten Elektroden, die in das Material eingestochen werden. Diese Anordnung der Elektroden im Schüttgut entspricht im Wesentlichen der einer TDR-Sonde gemäß des Stands der Technik. LiteraturSensors consisting of two or more rigid, insulated electrodes which are pierced into the material are particularly suitable for use in bulk goods. This arrangement of the electrodes in the bulk material essentially corresponds to that of a TDR probe according to the prior art. literature
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BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Kondensator, Sensorkapazität1 capacitor, sensor capacity
2 ohmscher Widerstand Rs 2 ohmic resistance R s
3 Kondensator, Kapazität Ciθn 3 capacitor, capacitance Ci θn
4 Sensor4 sensor
5 Arbeitswiderstand Ra 5 load resistance R a
6 Ausgangssignal6 output signal
7 Spannung7 tension
8 Signal8 signal
9 aktive Element, Operationsverstärker9 active element, operational amplifier
10 Widerstand10 resistance
11 Widerstand11 resistance
12 Kondensator, Kapazität Ci12 capacitor, capacitance Ci
13 schaltbaren Widerstand13 switchable resistor
14 Signal HL14 signal HL
15 Widerstand15 resistance
16 Widerstand16 resistance
17 Schalter17 switches
18 Widerstandsverschaltung18 resistor circuit
19 Schaltsignal19 switching signal
20 Widerstand20 resistance
21 Widerstand21 resistance
22 Widerstand22 resistance
23 Schalter23 switches
24 Kurvenschar24 family of curves
25 Kurvenschar25 family of curves
26 Kurvenschar26 family of curves
27 Kurvenschar27 family of curves
28 Kurve28 curve
29 Kurve29 curve
30 Kurve 30 curve

Claims

Patentansprüche : Claims:
1. Verfahren zur Bestimmung des Wassergehalts und der Leitfähigkeit in Böden und Schüttgütern, umfassend die folgenden Verfahrensschritte : a) Einbringen eines kapazitiven Sensors in dem Boden oder dem Schüttgut, b) Aufladen des Sensors mit einer konstanten äußeren Spannungsversorgung über einen vorgebbaren Anfangsstrom von einem vorgebbaren ersten Spannungsschwellwert bis zu einem vorgebbaren zweiten Spannungsschwellwert und entweder Ermitteln eines Spannungs-Zeit-Diagramms oder Messen der hierfür erforderlichen ersten Aufladezeit zwischen den beiden Spannungsschwellwerten und Aufladen des Sensors mit der konstanten äußeren Spannungsversorgung zur Ermittlung einer zweiten Aufladezeit, wobei entweder der Anfangsstrom und/oder mindestens einer der beiden Spannungsschwellwerte geändert sind, sowie c) Ermittlung des Wassergehalts und der Leitfähigkeit durch Verifizierung der beiden Aufladezeiten, wobei für jede der beiden Aufladezeiten jeweils ein periodisches Messsignal mit jeweils einer Frequenz erzeugt wird, wobei sich eine Periode des Messsignals aus Auf- und Entladezeit des Sensors zusammensetzt und wobei die Frequenzen der beiden periodischen Messsignale ebenfalls zur Ermittlung des Wassergehalts und der Leitfähigkeit herangezogen werden, oder des Spannungs- Zeit-Diagramms über einen Vergleich eines aufgenommenen Spannungskurvenverlaufs mit einer Lösung eines entsprechenden Differenzialgleichungssystems .1. A method for determining the water content and conductivity in soils and bulk solids, comprising the following process steps: a) introducing a capacitive sensor into the soil or the bulk solids, b) charging the sensor with a constant external voltage supply via a predeterminable initial current from a predefinable one first voltage threshold up to a predeterminable second voltage threshold and either determining a voltage-time diagram or measuring the required first charging time between the two voltage thresholds and charging the sensor with the constant external voltage supply to determine a second charging time, with either the initial current and / or at least one of the two voltage threshold values has changed, and c) determining the water content and the conductivity by verifying the two charging times, with a periodic measurement signal for each of the two charging times a frequency is generated, whereby a period of the measurement signal is composed of the charging and discharging time of the sensor and the frequencies of the two periodic measurement signals are also used to determine the water content and conductivity, or the voltage-time diagram by comparing one recorded voltage curve with a solution of a corresponding differential equation system.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei zur Aufzeichnung des Spannungs- Zeit-Diagramms ein Transientenrecorder zur Anwendung kommt.2. The method according to claim 1, wherein a transient recorder is used to record the voltage-time diagram.
3. Vorrichtung zur Bestimmung des Wassergehalts und der Leitfähigkeit in Böden und Schüttgütern, umfassend a) einen kapazitiven Sensor in Serie mit einem Vorwiderstand für die Einstellung eines Anfangstromes, b) einen dazu parallel geschalteten Spannungsteiler mit mindesten zwei Widerständen und einem dazwischen angeordneten Abzweig zur Einstellung eines Spannungsschwellwertes, sowie c) einen Operationsverstärker mit konstanter Spannungsquelle, wobei zur Rückkopplung ein Teil des Spannungsteilers und der Vorwiderstand an den beiden Eingängen und dem Ausgang des Operationsverstärkers verschaltet ist, sowie der Sensor und der Rest des Spannungsteilers zwischen den beiden Eingängen und Masse verschaltet ist.3. Device for determining the water content and conductivity in soils and bulk materials, comprising a) a capacitive sensor in series with a series resistor for setting an initial current, b) a voltage divider connected in parallel with at least two resistors and a branch arranged in between for setting a voltage threshold value, and c) an operational amplifier with constant voltage source, with a feedback Part of the voltage divider and the series resistor at the two inputs and the output of the operational amplifier is connected, and the sensor and the rest of the voltage divider is connected between the two inputs and ground.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Vorwiderstand zwischen zwei Widerstandswerten hin- und herschaltbar ist.4. The device according to claim 3, wherein the series resistor is switchable between two resistance values.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei ein Widerstand des Spannungsteilers zwischen zwei Widerstandswerten hin- und herschaltbar ist. 5. The device according to claim 3, wherein a resistance of the voltage divider can be switched back and forth between two resistance values.
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