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Dokumentenidentifikation DE10202198A1 31.07.2003
Titel Vorrichtung zur Bestimmung des Matrixpotentials im Material
Anmelder Liu, Jinchen, Dr.rer.nat., 85221 Dachau, DE
Erfinder Liu, Jinchen, Dr.rer.nat., 85221 Dachau, DE
DE-Anmeldedatum 22.01.2002
DE-Aktenzeichen 10202198
Offenlegungstag 31.07.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.07.2003
IPC-Hauptklasse G01N 33/24
Zusammenfassung Messgerät zum Messen des Matrixpotentials im Material mit einem Referenzenkörper, der aus Fasergruppen besteht, die von einzelnen Fasern durch Formzwang, Weben oder Drehen hergestellt werden. Bei einem definierten Faserdurchmesser ist die Porosität (Porenvolumen und Porengröße) der Gruppe festgelegt, die sich durch die Einwirkung von Wasser oder durch andere mögliche mechanische Einflüsse nicht verändern lässt. Daher hat der Wassergehalt des Referenzenkörpers aus solchen Gruppen eine stabile Beziehung zum Matrixpotential. Durch Bestimmung des Wassergehalts im Referenzenkörper wird das Matrixpotential im Material, das mit dem Referenzenkörper in Kontakt steht, ermittelt.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung des Matrixpotentials des Wassers im Material.

Wasser im Material (z. B. im Boden) erfährt Einwirkungen unterschiedlicher Kräfte, die sich in Form von Druck oder Spannung zwischen der Oberfläche des Materials und dem Wasser herrschen. Je nachdem, ob das Wasser auf der Oberfläche des Materials drückt oder von ihr angezogen wird, nehmen die Druckwerte positives oder negatives Vorzeichen an. Das Matrixpotential ist eine der möglichen Druckkräfte. Es entspricht dem Betrag an Arbeit, der verrichtet werden muss, um dem Material eine Mengeneinheit Wasser mit seinen aufgelösten Bestandteilen in einer bestimmten Höhe zu entziehen, und zwar unter Gasdruck und Temperatur dieses Ortes.

Aus DE 39 11 151 A1 ist ein Gerät bekannt, das zum Messen des Matrixpotentials im Boden verwendet werden kann. Dieses Gerät besteht im wesentlichen aus einer in den Boden einzuführenden rohrförmigen und gasdichten Messzelle. Die Messzelle wird anfänglich mit Wasser gefüllt, das nach Einführung in den Boden entsprechend dem im Boden herrschenden Matrixpotential durch einen porösen, flüssigkeitsdurchlässigen Abschnitt der Messzelle in den Boden entweicht. Durch das teilweise Entweichen des Wassers aus der Messzelle entsteht in dieser ein messbarer Unterdruck, der als Maß für das im Boden vorherrschende Matrixpotential verwendet wird.

Aus DE-OS 16 73 046 ist eine Vorrichtung bekannt, mit der eine Messung der Bodenfeuchte ermöglicht wird. Das Gerät weist eine in den Boden einzuführende Messzelle auf, in der Elektroden angeordnet sind, die durch ein Dielektrikum mit bekannter Porosität voneinander getrennt sind. Die zwischen den Elektroden vorherrschende Kapazität, deren Größe durch die Art des verwendeten Dielektrikums bestimmt wird, wird durch eine entsprechende Messschaltung ausgewertet. Aufgrund des Eindringens von Bodenfeuchte in das Dielektrikum wird die die Kapazität bestimmende effektive Permitivitätszahl bzw. Dielektrizitätszahl verändert. Die bestimmbare Kapazitätsänderung wird als Maß für die im Boden herrschende Feuchte angesehen. Das in der Messzelle vorgesehene Dielektrikum ist vorzugsweise eine Keramik.

Aus DE-OS 20 04 142 ist eine Vorrichtung zur Messung der Bodenfeuchte bekannt, die ein Dielektrikum aus Quarzsand aufweist, in die Elektroden eines Messkondensators eingebracht sind. Der Messkondensator besteht insbesondere aus einer inneren Stabelektrode und einer diese konzentrisch umgebenden schraubenlinienförmigen Wendel, die als zweite Elektrode dient. Die Stabelektrode ist von einem pulverförmigen Dielektrium umhüllt. Als bevorzugtes Dielektrium wird feinkörniges Aluminiumoxid bzw. feinkörniger Quarzsand vorgeschlagen.

Aus EP 0232 566 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung von Feuchtespannung (Moisture Tension) bekannt, die mittels eines kapazitiven Sensors die Dielektrizität eines Materials misst, das mit Boden in Kontakt gebracht wird und in kugelförmiger Form mit einem Durchmesser kleiner als 100 µm vorliegt und dessen dielektrische Eigenschaften eine bekannte Beziehung zur Feuchtespannung aufweisen. Durch Messen der dielektrischen Eigenschaften ist die Feuchtespannung bestimmbar.

Aus DE 196 29 745 C2 und US 005898310A ist ein Verfahren zur Bestimmung des Matrixpotentials im Boden bekannt. Dabei wird eine Messzelle, die zwei in ein Dielektrikum eingebettete Elektroden aufweist, in den zu messenden Boden eingeführt. Das Dielektrikum weist eine vorbekannte Beziehung zwischen Wassergehalt und Matrixpotential auf. Durch Bestimmung des Wassergehalts im Dielektrikum kann das Matrixpotential im Boden ermittelt werden.

Aus der Schrift "A new soil matric potential sensor based on time domain reflectometry" (Dani Or and Jon M. Wraith: Water Resources Research, Vol. 35, No. 11, Pages 3399-3407, November 1999) ist eine Vorrichtung bekannt, die mit einem TDR-Sensor den Wassergehalt in einer im Boden befindlichen porösen Keramik misst, um das Matrixpotential des Bodens zu bestimmen.

Es ist bekannt, dass das Matrixpotential in der Land- und Forstwirtschaft, in der Umweltüberwachung, in der Bewässerungssteuerung und im Bautenschutz eine größere Bedeutung hat, als der Wassergehalt. Die Wasserverfügbarkeit für die Pflanzen im Boden sowie die Wasserbewegung im Boden und in anderen Materialien werden nicht durch den Wassergehalt, sondern ursächlich durch das Matrixpotential des Wassers bestimmt. Das Matrixpotential liefert das direkte Kriterium für die Beurteilung der Trockenheit eines Materials. Unabhängig von anderen Eigenschaften des Bodens haben die meisten Pflanzen auf einem Boden mit einem Matrixpotential von kleiner als -1500 Kilopascal kaum Überlebenschancen. Mit einem Wassergehalt von 10 Volumenprozent ist aber unklar, ob Pflanzen auf diesem Boden überflutet oder ausgetrocknet werden, weil die anderen Bodeneigenschaften wie Korngröße, Dichte etc. die Wasserverfügbarkeit für die Pflanzen mitbestimmen.

Bei dem aus DE 196 29 745 C2 bekannten Verfahren und bei dem in der Schrift "A new soil matric potential sensor based on time domain reflectometry" (Dani Or and Jon M. Wraith: Water Resources Research, Vol. 35, No. 11l, Pages 3399-3407, November 1999) beschriebenen Sensor geht man davon aus, dass das Matrixpotential in einem im Boden befindlichen Referenzenkörper gleich ist mit dem des Bodens. Bestimmt man das Matrixpotential im Referenzenkörper, so erfährt man auch das Matrixpotential vom Boden. Zur Bestimmung des Matrixpotentials im Referenzenkörper macht man davon Gebrauch, dass der Wassergehalt im Referenzenkörper einen Zusammenhang zum Matrixpotential aufweist. Durch die Bestimmung des Wassergehalts im Referenzenkörper kann das entsprechende Matrixpotential im Referenzenkörper und damit auch im Boden ermittelt werden.

Im aus DE 196 29 745 C2 und US 005898310 A bekannten Gerät wird nicht angegeben, wie der Referenzenkörper ausgestaltet werden soll. Die Praxis zeigt aber, dass die Form des Referenzenkörpers für die Qualität des Messgeräts eine entscheidende Rolle spielt. Nicht jede Form ist dafür geeignet. Bei poröser Keramik sind die Poren nicht immer offen (Sackgassen) und miteinander schlecht vernetzt. Als Referenzenkörper bildet poröse Keramik bei Anfeuchten von außen Lufteinschluß in den Poren und bei Austrocknung reißen die Wasserfäden wegen der variierenden Porendurchmesser ab. Daher hat ein Referenzenkörper aus poröser Keramik eine träge Reaktionsgeschwindigkeit auf die Änderung des Matrixpotentials des Messobjekts und damit eine starke Hystherese.

Ein Referenzenkörper aus Kügelchen mit unterschiedlichen Durchmessern hat den Nachteil, dass die Porengrößen und das Porenvolumen nicht stabil sind. Die Wasserbewegungen im Referenzenkörper verändern die Positionen der Kügelchen zueinander und damit auch das Porenvolumen und die Porengrößen. Wassergehalt im Referenzenkörper aus Kügelchen hat deshalb keine zeitlich stabile Beziehung zum Matrixpotential. Geräte mit solchen Referenzenkörpern funktionieren deshalb instabil.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, die einen zeitlich stabilen Zusammenhang zwischen Wassergehalt und Matrixpotential aufweist und schnell auf die Änderung des Matrixpotentials des Messobjekts reagieren kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Referenzenkörper aus Fasern, vorzugsweise mit einem runden Querschnitt besteht. Die Fasern werden durch Formzwang, Wehen oder Drehen zusammengehalten. Die Porosität (Porenvolumen und Porengröße) solcher Faserbündel lässt sich durch die Einwirkung von Wasser oder durch andere mögliche mechanische Einflüsse nicht verändern. Daher hat der Wassergehalt des Referenzenkörpers eine stabile Beziehung zum Matrixpotential. Zudem sind die Poren immer offen und über die Kontaktstellen zwischen den Fasern miteinander verbunden. Die Einschlussmöglichkeit von Luftblasen wird damit vermieden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung hat eine stabile Porosität (Porenvolumen und -größe) und damit auch einen stabilen Zusammenhang zwischen Wassergehalt und Matrixpotential. Die Poren sind immer offen und miteinander gut vernetzt. Der Referenzenkörper reagiert daher sehr sensitiv auf die Matrixpotentialänderung des Messobjekts und funktioniert zeitlich stabil.

Die Erfindung und insbesondere die bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung werden im folgenden unter anderem unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen die Zeichnungen im einzelnen:

Fig. 1 schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform mit eingeführten Stabelektroden für die erfindungsgemäße Vorrichtung

Fig. 2 Vergrößerungsausschnitt einer möglichen Aufführung des erfindungsgemäßen Referenzenkörpers

Fig. 3 schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform mit einer eingeführten Stabelektrode und einer Kreiselektrode

Fig. 4 schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform mit einer Planarelektrode

Fig. 5 schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform für Wassergehaltsbestimmung im Referenzenkörper über Volumen- bzw. Druckmessung

Fig. 6 schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform für optische Wassergehaltsbestimmung im Referenzenkörper

Fig. 1 zeigt in schematischer Weise eine mögliche Ausführungsform für die erfindungsgemäße Vorrichtung. Die Vorrichtung besteht aus einem Referenzenkörper (1) sowie einer Messvorrichtung (2) für die Bestimmung des Wassergehalts im Referenzenkörper und einer Einheit (4) für Datenaufnahme bzw. -auswertung, wobei diese über ein Kabel (5) oder über eine kabellose Verbindung mit der Messvorrichtung (2) in Kontakt steht.

Der Referenzenkörper (1) besteht aus Fasergruppen (Fig. 2, 12 und 11), die abschnittsweise aus einzelnen runden Fasern durch Formzwang, Weben bzw. Drehen zusammengehalten werden. Die Fasern (13 bzw. 14) in einer Gruppe haben den gleichen Durchmesser und stehen miteinander in direktem Kontakt. Die Faserdurchmesser verschiedener Gruppen können unterschiedlich sein. Zwischen den Fasern entstehen Poren (15, 16), die Wasser aufnehmen können und eine stabile und offene Form haben.

Es ist von Vorteil, wenn die Fasern zu einander parallel verlaufen und in Bündel gehalten werden. Die parallel verlaufenden Fasern bilden die kleinsten und die stabilsten Poren. Verlaufen die Fasern zueinander nicht parallel, dann ist es wichtig, dass sie so zusammengehalten werden, dass sie zeitlich, auch unter Einfluss von Wasser, formstabil bleiben.

Die Fasern (13 und 14) bestehen vorzugsweise aus hydrophilen Materialien, die aus Glas, Kunststoffen, Metallen, Keramik sein können.

Um die Wasserkapazität des Referenzenkörpers (1) zu erhöhen, können die Fasern (13, 14) auch hohl sein. Der Querschnitt der Poren in den Fasern kann neben runder Form auch andere Formen annehmen.

Der Referenzenkörper weist ferner ein wasserdurchlässiges Netz (3) auf, um die Fasergruppen vor Beschädigung von außen zu schützen. Falls die Wassergehaltsbestimmung elektromagnetisch erfolgt, ist ein metallisches Netz (3) von Vorteil. Dies ermöglicht die Abschirmung elektromagnetischer Strahlungen und begrenzt die Bestimmung des Wassergehalts nur innerhalb des Referenzenkörpers.

Durch Kombination der Fasergruppen (11 bzw. 12) mit unterschiedlichen Faserdurchmessern lassen sich unterschiedliche Porosität (Porengröße und -volumen) des Referenzenkörpers und damit auch unterschiedliche Zusammenhänge zwischen Wassergehalt und Matrixpotential herstellen. Auf diese Weise kann der Messbereich und die Sensitivität der Vorrichtung an die individuellen Anforderungen angepasst werden.

Die Bestimmung des Wassergehalts im Referenzenkörper kann durch unterschiedliche Verfahren und Vorrichtungen erfolgen. Bekannt sind z. B. Wassergehaltsbestimmung über elektromagnetische Wellen, Neutronenstrahlen, elektrische Leitfähigkeit, Druck, Volumen, nukleare magnetisch Resonanz von H-Ionen, Gravimetrie und optische Reflexion sowie Wärmekapazität.

Die Ausbereitung der elektromagnetischen Wellen in einem Material wird vom Wassergehalt in dem Material beeinflusst. Auf diesem Effekt beruht eine Reihe gängiger Verfahren zur Bestimmung des Wassergehalts, wie z. B. Time Domain Reflectometry (TDR), Frequency Domain Reflectometry (FDR) und Bestimmung der Permitivität. Sie arbeiten mit unterschiedlichen Frequenzen von Radiowellen bis zur Infrarotstrahlung.

Wassergehaltsbestimmung im Referenzenkörper über elektromagnetische Wellen, Neutronenstrahlen und elektrische Leitfähigkeit kann nach einer der in Fig. 1, 3 und 4 schematisch dargestellten Anordnungen erfolgen, wobei die Anzahl und die Form der Elektroden nach messtechnischen Erwägungen unterschiedlich ausgestaltet sein kann.

Wassergehaltsänderung im Referenzenkörper ruft auch Volumenänderungen hervor. So kann der Wassergehalt im Referenzenkörper auch über Druck- oder Volumenmessung ermittelt werden. Hierzu zeigt Fig. 5 eine mögliche Ausführungsform. Der Referenzenkörper (1) wird in einem formfesten, zumindest abschnittsweise wasserdurchlässigen Gehäuse (82) untergebracht. Die Volumenänderung im Referenzenkörper wird direkt über die Übertragungsvorrichtung (84, 81) auf den Drucksensor (83) übertragen, der die Druckänderung im Referenzenkörper (1) registriert und über eine Verbindung (5) an den Datenspeicher (4) weiter gibt. Anstelle des Drucksensors (83) kann hier auch ein Wegsensor angeordnet sein, der dann statt Druck die Volumenänderung des Referenzenkörpers (1) direkt misst.

Ferner ist es möglich, den Wassergehalt im Referenzenkörper optisch zu bestimmen. Hierzu zeigt Fig. 6 eine mögliche Ausführungsform mit dem Lichtstrahl (7) zum Referenzenkörper (1) sowie mit dem reflektierten Lichtstrahl (8) zum Lichtdetektor.

Es gibt eine Vielzahl von Möglichkeiten, den Wassergehalt im Referenzenkörper zu messen. Auch wenn dies hier nicht aufgeführt ist, ist es für einen Fachmann oder eine Fachfrau ersichtlich, den angegebenen Referenzenkörper mit einer den Wassergehalt bestimmenden Vorrichtung zu kombinieren, um den Wassergehalt im Referenzenkörper und damit auch das Matrixpotential zu messen.


Anspruch[de]
  1. 1. Vorrichtung zum Messen des Matrixpotentials im Material mit einer den Wassergehalt messenden Vorrichtung und einem Referenzenkörper, der mit dem Messobjekt in Kontakt gebracht wird und das Eindringen von Wasser erlaubt, wobei der Zusammenhang zwischen Wassergehalt und Matrixpotential im Referenzenkörper vorbekannt ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzenkörper zumindest abschnittsweise aus Fasern besteht.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Referenzenkörper aus mindestens 3 zueinander in engem Kontakt stehenden, runden Fasern besteht.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern vorzugsweise zu einander parallel verlaufen.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern aus hydrophilen Materialien, vorzugsweise Glas oder Kunststoff, bestehen.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern einen Durchmesser von weniger als 80 µm haben.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassergehalt im Referenzenkörper durch Einsatz von elektromagnetischen Wellen (Time Domain Reflectometry (TDR), Frequency Domain Reflectometry (FDR)) erfasst wird.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassergehalt im Referenzenkörper durch Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit des Referenzenkörpers erfasst wird.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassergehalt im Referenzenkörper durch Bestimmung von Druck bzw. Volumen des Referenzenkörpers gemessen wird.
  9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassergehalt im Referenzenkörper durch Bestimmung der Abbremsrate der Neutronenstrahlen (Neutronensonde) erfasst wird.
  10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassergehalt im Referenzenkörper durch Bestimmung der optischen Reflexion des Referenzenkörpers erfasst wird.






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