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Dokumentenidentifikation DE102006026557A1 27.12.2007
Titel Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung des volumetrischen Wassergehalts
Anmelder Grunewald, Jörg, 89075 Ulm, DE
Erfinder Grunewald, Jörg, 89075 Ulm, DE
DE-Anmeldedatum 08.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006026557
Offenlegungstag 27.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.12.2007
IPC-Hauptklasse G01N 27/22(2006.01)A, F, I, 20060608, B, H, DE
Zusammenfassung Zur Bestimmung des für Pflanzen verfügbaren Wassergehalts werden häufig Tensiometer angewendet, die jedoch Wartung erfordern. Einfacher ist es, den volumetrischen Wassergehalt durch Messung der elektrischen Kapazität zwischen zwei in das Pflanzsubstrat eingelassenen Elektroden zu bestimmen. Die Erfindung führt zu einem Sensor, der wartungsfrei, zuverlässig, klein und preisgünstig ist.
Der Sensor besteht aus zwei Elektroden, einem Widerstand in Reihe und einem Hochfrequenzoszillator mit variabler Entdämpfung. Abhängig vom Wassergehalt verändert sich die elektrische Kapazität an den Elektroden und damit auch die Dämpfung des Oszillators. Ein hoher Wassergehalt führt zu einer hohen Dämpfung, wodurch der Oszillator nur unterhalb eines bestimmten Wassergehalts zur Oszillation fähig ist. Die Entdämpfung des Oszillators wird mit Hilfe der Gleichstromversorgung so geregelt, dass die Oszillation gerade einsetzt. Der Gleichstrom, bei dem die Oszillation einsetzt, hat einen direkten Bezug zum volumentrischen Wassergehalt.
Anwendung als Gießanzeiger und in automatischen Bewässerungsanlagen.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektronischen Sensor und ein Verfahren, mit dem der volumetrische Gehalt von flüssigem Wasser in vielen Materialien, insbesondere in Substraten und Erden, bestimmt werden kann.

Stand der Technik

Zur Bestimmung des für Pflanzen verfügbaren Wassergehalts werden häufig Tensiometer angewendet, die jedoch Wartung erfordern und außerdem groß und teuer sind.

Andere Sensoren bestimmen den volumetrischen Gehalt von flüssigem Wasser durch Messung der elektrischen Kapazität zwischen zwei in das Substrat eingelassenen Elektroden. Bei bekannten Substraten kann der für Pflanzen verfügbare Wassergehalt aus dem volumetrischen Wassergehalt bestimmt werden.

Freies Wasser hat bei Raumtemperatur eine hohe relative Dielektrizitätszahl von etwa 81, und liegt damit weit höher als die der meisten anderen Moleküle.

Die effektive relative Dielektrizitätszahl eines Stoffgemischs, wie zum Beispiel das aus Wasser, Luft und Substrat, ergibt sich näherungsweise aus der Summe der relativen Dielektrizitätszahlen der einzelnen Stoffe multipliziert mit ihrem volumetrischen Anteil. Hierbei wird die Interaktion der unterschiedlichen Moleküle miteinander vernachlässigt. &egr;r_eff ≈ &egr;r_wasser × nwasser + &egr;r_substrat × nsubstrat + &egr;r_luft × nluft(1) 1 = nwasser + nsubstrat + nluft(2)

Dabei ist

&egr;r die relative Dielektrizitätszahl und

n der volumetrische Anteil des jeweiligen Materials.

Für den Fall von Wasser, Luft und Substrat kann die Gleichung noch weiter vereinfacht werden, da Wasser die Luft verdrängt und die relative Dielektrizitätszahl von Luft gleich 1 ist. &egr;r_eff ≈ (&egr;r_wasser – 1) × nwasser + (&egr;r_substrat – 1) × nsubstrat + 1(3)

Da Substrate, wegen der erwünschten Fähigkeit zur Wasseraufnahme, einen geringen volumetrischen Anteil haben und die relative Dielektrizitätszahl üblicher Substrate sehr niedrig ist, kann für Raumtemperatur die folgende Näherung benutzt werden. &egr;r_eff ≈ 80 × nwasser + 1(4)

Die effektive relative Dielektrizitätszahl wird indirekt ermittelt, indem die elektrische Kapazität zwischen zwei Elektroden gemessen wird, die in das zu analysierende Material eingebracht sind. Die elektrische Kapazität steht bei definierter Geometrie der Elektroden in einer festen Beziehung zur effektiven relativen Dielektrizitätszahl im Material und der Meßfrequenz.

Der Zusammenhang zwischen volumetrischem Wassergehalt und der Kapazität wird somit bestimmt durch das zu analysierende Material, die Geometrie der Elektroden, die Meßfrequenz und die Temperatur. Die Abhängigkeit vom Material kann für alle unpolaren und den meisten schwach polaren Materialien vernachlässigt werden, da die dielektrischen Eigenschaften des Wassers dominieren. Die Geometrie der Elektroden und die Eindringung in das zu analysierende Material müssen genau definiert werden. Durch Berechnung der elektrischen Wechselfelder bei der Meßfrequenz kann bei gegebener Geometrie der Elektroden, der Zusammenhang zwischen effektiver relativer Dielektrizitätszahl und Kapazität bestimmt werden.

Die Temperaturabhängigkeit der effektiven relativen Dielektrizitätszahl und damit der Kapazität kann kompensiert werden.

Die Messung der Kapazität erfolgt bei hoher Frequenz, mindestens 30 MHz, um den Einfluss des elektrischen Leitwertes auf die Messung zu minimieren. Nur durch die Messung mit hoher Frequenz wird sichergestellt, dass der kapazitive Leitwert, der durch das Wasser verursacht wird, wesentlich größer ist als der elektrische Leitwert, der zum Beispiel vom Salzgehalt verursacht wird.

An die Elektroden darf keine Gleichspannung gelangen, um die galvanische Zersetzung der Elektroden zu vermeiden.

Aus US-2004/0 095 154 A1 ist bekannt, dass die elektrische Kapazität bestimmt werden kann, indem die Wechselspannung an den Elektroden, der Wechselstrom in die Elektroden und die Phasenbeziehung zwischen ihnen gemessen wird. Die dazu notwendige Messtechnik, vor allem zur Bestimmung der Phasenbeziehung, ist sehr aufwendig.

Aus US-5 479 104 A ist bekannt, dass auf die Messung der Phasenbeziehung verzichtet werden kann, indem an einem bestimmten elektrischen Netzwerk drei Wechselspannungen betragsmäßig bestimmt werden. Dies führt zu einer Vereinfachung der elektrischen Schaltung.

Bei DE-10 261 138 B4 wird der Leitwert, der durch den Salzgehalt verursacht wird, vernachlässigt. Die Kapazität wird nur aus der betragsmäßigen Messung von zwei Wechselspannungen an einem bestimmten elektrischen Netzwerk bestimmt. Der Aufwand der elektrischen Schaltung zur Messung der zwei Wechselspannung ist immer noch sehr hoch.

Die bisherigen Vorrichtungen zur Messung der elektrischen Kapazität sind sehr aufwendig und teuer und lassen sich deshalb nicht im häuslichen Bereich einsetzen.

Alle bekannten Veröffentlichungen gehen von einem Oszillator aus, der unter allen zulässigen Betriebsbedingungen schwingt.

Aufgabenstellung und Lösung

Ziel war es einen Sensor zu entwickeln der wartungsfrei, zuverlässig, klein und preisgünstig ist.

Dies wurde erreicht, indem die aufwendige Messung von Wechselspannungen überflüssig gemacht wurde, durch Nutzung eines Oszillators, der nur eine endliche, aber einstellbare Entdämpfung zur Verfügung stellt.

Ohne Einschränkung der Patentansprüche zeigt 1 das Prinzip der Messung schematisch.

Je nach volumetrischem Wassergehalt wird zwischen den Elektroden (1a und 1b) eine unterschiedliche elektrische Kapazität erzeugt. Das elektrische Netzwerk (2) dämpft je nach Größe der Kapazität zwischen den Elektroden (1a und 1b) den Oszillator (3) unterschiedlich stark. Der Oszillator besteht aus einem Parallelschwingkreis (3a und 3b) und dem aktiven Element (3c), das einen negativen Widerstand hat und somit entdämpfend wirkt. Ist die Dämpfung größer als der Oszillator entdämpfen kann, so wird keine Schwingung erzeugt. Die Größe der Entdämpfung des Oszillators wird über die Größe des Versorgungsgleichstroms in den Oszillator eingestellt.

Die Tatsache, ob eine Schwingung auftritt oder nicht, kann an der Größe der Versorgungsgleichspannung festgestellt werden.

Die Größe der Versorgungsgleichspannung dient einer Regelschaltung (4) als Indikator. Diese Schaltung regelt den Versorgungsgleichstrom des Oszillators so, dass gerade noch eine Schwingung auftritt.

Der Versorgungsgleichstrom in den Oszillator, bei dem die Schwingung einsetzt, hat eine feste Beziehung zum volumetrischen Wassergehalt.

Das elektrische Netzwerk ist notwendig, um abhängig von der Größe der elektrischen Kapazität zwischen den Elektroden, die für sich alleine keine Dämpfung hat, eine Dämpfung des Oszillators zu erzeugen. Ein sehr einfaches elektrisches Netzwerk ist ein Widerstand (2a) in Reihenschaltung zum Ausgang des Oszillators und den Elektroden. Dieses elektrische Netzwerk führt bei großer elektrischer Kapazität zwischen den Elektroden, was einem hohen volumetrischen Wassergehalt entspricht, zu einer großen Dämpfung des Oszillators.

Es sind jedoch auch andere elektrische Netzwerke möglich, die auch ein umgekehrtes Verhalten zeigen können.

Zusätzlich kann das elektrische Netzwerk die Temperaturabhängigkeit der effektiven relativen Dielektrizitätszahl kompensieren. Dies kann zum Beispiel erreicht werden indem der Widerstand (2a) im elektrischen Netzwerk ebenfalls eine Temperaturabhängigkeit aufweist.

Die Elektroden bestehen aus zwei parallelen starren Metalldrähten mit definierter Länge, Durchmesser und Abstand. Die Form der Elektroden ist so gewählt, damit sie leicht in das Substrat eindringen können.

Das Einstecken der Elektroden in das Substrat stellt für die Pflanzen ein Risiko zur Verletzung der Wurzeln dar. Die Elektroden sollten zur Verringerung der Belastung der Pflanze und zur Erhöhung der Zuverlässigkeit nur einmal in das Substrat gesteckt werden und dann dort verbleiben. Diese Anforderung führt jedoch dazu, dass jedes Substrat einen eigenen Sensor benötigt, was die Kosten sehr erhöht.

Die Erhöhung der Kosten wird durch eine weitere Innovation verhindert. Der Sensor wird in zwei Teile getrennt. Die Teile werden im Weiteren "Sonde" und "Elektronik" genannt.

Ohne Einschränkung der Patentansprüche zeigt 2 den Aufbau schematisch.

Die Sonde, die in das Substrat bleibend eingesteckt wird, enthält die zwei Elektroden (1a und 1b) und das elektrische Netzwerk (2) mit einer Spule (2b). Die Elektronik enthält den Oszillator (3), die Regelschaltung (4), und eine zweite Spule (3a). Die Spule der Elektronik wird definiert auf die Spule der Sonde gelegt und damit induktiv verkoppelt. Über die induktive Verkopplung wird die hochfrequente Schwingung von der Elektronik auf die Sonde übertragen.

Die Elektronik wird nun nur noch einmal benötigt, und nicht mehr für jedes zu untersuchende Substrat. Die Sonde ist in Leiterplattentechnik extrem preisgünstig herstellbar. Der Preis der Elektronik wird im Wesentlichen durch die Stromversorgung, beziehungsweise durch die Batterie, sowie durch das Gehäuse bestimmt. Die elektronischen Bauteile haben einen Preis von nur etwa 0,2 Euro.

Die Spulen werden direkt auf die Leiterplatten der Sonde und der Elektronik spiralförmig aufgebracht.

Um eine möglichst hohe induktive Kopplung zu erzielen, wird die Spule der Elektronik beim Aufsetzen auf die Spule der Sonde mechanisch geführt. Diese mechanische Führung wird besonders elegant erreicht, indem in der Mitte der Spule der Elektronik ein Loch (9) ist und sich die eine Elektrode genau in der Mitte der Spule der Sonde befindet, und die Leiterplatte durchsticht. Der sich daraus ergebende Führungsdraht ist zusätzlich mit einem runden Führungskopf (7) versehen.

Um die Langlebigkeit der Batterie zu erhöhen, wird die Stromversorgung nur aktiviert, wenn die Elektronik auf die Sonde gedrückt wird. Dies wurde sehr einfach gelöst, indem ein Taster durch das Andrücken betätigt wird.

Ausführungsbeispiele

3 und 4 zeigen verschiedene Ansichten einer erfindungsgemäßen Sonde (5) aufgebaut auf einer Leiterplatte (6), die die beiden Elektroden (1a und 1b), einen elektrischen Widerstand (2a), die spiralförmige Spule (2b) und den Führungskopf (7) beinhaltet. Die Elektroden werden in das zu analysierende Substrat so tief eingesteckt, bis die Leiterplatte ein weiteres Eindringen verhindert. Die Leiterplatte der Sonde hat eine Größe von 20 mm.

5 und 6 zeigen verschiedene Ansichten einer erfindungsgemäßen Elektronik (8) als Gießanzeiger im häuslichen Bereich mit der Spule (3a), dem Führungsloch (9), einem Griff (10) und einer optischen Anzeige (11), die darüber informiert, ob der Wassergehalt unter ein kritisches Maß gesunken ist.

7 zeigt eine erfindungsgemäße Elektronik (12) zur exakten Bestimmung des volumetrischen Wassergehalts mit einer numerischen Anzeige (13).

8 zeigt einen erfindungsgemäßen Sensor (14) zur Nutzung in automatischen Bewässerungsanlagen mit den Elektroden (1a und 1b) und einem Anschlusskabel (15) zur Stromversorgung und Signalisierung.


Anspruch[de]
Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung des volumetrischen Wassergehalts mit einem kapazitiven Messaufnehmer, dadurch gekennzeichnet, dass

a) sie einen Oszillator (3) enthält,

b) sie mindestens zwei Elektroden (1a und 1b) enthält, die in das zu untersuchende Material eingebracht werden,

c) der Oszillator über ein elektrisches Netzwerk (2) mit den Elektroden galvanisch oder elektromagnetisch verkoppelt ist,

d) das elektrische Netzwerk je nach Größe der kapazitiven Last unterschiedliche Dämpfung des Oszillators verursacht,

e) der Oszillator bei zu großer Dämpfung keine Schwingung erzeugt,

f) der Zustand des Schwingens durch die Größe der Versorgungsgleichspannung am Oszillator oder durch die Größe des Versorgungsgleichstroms in den Oszillator festgestellt werden kann,

g) der volumetrische Wassergehalt an der Grenze zum Schwingen durch die bekannten Eigenschaften des Oszillators, den Eigenschaften des elektrischen Netzwerks, der Geometrie der Elektroden, den dielektrischen Eigenschaften des zu analysierenden Materials und durch die Temperatur bestimmt ist.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

a) der Oszillator eine variable Entdämpfung aufweist,

b) die Entdämpfung so eingestellt wird, dass der Oszillator sich gerade an der Grenze zum Schwingen befindet,

c) der volumetrische Wassergehalt aus der eingestellten Entdämpfung bestimmt wird.
Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Entdämpfung des Oszillators durch die Größe des Versorgungsgleichstroms in den Oszillator eingestellt wird. Vorrichtung und Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillator durch automatische Regelung an der Grenze zum Schwingen gehalten wird. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Entdämpfung des Oszillators im Anwendungstemperaturbereich nur geringfügig von der Temperatur abhängig ist. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Netzwerk aus mindestens einem Widerstand (2a) besteht, der sich in Reihenschaltung zwischen Oszillatorausgang und den Elektroden befindet. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Widerstand im elektrischen Netzwerk temperaturabhängig ist. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Widerstand im elektrischen Netzwerk einen negativen Temperaturkoeffizienten hat. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass

a) das elektrische Netzwerk zusätzlich aus mindestens einer Spule (2b) besteht,

b) mindestens eine Spule des elektrischen Netzwerks mit der Spule (3a) des Resonators im Oszillator induktiv verkoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden induktiv verkoppelten Spulen (2b und 3a) spiralförmig auf Leiterplatten aufgebracht sind. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Spulen physisch getrennt sind. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulen beim Aufeinanderlegen mechanisch geführt werden. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung durch einen Führungskopf (7) und ein Führungsloch (9) geschieht. Vorrichtung nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromversorgung der Elektronik durch die Andruckkraft zwischen den beiden Spulen eingeschaltet wird.






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