<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren und Vorrichtung zur Messung des Trockenraumgewichtes bzw. des Wassergehaltes eines Bodens
EMI1.1
<Desc/Clms Page number 2>
Erfindung betrifftlehnung einer Bauleistung abhängig gemacht werden kann.
Es ist femer bekannt, für die Dichteprüfung von Böden elektrische Widerstandsmessungen zu verwenden (G. Kronenberger in : Forschungsberichte des Landes Nordrhein-Westfalen Nr. 977). Das bekannte Verfahren arbeitet mit Gleichstrom. Der Widerstand des Bodens wird mit einer Wheatstone Ischen Brücke gemessen. Es ergibt sich also nicht eine direkte Anzeige des gesuchten Trockenraumgewichtes, sondern es ist ein Brückenabgleich erforderlich. Es ergeben sich dabei verschiedene Schwierigkeiten :
Nach der Messung des Bodenwiderstandes ist nicht bekannt, in welcher Weise der erhaltene Messwert einen Rückschluss auf das Trockenraumgewicht des Bodens ermöglichen soll.
Das Verfahren wird daher nur insoweit als geeignet angesehen, als es den Verlauf der Verdichtungszunahme in Abhängigkeit von der Tiefe und der Anzahl der Übergänge festzuhalten gestattet, nicht jedoch für eine quantitative Messung.
Eine weitere Schwierigkeit für die Praxis ergibt sich daraus, dass ein Brückenabgleich erforderlich ist. Dabei gestattet der Einfluss der Polarisation an den Elektroden nur Messzeiten bis maximal 2 sec. Es bedarf schon einer gewissen Geschicklichkeit des Bedienenden, in dieser Zeit eine Brückenschaltung abzugleichen.
Um die verschiedenen Messwerte miteinander vergleichen zu können, bezieht man diese auf den Messwert am frisch geschütteten Boden. Es zeigt sich jedoch, dass Schüttdichte sehr ungleichmässig und in keiner Weise reproduzierbar sind. Der Bezug der erhaltenen Messwerte auf solche unsicheren Bezugsgrössen gestattet keinen Vergleich der Verdichtungen an verschiedenen Orten oder bei verschiedenen Bearbeitungen. Aus den genannten Gründen hat das bekannte Verfahren der Dichtebestimmung von Böden mit Hilfe elektrischer Widerstandsmessungen in der Praxis keinen Eingang gefunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Bestimmung des Trockenraumgewichtes eines Bodens zu schaffen, welches diese Messgrösse entweder unmittelbar oder bezogen auf eine bekannte Bodengrösse (z. B. die Proctordichte) anzeigt. Es soll dem Bedienenden also erspart werden, verschiedene Daten, wie Volumen, Gewicht und Wassergehalt einzeln zu bestimmen und danach an Hand einer bestimmten Rechenanleitung das bezogene Trockenraumgewicht zu berechnen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens zu schaffen, welche Messungen auch während der Bearbeitung des Bodens ermöglicht und insbesondere mechanisch gegen die Bearbeitung des Bodens unempfindlich ist.
Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Justierung eines als linearer Interpolator ausgebildeten Analogrechners in diesen einerseits die bekannten Werte des Trockenraumgewichtes bzw. des Wassergehaltes, anderseits die elektrische Leitfähigkeit oder eine hiezu proportio- nale Grösse zweier Bodenproben eingegeben werden, wobei die Leitfähigkeit durch Messung der Stromstärke in einer in die Probe eingeführten Messsonde bestimmt wird, die mit einem Messwiderstand in Reihe geschaltet und an eine Wechselstromquelle konstanter Spannung angeschlossen ist, worauf durch eine Messsonde die Stromstärke in einer zu prüfenden Bodenprobe gemessen und dem Analogrechner zugeführt wird, der den zugehörigen Wert des Trockenraumgewichtes bzw. des Wassergehaltes durch lineare Interpolation bzw.
Extrapolation ermittelt und anzeigt.
Der Grundgedanke der Erfindung beruht auf der empirisch gefundenen Erkenntnis, dass in dem praktisch interessierenden Messbereich die elektrische Leitfähigkeit bei konstantem Wassergehalt dem Trockenraumgewicht, bei konstantem Trockenraumgewicht dem Wassergehalt linear proportional ist.
Daraus ergibt sich, dass sich z. B. das reziproke bezogene Trockenraumgewicht als eine linare Funktion des Sondenstromes darstellen lässt, u. zw. ist
EMI2.1
darin bedeutet : y t = Trockenraumgewicht des zu untersuchenden Bodens
EMI2.2
Die Abbildung dieser Beziehung kann durch verschiedene elektrische Schaltungen erfolgen. Insbesondere eignet sich hiezu eine Vorrichtung, die erfindungsgemäss gekennzeichnet ist durch einen Messkreis, enthaltend einen Messwiderstand und wenigstens eine Messsonde, eine Spannungsquelle, die den Messkreis speist und einen im Vergleich dazu niedrigen Ausgangswiderstand besitzt, einen einstellbaren
<Desc/Clms Page number 3>
Spannungsteiler, der parallel zu der Messsonde geschaltet ist, eine Summierschaltung zur elektrischen
Summation der an dem Messwiderstand abfallenden und am Abgriff des Spannungsteilers abgegriffenen
Spannungen, einen zweiten einstellbaren Spannungsteiler, an welchem die so erhaltene Summenspan- nung anliegt, einen dritten einstellbaren Spannungsteiler, der parallel zu der Messsonde geschaltet ist,
eine weitere Summierschaltung zur elektrischen Summation der an dem zweiten und an dem dritten
Spannungsteiler abgegriffenen Spannungen sowie eine Anzeigevorrichtung zur phasenrichtigen Anzeige der durch die letztgenannte Summation erhaltenen Spannung.
Mit einem solchen Analogrechner lässt sich die oben angegebene Beziehung nachbilden, so dass eine unmittelbare Anzeige des bezogenen Trockenraumgewichtes bzw. des Reziprokwertes desselben erhalten wird.
Die Einstellung der Vorrichtung kann vorteilhaft in der Weise erfolgen, dass aus dem zu untersu- chenden Boden eine erste und eine zweite Bodenprobe bekannten Trockenraumgewichtes hergestellt wird, dass bei einer Messsonde in der zweiten Bodenprobe der zweite Anteil der konstanten Wechselspannung auf Null eingestellt und der erste Anteil so eingestellt wird, dass das Anzeigegerät Null an- zeigt, dass anschliessend bei einer Messsonde in der ersten Bodenprobe der Anteil der Summenspannung zunächst auf Null und der zweite Anteil der konstanten Wechselspannung so eingestellt wird, dass die Anzeige dem Trockenraumgewicht der zweiten Bodenprobe entspricht und dass anschliessend der Anteil der Summenspannung so lange verändert wird, bis sich eine dem Trockenraumgewicht der ersten Bodenprobe entsprechende Anzeige ergibt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden beschrieben : Mit --1-- ist ein Niederfrequenz-Oszillator mit einer Schwingfrequenz von beispielsweise 200 Hz bezeichnet, dessen Ausgangsspannung auf einen Verstärker --2-- gegeben wird. Der Verstärker-2- besitzt einmal einen sehr niedrigen Ausgangswiderstand. Zum ändern ist er aber kurzschlussfest.
Die Ausgangsspannung des Verstärkers gelangt übert einen Messwiderstand --3-- an zwei Zungen eines Schritt- halters --4--, der wenigstens zwei Schaltebenen aufweist. Über diese beiden Schaltebenen des Schalters --4-- sind Messsonden --6-- über Kabel --5-- wahlweise in den Ausgangsstromkreis des Verstärkers - in Reihe mit dem Messwiderstand--3--einschaltbar. Von einem Leiter-7-, der im folgenden als Bezugspotential angesehen wird,
führt ein den geringen effektiven Ausgangswiderstand des Verstärkers bewirkender Mitkopplungswiderstand --8-- auf den Eingang des Verstärkers --2-- zurück. Zu der an dem Messwiderstand --3-- abgegriffenen Spannung wird über Addierwiderstände --9-- eine Teilspannung der Ausgangsspannung des Verstärkers --2-- addiert. Die übliche Bezeichnung"Addition"ist dabei dadurch gerechtfertigt, dass die Ausgangsspannung der Summe der Eingangsspannungen proportional ist. Diese Teilspannung wird an einem einstellbaren Potentiometer --10-- abgegriffen. Von der so erhaltenen ersten Summenspannung wird an einem Spannungsteiler --11-- wieder eine Teilspannung abgegriffen.
Diese Teilspannung der ersten Summenspannung, welche am Potentiometer --11- abge- griffen wird, wird über weitere Addierwiderstände --12-- zu einer zweiten Teilspannung der Ausgangs-
EMI3.1
--2-- addiert,liche gleichgerichtete Spannung wird an einem Anzeigeinstrument --15-- angezeigt.
Auf den Eingang des gesteuerten Gleichrichters --14-- wird zusätzlich über einen Addierwiderstand --16-- die Ausgangsspannung einer Phasenumkehrstufe --17-- hinzuaddiert. Der Eingang der Phasenumkehrstufe --17-- wird über eine weitere zunge --18-- des Schrittschalters --4-- in dessen dritter Schaltebene in der ersten Stellung des Schalters mit dem Bezugspotential des Leiters --7-- und in allen weiteren Stellungen mit der darauf bezogenen Spannung des Verstärkers-2-- verbunden.
Die beschriebene Anordnung arbeitet wie folgt :
Zwischen der Trockenraumdichte der zu untersuchenden Probe und dem Sondenstrom besteht, wie oben angegeben, der Zusammenhang
EMI3.2
An den Elektroden der Messsonden --6-- liegt eine konstante Spannung an, die praktisch durch den Oszillator-l-und den Verstärker --2-- bestimmt wird, da der Erdwiderstand sehr gross ist. Der erhaltene Sondenstrom I erzeugt einen dazu proportionalen Spannungsabfall ändern Messwiderstand-3-.
Die Schaltung wird nun wie folgt eingestellt :
<Desc/Clms Page number 4>
EMI4.1
dergeführt, die sich in der Bodenprobe --2-- befindet. In dieser Schalterstellung stellt man den Schleifer des Potentiometers --11-- auf den Addierpunkt, d. h., es wird die volle Summenspannung abgegriffen.
Der Spannungsteiler --13-- wird mit seinem Schleifer auf das Referenzpotential der Leitung --7-- gelegt. Es wird also von diesem Spannungsteiler keine Spannung abgegriffen. Unter diesen Umständen wird dann der Spannungsteiler --10-- so lange verstellt, bis das Instrument --15-- keine Spannung mehr anzeigt. Der Schalter --4-- wird dann in die zweite Stellung geschaltet, bei welcher die Aus-
EMI4.2
Sonde geführt sind. In dieser Schalterstellung führt man zunächst den Abgriff des Potentiometers--11-auf das Referenzpotential der Leitung --7--. Es wird also von der an den Summierwiderständen --9-- gebildeten ersten Summenspannung der Anteil Null abgegriffen.
Mittels des Potentiometers --13-- wird dann die Anzeige am Instrument --15-- so eingestellt, dass das auf die Proctordichte bezogene Trokkenraumgewicht der Probe --2-- angezeigt wird. Dieses Trockenraumgewicht war ja bekannt. Wenn das Potentiometer --1. 3-- auf diese Weise eingestellt ist, wird nun das Potentiometer so verstellt, dass die Anzeige dem auf die Proctordichte bezogenen Trockenraumgewicht der Bodenprobe --1-- entspricht. Damit ist der Analogrechner vollständig eingestellt. In den weiteren Stellungen arbeitet der Schalter --4-- als Messstellenumschalter für die weiteren angeschlossenen Sonden-6-.
Man erkennt, dass mit der beschriebenen Einstellung die oben angegebene Beziehung zwischen dem auf die Proctordichte bezogenen Trockenraumgewicht der jeweils untersuchten Probe und dem Sondenstrom nachgebildet ist. Am Messwiderstand --3-- bildet sich eine Spannung aus, die dem durch die angeschlossene Messsonde bei dieser konstanten Spannung fliessenden Strom I entspricht. Am Addierpunkt vor dem Potentiometer --11-- ist hievon der der Bodenprobe "2" entsprechende Messwert in Abzug gebracht. Das Potentiometer --10-- war ja so eingestellt worden, dass in der Bodenprobe "2" die Summenspannung Null wurde. Das Signal entspricht also I - 12. Die Einstellung des Potentiometers --11-berücksichtigt den Faktor, mit welchem I - 12 in der oben angegebenen Beziehung im rechten Summanden erscheint.
Die an dem Potentiometer --13-- abgegriffene und hinzuaddierte Spannung stellt den linken Summanden der angegebenen Beziehung dar.
Die über den Addierwiderstand --16-- über die Phasenumkehrstufe --17-- auf den Eingang des gesteuerten Gleichrichters --14-- hinzuaddierte Spannung bewirkt eine Trennung des elektrischen und des mechanischen Nullpunktes des für die umgekehrte Stromrichtung durch eine Diode geschützten Instrumentes --15--. Geringen Spannungen entspricht also kein Ausschlag, da zu der anzuzeigenden Spannung eine (wegen der Phasenumkehr durch die Umkehrstufe-17--) Spannung ändern Vorzeichens addiert, die anzuzeigende Spannung also um einen festen Betrag verringert wird.
Das Instrument trägt über seinem mechanischen Anzeigebereich die folgende Skala :
EMI4.3
<tb>
<tb> 0/0 <SEP> vom <SEP> Vollausschlag <SEP> 100 <SEP> 80 <SEP> 60 <SEP> 50 <SEP> 40 <SEP> 20 <SEP> 0
<tb> Skalenwert <SEP> 75 <SEP> 83 <SEP> 94 <SEP> 100 <SEP> 107 <SEP> 125 <SEP> 150
<tb>
Zweckmässigerweise ist die Bodenprobe "1" auf die Proctordichte des gemessenen Materials und die Bodenprobe "2" auf 80% dieses Wertes verdichtet.
In sinngemässer Weise kann eine Vorrichtung der vorliegenden Art statt zur Bestimmung des Trokkenraumgewichtes eines Bodens bei konstantem Wassergehalt auch zur Bestimmung des variablen Wassergehaltes bei konstantem Trockenraumgewicht benutzt werden. Die oben angegebene Beziehung gilt in äquivalenter Weise auch für den Wassergehalt. Statt zweier Bodenproben bekannten Trockenraumgewichtes werden in diesem Fall zwei Bodenproben mit bekanntem Wassergehalt für die ersten beiden Sonden vorgesehen. Die Einstellung des Analogrechnernetzwerkes wird in gleicher Weise vorgenommen, wie es oben für das Trockenraumgewicht beschrieben worden ist. Die Skala des Anzeigeinstrumentes trägt zu diesem Zweck vorteilhaft eine zweite Teilung zur Messung des Wassergehaltes des Bodens.
Die Erfindung gestattet somit, die Verdichtung eines Bodens sogar schon während der Bearbeitung laufend auf eine sehr bequeme Art und mit ausreichender Genauigkeit zu messen. Es ergibt sich eine direkte Anzeige. Es können somit die Arbeiten auf der Baustelle laufend überwacht werden. Die Erfindung kann auch im Prüffeld bei der Ermittlung der Einsatzfähigkeit und der Leistungsdaten verschiedener Verdichtungsgeräte verwendet werden.