DD271380A5

DD271380A5 - Reflektometrischer Feuchtigkeitsmesser für kapilarporöse Körper, insbesondere für den Boden

Info

Publication number: DD271380A5
Application number: DD31746088A
Authority: DD
Inventors: Marek Malicki; Wojciech Skierucha
Original assignee: Polska Akademia Nauk Instytut
Priority date: 1987-07-03
Filing date: 1988-07-01
Publication date: 1989-08-30
Also published as: CS270000B2; DE3876517T2; HUT48372A; DE3876517D1; EP0297604A3; EP0297604A2; FI883165A7; FI883165A0; FI91329B; BG48818A3; US4918375A; CS455288A2; IL86743A; FI91329C; ATE83322T1; IL86743A0; EP0297604B1; HU205666B

Abstract

Der reflektorische Feuchtigkeitsmesser fuer kapillar-poroese Koerper, insbesondere der Boden weist eine mit einem elektrischen Spannungs-Nadelimpuls versorgte Sonde auf und stellt einen Satz von in der Verzweigung parallelgeschalteten Wellenleitern dar, die durch den gemeinsamen Abschnitt des Feeders an eine durch die Mikroprozessor-Steuerschaltung gesteuerte elektronische Schaltung des Messgeraetes angeschlossen sind. Die Wellenleiter der Sonde werden in gewaehlten Schichten des untersuchten Materials installiert. Die direkte Messgroesse ist eine Folge der Zeiten zwischen den Reflexionszeitpunkten der in der Sonde verlaufenden elektromagnetischen Welle von den einzelnen Diskontinuitaeten der Impedanz der Sonde. Auf Grund der auf dieser Grundlage ermittelten Fortpflanzungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle in der gewaehlten Schicht des Mediums, wird seine dielektrische Konstante und dann die diese Konstante bedingende Feuchtigkeit ermittelt. Figur

Description

Reflektometrlscher Feuchtigkeitsmesser für kapillor-poröaa Körper, insbesondere für den Boden

Anwendungsgebiet dar Erfindung

Die Erfindung betrifft einen reflektonetrischen Feuchtigkeitsmesser fOr kapillar-poröee Körper» insbesondere für den Boden, zur Messung der Volumenfeuchtigkeit (der Wassermasse In einen Kubikmeter des Materials) auf Grund des Zusammenhanges zwischen der dielektrischen Konstante des Körpers und seiner Feuchtigkeit·

Es sind sogenannte elektrokapazitive Feuchtigkeitsmesser für kapillar-poröse Körper bekannt« die auf dem Zusammenhang zwischen der dielektrischen Konstante des Materials und seiner Feuchtigkeit beruhen, alt deren Einsatz die Feuchtigkeit auf Grund der Messung der relativen Änderung der elektrischen Kapazität eines durch das untersuchte Material gefüllten Kondensators berechnet wird« Oa die elektrische Konstante des reinen Wassers (bei Raumtemperatur) 81 betrögt und die dielektrische Konstante der Bestandteile der festen Phase, insbesondere des Bodens unter 5 liegt, wird jede Änderung der Feuchtigkeit des Materials durch eine beträchtliche Änderung der resultierenden dielektrischen Konstante begleitet« Die technische Seite der Feuchtigkeitsmessung auf Grund der dielektrischen Eigenschaften des kapillar-porösen Materials, insbesondere des Bodens, beschränkt sich deshalb auf die Ermittlung seiner dielektrischen Konstante«

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Ein wesentlicher Nachteil der elektrokapazitiven !Meßgeräte besteht im beträchtlichen Einfluß der elektrochemischen

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Polarisation auf den Verlauf des Zusammenhanges zwischen der elektrischen Kapazität der angewendeten Sonde und der Feuchtigkeit des untersuchten Materials· Diese Polarisation bewirkt, daß die Salzhaltigkeit des Materials, insbesondere dee Bodens, seine Temperatur, die chemischen Eigenschaften der anfeuchtenden Lösung (ihre Azidität und Komposition) sowie der Zustand der Elektroden (Oberflächenverschmutzung, mechanische Spannungen) weitgehend die Ergebnisse beeinflussen« Der Einsatz der hohen Frequenz der Versorgungsspannung der Sonde (Meßkondensator) reduziert den Einfluß der Polarisation, es nehmen aber mit der wachsenden Frequenz technische Schwierigkeiten zu, die eich aus dem wachsenden Störeinfluß der gestreuten Induktivitäten und Montagekapazitäten des Systems* Meßgerät-Sonde ergeben« Die praktisch zur Versorgung der elektrokapazltiven Sonden angewendeten Frequenzen der Wechselspannung liegen innerhalb der Grenzen von 0,1 - 100 MHz, wobei die elektrokapazitiven Messungen trotzd ά nicht vollständig von dem Einfluß der elektrochemischen Polarisation befreit werden* Daher erfordert der

.neatz der elektrokapazitivei. Feuchtigkeitsmesser für kapillar-poröse Körper, insbesondere für den Boden eine häufige vür jede Sonde und für jeden Boden an jeder Stelle seines Profils individuell durchzuführende Kalibrierung das Meßgurätee« Ee besteht noch ein anderer Weg zur Bestimmung der dielektrischen Eigenschaften, wobei die dielektrische Konstante auf Grund der Geschwindigkeitsmessung der Fortpflanzung der elektromagnetischen Welle in dem untersuchten Material berechnet wird« Diese Methode ist nicht durch den Fehler auf Grund der elektrochemischen Polarisation an der Grenze zwischen der Elektrode und dem feuchten Material belastet und ist zum Einsatz für feuchte kopillar-poröse Materialien, insbesondere für den Boden besser geeignet, und

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eines der damit verbundenen Verfahren ist das reflektoaetrieche Verfahren·

Das reflektometrische Verfahren zur Messung der dielektrischen Konstante beruht auf dem Zusammenhang zwischen der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle in dem Medium und dem Wert der dielektrischen Konstante dieses Mediums« Dieser Zusammenhang kann, für nichtmagnetische Stoffe» die durch niedrige Vsrlustzahl gekennzeichnet sind, zu folgender Form vereinfacht werden:

V c/

wobei:

V - Geschwindigkeit der elektromagnetischen Welle in dent

Medium c - Geschwindigkeit der elektromagnetischen Welle (Licht)

im Vakuum K - relative dielektrische Konstante des Mediums

bedeuten«

Zur Durchführung der Feuchtigkeitsmessung eines kapillarporösen Mediums« insbesondere des Bodens wird in dieses Medium ein Wellenleiterabschnitt eingeführt« Es kann ein Wellenleiter mit Luft-Dielektrikum beliebigen Type und beliebiger Gestalt sein« dessen Enden offen oder kurzgeschlossen werden können« Eines seiner Enden wird über eine Übertragungsleitung, (Koaxialkabel bzw· symmetrisches Flachkabel), die im folgenden als Feeder bezeichnet wird, mit einem Elekt^impulsgenerator verbunden« Der durch den vom Generator zum Feeder geleiteten Impuls hervorgerufene

Spannungeeprung erzeugt in dem Feeder eine elektromagnetieche Welle« die in Richtung zu dem in dem Boden installierten Wellenleiter, der in folgenden ale Sonde bezeichnet wird» und weiter* bereite in dem Boden« zum Ende dieser Sonde verläuft« wobei ein Teil der Energie in den Boden ausgestrahlt wird« Da auf dem Wege der elektromagnetischen Welle» an der Verbindungestelle dee Feeders mit der Sonde« ein Impedanzsprung auftritt« (die Impedanz dee Feeders weicht von der der Sonde ab) wird ein Teil der Wellenenergie reflektiert und kehrt in Richtung zum Impulsgenerator zurück» Der Rest läuft weiter - bereits in dem Beden - und wird nach dem Erreichen des anderen Endes der Sonde nochmals reflektiert, nämlich im Ergebnis des Impedanzeprunges auf dem Wege der Welle an der Stelle, wo die Sonde (Wellenleiter) endet und kehrt dann - wie vorstehend - zum Generator zurück« Durch Messung der Zeitspanne zwischen den Zeitpunkten der Wellenreflexionen vom Anfang und vom Ende der Sonde und unter Berücksichtigung der bekannten Länge dieser Sonde wird die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle in dem Medium (Boden) ermittelt« Ist diese Geschwindigkeit bekannt, wird dann, entsprechend der oben geschilderten Formel, die dielektrische Konstante des Bodens und dann die damit korellierte Feuchtigkeit des Bodens ermittelt«

Es sei bemerkt, daß die Einzelmessung der Feuchtigkeit dee Bodens (d« h« eine auf eine einzelne Bodenschicht« deren Dicke gleich der Sonden-Länge ist bezogene Messung) , mit wenigen Ausnahmen, unbrauchbar ist« Die M.eeeungen des Wassergehaltes im Boden dienen, praktisch immer, zur Beschreibung des sog« Feuchtigkeitsprofiles dos Bodens« Das Feuchtigkeitsprofil des Bodens wird mittels der vertikalen

Feuchtigkeiteverteilung beschrieben« die auf Grund der gleichzeitig in mehreren aneinander angrenzenden, vertikal von der Oberfläche bis zum sog· Muttergeetein (nicht tiefer aber als 1,5 m) verteilten Bodenschichten durchgeführten Messungen bestimmt wird»

Beginnend ab dem Oahr 1980 wird für die reflektometriache Feuchtigkeitsmessung des Boden der Leitunge(Kabel)-Teeter für fernmeldetechnieche Anlagen TEKTRONIX Modell 1502 benutzt, der mit einem Schrittimpuls (Spannungesprung vom Nullwert bis zum Höchstwert) mit der Anstiegszeit von 145 pe operiert (6· C« Topp and 3· L« Davis, Measurement of Soil Water Content using Time-domain Reflectometry (TOR)t A Field Evaluation« Soil Sei* Cos« Am« 3«, vol. 49, 1985, 19 - 24)· Dieser Tester ist zum Orten der Leitungsdefekte sowie zur vorläufigen Erkennung der Art dieser Störungen (Unterbrechung, Ableitung mit der Impedanz mit überwiegendem Anteil der aktiven bzw« der passiven Komponente usw«) vorgesehen*

Im Oahre 1984 wurde ein speziell zur Feuchtigkeitsmessung des Bodens vorgesehenes Modell IRAMS (instrument for ReflectoMetry Analysis of Moisture in Soll) angeboten«

Als Sonde zur Zusammenarbeit mit dem Kabel-Teeter TEKTRONIX 1502 sowie mit dem oben genannten Gerät IRAMS wird ein Feeder-Abschnitt eingesetzt, der mit einem Wellenleiter mit offenem Ende abgeschlossen ist, der in Form von zwei parallelen Metallstäben mit kreisförmigem Querschnitt ausgeführt wird, die in den Boden eingestochen werden (G.C· Topp and 3» L* Davis, Measurement of Soil Water Content using Time-domain Reflectometry (TDR): A Field Evaluation,

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Soll· Sei· Soc. Aa* 3«» vol. 49· 1985« 19 - 24). Sie ermöglicht die Feuchtigkeitsmessung in einer einzelnen Bodenschicht· Es sind Versuchs zur Feuchtigkeitsmessung des Bodens in mehreren Schichten seines Profile gleichzeitig bekannt» bei denen eine einzelne Sonde mit einen Wellenleiter ähnlich der oben beschriebenen Konstruktion verwendet wird« die aber aus Stäben gebaut ist, deren Durchmesser stufenweise in Abschnitten mit einigen Zentimetern Länge« die im folgenden als Kerbe bezeichnet werden« mit einem für beide Stöbe identischen Abstand variiert (G. C« Topp and 0· L, Davis, Measurement of Soil Water Content using Timedomain Reflectometry (TDR) ι A Field Evaluation» Soil Sol· Soc· Am· 0·« vol. 49« 1985« 19 - 24)· Da an den Kerbstellen ImpedenzeprOnge des Wellenleiters auftreten» wird die Wellenenergie teilweise von diesen reflektiert und die durch die Welle passierten, immer wieder tieferen Bodenschichten auf diese Weise asrkiert« Die Messung der Zeitspannen zwischen den nacheinanderfolgenden Reflexionen ermöglicht die Beschreibung des Feuchtigkeitsprofilges des Bodens durch Berechnung dieser Feuchtigkeit für diese Schichten auf din oben beschriebene Art und Weise· Ein Nachteil des Kabel-Testers für fernmeldetechnische Anlagen im Einsatz zur Feuchtigkeitsmessung der kapillar-porösen Körper« insbesondere des Bodens« besteht in der in der Interpretation dor Reaktion der Sonde (Impulsreflexionefolge von den in der Sonde auftretenden Impedanzsprüngen) schwierigen Gestalt des eingesetzten Impulses und in der Art der Darstellung dieser Reaktion· Die Ablesung der Reaktion der Sonde« die vom Synchroekop-Bildechirm (Abtast-Oszilloskop) oder vom X-Y-RegistriergerSt erfolgt, die Bestandteile des Testers bilden, ist schwer zu interpretieren und wenig genau« Andere Bestimmungen des Gerätes als die Feuchtigkeitsmessung

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und damit verbundene mangelnde Möglichkeit der Einspeicherung der Meßergebniese und eine beträchtliche Stroraaufnaitroe verhindern den Eineatz des Gerätes in den automatischen Datenerfaesungssystemen«

Den Autoren der Erfindung sind keine Konstruktionseinzelheiten des reflektometrischen Feuchtigkeitsmessers IRAMS bekannt, somit auch keine genaueren Erkenntnisse über die Vorteile und Nachteile der darin eingesetzten technischen Lösungen«

Von seinen Nutzeigenschaften ist bekannt, daß es in den automatisierten Systemen der Bewässerungskontrolle sowie der Registrierung der Feuchtigkeitsdynamik, insbesondere des Bodens nicht arbeiten, weil es manuell bedient werden muß·

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, den Mangel des nichtautomatisierten Einsatzes zu überwinden«

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Feuchtigkeitsmesser zu schaffen, mit dem der Anwender mit programmierten Betriebsarten automatisch arbeiten kann, insbesondere in der automatischen Betriebsart der Kontrolle der Bewässerungssysteme sowie in der Betriebsart der automatischen Registrierung der Feuchtigkeitsdynamik, insbesondere des Bodens, wobei die Feuchtigkeitsmessung des Bodens an mehreren gewählten Stellen seines Profilee ohne Notwendigkeit der Umschaltung der

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einzelnen, an diesen Stellen gesetzten Sonden möglich sein βoll und während jeder Messung automatisch der Driftabgleioh des Meßgerätes und die Eingabe der individuellen Parameter der aktuell aktiven Sonde eingegeben mird.o«

Zur Lösung dieser Aufgabe enthält der erfindungsgemfißs Feuchtigkeitsmesser eine aus η Wellenleitern zusammengesetzte Sonde (n 1» 2, «·· , N)* Es können Wellenleiter beliebigen Typs und beliebiger Gestalt mit einem Luft-Dielektrikum sein, deren Enden offen oder kurzgeschlossen sein können und deren Langen identisch oder unterschiedlich sein könnun« Diese Wellenleiter sind parallel« in Verzweigung, mittels der im folgenden als Feeder bezeichneten Übertragungsleitungsabschnitten verbunden· An diese Verzweigung wird auch der gemeinsame Feeder-Abschnitt angeschlossen, der Ober die Eingangsanschlüsse die einzelnen Systeme Wellenleiter-Feeder mit dem Abtastkopf des Meßgerätes verbindet« Oeder von den die einzelnen Wellenleiter in der Verzweigung verbindenden Feeder ist durch eine lokale, stufenartige Diskontinuität der charakteristischen Impedanz (Wellenwiderstand) gekennzeichnet, die im folgenden als Zeitmarker bezeichnet wird, die an der gewählten Feeder-Stelle durch teilweise Veränderung seiner Eigenschaften hervorgerufen wird»

Dem Eingangsanschluß sowie dem Abtastkopf werden Nadel-Impulse aus dem Nadelimpulsgenerator und verzögerte Nadplimpulse aus dem Generator des verzögerten.Nade.⁷.impulees zugeführt, die durch die Impulse der Steuerschaltung erregt werden« Einer der Ausgänge dieser Schaltung ist entsprechend mit dem Nadelimpulsgenerator sowie vermittels der gesteuerten Verzögerungsschaltu.ig mit dem Generator

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des verzögerten Nadelimpuleee verbunden· Ein weiterer Ausgang des Steuergerätes ist mit dem Rücksetzungseingang des Abtastkopfes verbunden« Der Ausgang das Abtastkopfes ist an dae Gerfit zum Ablesen der Spannung angeschlossen« Die Steuerschaltung des Meßgerätes besteht aus einem typischen Mikroprozessor-Steuergerät, das aus folgenden Bestandteilen zusammengebaut is ti Mikroprozessor« schreibfähiger (programmierbarer) Festwertspeicher Typ PROM, RAM-Speicher, Display und Tastatur zur Programmierung der Arbeit dee Meß-'gerätee in der Betriebsart der automatischen Feuchti. gkeitsmessung« in der Betriebsart der Übertragung der Meßdaten in ein Peripheriegerät (ein Cassettenrecorder« ein Disketten-Laufwerk oder ein Computer), bzw« in der Betriebsart der Zusammenarbeit mit einem automatischen Bewässerungssystem· Dieses Steuergerät koordiniert die Zusammenwirkung des Abtastkopfes und der beiden Nadelimpulsgeneratoren« entoprechend dem dauerhaft in dem PROM-Speicher eingespeicherten Programm und - wenn es im Modus der automatischen Feuchtigkeitsmessung betrieben wird - gibt es die Meßwerte der Feuchtigkeit sowie die einzelnen Tiefenwerte« auf welche diese Meßwerte bezogen sind, sowie die Termine der Durchführung der Messungen in einen RAM-Speicher ein«

Der Auelösseingang des Nadelimpulsgenerators ist an dieses Steuergerät Ober eine Verzögerungsleitung angeschlossen und der Auelöseeingang des Generatore dee verzögerten Nadelimpulses ist mit dem Steuergerät vermittels einer Verzögerungsschaltung verbunden« dessen verzögerungssteuernder Eingang mit dem Steuergerät mittels eines D/A-W&ndlers verbunden let« Der Abtastkopf des Meßgerätes ist mit dem Steuergerät mittels eines Spannungsabtastgerätes verbunden, das aus einem A/D-Wandler besteht«

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An der Sonde ist mechanisch dauerhaft ein elektrischer Anschluß (mehrpoliger Stecker oder mehrpolige Steckbuchse) befestigt, der einen elektrisch mit seinen Kontakten verbundenen integrierten Schaltkreis enthält, der einen beschreibbaren Festwertspeicher Typ Prom, EPROM, EEPROM u«a« darstellt. Dieser Speicher enthalt dauerhaft eingegebene individuelle Parameter der gegebenen Sonde« Die Ein- und Ausgänge des integrierten Schaltkreises, der diesen Speicher bildet, werden mit dem Steuergerät mittels eines Buses_r Ober einen zum oben genannten komplementären Anschluß (mehrpolige Steckbüchse oder mehrpoliger Stecker) verbunden*

Die Sonden (Wellenleiter) können gleich oder verschieden lang sein« Die Zeitintervalle, innerhalb welcher die Reflexionen der einzelnen Sonden erfaßt sind, die im folgenden als Zeitfenster bezeichnet werden, dürfen einander nicht überlappen« Die Längen der die einzelnen Wellenleiter der Sonde in der Verzweigung verbindenden Feeder-Abschnitte unterscheiden sich derart voneinander, daß die dadurch eingeführten Verzögerungen eine entsprechende Separation dieser Zeitfenster gewährleisten. Diese Längen werden durch die Fortpflanzungszoiten des Impulses zwischen der Verzweigung und den einzelnen, auf den Feedern installierten Zeitmarkern auf folgende Art und Weise bestimmt ι

) £ '(Ln) ⁺ *d ^{+ 18} sowie

*(LN) ⁺ *d ^{+ ie 1}NZC * ²

wobei folgende Definitionen gelten:

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t», .,» - Fortpflanzungezeit dee Impulses auf einem Abschnitt gleich der doppelten Distanz: Verzweigung - Zeitmarker in dem in der Längenfolge folgenden Feeder

- analog für den in der Löngenfolge vorstehenden Feeder

- analog für den längsten Feeder t,, jv - analog für den kürzesten Feeder

In - Länge des in der Löngenfolge vorstehenden Wellen» letters

IN - Länge des längsten Wellenleiters

t_d - Totzeit, benötigt zum Zurücklegen durch den Impuls der doppelten Distanz: Zeitmarker - Verbindungsstelle des Feeders mit dem Wellenleiter

c - Lichtgeschwindigkeit im Vakuum

18 L_ny_C - Fortpflanzungszeit des Impulses auf einem Wege« der der zweifachen Länge IN des voll im Wasser eingetauchten Feeders gleich ist₀

Wenn arbitral die Länge des kürzesten Feeders angenommen wird und dafür die Fortpflanzungezeit des Impulses wie folgt ermittelt wird:

^2L1/C χ

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wobei K ~2,5 die relative dielektrische Konstante des Isolators in dem Feeder darstellt, kann die Lange des (in der Längenfolge) nächsten Feeders entsprechend der obigen Formel ermittelt werden, die t/|__n+j\ bestimmt*

Analog kann auf Grund der Länge des zweiten Feeders in der Längenfolge die Länge des dritten usw« berechnet werden« Die t,,_N\ bestimmende Formel erzwingt eine Beschränkung, die sich aus der Tatsache ergibt, daß die einzelnen Reflexionen in dsm System Feeder-Sonde mehrmals auftreten« Die früheste Reflexion der zweiten Ordnung, die in dem kürzesten der Systeme erzeugt wird, kann nicht früher auftreten als die späteste Reflexion der ersten Ordnung«

Die erfindungsgemäße Lösung des reflektometrischeri Feuchtig·- keitemeeeere für kapillar-poröse Körper weist keine Nachteile des Einsatzes des Schrittimpulses und der Darstellung der Reaktion der Sonde auf diesen Impuls mittels eines Synchroekopes oder eines X-Y-Registriergerätos auf«

Erfindungsgemäß wurde ein zur Interpretation der Reaktion der Sonde geeigneter Nadelimpuls eingesetzt, dessen Gestalt angenähert der Funktion sin entspricht, es wurde auch zur Darstellung dieser Reaktion ein typisches Mikroprozessoreteuergerät eingesetzt, dessen Rolle in der Steuerung des Betriebes der Baugruppen des Gerätes und Datenverarbeitung, einschließlich der Einepeicherung der Meßergebnisse besteht« Eine derartige Lösung des Meßgerätes ermöglicht den automatischen Betrieb dieses Meßgerätes in unterschiedlichen, durch den Anwender programmierten Betriebsarten, und im besonderen innerhalb einer automatischen Kontrolle der Bewässerungssysteme sowie in der Betriebsart der automatischen Registrierung der Feuchtigkeitsdynamik, ine-

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besondere des Bodens«

Eine entsprechende Differenzierung eier Feeder-Längen ermöglicht die gleichzeitige Feuchtigkeitsmessung an mehreren Stellen (Schichten), insbesondere deo Bodene, ohne elektrische Umschalter einzusetzen· Oio Anzahl dioeer Stellen entspricht der Anzahl der Wellenleiter einer Sonde« Oedor Zeitroarker ist zwischen desn an den Feeder angeschlossenen WeI-' lenleiter und der Verzweigung lokalisiert« Die Anwesenheit der Verzweigung führt auch zu einer Diskontinuität rier Kenn-Impedanz des Feeders* was sie zu einem analogen zweiten Zeitmarker macht, der für olle Feeder der Sonde gemeinsam ist« Der zwischen diesen zwei Zeitmarkern liegende Abschnitt eines Feeders stellt, denk der ausreichenden Stabilität der elektrischen Eigenschaften des Leiters« aus welchem die Feeder ausgeführt sind, ein Zeitmuster dar, das in jeder Messung zur Autokalibrierung des Meßgerätes ausgenutzt wird« Eine derartige Lösung erlaubt es, den Einfluß des Driftes des Meßgerätes auf- die Meßergebnisse zu vermeiden, ohne es beseitigen zu müssen, was in den Lösungen mit dem Einsatz der Abfragetechnik, wie im Falle dos Kabel-Testers TEKTRONIX 1502, schwierig und kostenaufwendig ist« Wenn die Sonde nur einen Wellenleiter enthält (n^l), wird anstelle der Verzweigung d^J>e Diskontinuität der Impedanz zur Erreichung des zweiten Zeitmarkers eingeführt«

Der Einsatz des beschreibbaren Festwertspeichers Typ PROM in dem erfindungsgemäßen Meßgerät, oder eines anderen, mit der jeweiligen Sonde untrennbar verbundenen und für die Zeitdauer der Benutzung dieser Sonde an einen elektrischen Anschluß des Meßgerätes anzuschließenden Speichers macht die Notwendigkeit der individuellen Eingabe der Kenndaten

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der jeweilige! Sonde überflüssig, was in den. IRAMS-G θ rät bezogen auf die Länge der einzelnen Sonde stattfinden muß· In dem erfiwjungsgemäßen Meßgerät werden, außer der Länge der einzelnen Wellenleiter der Sonde, in diesen Speicher auch feeder··, zeitrauster- und totzeitspezifische Daten eowie die spezifischen, von der Gestalt der Wellenleiter der Sonde und der Art ihres "Einsatzes abhängigen Fragmente dee Dienstprogran>mes des Meßgerätes gespeichert. Eine derartige Lösung mach das erfindungsgemäße Gerät unbegrenzt elastisch für verschiedene Einsatzgebiete*

Ausführurigebei8Piel

Der Erfindungegegenstand wird in Form eines Beispiels anhand einer Zeichnung näher erläutert, in welcher sein Aufbau dargestellt ist»

Die Sonde 1 des Meßgerätes besteht aus einem Satz von drei Wellenleitern la; Ib; Ic, von weichen jeder aus zwei zueinander senkrechten, dolchförmigen Längeelektroden aufgebaut ist, üie Längen der Elektroitenpaare unterscheiden eich voneinander sukzessiv für die einzelnen Wellenleiter, sind aber innerhalb eines einzelnen Wellenleiters gleich und betragan für die Wellenleiter laj Ib; Ic in dem Ausführungsbeispiel entsprechend 0,1; 0,25; 0,50 m· Diese Wellenleiter werden in der Verzweigung 2 mittels bezüglich der Kennimpedenz identischer aber durch die Länge voneinander abweichender , im folgenden als Feeder bezeichneten Übertragungsleitungen 3a; 3b; 3c verbunden, deron Längen im Ausführungsbeispiel entsprechend 9; 10 und 12 m und die Impedanz bei jfidem gleicherweise 50 O. beträgt« Oeder Feeder besitzt eine lokale, sprungartige Diskontinuität der Kenn-Impedanz 4a;

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4bj 4c« die im folgenden ale Zeitmarker bezeichnet wird, der zwischen dem an diesen Feeder angeschlossenen Wellenleiter und der Verzweigung 2 geschaltet ist· Die Verzweigung 2 ist mit dem Abtastkopf 5 mittels des gemeinsamen Abschnittes des Feeders 6 verbunden« dessen Länge« im Ausführungsbeispiel, 15 ra beträgt«

Dem Eincjangeanschluß 7 sowie dem Abtastkopf 5 werden Nadel» impulse von dem Nadelimpulsgenerator 8 und die verzögerten Nadelimpulse vom Generator der verzögerten Nadelimpulse 9 zugeführt« die durch Impulse der Steuerschaltung IO erregt werden« Ein der Ausgänge der Steuerschaltung IO ist durch eine Verzögerungsleitung 11 mit dem Eingang 12 deo Nadelimpulsgenerators 8 aowie - vermittels einer gesteuerten Verzögerungsschaltung 13« mit dem Eingang 14 des Generators des verzögerten Nadelimpulses 9 verbunden« Der andere Ausgang der Steuerschaltung 10 ist mit dem Rücksetzeingang ISi des Abtastkopfes 5 verbunden« dessen Ausgang 16 an das Spannungsabtastgerät 17 angeschlossen ist« das aus einem A/D-Wandler besteht«

Die Steuerschaltung 10 besteht aus einem Mikroprozessor-Steuergerät, das die Funktion des Abtastkopfes 5 und der beiden Nadelimpulsgeneratoren 8 und 9 koordiniert« Der Eingang 12 des Nadelimpulegsnerators 8 ist an die Steuerschaltung 10 über eine Verzögerungsleitung 11 angeschlossen« die die Störverzögerungen cusgleicht« die durch die Verbindungsleitung zwischen den beiden Nadelimpulsgenoratoren 8 und 9 und dem Steuergerät eingeführt werden« während der Eingang 18 zur Steuerung der durch die Verzögerungsechaltung 13 eingeführten Verzögerung mit der Steuerschaltung 10 vermittels eines D/A-Wandlers 19 verbunden igt« Der Ab tasi:-

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kopf 5 wird mit der Steuerschaltung 10 vermittels eines A/D-Wandlers verbunden·

An die Sonde wird auf mechanisch untrennbare Weise ein elektrischer Anschluß 20 befestigt, der einen mit seinen Kontakten elektrisch verbundenen integrierten S_chaltkreis 21 enthält, der einen beschreibbaren Festwertspeicher Typ PROM, EPROM, EEPROM oder eines anderen Typs bildet. Die elektrischen Ausgänge des integrierten Schaltkreises 21 sind mit der Steuerschaltung 10 über den Bus 22 mittels eines zum Anschluß 20 komplementären Anschlusses 23 verbunden·

Die direkte Meßgröße des Meßgerätes ist die Laufzeit der elektromagnetischen Welle auf dem Wege, der der zweifachen Länge des folgenden Abschnittes gleich ist: Verzweigung-Zeitmarker; gleichzeitig auf dem Wege, der der zweifachen Länge des folgenden Abschnittes gleich ist: Zeitmarkerfreies Ende des Wellenleiters· Auf Grund dieser Messungen, unter der Kontrolle des residenten Programmes, berechnet die Steuerschaltung 10 den Korrekturwert für die Drift des Gerätes bezogen auf die Zeitmessung und dann die dielektrische Konstante des Mediums (Boden) und seine Feuchtigkeit«

Die durch die Steuerschaltung 10 erzeugten Impulse mit einer Frequenz in der Größenordnung von 1 kHz synchronisieren die Funktion des Abtastkopfes und der zwei identischen Impulsgeneratoren 8 und 9, die die Nadelimpulse mit einer Anstiegszeit und Halbbreite von 100 ps erzeugen« Derart schnelle und kurzzeitige elektrische Impulse (während 100 ps legt das Licht im Vakuum einen Weg von 2,3 cm zurück) können nicht im Echtzeitbetrieb verarbeitet werden, da keine ausreichend schnellen aktiven elektronischen Geräte zur Ver-

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fügung stehen· Daher wurde in dem Meßgerät die bekannte Abfrage-Technik eingesetzt« die in den Abfrage-Oezilloskopen zur Beobachtung von extrem schnellen elektrischen Impulsen ausgenutzt wird· Sie besteht im Entnehmen und Einspeichern der Spannungsproben des untersuchten Verlaufes in seinen verschiedenen Phasen« wobei dieser Verlauf so oft wiederholt wird« wie die Proben entnommen werden« Diese Proben werden in der gleichen Folge wiedergegeben« in welcher sie entnommen wurden« aber bereits in beliebig langer Zeit und 'bilden den Verlauf eines einzelnen Impulses nach«

Der Impuls von der Steuerschaltung IO setzt den Speicher des Abtastkopfes 5 zurück und löst beide Nadelimpulsgeneratoren 8; 9 aus« wobei das Auslösen des Generators des verzögerten Nadelimpulses 9 auf kontrollierte Art durch die Verzögerungss';haltung verzögert 13 wird· Die beiden Impulse versorgen die Sonde 1 über den Eingangsanschluß 7« Jeder davon« unabhängig vom anderen« bewirkt die Abwicklung einer elektromagnetischen Welle in dem Feeder 6« die in der Verzweigung 2 die getragene Energie gleichmäßig unter die Feeder 3a) 3b; 3c verteilt« zu den Enden der Wellenleiter la; Ib; Ic läuft und - wie vorstehend erläutert - weiter reflektiert wird«

Sowohl die Primärimpulse als auch die reflektierten Impulse treten am Eingang des Abtastkopfes 5 ein· Dieser Kopf reagiert nicht auf gleiche oder kleinere Spannungen als die höchste von den separat an ihrem Eingang auftretenden Spannungen der einzelnen Impulse· Wenn der Nadelimpuls und der verzögerte Nadelimpuls zeitlich zusammenlaufen (einander überlappen)« überschreitet die resultierende Spannung dee Abtastkopfes S den Grenzwert und die P_robe wird entnommen«

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Die Rolle dee Gatters, dae entscheidet, ob die Probe entnommen wird, wird von einer durch eine entsprechende Spannung eperrpolarieierte Schottky-Diode erfüllt, die durch die kürzeste, aktuell erreichbare, Umecheltzeit gekennzeichnet ist» Wenn die Diode offen ist, wird die durch den Kopf eingespeicherte Spannung direkt proportional zu dem let-Wert der Spannung des abgetasteten Impulses· Der Impuls vom Generator des verzögerten Nadelimpuleee 9 wird - vermittels der Verzögerungsschaltung 13 (zeitlich) phasenverschoben, wobei diese Zeit durch die Steuerschaltung IO durch die Spannung vom D/A-Wandler 19 eingestellt wird, wobei die Impulsverzögerung direkt proportional zu dieser Spannung ist«

Dae erfindungsgemäße Meßgerät kann als Meßgerät oder als Element eines Automatiksystems in der Technik und Wissenschaft, überall dort, wo die Feuchtigkeit eines Materials kontrolliert werden muß, d· h#, wo ihr Wert auf bestimmter Höhe gehalten wird oder ihr Wert einen Algorhythmus eines gekoppelten technologischen Prozesses bedingt sowie auch dann, wenn jede Überschreitung des angenommenen Intervalls ihres Wertes zum Auslösen eines Alarmsignals führen soll, eingesetzt werdon« Er kann auch für die Feuchtigkeitsmessungen aller kapillar-porösen Objekte verwendet werden, in welche temporär oder auf Dauer, auf zerstörungsfreie Weise, die Sonde des Messers eingeführt werden kann« Solche Objekte sind: der Boden, landwirtschaftliche Produkte, (Korn, Hopfendolden, Tabakblätter, Heu), Halb- und Fertigprodukte der Lebensmittelindustrie (Mehl, Backwaren), Holz, Formsand, Bettungen der Verkehrsstraßen, Fundamente von Gebäuden u« a·

Claims

Patentansprüche

JU Reflektonetriecher Feuchtigkeitsmesser für kapillar-poröse Körper« insbesondere für den Boden« enthaltend eine durch einen elektrischen Spannungsinpuls versorgten Wellenleitersonde« dadurch gekennzeichnet« daß er eine Sonde (1) enthalt« die einen Satz von η Wellenleitern (la)· (Ib), (Ic) enthält, die miteinander parallel über die im folgenden als Feeder bezeichneten Obertragungeleitungen (3a), (3b), (3c) in der Verzweigung (2) mit dem gemeinsamen Abschnitt des Feeders (6) verbunden sind« der an den Abtastkopf (5) über den Eingangeanschluß (7) angeschlossen ist und jeder von den Feedern (3a), (3b), (3c) nicht weniger als eine lokale, stufenweise Diskontinuität der Kenn-Impedanz (4a), (4b), (4c) aufweist, die im folgenden als Zeitmarker bezeichnet wird« der zwischen dam an diesen Feeder angeschlossenen Wellenleiter und der Verzweigung (2) lokalisiert ist, wobei sowohl dem Eingangsanschluß (7) als auch dem Abtastkopf (5) die Nadelimpulse vom Nadelimpulsgenerator (8) und verzögerte Nadelimpulee vom Generator der verzögerten Nadelimpulse (9) zugeführt werden, die durch Impulee von der Steuerschaltung (10) erregt werden, deren einer Ausgang mit den Eingang (12) des Nadelimpulegenerators (8) sowie vermittels der gesteuerten Verzögerungsschaltung (13) mit dem Eingang (14) des Generators der verzögerten Nadelimpulse (9) und deren anderer Ausgang mit dem Rücksetzeingang (15) des Abtastkopfes (5) verbunden ist« dessen Auegang (16) an das Spannungsabtastgerät (17) angeschlossen ist«
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einem Mikroprozessoreteuergerit besteht, wobei der Eingang (12) dee Nadelimpulsgenerators (8) an die Steuerschaltung (10) Ober eine Verzögerungeleitung (11) und dor Eingang (18) der Verzögerungesahaltung (13) mit der Steuerschaltung (10) vermittels eines O/A-Wandlers (19) und der Abtastkopf (5) mit der Steuerschaltung (10) vermittels dee Spannungeabtaetgerätee (17) verbunden ist, das aus einem A/D-Wandler besteht«

2« Reflektometrischer Feuchtigkeitsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet« daß die Steuerschaltung (10) aus
,3· Reflektometriecher Feuchtigkeitsmesser nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an die Sonde (1) mechanisch, auf untrennbare Weise ein elektrischer Anschluß (20) mit einem elektrisch mit seinen Kontakten verbundenen integrierten Schaltkreis (21) enthält, der den beschreibbaren Festwertspeicher Typ PROM bildet, dessen elektrische Heranführungen mit der Steuerschaltung (10) vermittels dee Buses (22) Ober einen anderen zum Anschluß (20) komplementären Anschluß (23) verbunden sind«

4· Reflektometriacher Feuchtigkeitsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet« daß die Längen der Feederabschnitte (3a), (3b), (3c), die die einzelnen Wellenleiter (la), (Ib), (Ic] dar Sonde (1) in der Verzweigung (2) verbinden, durch die Fortpflanzungezeiten dee Impulses zwischen dieser Verzweigung (2) und den einzelnen Zeitmarkern (4a), (4b), (4c) auf folgende Art bestimmt sind

) * Vn) ^td * ¹⁸
sowie

^{18 1}/ * 2 t_(L1)

27138ο
- 4 wobei folgende Definitionen gelten:

t/,_₊₁v - Fortpflanzungezeit des Impulses auf einem Abschnitt« gleich der zweifachen Distanzt Verzweigung - Zeifaarker, in dem innerhalb der Längenfolge nachstehenden Feeder;

*(Ln) ~ ^onalo9 ^für den innerhalb der Längenfolge vorstehenden Feeder;

¹IUi) " ^0na*°9 *^ur den längsten Feeder; ¹ILl) " ^analo9 ^^ür den kürzesten Feeder;

In - Länge des innerhalb der Längenfolge vorstehenden Wellenleiters;

IN · Länge des längsten Wellenleiters;

td - Totzeit« benötige zum Zurücklegen der zweifachen Dietanzx Zeitmarker - Verbindungestelle des Feeders mit dem Wellenleiter durch den Impuls;

c - Lichtgeschwindigkeit im Vakuum«

Ί s#