DE19520021A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten in Gemengen oder Flüssigkeiten, insbesondere zur Feuchtigkeitsbestimmung im Erdboden - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten in Gemengen oder Flüssigkeiten, insbesondere in Erdboden bzw. Ackerboden, sowie weiterer Bodeneigenschaften wie z. B. der Leitfähigkeit und der Salinität, die teilweise auch miteinander zusammenhängen können. Dabei sind das Verfahren und die Vorrichtung selbstverständlich auch auf beliebig andere Gemenge oder Flüssigkeiten anwendbar, die z. B. in industriellen Produktionsverfahren verwendet werden. Sinnvoll sind das Verfahren und die Vorrichtung vor allem dort anzuwenden, wo eine Komponente des Gemenges oder der Flüssigkeit eine von den übrigen Komponenten deutlich abweichende Dielektrizitätskonstante hat, so daß sich über die Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten sehr einfach und leicht Rückschlüsse auf den Anteil dieser einen Komponente ableiten lassen. Im Falle von Erdboden bzw. Ackerboden ist diese eine Komponente der Feuchtigkeitsgehalt bzw. Wassergehalt, da Wasser eine gegenüber allen übrigen Bodenkomponenten deutlich höhere Dielektrizitätskonstante hat. Die folgende Beschreibung konzentriert sich auf die Feuchtigkeitsbestimmung von Erdboden, ohne daß hiermit eine Beschränkungsabsicht verbunden ist. Gegebenenfalls sind also alle speziell im Zusammenhang mit Erdboden erwähnten Merkmale und Maßnahmen des Verfahrens und der entsprechenden Vorrichtung in völlig analoger Weise auch auf andere Gemenge oder Flüssigkei­ ten, einschließlich Emulsionen, Lösungen oder Flüssigkeitsmischungen zu übertragen.

Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Messung der Dielektrizitätskonstanten von Bodenmaterial und einer daraus abgeleiteten Feuchtigkeitsbestimmung verwenden im allgemeinen eine elektrische Leitung, die in den Erdboden hineingesteckt wird. Das herausstehende Ende der Leitung ist mit einem Sender sowie einem Empfänger für hochfrequente elektrische Signale verbunden. Das Signal wird in die elektrische Leitung eingeleitet, an deren Ende reflektiert und vom Empfänger empfangen. Aus der Zeitverzögerung läßt sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Erdboden bestimmen, die gemäß der Beziehung

wobei c die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Boden, c₀ die Vakuumlichtgeschwindigkeit, ε_r die Dielektrizitätskonstante des Bodens und µ_r die Permeabilität ist, die jedoch in der Praxis in fast allen interessierenden Fällen = 1 gesetzt werden kann und daher im Folgenden nicht mehr berücksichtigt wird.

Aus den Signallaufzeiten kann dann die Ausbreitungsgeschwindigkeit gemessen und hieraus gemäß der obigen Beziehung die Dielektrizitätskonstante ermittelt werden. Will man die elektrische Leitung nicht übermäßig lang machen, so liegen die zu messenden Lautzeiten im Bereich weniger Nanosekunden. Die exakte Messung derart kurzer Laufzeiten, die für eine verläßliche Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten und damit der Feuchtigkeitswerte des Bodens erforderlich sind, erfordern einen außerordentlich hohen meßtechnischen Aufwand, der dennoch in der Praxis nicht immer die gewünschten genauen Ergebnisse liefert. Darüberhinaus läßt ein solcher hoher Aufwand den verbreiteten Einsatz derartiger Meßsysteme, z. B. durch einen einzelnen landwirtschaftlichen Betrieb oder eine Genossenschaft, insbesondere auch in ärmeren Staaten oder Entwicklungs­ ländern nicht zu. Gerade dort ist jedoch eine genaue Kenntnis des Feuchtigkeitsgehaltes und ein dadurch optimiertes, sparsames Bewässern besonders von Nöten. Auch viele Industrienationen klagen zunehmend über Wasserknappheit, so daß auch hier eine möglichst sparsame Bewässerung sinnvoll erscheint, die andererseits nicht dazu führen soll, daß die zu bewässernden Pflanzen unter Wassermangel leiden und geringere Erträge bringen. Auch unter Kostengesichts­ punkten ist für einen landwirtschaftlichen Betrieb eine sparsame Bewässerung selbstverständlich sinnvoll.

Wie bereits erwähnt, ist das bekannte System für den verbreiteten Einsatz zu ungenau oder zu aufwendig. Daneben sind selbstverständlich noch andere Verfahren, z. B. der chemischen oder physikalischen Analyse bekannt, die zwar mehr genau sind, jedoch einen noch höheren Aufwand und den Einsatz eines Labors erfordern, was erst recht die Möglichkeiten eines einzelnen Betriebes oder einer kleinen Genossenschaft übersteigt und dabei auch äußerst unpraktisch und zeitaufwendig ist.

Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten in Gemengen oder Flüssigkeiten mit den bereits erwähnten Merkmalen zu schaffen, welche mit vergleichsweise geringem Aufwand sehr schnelle und genaue Werte der Dielektrizitätskonstanten des Systems bzw. des daraus abgeleiteten Feuchtigkeitsgehaltes liefern.

Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein hochfrequentes elektrisches Signal in die elektrische Leitung eingegeben und die Signalamplitude als Funktion der Signalfrequenz ermittelt wird, woraufhin die Auswertung, d. h. der Rückschluß auf die Dielektrizitäts­ konstante, aus dem Frequenzgang des gemessenen Signals vorgenommen wird.

Gleichzeitig können aus der Signaldämpfung (Amplitudendämpfung) die Bodenleitfähigkeit, die Salinität und andere Bodeneigenschaften aus den erfindungsgemäßen Messungen der Amplituden in Abhängigkeit von der Frequenz bestimmt werden.

Vorzugsweise wird als elektrische Leitung eine Doppelleitung aus im wesentlichen parallelen elektrischen Leitern verwendet. Eine solche Leitung liefert im allgemeinen ein relativ gut meßbares Signal auch bei schwachen Sendeleistungen.

Die Doppelleitung kann gegebenenfalls auch als Koaxialleitung ausgestaltet sein. Daneben ist selbstverständlich auch die Verwendung einer einfachen Leitung möglich, insbesondere mit einem dünnwandigen, dielektrischen Überzug.

Alternativ kommt auch die Verwendung von Streifenleitungen, zum Beispiel in Form metallisch beschichteter Keramik- oder Kunststoffelemente, in Frage.

Wichtig ist, daß im Gegensatz zum Stand der Technik nicht Signallaufzeiten gemessen werden, sondern daß die Frequenzabhängigkeit der Signale erfaßt und ausgewertet wird.

Vorzugsweise ist die elektrische Doppelleitung als sogenannte Lecherleitung ausgestaltet, die wiederum vorzugsweise an ihrem den Meßvorrichtungen abgewandten Ende offen ist. Eine Lecherleitung besteht aus zwei exakt parallelen elektrischen Leitern, im allgemeinen rohrförmigen Hohlleitern, da die in Rede stehenden hochfrequenten Signale ohnehin nur durch die Ober­ flächenbereiche von elektrischen Leitern verlaufen.

Selbstverständlich können die Leitungen jedoch auch aus massiven elektrischen Leitern bestehen und der Begriff Lecherleitung wird im Sinne der vorliegenden Erfindung durchgehend für zwei möglichst exakt parallele, gerade Leiter gleicher Länge verwendet.

In einer bevorzugten Variante des Verfahrens erfolgt die Auswertung allein durch Erfassen des Frequenzabstandes der beim Durchstimmen der Sendefrequenz auftretenden Maxima und/oder Minima der Signalamplituden. Wenn das zu messende System eine kleine Dielektrizitätskonstante hat, sind die Abstände zwischen aufeinander folgenden Maxima oder Minima der frequenz­ abhängigen Signalamplitude relativ groß und werden mit wachsender Dielektrizitätskonstante, im Falle von Erdboden also mit zunehmender Feuchtigkeit, deutlich kleiner. Der Abstand der (in der Praxis am einfachsten zu messenden) aufeinander folgenden Maxima der Signalamplituden in Abhängigkeit von der Frequenz ändert sich zum Beispiel bei einem konkret verwendeten System um über 60%, wenn der Feuchtigkeitsgehalt des Bodens von 30% auf 12% abnimmt. Bei entsprechender Eichung weist das Verfahren daher einen hohen Grad an Genauigkeit auf, insbesondere für den Feuchtigkeitsbereich, der in der Praxis auch für Ackerböden von großem Interesse ist.

Grundsätzlich wäre es selbstverständlich auch möglich, aus einem kleinen Abschnitt des Frequenzganges, d. h. beispielsweise aus dem steilsten Abschnitt zwischen Maximum und Minimum der Signalamplitude, gemessen in Abhängigkeit von der Frequenz, die Dielektrizitätskon­ stante bzw. den Feuchtigkeitsgehalt abzuleiten.

Zur Feuchtigkeitsbestimmung erscheint es am zweckmäßigsten, das System durch eine Reihe konkreter Messungen und Analysen mit Hilfe von chemischen und/oder physikalischen Verfahren eine Eichmessung vorzunehmen.

Mit dem beschriebenen Verfahren läßt sich die Dielektrizitätskonstante aus den generellen Beziehungen zwischen Wellenlänge, Frequenz, Lichtgeschwindigkeit und Dielektrizitätskonstante ermitteln, wobei im Falle der verwendeten Lecherleitung die zusätzliche Bedingung hinzukommt, daß bei einer offenen Leitung Maxima des Signals, d. h. Resonanzen der Doppelleitung auf das Sendesignal, immer dann zu erwarten sind, wenn die konkrete Länge L der Lecherleitung einem ungradzahligen Vielfachen einer Viertelwellenlänge entspricht. Für die Maxima gilt also die Beziehung (2n + 1) λ/4 = L. Im Falle einer Lecherleitung mit geschlossenem Ende würde die entsprechende Beziehung n/2 λ = L lauten.

Für benachbarte Maxima unterscheiden sich die entsprechende Werte von n gerade um 1. Mit Hilfe dieser Bedingungen lassen sich die zu den jeweiligen Frequenzen gehörenden Wellenlängen und damit auch der Wert für die Dielektrizitätskonstante 8 ermitteln. Weil Wasser eine im Vergleich zum übrigen Bodenmaterial sehr hohe Dielektrizitätskonstante hat, wird diese Wert maßgeblich durch den Wasseranteil bzw. den Feuchtigkeitsgehalt besummt. Die genaue Zuordnung des Feuchtig­ keitsgehaltes zu den entsprechenden Werten von ε erfolgt am besten anhand einer Eichmessung.

Die entsprechende Vorrichtung weist die bereits erwähnte Doppelleitung auf, vorzugsweise in Form einer Lecherleitung, sowie einen zumindest in einem begrenzten Frequenzbereich durchstimm­ baren Sender. Prinzipiell würde es ausreichen, wenn der Sender über einen Frequenzbereich hinweg durchstimmbar ist, der das Erfassen eines Maximums und eines Minimums der Signalamplitude in Abhängigkeit von der Frequenz erlaubt. Genauer wird die Messung jedoch, wenn insgesamt mindestens zwei Maxima oder zwei Minima der betreffenden Kurve erkennbar werden. Der Oszillator sollte deshalb über einen Frequenzbereich hinweg durchstimmbar sein, dessen größter und kleinster Wert sich um einen Faktor von mindestens 2, besser noch um einen Faktor von mindestens 5 unterscheiden. Konkret wird ein Oszillator angestrebt, der im Frequenzbereich zwischen 150 MHz und 900 MHz durchstimmbar ist. Aber auch mit höheren Frequenzen, zum Beispiel bis in den Bereich von 10 GHz und darüber, läßt sich das erfindungs­ gemäße Prinzip verwirklichen. Höhere Frequenzen haben dabei vor allem den Vorteil, daß kürzere elektrische Leitungen als "Antennen" verwendet werden können.

Es versteht sich, daß die Ausgangsverstärkung des Oszillators über den gesamten Frequenzbe­ reich hinweg möglichst konstant sein oder sich allenfalls gleichmäßig ändern sollte. Die Maxima und Minima der Signalamplitude entstehen dann allein aufgrund der Dämpfung oder Resonanz des Lechersystems. Besonders bevorzugt ist für Sender und Empfänger die sogenannte PLL-Technik (Phase locked loop), die eine sehr genaue frequenzgefilterte bzw. frequenzselektive Messung kleinster Signale ermöglicht.

Die elektrische Leitung besteht vorzugsweise aus zwei parallelen (oder auch einer einzelnen), mit einer Schutzschicht ummantelten Leitungen, die zweckmäßigerweise jeweils oder gemeinsam mit einer Spitze versehen werden, die das Einschieben der Leitung in Bodenmaterial erlaubt. Der Zwischenraum zwischen den Leitungen sollte beim Einschieben in den Boden möglichst weitgehend durch Bodenmaterial ausgefüllt werden können, so daß es sinnvoll erscheint, wenn allenfalls schmale Brücken oder Stege die beiden Leitungen bzw. deren Ummantelung direkt miteinander verbinden, um die beiden Leitungen stabil in ihrem parallelen Abstand zu halten, wobei die Verbindung selbstverständlich nichtleitend ist.

Eine andere Variante besteht darin, daß die Leitungen auf gegenüberliegenden Seiten eines Rohres parallel angeordnet werden, welches in den Boden eingesteckt bzw. gerammt werden kann. Das Rohr sollte dementsprechend dünnwandig, gleichzeitig jedoch auch stabil sein. Statt eines vollständigen Rohres könnten jedoch auch ein Rohrsektor oder ein Halbrohr verwendet werden, bei welchem die Leitungen entlang der freien Kanten dieses Rohrsektors angeordnet sind. Bei einer solchen Ausgestaltung läßt sich das Lechersystem relativ leicht in Bodenmaterial einschieben, vorausgesetzt, dieses ist nicht allzu stark verdichtet und verfestigt. Gleichzeitig dringt auch das Bodenmaterial auf der konkaven Seite des Rohrsektors oder Halbrohres in den Bereich zwischen den beiden Leitungen ein, so daß dieses Material auch tatsächlich die Ausbreitungs­ geschwindigkeit und damit die Wellenlänge der elektrischen Signale in der Leitung bestimmt.

Die Vorderkante eines Rohres, Halbrohres oder Rohrsektors ist zweckmäßigerweise als Schneide ausgebildet oder auch zu einer Spitze geformt. Die Zuleitungen sollten an einem Ende der Doppelleitung vorzugsweise seitlich erfolgen. Auf diese Weise kann das Ende der Leitung noch mit einem Druck- oder Schlagkopf versehen werden, der das Eintreiben der Doppelleitung in Bodenmaterial erleichtert.

Die Leistung des betreffenden Senders sollte möglichst unter 100 mW liegen, damit der Fernsehempfang in der näheren Umgebung des betreffenden Senders möglichst nicht gestört wird.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der dazugehörigen Figuren. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm des erfindungsgemäßen Systems,

Fig. 2 eine erste, konkrete Ausgestaltung einer Lecherleitung zur Verwendung in dem in Fig. 1 dargestellten System,

Fig. 3 und 4 schematisch zwei weitere Ausführungsformen einer Lecherleitung,

Fig. 5, 6 und 7 die gemessenen Frequenzabhängigkeiten der Signale bei einem System nach Anspruch 1 bei verschiedenen Bodenfeuchtigkeiten.

In Fig. 1 erkennt man schematisch eine Lecherleitung 2, bestehend auf zwei parallelen, elektrischen Leitern, die am Ende offen, d. h. nicht miteinander verbunden sind. Die Lecherleitung 2, die mechanisch entsprechend stabil ausgeführt ist, teilweise gekapselt sein kann und gegebenenfalls Gehäuseabschnitte mit verstärkten Enden aufweist, ist in den schraffiert angedeuteten Erdboden 1 eingesteckt bzw. eingerammt. Ein durchstimmbarer Hochfrequenzgene­ rator 3 speist ein hochfrequentes, elektromagnetisches Signal in die Leitung 2 ein. Sofern die Frequenz genügend hoch und die Länge der Lecherleitung 2 hinreichend lang ist, bilden sich in der Lecherleitung 2 dieselben elektromagnetischen Wellenzustände aus wie in einer Antenne. Hierzu muß die Länge der Leitung 2 in der Größenordnung von mindestens einem Viertel der Wellenlänge der hochfrequenten elektromagnetischen Wellen liegen. Es versteht sich, daß unter praktischen Gesichtspunkten die Lecherleitung 2 nicht allzu lang sein darf, auch wenn sie üblicherweise nicht, wie in Fig. 1 dargestellt ist, vertikal in den Boden gesteckt werden muß, sondern im allgemeinen vielmehr flach unter einem kleinen Winkel zur Bodenoberfläche in diesen eingeschoben wird, um vor allem die Feuchtigkeit der oberen Bodenschichten zu bestimmen, die für das Gedeihen von Ackerfrüchten relevant sind. Andererseits kann die Lecherleitung auch senkrecht in den Boden gesteckt werden, wenn sie genügend kurz ist. Verwendet man eine Frequenz von 150 MHz, so beträgt im Vakuum die Wellenlänge der entsprechenden elek­ tromagnetischen Wellen 2 Meter und die entsprechende Lecherleitung müßte demnach 50 cm lang sein, um den Resonanzzustand einer stehenden Welle mit 150 MHz ausbilden zu können.

Da jedoch im Erdboden die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen deutlich langsamer ist als im Vakuum, kann die Lecherleitung 2 in der Praxis um einen entsprechenden Faktor in der Größenordnung von 2-3 verkürzt werden. Je kürzer die Lecherleitung 2 ist, desto eher ist es sinnvoll, sie senkrecht in den Boden zu stecken, soweit damit nur die relevanten Bodenschichten erfaßt werden. Will man außerdem die Frequenz um mindestens einen Faktor 2 variieren, um die Resonanzen zum Bestimmen der Lecherleitung 2 zu erfassen, d. h. diejenigen Frequenzen, bei denen die aktuelle Wellenlänge λ der Gleichung (2n+1) · λ/4 = L genügt, wobei L die Länge der Lecherleitung ist, so muß die Frequenz mindestens in dem Bereich von 150 MHz bis 300 MHz durchstimmbar sein. Bei einem in der Praxis gut brauchbaren und leicht handhab­ baren System dürfte also die verwendbare Frequenz und damit der durchstimmbare Bereich zwischen etwa 100 MHz und 1000 MHz liegen und die Lecherleitung 2 müßte dann eine Länge in der Größenordnung zwischen 10 und 30 cm haben, um die Dielektrizitätskonstanten nach der erfindungsgemäßen Methode messen zu können, deren Werte zwischen etwa 1 und 80 fallen. Hohe Frequenzen, gegebenenfalls bis in den Bereich von 10 GHz oder gar darüber sind deshalb besonders bevorzugt, sofern entsprechende frequenzabgestimmte Sender und Empfänger höher Empfindlichkeit zur Verfügung stehen.

Die von dem Hochfrequenzgenerator 3 an die Lecherleitung 2 abgegebene Energie wird in den Erdboden abgestrahlt, wobei sich, wie bereits erwähnt, bei bestimmten Wellenlängen resonante Zustände ausbilden. Die Signalamplitude, die mit dem Meßsystem erfaßt wird, welches durch die Bezugszeichen 4 bis 7 wiedergegeben ist, wird daher in Abhängigkeit von der Frequenz oder Wellenlänge periodisch schwanken. Diese Schwankungsperiode wird zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten 8 verwendet. Mit 4 ist ein Eingangsverstärker bezeichnet, der ebenso wie der Hochfrequenzsender 3 an das obere Ende der Lecherleitung 2 angeschlossen ist. Die Bezugszahl 5 bezeichnet einen Gleichrichter und mit 6 ist ein Analog-Digital Wandler bezeichnet. In einem Rechnerteil 7 werden die Meßwerte erfaßt und ausgewertet und können in einem RAM- Speicher 8 gespeichert und in einer Anzeigeeinheit 9 angezeigt werden. Mit 10 sind schematisch Bedienelemente dargestellt, deren Zustand zweckmäßigerweise vom Rechner 7 erfaßt wird, um die Einstellungen der Bedienelemente beim Auswerten der Meßergebnisse berücksichtigen zu können. Konkret könnten die Bedienelemente 10 durch die Tastatur eines Rechners gebildet werden. Unabhängig davon können jedoch auch Einstellelemente an den einzelnen Geräten vorhanden sein.

In einer anderen, nicht dargestellten Variante könnten der Verstärker 4 und der Gleichrichter 5 durch einen schmalbandigen, in der Frequenz parallel zum Generator 3 mitgeführten Empfänger bestehen. Derartige frequenz- und gegebenenfalls auch phasenempfindliche Empfänger haben eine sehr hohe Meßempfindlichkeit, so daß bei einem solchen System die Leistung des UHF- Generators 3 sehr gering und z. B. deutlich unter 100 mW liegen könnte, was zur Vermeidung von Störungen im Fernsehfrequenzbereich wünschenswert ist.

Bild 2 zeigt mehr oder weniger schematisch eine konkrete Ausgestaltung einer Lecherleitung. Die beiden Leitungen 2a, 2b die z. B. aus Kupfer-Beryllium Rohren bestehen könnten, sind mit ihren vorderen Enden in eine Kappe 12 eingesteckt, die mit einer Spitze versehen ist. Die Verbindung der Rohre 2a, 2b mit der Kappe 12 sollte entweder formschlüssig oder mit gut haftenden Kleber erfolgen. Die Kappe 12 sollte möglichst schmal und glatt ausgeführt sein und könnte auch eine metallische Spitze aufweisen. Am hinteren Ende, an welchem der Generator 3 und der Meßverstärker 4 angeschlossen werden, sind die Enden der Rohre 2a, 2b mit einer Druck- oder Schlagkappe 11 versehen, die hier im Schnitt dargestellt ist und die dazu dient, auf das hintere Ende der Lecherleitung 2 gegebenenfalls Druck auszuüben, um sie in den Erdboden einzudrücken, oder gegebenenfalls auch um die mit einem Hammer oder dergleichen. In den Boden ein­ zuschlagen der Druck- oder Schlagkopf 11 weint seitliche Bohrungen auf, durch welche die Anschlußleitungen hindurchgeführt werden. Je nach Länge des Systems können auch noch ein oder mehrere Verbindungsbrücken 13 vorgesehen sein, welche die beiden Rohre 2a, 2b in ihrer parallelen Ausrichtung festhalten.

Eine andere, schematisch angedeutete Variante ist in Fig. 3 dargestellt. In diesem Fall weist die Lecherleitung ein rohrförmiges Gehäuse 14 auf, welches in den Boden eingerammt oder eingesteckt werden kann. Das Vorderende des rohrförmigen Gehäuses 14 ist mit einem scharfkantigen Rand ausgebildet, so daß hierdurch das Einstecken in den Boden erleichtert wird. Dabei dringt der Boden in das Rohr ein und füllt damit den Raum zwischen den beiden Leitungen 2a und 2b aus, die auf gegenüberliegenden Seiten des Rohres parallel zur Achse des Rohres 14 verlaufen.

Fig. 4 zeigt eine weitere Variante, bei welcher das Gehäuse 14′ als Halbrohr oder auch als Rohrsektor mit mehr oder weniger als 180° Umfangswinkel ausgebildet ist. An den freien Kanten des Rohrsektors 14′ sind wiederum die beiden Leitungen 2a und 2b der Lecherleitung 2 achsparallel verlaufend angeordnet. Das vordere Ende des Rohrsektors 14′ ist zu einer Spitze auslaufend geformt. Diese Variante ist noch leichter in den Boden einzubringen als das Rohr 14 nach Fig. 3, wobei ebenfalls sichergestellt ist, daß das Erdbodenmaterial den Raum zwischen den Leitungen 2a und 2a ausfüllt. Das hier nicht dargestellte hintere Ende bei den Ausführungsformen nach Fig. 3 oder Fig. 4 könnte ebenso wie im Falle der Fig. 2 mit einem Druck- oder Schlagkopf 11 ausgestattet sein.

Die Fig. 5, 6 und 7 zeigen die mit einem System nach Fig. 1 gemessenen Signalamplituden eines nach dem Schema der Fig. 1 aufgebauten Versuchsystems in Abhängigkeit von der variablen Frequenz des UHF-Generators 3, wobei die Messungen in den Fig. 5, 6 und 7 jeweils bei unterschiedlichen Bodenfeuchtigkeiten vorgenommen wurden, die unabhängig bestimmt wurden. Zunächst soll hier noch kurz der Zusammenhang zwischen dem Abstand der Signalmaxi­ ma und der Dielektrizitätskonstanten abgeleitet werden, aus welcher wiederum, spätestens nach einer entsprechenden Eichmessung, auf den Feuchtigkeitsgehalt zurückgeschlossen werden kann.

Die beiden grundlegenden Beziehungen sind die schon in der Beschreibungseinleitung erwähnten Gleichungen (1 und 2), die hier in vereinfachter Form nochmals wiedergegeben werden:

c = ν × λ = c₀/√ε (1)

und für die Maxima der Signalamplituden bei einer offenen Lecherleitung:

L = (2n + 1) · λ/4 (2)

Aus 1 erhält man durch Umformung

Dieses eingesetzt in Gleichung 2 ergibt

wobei ν_n,max denjenigen Frequenzen entspricht, bei welchen ein Maximum der Signalamplitude auftritt und n diese Amplituden in der Reihenfolge ihres Auftretens abzählt.

Diese Gleichung aufgelöst nach νn,max ergibt

Für den Frequenzabstand Δν zweier benachbarter Maxima der Signalamplituden, d. h. die Differenz zwischen ν_n+1,max und ν_n,max, erhält man demnach:

Dies aufgelöst nach √ε ergibt

Damit ist die Wurzel aus der Dielektrizitätskonstanten unmittelbar auf den Abstand Δν der Maxima in der Kurve der Signalamplituden in Abhängigkeit von der Frequenz zurückgeführt.

Aus den Fig. 5 bis 7 erkennt man, daß sich der Abstand der Signalmaxima von 105,5 MHz über 89,5 MHz bis zu 84,0 MHz deutlich ändert, wenn die Bodenfeuchtigkeit nur im Bereich zwischen 19,2% und über 25,7% bis 28,2% variiert. Man erkennt daraus, daß man die Bodenfeuchtigkeiten ohne weiteres bis auf 0,2% genau bestimmen kann, wenn sich die Lage der Maxima bzw. der Abstand der Maxima auf etwa 0,5 MHz genau bestimmen läßt, was bei einer digitalen Auswertung der Meßkurven ohne weiteres möglich ist.

Claims (24)

1. Verfahren zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten in Gemengen, wie zum Beispiel in Ackerboden, oder in Flüssigkeiten, bei welchem ein hochfrequentes, elektrisches Signal in eine in das Gemenge oder dergleichen eingebrachte elektrische Leitung geschickt und aus der Signalausbreitung bzw. -reflexion auf die Dielektrizitäts­ konstante geschlossen und hieraus gegebenenfalls der Feuchtigkeitsgehalt des Gemenges abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das hochfrequente Signal in die elektrische Leitung eingegeben und die Signalamplitude als Funktion der Signal­ frequenz ermittelt wird, woraufhin die Auswertung, d. h. der Rückschluß auf die Dielektrizitätskonstante aus dem Frequenzgang des gemessenen Signals vor­ genommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrische Leitung eine Doppelleitung aus im wesentlichen parallelen elektrischen Leitern verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrische Leitung eine Koaxialleitung, eine mit einem Dielektrikum beschichtete Einzelleitung oder eine auf einem Träger als Schicht aufgebrachte Steifenleitung verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als elektrische Doppelleitung eine vorzugsweise am Ende offene Lecherleitung verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Auswertung des Frequenzganges der Frequenzabstand von Maxima und/oder Minima der Signalamplitude verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung unter Verwendung der folgenden Beziehungen und Randbedingungen erfolgt: wobei λ die Wellenlänge in der Doppelleitung angibt, ν die Signalfrequenz ist, c die Lichtgeschwindigkeit ist, ε die Dielektrizitätskonstante ist, µ die (im allgemeinen = 1 zu setzende) Permeabilität L die Länge der Doppelleitung und n eine ganze Zahl ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an Gemengen mit bekannten Feuchtigkeitsgehalten eine Eichmessung vorgenommen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zur Feuchtigkeitsmessung im Boden ein Loch gegraben und die Meßsonde (Doppelleitung) in dem Loch horizontal in den Boden eingeschoben wird, wobei die Messung gegebenenfalls in verschiedenen Bodentiefen wiederholt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzvariation mindestens einen Faktor 2, vorzugsweise mindestens einen Faktor 5 beträgt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz mindestens im Bereich von 200 bis 600 MHz, vorzugsweise im Bereich von 150 bis 900 MHz und wahlweise zwischen 1 und 10 GHz variiert wird.

11. Vorrichtung zur Bestimmung der Dielektrizitätskonstanten eines Gemenges, wie zum Beispiel Erdboden oder einer Flüssigkeit, mit einer Leitung, welche in das Gemenge bzw. die Flüssigkeit einbringbar ist, wobei mindestens ein Ende der Leitung mit einem Sender für hochfrequente elektrische Signale verbunden ist und wobei auch ein Empfänger für die Signale, welche die Leitung durchlaufen haben bzw. in dieser reflektiert worden sind, mit der Leitung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (3) innerhalb eines vorgebbaren Frequenzbereiches durchstimmbar ist, der ausreicht, um die Frequenzabhängigkeit des Empfangssignales zu bestimmen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung eine Doppelleitung (2) ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung eine Koaxialleitung, eine mit einem Dielektrikum beschichtete Einzelleitung oder eine auf einem Träger als Schicht aufgebrachte Streifenleitung ist.

14. Vorrichtung nach einem der Anspruche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchstimmbarkeitsbereich der Frequenz mindestens den Faktor 2 umfaßt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchstimmbar­ keitsbereich mindestens den Faktor 5 umfaßt und vorzugsweise dem Bereich von 150 MHz bis 900 MHz entspricht.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchstimmbar­ keitsbereich im Bereich zwischen 1 und 10 GHz liegt.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung eine an ihrem äußeren Ende vorzugsweise offene Lecherleitung ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leiter mit einer Schutzschicht, vorzugsweise aus Kunststoff, ummantelt sind.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Leiter (2a, 2b) über schmale Stege (13) nichtleitend miteinander verbunden sind.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden elektrischen Leiter (2a, 2b) an gegenüberliegenden Seiten eines Rohres (14) oder Halbrohres (14′) bzw. Rohrsektors angebracht sind.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorderende der Doppelleitung mit einer oder mehreren Spitzen (12) oder mit einer Schneide versehen ist.

22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Zuleitungen seitlich an das eine Ende der Doppelleitung herangeführt sind und daß dieses Ende mit einem ebenen Kopf (11) aus einem widerstandsfähigen Material ausgestattet ist.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Senderleistung auf weniger als 100 mW einstellbar ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Sende/Empfangssystem ein PLL-System ist.