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Dokumentenidentifikation DE10253772B4 03.02.2005
Titel Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Eigenschaften des Erdreichs
Anmelder Forschungszentrum Karlsruhe GmbH, 76133 Karlsruhe, DE
Erfinder Brandelik, Alexander, Dr., 76227 Karlsruhe, DE;
Hübner, Christof, Dr., 68535 Edingen-Neckarhausen, DE
Vertreter Dres. Fitzner, Münch & Kluin, 40878 Ratingen
DE-Anmeldedatum 19.11.2002
DE-Aktenzeichen 10253772
Offenlegungstag 09.06.2004
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 03.02.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.02.2005
IPC-Hauptklasse G01N 27/22

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Eigenschaften des Erdreichs, insbesondere des Feuchtigkeitsgehaltes, sowie von Höhen von Schnee- und Eisbedeckungen.

Die genaue und großflächige Bestimmung von Eigenschaften des Erdreichs, insbesondere Feuchtigkeitsgehaltes ist wichtig zur Abschätzung und Verwaltung der Wasserressourcen zum Beispiel für die Land- und Forstwirtschaft. Nur mit dieser Kenntnis kann zum Beispiel eine großflächige angepasste Bewässerung und Erntevorhersage gelingen.

Die Eigenschaften des Erdreichs, insbesondere Feuchtigkeitsgehaltes spielen auch eine wichtige Rolle bei öffentlichen Bauvorhaben zum Beispiel Straßenbau, wo der Untergrund nicht zu feucht sein darf.

Auch für die meteorologische Vorhersage spielt die von der Bodenfeuchtigkeit abhängige aufsteigende Wasserdampfmenge eine nicht unerhebliche Rolle.

Unter Feuchtigkeit soll in der vorliegenden Erfindung jeder Art von Wasser verstanden werden. Unter Feuchtigkeit fällt also neben Wasser auch Schnee und Eis, ggf. auch als Bedeckung des Erdreichs.

Die Bestimmung der Schnee- und Eismenge ist wichtig für die Lawinenvorhersage und zur Warnung vor Hochwasser während der Frühlingsschmelze sowie für die Vorhersage des Füllstandes von mit Schmelzwasser gefüllten Wasserreservoirs.

Aus der WO 96/22522 ist ein Feuchtesensor für ausgedehnte Schichten bekannt, der aus jeweils mindestens einem hochfrequenten elektrischen Signalgenerator, einem Signallaufzeitmessgerät, einem Reflektometer und einem Leitungssystem aus mindestens zwei sich kreuzenden einander nicht berührenden unabhängigen Leitungen besteht. Dieser Feuchtesensor ist jedoch nachteilig, da er zum Betrieb in das Erdreich eingebracht werden muss, was teuer und aufwändig sowie mechanisch kompliziert ist, insbesondere wenn es sich um Schneefelder handelt. Ferner ist der Sensor in seiner Länge, d. h. in der untersuchten Fläche begrenzt und besitzt um die Messleitung herum nur einen limitierten Messbereich, da die Ausbreitung des Messfeldes in das Erdreich oder Schneefeld aufgrund des kleinen Leitungsdurchmessers gering ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der es ohne großen technischen. Aufwand möglich ist, die Bestimmung von Eigenschaften des Erdreiches, insbesondere Feuchtigkeitsgehaltes oder schnee- oder Eisdicken weiträumig durchzuführen.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, welches die Schritte

  • – Erzeugung eines zeitlimitierten oder permanenten elektromagnetischen Feldes in einer elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung durch Wechselspannungsbeaufschlagung derart, dass das Feld in das Erdreich hinein reicht,
  • – Messung mindestens der Laufzeit des zur Erzeugung des zeitlimitierten elektromagnetischen Feldes dienenden Wellenpakets oder einer Änderung der Wechselspannungsparameter des Feldes zwischen zwei in Längsrichtung der Leitung voneinander beabstandeten Punkten in der mindestens einen oberirdischen Leitung,
  • – Vergleich der gemessenen Laufzeit und/oder der gemessenen Änderung der Wechselspannungsparameter zwischen den zwei Punkten in der elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung mit Standardwerten.
umfasst.

Die Aufgabe wird ebenfalls durch eine Vorrichtung zur Ankopplung an mindestens eine elektrisch leitfähige oberirdische Leitung mit

  • – mindestens einem Generator zur Erzeugung einer zeitlich limitierten oder permanenten Wechselspannung zur Verbindung mit der mindestens einen elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung,
  • – mindestens einem Empfänger zur Verbindung mit der mindestens einen elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung und in Längsrichtung der Leitung beabstandet von dem mindestens einem Generator, und
  • – mindestens einem Messgerät zur Erfassung der Laufzeit des zur Erzeugung des zeitlimitierten elektromagnetischen Feldes dienenden Wellenpakets und/oder der Änderung zumindest eines Parameters der Wechselspannung
gelöst.

Aufgrund der Verwendung einer elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung zur Erzeugung des elektromagnetischen Feldes, das in das Erdreich hineinreicht, ist es aufgrund des Abstandes zum Boden möglich, ein weiträumiges Areal zu vermessen. Auch die schwierige Einbringung der Leitung in den Boden bzw. ein Schneefeld entfällt.

Erfindungsgemäß können prinzipiell jede Art von bereits installierten Freileitungen, d. h. Leitungen, die oberirdisch mit einem gewissen Abstand vom Erdboden verlegt wurden, eingesetzt werden.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die elektrisch leitfähige oberirdische Leitung eine oder mehrere Leitungen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Überlandstromleitungen, Versorgungsleitungen, überirdische Telefonleitungen, Schienenverkehrsoberleitungen, Seilbahnleitungen umfasst.

Solche Leitungen existieren schon und es müssen daher keine neuen aufwändigen Baumaßnahmen getroffen werden und der von solchen Leitungen bedeckte Bereich umfasst praktisch die gesamte Erdkugel, sodass der Messbereich unter diesen Leitungen enorm ist. Es wird eine ähnlich große Oberfläche abgedeckt, wie dies sonst nur mit der Satelliten- oder Luft-gestützten Messtechnik möglich wäre. Insbesondere ist das Messverfahren durch die Beabstandung der Messleitung von dem Erdboden beispielsweise von dessen Bewuchs und/oder lokaler Beschaffenheit (Gestein, Flüsse, Seen usw.) unabhängig.

Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit sind solche Leitungen so niedrig über den Boden aufgespannt, dass ein gut messbarer Anteil des elektromagnetischen Feldes, das von der Messleitung erzeugt wird, in den darunter liegenden Boden hineinreicht.

Die zu bestimmenden Eigenschaften des Bodens oder der Bodenbedeckungen (zum Beispiel Bewuchs oder Schnee) beeinflussen die elektrischen Eigenschaften des Erdreichs oder dessen Bedeckung, das von dem elektromagnetischen Feld durchdrungen wird, wie die Leitfähigkeit, die dielektrische Beschaffenheit (Dielektrizitätszahl) und die magnetische Permeabilität. Hierdurch wird wiederum die Ausbreitung des Feldes entlang der Leitung beeinflusst.

In den meisten Böden und Bedeckungen, in denen nur eine vernachlässigbare oder keine Magnetisierung vorkommt, wird das Feld (Messsignal) nur von den zwei erstgenannten Eigenschaften beeinflusst. Die Leitfähigkeit und die Dielektrizität verursachen in komplexer Weise sowohl eine Dämpfung als auch eine zeitliche Verzögerung des Feldes. Die Leitfähigkeit und die Dielektrizität des Bodens oder seiner Bedeckungen hängen aber ebenfalls von deren Feuchtigkeitsgehalt ab.

Somit ist es durch Messung der Verzögerung und/oder der Dämpfung über die Bestimmung der Leitfähigkeit und der Dielektrizitätszahl möglich, die Beschaffenheit des Bodens festzustellen. Für den Fachmann war zwar schon früher bekannt, dass die Signalübertragung durch die Bodeneigenschaften beeinflusst wird. Diese aber früher als störend angesehenen Effekte wurden jetzt überraschend als primäre Kenngrößen für die Bestimmung der Beschaffenheit des Bodens erkannt.

Für den Fachmann war überraschend und nicht vorhersehbar, dass durch die Messung der Signal-Verzögerung und/oder Dämpfung die Dielektrizitätszahl und die Leitfähigkeit und somit der Feuchtigkeitsgehalt des Bodens berechnet werden können.

Die Zuordnung des Feuchtigkeitsgehaltes zu der Leitfähigkeit und der Dielektrizität kann durch Kalibrierung geschehen, wozu diese Parameter und die Feuchtigkeit einer Bodenprobe bei unterschiedlich festgelegten Feuchtigkeitsgehalten (zum Beispiel nach Ofentrocknung) zur Bestimmung von kalibrierten Standardwerten gemessen werden. Während der eigentlichen späteren Messungen müssen natürlich die anderen Größen (wie Bewuchs und Vegetationsstadium) denen der kalibrierten Proben entsprechen, so dass die kalibrierten Standardwerte zum Vergleich taugen.

Die eigentliche Zuordnung kann beispielsweise mit ausreichender Genauigkeit durch dem Fachmann bekannte dreidimensionale elektromagnetische Feldberechnungen (analytisch oder numerisch), welche die Dielektrizitätszahl und die Leitfähigkeit verwenden, erfolgen. Für diese Rechnungen wird zunächst die Dielektrizitätszahl und Leitfähigkeit des Bodens bei unterschiedlichem Wassergehalt benötigt. Ausreichend genaue, angenäherte Werte sind dem Fachmann bekannt und können z. B. aus dem Buch "Dielectric Properties of Heterogeneous Materials", Editor A. Priou, PIER 6 Progress in Electromagnetics Research, 1992 Elsevier Science Publishing Co. New York, entnommen werden.

Auf dem Gebiet der Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes des Bodens (inklusive Schnee) haben sich unter vielen Empfehlungen für Berechnung der Dielektrizitätszahl und der Leitfähigkeit des Bodens die von Birchak et al. empfohlenen mathematischen Funktionen (Mischregeln) sehr gut bewährt ("High dielectric constant microwave probes for sensing soil moisture", Proceedings of the IEEE, 62 (1), 93 – 98, 1974).

Da die Aufnahme eines vollständigen Satzes von Standardwerten (Kalibrationskurve) viele Messungen benötigt, ist es möglich die Werte der Kalibrierung mit denen der Feldberechnung zusammen zu fassen, so dass nur wenige Messwerte zur Aufstellung der Kalibrationskurve nötig sind. In diesem Fall wird der relative Verlauf der Kalibrationskurve anhand der oben angegebenen mathematischen Funktionen (Mischregeln) aufgezeichnet. Diese relative Kalibrationskurve wird dann selbst mittels mindestens eines absoluten Werts, der aus einer Probenvermessung stammt, kalibriert, d. h. dem absoluten Wert angepasst. Mehrere absolute Werte zur Kalibrierung liefern dabei eine höhere Genauigkeit.

Vorzugsweise umfassen die eingesetzten elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitungen einzelne Leitungen und/oder Zweileiter und/oder Mehrleiter. So handelt es sich zum Beispiel bei den Hochspannungsüberlandleitungen für die Energieübertragung um drei- oder mehrfach Leitungen, welche auf Masten installiert sind. Beispiele für Zweileiter sind Niedervoltversorgungsleitungen für Kleinverbraucher, wie sie verbreitet über den Straßen in kleinen Gemeinden installiert sind. Auch Telefonleitungen sind häufig als Zweileiter ausgeführt. Eisenbahnoberleitungen und Seilbahnleitungen sind meistens einzelne Leitungen.

Die mindestens eine elektrisch leitfähige oberirdische Leitung kann während der Messung für Ihren normalen Betrieb stillgelegt sein, d. h. sie wird nur als Messleitung eingesetzt. Dabei kann es sich entweder um eine dedizierte Messleitung handeln oder es wird für die kurze Zeit der Messung (maximal wenige Sekunden) die Leitung zum Beispiel für die Stromversorgung oder für das Telefonieren stillgelegt.

Andererseits ist es möglich, dass die mindestens eine elektrisch leitfähige oberirdische Leitung während der Messung für Ihren normalen Betrieb verfügbar bleibt.

Es ist dann sinnvoll, dass das Messsignal mittels frequenzselektiven Koppelelementen und/oder Hochfrequenzsperren (HF-Sperren), wie z. B. Transformatoren, Koppelkapazitäten, Filter oder Frequenzweichen zu der primären Übertragungsgröße addiert, d. h. aufmoduliert wird. Dann beeinträchtigen die Messsignale die primäre Funktionen des Leitungssystems nicht.

Daher ist es bevorzugt, wenn der Generator und/oder das Messgerät über Koppelelemente mit der mindestens einen elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung verbunden sind und gegebenenfalls Hochfrequenzsperren vor und hinter einer Messstrecke an der mindestens einen elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung angeordnet sind.

Eine entsprechende Technik wurde für die Verwendung an Hochspannungsüberlandleitungen für Gesprächs- und Dienstschaltungsübertragungen in den 60'er Jahren ausgearbeitet und eingesetzt (Trägerfrequenznachrichtenübertragung über Hochspannungsleitungen, Siemens-Zeitschrift Heft 8, August 1965, Seiten 898 bis 904; Trägerfrequenzausrüstungen in Wechselstrom-Höchstspannungsnetzen und auf Gleichstromübertragungsleitungen, Brown Boveri Mitteilungen, Band 53, Nr. 4/5, April/Mai 1966, Seiten 350 bis 364). Mit der technischen Entwicklung des drahtlosen Telefonierens und der Satellitentechnik wurde diese so genannte "Trägerfrequenz-Nachrichtenübertragung über Hochspannungsleitungen" obsolet und daher abgeschaltet und abmontiert. Die damals eingesetzten Methoden und Geräte können – gegebenenfalls mit Änderungen – für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden.

Grundsätzlich sind Messungen mit dem obengenannten Ziel sowohl in der Zeitdomäne als auch in der Frequenzdomäne möglich. Für Feuchtigkeitsgehaltsmessungen in Böden ist ein Frequenzbereich zwischen 1 und 1000 MHz günstig, wobei je höher die Frequenz, desto kleiner ist die vom Boden verursachte Dämpfung aber auch die mögliche Eindringtiefe des Messfeldes. Dies muss bei der Auswahl des Frequenzbereiches berücksichtigt werden. In der klassischen Bodenfeuchtemesstechnik wird ein Frequenzbereich zwischen 100 und 1000 MHz genutzt, indem die Dämpfung vernachlässigbar wird und die Feuchtigkeit nur noch mit der Dielektrizität korreliert. Dies vereinfacht die Berechnung ("Subsurface Sensing and Subsurface Aquametry", Subsurface Sensing Technologies and Applications, An International Journal, Volume 1, Number 4, Oktober 2000, Kluwer Academic / Plenum Publishers; "RF & Microwave Sensing of Moist Materials, Food and other Dielectrics", Sensor Update Volume 7, Wiley-VCH Weinheim 2000). Sollte eine hochfrequente Übertragung nicht möglich sein, da beispielsweise der Abstand zwischen den einzelnen Leitungen sehr groß ist, wie dies zum Beispiel bei Überlandleitungen häufig der Fall ist, kann auch in tieferen Frequenzbereichen gearbeitet werden.

Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass sich für die wirtschaftliche Übertragung von Nachrichten auf Hochspannungsleitungen ein Frequenzbereich von etwa 30 bis 450 kHz eignet ("Fernwirkübertragung auf Hochspannungsleitungen", Siemens-Zeitschrift, Juli 1957, Heft 7). Auch diese Frequenzbereiche können für das erfindungsgemäße Verfahren verwendet werden. Allerdings sind durch technische Verbesserungen noch tiefere Frequenzen als die damals gezogene Grenze von 30 kHz einsetzbar.

Somit kann erfindungsgemäß ein Frequenzbereich zwischen 1 kHz und 450 kHz und/oder 1 bis 1000 MHz für die Messung eingesetzt wird.

Allerdings ist die Dämpfung in dem tiefen Frequenzbereich nicht mehr vernachlässigbar. Daher wird auch die Leitfähigkeit ein wesentlicher Parameter in der Verknüpfung zwischen den elektrischen Eigenschaften des Bodens und des Feuchtigkeitsgehaltes sein. In diesem Fall werden zweidimensionale Standardwerte eingesetzt. Es sollte berücksichtigt werden, dass hierbei die Möglichkeit der Messung in der Zeitdomäne bei diesen tiefen Frequenzen stark eingeschränkt ist.

Jedoch können dann zeitlich limitierte, tief-frequente Signalpakete verwendet werden, die für die Messung der Durchlaufzeit entlang einer langen Leitung geeignet sind. Solche Signalpakete sind üblich und dem Fachmann bekannt. Jedoch wird die Signal-Wellenform am Ende und am Anfang des Paketes stark deformiert werden, d. h. verschleißen, sodass eine Zeitmessung erschwert wird.

In dem Frequenzdomänen-Messverfahren kann die oben genannte Verzögerung (durch die nassen Böden) durch die Messung der Phasenänderung des Signals ersetzt werden. Je nasser der Boden ist, desto größer wird seine Dielektrizitätszahl und somit auch die Phasenänderung entlang der Leitung. Wenn die Leitung so lang ist, dass mehrere Wellenlängen des Messsignals auf die Leitung passen, muss dafür gesorgt werden, dass die Phasenmessung richtig erfolgt, d. h. die Mehrdeutigkeit des Phasenbereichs berücksichtigt werden. Auch eine solche Berücksichtigung ist dem Fachmann bekannt und üblich. Dazu können Mehrfrequenzmessungen erfolgen. Dies hat den Vorteil, dass durch die Mehrfrequenzmessungen die Redundanz der Messung erhöht wird, was wiederum zu erhöhter Messgenauigkeit beiträgt.

Vorzugsweise wird die Dämpfung und/oder zeitliche Verzögerung und/oder Phasenänderung des Feldes zwischen den mindestens zwei Punkten in der mindestens einen elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung gemessen.

Bei der Auswahl der Frequenzbereiche für die Messung der Schnee- oder Eisbedeckung von Böden sind Besonderheiten zu beachten. Schnee ist eine Mischung von Eis, Luft und Wasser, wobei der Wasseranteil bis kurz vor der Schmelze vernachlässigbar ist. Soll die Erfindung jedoch auch für die Vorwarnung von Schmelzwasser Überflutungen verwendet werden, ist es wichtig, auch den flüssigen Wasseranteil zu erfassen. Eis und Wasser unterscheiden sich stark in ihrer Dispersionscharakteristik in der Dielektrizitätszahl, wodurch die Unterscheidung der beiden durch Messung der Dielektrizitätszahl bei unterschiedlichen Frequenzen möglich wird.

Die Dielektrizitätszahl von Wasser beträgt bei Gleichstrom bis ca. 1 Gigahertz und 20 °C ca. 80. Eis dagegen besitzt seine Relaxationsfrequenz bei etwa 10 kHz, so dass sich seine Dielektrizitätszahl darunter bei 1 kHz 103 annähert und darüber ab 400 kHz 3,16 annähert ("Snow Dielectric Measurements", Adv. Space Res. Volume 9, Nr. 1, 1989). Daher werden für die Detektion von Schnee oder Eis Messungen bei mindestens zwei Frequenzen durchgeführt, bei denen die Dielektrizitätszahlen unterscheiden. Die Messung von Eis und Schnee wird ferner dadurch erleichtert, dass sie eine sehr kleine Dämpfung des Messfeldes bewirken.

Für die Messung in der Zeitdomäne wird durch einen Generator ein zeitlich limitiertes Wellenpaket auf die Messleitung geschaltet. Am Ende der Messleitung wird das durch die Bodenfeuchtigkeit verzögerte Signal zum Beispiel durch geschirmte Kabel zu einem Empfänger geführt. Von dem Generator und von dem Empfänger werden die Signale zu einem Messgerät geführt, in dem neben der Dämpfung auch der Zeitunterschied zwischen den Signalen (also die Laufzeit) gemessen wird. Die erhaltenen Messwerte (Dämpfung, Verzögerung) werden dann in die Dielektrizitätszahl und Leitfähigkeit und dann schließlich entsprechend in den Feuchtigkeitsgehalt umgerechnet.

Für die Messung in der Frequenzdomäne wird durch einen Sinusgenerator, dessen Frequenz wählbar ist, eine Sinuswelle auf die Messleitung geschaltet. Am Ende der Messleitung wird das zum Beispiel durch die Bodenfeuchtigkeit beeinflusste Signal durch geschirmte Kabel zu einem phasentreuen Empfänger geführt. Sowohl von dem Generator als auch von dem Empfänger, analog zur Zeitdomänenmessung, werden die Signale zu einem Messgerät geführt, indem neben der Dämpfung auch die Phasenänderung bestimmt wird. Die erhaltenen Messwerte (Dämpfung, Phasenänderung) werden dann in die Dielektrizitätszahl und Leitfähigkeit und dann entsprechend in den Feuchtigkeitsgehalt umgerechnet.

Der Empfänger kann in beiden Fällen in dem Messgerät integriert sein und die Generatoren und/oder Empfänger entweder direkt bei abgeschalteter Primärübertragung oder über Koppelelemente an die Messleitung geschaltet werden.

Die Signalübertragung wird bei einem Mehrleitungs-Messsystem von allen Leitungen, auch von denen, die nicht direkt mit dem Generator oder Empfänger zur Messung verschaltet sind, beeinflusst. Um diese störende Beeinflussung zu reduzieren und um die Signalausbeute der Messleitung zu verbessern, werden alle Leitungen an ihren beiden Enden mit Anpassungswiderständen ("matched loads") versehen. "Angepasst" nennen Elektrotechniker Geräte, wenn ihre Ein- und/oder Ausgangsimpedanzen der Messleitungsimpedanz gleich kommen. Im vorliegenden Fall hängt die Messleitungsimpedanz zum Beispiel von der unbekannten Bodenfeuchtigkeit ab. Um einen guten Kompromiss zwischen der eigentlich für jede Messung benötigten Impedanz und der ständigen Änderung der Impedanzen zu erreichen, kann die Impedanz der Messleitung so gewählt werden, dass sie der mittleren Bodenfeuchtigkeit entspricht.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit unterbrochener Primärübertragung auf der eingesetzten Leitung;

2 eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Messungen während der Primärübertragung auf der eingesetzten Leitung stattfindet;

3 eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Verwendung eines Mehrleitungs-Übertragungssystems;

4, 4a eine vierte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

5, 5a eine fünfte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Parallelschaltung von zwei Leitungen;

6, 6a eine sechste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Verwendung zweier Leitungen unterschiedlicher Polarität;

7a, 7b, 7c schematisch den Verlauf der Feldlinien in Abhängigkeit des Abstandes und der Polarität der verwendeten Leitungen; und

8 eine siebte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Verwendung von zwei in Reihe geschaltete Leitungen.

In den Figuren sind sich entsprechende Teile der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit denselben Bezugszeichen beziffert.

In 1 ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit unterbrochener Primärübertragung auf der eingesetzten Leitung L dargestellt. Unterbrochene Primärübertragung bedeutet, dass die beispielsweise im Normalfall für die Überlandübertragung von Strom eingesetzte Leitung L kurzfristig nur für das erfindungsgemäße Messverfahren eingesetzt wird. Dies kann entweder durch Entkopplung der Messleitung 1 beispielsweise mittels Schalter vom Rest der Leitung L erfolgen. Es ist aber auch möglich die gesamte Leitung L für die kurze Dauer der Messung stillzulegen.

Bei allen Leitungen, die zur Ankopplung der Erfindungsgemäßen Vorrichtung an die Messleitung Verwendung finden, handelt es sich um abgeschirmte Leitungen.

Die Leitung L ist über Isolatoren 1 zwischen Strommasten M einige Meter über dem Boden B aufgespannt. Die eigentliche Messleitung 1, die über dem zu vermessenden Boden B schwebt, ist über Kopplungselemente 9,10, die jeweils am Anfang und am Ende der Messleitung angeordnet sind, mit einem Generator 2 und einem kombinierten Empfänger und Messgerät 3 verbunden. Der Generator 2 ist über eine Leitung 5 mit dem Kopplungselement 9 am Anfang der Messleitung 1 verbunden. Am Ende der Messleitung 1 ist das kombinierte Empfänger und Messgerät 3 über eine Leitung 7 mit dem Kopplungselement 10 verbunden.

Über die Leitung 5 wird das von dem Generator 2 erzeugte Messesignal in die Messleitung 1 eingespeist und durchläuft diese, wobei es durch Wechselwirkung der von dem Strom durchflossenen Leiter erzeugten Feldlinien mit dem Boden B eine Dämpfung, eine Verzögerung oder eine Phasenänderung oder eine Kombination der drei vorgenannten Parameter erfährt. Das Signal wird dann vom Empfänger 3 aufgezeichnet und in dem damit kombinierten Messgerät mit dem ursprünglichen, eingespeisten Messsignal, welches über eine gesonderte Leitung 6 vom Generator zum Empfänger gelangt, verglichen, so dass die auf Grund der Wechselwirkung des Feldes mit dem Erdboden hervorgerufene Dämpfung, Verzögerung und Phasenänderung bestimmt werden.

Die rechnerische Auswertung der vom Messgerät bestimmten Messwerte wird in einer mit dem Messgerät über eine Leitung 8 verbundenen Datenverarbeitungsanlage 4 durchgeführt, die neben der Rechnung und Datenerfassung auch zur Steuerung der Vorrichtung (z. B Messzeiten usw.) dienen kann.

Sollte eine direkte Ankopplung der Messvorrichtung und der damit verbundenen Stilllegung der Leitung L unerwünscht sein, so kann, wie es in 2 dargestellt ist, das Messsignal über frequenzselektive Koppelungselemente 9 und 10 während der Primärübertragung auf die Leitung aufmoduliert werden. Mit anderen Worten, die Übertragung des Messesignals und die Primärübertragung finden in einem unterschiedlichen Frequenzbereich statt, so dass sich diese nicht stören und parallel stattfinden können. Zur Verhinderung von Messfehlern und Störungen im Primärbetrieb dienen die Hochfrequenzsperren 16 und 17, die jeweils vor und hinter den Kopplungselementen 9 und 10 angeordnet sind. Ansonsten entspricht die in 2 dargestellte Ausführungsform im wesentlichen der aus 1.

Befindet sich, wie in 3 dargestellt und es meist der Fall ist, neben der Leitung L1, die die eigentliche Messleitung 1 stellt, eine weitere Leitung L2, so wird die Signalübertragung nicht nur durch die eigentliche Messleitung 1 beeinflusst, sondern auch durch die übrigen Leitungen L2. Um diese störende Beeinflussung zu reduzieren und die Signalausbeute in der Messleitung zu verbessern, werden die nicht zur Messung dienenden Leitungen L2 an ihren jeweiligen Enden mit Anpassungswiderständen 13 und 14 versehen, die über Kopplungselemente 12 und 11 mit der Leitung L2 verbunden sind. Über diese Widerstände wird die Impedanz der Leitung L2 am Eingang und Ausgang der Messeleitungsimpedanz angepasst, so dass die Messleitung quasi "entstört" ist.

Allerdings hängt die Messleitungsimpedanz zum Beispiel von der Feuchtigkeit im Boden ab, so dass eine Anpassung der Impedanz der Leitung L2 schwierig ist und theoretisch ständig geändert werden müsste. Um dies zu verhindern, wird eine Leitungsimpedanz eingestellt, die der mittleren Bodenfeuchtigkeit entspricht. Um eine trotzdem möglicherweise notwendige Anpassung, zum Beispiel beim Wechsel der Jahreszeiten, einfacher vornehmen zu können, ist es sinnvoll wenn am Generator 2 und am Empfänger/Messgerät 3 ebenfalls Widerstände 15 und 16 vorgesehen sind, über die die Impedanz der Messleitung veränderbar ist. Dies kann zum Beispiel bei der routinemäßigen Wartung des Generators und des Empfängers/Messgerätes vorgenommen werden.

Bei einer einleitigen Fernleitung, wie zum Beispiel einer Eisenbahnoberleitung, wie sie in 4 dargestellt ist, muss die notwendige Rückleitung über den Boden stattfinden, so dass der Generator 2 über eine entsprechende Leitung 12 und das Messgerät/Empfänger 3 über eine Leitung 11 mit dem Boden B verbunden sind. Der ganze Generator-Strom fließt dann durch den Boden und die volle Generator-Spannung liegt dann zwischen dem Boden B und der Leitung L an. In einem solchen Fall ist die verzögernde oder phasenverändernde Wirkung des Bodens am stärksten und die Feldlinien F verlaufen von der Leitung L zum Boden B hin, wie dies in 4a gezeigt ist.

Werden mehrere Leitungen eingesetzt, so bestehen auch verschiedene Möglichkeiten der Schaltung. Für die Rückleitung kann weiterhin der Boden eingesetzt werden und für die Messleitung zwei oder mehrere parallel laufende Leitungen verschaltet werden. Dadurch wird das Messgerät in einem breiteren Streifen unter den Leitungen auf den Boden wirken, wie dies beispielsweise aus 5 und 5a hervorgeht. Hier sind die Leitungen L1 und L2 über mit den Elementen 9 und 10 verbundenen Koppelungselementen 13 und 14 parallel geschaltet, so dass die Feldlinien von den Leitungen zum Boden hin führen und einen größeren Bereich abdecken. Dadurch wird auch die Eindringtiefe des Messfeldes in den Boden erhöht.

Für die Rückführung des Generator-Stroms (Rückleitung) kann an Stelle des Bodens auch eine weitere parallel verlaufende Leitung eingesetzt werden. Dann spricht man von einem Zweileiter. In einem solchen Fall, wie er in 6 dargestellt ist, fließt nur ein Teil des Generator-Stroms in den Boden. Der Messeffekt wird kleiner und die gesamte Dämpfung entlang der Leitung ist auch wesentlich kleiner. Für längere Messstrecken ist deshalb vorzugsweise die Zweileiter-Variante einzusetzen.

Dabei ist es möglich, die Leitungen L1 und L2 mit Spannung unterschiedlicher Polarität zu beaufschlagen, so dass die Feldlinien immer noch durch den Boden B, jedoch von der einen Leitung L1 zu anderen Leitung L2 verlaufen (siehe 6a).

In der Zweileiter-Variante können für die Leitung und/oder die Rückleitung zwei oder mehrere parallel geschaltete Leitungen verwendet werden, so dass sich der Effekt des Bodens aber auch die Dämpfung stärker abschwächt. Gleichzeitig ändern sich jedoch auch die Breite des Messbereichs und die Eindringtiefe in den Boden. Mit der Wahl des Abstandes zwischen den Leitern lässt sich also das Messfeld beeinflussen (vgl. 7a7c). Mit zunehmendem Abstand der Leitungen nimmt auch die Eindringtiefe des Messfeldes bzw. der Feldlinien zu. D. h. man kann mit der Permutation der möglichen Schaltungsanordnungen bei Mehrleitern gegebenenfalls unterschiedliche Messbreiten und unterschiedliche Messtiefen erreichen. Dies gilt auch bei der Beschaltung mit unterschiedlicher Polarität der Leitungen.

Diese Tatsache ermöglicht die Feststellung des Ausmaßes einer Schneedecke, die über den Boden verteilt ist.

Weiterhin erhöht die Verwendung von unterschiedlichen Anordnungen die Redundanz der Messungen, wodurch die Messgenauigkeit gesteigert wird.

Bei unterschiedlichen Temperaturen liegen die Leitungen in unterschiedlichen Höhen über dem Boden, da die üblicherweise verwendeten Materialien, wie Stahl mit der Temperatur in ihrer Länge stark schwanken. So dehnen sich zum Beispiel Aluminium, Kupfer und Stahl bei einer Erhöhung der Temperatur aus und eine daraus bestehende Leitung "hängt durch", wodurch der Abstand zum Boden kleiner wird. Hierdurch ändert sich jedoch auch das Messfeld im Boden, so dass bei Verwendung unterschiedlicher Messanordnungen eine Korrektur eines möglicherweise auftretenden Temperatureffekts auf die Messwerte möglich ist. Mit diesem Verfahren lässt sich auch feststellen, ob die Leitungen selbst vereist sind.

Bei Verwendung von Systemen mit mehreren Leitungen besteht die Möglichkeit eine Schleifen- oder Ring-Schaltung vorzunehmen, so dass die Messleitung hin- und zurückgeschaltet wird, wodurch der Empfänger/Messgerät und der Generator sich am selben Ort befinden können, so dass lange Leitungen zwischen Generator und Empfänger nicht nötig sind, was der Signalgüte zum Vorteil gereicht und die Wartung vereinfacht (vgl. 8). Im einfachsten Fall wird die Leitung L1 über eine Brücke 15 mit der Leitung L2 in Reihe geschaltet, so dass das Kopplungselement 10 etwa am selben Ort wie das Kopplungselement 9 angeordnet ist und die Leitungen 6 und 7 zwischen Generator, Empfänger und Messleitung kurz werden. Eine solche Schaltung insbesondere bei Überlandleitungen der Energieverteilungssysteme möglich, da es sich hierbei häufig um Netzwerke handelt. Ferner ist dann auch eine Ausführung des Generators, Empfängers und Messgeräts in einem Gehäuse möglich.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften des Erdreichs, insbesondere des Feuchtigkeitsgehaltes umfassend die Schritte:

    – Erzeugung eines zeitlimitierten oder permanenten elektromagnetischen Feldes in einer elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung durch Wechselspannungsbeaufschlagung derart, dass das Feld in das Erdreich hinein reicht,

    – Messung mindestens der Laufzeit des zur Erzeugung des zeitlimitierten elektromagnetischen Feldes dienenden Wellenpakets und/oder einer Änderung der Wechselspannungsparameter des Feldes zwischen zwei in Längsrichtung der Leitung voneinander beabstandeten Punkten in der oberirdischen Leitung,

    – Vergleich der gemessenen Laufzeit und/oder der gemessenen Änderung der Wechselspannungsparameter zwischen den zwei Punkten in der elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung mit Standardwerten.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfung und/oder zeitliche Verzögerung und/oder Phasenänderung des Feldes zwischen den Punkten in der einen elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung gemessen wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige oberirdische Leitung während der Messung für einen normalen Betrieb stillgelegt ist.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige oberirdische Leitung während der Messung für einen normalen Betrieb verfügbar bleibt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Dämpfung und/oder zeitlichen Verzögerung und/oder Phasenänderung des Feldes zwischen den Punkten in der elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung mit kalibrierten und/oder berechneten Standardwerten verglichen wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung der Änderung des Feldes in einer Frequenzdomäne und/oder Zeitdomäne erfolgt.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Frequenzbereich zwischen 1 kHz und 450 kHz und/oder 1 bis 1000 MHz für die Messung eingesetzt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung bei mindestens zwei Frequenzen durchgeführt wird.
  9. Vorrichtung zur Ankopplung an mindestens eine elektrisch leitfähige oberirdische Leitung zur Bestimmung von Eigenschaften des Erdreichs, insbesondere des Feuchtigkeitsgehaltes mit

    – mindestens einem Generator zur Erzeugung einer zeitlich limitierten oder permanenten Wechselspannung zur Verbindung mit der mindestens einen elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung,

    – mindestens einem Empfänger zur Verbindung mit der mindestens einen elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung und in Längsrichtung der Leitung beabstandet von dem mindestens einem Generator, und

    – mindestens einem Messgerät zur Erfassung der Laufzeit des zur Erzeugung des zeitlimitierten elektromagnetischen Feldes dienenden Wellenpakets und/oder der Änderung zumindest eines Parameters der Wechselspannung.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige oberirdische Leitung eine oder mehrere Leitungen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Überlandstromleitungen, Versorgungsleitungen, überirdische Telefonleitungen, Schienenverkehrsoberleitungen, Seilbahnleitungen umfasst.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrisch leitfähige oberirdische Leitung eine einzelne Leitung und/oder Zweileiter und/oder Mehrleiter umfasst.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Generator und/oder das Messgerät über Koppelelemente mit der mindestens einen elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung verbunden sind.
  13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Hochfrequenzsperren vor und hinter einer Messstrecke an der mindestens einen elektrisch leitfähigen oberirdischen Leitung angeordnet sind.
  14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Leitungen eines Mehrleiters an den jeweiligen Enden der Messstrecke Anpassungswiderstände aufweisen.
Es folgen 8 Blatt Zeichnungen






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