DE19710591A1

DE19710591A1 - Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Materialfeuchte im Hochfeuchtebereich

Info

Publication number: DE19710591A1
Application number: DE1997110591
Authority: DE
Inventors: Winfried Dipl Ing Engler
Original assignee: ENGLER WINFRIED DIPL ING FH
Current assignee: ENGLER WINFRIED DIPL ING FH
Priority date: 1997-03-14
Filing date: 1997-03-14
Publication date: 1998-09-17

Description

1. Stand der Technik und Problemstellung

Bei der Pflanzenaufzucht im Freiland - z. B. bei einer Eriken-Kultur oder in Baumschulen - werden alle Pflanzen gleich, also unabhängig von ihrem tatsächlichen Bedarf mittels eines Gießwagens bewässert.

Ein Pflanzenbestand ist jedoch nie gleichmäßig ausgetrocknet. Die Bewässerung muß sich aber nach den trockensten Pflanzen richten. Dies hat zur Folge, daß ein sehr großer Anteil des Bestandes im Moment der notwendig gewordenen Bewässerung überhaupt kein Gießwasser benötigt. Bei einem Großteil der Pflanzen fließt das Gießwasser mit dem darin gelösten Dünger deshalb durch die Töpfe hindurch in das umliegende Erdreich, was erhebliche Kosten, sowie eine Belastung der Umwelt verursacht.

Um das Problem der unbefriedigenden Bewässerung zu lösen, wäre ein System erforderlich, welches die tatsächliche Bodenfeuchte jeder einzelnen Pflanze mißt und in eine pflanzenindividuelle Bewässerung umsetzt (bis zu 300 000 Pflanzen pro Feld). Die technischen Schwierigkeiten liegen dabei insbesondere bei der berührungslosen Erfassung der Bodenfeuchte des jeweiligen Pflanzentopfes. Die Bewässerung kann auf einfache Art durch rechnergesteuerte Magnetventile erfolgen.

Das Meßverfahren muß folgende Anforderungen erfüllen:

- berührungslose und zerstörungsfreie Messung,
- Meßbereich zwischen F_M = 60-85 Gewichts-% Wasseranteil,
- Meßobjekte mit ca. 10-15 cm Durchmesser müssen erfaßt werden können,
- Positionsabweichungen des Meßobjektes bis zu ca. ΔS = 5 cm dürfen keinen Einfluß auf das Meßergebnis nehmen,
- die Meß- und Bewässerungseinrichtung muß sehr einfach aufgebaut sein (Kosten),
- die EMV-Vorschriften (elektromagnetische Verträglichkeit) müssen ohne eine zusätzliche Abschirmung der Sensoren eingehalten werden. (Abschirmung wäre zu aufwendig),
- das Meßergebnis darf nicht durch Veränderungen im umliegenden Erdreich (z. B. Wasserpfützen) oder durch dünne Wasserfilme auf den Meßobjekten beeinflußt werden,
- geringer Wartungsaufwand, d. h. keine mechanischen Verschleißteile (z. B. Berührung des Topfes durch vorbeistreifende Elektroden),
- das Pflanzsubstrat ist durch den Topf und die Pflanze verdeckt, d. h. optische Verfahren (IR-Absorptionsmethode) kommen nicht in Betracht.

Im Rahmen eines Forschungsvorhabens /1/ wurde versucht ein derartiges System zu entwickeln. Dabei zeigte sich, daß keines der in der Literatur beschriebenen Materialfeuchtemeßverfahren bei vertretbarem Aufwand zur Lösung dieser Problemstellung geeignet ist. (Beim naheliegenden Mikrowellen-Transmissions- bzw. -Reflektionsverfahren werden die Wellen bereits bei einer Materialfeuchte von F_M = 60 Gewichts-% nahezu vollständig absorbiert bzw. reflektiert, was eine Messung im genannten Bereich unmöglich macht).

Diese Problemstellung führte daher zur Entwicklung des im folgenden beschriebenen Materialfeuchtemeßverfahrens.

2. Beschreibung des Meßverfahrens

Bei dem neuentwickelten Meßverfahren wird die Veränderung der induktiven Kopplung zweier Schwingkreise zur Feuchtebestimmung herangezogen. Dabei wird das Meßobjekt mittels eines hochfrequenten, elektromagnetischen Wechselfeldes, das durch einen abgestimmten Schwingkreis erzeugt wird, angeregt. Bild 1 zeigt das Schaltungsprinzip, die mechanische Anordnung ist in Bild 2 dargestellt. Auf der gegenüberliegenden Seite des Meßobjektes befindet sich ein zweiter, auf die gleiche Resonanzfrequenz abgestimmter Schwingkreis, der mit einem Meßempfänger verbunden ist.

Um kapazitive Effekte zu unterdrücken sind die Spulen in der Mitte geerdet, so daß sich die elektrischen Felder zum Teil wieder kompensieren. (Die kapazitive Kopplung erhöht sich insbesondere bei kleineren Meßobjekten schon bei geringer Materialfeuchte). Deshalb muß auch die HF-mäßige Erdung der Spule besonders sorgfältig erfolgen, insbesondere durch Stehwellen bedingte Masseverschiebungen sind zu vermeiden (z. B. durch die Verwendung abgestimmter Zuleitungen).

Die Spulen der beiden Schwingkreise sind so angeordnet, daß eine gedachte Achse, die durch den Mittelpunkt des Meßobjektes führt, von den einzelnen Windungen umwickelt wurde (siehe Bild 2). Mit zunehmender Materialfeuchte des Meßobjektes verbessert sich die induktive Kopplung der beiden Schwingkreise, so daß die Amplitude im Empfangsschwingkreis ansteigt. Im Gegensatz zum Mikrowellen-Absorptionsverfahren ist deshalb die Feldstärke im Empfänger bei hoher Materialfeuchte groß (kleine Dämpfung) und bei niedrigem Wasseranteil gering (große Dämpfung).

Der Anstieg der Feldstärke erklärt man sich durch eine Addition der folgenden physikalischen Effekte:

- Aufgrund der mit zunehmender Feuchte steigenden elektrischen Leitfähigkeit entstehen im Meßobjekt Wirbelströme.
- Bedingt durch die hohe Dielektrizitätskonstante (ε_{r Wasser} ≈ 80) und die dadurch verkürzte Wellenlänge (bei 433 MHz: λ_Wasser ≈ 8,3 cm ) können sich im Meßobjekt stehende und fortschreitende elektromagnetische Wellen ausbreiten. (Der Energieentzug durch die Schwingungen der Wassermoleküle ist bei geringer Meßfrequenz und bei geringer Dicke des Objektes von untergeordneter Bedeutung.)

Bild 3 zeigt die Feldstärke in Abhängigkeit von der Materialfeuchte (Kennlinie). Als Meßobjekt wurde ein mit d = 10 cm großer, mit Weißtorf gefüllter Pflanzentopf gewählt. Der Abstand zwischen Sende- und Empfangsantenne beträgt ca. S = 14 cm. Das HF-Signal wurde am Empfänger linear gleichgerichtet. Durch eine Veränderung der Sendeleistung, bzw. der Empfindlichkeit des Empfängers kann der steile Teil der Kennlinie im Bereich von ca. F_m = 50-80 Gewichts-% verschoben werden. Wird ein logarithmischer Meßempfänger verwendet (Anzeige in dB statt in mV), kann der Meßbereich auf ca. 40-85 Gewichts-% Wasseranteil erweitert werden. Durch die große Steilheit der Kennlinie ergibt sich trotz einfachem Aufbau eine große Unempfindlichkeit gegenüber Störeinflüssen.

Die Kennlinie ist stark von der Schwingkreisgüte und von der Größe des Luftspaltes zwischen den Spulen und dem Meßobjekt abhängig. Positionsabweichungen des Meßobjektes sowie Metallgegenstände o. ä. unmittelbar neben dem Meßobjekt haben nur eine unwesentliche Keimlinienverschiebung zur Folge, sofern der Abstand zwischen Sende- und Empfangsspule nicht verändert wird. Allerdings muß ein Mindestabstand zwischen Meßobjekt und Spule von ca. d = 5 mm eingehaken werden, damit die Resonanzfrequenz und die Güte des Schwingkreises nicht durch eine kapazitive Kopplung zwischen Spule und Meßobjekt beeinflußt wird. Auch ein dünner Wasserfilm (z. B. feuchte Außenwände des Meßobjektes) beeinflußt das Meßergebnis nur unwesentlich.

Die Meßfrequenz sollte je nach Objektgröße und gewünschtem Meßbereich ca. f_m = 100-1000 MHz betragen. Für das beschriebene Anwendungsgebiet eignet sich deshalb besonders die für industrielle Zwecke freigegebene Frequenz f_m = 433.92 MHz. Um eine große Empfindlichkeit zu erzielen, sollte die Güte der beiden Schwingkreise möglichst hoch sein. (Bei einer Erhöhung der Sendeleistung bzw. Empfängerempfindlichkeit verstärken sich auch die störenden kapazitiven Effekte).

Die Sende- und Empfangsspulen können sich auch auf derselben Seite des Meßobjektes befinden, sofern eine direkte Kopplung zwischen den beiden Spulen durch ausreichenden Abstand und ggf. einer Abschirmung verhindert wird (Bild 4). Hierbei wirkt sich eine Änderung des Abstandes zwischen dem Meßobjekt und den Spulen jedoch deutlich auf das Meßergebnis aus.

3. Anwendungsbeispiele 3.1 Pflanzenindividuelle Bewässerung mittels Gießwagen

Bild 5 zeigt den Aufbau eines kompletten Bodenfeuchtemeß- und Gießsystems zur pflanzenindividuellen Bewässerung und Düngung mittels Gießwagen.

Die am Gießwagen befestigten Sende- und Empfangsantennen befinden sich zwischen den einzelnen Pflanzenreihen. Es befinden sich jeweils 2 Schwingkreise in einem Gehäuse die mit einem gemeinsamen Sender bzw. Empfänger gekoppelt sind. Die Meßantennen besitzen somit eine bidirektionale Charakteristik, d. h. sie strahlen sowohl nach links und nach rechts. Mit einer Kombination aus Sende- und Empfangsantenne werden deshalb zwei Topfreihen abgedeckt. Die Versorgung der Sendeantennen erfolgt mit handelsüblichen Oszlilator-Modulen (z. B. Meßfrequenz: f_m = 433.92 Mhz, Ausgangsleistung Pout = 20 mW). In den Empfängerbaugruppen wird die Stärke der Signale in mit der Feldstärke proportionale Gleichspannungen umgewandelt und über einen Multiplexer einem Prozeßrechner zugeführt. Um die Feuchte der jeweils links bzw. rechts vom Empfänger stehenden Pflanzenreihe zu ermitteln wird jeweils die entsprechende Sendergruppe durch den Rechner freigegeben.

Die Auswertung der Signale, die Gießzeitberechnung und die Zeit-Ablaufsteuerung erfolgt ebenfalls mit Hilfe des Prozeßrechners.

Die Bewässerung erfolgt während der kontinuierlichen Weiterfahrt des Gießwagens durch Magnetventile. Die Bestimmung der Position für den Meß- und für den Gießvorgang kann dabei entweder durch eine Lichtschranke oder durch eine softwaremäßige Auswertung der Signaländerungen der Empfängerbaugruppen erfolgen.

2. Leckagendetektion an Abwasserkanälen

Ältere Abwasserrohre weisen häufig Beschädigungen und Undichtigkeiten auf. Das Abwasser tritt an den undichten Stellen aus und belastet die Umwelt. Diese Schäden werden üblicherweise mittels einer kleinen Fernsehkamera lokalisiert und untersucht. Hierbei kann nur der innere Zusand des Kanals überprüft werden. Ob tatsächlich Abwasser austritt kann jedoch durch diese sogenannte TV-Befahrung häufig nicht festgestellt werden. Somit sind keine genauen Aussagen über die Gefährdung von Boden und Grundwasser möglich /2/. Da eine Sanierung des Abwasserkanals mit sehr großen Kosten verbunden ist, wären hier zusätzliche Informationen über die Menge des austretenden Wassers wünschenswert.

Durch die Montage der in Bild 4 dargestellten Meßanordnung an einer Kanalsonde kann ein deutlicher Anstieg der Bodenfeuchte unterhalb des Kanalrohres lokalisiert werden (Bild 6). Der dünne Wasserfilm am Boden des Kanalrohres beeinflußt dabei das Meßergebnis nur unwesentlich.

In Kombination mit der Fernseh- Untersuchung sind somit Aussagen über die Menge des tatsächlich austretenden Abwassers möglich.

4. Literaturverzeichnis

/1/ Eissler, W.; u. a. Automatische Bodenfeuchtemessung und Gießwasserdosierung im Gewächshaus und bei der Freiland-Pflanzenaufzucht.
Abschlußbericht des Verbund-Forschungsprojektes, gefördert vom Ministerium für Ländlichen Raum, Ernährung, Landwirtschaft und Forsten, Baden-Württemberg, Az: 24-8251.32.
Steinbeis-Transferzentrum für Sensoren und Systeme, Reutlingen, 1993.
/2/ EISWIRTH, M.; u. a. Neuartige Methoden der Leckagendetektion bei Abwasserkanälen. gwf- Wasser-Abwasser, 135(6): 312-318, 1994.

Claims

Verfahren und Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Materialfeuchte im Hochfeuchtebereich, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkung der induktiven Kopplung zweier sich neben dem Meßobjekt befindenden Schwingkreise bei hoher Materialfeuchte zur Messung der Feuchte herangezogen wird.