ZUR VERBESSERUNG DER GENAUIGKEIT, SOWIE SENSOR

MIT VERBESSERTER GENAUIGKEIT

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Verbesserung der Sensorgenauigkeit und Zuverlässigkeit, und betrifft insbesondere eine Vorrichtung zur Verwendung mit einem Sensor zu dessen Genauigkeitsverbesserung, sowie einen Vorrichtung zum Messen des Wasser- bzw. Feuchtigkeitsgehalts in Feststoffinedien mit verbesserter Genauigkeit.

Heute werden zur Messung von Bodenfeuchte primär sogenannte Tensiometer verwendet. Diese Messgeräte bestehen aus einer luftdicht verschliessbaren Röhre, die am unteren Ende eine Kappe aus poröser Keramik aufweist. Am oberen Ende ist ein konventionelles oder elektronisches Manometer angeschlossen. Wird die Röhre mit Wasser gefüllt, so fliesst dieses durch die poröse Keramikkappe nach aussen. Wird die Röhre in ein Medium gesteckt, welches Wasser aufnehmen kann, so erzeugt dies in der Röhre einen Unterdruck der gemessen werden kann. Dieses Messprinzip weist aber eine Reihe von gravierenden Nachteilen auf:

- Die Genauigkeit der Messung hängt stark von der Art des die Keramikkappe umgebenden Mediums ab. Bei sandigen oder mit Steinen oder Schotter versetzten Substraten kommt es sehr häufig vor, dass die Berührungsfläche

zwischen Keramik und umgebender Erde nicht definiert ist; D.h. es kommt zur Bildung von Luftspalten, die die Messung stark beeinflussen.

Trocknet die umgebende Erde aus, so bilden sich Spalten zwischen Keramik und Erde, die zu Falschmessungen fuhren.

Die poröse Keramik kann durch kalkhaltiges Wasser verkalken und Mikroorganismen können die Keramik besiedeln. Dadurch kommt es zu einer Drift des Messergebnisses über die Zeit.

Bei einer Änderung der Temperatur oder auch des barometrischen Luftdruckes ändert sich das Messergebnis.

- Da aus der Keramikkappe Wasser austritt, muss der Wasserpegel im Rohr immer wieder kontrolliert und allenfalls Wasser nachgefüllt werden.

Bei einer Verkleinerung der Keramikkappe verkleinert sich auch die Kontaktfläche zwischen Keramik und Umgebung und demnach sinkt auch die Genauigkeit und die Sensitivität.

Der grösste und wichtigste Faktor, der zur Ungenauigkeit der Messergebnisse führt ist die prinzipiell unbestimmte Grenzfläche zwischen Keramik und Umgebungsmedium. Das gleiche gilt natürlich auch für Bodenfeuchtesensoren, die auf thermischen Messverfahren beruhen.

Die Problematik der mechanisch-thermischen Ankopplung eines Bodenfeuchtesensors wurde bereits in der Schrift DE 2536777 erkannt. Zur Umgehung des Problems einer unbestimmten Grenzfläche wird vorgeschlagen, die Messung nicht in der Erde, sondern in einer den eigentlichen Messfühler, einen Heizstift, umgebenden definierten Kunsterde durchzuführen. Die Kunsterde weist dieselbe Saugspannung auf, wie die eigentlich zu messende Erde. Die Kunsterde muss den Eigenschaften der

Erde möglichst genau nachempfunden sein, wobei die Saugspannung der Kunsterde über die Körnung von bspw. Quarzsand eingestellt wird. Die Kunsterde weist aber ebenfalls eine hohe Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit auf, so dass die Feuchtemessung, insbesondere solche mittels thermischem Verfahren, durch die Eigenschaften der Kunsterde bestimmt ist. Damit die weiterhin wenig definierte Grenzfläche Erde/Kunsterde, welche aus einem, die Kunsterde umhüllenden, Netz besteht, nicht zum tragen kommt, muss die Kunsterde zudem ein gewisses Volumen aufweisen.

Aufgabe der Erfindung ist es somit, die Messgenauigkeit von Sensoren zu erhöhen, insbesondere durch Verbesserung der Wechselwirkung zwischen Sensor und umgebendem Medium.

Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung, den Sensor und die Verwendung der Vorrichtung gelöst, wie sie in den Patentansprüchen definiert sind.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde durch den Einsatz eines standardisierten Interfaces zwischen Sensor und Umgebungsmedium, Unterschiede in der Oberflächenmorphologie auszugleichen und dadurch die Genauigkeit der Sensoren, insbesondere von Bodenfeuchtesensoren,' wie bspw. Tensiometern, zu erhöhen.

Solche Interfaces sollen eine Feuchteinessimg durch ihre Materialeigenschaften und Gestaltung, möglichst wenig beeinflussen. Ein solche Interface erlaubt einen Feuchteausgleich zwischen Sensoroberfiäche und umgebendem Medium möglichst ohne Beeinflussung der Messung, insbesondere aufgrund thermischer Eigenschaften.

Als Interface kommen Materialien in Frage, die möglichst eng am Sensor oder zumindest an den für die Messung relevanten Bereichen des Sensors anliegen und die Feuchtigkeit vom Umgebungsmedium, beispielsweise Erde, aufsaugen und auch wieder an dieses abzugeben vermögen. Zudem ist das Interface mechanisch deformierbar, so dass es sich an eine nicht klar definierte Oberfläche eines Feststoffrnediums oder Feststoffgemenge anpassen kann und z. B. Eindrücke von Steinen oder Zwischenräume, die inhomogene Oberfläche eines körnigen Mediums, wie Schüttgut etc., ausgeglichen werden. Auch wird dadurch eine gewisse Volumenveränderung des umgebenden Mediums, bspw. durch Austrocken oder Aufquellen, berücksichtigt. Bei Sensoren mit thermischen Messverfahren, sollte das Interface zusätzlich zur hydrophilen ^" und weichen Ausgestaltung zudem eine möglichst niedrige Wärmekapazität aufweisen.

Durch ein Interface wird die wenig definierte Kontaktfläche zwischen Sensor und Umgebung optimiert und der negative, weil Undefinierte Einfluss auf eine Messung eliminiert oder zumindest stark verringert.

Eine geringe Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität des Interface ist vorteilhaft, insbesondere bei thermischen Messverfahren, beispielsweise mit Bodenfeuchtesensoren mit Heizelement. Damit wird garantiert, dass eine Temperaturänderung beim Messsensor aufgrund der Feuchtigkeit des umgebenden Mediums und nicht aufgrund der Wärmekapazität des Interfaces stattfindet. Das Interface hat vorzugsweise auch einen thermischen Entkoppeleffekt auf. Dies steht

im Gegensatz zu Keramiken, oder auch Kunsterden, welche selber eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und im Falle von Keramiken keine gänzliche Verdrängung der Luft in den Poren durch Feuchtigkeit ermöglichen. Eine Messung wird so durch ,Keramikeigenschaften' verfälscht. Je nach Sensor und umgebendem Medium weist das Interface, bzw. die Materialien aus denen es hergestellt ist, noch weitere gewünschte Eigenschaften auf

In einer bevorzugten Ausfuhrungsform ist das Interface auswechselbar und als über einen Sensor oder Sensorkopf, im Falle eines Tensiometers, über die Keramikkappe, stülpbares Material, gestaltet. Dies kann ein ebenfalls als Kappe geformtes Interface, z. B. ein Fingerling, sein, oder je nach Form des Sensors auch ein aus einzelnen Schichten mit Öffnungen für Messfühler etc. zusammengesetztes Interface sein. Das Interface kann auch fest an einem Sensor/Sensorkopf angebracht sein.

Das Material des Interfaces sollte Feuchtigkeit des umgebenden Mediums leicht aufnehmen und sie auch wieder so abgeben, dass keine Feuchtigkeitsdifferenz zwischen Interface und umgebendem Medium auftritt. Daher eignet sich hydrophiles, offenporiges Material, welches im speziellen auch im wesentlichen die gleiche Porengrösse wie die des umgebenden Mediums aufweist.

Da Sensoren oft einer korrosiven Umgebung ausgesetzt sind, sollte auch das Interface möglichst korrosionsbeständig und gegenüber Verrottung geschützt sein. Dies wird bevorzugt dadurch erreicht, indem geeignetes synthetisches Material, wie Kunststoff, beispielsweise in der Form von verarbeiteten Kunststoffasera, als Ihterfacematerial verwendet wird. Ist oder wird das Interface an einem Sensor befestigt, welcher in die Erde eingesteckt wird, so weist das Interfacematerial auch eine gewisse mechanische Stabilität auf, um beim Einpressen in die Erde nicht zu leicht zu zerreissen oder zerbrechen. Je nach Art eines Sensors, z. B. mit Messfühler,

kann das den Messfühler umgebende Interface gegebenenfalls noch durch eine stabile, aber sehr offene, mechanische Stütze umgeben sein. Diese Stütze nimmt möglichst keinen Einfluss auf eine Messung und macht vorzugsweise einen geringen Flächenanteil des Sensor resp. eines effektiven Messbereichs aus. Die Stütze kann stabil, vorzugsweise aus einem festen Material gestaltet sein, so dass ein Sensor oder ein Interface beim Einstecken des Sensors in ein festeres Feststoffgemenge, wie kompakte Erde, durch die Spitze der Stütze geschützt ist.

Ein Interface kann auch einen Sensor oder Sensorkopf, z. B. eine vorhandene Keramik, vor äusseren Einflüssen wie Verkalkung und Befall von Mikroorganismen, aber auch vor mechanischen Einflüssen schützen. Unter sehr geringem Kosten-, Material- und Zeitaufwand kann ein auswechselbares Interface ersetzt werden, z. B. aufgrund Abnutzung und Alterung des Interfaces oder bei Verwendung des Sensors in einem anderen Medium.

Das Verhältnis Poren bzw. Hohlräume oder Durchgänge im Material zur Menge und Verteilung des Materials selber, sollte möglichst derart optimiert sein, dass das Material einen Feuchtigkeitsaustausch Feststoffinedium/Interface möglichst wenig beeinfiusst. Dies ist insbesondere bei Interfaces der Fall, welche aus Fasern hergestellt sind, bspw. aus Filz, Gaze, Vlies, Gestrick oder Gewebe.

Ein weiterer Vorteil eines Interface ist, dass herkömmliche Sensoren damit versehen werden können und damit deren Genauigkeit und insbesondere Zuverlässigkeit wesentlich erhöht wird. Zudem können solche Interfaces sehr günstig hergestellt werden.

Über das Interface wird die Kontaktoberfläche zwischen Sensor und Umgebungsmedium optimiert bzw. vergrössert oder wie im Falle von Volumenverkleinerung des umgebenden Mediums, beispielsweise durch Schrumpfung von Erde durch Austrocknung, ein Kontakt erst hergestellt bzw. garantiert.

Im Folgenden ist die Erfindung anhand beispielhafter Figuren dargestellt. Dabei zeigt

Fig. 1 ein Tensiometer

Fig. 2 einen Ausschnitt aus einer Sensorspitze

Figur 1 zeigt ein Tensiometer. Ein mit Wasser gefülltes Rohr 1 ist an seinem unteren Ende durch eine Kappe aus poröser Keramik 2 abgeschlossen. Das untere Ende befindet sich in einer bestimmten Tiefe unter der Bodenoberfläche 5. Am oberen Ende des Tensiometers befindet sich die Wassereinfüllöfmung die mittels eines Verschlusses 3 luftdicht abschliessbar ist. Im oberen Bereich ist auch das Manometer 4 angebracht, an dem der im Rohr herrschende Druck abgelesen werden kann. Je nach Feuchtigkeit im Boden wird nun Wasser durch die Keramikkappe 2 aus dem Tensiometer in den Boden gedrückt. Ein Ungleichgewicht an Feuchtigkeit bewirkt immer eine Druckänderung im Rohr, welche am Manometer ablesbar ist. Die Wechselwirkung der Feuchtigkeit ist jedoch nur gewährleistet bei einem optimalen Kontakt zwischen Keramikkappe 2 und umgebender Erde.

Figur 2 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemässe Ausführung des vordersten Teils der Sensorspitze eines Tensiometers wie aus Figur 1. Man erkennt die hohle und mit Wasser 6 gefüllte, poröse Keramikkappe 2, die mit Filz 7

überzogen ist. Der Filz kann in der Form einer über die Keramikkappe stülpbaren Filzkappe ausgeführt sein, welche auswechselbar oder auch fest am Sensor angebracht ist. Bei entsprechender Wahl des Filzes, nimmt dieser die Feuchtigkeit leicht auf und gibt sie auch wieder so ab, dass keine Feuchtigkeitsdifferenz zwischen Filz und umgebendem Medium auftritt. Zudem können Filze aus Kunststoffasern verwendet werden, die weitgehend resistent gegenüber Pilzen sind und nicht verrotten. Sobald ein Filz aufgrund der Alterungserscheinungen nicht mehr den Anforderungen entspricht kann er unter geringem Aufwand und Kosten ersetzt und ausgetauscht werden. Der Filz oder andere geeignete Materialien, wie beispielsweise offenporiger Polyurethanschaum, Gaze, Gestricke, Gewebe, Vlies, insbesondere aus Kunststoffasern hergestellte und gewickelte Vliese, weisen eine Dicke in einem Bereich von 1 bis 10 mm, typischerweise 3 -7mm, z. B. 5mm auf. Je nach Art des Sensors und umgebenden Feststoffgemenges kann die Dicke entsprechend angepasst werden. Die Weichheit bzw. mechanische Nachgiebigkeit des Interfaces erlaubt ein Anpassen an die Undefinierte, ungleichmässige, körnige Oberfläche von Erde oder anderen Feststoffmedien wie bspw. Getreide. Auch eine gewisse Volumenverkleinerung der umgebenden Erde aufgrund von Austrocknen wird mit der Flexibilität des Interfaces ausgeglichen und dadurch insbesondere die Grosse der Kontaktfläche definiert bzw. diese im wesentlichen immer gleich gross gehalten.