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Dokumentenidentifikation DE19616391C2 22.04.1999
Titel Tensiometer mit Meßwertüberwachung und automatischer Nachbefüllung
Anmelder Unold, Georg von, 80638 München, DE
Erfinder Unold, Georg von, 80638 München, DE
Vertreter v. Füner Ebbinghaus Finck Hano, 81541 München
DE-Anmeldedatum 24.04.1996
DE-Aktenzeichen 19616391
Offenlegungstag 21.11.1996
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 22.04.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.04.1999
IPC-Hauptklasse G01N 33/24
IPC-Nebenklasse G01N 33/18   G01V 9/00   G01L 9/00   G01L 19/00   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft Tensiometer.

Tensiometer sind Meßgeräte, die zur Messung der Wasserspannung im Boden eingesetzt werden. Die Wasserspannung im Boden ist das Maß für die Summe der Wasserhaltekräfte im Boden. Diese Meßgröße ist entscheidend für pflanzenphysiologische Untersuchungen, da Pflanzen diese Kraft überwinden müssen, um Wasser aufnehmen zu können. Weiter ist sie unmittelbare Meßgröße für die Beschreibung von Wasserhaushalts- und Stofftransportstudien.

Aus der DE-A-43 08 720 ist ein Tensiometer mit einem in den Boden einzubringenden porösen Hohlkörper und einer Druckmeßeinrichtung bekannt.

Die DD 285 839 A5 offenbart eine Vorrichtung zur Sondierung der Leitfähigkeitskoeffizienten von Böden nach dem Piezometerprinzip. Diese Vorrichtung weist ein vollständig mit Wasser gefülltes Sondenrohr, ein zwischen einer kegelförmigen Spitze und dem unteren Ende des Sondenrohres befindliches offenporiges Filterelement aus einem Sintermetall, einen Drucksensor, ein Zusatzwasservolumen sowie ein Regulierungselement für die ausgetauschte Wassermenge auf. Über das Filterelement erfolgt eine Wasserströmung bis zum Druckausgleich mit dem Bodenwasser. Der Drucksensor im Wasservolumen des Sondenrohres erfaßt den anliegenden statischen Druck. Nach Ausbildung des Druckgleichgewichts wird am Kopf des Sondenrohres ein mit Luft unter Atmosphärendruck gefülltes Zusatzvolumen angeschlossen und gleichzeitig der Druckverlauf bis zur erneuten Ausbildung des Gleichgewichts zwischen Bodenwasserdruck und statischem Druck im Sondenrohr registriert. Aus dem Druck-Zeit-Verlauf, dem Zusatzvolumen und dem bekannten Leitfähigkeitskoeffizienten für das Filterelement kann der Leitfähigkeitskoeffizient für das Bodenvolumen in der Umgebung der Sondenspitze ermittelt werden.

Aus der DE-OS-26 18 540 ist eine tensiometerbasierte elektronische Bewässerungsregelung bekannt. Dabei sind auf einer T-Schiene, die als Träger und Bodenspieß dient, eine keramische Zelle, ein Druckschalter, ein Entlüftungsventil und ein Wasserbehälter montiert. Die genannten Teile sind durch Verbindungsrohre miteinander gekoppelt. Die keramische Zelle wird so weit in den Boden versenkt, wie die Wurzellage der jeweiligen Pflanzenkultur es erfordert. Beim Trocknen des Bodens tritt eine kapillare Saugspannung auf, die das Wasser aus der keramischen Zelle heraussaugt. Über ein Verbindungsrohr erfolgt ein Druckausgleich zwischen der keramischen Zelle und dem Druckschalter. Der Druckschalter dient zur Ansteuerung von Wasserventilen. Die im Tensiometer auftretenden Luftblasen werden in regelmäßigen Zeitabständen durch Öffnen eines Magnetventils aus dem System herausgelassen, wobei gleichzeitig automatisch eine Wassernachfüllung erfolgt.

Aus der DE 691 12 787 T2 ist eine Vorrichtung zur Messung des Porenwasserdrucks und der Ionenkonzentration des Bodens bekannt. Diese Vorrichtung weist ein Führungsrohr aus PVC auf, an dem eine Kerze aus poröser Keramik angebracht ist. Ein Abdichtstopfen ist mittels Epoxiverklebung am oberen Ende der Kerze festgemacht. Der Abdichtstopfen hat drei Löcher für den Durchlaß dreier Kapillarröhrchen aus Nylon. Das erste Kapillarrohr verbindet ein Manometer mit dem unteren Ende der Kerze. Das zweite Kapillarrohr taucht ebenfalls bis in den tiefsten Teil der Kerze ein und kann an seinem oberen Ende mittels eines Ventils geöffnet und geschlossen werden. Das untere Ende des dritten Kapillarrohrs dringt nur bis zum oberen Ende der Kerze vor, kann aber ebenfalls durch ein Ventil geöffnet und geschlossen werden. Das zweite Kapillarrohr ist mit einer peristaltischen Pumpe verbunden, welche eine turbulente Strömung einer in der Keramikkerze enthaltenen Lösung hervorruft. Wenn die zugeführte Lösungsmenge zu groß ist, wird der Lösungsüberschuß zum dritten Kapillarrohr zurückgeleitet. Nach Beendigung der Messung erfolgt eine Umkehr der Drehrichtung der peristaltischen Pumpe, wodurch die überschüssige Lösung dann über das zweite Kapillarrohr in die Kerze zurückgeführt wird.

Ein in der Druckschrift "T6 Druckaufnehmer-Tensiometer", UMS GmbH, München 1994 beschriebenes, gattungsbildendes Tensiometer zur Messung der Wasserspannung im Boden weist einen Druckaufnehmer und ein mit entgastem Wasser gefülltes Keramikgefäß auf. Nach dem Einbringen des Keramikgefäßes in den Boden wird die Wasserspannung des Bodens über die Keramik (semipermeable Membran) auf das Tensiometerwasser und über dieses auf den Druckaufnehmer übertragen. Wichtig dabei ist, daß das Tensiometerwasser frei von Gas- oder Dampfblasen ist, da der Druck inkompressibel übertragen werden muß.

Tensiometer zur Messung der Wasserspannung im Boden nach dem Stand der Technik messen allerdings nur in einem eingeschränkten Meßbereich. Wird Wasser durch Unterdruck entspannt und überschreitet es durch die Druckabsenkung den Siedepunkt, so verdampft es. Für eine Temperatur von 20°C liegt der Siedepunkt des Wassers bei ca. 23 hPa gegen Vakuum, bei einem Umgebungsdruck von 1000 hPa also bei ca. 977 hPa unterhalb des Umgebungsdrucks. Der Boden kann jedoch weit trockener werden, was gerade in trockenen Jahreszeiten häufig geschieht. Wird der Boden aber zu trocken und damit die Wasserspannung zu groß, so verdampft das Wasser aus dem Tensiometer. Eine weitere sinnvolle Messung mit dem Tensiometer ist nicht möglich. Auch wenn die Wasserspannung nach einer gewissen Zeit unter die Tensiometermeßwertgrenze abgefallen ist, kann nicht mehr mit dem Tensiometer weitergemessen werden, denn es befindet sich nur noch zu wenig oder gar kein Wasser mehr im Keramikgefäß. Tritt dieser Fall ein, muß das Tensiometer von Hand neu befüllt werden. Dies macht eine häufige Kontrolle notwendig, was insbesondere bei Langzeitmessungen oder bei einer großen Anzahl gleichzeitig im Einsatz befindlicher Tensiometer sehr aufwendig ist. Dabei sind gerade Langzeit-Umwelt-Monitoring- Studien ein Hauptanwendungsgebiet für Tensiometer. Außerdem gehen durch die mit der Kontrolle, dem Ausgraben, dem Befüllen und dem Wieder-Eingraben des Tensiometers verbundene Zeitverzögerung prinzipiell aufnehmbare Meßwerte verloren. Man nehme zum Beispiel an, ein Tensiometer beginne zum Zeitpunkt t0 mit der Messung. Zum Zeitpunkt t1 überschreitet die Wasserspannung den Grenzwert des Meßbereichs. Das Tensiometer beendet seine Messung bzw. liefert unsinnige Meßwerte. Zu einem Zeitpunkt t2 falle die Wasserspannung wieder unter den Grenzwert des Meßbereiches. Das Tensiometer könnte jetzt prinzipiell wieder zuverlässige Meßwerte liefern, tut dies jedoch aufgrund der in seinem Inneren abgelaufenen irreversiblen Veränderungen nicht. Eine Kontrolle des Tensiometers erfolgt erst zum Zeitpunkt t3, und erst nach einer weiteren Zeitspanne, zum Zeitpunkt t4, ist das Tensiometer wieder zum erneuten Meßeinsatz hergerichtet. Während der Zeitspanne Δt = t4 - t2 liefert das Tensiometer keine oder nur unsinnige Meßwerte, obwohl die Wasserspannung nicht außerhalb des Meßbereiches liegt.

Aus dem Stand der Technik (siehe die Schrift "T6 Druckaufnehmer-Tensiometer", UMS GmbH, München 1994) ist eine Kontrolleinrichtung für Tensiometer bekannt, die anzeigt, ob Dampf- oder Luftblasen im Tensiometer vorhanden sind, dieses also neu befüllt werden muß. Die Erkennung geschieht über eine Infrarotlichtmeßstrecke, bei der IR-Licht durch das Tensiometerwasser in Richtung auf einen Phototransistor gelenkt wird. Ist die Lichtmeßstrecke mit Wasser gefüllt, wird das IR-Licht durch das Wasser absorbiert, und der Lichtstrahl gelangt nicht zum Phototransistor. Ist dagegen Luft oder Dampf in der Lichtmeßstrecke, so schaltet der Phototransistor durch. Über eine elektronische Schaltung wird ein digitales Signal erzeugt. Damit läßt sich erkennen, ob das Tensiometer zum Befüllen aus dem Boden ausgebaut werden muß oder eben nicht. Wird das IR- Signal parallel zu den Meßwerten aufgezeichnet, so läßt sich bei der Datenauswertung feststellen, welche Werte zuverlässig sind und welche nicht. In jedem Falle muß jedoch das Tensiometer ausgebaut werden, wenn der Meßbereich überschritten wurde, damit es frisch befüllt werden kann und wieder funktioniert.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Tensiometer bereitzustellen, das sich automatisch befüllt, sobald die Gefahr besteht, daß sich Dampfblasen im Tensiometerwasser bilden.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das gattungsgemäße Tensiometer zusätzlich ausgestattet wird mit einem Wasservorratsgefäß, einem Mikroventil, einer vom Wasservorratsgefäß über das Mikroventil zum Keramikgefäß führenden Befülleitung und einer Steuerelektronik für das Mikroventil, das die Befülleitung absperrt, solange der vom Druckaufnehmer gemessene Druckwert einen vorbestimmten Druckgrenzwert nicht überschreitet, und bei Erreichen oder Überschreiten des vorbestimmten Druckgrenzwerts über die Steuerelektronik kurzzeitig geöffnet und wieder geschlossen wird, so daß während der Öffnungszeit des Mikroventils Wasser aus dem Wasservorratsgefäß in das Keramikgefäß fließen kann.

Das erfindungsgemäße Tensiometer hat den Vorteil, daß es über einen langen Zeitraum ohne Kontrolle eingesetzt werden kann. Das erfindungsgemäße Tensiometer funktioniert über mehrere Monate unbeaufsichtigt. Erst wenn das Wasservorratsgefäß leer ist, muß dieses nachgefüllt werden. Dazu braucht man aber das erfindungsgemäße Tensiometer nicht mehr aus dem Boden auszubauen. So unterbleibt diese Störung des Bodens, wodurch die Aussagekraft der Tensiometermeßwerte steigt. Außerdem ist der Wartungsaufwand auf ein Minimum reduziert.

Insbesondere nach Trockenperioden sind die durch Niederschlagsereignisse eingebrachten Luftschadstoffe meist höher konzentriert. Diese gelangen im allgemeinen über den Boden in das Grundwasser. Gerade die Wassersituation nach Trockenperioden ist daher von großer Bedeutung. Ähnlich verhält es sich mit den ersten Sickerwässern nach der Frostperiode. Beginnt die Schneeschmelze, werden hohe Konzentrationen an Schad- und Nährstoffen infiltriert oder ausgewaschen. Diese Wassersituationen können mit dem erfindungsgemäßen Tensiometer erfaßt werden. Das bedeutet gegenüber den bekannten Tensiometern eine Erweiterung des Anwendungsbereiches und eine Erhöhung der Aussagekraft der Meßwerte.

Das erfindungsgemäße Tensiometer kann auch in Lysimeteranlagen eingesetzt werden. Bisher war dies nur bedingt möglich, da die Lysimeterfühler teilweise nur unter großem technischen Aufwand entnommen werden konnten. Erfindungsgemäß reduziert sich die Wartung auf ein Minimum zur Nachkalibrierung, wie dies im allgemeinen bei Meßfühlern nötig ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Tensiometers sind in den Patentansprüchen 2 bis 21 beschrieben.

Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Tensiometers werden anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1: eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tensiometers,

Fig. 2: ein Tensiometer nach dem Stand der Technik,

Fig. 3: eine erste Ausführungsform eines Mikroventils für das erfindungsgemäße Tensiometer,

Fig. 4: einen zeitlichen Verlauf einer Steuerung eines Motors zur Selbstbefüllung des erfindungsgemäßen Tensiometers,

Fig. 5: einen Schaltplan einer Ausführungsform einer Ansteuerungsschaltung des Motors für das erfindungsgemäße Tensiometer,

Fig. 6: eine zweite Ausführungsform des Mikroventils für das erfindungsgemäße Tensiometer und

Fig. 7: einen zeitlichen Verlauf einer Steuerung der zweiten Ausführungsform des Mikroventils.

In Fig. 2 ist ein bekanntes Tensiometer zur Messung der Wasserspannung im Boden dargestellt. Es weist einen Druckaufnehmer D und ein mit entgastem Wasser W gefülltes Keramikgefäß K auf. Nach dem Einbringen des Tensiometers in den Boden wird die Wasserspannung des Bodens über die Keramik K auf das Tensiometerwasser W und über dieses auf den Druckaufnehmer D übertragen. Wird der Boden zu trocken und damit die Wasserspannung zu groß, so verdampft das Wasser. Das Tensiometer muß dann neu befüllt werden.

Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Tensiometers mit einem Tensiometerschaft 21 und einer sogenannten Tensiometerkerze 23, zwischen denen ein sogenannter Korpus 22 angeordnet ist. Ein Druckaufnehmer 1 ist Bestandteil des Korpus 22. Die Tensiometerkerze 23 besteht aus einem Keramikgefäß 25, das mit entgastem Wasser 24 gefüllt ist.

In den Tensiometerschaft 21 ist ein Wasservorratsgefäß 4 integriert. Eine Befülleitung 5 führt vom Wasservorratsgefäß 4 über ein Mikroventil 3 zum Keramikgefäß 25.

Das Wasservorratsgefäß 4 ist wie das Keramikgefäß 25 mit entgastem Wasser befüllt. Die Innenwandung des Wasservorratsgefäßes 4 wurde vor dem Befüllen mit einem Antialgenmittel behandelt. Außerdem ist dem entgasten Wasser 24 zur Vermeidung von Algenbildung RehalonR beigegeben.

Im Tensiometerschaft 21 ist ferner eine mit dem Mikroventil 3 verbundene Steuerelektronik 2 angeordnet.

Die Zuführung von Referenzluft, d. h. eines Referenzdrucks, zum Druckaufnehmer 1 erfolgt über einen einen Luftschlauch bildenden Mantel 26 eines Meßkabels. Dieser Mantel 26 ist hermetisch dicht mit dem Druckaufnehmer 1 vergossen und stellt auf diese Weise eine Referenzluftzuführungsleitung dar. So kann das Wasservorratsgefäß 4, wie in Fig. 1 dargestellt, derart in den Tensiometerschaft 21 integriert werden, daß es identisch mit einem Teil des Tensiometerschaftes 21 ist. Der Tensiometerschaft 21 als solcher dient bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Tensiometers also nicht zur Luftdruckübertragung.

Außerhalb des Tensiometerschaftes 21 ist in den Mantel 26 ein Schlauchstück aus GORETEXR27 eingefügt. Dieses bewirkt, daß sich der als Referenzdruck nötige atmosphärische Druck von der Umgebungsluft über das Innere der Referenzluftzuführungsleitung auf den Druckaufnehmer 1 übertragen kann und zwar so lange, wie das Schlauchstück aus GORETEXR27 trocken ist. Liegt dieses in oder unter Wasser, so hält es aufgrund seiner stark hydrophoben Oberfläche Wasser ab. Dadurch kann kein Wasser in die Referenzluftzuführungsleitung gelangen. Dies ist für das Funktionieren des Tensiometers wichtig, denn Wasser in der Referenzluftzuführungsleitung würde den Luftdruckausgleich behindern und zur Schutzschirmgeflechtkorrosion führen.

Der Druckaufnehmer 1 mißt die Wasserspannung, sobald die Stromversorgung eingeschaltet wird. Liegt der Meßwert über 800 hPa, beginnt die Gefahr des Verdampfens. Ab diesem Grenzwert wird das Mikroventil 3 über die Steuerelektronik 2 kurzzeitig geöffnet und wieder geschlossen, so daß Wasser aus dem Wasservorratsgefäß 4 über die Befülleitung 5 nachfließen kann. Durch das einlaufende Wasser, dessen Menge geringer als 0,1 ml sein sollte, sinkt der Meßwert auf null hPa. Frühestens nach einer elektronisch eingestellten Zeitverzögerung von vorzugsweise 10 min kann das Mikroventil 3 wieder kurzzeitig geöffnet werden, sofern der Meßwert erneut über 800 hPa liegt.

Das Mikroventil 3 sollte aufgrund der für das Tensiometer geltenden besonderen Druckmeßanforderungen und aufgrund der Anforderung einer gasblasenfreien Wasserbefüllung möglichst ein pulsfreies Öffnen und Schließen gewährleisten. Fig. 3 zeigt ein speziell für das erfindungsgemäße Tensiometer entwickeltes Mikroventil, das pulsfrei öffnet und schließt. Das in Fig. 3 dargestellte Mikroventil weist einen Ventilkopf 6, eine Gewindehülse 7, einen Motor 8, der z. B. ein Gleichstromgetriebemotor sein kann, und ein Ventilgehäuse 9 auf. Die Befülleitung 5 führt durch das Mikroventil hindurch.

Der Ventilkopf 6 ist über die Gewindehülse 7 mit dem Motor 8 verbunden. Der Ventilkopf 6 drückt im geschlossenen Zustand die Befülleitung 5 gegen das Ventilgehäuse 9 ab. In Motorlaufrichtung "links" wird das Ventil geöffnet, "rechts" wird es geschlossen. Der Motor 8 ist so ausgewählt, daß der Kurzschlußstrom nur ca. 12 mA beträgt. Dadurch kann die Ansteuerung derart erfolgen, daß der Schließvorgang etwa 20% länger als der Vorgang zum Öffnen dauert. Dadurch wird die zuverlässige Abdichtung erreicht.

Bei einem Ausführungsbeispiel hat das Mikroventil eine Breite und eine Tiefe von jeweils 7 mm und eine Länge von 50 mm. Der Stromverbrauch ist kleiner als 5 mA.

Mit Bezug auf die Fig. 4 und 5 wird im folgenden ein Beispiel für die Ansteuerung des Motors 8 erläutert.

Eine Steuerungsschaltung (Fig. 5) für den Motor 8 sollte bei Überschreiten eines Unterdrucks von 800 hPa innerhalb des Keramikgefäßes 25 des erfindungsgemäßen Tensiometers den Motor 8 für einen Zeitraum von 7 s einschalten und den Motor 8 anschließend wieder abschalten.

Innerhalb dieser 7 s muß der Motor 8 für ca. 3 s einen Linkslauf durchführen, danach einen Rechtslauf für 4 s bis zum Abschalten der Versorgungsspannung.

Dazu wird das Differenz-Eingangssignal des Tensiometers über einen Instrumentenverstärker 10 in ein massebezogenes Signal umgewandelt. Ein nachgeschalteter Komparator 11 erzeugt ein HIGH-Signal beim Überschreiten der Schwelle von 800 hPa Unterdruck. Unterhalb von 800 hPa ist der Komparatorausgang LOW (Fig. 4).

Wird nun das Ausgangssignal des Komparators 11 HIGH, so werden beide Eingänge eines ersten UND-Gatters 16 auf HIGH gesetzt und der Motor 8 über einen Transistor 19 als Schalter eingeschaltet. Ein zweites UND-Gatter 17 schaltet ebenfalls den Linkslauf des Motors 8 über ein Relais 18 in der Ausführung als monostabiler Wechlser.

Die Zeitkonstanten beider Gatter werden über gegen Masse aufzuladende Kondensatoren 12, 13 realisiert.

Sobald der Minimalwert für ein HIGH-Signal eines UND-Gatters 16, 17 unterschritten wird, schaltet der Ausgang des Gatters auf LOW.

Beim ersten Gatter 16 bewirkt dies das Ein-/Ausschalten der gesamten Versorgung des Motors 8 für den genannten Zeitraum von 7 s. Das zweite Gatter 17 hat eine Zeitkonstante von 3 s und schaltet hiermit das Relais 18 um, welches für den Links-/Rechtslauf des Motors 8 zuständig ist. Durch Veränderung der Bauteile am Eingang des Komparators 11 (negativer Eingang) kann die Schwelle von 800 hPa verändert werden. Durch Verändern der Kondensatoren 12, 13 bzw. deren Entladewiderstände 14, 15 kann der Zeitraum des Ein-/Ausschaltens sowie des Links-/Rechtslaufs verändert werden.

Die als Beispiel erläuterte Schaltung wird mit der Tensiometerversorgung von 10,6 V betrieben und hat für die Versorgung des Motors 8 mit 5 V einen Spannungsregler 20.

Damit Störungen in der Spannungsversorgung nicht dazu führen, daß das Mikroventil 3 geöffnet ist und somit nicht mehr der zum Auf/Zu-Zyklus notwendige Grenzwert überschritten wird, ist vorgesehen, den Zyklus unabhängig vom Meßwert zunächst mit Schließen für ca. 2 s zu starten.

Das mit Bezug auf die Fig. 3 beschriebene Mikroventil gewährleistet zwar ein pulsfreies Öffnen und Schließen, ist jedoch in seinem Aufbau und seiner Ansteuerung relativ kompliziert. Eine einfachere Lösung bietet die Verwendung eines handelsüblichen 2/2-Wege-Mikroventils 28 mit elektromagnetischem Antrieb, wie es schematisch in Fig. 6 dargestellt ist. Das 2/2-Wege-Mikroventil 28 ist hermetisch gegen Wasser dichtend, im stromlosen Zustand mittels einer Rückstellfeder geschlossen, über Kabel 29 mit der Steuerelektronik 2 verbunden und für Gleichstrombetrieb ausgelegt. Allerdings arbeitet das 2/2-Wege-Mikroventil 28 nicht pulsfrei, da es als Magnetventil ruckartig öffnet bzw. schließt. Die dabei entstehenden Druckspitzen werden durch ein Tygonschlauchstück 30 (quervernetztes PVC) reduziert. Das Tygonschlauchstück 30 ist unmittelbar am Auslaß des 2/2-Wege-Mikroventils 28 mittels in der Zeichnung nicht dargestellter Doppelschlauchklemmen an den Auslaß des 2/2-Wege-Mikroventils 28 und an den in Richtung Keramikgefäß 25 weiterführenden Teil der Befülleitung 5 angeklemmt. Das gas- und wasserdichte Tygonschlauchstück 30 hat außerdem den Vorteil, daß es eine flexible Verbindung zwischen Mikroventilauslaß und Korpus 22 schafft. Das ist ein insbesondere für die Montage des Tensiometers günstiger Aspekt.

Im Falle des Einsatzes des 2/2-Wege-Mikroventils 28 schaltet die Steuerelektronik 2 keinen Motor, sondern eine Magnetspule. Die in Fig. 5 gezeigte Ansteuerungsschaltung kann von einem Fachmann leicht entsprechend abgewandelt werden. Fig. 7 zeigt in Analogie zu Fig. 4 einen zeitlichen Verlauf der Steuerung des 2/2-Wege-Mikroventils 28. Der bisherige Linkslauf bedeutet nun "Spule unter Strom". Das 2/2-Wege- Mikroventil 28 öffnet und bleibt geöffnet. Der bisherige Rechtslauf bedeutet jetzt "Spule ist stromlos". Das 2/2-Wege- Mikroventil 28 schließt und bleibt geschlossen.

Die Keramik für das erfindungsgemäße Tensiometer wird vorzugsweise aus handelsüblichen Kermamiken nach folgenden Gesichtspunkten ausgewählt: Die Keramik soll eine große Oberfläche haben, damit Heterogenitäten im Boden gemittelt werden. Die Porenverteilung innerhalb der Keramik soll homogen und kein Porengang größer als 2 µm sein. Größere Porengänge würden einen Lufteintrittspunkt unter 1500 hPa bewirken. Außerdem soll die zum Einsatz kommende Keramik eine hohe mechanische Festigkeit aufweisen.

Eine nach den genannten Vorgaben ausgewählte handelsübliche Tensiometerkerze 23 wird vorzugsweise noch weiter dadurch verbessert, daß streifenartige Segmente im Kerzeninneren versiegelt werden. Es verbleiben dadurch nur noch vier ca. 2 mm breite Schlitze für den Wasseraustausch. Das gewährleistet einen geringen Wasseraustausch bei gutem Ansprechverhalten.


Anspruch[de]
  1. 1. Tensiometer mit einem mit entgastem Wasser (24) gefüllten Keramikgefäß (25) und mit einem Druckaufnehmer (1), gekennzeichnet durch ein Wasservorratsgefäß (4), ein Mikroventil (3), eine vom Wasservorratsgefäß (4) über das Mikroventil (3) zum Keramikgefäß (25) führende Befülleitung (5) und eine Steuerelektronik (2) für das Mikroventil (3), das die Befülleitung (5) absperrt, solange der vom Druckaufnehmer (1) gemessene Druckwert einen vorbestimmten Druckgrenzwert nicht überschreitet und bei Erreichen oder Überschreiten des vorbestimmten Druckgrenzwerts über die Steuerelektronik (2) kurzzeitig geöffnet und wieder geschlossen wird, so daß während der Öffnungszeit des Mikroventils (3) Wasser aus dem Wasservorratsgefäß (4) in das Keramikgefäß (25) fließen kann.
  2. 2. Tensiometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befülleitung (5) unmittelbar am Auslaß des Mikroventils (3) ein Tygonschlauchstück (30) aufweist.
  3. 3. Tensiometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikroventil (3) ein hermetisch gegen Wasser dichtendes und im stromlosen Zustand geschlossenes 2/2-Wege-Mikroventil (28) mit elektromagnetischem Antrieb ist.
  4. 4. Tensiometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Magnetventilspule eine Gleichstromspule ist.
  5. 5. Tensiometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikroventil (3) folgendes aufweist:
    1. 1. ein Ventilgehäuse (9),
    2. 2. einen über die Steuerelektronik (2) ansteuerbaren Motor (8),
    3. 3. eine Gewindehülse (7) und
    4. 4. einen über die Gewindehülse (7) mit dem Motor (8) verbundenen Ventilkopf (6), der im geschlossenen Zustand des Mikroventils (3) die Befülleitung (5) gegen das Ventilgehäuse (9) abdrückt und durch Betätigen des Motors (8) von der Befülleitung (5) weg angehoben und wieder zur Befülleitung (5) hin abgesenkt werden kann.
  6. 6. Tensiometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Motor (8) ein Gleichstromgetriebemotor ist.
  7. 7. Tensiometer nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerelektronik (2) folgendes aufweist:
    1. 1. einen Instrumentenverstärker (10), der ein Differenz- Eingangssignal des Tensiometers in ein massebezogenes Signal umwandelt,
    2. 2. einen dem Instrumentenverstärker (10) nachgeschalteten Komparator (11),
    3. 3. ein Relais (18), das mit dem Motor (8) verbunden ist und zwischen Links- und Rechtslauf des Motors (8) umschaltbar ist,
    4. 4. einen Transistor (19), der mit dem Motor (8) verbunden ist und als Ein-/Ausschalter für die Spannungsversorgung des Motors (8) dient,
    5. 5. ein erstes UND-Gatter (16) und ein zweites UND-Gatter (17), die mit dem Komparator (11) in Reihe und zueinander parallel geschaltet sind, wobei das erste UND-Gatter (16) mit dem Transistor (19) und das zweite UND-Gatter (17) mit dem Relais (18) verbunden ist,
    6. 6. einen ersten Kondensator (12), der zwischen den Komparator (11) und einen Eingang des ersten UND-Gatters (16) geschaltet ist,
    7. 7. einen zweiten Kondensator (13), der zwischen den Komparator (11) und einen Eingang des zweiten UND-Gatters (17) geschaltet ist,
    8. 8. einen ersten Entladewiderstand (14), der zwischen dem ersten Kondensator (12) und dem zugehörigen Eingang des ersten UND-Gatters (16) gegen Masse abzweigt und
    9. 9. einen zweiten Entladewiderstand (15), der zwischen dem zweiten Kondensator (13) und dem zugehörigen Eingang des zweiten UND-Gatters (17) gegen Masse abzweigt.
  8. 8. Tensiometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Relais (18) ein monostabiler Wechsler ist.
  9. 9. Tensiometer nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltzeitkonstante für die Kombination erster Kondensator (12), erster Entladewiderstand (14) und erstes UND-Gatter (16) 7 s und für die Kombination zweiter Kondensator (13), zweiter Entladewiderstand (15) und zweites UND- Gatter (17) 3 s beträgt.
  10. 10. Tensiometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Keramikgefäßes (25) streifenartige Segmente des Keramikgefäßes (25) derart versiegelt sind, daß nur noch vier ca. 2 mm breite Schlitze für den Wasseraustausch verbleiben.
  11. 11. Tensiometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Druckgrenzwert 800 hPa beträgt.
  12. 12. Tensiometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikroventil (3) nach einer Öffnung frühestens erst wieder nach Ablauf eines vorbestimmten, elektronisch eingestellten Zeitraums öffnen kann.
  13. 13. Tensiometer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte, elektronisch eingestellte Zeitraum 10 min beträgt.
  14. 14. Tensiometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Auf/Zu-Zyklus des Mikroventils (3) unabhängig vom gemessenen Druckwert zunächst mit Schließen für eine voreingestellte Zeitspanne startet.
  15. 15. Tensiometer nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die voreingestellte Zeitspanne 2 s beträgt.
  16. 16. Tensiometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasservorratsgefäß (4) in einen Teil eines Tensiometerschaftes (21) integriert ist.
  17. 17. Tensiometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasservorratsgefäß (4) eine mit Antialgenmittel versehene Innenwandung aufweist.
  18. 18. Tensiometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das entgaste Wasser (24) einen RehalonR-Zusatz aufweist.
  19. 19. Tensiometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Druckaufnehmer (1) hermetisch dicht vergossener Mantel (26) eines Meßkabels gleichzeitig Referenzluftzuführungsleitung zum Druckaufnehmer (1) ist.
  20. 20. Tensiometer nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel (26) außerhalb eines Tensiometerschaftes (21) ein Schlauchstück aus GORETEXR (27) aufweist.
  21. 21. Tensiometer nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Wasservorratsgefäß (4) identisch mit einem Teil eines Tensiometerschaftes (21) ist.






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