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Die Erfindung betrifft einen Feuchtesensor, der den Wassergehalt in mehreren definierten, örtlich aufgelösten Bereichen eines Materials bestimmen kann.
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Die Materialfeuchte und deren Verteilung werden in vielen technischen Anwendungen benötigt. In der Bautechnik will man das Eindringen von Wasser in Dämmstoffe erfassen. In der Verarbeitung und Lagerung von Schüttgütern ist die Homogenität der Feuchteverteilung zu überprüfen. In der Landwirtschaft will man Bewässerungssysteme steuern und benötigt dafür das Profil der Bodenfeuchte, um die Pflanzen an den richtigen Stellen mit Wasser zu versorgen.
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Sensoren zur Bestimmung der Materialfeuchte an einer Stelle sind weit verbreitet. Sensoren zur Bestimmung eines Materialfeuchteprofils, d.h. an mehreren Stellen in einem Material, sind ebenfalls bekannt, insbesondere in der Bodenfeuchtemesstechnik.
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Zur Messung der Materialfeuchte eignen sich am besten hochfrequente elektrische Signale, die Änderungen des Wassergehalts über die damit verbundenen Änderungen der Dielektrizitätszahl des Materials erfassen. Die Messung erfolgt dabei entweder im Frequenzbereich oder im Zeitbereich.
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Die meisten bekannten Profilfeuchtesensoren besitzen eine stab- bzw. rohrförmige Geometrie. In [1] wird eine solche Anordnung zur Messung in mehreren Tiefen offenbart. Diese Konstruktion ist fertigungstechnisch sehr aufwendig und teuer. Der Einbau in den Boden ist problematisch, da zuerst sorgfältig vorgebohrt und der Sensor ohne Luftspalt zwischen Rohrwand und Boden eingebracht werden muss. Die in [2] gezeigte rohrförmige Lösung beinhaltet verteilte aktive Elektronikkomponenten entlang der Konstruktion, was zu einer ebenfalls aufwendigen Fertigung und Fehleranfälligkeit führt. Eine weitere aufwendige rohrförmige Elektrodenanordnung findet sich in [3]. Aufgrund der großen Querschnittsfläche ist ein direktes Einhämmern rohr- oder stabförmiger Sensoren in den Boden im Allgemeinen schwierig, da lokal viel Boden verdrängt werden muss und es zu einer Verdichtung kommt, die das Messergebnis verfälscht.
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Ein anderer Vorschlag ist ein schraubenförmiger Sensor mit mehreren Segmenten, der in den Boden eingedreht wird, jedoch sehr aufwendig konstruiert ist und zu einer Bodenverdichtung um den Sensor mit einer Verfälschung der Messwerte führen kann [4].
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In [5] wird für stabförmige Elektroden die Unterteilung in mehrere Segmente mit Halbleiterdioden gezeigt. Auch diese Anordnung ist fertigungstechnisch aufwendig und hat messtechnische Nachteile, da der TDR (Time Domain Reflectometry bzw. Zeitbereichsreflektometrie) Messimpuls mit zunehmender Länge abgeschwächt und in seiner Flankensteilheit verringert wird.
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Mit einer rein passiven Elektrodenanordnung kann man mit Hilfe von TDR das Bodenfeuchteprofil prinzipiell mit hoher Auflösung erfassen. Der Rechenaufwand und die messtechnischen Schwierigkeiten sind jedoch erheblich [6].
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Materialfeuchteprofilsensor anzugeben, der kostengünstig und einfach produziert werden kann und aus einer passiven Elektrodenstruktur mit einer über integrierte Zuleitungen angeschlossenen hochfrequenten Messelektronik besteht.
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Darüber hinaus soll der Sensor leicht und ohne signifikante Störung des Materialgefüges eingebaut werden können sowie eine gute Ankopplung der Elektroden an das Material ermöglichen.
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Weiterhin soll sich die Elektrodenstruktur für die messtechnische Auswertung mit Hilfe hochfrequenter Messverfahren eignen. Die Elektrodensegmente und Zuleitungen sollen sich nicht gegenseitig beeinflussen und eine einfache Auswertung der Messdaten bei gleichzeitiger hoher Messgenauigkeit erlauben. Jedes Elektrodensegment ist für einen bestimmten Tiefenbereich zuständig. Durch die geschirmten Zuleitungen ist das Messsignal für ein Elektrodensegment nur von der dortigen Materialfeuchte abhängig und wird nicht von darüber oder darunter liegenden Materialfeuchten beeinflusst.
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Der wesentliche Erfindungsgedanke besteht darin, mehrere Elektrodensegmente in einer mehrlagigen planaren Schichtstruktur einzubetten und über die in den Schichten integrierten geschirmten Leitungen an eine zentrale Messelektronik zu führen.
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Mehrlagige planare Schichtstrukturen können beispielsweise in Form mehrlagiger Leiterplatten industriell sehr günstig hergestellt werden. Gleichzeitig ist das verwendete Leiterplattenmaterial mechanisch sehr belastbar, wasserdicht und langzeitbeständig. Bisher damit hergestellte Sensoren messen jedoch nur an einer Stelle den Wassergehalt und kein Profil.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass an mehreren Stellen gemessen werden kann, ohne dass sich die Elektrodensegmente gegenseitig beeinflussen. Die geschirmten Zuleitungen zur Messelektronik verhindern, dass die hochfrequenten Signale gestört werden. Gleichzeitig sind sie durch die Anordnung in den Innenlagen der mehrlagigen Schichtstruktur dämpfungsarm ausgeführt und können die Hochfrequenzsignale weitgehend verlustfrei zu den Elektrodensegmenten führen. Die Elektrodenstruktur mit den Zuleitungen ist passiv. Es werden keine mechanischen oder elektronischen Schalter im Bereich der mehrlagigen Schichtstrutur benötigt, die sich im zu messenden Material befindet.
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Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die planare Ausführung in Form einer dünnen, aber hochbelastbarer Schichtstrukturen eine sehr geringe Querschnittsfläche aufweist und somit der direkte Einbau in das Material ohne Vorstechen auch bei großen Tiefen möglich ist, da nicht viel Material verdrängt werden muss. Der Einbau in das Material kann entweder durch Eindrücken, Einschlagen oder mit einem Vibrationshammer erfolgen. Bei sehr hartem Material ist auch ein Vorstechen mit einer Federstahlmesserplatte möglich.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die hochfrequente Messelektronik ein Zeitbereichsreflektometer (TDR) mit integriertem Hochfrequenzmultiplexer zur Umschaltung zwischen mehreren Elektrodensegmenten. Die Signalimpulse laufen entlang der integrierten geschirmten Leitungen zu den Elektrodensegmenten. Die Elektrodensegmente sind als am Ende offene Leitungen ausgeführt, jedoch mit einem anderen Wellenwiderstand als der der Zuleitung. An der Übergangsstelle zwischen Zuleitung und Elektrodensegment findet eine Teilreflexion statt, am Ende des Elektrodensegments eine Totalreflexion. Diese beiden Stellen sind in einem Zeitbereichsreflektogramm leicht zu erkennen. Aus der zeitlichen Differenz zwischen diesen beiden Stellen kann man über eine Kalibrierfunktion auf den Wassergehalt des umgebenden Materials schließen. Vorteilhaft ist, dass durch die Differenzbildung der Einfluss der Zuleitung auf das Messergebnis herausfällt. In einer praktischen Ausführung zur Bodenfeuchteprofilmessung betragen die Abmessungen der verwendeten mehrlagigen Leiterplatte 570 mm x 90 mm und es werden 5 Elektrodensegmente verwendet. Die Abmessungen und die Anzahl der Elektrodensegmente kann an die Anwendung angepasst werden. Im Kopfbereich der Leiterplatte befindet sich die Messelektronik mit dem Hochfrequenzmultiplexer. Anstelle des Hochfrequenzmultiplexers können auch aktive Messköpfe für jedes einzelne Elektrodensegment verwendet werden.
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zeigt eine technisch vorteilhafte Ausführung des Sensors. Der Sensorkörper (1) besteht aus einer mehrlagigen Leiterplatte, in der sich die einzelnen Messsegmente in Form von Leiterschleifen (2) befinden. Über den geschirmten Zuleitungsbereich (3) erfolgt die Anbindung der Messelektronik (4). zeigt exemplarisch den Querschnitt der Mehrlagenleiterplatte (5) mit Schirmflächen (6, 7) und dazwischenliegenden Signalleitungen (8) sowie die Leiterschleifen zur Messung der Materialfeuchte. (9).
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Die messtechnische Erfassung der Materialfeuchte kann vorteilhaft mit dem TDR Messverfahren erfolgen. zeigt ein typisches TDR Messsignal. Zum Zeitpunkt t1 wird ein steilflankiger Spannungssprung von der Messelektronik in eine Zuleitung zu einer Messfläche eingespeist. An der Übergangsstelle zwischen Zuleitung und Messleitung der Messfläche erfolgt eine Teilreflektion, die zum Zeitpunkt t2 von der Messelektronik erfasst wird. Der in die Messfläche transmittierte Signalanteil wird am offenen Ende der Messleitung reflektiert und erscheint zum Zeitpunkt t3 an der Messelektronik. Die Zeitdifferenz t3-t2 ist ein Maß für die Signallaufzeit entlang der Messleitung der Messfläche, die über die dielektrischen Materialeigenschaften vom Wassergehalt des Materials abhängt. Je höher der Wassergehalt, desto größer ist die Signallaufzeit.
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Anstelle von TDR kann die Messung auch mit Frequenzbereichsverfahren erfolgen, z.B. mit einem vektoriellen Netzwerkanalysator. Durch Analyse der Zeitbereichs- oder Frequenzbereichsdaten können neben dem Wassergehalt auch andere Parameter des umgebenden Materials erfasst werden, wie z.B. die elektrische Leitfähigkeit [7].
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In der Schichtstruktur können zusätzlich Sensoren z.B. zur Erfassung der Temperatur oder der elektrischen Leitfähigkeit integriert werden.
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Referenzen
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- [1] US Patent 7944220 , Moisture content sensor and related methods, May 17, 2011
- [2] US Patent 10533956 , Multi-depth soil moisture monitoring systems and methods to evaluate soil type, packaged in small round polyvinyl chloride tube, with potting and rodent protection, for effective measurements and installation, Jan. 14, 2020
- [3] US Patent 8947102 , Soil water and conductivity sensing system, Feb. 3, 2015
- [4] Babaeian, E., Gohardoust, M. R., White, S. and M. Tuller, Evaluation of the SoilVUE TDR Soil Moisture and Temperature Profiling Sensor, Conference: ASA-CSSA-SSSA International Annual Meeting, Nov. 2020, DOI: 10.13140/RG.2.2.30921.77926
- [5] US Patent 5376888 , Timing markes in time domain reflectometry systems, Dec. 27, 1994
- [6] Graeff, T., Zehe, E., Schlaeger, S., Morgner, M., Bauer, A., Becker, R. ,Creutzfeldt, B. and A. Bronstert, A quality assessment of Spatial TDR soil moisture measurements in homogenous and heterogeneous media with laboratory experiments, Hydrol. Earth Syst. Sci., 14, 1007-1020, 2010, https://doi.org/10.5194/hess-14-1007-2010
- [7] R. Muñoz-Carpena, C.M. Regalado, A. Ritter, J. Alvarez-Benedi, A.R. Socorro, TDR estimation of electrical conductivity and saline solute concentration in a volcanic soil, Geoderma, Volume 124, Issues 3-4, 2005, Pages 399-413, ISSN 0016-7061, https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2004.06.002.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 7944220 [0020]
- US 10533956 [0020]
- US 8947102 [0020]
- US 5376888 [0020]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Babaeian, E., Gohardoust, M. R., White, S. and M. Tuller, Evaluation of the SoilVUE TDR Soil Moisture and Temperature Profiling Sensor, Conference: ASA-CSSA-SSSA International Annual Meeting, Nov. 2020, DOI: 10.13140/RG.2.2.30921.77926 [0020]
- Graeff, T., Zehe, E., Schlaeger, S., Morgner, M., Bauer, A., Becker, R. ,Creutzfeldt, B. and A. Bronstert, A quality assessment of Spatial TDR soil moisture measurements in homogenous and heterogeneous media with laboratory experiments, Hydrol. Earth Syst. Sci., 14, 1007-1020, 2010, https://doi.org/10.5194/hess-14-1007-2010 [0020]
- R. Muñoz-Carpena, C.M. Regalado, A. Ritter, J. Alvarez-Benedi, A.R. Socorro, TDR estimation of electrical conductivity and saline solute concentration in a volcanic soil, Geoderma, Volume 124, Issues 3-4, 2005, Pages 399-413, ISSN 0016-7061, https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2004.06.002 [0020]