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Feuchtesensor und dessen Verwendung - Dokument DE4432687C2
 
PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE4432687C2 16.07.1998
Titel Feuchtesensor und dessen Verwendung
Anmelder Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 76133 Karlsruhe, DE
Erfinder Brandelik, Alexander, Dr., 76227 Karlsruhe, DE
DE-Anmeldedatum 14.09.1994
DE-Aktenzeichen 4432687
Offenlegungstag 21.03.1996
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 16.07.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.07.1998
Free division/divided out on the grounds of lack of unity P4447767.8
IPC-Hauptklasse G01N 22/04
IPC-Nebenklasse H01P 1/16   H01P 3/12   H01Q 13/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Feuchtesensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, sowie dessen Verwendung.

Meteorologische Modelle erfordern eine genaue Kenntnis des Wassergehalts im Boden, da der Energieaustausch zwischen Boden und Atmosphäre wegen der großen Wärmekapazität des Wassers gegenüber der Luft hauptsächlich durch Verdampfung und Kondensation von Wasser vermittelt wird. In der Hydrologie bildet die genaue Kenntnis des Wassergehalts die Planungsgrundlage. In der Landwirtschaft ist eine optimale Bewässerung ohne exakte Wasserbestimmung nicht möglich. Eine zu geringe Wassermenge führt zur Schädigung der Pflanzen, während eine zu starke Bewässerung ein Auswaschen der Nährstoffe verursacht. Bei Trocknungsprozessen bringt eine genaue Kenntnis des Wassergehaltes Kostenvorteile, da die Trocknungsvorgänge sehr energieintensiv sind.

In der Regel werden zur Feuchtebestimmung Sonden benutzt, bei denen der Dielektrizitätskoeffizient DK des Gemisches durch Reflexionsmessungen ermittelt wird. Die Feuchte wird daraus über Kalibriermessungen bestimmt.

Aus A. P. Gregory et al.: NPL Report DES 125 "RF and Microwave dielectric measurements upon layered materials using a reflectometric coaxial sensor", März 1989, S. 1-6, ist ein Sensor der gattungsgemäßen Art bekannt. Nachteilig bei diesem Sensor ist der geringe sensitive Durchmesser und eine über diesen Bereich hinausragende Platte, durch welche Pflanzen bei der Messung beschädigt werden können.

Des weiteren ist ein Feuchtesensor der gattungsgemäßen Art auch aus der GB 2 194 340 A bekannt, bei welchem die HF- Leistung lediglich mit einem am Leitungsende offenen Koaxialkabel auf die Probe übertragen wird.

Aus Proceedings of the IEEE Vol. 62, No. 1, January 1974, Seiten 93 bis 98 ist ein Feuchtesensor bekannt, bei dem ein Modenwandler die von einer Quelle kommenden Mikrowellen in Oberflächenwellen einer Platte wandelt. Damit können nur Proben gemessen werden, die sich auf der Platte befinden.

Aufgabe der Erfindung ist es einen Sensor der e. g. Art so auszugestalten, daß bei einer Messung eine möglichst große Fläche erfaßt werden kann, ohne daß die Vegetation beeinträchtigt wird.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen des Sensors. Der Anspruch 5 zeigt eine vorteilhafte Verwendung.

Ein besonderer Vorteil des Sensors besteht in seinem konstruktionsbedingten sehr kleinen Durchmesser des Oberflächenwellenleiters, damit auch die ganze Konstruktion leicht und schlank wird, wodurch im Feldbetrieb eine leichte Handhabung auch zwischen den Pflanzen möglich ist. Es ist auch möglich Medien mit welliger oder rauher Oberfläche zu untersuchen, wie Schüttgüter und Straßenbeläge. Durch eine geeignete exponentielle Gestaltung der Hornöffnung kann die Gesamtlänge des Sensors auf ca. 1,5 m reduziert werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Beispiels mit Hilfe der Figur näher erläutert.

Die Figur zeigt am oberen Ende des Sensors den Modenwandler 1, welcher als Horn ausgeführt ist. Das Reflexionsmessgerät, das sich weiter oben anschließt, ist hier nicht dargestellt. Durch die exponentielle Ausgestaltung der Hornöffnung wird eine kompakte Form des Sensors erreicht. Der Anschlußwellenleiter 4, welcher das Horn mit dem Reflexionsmessgerät verbindet ist hier als Koaxialleiter dargestellt. Dies hat den Vorteil, daß der Oberflächenwellenleiter, welcher dem Horn nach unten folgt, direkt konzentrisch anschließbar ist. Der Anschlußwellenleiter kann auch ein Hohlleiter sein.

Die Linien mit den Pfeilen stellen im Bereich des Horns die koaxiale Wellenmode und im Bereich des Oberflächenwellenleiters die Oberflächenwellenmode dar.

Der Oberflächenwellenleiter, welcher direkt auf die Oberfläche 5 des zu messenden Mediums aufgesetzt ist, besteht aus einem Metallzylinder 2 mit hoher Leitfähigkeit, dessen Oberfläche 3 derart ausgestaltet ist, daß sich Oberflächenwellen verlustarm ausbreiten können, wobei der Grenzradius der Oberflächenwellen groß ist. Der Grenzradius bedeutet hier, wie in der Elektrotechnik üblich, den Bereich in dem 90% der Energie konzentrisch geführt wird.

Der Metallzylinder 2 kann auch ein Hohlzylinder sein.

Für den Oberflächenwellenleiter werden zwei verschiedene Beispiele angegeben.

Im ersten Fall ist die Oberfläche 3 eine dielektrische Schicht auf dem Metallzylinder 2. Dadurch werden hier die Verluste klein gehalten.

Im zweiten Fall wird die Oberfläche 3 durch die Oberfläche des Metallzylinders 2 selbst gebildet. Die entspricht dem Sommerfeldschen Drahtleiter. Nachteilig bei diesem Leiter ist der relativ hohe Verlust.

Durch geeignete Veränderung der Frequenz und der Oberfläche 3 kann der Grenzradius variabel gestaltet werden.

Die Eindringtiefe des HF Feldes in das zu messende Medium, und damit der Messbereich, ist direkt proportional zum Grenzradius.

Durch die Verwendung von Sensoren mit unterschiedlichen Grenzradien kann nun an einer Meßstelle ein Feuchtigkeitstiefenprofil erhalten werden.

Das kann durch unterschiedliche Frequenzen beim gleichen Sensor realisiert werden oder durch unterschiedliche Ausgestaltungen des Oberflächenwellenleiters. Eine beliebige Kombination der Änderung beider Parameter, welche den Grenzradius bestimmen ist ebenfalls möglich.

Ein Feuchtesensor, der besonders für Feuchtemessungen von Böden geeignet ist, ist wie folgt dimensioniert.

Der Modenwandler ist ein exponentiell öffnendes Horn, dessen maximaler Durchmesser 0.5 m und dessen Länge ca. 0.4 m beträgt.

Der Oberflächenwellenleiter ist ein Messingrohr von 8 mm Außendurchmesser. Die Oberfläche 3 ist ein 2,5 mm dicker PVC- Mantel. Die bevorzugte Meßfrequenz liegt zwischen 500 und 1000 MHz. Die Grenzradien leigen dabei zwischen 0.25 und 0.1 m.


Anspruch[de]
  1. 1. Feuchtesensor bestehend aus einem Hochfrequenz (HF)-Reflexionsmessgerät und Mitteln zur Übertragung der HF, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Übertragung der HF bestehen aus
    1. a) einem Modenwandler (1), welcher die vom Messplatz kommenden Wellen in Oberflächenwellen umwandelt, wobei der Modenwandler (1) ein exponential öffnendes Horn ist und
    2. b) einem Oberflächenwellenleiter, welcher am Leitungsende offen ist, wobei der Oberflächenwellenleiter mindestens 2,5 Wellenlängen lang ist.
  2. 2. Feuchtesensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenwellenleiter ein mit einem Dielektrikum ummantelter Metallzylinder (2) ist.
  3. 3. Feuchtesensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenwellenleiter ein Sommerfeldscher Drahtleiter ist.
  4. 4. Feuchtesensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der Hornöffnung mindestens so groß ist, wie der Grenzradius der Oberflächenwellen, welche sich am Oberflächenwellenleiter ausbilden.
  5. 5. Verwendung von mindestens zwei Feuchtesensoren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 mit unterschiedlichen Grenzradien zur tiefenaufgelösten Feuchtemessung.






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