1、Oktober 2006DEUTSCHE NORM Normenausschuss Wasserwesen (NAW) im DINPreisgruppe 14DIN Deutsches Institut fr Normung e.V. Jede Art der Vervielfltigung, auch auszugsweise, nur mit Genehmigung des DIN Deutsches Institut fr Normung e.V., Berlin, gestattet.ICS 13.080.40!,k“9729158www.din.deDDIN 19745Bodenb
2、eschaffenheit Grundlagen fr die Bestimmung des Wassergehalts durchTime-Domain-Reflektometry (TDR) und Time-Domain-Transmissometry(TDT)Soil quality Principles of the determination of the water content by Time Domain Reflectometry (TDR)and Time Domain Transmissometry (TDT)Qualit du sol Principes du do
3、sage de la teneur en eau avec Time Domain Reflectometry (TDR) etTime Domain Transmissometry (TDT)Alleinverkauf der Normen durch Beuth Verlag GmbH, 10772 Berlin www.beuth.deGesamtumfang 34 SeitenDIN 19745:2006-10 2 Inhalt Seite Vorwort . 3 Einleitung 3 1 Anwendungsbereich 4 2 Begriffe 4 3 Symbole und
4、 Abkrzungen . 5 4 Kurzbeschreibung 5 4.1 Allgemeines. 5 4.2 Theorie . 6 5 Messeinrichtung . 8 5.1 Messgert 8 5.2 Sonde . 8 6 Messverfahren. 8 6.1 Durchfhrung 8 6.2 Umwandlungsfunktionen. 9 6.3 Kalibrierung des Gertes/der Sonde 9 6.4 Einfluss der Rohdichte. 10 6.5 Einfluss der Temperatur 10 6.6 Einfl
5、uss der Leitungslnge 10 6.7 Einbau von Sonden 10 7 Prfbericht. 10 Anhang A (informativ) TDR-Umwandlungsfunktionen. 12 Anhang B (informativ) Empfohlenes Sonden-Kalibrierverfahren . 17 Anhang C (informativ) Vorgeschlagenes Boden-Kalibrierverfahren 29 Literaturhinweise . 34 Bilder Bild 1 Zusammenhang z
6、wischen volumetrischem Wassergehalt und der normierten gemessenen Laufzeit .7 Bild A.1 Vergleich verschiedener Umwandlungsfunktionen16 DIN 19745:2006-10 3 Vorwort Diese Norm wurde vom Arbeitsausschuss NA 119-01-02-03 UA Physikalische Verfahren im Normen-ausschuss Wasserwesen (NAW) erarbeitet. Einlei
7、tung Die Time-Domain-Reflectometry (TDR) und Time-Domain-Transmissometry (TDT) sind Verfahren zur Abschtzung des volumetrischen Wassergehaltes eines Bodens. Diese Abschtzungen knnen durch Messung der Zeit erfolgen, die ein elektromagnetischer Impuls bentigt, um eine in den Boden eingegrabene bertrag
8、ungsleitung (Sonde) zu durchlaufen. Im Fall von TDR ist die gemessene Zeit die Zeit, die der Impuls bentigt, um sich vom Anfang der Sonde bis zum Ende der Sonde auszubreiten, am Ende der Sonde reflektiert zu werden und zum Anfang der Sonde zurckzukehren (Dauer eines vollstndigen Durchlaufens). Im Fa
9、ll von TDT ist die gemessene Zeit die Zeit, die der Impuls fr ein Durchlaufen der Sonde in einer Richtung bentigt. Der volumetrische Wassergehalt des Bodens kann abgeschtzt werden, wenn die gemessene Zeit erhalten wurde, weil diese Gren stark miteinander korrelieren. Das den TDR- und TDT-Verfahren z
10、ugrunde liegende physikalische Prinzip ist, dass die gemessene Laufzeit mit der Ausbreitungs-geschwindigkeit des elektromagnetischen Impulses entlang der Sonde in direktem Zusammenhang steht, und die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist der mittleren Dielektrizittskonstante des in Kontakt mit der Sonde b
11、efindlichen Bodens proportional. Die Dielektrizittskonstante fr Luft betrgt 1 und liegt bei trockenem Boden im Bereich von 2 bis 3, whrend die Dielektrizittskonstante von Wasser etwa 80 betrgt. Demzufolge hngt die Dielektrizittskonstante einer Boden-Wasser-Mischung stark von dem Vorliegen von Wasser
12、 ab. Das TDR- und TDT-Verfahren sind nicht die einzigen Verfahren, die sich auf den Einfluss von Wasser auf die Dielektrizittskonstante des Bodens beziehen. Das kapazitive Verfahren dient auch der indirekten Messung der Dielektrizittskonstante des Bodens. Das zugrunde liegende physikalische Prinzip
13、des kapazitiven Verfahrens unterscheidet sich geringfgig von dem Prinzip des TDR- und TDT-Verfahrens. Demzufolge fhrt eine Bestimmung der Bodenfeuchte nach dem kapazitiven Verfahren zu einer grundstzlich anderen Datenmenge als die Bestimmung der Bodenfeuchte nach dem TDR- oder TDT-Verfahren. Das TDR
14、- und TDT-Verfahren sollten nicht mit dem kapazitiven Verfahren oder mit anderen Verfahren, die dem kapazitiven Verfahren hnlich sind, verwechselt oder ihnen gleichgestellt werden. Die Merkmale, die das TDR- und TDT-Verfahren vom kapazitiven und hnlichen Verfahren unterscheiden, sind: a) dass das TD
15、R- und TDT-Verfahren auf der Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit beruhen und die kapazitiven Verfahren nicht; b) dass bei dem TDR- und TDT-Verfahren ein breiter kontinuierlicher Frequenzbereich und bei dem kapazitiven Verfahren eine einzelne Frequenz oder eine Anzahl einzelner Frequenzen verwend
16、et werden; c) dass die physikalische Gre von TDR- und TDT-Sonden grer sein muss als eine Wellenlnge hinsichtlich der hchsten verwendeten Frequenz, whrend die physikalische Gre eines kapazitiven Sensors gleich oder kleiner als die Wellenlnge hinsichtlich der hchsten verwendeten Frequenz ist. DIN 1974
17、5:2006-10 4 1 Anwendungsbereich Diese Norm legt zwei gleichartige Verfahren zur Bestimmung des volumetrischen Wassergehalts eines Bodens fest, Time-Domain-Reflectometry (TDR) und Time-Domain-Transmissometry (TDT). Diese Verfahren sind auf alle Bden und Bodenbereiche anwendbar, in denen TDR- und TDT-
18、Sonden eingesetzt werden knnen. Diese Verfahren sind nicht anwendbar auf Bden, in denen Steine, krftige Wurzeln oder sonstige Faktoren das Einbringen von TDR- und TDT-Sonden verhindern sowie auf Bden, die eine hohe volumenbezogene Leitfhigkeit haben (Salzbden). Diese Verfahren sind nicht fr Langzeit
19、versuche an quellenden oder schrumpfenden Bden geeignet. Diese Verfahren knnen nicht bei Temperaturen der Messprobe bei oder unter dem Gefrierpunkt angewendet werden. 2 Begriffe Fr die Anwendung dieses Dokuments gelten die folgenden Begriffe. 2.1 Trockenrohdichte des Bodens Verhltnis der Gesamtmasse
20、 an festen Bodenteilchen plus in der Bodenprobe enthaltenem trockenen organischen Material zum Rohvolumen dieser Bodenprobe 2.2 Wassergehalt als Volumenanteil volumetrischer Wassergehalt Verhltnis des Volumens an Wasser, das beim Trocknen einer Bodenprobe bei 105 C bis zur Masse-konstanz aus dieser
21、verdunstet, zum ursprnglichen Rohvolumen der Bodenprobe 2.3 Time-Domain-Reflectometry Untersuchung der elektromagnetischen Wellenformen in einem Zeitbereich, gemessen am Ende einer bertragungsleitung ANMERKUNG Diese Wellenformen sind das Ergebnis von Reflexionen, die von einem zu einem etwas frheren
22、 Zeitpunkt am selben Ende der bertragungsleitung zugefhrten Spannungsimpuls hervorgerufen wurden. 2.4 Time-Domain-Transmissometry Untersuchung der elektromagnetischen Wellenformen in einem Zeitbereich, gemessen am Ende einer bertragungsleitung ANMERKUNG Diese Wellenformen sind das Ergebnis der Trans
23、mission eines Spannungsimpulses, der zu einem etwas frheren Zeitpunkt am gegenberliegenden Ende der bertragungsleitung zugefhrt wurde. 2.5 Sonde Teil der bertragungsleitung, der eine Wechselwirkung zwischen dem zugehrigen elektromagnetischen Feld und der zu messenden Bodenprobe ermglicht 2.6 Laufzei
24、t Zeitabschnitt, den ein Spannungsimpuls zur Ausbreitung entlang der Sonde bentigt ANMERKUNG Bei dem TDR-Verfahren ist die Laufzeit die Zeit, die fr ein vollstndiges Durchlaufen der Sonde von der Eintrittstelle des Impulses zum gegenberliegenden Ende und zurck bentigt wird. Beim TDT-Verfahren ist di
25、e Laufzeit die Zeit, die fr ein Durchlaufen der Sonde in einer Richtung bentigt wird. DIN 19745:2006-10 5 2.7 Verhltnis von Wassergehalt zu Trockenmasse massebezogener Wassergehalt Verhltnis der Masse an Wasser, das beim Trocknen einer Bodenprobe bei 105 C bis zur Massekonstanz aus dieser verdunstet
26、, zur Trockenmasse der Bodenprobe 2.8 relative Dielektrizittskonstante Verhltnis der Dielektrizittskonstante eines Stoffes zur Dielektrizittskonstante des Vakuums 2.9 scheinbare relative Dielektrizittskonstante apparente Dielektrizittskonstante beobachtete oder gemessene relative Dielektrizittskonst
27、ante 3 Symbole und Abkrzungen c Geschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen im Vakuum (2,997 9 108m s1), in Meter je Sekunde cairGeschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen in Luft (2,996 3 108m s1), in Meter je Sekunde leelektrische Lnge der Sonde, in Meter lpphysikalische Lnge der Sonde, in
28、Meter Tairmgemessene Laufzeit in Luft, in Sekunden Tairttheoretische Laufzeit in Luft, in Sekunden Tmgemessene Laufzeit, in Sekunden TsLaufzeit im trockenen Boden, in Sekunden v Ausbreitungsgeschwindigkeit des Spannungsimpulses in der Sonde, in Meter je Sekunde w massebezogener Wassergehalt (gravime
29、trischer Wassergehalt), in Kilogramm je Kilogramm, 1 ascheinbare relative Dielektrizittskonstante, 1 rrelative Dielektrizittskonstante, 1 bsTrockenrohdichte des Bodens, in Kilogramm je Kubikmeter wDichte von Wasser (1 000 kg m3bei 3,98 C), in Kilogramm je Kubikmeter volumetrischer Wassergehalt, in K
30、ubikmeter je Kubikmeter, 1 4 Kurzbeschreibung 4.1 Allgemeines Das Prinzip des TDR- und TDT-Verfahrens zur Abschtzung der Bodenfeuchte beruht auf der Beobachtung, dass zwischen der gemessenen Laufzeit, Tm, eines Spannungsimpulses entlang einer Sonde und dem volumetrischen Wassergehalt, , eines Bodens
31、, in den die Sonde eingebracht wurde, ein fester reproduzier-barer Zusammenhang besteht. DIN 19745:2006-10 6 4.2 Theorie 4.2.1 Ableitung pmrlcT2= fr TDR (1) Die gemessene Laufzeit eines Spannungsimpulses entlang einer Sonde ist umgekehrt proportional zur Ausbreitungsgeschwindigkeit des Impulses. Die
32、 Ausbreitungsgeschwindigkeit ist ihrerseits umgekehrt proportional zur Quadratwurzel aus der relativen Dielektrizittskonstante des Bodens, r. Folglich ist die gemessene Laufzeit direkt proportional der Quadratwurzel aus der relativen Dielektrizittskonstante: pmrlcT2= fr TDR (2) Dabei ist c die Licht
33、geschwindigkeit im Vakuum; lpdie physikalische Lnge der Sonde. Der Faktor 2 im Nenner der Gleichung fr TDR ist notwendig, weil der Spannungsimpuls beim vollstndigen Durchlaufen der Sonde die Lnge der Sonde zweimal zurcklegt. Die Gleichungen (1) und (2) knnen umgeschrieben werden, indem im Fall von T
34、DR fr 2l/cair= Tairtund im Fall von TDT fr l/cair= Tairteingesetzt wird. airtmrTT= fr TDR (3) airtmrTT= fr TDT (4) 4.2.2 Umwandlungsfunktion Der Zusammenhang zwischen Tmund kann etwas vereinfacht werden, indem Tmdurch Tairtdividiert wird. Die graphische Darstellung dieses Verhltnisses sollte Bild 1
35、hnlich sein. Wenn ein Bodentyp kalibriert ist, wird unabhngig bestimmt (mit einem anderen Verfahren als TDR oder TDT, nach dem der volumetrische Wassergehalt bestimmt wird) und Tmwird mit einem TDR-Messgert gemessen. Tmwird durch Tairtdividiert und der Datenpunkt (, Tm/Tairt) wird auf Bild 1 eingetr
36、agen. So wird mit vielen Proben eines Bodentyps verfahren, von denen jede einen eindeutigen hat. Nachdem smtliche Datenpunkte auf Bild 1 eingetragen sind, kann zur Anpassung der Analysenkurve an die Daten eine Regressionsanalyse durchgefhrt werden. Diese Kurve wird Umwandlungsfunktion genannt. Eine
37、derartige Umwandlungsfunktion kann fr jede Kombination von Sonde und zu untersuchendem Bodentyp erhalten werden. Bei vielen nichttonhaltigen und/oder nicht leitenden Bodentypen ist die Umwandlungsfunktion streng linear. Bei einigen Bodentypen ist die Umwandlungsfunktion jedoch nicht linear. Fr jede
38、Kombination von Sonde und Bodentyp sollte eine Kalibrierung durchgefhrt werden, um die zuverlssigsten Ergebnisse zu erhalten. In Anhang A ist eine Liste von ausgewhlten Umwandlungsfunktionen angefhrt. DIN 19745:2006-10 7 Legende 1 Zwei-Phasen-Modell 2 Drei-Phasen-Modell Y volumetrischer Wassergehalt
39、 ANMERKUNG 1 Die gestrichelte Linie in Bild 1 stellt den Zusammenhang zwischen Tmund fr eine Luft-/ Wassermischung (Zwei-Phasen-Modell) dar. Die Volllinie in Bild 1 stellt den Zusammenhang zwischen Tmund fr eine Boden-/Luft-/Wassermischung (Drei-Phasen-Modell) dar. Obwohl die Volllinie als eine Gera
40、de gezeichnet ist, kann sie in der Praxis nichtlinear sein, abhngig vom Boden- und Sondentyp. Wenn in einem Drei-Phasen-Modell die gesamte Luft durch Wasser ersetzt wurde, kann der Wassergehalt nicht weiter ansteigen. Demzufolge ist das Drei-Phasen-Modell nur bis zu einem Wassergehalt gltig, der der
41、 Porositt des Bodens entspricht. Bei diesem Bild wird willkrlich angenommen, dass die Porositt des Bodens 0,5 betrgt. Das Zwei-Phasen-Modell kann keinen realen Boden beschreiben. Es ist hier enthalten, weil es bei der Kalibrierung von Sonden von Bedeutung ist. ANMERKUNG 2 Der Schnittpunkt der Vollli
42、nie in Bild 1 mit der Tm/Tairt-Achse stellt die Gre Ts/Tairtdar. Ts/Tairtist eine vom Boden abhngige Gre. Bild 1 Zusammenhang zwischen volumetrischem Wassergehalt und der normierten gemessenen Laufzeit DIN 19745:2006-10 8 5 Messeinrichtung 5.1 Messgert Es ist ein handelsbliches TDR- oder TDT-Gert zu
43、 verwenden. Die verwendeten Gerte mssen zur Messung von Zeitabschnitten zeitkalibriert sein. Um Messergebnisse manuell zu prfen und zu korrigieren mssen TDR- bzw. TDT-Gerte in der Lage sein, den reflektierten Impuls als Antwortfunktion auf den anregenden Impuls grafisch wiederzugeben. Bezglich der A
44、nwendung des Gertes ist die Gebrauchs-anweisung heranzuziehen. ANMERKUNG Empfohlen wird ein Gert mit Anzeige der apparenten Dielektrizittskonstanten. 5.2 Sonde Es gibt mehrere Typen von TDR- und TDT-Sonden. Einige bliche Sondentypen sind Sonden, die aus 2 oder 3 Stben bestehen, ummantelte Sonden und
45、 Sonden, die Schaltdioden enthalten. Innerhalb dieser Typen knnen verschiedene physikalische Gren und geometrische Formen vorhanden sein. Jede dieser Sonden ist dafr ausgelegt, in einem bestimmten Bereich von Bodenbedingungen zu funktionieren. Einige Sonden-typen haben lineare Ansprechempfindlichkei
46、ten, whrend andere Sondentypen (zum Beispiel ummantelte Sonden) nichtlineare Ansprechempfindlichkeiten haben. Zum Erwerb des fr die Messbedingungen geeignetsten Sondentyps ist die Gebrauchsanweisung heranzuziehen. 6 Messverfahren 6.1 Durchfhrung 6.1.1 Bestimmung der volumenbezogenen Leitfhigkeit von
47、 Boden Der Zweck der Bestimmung der volumenbezogenen Leitfhigkeit des Bodens besteht darin, die Anwendbarkeit dieser Norm auf den zu untersuchenden Boden festzustellen. Diese Norm ist nicht anwendbar auf Bden mit einer hohen volumenbezogenen Leitfhigkeit. Wenn das zur Bestimmung der Bodenfeuchte ver
48、wendete Gert den Zugang zu den TDR- und TDT-Wellenformen ermglicht, dann sollten die Signalamplitude und Anstiegszeit dieser Wellenformen untersucht werden. Eine hohe volumenbezogene Leitfhigkeit des Bodens fhrt zu einer kleinen Signalamplitude und groen Signalanstiegszeiten. Wenn die Signalanstiegs
49、zeit mehr als 5 ns betrgt, hat der Boden wahrscheinlich eine solche Leitfhigkeit, dass die Anwendung des in dieser Norm beschriebenen Verfahrens zu fehlerhaften Ergebnissen hinsichtlich der Feuchte fhren wird. Wenn das zur Bestimmung der Bodenfeuchte verwendete Gert keinen Zugang zu den TDR- und TDT-Wellenformen ermglicht, dann sollte eine direkte Messung der Leitf
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