Entwicklung hochfrequenter Meßverfahren zur Boden- und Schneefeuchtebestimmung

Christof Huebner
1999
Kurzfassung Entwicklung hochfrequenter Me verfahren zur Boden-und Schneefeuchtebestimmung Die Bestimmung des Wassergehalts in B den und Schnee hat f r viele Anwendungen in der Meteorologie, Landwirtschaft, Hydrologie und Bautechnik eine zentrale Bedeutung. Die meisten der bisher bekannten Me verfahren k nnen jedoch d i e a n sie gestellten Anforderungen bez glich Genauigkeit, Reproduzierbarkeit, Zeit-und Arbeitsaufwand sowie Automatisierbarkeit nicht erf llen. Deshalb wurden in der vorliegenden
more » ... in der vorliegenden Arbeit neue Sensoren entwickelt, die ausgew hlte Aufgaben der Feuchteme technik erheblich besser als zuvor m glich l sen. Dabei zeigt sich, da die hochfrequenten Me verfahren aufgrund der besonderen dielektrischen Eigenschaften von Wasser am besten geeignet sind. Voraussetzung f r ein Verst ndnis des darauf basierenden Me prinzips und seiner Weiterentwicklung ist eine eingehende Untersuchung der dielektrischen Eigenschaften von B den und Schnee, die mit Hilfe von Mischungsregeln modelliert werden k nnen. Ein neuer Ansatz, der auf dreidimensionalen Zufallsverteilungen beruht, besttigt weitgehend die bisher bekannten einfacheren Mischungsregeln. Um diese Ergebnisse experimentell zu veri zieren wurde ein Laborme platz entworfen, mit dem man dielektrische Materialparameter im Frequenzbereich z w i s c hen 1 MHz und 1 GHz bestimmen kann. Messungen an verschiedenen B den zeigen die Abh ngigkeiten von der Leitf higkeit, der Frequenz und der Temperatur, die mit komplexen Mischungsregeln erkl rt werden k nnen. Unter Einbeziehung dieser Messungen sowie weiterer technologischer und anwendungsspezi scher Aspekte wurden neue Feuchteme verfahren und Sensoren entwickelt. Der transportable Ober chensensor eignet sich z u r s c hnellen, gro chigen und zerst rungsfreien Messung der Bodenfeuchte. Er zeichnet sich durch ein besonders gro es Me volumen und die M glichkeit zur Tiefenau sung aus. Der fest installierte Kabelsensor ist f r kontinuierliche Messungen im Boden oder Schnee ber l ngere Zeitr ume gedacht. Er besteht aus einem Kabelnetzwerk, dessen Leitungen speziell f r die Feuchtemessung entworfen wurden und dadurch erstmals Me l ngen von mehr als 20 m in B den und 100 m in Schnee erreichen k nnen. Verschiedene Me -und Auswerteverfahren im Frequenz-und Zeitbereich erm glichen sowohl die Bestimmung des integralen Wassergehalts als auch ortsaufgel ster Feuchtigkeitsverteilungen entlang der Kabel. Aus zus tzlichen Messungen im niederfrequenten Bereich erh lt man die Schneedichte. Die hier ausgearbeitete Me methode kann trotz unvermeidbarer Luftspaltbildung um die Sonde die tats chliche Feuchte ermitteln. Mehrere Me kampagnen und Projekte zur Boden-und Schneefeuchtemessung zeigen anhand von Me ergebnissen den erfolgreichen praktischen Einsatz der in dieser Arbeit entwickelten Verfahren und Sensoren. Abstract Development of high-frequency methods for soil and snow moisture determination Determining the water content in soil and snow is essential to many applications in meteorology, agriculture, hydrology, civil engineering, and building construction. However, most of the measuring techniques known to date are unable to meet requirements of accuracy, reproducibility, expense of time and labor, as well as automation capability. F or this reason, new sensors were developed in this work which s o l v e s p eci c problems in moisture measurement considerably better than had been possible before. High-frequency measurements were found to be most suitable because of the speci c dielectric properties of water. Understanding the measurement principle based on this approach, and its further development, requires thorough investigations of the dielectric properties of soil and snow, which can be modeled by means of mixing rules. A new approach based on three-dimensional random distributions mostly conrmed the simpler mixing rules known before. For experimental veri cation of these ndings, a laboratory measuring station was designed where dielectric materials parameters can be determined in the frequency range between 1 MHz and 1 GHz. Measurements conducted in various types of soil demonstrate the dependence on conductivity, frequency and temperature, which can be explained by complex mixing rules. New methods of moisture measurement and new sensors were developed on the basis of the measurements performed in this way and in the light of additional technical and application-oriented aspects. The portable surface sensor can be used for fast, large-area, non-destructive measurements of soil moisture. It is characterized by a particularly large measurement v olume and by its depth resolution capability. The permanently installed cable sensor was developed for continuous and longterm measurements in soil or in snow. It consists of a cable network whose lines were designed speci cally for moisture measurement and, in this way, are able for the rst time to achieve measured lengths of more than 20 m in soil and 100 m in snow. Various methods of measurement and evaluation in the frequency and time domains allow both the integral water content and locally resolved moisture distributions along the cables to be determined. The snow density is obtained from additional measurements in the low-frequency domain. The method of measurement developed in this way is able to determine the actual moisture despite the unavoidable production of an air gap around the probe. Several measurement campaigns and projects of soil and snow moisture measurement demonstrate, on the basis of measured results, the successful practical application of the methods and sensors developed in this work. Tabellenverzeichnis 4.
doi:10.5445/ir/21999 fatcat:nbijcvfjirbidhrpcv2lljnhly