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Dokumentenidentifikation DE4242388A1 24.06.1993
Titel Tensionsinfiltrometer
Anmelder Punzel, Jürgen, Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., O-1307 Eberswalde, DE
Erfinder Punzel, Jürgen, Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., O-1307 Eberswalde, DE
DE-Anmeldedatum 08.12.1992
DE-Aktenzeichen 4242388
Offenlegungstag 24.06.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.06.1993
IPC-Hauptklasse G01N 33/24
IPC-Nebenklasse G01N 15/08   E02D 1/00   
Zusammenfassung Bei den bisher bekannten Tensionsinfiltrometern wird die im Versuchslauf wirksame Tension aus einer Eichung der Belüftungssteuerung bestimmt. Diese Eichung ist abhängig vom Benetzungsverhalten der Absperrflüssigkeit in dem Belüftungssystem, von dessen geometrischen Abmessungen und von der Größe des sich einstellenden Infiltrationsflusses. Diese Faktoren führen insbesondere bei hohen Fließraten im nahe gesättigten Bereich der hydraulischen Leitfähigkeit zu Meßfehlern. Die neue Anordnung soll die im Versuchslauf wirksame Tension an der untersuchten Bodenfläche anzeigen und eine beliebige Änderung der Tension gestatten.
Eine vom Infiltrationsgefäß getrennte und an den Boden gekoppelte Infiltrationsvorrichtung ist mit einem teilweise mit Wasser gefüllten Zusatzvolumen verbunden. An dem verbleibenden Luftvolumen ist ein U-Rohrmanometer angeschlossen. Die Höhe der geschlossenen Wassersäule in Infiltrationsvorrichtung und Zusatzvolumen und der Druck im U-Rohrmanometer zeigen die wirksame Tension an der Infiltrationsfläche an. Die Tension kann durch Variation des vertikalen Abstandes zwischen Infiltrationsgefäß und Infiltrationsvorrichtung verändert werden.
Tensionsinfiltrometer zur Bestimmung der ungesättigten hydraulischen Leitfähigkeit von Böden.

Beschreibung[de]
Stand der Technik

Die hydraulische Leitfähigkeit von Böden im nahe gesättigten Bereich wird im Feldversuch vorzugsweise mit Tensionsinfiltrometern ermittelt. (Ankeny, M. D., Kaspar, T. C., Horton, R., 1989. Automated Tension Infiltrometer. US Pat. Nr. 48 84 436) Die Bestimmungsgrößen der hydraulischen Leitfähigkeit bei dem zugrundeliegenden Meßprinzip sind die an der untersuchten Bodenoberfläche wirksamen Tensionen und die sich dabei einstellenden Infiltrationsflußraten.

Bei den bisher bekannten Konstruktionen dieser Meßgeräte wird eine angestrebte Tension an der Infiltrationsfläche durch eine Kaskade Mariotte'scher Gefäße eingestellt, wobei dem letzten Gefäß der Kaskade (Infiltrationsgefäß) das Wasser für den Infiltrationsfluß entnommen wird. Das in der Zeiteinheit ausfließende Wasservolumen betimmt den Infiltrationsfluß in den untersuchten Boden. Diese Bestimmungsgröße kann bei den bisher benutzten Anordnungen mit ausreichender Genauigkeit ermittelt werden (Constantz, J., Murphy, F., 1987. An automated technique for flow measurement from Mariotte reservoirs. Soil Sci. Soc. Am. J. 51; 252-254).

Die an der untersuchten Bodenoberfläche wirksame Tension bildet die antreibende Kraft für die Wasser- und Luftströmung in der Versuchsanordnung. Bei einer quasistatischen Versuchsführung, bei sehr kleinen Infiltrationsraten, wird das dem Infiltrationsgefäß entnommene Wasservolumen durch einzelne Luftblasen ersetzt, die in das Infiltrationsgefäß eintreten, wenn die wirksame Tension an der Infiltrationsfläche den stationären Schließdruck der Belüftungssteuerung übersteigt. Dieser stationäre Schließdruck wird gebildet aus der Summe der hydraulischen Druckhöhe bei der Eintauchtiefe der Belüftungsröhrchen in den Mariotte'schen Gefäßen und dem jeweiligen kapillaren Schließdruck dieser Belüftungsröhrchen.

Bei den bisher verwendeten Geräten wird diese "stationäre" Tension einer vorgegebenen Anordnung der Belüftungsröhrchen in einem Eichversuch mit einer Druckmeßeinrichtung (z. B. U-Rohrmanometer) ermittelt und den Infiltrationsläufen im Feldversuch zugrunde gelegt.

Diese Methode zur Bestimmung der wirksamen Tensionen beim Infiltrationsversuch enthält folgende Fehlerquellen:

  • 1. Der kapillare Schließdruck der Belüftungsröhrchen hängt von ihrem Benetzungsverhalten gegenüber der Absperrflüssigkeit und deren Oberflächenspannung ab. Eine Veränderung diese Benetzungsverhaltens tritt z. B. bei einer Besiedelung der Oberflächen durch Mikroorganismen auf. Die Oberflächenspannung kann durch Temperaturänderungen oder durch gelöste Fremdstoffe verändert werden.
  • 2. Die Einhaltung vorgegebener Eintauchtiefen der Belüftungsröhrchen erfordert im Feldversuch einen besonderen Aufwand. Diese Eintauchtiefe ändert sich im Versuchsverlauf, wenn ungesättigte Atmosphärenluft in die Belüftungsröhrchen eintritt und dabei Wasser aufnimmt.

    Bei Verwendung großer Infiltrationsflächen ist aus Stabilitätsgründen die Infiltrationsvorrichtung vom Infiltrationsgefäß getrennt und mit einem Schlauch flexibel verbunden (Tension Infiltrometer, Model II; Soil Measurement Systems, 7344 N. Oracle Road, Tucson, Az 85704 USA). Die Eichung für die wirksame Tension bezieht sich jedoch auf einen vorgegebenen vertikalen Abstand der Infiltrationsfläche zum Infiltrationsgefäß. Unter den Bedingungen von Feldmessungen ist dieser Abstand bei der getrennten Anordnung nur ungenau zu ermitteln oder einzuhalten.
  • 3. Ein "quasistationärer" Infiltrationsfluß bei der Belüftungssteuerung in einem Tensionsinfiltrometer erfolgt bei der Mehrzahl der Böden nur bei Tensionen oberhalb etwa 15 mm WS. Bei weiterer Absenkung der Tension steigen die Fließraten derart an, daß ein zunehmender Teil der wirksamen Tension zur Überwindung der Strömungswiderstände in der Meßapparatur benötigt wird. Die wirksame Tension ist um diesen Betrag gegenüber der "quasistationären" Tension vergrößert. Da Tensionsinfiltrometer bevorzugt zur Charakterisierung des Grobporensystems von Böden eingesetzt werden, sind insbesondere Infiltrationsversuche bei niedrigen Tensionen bis zum Wert Null bei entsprechend hohen Infiltrationsflußraten erforderlich. Der Fehler bei der Tensionsmessung kann dabei den "quasistationär" ermittelten Eichwert um ein mehrfaches übertreffen.


Für die Bestimmung der hydraulischen Leitfähigkeit sind Versuchsläufe mit unterschiedlichen Tensionen erforderlich. Bei den bisher üblichen Tensionsinfiltrometern werden dazu Mariotte'sche Gefäße mit mehreren Belüftungsröhrchen verwendet, die jeweils unterschiedliche Eintauchtiefen in der Absperrflüssigkeit besitzen. Die bei einer Messung anwendbaren Tensionen sind dabei auf diese voreingestellten diskreten Werte beschränkt.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist eine Tensiometeranordnung, die eine direkte Bestimmung der an der Infiltrationsfläche wirksamen Tension während des Versuchslaufes gestattet. Diese Tensionsmessung soll unabhängig von den Benetzungseigenschaften des Belüftungssystems und unabhängig von der jeweiligen Infiltrationsflußrate sein. Die erfindungsgemäße Tensiometeranordnung soll auch die kontinuierliche Änderung bzw.beliebige Einstellung einer Tension gestatten.

Lösung

Die Zielstellung der Erfindung wird dadurch erreicht, daß bei einem Tensionsinfiltrometer mit einer abgesetzten Infiltrationsvorrichtung an das Wasservolumen oberhalb der Infiltrationsfläche ein Zusatzvolumen angeschlossen ist, das teilweise mit Wasser gefüllt ist. Diese Wasserfüllung bildet mit dem Wasservolumen der Infiltrationsvorrichtung eine Wassersäule in der kein Druckabfall infolge einer Wasserströmung eintritt. Das verbleibende Luftvolumen oberhalb dieser Wasserfüllung ist mit einem U-Rohrmanometer zur Druckanzeige berbunden. Bei dieser Anordnung ist die wirksame Tension an der Infiltrationsfläche bestimmt durch die hydraulische Druckhöhe dieser Wassersäule und den Unterdruck in dem darüberliegenden Luftvolumen. Beide Größen können in üblicher Weise genau ermittelt werden. Die Höhe der Tension wird bei dieser Anordnung durch Variation des vertikalen Abstandes zwischen dem Infiltrationsgefäß und der Infiltrationsvorrichtung verändert.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Ein Mariotte'sches Gefäß (1) mit einem Belüftungsröhrchen (2) ist mit einem Infiltrationsgefäß (3) fest verbunden.

Über eine flexible Verbindung (4) ist an das Infiltrationsgefäß (3) eine Infiltrationsvorrichtung (5) angeschlossen, die an den zu untersuchenden Boden angekoppelt ist. In einem Bereich geringer Strömungsgeschwindigkeit des infiltrierenden Wassers (Position mit maximalem Strömungsquerschnitt) ist an der Infiltrationsvorrichtung (5) ein teilweise mit Wasser gefülltes Zusatzvolumen (6) und an dessen Luftvolumen (7) ein U-Rohrmanometer (8) angeschlossen.

Die Kombination aus Mariotte'schem Gefäß (1) und dem Infiltrationsgefäß (3) kann an seiner Halterung (9) vertikal gegenüber der Infiltrationsvorrichtung (5) verschoben werden. Dabei ändert sich die Höhe der zwischen (3), (4) und (5) ausgebildeten Wassersäule und damit die Tension auf der Infiltrationsfläche. Diese Tension wird durch die Höhe der Wassersäule in (5) und (6) und den Druck im U-Rohrmanometer angezeigt.


Anspruch[de]
  1. 1. Tensionsinfiltrometer zur Bestimmung der ungesättigten hydraulischen Leitfähigkeit von Böden, mit einem Mariotte'schen Wasserzuführungssystem (1), (3) und einer damit flexibel verbundenen Infiltrationsvorrichtung (5), dadurch gekennzeichnet, daß die Infiltrationsvorrichtung (5) mit einer Druckmeßeinrichtung (6) fest verbunden ist.
  2. 2. Tensionsinfiltrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckmeßeinrichtung aus einem teilweise mit Wasser gefüllten Zusatzvolumen (6) besteht, dessen Wasserfüllung mit dem Wasservolumen der Infiltrationsvorrichtung (5) eine geschlossene Wassersäule bildet und an dessen Luftvolumen (7) ein U-Rohrmanometer (8) angeschlossen ist.
  3. 3. Tensionsinfiltrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mariotte'sche Wasserzuführungssystem (1), (3) an einer Halterung (9) befestigt ist, die seine vertikale Verschiebung gegenüber der Infiltrationsvorrichtung (5) gestattet.






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