Theorie der Material- und Bodenfeuchtemessung mit der TRIME- Methode

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1 Theorie der Maerial- und Bodenfeuchemessung mi der TRIME- Mehode IMKO Micromodulechnik GmbH, Im Söck 2, D Elingen INHALTSVERZEICHNIS DIE GRUNDLAGEN DER TECHNIK 2 DAS PRINZIP DER TDR-TECHNIK 2 KONVENTIONELLE TECHNISCHE REALISIERUNG 3 TDR-MESSUNG MIT DEM PATENTIERTEN TRIME-VERFAHREN 4 EINFLÜSSE AUF DIE TDR-MESSUNG 8 DER EINFLUß DES MATERIALS 8 DER EINFLUß DER ELEKTRISCHEN LEITFÄHIGKEIT 8 DER EINFLUß DER DICHTE 12 DER EINFLUß EINES LUFTSPALTES 13 TRIME IM VERGLEICH MIT ANDEREN DIELEKTRISCHEN MESSVERFAHREN 14 DIE VORTEILE VON TRIME 14 TRIME IM VERGLEICH MIT KONVENTIONELLEM TDR 14 TRIME IM VERGLEICH MIT KAPAZITIVEN FEUCHTEMEßSYSTEMEN (FREQUENCY DOMAIN). 15 ZUSAMMENFASSUNG 18 DEFINITIONEN DER FEUCHTE 19 VOLUMETRISCHE FEUCHTE 19 GRAVIMETRISCHE FEUCHTE 19 TROCKENDICHTE 19 FEUCHTDICHTE 20 UMRECHNUNG GRAVIMETRISCHE VOLUMETRISCHE FEUCHTE 20

2 Die Grundlagen der Technik Das Prinzip der TDR-Technik Die Time Domain Reflecomery (TDR) is ein elekroechnisches Verfahren, das für die Unersuchung von elekrischen Leiungen enwickel wurde. Dami lassen sich Kabeldefeke wie z. B. Kurzschlüsse und Kabelbrüche oren. Zu diesem Zweck wird ein Spannungsimpuls auf die Leiung geschick. Der Impuls läuf enlang der Leiung und bilde um die Leiung eine elekromagneische Welle. Bei Koaxialleiungen befinde sich der Impuls vollsändig innerhalb der Leiung. Je nach Länge und Beschaffenhei der Leiung (Bruch, Kurzschluß, Ende), veränder sich die Charakerisik und die Laufzei des Impulses und es reen Reflexionen auf (Abbildung 1) Abbildung 1: Prinzip der TDR-Messung Die Time Domain Reflecomery (TDR) ha sich sei Ende der 70er Jahre ebenfalls als sehr zuverlässige und leich zu handhabende Mehode zur Messung der Maerialfeuche eablier. Im Vergleich zu bisherigen Verfahren, wie zum Beispiel der Ofenrocknungsmehode, biee die TDR- Mehode die Möglichkei einer sehr schnellen und nich desrukiven Messung. Gegenüber der Neuronen-Moderaion und der Gamma-Abschwächung is die TDR-Messung wesenlich leicher zu handhaben. Grundlage für die Anwendung von TDR als Feuchemeßsysem bilde die folgende Gleichung (Gl.1): c = c r 0 ε µ r [Gl. 1] Demnach is die Geschwindigkei c einer elekromagneischen Welle im Vakuum gleich der Lichgeschwindigkei c 0. Außerhalb des Vakuums is die Ausbreiungsgeschwindigkei c nur von der relaiven Dielekriziäskonsanen ε r und der magneischen Permeabiliä µ r des Maerials, in dem sich die Welle ausbreie, abhängig. Lezere kann in nich magneischen Maerialien gleich 1 gesez werden, so daß die Ausbreiungsgeschwindigkei nur von der relaiven Dielekriziäszahl abhängig is. Zur Besimmung der Dielekriziäszahl muß also die Ausbreiungsgeschwindigkei der elekromagneischen Welle enlang einer Leiung bekanner Länge l, gemessen werden. Aus prakischen Gründen werden dafür zwei oder drei parallele Säbe (TDR-Sonde) als Verlängerung einer Koaxial-Leiung in das zu messende Maerial eingebrach. Am Ende der Säbe wird die Welle reflekier und läuf die gleiche Srecke wieder zurück (2l). Mi der gemessenen Laufzei der Welle kann die Geschwindigkei mi Gleichung 2 ermiel werden und dami dann die DK berechne werden: 2

3 l c = 2 [Gl. 2] Aufgrund der hohen Dielekriziäskonsanen (DK) von Wasser (ε r = 81) und den sehr niedrigen DK von rockenen porösen Maerialien (ε r < 5), is die DK von feuchen porösen Maerialien in erser Linie eine Funkion des Wassergehales und dami prinzipiell besimmbar. Bereis 1980 haben die kanadischen Wissenschafler G. C. Topp, J. L. Davis und A. P. Annan die Ergebnisse ihrer Erfahrungen mi der TDR-Meßechnik zur Bodenfeuchemessung veröffenlich. Uner anderem haben sie auch eine Kalibrierfunkion (Polynom 3. Grades) ermiel (Abbildung 2), die den Zusammenhang zwischen der Dielekriziäszahl ε r und der volumerischen Feuche θ v für mineralischen Böden wiedergib: 2 3 εr = 3, , 3θv+ 146θv 76, 7θv [Gl. 3] Abbildung 2: Zusammenhang Bodenfeuche - Dielekriziäszahl nach Topp e al. (1980). Konvenionelle echnische Realisierung Die Schwierigkei bei der TDR-Messung lieg vor allem in der sehr kurzen Laufzei der elekromagneischen Welle auf der Sonde, so daß für die Messung sehr kurzzeiige, seilflankige Impulse (Ansiegszei < 1 Nanosekunden (ns) = 10-9 s) nöig sind. Am Beispiel einer 15 cm langen TDR-Meßsonde (l = 15 cm) errechne sich die Laufzei in Luf l mi einer DK von 1 und die Laufzei in Wasser w mi DK = 81 folgendermaßen: 2l = c 0 ε r l 03, m = 1= 1ns ms [Gl. 4] w 03, m = 81 = 9ns ms Daraus ergib sich eine Laufzeidifferenz von nur 8 ns zwischen den beiden Exremen 0% und 100% volumerischer Feuche. Um diese kleine Zeidifferenz meßechnisch erfassen zu können, sind aufwendige elekroechnische Geräe wie z.b. Hochfrequenz-Impulsgeneraoren und Oszilloskope nowendig. Außerdem muß der Ausgangswidersand der Impulsgeneraoren von R a = 3

4 50 Ω an den meis höheren Wellenwidersand der Sonde mi einem Impedanzwandler angepaß werden. Abgesehen von dem unhandlichen Aufbau (Abbildung 3), der hohen Verlusleisung und der hohen Geräekosen, muß der Verlauf des reflekieren TDR-Impulses auf dem Oszilloskop-Schirm dargesell, manuell ausgewere und in die volumerische Feuche umgerechne werden. Impulsgeneraor Z=50 L Ω Impedanzwandler Z L=180Ω TDR-Sonde HF- Oszilloskop Abbildung 3: TDR-Meßaufbau mi Impulsgeneraor und Oszilloskop. Eine weiere Alernaive sell die Verwendung eines Sandard-Kabelesers dar, der normalerweise zum Aufspüren von Kabeldefeken dien. Der Ausgangswidersand dieses Geräs von R a = 50 Ω erforder jedoch auch hier in der Regel einen Impedanzwandler. Auch dieses Gerä is aufgrund seiner vielfäligen Möglichkeien zum Aufspüren von Kabelbrüchen, Kurzschlüssen und Queschungen relaiv euer. Außerdem is es nich für den rauhen Einsaz im Gelände konzipier (Schmuz, Niederschlag, sarke Temperaurschwankungen, ec.). Die Auswerung des TDR- Impulses und die Berechnung der volumerischen Feuche müssen ebenfalls manuell durchgeführ werden. Alle bisher zum Einsaz kommenden Geräe arbeien nach dem gleichen Impulsmeßprinzip: Der reflekiere Impuls wird im "Sampling-Verfahren" abgescann. Das heiß jeder Punk des späer dargesellen Impuls-Signals wird als Spannungswer zu einer besimmen Zei gemessen und anhand dieser Spannungswere wird dann indirek die Laufzei graphisch ermiel (Abbildung 4). Dazu is eine sehr aufwendige elekronische Hochfrequenzlogik nowendig (Track-and-Hold-Sufen, A/D-Wandler, PLL-Kreis, ec.). Die Auswerung dieser "Badewannenkurve" is insbesondere bei kurzen Laufzeien, wie sie bei geringer Feuche und kurzen Sondensäben aufreen, problemaisch und fehlerrächig. U Laufzei des Kabels Laufzei der Sonde reflekierer Impuls U U 1 2 Abbildung 4: Impulsmessung nach dem Sampling-Verfahren TDR-Messung mi dem paenieren TRIME-Verfahren Eine speziell auf die Anwendung der Maerialfeuchemessung zugeschniene Realisierung der TDR-Technik sell das TRIME-Verfahren dar (Time Domain Reflecomery mi Inelligenen 4

5 Micromodul-Elemenen). Ohne aufwendige Schalungen mi Track-and-Hold-Sufen und A/D- Wandlern wird die Messung des TDR-Impulses durch direke Zeimessungen, ansa durch indireke Spannungsmessungen realisier. Das bedeue, die einzelnen Punke des TDR-Impulses werden durch Zeimessungen an besimmen Spannungspegeln ermiel (Abbildung 5). Auf diese Weise is es möglich, ein kompakes Gerä mi kleinen Abmessungen und geringer Verlusleisung herzusellen. U 2 1 reflekierer Impuls Laufzei des Kabels Laufzei der Sonde Abbildung 5: TDR-Impulsmessung nach dem TRIME-Verfahren. Für diese Ar der Messung is jedoch ein veränderer Kurvenverlauf des TDR-Impulses erforderlich. Aufgrund von Leiungsverlusen und der elekrischen Leifähigkei des Maerials wird der Impuls auf seinem Weg gedämpf, d. h. es komm nich mehr die ursprünglich ausgesande Energie zurück, die Ampliude des Impulses is geringer. Die Ampliude des reflekieren, gedämpfen Impulses muß daher angehoben, d.h. die Dämpfung des Signals muß verringer werden. Dies wird durch eine günsige Anpassung der Wellenwidersände zwischen Impulsausgang, Koaxial-Leiung zur Sonde und der Sonde selbs erreich. Die wichigse Maßnahme, um den gewünschen sufenarigen Kurvenverlauf zu erhalen war jedoch die Beschichung der Sonden- Säbe mi einem nichleiendem Maerial (z.b. PVC). Diese Beschichung wirk dämpfungsmindernd und sell in ihrer Wirkungsweise einen idealen Hochpaßfiler dar (Abbildung 6). Sondens be Sondenende HF- Kabel Sabbeschichung Abbildung 6: Leiwer des Mediums Ersazschalbild der TRIME-Sonde. Niedrige Sörfrequenzen (9 < MHz) werden abgeblock und können sich nich durch das Medium um die Säbe herum forpflanzen. Das bedeue, daß nur die hohen Frequenzen (>>300 MHz) sich als elekromagneische Welle im Medium forpflanzen können und gedämpf werden. Die gesame Dämpfung wird somi wesenlich verminder, und es geh bedeuend weniger Energie des reflekieren Impulses verloren, die Ampliude is höher. Um die Impulslaufzei zu messen, is es nich nöig die gesame Kurve zu erfassen. Dadurch wird Meßzei eingespar und weniger Energie verbrauch, was besonders bei Baerieberieb des Meßgeräes von Voreil is. Ein ausgeklügeler Algorihmus miß nur besimme Punke der Kurve, um zunächs die Ampliude des reflekieren TDR-Signals zu messen. Dazu werden TDR- Impulspakee erzeug, um möglichs genaue Mielwere zu bekommen. 5

6 Nachdem die Ampliude, die maßgeblich von der elekrischen Leifähigkei des Bodens abhängig is (Abbildung 7), ermiel wurde, wird die eigenliche Laufzei an einem von der Ampliude abhängigen Pegel gemessen. Die Laufzei kann bis auf maximal 3 ps aufgelös werden. Dadurch erhöh sich die Genauigkei insbesondere bei der Messung geringer Feuchen und auch der Einsaz von Sonden mi sehr kurzen Säben (5 cm) wird möglich. U = geringe Leifähigkei = große Ampliude 2 hohe Leifähigkei = kleine Ampliude Abbildung 7: Ampliuden- und Laufzeimessung mi TRIME. Meßwerverarbeiung Die Umrechnung der mi dem TRIME-Gerä gemessenen Laufzei in die Maerialfeuche θ v erfolg in drei Sufen (Abbildung 8). Alle Kalibrierdaen sind der Sonde zugeordne und ein einem nichflüchigen EEPROM im Sondensecker gespeicher. Laufzei Basiskalibrierung θv p i θv i. p p = +A D Σ 5 i=0 = c opional θvs 5 Σ i. = c i=0 i θv θvs Pseudolaufzei Sandardmaerialkalibrierung Spezialmaerialkalibrierung Sandardmaerialfeuche Spezialmaerialfeuche Abbildung 8: Meßwerverarbeiung im TRIME-Gerä. Basiskalibrierung Da beim TRIME-Algorihmus nich nur die Laufzei enlang der Sonde sondern immer die gesame Laufzei des Impulses vom Gerä über Koax-Kabel, Sonde und wieder zurück gemessen wird, muß jede Sonde einer Basiskalibrierung unerzogen werden. Die Basiskalibrierung dien zur Kompensaion der Kabellänge und der Toleranzen der Sondenmechanik (Dicke der Sabbeschichung, Sablänge, ec.) und is nöig, dami die nachfolgenden Sufen mi sinnvollen Meßweren gespeis werden. Dieses Kalibrieren oder Abgleichen wird miels zweier exak 6

7 definierer Medien (rockene und wassergesäige Glasperlen) durchgeführ. Die so ermielen sondenspezifischen Koeffizienen A und D werden enweder vom Kalibrierprogramm SMCAL oder durch die Selbskalibrierung beim TRIME-FM berechne. Außerdem muß jede Sonde auf das jeweilige Meßgerä eingesell werden und dieselbe Sonde kann nich mi zwei verschiedenen Geräen berieben werden. Sandardmaerialkalibrierung In dieser Kalibriersufe wird die Pseudolaufzei p in die sogenanne Sandardfeuche θ v umgerechne. Die Sandardfeuche sell eine Universalkalibrierung für mineralische Böden dar. Jeder Sondenyp (P2, P2G, P3...) benöig aufgrund der unerschiedlichen Sondengeomerien seine eigene Kalibrierfunkion. Die Koeffizienen c 0...c 5 wurden durch Messungen an verschiedenen mineralischen Böden besimm. Spezialmaerialkalibrierung Mi Hilfe dieses Schries kann der Kunde seine eigene Kalibrierung für spezielle Maerialen (siehe Kapiel Einflüße des Maerials ) durchführen. Hierzu ersell er sich eine Tabelle, besehend aus Sollweren, die er mi einem Referenzverfahren (z. B. Ofenrocknungsmehode) ermiel ha, und den mi dem TRIME-Gerä gemessenen Weren. Diese Tabelle kann in das Kalibrierprogramm SMCAL geladen werden, welches dann die Koeffizienen c 0...c 5 berechne und im Sondensecker speicher. 7

8 Einflüsse auf die TDR-Messung Der Einfluß des Maerials Die TRIME-Technik wurde speziell für die Feuchemessung in Böden enwickel. Einer der größen Voreile war dabei die geringe Abhängigkei der Messung vom Bodenyp, so daß eine universelle Kalibrierfunkion für mineralischen Böden verwende werden konne. Mi der immer größeren Verbreiung der Geräe sieg zwangsläufig das Ineresse an der Technik und der Einsaz in den verschiedensen porösen Maerialien, so daß maerialspezifische Kalibrierungen nöig wurden. Maerialkalibrierungen können nowendig werden, wenn in sehr onreichen Subsraen gemessen werden soll (Tongehale > 50% bzw. Vorhandensein von quellfähigen Tonmineralen). Auch sehr organikhalige Maerialien (Organik > 10% wie z.b. Mull, Humus, Torf, Blumenerde) und Böden mi sehr geringen Lagerungsdichen (ρ < 1 g/cm 3 wie z. B. Andosole) machen spezifische Kalibrierungen nowendig. Diese Were sind jedoch nur als grobe Anhalspunke und Erfahrungswere zu versehen und sellen keine Grenzwere dar. Auch die Korngrößenvereilung und die Heerogeniä des Maerials können zu Problemen führen. Es beseh einerseis die Gefahr, daß die Geomerie des Porenraumes bei der Insallaion der Sonden veränder wird oder andererseis das Problem, daß das erfaße Volumen nich unbeding repräsenaiv für das zu messende Maerial is. Für beide Siuaionen biee IMKO mi geeigneen Bohrverfahren und speziellen Sondenypen opimale Lösungsmöglichkeien. Der Einfluß der elekrischen Leifähigkei Frühe Versuche von DALTON e al. (1984), die TDR-Technik in hoch-salinaren Böden einzusezen, führe zu der Erkennnis, daß die TDR-Kurve auch Informaionen über den Verlus von elekromagneischer Energie enhäl. Dies kann dafür verwende werden, um die elekrische Leifähigkei des Bodens zu besimmen und dami Rückschlüsse auf Saliniä des Bodenwassers zu ziehen. Die elekrische Leifähigkei des Bodens wird als wichige Eigenschaf berache, da sie ein Maß für die Saliniä (im wesenlichen die in der Bodenlösung enhalenen anorganischen Elekrolye) und dami wichig für die Beureilung des Pflanzenbewuchses is. Zu hohe Saliniäen sind vor allem in Trockengebieen, in denen bewässer werden muß, ein Problem. Auch in der Beureilung des Soffranspors von Nähr- oder Schadsoffen werden die Änderungen der Konzenraionen in der Bodenlösung in erser Linie über eine Inerpreaion der elekrischen Leifähigkei abgeschäz. Da die meisen Minerale im Boden Isolaoren sind, finde die Sromleiung nich wie in Meallen über freie Elekronen sa, sondern durch ionare Ladungsräger, die enweder im Porenwasser gelös sind oder als ausauschbare Kaionen an den Oberflächen der fesen Bodenparikel hängen. Die spezifische elekrische Leifähigkei häng in erser Linie von der Temperaur sowie von der Ar und Konzenraion der gelösen Ionen ab. Gewöhnlich wird sie auf eine Temperaur von 25 C bezogen, sodaß die Unerschiede nur eine Funkion von Konzenraion und Ar der gelösen Ionen sind. Die elekrische Leifähigkei im Boden wird außerdem von der Anzahl, Geomerie und dem Zusammenhang der Poren sowie maßgeblich vom Bodenwassergehal beeinfluß. RHOADES e al. (1976) beschrieben die Zusammenhänge mi der folgenden Formel: σ = σ θ T + σ [Gl. 5] a w v s mi σ a als elekrischer Leifähigkei des Bodens, σ w als elekrischer Leifähigkei der Bodenlösung, θ v als volumerischem Wassergehal, σ s als Oberflächenleifähigkei der Bodenmarix und T als empirischem Transmissionskoeffizienen, der dem oruosen (gekrümmen) Verlauf der Srompfade 8

9 und der Abnahme der Ionenmobiliä nahe der fes-flüssig Grenzfläche Rechnung räg. Die elekrische Leifähigkei des Bodens is meis sehr viel niedriger als die der Bodenlösung. So ha z. B. ein Lößboden mi einem Wassergehal von 42 Vol.-% und einer elekrischen Leifähigkei der Bodenlösung von 9 ms/cm eine Bodenleifähigkei von nur 2 ms/cm. Aufgrund dieser Abhängigkeien beziehen wir uns bei der Angabe der Obergrenze der elekrischen Leifähigkei für die jeweiligen Sonden auf die elekrische Leifähigkei des Bodens σ a. Die Besimmung der elekrischen Leifähigkei des Bodens erfolge bisher enweder durch kondukomerische Messungen an wässrigen Bodenlösungen, die durch Exrakion von Bodenproben im Labor bzw. mi Keramiksaugkerzen im Gelände gewonnen wurden oder durch insiu Messung miels elekrischer Sensoren wie ewa der Vier-Elekroden-Sonde nach RHOADES & VAN SCHILFGAARDE (1976). Hierbei wird ein Wechselsrom in den Boden eingespeis und der Spannungsabfall gemessen, woraus sich dann der Bodenwidersand bzw. als Kehrwer die elekrische Leifähigkei berechnen lassen. Nacheile dieser Mehoden sind z. B. die aufwendigen und eils desrukiven Prozeduren, ein Mangel an Repräsenaiviä oder die Tasache, daß die Exrakion der Salze mi verschiedenen Boden-Wasser-Mischungsverhälnissen (1:2; 1:2,5; 1:10) erfolg und deren Ergebnisse unereinander nur schwer vergleichbar sind. Der größe Nacheil is jedoch, daß der sehr eng mi der elekrischen Leifähigkei verknüpfe Wassergehal nich an ein und derselben Selle besimm werden kann. Die TDR-Technik eröffne auch hier neue und vielversprechende Möglichkeien. Leifähigkeismessung mi konvenionellen TDR-Sysemen Wie heoreische Analysen und experimenelle Korrelaionen gezeig haben, finde bei der Messung mi dem TDR-Impuls ein Ampliudenverlus sa. Dieser wird haupsächlich durch die elekrische Leifähigkei des Dielekrikums verursach, die das TDR-Signal nach dem folgenden Exponenialgesez dämpf: U = U e r 2αl [Gl. 6] mi U als Ampliude bei Einri des Signals in die Säbe und U r als Ampliude bei Ausri nach der zurückgelegen Disanz 2l (hin und zurück). α bezeichne die Dämpfungskonsane für elekromagneische Wellen, die mi folgender Gleichung beschrieben werden kann: πσ α = 60 a ε r [Gl. 7] mi ε r als Dielekriziäskonsane und σ a als elekrischer Leifähigkei des Mediums zwischen den Säben. Die Kombinaion von Gleichung [Gl. 6] und [Gl. 7] ergib die elekrische Leifähigkei des Bodens zu: σ a ε r = 120πl U ln [Gl. 8] Ur Dadurch erlaub die TDR-Technik die simulane Messung des Wassergehales und der elekrischen Leifähigkei, beides wesenliche Komponenen zur Besimmung der Saliniä. Die Wassergehalsmessung mi TDR wird zwar von der elekrischen Leifähigkei nich direk beeinfluß, sie sell jedoch eine Obergrenze für diese Messung dar. Dieser Fall is dann erreich, wenn die Dämpfung durch die elekrische Leifähigkei des Mediums so groß bzw. die reflekiere Kurve so flach wird, daß keine Ampliude mehr besimmbar is und dami eine Wassergehalsmessung unmöglich wird. Diese Grenze is auch maßgeblich vom Sondenyp abhängig. Leifähigkeismessung mi dem TRIME-TDR-Sysem Das TRIME-TDR-Sysem verwende für die Wassergehalsmessung einen neuen Meß- und Auswerealgorihmus. Dafür mußen die Säbe der TRIME-Sonden mi PVC beschiche werden. Diese in der TDR-Technik übliche Maßnahme ha den zusäzlichen Voreil, daß auch in Maerialien 9

10 mi höheren elekrischen Leifähigkeien gemessen werden kann. Ein dadurch hervorgerufener Verlus in Meßauflösung und Genauigkei wird, im Gegensaz zu den konvenionellen TDR- Techniken, durch den TRIME-Algorihmus jedoch ausgeglichen. Dieser Algorihmus benöig zur Besimmung der Laufzei die Ampliude des Signals. Diese wird also bei jedem Meßvorgang mibesimm. Da auch die TRIME-Ampliude durch die elekrische Leifähigkei des Mediums eine Dämpfung erfähr, kann mi Hilfe einer geeigneen Kalibrierung auch das TRIME-Verfahren zur Beureilung der elekrischen Leifähigkei des Mediums herangezogen werden. Es wird dabei die elekrische Leifähigkei des Bodens insgesam gemessen. Die Leifähigkei der Porenlösung bzw. die Saliniä des Bodens kann dann mi Gleichung [5] ermiel werden. Aufgrund des geänderen Meßalgorihmus is eine Besimmung nach Gl. [8] jedoch nich möglich. Es wird vielmehr ein empirischer Ansaz, vergleichbar mi der Wassergehalskalibrierung, gewähl. Dazu wird das Verhälnis von TRIME-Ampliude (aufgrund elekroechnischer Gegebenheien gemessen in dimensionslosen ganzen Zahlen von ) und elekrischer Leifähigkei des Bodens besimm. Als Referenzmehode für die Messung der Leifähigkei dien in wässrigen Elekrolylösungen ein handelsübliches Kondukomeer, während sich bei in-siu Messungen im Boden die Vier-Elekroden-Mehode nach RHOADES & VAN SCHILFGAARDE (1976) bewähr ha. Abbildung 9 zeig das gemessene Verhälnis zwischen TRIME Ampliude und elekrischer Leifähigkei in wässrigen KCl-Lösungen für verschiedene TRIME-Sonden und Geräe. Wie bereis aus Gl. [6] ersichlich is der Zusammenhang exponeniell und kann durch Darsellung im halblogarihmischen Maßsab linearisier werden. Abbildung 10 zeig das Verhälnis in verschiedenen Böden und Subsraen. Daraus lassen sich 2 Schlußfolgerungen ableien: a.) Es beseh ein Offse in der Ampliuden-Leifähigkeis-Beziehung zwischen den einzelnen TRIME-Geräen und -Sonden, d.h., daß jede Sonde und jedes Gerä einzeln kalibrier werden muß, um vergleichbare Leifähigkeisergebnisse zu liefern. b.) Es beseh ein Offse zwischen den Messungen in wässrigen Elekrolylösungen/Sand und bindigen Böden, was wahrscheinlich auf die unerschiedlichen dielekrischen Eigenschafen von freiem und gebundenem Wasser zurückgeführ werden kann. Dies dürfe auch der Grund für die deulichere Abhängigkei der TRIME-Leifähigkeismessung vom Bodenyp sein. Daher is auch eine Universalkalibrierfunkion für die Leifähigkeismessung im Gegensaz zur Wassergehalsmessung nich möglich. Es muß zumindes eine Unerscheidung zwischen bindigen und nich-bindigen Maerialien/wässrigen Elekrolyen geroffen werden, empfehlenswerer is jedoch eine maerialspezifische Kalibrierung. elekr. Leifähigkei [ms/cm] Abbildung 9: Beziehung zwischen TRIME Ampliude und elekrischer Leifähigkei in wässrigen KClLösungen für verschiedene TRIME-Sonden und -geräe. 10

11 elekr. Leifähigkei [ms/cm] Abbildung 10: Beziehung zwischen TRIME Ampliude und elekrischer Leifähigkei in verschiedenen Bodensubsraen am Beispiel einer P3-Sonde. Leifähigkeiskalibrierung mi TRIME Troz dieser Schwierigkeien und Abhängigkeien der TRIME-Ampliude is eine Kalibrierung auf die elekrische Leifähigkei möglich. Die ermiele Funkion is dann aber nur für das jeweilige Maerial und den jeweiligen Sensor gülig. Eine Kalibrierung des Ampliudenweres kann folgendermaßen durchgeführ werden: Jedes TRIME-Gerä und jede Sonde sollen im gewünschen Maerial kalibrier werden. Als Referenzmehode ha sich die Vier-Elekroden-Mehode von RHOADES & VAN SCHILFGAARDE (1976) bewähr. Nach den Messungen kann das Verhälnis zwischen TRIME-Ampliude und elekrischer Leifähigkei dargesell und mi einer exponeniellen Regressionsfunkion beschrieben werden. Das für die Kalibrierung verwendee Maerial solle möglichs homogen sein und auf einen guen Konak der Meßsonden zum Meßmedium solle geache werden. Unerschiedliche Leifähigkeien können durch sukkzesives Anfeuchen des Maerials eingesell werden, solle der Bereich nich ausreichen, so kann Wasser mi unerschiedlichem Elekrolygehal (KCL) zugegeben werden. Die elekrische Leifähigkei des Porenwassers kann dann aus den für den ensprechenden Boden experimenell ermielen Zusammenhängen zwischen elekrischer Leifähigkei des Bodens und der Porenlösung (siehe RHOADES e al. 1976) abgeleie und schließlich die Saliniä des Porenwassers aus Leifähigkeis- und Wassergehalsmessung ermiel werden. Genauigkei der Leifähigkeismessung Die Genauigkei der Messung is von Parameern wie Sondenyp, Bodenyp, Homogeniä, Höhe der elekrischen Leifähigkei sowie dem Wassergehal abhängig. So wurden z. B. für eine P3- Sonde in einem Feinsand, der sehr gue Versuchsbedingungen repräsenier, eine absolue Genauigkei der Messung von ± 0,023 ms/cm in einem Bereich von 0, ,33 ms/cm erreich. Die Genauigkei nimm normalerweise ab, je höher der Wasser- und Tongehal wird, je inhomogener das Maerial is und je höher die elekrische Leifähigkei des Maerials is. 11

12 Lieraur TOPP, G. C., J. L. DAVIS & A. P. ANNAN (1980): Elecromagneic deerminaion of soil waer conen.- Waer Resour. Res., 16: DASBERG, S. & F. D. DALTON (1985): Time-domain reflecomery field measuremens of soil waer conen and elecrical conduciviy.- Soil Sci. Soc. Am. J., 49: DALTON, F.N., HERKELRATH, W.N., RAWLINS, D.S. & RHOADES, J.D. (1984): TDR: Simulaneous measuremen of soil waer conen and elecrical conduciviy wih a single probe.- Science, 224: RHOADES, J.D. & VAN SCHILFGAARDE, J.(1976): An elecrical conduciviy probe for deermining soil saliniy.- Soil Sci. Soc. Am. J., 40: RHOADES, J.D.; RAATS, P.A.C. & PRATHER, R.J. (1976): Effecs of liquid-phase elecrical conduciviy, waer conen and surface conduciviy on bulk soil elecrical conduciviy.- Soil Sci. Soc. Am. J., 40: STACHEDER, M. (1996): Die Time Domain Reflecomery in der Geoechnik.- Schr. Angew. Geol. Karlsruhe, 40, Der Einfluß der Diche Wie ausführliche Unersuchungen gezeig haben, is die TDR-Messung auch geringfügig von der Lagerungsdiche des Maerials abhängig. Die universelle Kalibrierfunkion für mineralische Böden wurde bei einer durchschnilichen Lagerungsdiche von ewa 1,4 kg/dm 3 ersell. Wenn nun die Diche des Maerials deulich höher als die Kalibrierdiche is (> 1,7 kg/dm 3 ), so wird die Feuche übergewiche, während bei niedrigeren Dichen (< 1,2 kg/dm 3 ) ein zu geringerer Wassergehal gemessen würde. Abbildung 11 zeig den Zusammenhang graphisch. Ab we ic hu ng in Vo l.- % y = 12,12x - 17,05 R 2 = 0, ,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9-2 Lagerungsdiche [kg/dm 3 ] Abbildung 11: Abweichung der mi TDR bemessenen Feuche vom hermogravimerischen Referenzverfahren in Abhängigkei von der Lagerngsdiche (y = Abweichung; x = Lagerungsdiche). 12

13 Der Grund dafür dürfe im Einfluß der Bodenmarix auf die DK des Gemisches Bodenmarix- Wasser-Luf zurückzuführen sein. Der bei höheren Lagerungsdichen größere Aneil der Bodenmarix am Geamvolumen bewirk dabei eine Eröhung der DK ohne daß der Wassergehal zunimm. Mi der TDR-Mehode wird daher ein höherer Wassergehal besimm. Ensprechend umgekehr sind die Verhälnisse bei niedrigen Dichen. Bei Messungen in Maerialien mi deulich höheren oder niedrigeren Dichen als 1,4 kg/dm 3 muß o. a. Effek also korrigier werden. Dazu gib es prinzipiell zwei Möglichkeien: 1. Korrekur der Ergebnisse mi der aus Abbildung 11 ermielen Korrekurfunkion (y = 12,12x - 17,05). Der korrigiere Wer errechne sich wie folg: Feuche korrigier = Feuche gemessen - (12,12 * Lagerungsdiche - 17,05) 2. Spezialmaerialkalibrierung mi dem bereffenden Maerial und mi der charakerisischen Lagerungsdiche. Der Einfluß eines Lufspales Aufgrund der höchsen Empfindlichkei der Sonde unmielbar an der Oberfläche des Wellenleiers (Säbe, Plaen) und der niederigen DK von Luf (=1) wirken sich Lufspale sehr sark auf die Messung aus und die Feuche wird z. T. sark unerbewere. Daher solle immer auf einen möglichs guen Konak zwischen Meßsonden und Maerial geache werden und für die Insallaion insbesondere der Rohrsonde sind die enprechenden Bohrverfahren und -geräe zu verwenden. Die Sensoren müssen außerdem immer vollsändig in das zu messenden Maerial eingebrach sein. Von einem mehrmaligen Einsechen der Sonden an ein und derselben Selle wird dringend abgeraen. Auch der Einsaz der Technik in quellenden und schrumpfenden Medien is mi Vorsich zu behandeln, da sich Schrumpfrisse vorweigend enlang der Grenzfläche Sonde-Maerial enwickeln. Sändige Konrollen sind daher unabdingbar. 13

14 TRIME im Vergleich mi anderen dielekrischen Messverfahren Die TRIME-Technologie is eine speziell enwickele TDR-Technik zur Ermilung des Wassergehales in porösen Maerialien und biee viele Voreile im Vergleich mi anderen dielekrischen Meßverfahren. Die Voreile von TRIME - In weien Bereichen keine Abhängigkei von der elekrischen Leifähigkei (Salzgehal) Bei Böden und Maerialien is mi unerschiedlichen elekrischen Leifähigkeien zu rechnen, besonders bei Anwendungen in der Agrarechnik, beim Einsaz von Düngemieln, bei Messungen in Ton und onhaligen Böden und bei Maerialien wie Klärschlamm, Kompos, Grüngu ec.. Die gesame elekrische Leifähigkei des Bodens (bulk soil elecrical conduciviy) kann bei TRIME bis zu 2 ms/cm beragen. Mi speziellen Sabanordnungen und einer Beschichung der TRIME- Säbe mi PVC, is die Messung in Lösungen mi Salzkonzenraionen bis zu ppm möglich. Anspruchsvolle Anwendungen wie z.b. die Messung der Feuche in Kupfererz, welches nach dem Abbau mi Meerwasser und 0.5 %iger Schwefelsäure beregne wird, um das Kupfer in Lösung zu bringen, sind dami möglich. - Weier Meßbereich Viele Böden haben Porosiäen, die zu volumerischen Wassergehalen von bis zu % führen können. Der Sandard Meßbereich von TRIME reich bis zu 70 Vol.-% Wassergehal. Mi einer Sonder- bzw. Nachkalibrierung sind sogar Messungen bis zu 95 Vol.-% möglich (wobei hier die Genauigkei durch die quadraische Funkion der Kennlinie im oberen Meßbereich ewas geringer wird). - Vielfal unerschiedlicher Sondenypen Je nach Applikaion können Sonden mi großem und kleinem Meßfeld, Sab- Rohr- oder Bechersonden eingesez werden. Die Wellenleierlänge kann 50 mm bis 150 mm beragen. Dami sind sowohl Anwendungen in skelereichen Böden im Feld als auch in kleinen Probenbehälern im Labor möglich. Vom Einsaz längerer TDR-Säbe wird abgeraen, da hier das Problem von verikal sark unerschiedlich feuchen Schichen zu Sörungen bei der Messung führen kann. TRIME im Vergleich mi konvenionellem TDR Konvenionelle TDR-Sysemen, die ursprünglich zum Aufspüren von Kabelbrüchen oder Kurzschlüssen enwickel wurden, wurden von Geowissenschaflern in den 70-er Jahren so an ihre Bedürfnisse angepaß, daß eine Messung der Dielekriziäszahl und dami des Wassergehales in Böden möglich war. Abgesehen von dem unhandlichen Aufbau, der hohen Verlusleisung und den hohen Geräekosen, muß die Laufzei anhand des reflekieren TDR-Impulses, der auf dem Oszilloskop- Schirm dargesell wird, manuell ausgewere und in die volumerische Feuche umgerechne werden. Konvenionelle TDR-Geräe arbeien nach dem Sampling-Prinzip, bei dem die abgescanne Badewannen-Kurve (bah-ube-curve) ausgewere wird. Die Auswerung dieser Kurve kann uner besimmen Umsänden fehlerhaf sein, bzw. nich mehr funkionieren. Bei der Verwendung von Sonden mi relaiv kurzen Sablängen in sehr rockenen Maerialien zum Beispiel, kann die Laufzei des Impulses sehr kurz werden (Abbildung 12). 14

15 V A V B Abbildung 12: Charakerisischer Kurvenverlauf des TDR-Signals bei der konvenionellen Technik. A: Kurvenverlauf bei sehr kurzen Sondensäben in sehr rockenen Medien. b: Kurvenverlauf in salinaren Böden oder bei der Verwendung von langen Sondensäben oder großen Kabellängen zwischen Sonde und Gerä. Die fallende und anseigende Impulsflanke können sich überlagern, so daß eine exake Besimmung der Laufzei des Impulses enlang der Säbe durch das Anlegen von Tangenen an die Reflexionspunke der TDR-Kurve nur schwierig machbar is. In Böden mi hohem Tongehal oder in Böden bei denen inensiv gedüng wird beseh das Problem der hohen elekrischen Leifähigkei des Maerials. Dies führ zu einer großen Dämpfung der Signalampliude, die wiederum zu einer Abflachung der Badewannenkurve führ, wodurch die Reflexionspunke nich mehr exak besimm werden können. Lange Coax-Kabel (> 50 m) zwischen TDR-Sonde und Gerä (oder Muliplexer) führen zu demselben Problem. Aufgrund eines verbesseren Meßverfahrens reen diese Probleme bei TRIME nich auf. TRIME im Vergleich mi kapaziiven Feuchemeßsysemen (Frequency Domain). TDR-Syseme verwenden zur Besimmung der Dielekriziäszahl Spannungsimpulse mi sehr kurzen Ansiegszeien, welche ein breies Frequenzband bis zu 1GHz beinhalen. Kapaziive Meßsyseme hingegen arbeien mi nur einer konsanen Frequenz, was mihin auch mi dem Begriff Frequency Domain zum Ausdruck kommen soll. Aus echnischen Gründen arbeien diese Syseme in der Regel mi Frequenzen bis maximal 100 MHz, meis jedoch deulich daruner. Dies verursach verschiedene Probleme, die aus der Gleichung (xx) abgeleie werden können. Troz ihres Namens is die Dielekriziäskonsane keine Konsane im mahemaischen Sinne. Sie is u. a. maßgeblich von der Frequenz des angelegen elekrischen Wechselfeldes abhängig. Diese Frequenzabhängigkei kann durch die komplexe Darsellungsweise der Dielekriziäszahl ε* ausgedrück werden: σ ε * dc ( ω) = ε ( ω) j( ε d ( ω) + ) ω ε 0 [Gl. 9] 15

16 Aus ihrem Realeil ε kann der Wassergehal abgeleie werden. Der Imaginäreil beseh aus den dielekrischen Verlusen ε d (ω) und dem Einfluß der elekrischen Leifähigkei σ dc /ωε 0. Beide Terme sind frequenzabhängig. Aufgrund des Frequenzspekrums des TDR-Impulses kann der Imaginäreil der komplexen Dielekriziäszahl vernachlässig werden. Die Frequenzen sind einerseis nich so hoch, daß die dielekrischen Verluse von Bedeuung wären und andererseis nich so niedrig, daß der Term (σ dc /ωε 0 ) einen merklichen Einfluß auf die Messung häe. Je niedriger nämlich die Kreisfrequenz ω is, deso höher is der Einfluß der elekrischen Leifähigkei und der Imaginäreil kann nich mehr vernachlässig werden. Diese Problemaik is bei den kapaziiven Sensoren umso ausgepräger, je niedriger deren Frequenzen sind. Deshalb is die Wassergehalsmessung der kapaziiven Sensoren särker von der elekrischen Leifähigkei bzw. vom Salzgehal und dami vom Bodenyp abhängig. Kapaziive Sensoren vergleichen außerdem die Impedanz (Scheinwidersand) des Bodens mi einer Referenzimpedanz bekanner Größe und besimmen aus dem Verhälnis den Wassergehal. Da die Impedanz bei rockenen Böden am größen is, nimm die Genauigkei ab, je höher der Wassergehal des Bodens is. Die Sonden sind außerdem empfindlicher gegenüber Geomerieänderungen der Sondensäbe, da der Absand der Säbe direk in die Messung eingeh Es können ebenfalls nur Sonden mi relaiv kurzen Sondensäben und daher kleinen Meßvolumina konsruier werden. Aus elekroechnischen Gründen muß die Auswereelekronik kapaziiver Sensoren direk hiner dem Meßsensor angebrach sein, was die Konsrukionsmöglichkeien von anwendungsspezifischen Sensoren erheblich einschränk. Messergebnisse Eine TRIME P2-Sonde und ein FD-Sensor (mi 4 Säben) wurden in verschiedenen Böden bzw. Maerialien geese. Abbildung 13 zeig einen Vergleich bei Messungen verschiedener Feuche in Glasperlen (sehr homogenes Medium). Die Glasperlen wurden mi Wasser unerschiedlicher Leifähigkei im Bereich 0..3dS/m angerühr. 6 4 FD-Techn. TRIME-P2 Abweichung [Vol.-%] Glasperlen + Aq. des Glasperlen + 0,4 ms/cm Glasperlen + 1mS/cm grav. Wassergehal [Vol.-%] Glasperlen + 3 ms/cm Abbildung 13: Vergleich der Wassergehalsmessung mi TRIME und FD in Glasperlen bei unerschiedlichen elekrischen Leifähigkeien der Porenlösung. Die Messungen wurden sowohl mi der vom Herseller vorgegebenen Universalkalibrierfunkion als auch mi einer speziell ermielen Kalibrierung für Glasperlen durchgeführ. 16

17 Die Sandardabweichung (s) wurde nach der folgenden Gleichung ermiel: s = n 2 ( θ grav. θ TRIME / FD ) i= 1 n [Gl. 10] Mi der Universalkalibrierung ergab sich eine Sandardabweichung von s=3,5 Vol.-% für den FD- Sensor und 2,3 Vol.-% für die TRIME-P2-Sonde. Die Verwendung einer Spezialkalibrierung für die Glasperlen erhöhe die Genauigkei auf s=2,7 Vol.-% beim FD-Sensor und 1,2 Vol.-% bei der TRIME-P2-Sonde. In einem zweien Versuch wurde der Einfluss der elekrischen Leifähigkei auf die Messungen geese. Die Glasperlen wurden mi Wasser unerschiedlicher Leifähigkei im Bereich 0.5dS/m (Leiungswasser) und 5dS/m gesäig. Abbildung 14 zeig die Messergebnisse wobei die TRIME Sonde bei 5dS/m einen ewas höheren Wer anzeig. Die kapaziive Sonde zeig eine erhebliche koninuierliche Abnahme über den gesamen Messbereich der bei 5dS/m bis zu 6% beräg. 50 TRIME/FD Wassergehal [Vol.-%] FD-echn. TRIME-TDR Ofenrocknung elekr. Leifähigkei des Porenwassers [ms/cm] Abbildung 14: Vergleich von TRIME und FD in gesäigen Glasperlen unerschiedlicher Leifähigkei Weierhin wurden die zwei Sensoren in verschiedenen Tonen mi relaiv hohem Wassergehal geese. Abbildung 15 zeig den Vergleich von TRIME-P2, FD- und den gravimerisch konrollieren Wer von drei unerschiedlichen illiischen Tonen. Es is zu ersehen, dass der FD-Sensor bei hohen Feucheweren Abweichungen bis zu 15% zeig. Dies kann auf den Einfluss der hohen Leifähigkei in diesem Boden zurückgeführ werden. Aus Gründen der Objekiviä wurde der Vergleich mi der Sandard P2-Sonde durchgeführ. Der Messbereich und die Genauigkei kann bei TRIME durch den Einsaz der Sonden TRIME-EC bzw. TRIME-IC erheblich verbesser werden, da diese Sonden für Leifähigkeisbereiche bis zu 15dS/m konzipier sind. 17

18 60 55 Ofenr. TRIME-P2 FD-Techn. Wassergehal [Vol.-%] illi. Ton 1 illi. Ton 1 illi. Ton 2 illi. Ton 2 illi. Ton 3 Abbildung 15: Vergleich der Wassergehalsmessungen mi TRIME-P2, FD-Technik und Ofenrocknung in illiischen Tonen mi hohen Wassergehalen. Zusammenfassung Die Ergebnisse zeigen, daß der unersuche FD-Sensor bereffend der Genauigkei mi TRIME- TDR nich konkurrieren kann. Auch mi einer speziellen Maerialkalibrierung zeig der FD-Sensor höhere Abweichungen als mi der Universalkalibrierung des TRIME-Sensors. Fesgesell wurde ein erheblicher Einfluss der Leifähigkei in der Porenlösung beim FD-Sensor bei Leifähigkeien >1dS/m. Der FD-Sensor ha Schwierigkeien bei der Messung in Böden mi höherem Wassergehal. Weierhin wurde fesgesell, daß die FD-Sonden empfindlich auf Änderungen der Sabgeomerie reagieren. Die relaive enge Anordnung der 4 Sondensäbe bei einer Länge von 6 cm sorg für ein kleines Messfeld und limiier dadurch den Anwendungsbereich auf homogene Böden. 18

19 Definiionen der Feuche Volumerische Feuche Die volumerische Feuche gib das Verhälnis zwischen dem in der Probe befindlichen Wasservolumen und dem Gesamvolumen der Probe an. Mi dem TRIME -Verfahren wird physikalisch beding die volumerische Feuche gemessen. Formal gil: V w θ vol = 100 [Gl. 11] Vges mi θ vol = volumerische Feuche der Probe in Prozen V w V ges = Volumen des in der Probe enhalenen Wassers = Volumen der gesamen Probe inkl. H 2 O und Luf Gravimerische Feuche Die gravimerische Feuche gib das Verhälnis der Masse des in der Probe befindlichen Wassers zu der Trockenmasse oder der Gesammasse der Probe an. Formal gil: θ grav r mw. = 100 [Gl. 12] m r mi θ grav. r = gravimerische Feuche der Probe bezogen auf die Trockenmasse in Prozen m w = Masse des in der Probe enhalenen Wassers = Trockenmasse der Probe m r θ grav f mw. = 100 [Gl. 13] m ges mi Prozen θ grav. f = gravimerische Feuche der Probe bezogen auf die Feuchmasse in m w m ges = Masse des in der Probe enhalenen Wassers = Gesam- oder Feuchmasse der Probe Trockendiche Die Trockendiche ρ r beschreib das Verhälnis von der Trockenmasse m r der Probe zu dem Gesamvolumen V ges der Probe. Formal gil: m V r ρ r = [Gl. 14] ges 19

20 Feuchdiche Die Feuchdiche ρ f beschreib das Verhälnis von der Feuchmasse m ges der Probe zu dem Gesamvolumen V ges der Probe. Formal gil: ρ f m ges = [Gl. 15] V ges Umrechnung gravimerische volumerische Feuche Für die Umrechnung der gravimerischen in die volumerische Feuche und umgekehr gil folgender Zusammenhang: θ vol ρ = θgrav, r. ρ r HO 2 [Gl. 16] θ vol oder ρ f = θgrav, f. ρ HO 2 [Gl. 17] mi θ grav = gravimerische Feuche der Probe in Prozen (nach [9a] oder [9b] ρ r = Trockendiche der Probe (aus [10a]) ρ f = Feuchdiche der Probe (aus [10b]) ρ HO 2 = spezifische Diche des Wassers = 1 und kann dami in der Rechnung vernachlässig werden 20