bedienungsanleitung - ugt-online.de · ein übliches tensionsinfiltrometer, das unabhängig vom...

Umwelt-Geräte-Technik GmbH • Email: [email protected] • Web: www.ugt-online.de

Müncheberg • Freising • Homécourt

Bedienungsanleitung Version: 30/01/12

Haubeninfiltrometer

IL 2700

Umwelt-Geräte-Technik GmbH • Email: [email protected] • Web: www.ugt-online.de Seite 2 von 30


Inhalt

Abkürzungsliste ........................................................................................................................... 3

1. Einleitung ................................................................................................................................ 4

2. Theoretische Grundlagen......................................................................................................... 5

3. Methodik der Versuchsdurchführung....................................................................................... 6

3.1. Infiltrationsversuche mit unterschiedlicher Wasserspannung .................................... 6

3.2. Infiltrationsversuche mit gleicher Wasserspannung ................................................... 7

4. Aufbau und Funktion des Haubeninfiltrometers ....................................................................... 8

5. Versuchsdurchführung .......................................................................................................... 10

5.1. Vorbereitung des Haubeninfiltrometers .................................................................... 10

5.2. Aufstellen des Haubeninfiltrometers ......................................................................... 10

5.3. Befüllen der Haube .................................................................................................... 11

5.4. Wahl der wirksamen Wasserspannung ..................................................................... 11

5.5. Messen der Infiltrationsrate ...................................................................................... 12

5.6. Luftdurchtrittspunkt (LDP) des Bodens ...................................................................... 12

5.7. Bodentensiometer ..................................................................................................... 13

6. Infiltrationsmessung mit dem Tensionsinfiltrometer .............................................................. 13

7. Berechnung der hydraulischen Leitfähigkeit ........................................................................... 14

8. Micrologger IL-2700 ............................................................................................................... 15

8.1. Funktion ..................................................................................................................... 15

8.2. Technische Daten ....................................................................................................... 15

8.3. Allgemeine Hinweise zur Bedienung .......................................................................... 16

8.4. Messung ..................................................................................................................... 17

8.5. Hinweise zur Konfiguration der Messung .................................................................. 17

8.6. Kalibrierung ................................................................................................................ 18

8.7. Festlegen des Messintervalls/Beginn einer Messung ................................................ 18

8.8. Optionsmenü .............................................................................................................. 19

8.9. Menüstruktur ............................................................................................................. 19

9. Software IL2700 GUI .............................................................................................................. 25

9.1. Auslesen der Daten .................................................................................................... 26

10. Hinweise ......................................................................................................................... 29

11. Literatur ......................................................................................................................... 30



Abkürzungsliste

a Radius des kreisförmigen Quellbereiches [L]

F Quellbereich der Infiltration [L2]

h Hydraulische Druckhöhe [L]

Hk Höhe der Infiltrations Kammer [L]

Hs Wasserstand im Standrohr [L]

kf Gesättigte hydraulische Leitfähigkeit [L/T]

ku Hydraulische Leitfähigkeit [L/T]

LDP Luftdurchtrittspunkt [L]

Q stationäre Strömung [V/T]

q Verhältnis zweier Quellflächen -

rs Effektiver Radius des Infiltrationsbereiches [L]

T Eintauchtiefe der Luftzuleitung [L]

t Zeit [T]

Us Negativer Druck am U-Rohr-Manometer [L]

Us(le) Wasserstand im linken Teil des U-Rohr-Manometers [L]

Us(ri) Wasserstand im rechten Teil des U-Rohr-Manometers [L]

Usmax Maximaler Druck des U-Rohr-Manometers [L]

vB Infiltrationsrate in den Boden [L/T]

Z Wasserstand im Infiltrationsgefäß [L]

α Gardner Koeffizient [L-1]

π Zahl pi -



1. Einleitung

Mit dem Haubeninfiltrometer (siehe Abb. 1) wird im nahe gesättigten Bereich die hydraulische Leitfähigkeit von Böden im Feldversuch gemessen. Die Infiltration erfolgt aus einer auf den Boden gesetzten geschlossenen Haube, die mit Wasser gefüllt ist. Die vom Wasser bedeckte, kreisförmige Bodenoberfläche unter der Haube bildet die Quellfläche für den Infiltrationsfluss. Auf der Meßfläche ist keine zusätzliche Kontaktschicht und keine Präparation der Bodenoberfläche erforderlich. Lediglich die Bodenvegetation muss kurz genug gestutzt werden um die Haube nicht zu beeinflussen.

Die hydraulische Druckhöhe unter der Haube wird über eine Mariotte`sche Wasserzuführung gesteuert. Die wirksame Druckhöhe an der Bodenoberfläche kann zwischen Null und einem Unterdruck bis zum Luftdurchtrittspunkt des Bodens frei gewählt werden. Über das zugehörige U-Rohrmanometer wird diese Druckhöhe exakt gemessen.

Ein zusätzliches Bodentensiometer erfasst die Wasserspannung in einer definierten Bodentiefe und erlaubt damit die exakte Bestimmung des hydraulischen Gradienten für die aktuelle Wasserbewegung.

Die Berechnung der hydraulischen Leitfähigkeit erfolgt zweckmäßig aus den im Versuchslauf ermittelten stationären Fließraten nach WOODING (1968) (siehe Kapitel

2 und 7).

Für die Infiltrationsversuche stehen zwei Hauben mit einem Verhältnis der Infiltrationsflächen von etwa 1:2 zur Verfügung.

Eine zusätzliche Infiltrationskammer bildet mit der Mariotte`schen Wasserzuführung ein übliches Tensionsinfiltrometer, das unabhängig vom Luftdurchtrittspunkt des Bodens Infiltrationsversuche bis zu einer Wasserspannung von etwa 60 hPa gestattet (siehe

Kapitel 6).

Die Messdaten für die Fließrate können zusätzlich mit einem Drucksensor und dem Micrologger IL-2700 erfasst und mit der Software IL-2700 in einen PC eingelesen und ausgewertet werden (siehe Kapitel 8 und 9).

Abbildung 1 HaubeninfiltrometerIL-2700 in Messposition.



2. Theoretische Grundlagen

Für die Berechnung der hydraulischen Leitfähigkeit ku als Funktion der Wasserspannung h

kann für Infiltrometermessungen im nahe gesättigten Bereich die k-Funktion zweckmäßig

nach GARDNER (1958) beschrieben werden:

).( h

fu ekk (1)

kf - gesättigte hydraulische Leitfähigkeit

h - hydraulische Druckhöhe (pos. im Überdruckbereich)

α - Gardner-Koeffizient

Mit diesem Ansatz ist eine analytische Lösung für zahlreiche zwei- und dreidimensionale

Fließprozesse möglich. Auf dieser Basis erfolgt in der Regel die Versuchsauswertung für die

gebräuchlichen Infiltrometeranordnungen.

Nach WOODING (1968) gilt danach für den stationären Fluss Q (Volumen/Zeit) von einer

kreisförmigen Infiltrationsfläche (Radius a) in den unbegrenzten homogenen Boden:

)4

1(2

akaQ u

(2)

Zur experimentellen Bestimmung von kf und α kann der Infiltrationsversuch mit

unterschiedlichen Wasserspannungen (hydraulischen Druckhöhen) ausgeführt werden oder

bei gleicher Wasserspannung wird die Infiltration aus Quellflächen mit unterschiedlichen

Radien gespeist (siehe Kapitel 3). Die Infiltration aus unterschiedlichen Quellflächen ist jedoch nur

bei weitgehend homogenen Böden sinnvoll.



3. Methodik der Versuchsdurchführung

3.1. Infiltrationsversuche mit unterschiedlicher Wasserspannung

Das Haubeninfiltrometer gestattet den Infiltrationsversuch bei unterschiedlichen Wasserspannungen bis zum Luftdurchtrittspunkt des Bodens unter der Infiltrationshaube (Radius a). Für benachbarte Werte der gewählten Wasserspannungen (h1, h2) gilt jeweils nach (1, 2):

)4

1(1

2

1

aek

a

Q h

f

(3)

)4

1(2

2

2

aek

a

Q h

f

(4)

Durch Division erhält man:

)(

)ln(

21

2

1

hh

Q

Q

(h1, h2 < 0) (5)

und für die hydraulischen Leitfähigkeiten:

)4

1(

)(2

1

1

a

a

Q

hk

(6)

)4

1(

)(2

2

2

a

a

Q

hk

(7)

Der Infiltrationsversuch mit Wasserspannungen unterhalb des Luftdurchtrittspunktes des Bodens kann mit dem Tensionsinfiltrometer ausgeführt werden. Dabei ist der Einfluss des Kontaktmaterials zwischen Boden und Tensionskammer zu beachten, da hierbei die „Reihenschaltung“ aus dem Kontaktmaterial und dem Boden wirksam ist.



3.2. Infiltrationsversuche mit gleicher Wasserspannung

Bei der Infiltration mit gleicher Wasserspannung aus Infiltrationshauben mit unterschiedlichen Radien gilt für die entsprechenden Fließraten:

)4

1(

)(

1

2

1

1

a

a

Q

hk

(8)

)4

1(

)(

2

2

2

2

a

a

Q

hk

(9)

Wählt man die Quellflächen in einem Verhältnis (10) erhält man:

12 FqF 2aF

(10)

)1(

)1(4

2

11

2

1

Q

Qqa

Q

Qq

(11)

Für einen unbekannten Boden können damit kf und α aus (11), (8) und (1) ermittelt

werden. Da unterschiedliche Bodenbereiche in den einzelnen Versuchsläufen wirksam sind, führen Inhomogenitäten im Boden teilweise zu ungültigen Ergebnissen. Bei dieser Versuchsführung sollte die Gleichung (11) nur für repräsentative Mittelwerte der Infiltrationsraten der jeweiligen Infiltrationshauben verwendet werden.



4. Aufbau und Funktion des Haubeninfiltrometers

Eine Haube [2] mit kreisförmiger Grundfläche steht auf der Bodenoberfläche. Der Raum unter der Haube ist mit Wasser gefüllt, wobei die hydraulische Druckhöhe über eine Mariotte`sche Wasserzuführung [5, 6, 7] geregelt wird. Der Rand der Haube ist gegenüber dem Boden bis zu einem Begrenzungsring [1] mit wassergesättigtem Feinsand abgedichtet (siehe Abb. 2). Diese Dichtung ist nur bei Unterdruck im Wasservolumen unter der Haube wirksam. Der Unterdruck kann von Null bis zum Luftdurchtrittspunkt des Bodens geregelt werden. Auf der Messfläche bleibt das Porensystem des Bodens vollkommen ungestört.

Bei der Einrichtung der Versuchsanordnung wird zunächst ein Puffergefäß [3] unter der Haube kontrolliert mit Wasser gefüllt. Bei Überlauf des Puffergefäßes beginnt die Infiltration in den Boden und das Volumen unter der Haube wird mit Wasser gefüllt. Die eingeschlossene Luft wird dabei über die Entlüftungsleitung [10] in das Luftvolumen der Infiltrationssäule [5] geleitet.

Achtung! Bei instabilen Böden oder strukturlosen Sanden sollte die Bodenfläche unter dem Puffergefäß mit einem aufgelegten Tuch gegen Ausspülungen geschützt werden.

Nach Schließen der Entlüftungsleitung [V2, V3] bleibt das Wasservolumen unter der Haube konstant. Der Infiltrationsfluss wird nur noch aus dem Infiltrationsgefäß der Mariotte`schen Wasserzuführung geliefert und kann an einer Skala über die Füllhöhe ermittelt werden bzw. mit dem Micrologger IL-2700 aufgezeichnet werden.

Die wirksame hydraulische Druckhöhe an der Bodenoberfläche wird aus der Wasserspiegelhöhe im Steigröhrchen [4] und dem Unterdruck am U-Rohr Manometer [8] ermittelt. Der Nullpunkt der Skala am Steigröhrchen liegt dafür in Höhe der Bodenoberfläche an der Unterkante der Haube.

Achtung! Die Unterkante der Haube muss für eine exakte Messung der Wasserspannung in Bodenhöhe liegen. Bei instabilen Böden muss die Auflage der Haube zusätzlich gesichert sein (Ring mit Auflage).



Abbildung 2: Schematischer Aufbau des Haubeninfiltrometers

1 Feinsandabdichtung 2 Kunststoffhaube 3 Puffergefäß 4 Steigröhrchen 5 Infiltrationsgefäß 6 Blasenturm 7 Belüftungsröhrchen 8 U-Rohr Manometer 9 Verbindungsschlauch 1 10 Entlüftungsleitung 11 Verbindungsschlauch 2 12 Standfüße

B Füllhöhe des Blasenturmes Hk Abstand zwischen Bodenoberfläche und Luftauslass Hs Wasserspiegelhöhe im Steigröhrchen I Maximale Füllhöhe des Infiltrationsgefäßes K Hahn zur Absperrung des Pipettierballs P Pipettierball T Eintauchtiefe des Belüftungsröhrchens Us Höhenunterschied in U-Rohr Manometer V1 Hahn zum Trennen der Wasservolumina V2 Hahn zum Trennen der Luftvolumina V3 Hahn für Druckanpassung Z Füllhöhe



5. Versuchsdurchführung

5.1. Vorbereitung des Haubeninfiltrometers

Für den Aufbau des Haubeninfiltrometers muss beachtet werden, dass es nur auf waagerechten Messplätzen korrekt arbeiten kann.

Als erstes die Füße (siehe Abb. 2 [12]) in die Grundplatte des Infiltrometers einschrauben und den Turm damit senkrecht ausrichten. Blasenturm *6+ bis zur Markierung „B“ füllen. Dazu Belüftungsrohr [7] herausziehen und Trichter einsetzen. Hahn “V1“ schließen und Infiltrationssäule bis zur Markierung „I“ füllen und anschließend mit Stopfen verschließen. Bei Verwendung eines Haubeninfiltrometers IL2700 mit Drucksensor und Datenerfassung mit dem Micrologger wird empfohlen den Drucksensor vor dem Versuch zu kalibrieren. Hierfür sollte das Füllen des Infiltrationsgefäßes als letzter Schritt durchgeführt werden und der Kalibriervorgang ist im Micrologger bereits vor dem Füllen des Infiltrationsgefäßes zu starten. Mehr Informationen hierzu finden sie im Kapitel „8.6 Kalibrierung“.

Die Haube über den Verbindungsschlauch 2 [11] und den Entlüftungsschlauch [10] an das Infiltrationsgefäß anschließen und sicherstellen, dass die Hähne “V2“ und “V3“ geschlossen sind. Das U-Rohrmanometer über den Verbindungsschlauch 1 [9] an das obere Ende des Steigröhrchens anschließen und wenn nötig bis zur Nullmarke der Skale auffüllen.

5.2. Aufstellen des Haubeninfiltrometers

Für das Aufstellen der Haube sollte eine möglichst waagerechte Messfläche ausgewählt und die Vegetation, falls nötig, auf ca. 5 mm gekürzt werden. Den Begrenzungsring auf den Boden setzen und vorsichtig, gleichmäßig einige Milimeter eindrücken (siehe Abb. 3). Anschließend die Haube zentriert in den Begrenzungsring stellen.

Das Infiltrationsgefäß in der gewünschten Position aufstellen und mittels der Klemmschrauben an den Füßen senkrecht ausrichten. Der Verbindungsschlauch [11] sollte in einem Bogen mit Gefälle verlaufen. Den Spalt zwischen Haube und Begrenzungsring [1] mit Feinsand füllen (siehe Abb. 4) und diesen mit der Spritzflasche anfeuchten.

Abbildung 3

Abbildung 4

Installation der Haube. Gekürzte Vegetation und Befüllen des Begrenzungsrings.



5.3. Befüllen der Haube

Die Eintauchtiefe „T“ des Belüftungsrohres etwa 2 cm größer als die Kammerhöhe „Hk“ wählen. So wird die hydraulische Druckhöhe „Null“ knapp unterhalb der Bodenoberfläche wirksam.

Hahn „V1“ langsam öffnen. Dadurch füllt sich das Puffergefäß [3]. Der Verbindungsschlauch 2 sollte während dieses Vorganges komplett entlüftet werden. Eventuell zurückbleibende Luftblasen können durch bewegen des Schlauches und kurzes anheben und ankippen des Infiltrationsgefäßes entfernt werden, solang darauf geachtet wird, dass sich die Haube dabei nicht bewegt.

Das Wasser im Infiltrationsgefäß gerät dabei unter Unterdruck. Sofern das System dicht ist wird das Puffergefäß nicht überlaufen. Falls das Puffergefäß doch überlaufen sollte überprüfen sie, dass alle Hähne geschlossen sind und keine der 2 Dichtungen an den Anschlussstellen des Verbindungsschlauches 2, sowie die Dichtung der Schraubmuffe am Belüftungsröhrchen fehlen oder beschädigt sind.

Hahn “K“ öffnen und aus dem Verbindungsschlauch 1 [9] Luft absaugen (Pipettierball), bis der Wasserspiegel im Standrohr *4+ etwa auf Skalenmitte steht. Hahn “K“ danach wieder schließen und geschlossen halten.

Das Entlüftungsventil „V2“ langsam öffnen. Der Raum unter der Haube gelangt dabei auf Unterdruck und lässt das Wasser aus dem Puffergefäß überlaufen. Die Füllung der Haube hat begonnen

Bei Erreichen der Füllmarke an der Haube Entlüftungsventil „V2“ schließen. Der Infiltrationsstrom erhöht nun den Unterdruck bis zum Einsetzen der Belüftung der Mariotte`schen Wasserzuführung. Nach Einsetzen der Belüftung bleibt der Unterdruck unter der Haube konstant. Er wird durch die Eintauchtiefe „T“ des Belüftungsrohres bestimmt und geregelt. Bei geringer Infiltration in den Boden reicht der sich in der Haube bildende Unterdruck evt. nicht aus. In diesem Fall kann über „V3“ Luft abgesaugt werden um den gewünschten Unterdruck zu halten.

Der Unterdruck Us am U-Rohrmanometer soll stets größer sein als der Wasserstand Hs an der Skala am Steigröhrchen.

5.4. Wahl der wirksamen Wasserspannung

Die wirksame Wasserspannung auf der Bodenoberfläche wird unabhängig von der Regelung direkt aus der Wasserspiegelhöhe „Hs“ am Standrohr und dem Unterdruck „Us“ am U-Rohrmanometer 8 ermittelt.

ss UHh ( h< 0 !! ) (13)

Ein Versuchsstart sollte stets mit der Wasserspannung „Null“ erfolgen, um die gesättigte hydraulische Leitfähigkeit zu erfassen.

Der Skalenwert an der Haube (Hs) sowie die Skalenwerte der beiden Schenkel des U-Rohrmanometers (Us) sollten protokolliert werden. (siehe Tabelle 1)



5.5. Messen der Infiltrationsrate

Nach Wahl der Wasserspannung wird am Infiltrationsgefäß die Auslaufrate „ΔZ/Δt“ (cm/s) gemessen. Hierzu wird die Füllhöhe Z als Funktion der Zeit aufgezeichnet (möglichst ΔZ > 1cm).

Für die Erfassung der Messdaten ist das Führen eines Protokolles nach Tabelle 1 zweckmäßig:

Infiltrationsgefäß U – Rohr1) Haube

Zeit Z (Scala) Z / t Us(li) Us(re) Hs h

min:s cm cm/s cm cm cm cm

Tabelle 1 : Tabellenkopf zur Datenaufzeichnung

1) Us = Us(li) + Us(re) (linker/rechter Schenkel des U-Rohr Manometers)

Zusätzlich zur manuellen Erfassung der Messdaten kann die Datenaufzeichnung der Auslaufrate mit dem Micrologger IL-2700 (siehe Kapitel 8) digital erfolgen.

Ein Infiltrationslauf ist bis zum Erreichen des stationären Endwertes der Infiltrationsrate zu führen. Je nach Bodenart ist dafür die Infiltration bis zu einer halben Säulenfüllung erforderlich.

Nach jedem Infiltrationslauf ist die Wasserspannung schrittweise zu erhöhen (Δh 1 - 2 cm) bis zum Luftdurchtrittspunkt des Bodens. Bei jedem Schritt ist die stationäre Infiltrationsrate zu ermitteln. Diese wird aus der ermittelten stationären Auslaufrate A über das Verhältnis der Querschnittsflächen Infiltrationsgefäß zu Haube berechnet (siehe

Kapitel 7).

5.6. Luftdurchtrittspunkt (LDP) des Bodens

Für die Ermittlung des Luftdurchtrittspunktes des Bodens den Hahn „V1“ schließen und den Druckanstieg am U-Rohrmanometer beobachten.

Das Maximum von Us ermitteln.

maxSS UHLDP ( LDP < 0 ) (14)



5.7. Bodentensiometer

Im Infiltrationsversuch erfolgt die Wasserbewegung unter dem Einfluss der Gravitation und des Matrixpotentials. Bei Erreichen der stationären Fließbedingungen ist der Einfluss des Matrixpotentials weitgehend abgeklungen, da sich die Infiltrationsfront in großer Bodentiefe bewegt. Die Infiltration erfolgt weitgehend nur noch unter dem Einfluss der Gravitation.

Der Einheitsgradient von 1cmWS/cm bildet sich jedoch nur bei homogener Verteilung der ku-Funktion über der Infiltrationsstrecke aus. Bei geschichteten Böden wird die Fließgeschwindigkeit durch die Schicht mit der kleinsten hydraulischen Leitfähigkeit und den sich darüber bildenden Überstau bestimmt. Da die Fließrate über der Bodentiefe konstant ist („Reihenschaltung“) bildet sich über den einzelnen Bodenschichten der dem jeweiligen k-Wert entsprechende Gradient aus.

Für die oberflächennahe Bodenschicht kann der wirksame Gradient ermittelt werden, wenn vor der unteren Schichtgrenze die wirksame Wasserspannung erfasst wird. Dafür können zusätzlich bis zu drei Bodentensiometer in geringer Tiefe installiert. Die Bodentensiometer, so wie der dazugehörige Begrenzungsring mit Führungsvorrichtung sind bei der UGT-GmbH erhältlich.

6. Infiltrationsmessung mit dem Tensionsinfiltrometer

Für die Bestimmung einer repräsentativen ku-Funktion ist eine Versuchsführung mit dem Haubeninfiltrometer zwischen der Wasserspannung „Null“ (kf-Wert) und dem Luftdurchtrittspunkt des Bodens vorteilhaft. Die hier wirksamen Grob- und Makroporen werden dabei nicht deformiert oder zugeschwemmt.

Ab dem Luftdurchtrittspunkt muss mit dem Tensionsinfiltrometer gemessen werden. Der Feinsand der Kontaktschicht muss dabei so gewählt werden, dass seine hydraulische Leitfähigkeit stets größer als die des untersuchten Bodens ist.

Zum Aufbau die Tensionskammer über die Verbindungsschläuche [11] und [9] mit dem Infiltrationsgefäß und dem U-Rohrmanometer verbinden. Darauf achten, dass Hahn „V2“ geschlossen ist. Die Entlüftungsleitung [10] entfällt beim Tensionsinfiltrometer.

Die gewünschte Messstelle muss geglättet werden. Anschließend den Begrenzungsring auf die Messfläche setzen und ca. 2 mm hoch mit Feinsand füllen. Danach die mit Feinsand aufgefüllte Messfläche mit einer wasserundurchlässigen Folie abdecken und die Tensionskammer glatt auf die Folie setzen. Die Eintauchtiefe des Belüftungsrohres „T“ etwas größer als die Kammerhöhe „Hk“ wählen. Die Tensionskammer durch öffnen des Hahnes „V1“ füllen und über den Verbindungsschlauch *9+ Luft absaugen bis der Wasserspeigel im Steigröhrchen [4] etwa auf Skalenmitte steht.

Zum Starten des Infiltrationsflusses die Kammer leicht anheben und die Folie entfernen. Beim zurücksetzen der Kammer auf die Meßfläche durch leichte Drehungen einen guten Kontakt mit dem Feinsand herstellen.



Anschließend verläuft die Messung so wie auch die Messung mit der Haube. Sobald die Belüftung der Mariotte`schen Wasserzuführung einsetzt, wird die über die Eintauchtiefe „T“ eingestellte wirksame Wasserspannung nach Gl. (11) an der Bodenoberfläche wirksam. Die Auslaufrate „ΔZ/Δt“ (cm/s) wird am Infiltrationsgefäß gemessen, bis die Stationäre Infiltrationsrate für Wasserspannung h1 ermittelt ist. Anschließend die Wasserspannung durch Variation der Eintauchtiefe verändern und die stationäre Infiltrationsrate für h2 ermitteln.

7. Berechnung der hydraulischen Leitfähigkeit

Im Versuchslauf wird der stationäre Endwert der Auslaufrate ΔZ/Δt am Infiltrationsgefäß bei der jeweils gewählten Wasserspannung h ermittelt. In Gleichung (12) ist die entsprechende Infiltrationsrate im Boden vB einzusetzen. Es gilt (mit rs = effektiver Radius Infiltrationsgefäß):

t

ZraQ SB

22 (15)

Der Faktor q ist das Verhältnis der Querschnittsflächen vom Infiltrationsgefäß und den jeweils wirksamen Infiltrationsflächen an der Bodenoberfläche (siehe Tabelle 2).

In Gleichung (10) gilt für das Verhältnis der Infiltrationsraten bei unterschiedlichen Wasserspannungen:

tZ

tZ

Q

Q

2

1

2

1 (17)

Tabelle 2 Geräte- und Berechnungsparameter

Als Infiltrationsflächen in Tabelle 2 sind die Flächen innerhalb der Begrenzungsringe angesetzt, da der Sand zwischen Ring und Haube meist eine hohe Leitfähigkeit besitzt.

t

Zq

t

Z

a

r

a

Q SB

2

2

2

(16)

Radien der Infiltrationsflächen

(Begrenzungsringe)

Infiltrationsflächen am

Boden

Querschnitt

Infiltrationsgefäß

Haube (klein) a1 = 8,8 cm F1 = 240 cm² Fi = 75,1 cm²

Haube (groß) a2 = 12,4 cm F2 = 483 cm²

Tensionskammer a = 12,4 cm F = 483 cm²

Fi / F1 (kl. Haube) q1 = 0,313

Fi / F2 (gr. Haube) q2 = 0,156

Fi / F (Tensionskammer) q = 0,156



8. Micrologger IL-2700

8.1. Funktion

Mit dem UGT-Micrologger IL-2700 werden die Auslaufraten aus dem Infiltrationsgefäß „ΔZ/Δt“ bei unterschiedlichen Wasserspannungen an einem Messpunkt erfasst (Messreihe). Es können bis zu 8 Tensionsstufen aufgezeichnet werden.

8.2. Technische Daten

Sensor Differenzdrucksensor 0 - 70mbar

Prozessanschluss Infiltrationsgefäß und Schlauchverbindung

Messbereiche +/- 700mmWS

Datensicherung Speicherkapazität 8000 Datensätze, 24 Bit

Abtastintervall wählbar von 1s bis 10h

Datenübertragung seriell RS 232, 57600 Baud

Anzeige LCD-Punktmatrix-Anzeige, 2 Zeilen à 8 Zeichen mit Tastatur

Versorgungsspannung 9V Blockbatterie

Der UGT-Micrologger IL-2700 besitzt zwei Schnittstellen:

Eingang "IN" für das Sensor-Datenkabel (Buchse linke Seite) und Ausgang "RS 232" für das Datenkabel "PC (Buchse rechte Seite) (siehe Abb. 5).



Abbildung 5

Micro-Logger IL-2700

8.3. Allgemeine Hinweise zur Bedienung

Die vollständige Beschreibung der Menüstruktur und Funktionen des Handgerätes ist in der graphischen Darstellung im Unterkapitel „8.8 Menüstruktur“, sowie auf den beigefügten laminierten Handzetteln zu finden.

Im Rahmen der Menüführung wird generell die „Start“-Taste im Sinne einer „Enter-Taste“ und die „On“-Taste im Sinne von „Escape“ verwendet. Damit führt die „Start“-Taste jeweils in die nächsttiefere Menüebene und die „On“-Taste zurück in die nächsthöhere Menüebene. Die Funktion der „Step“-Taste entspricht der der Pfeiltaste nach unten und dient der Auswahl des Menüpunktes.

In den Menüs zur Eingabe des Messintervalls und der Tension lassen sich die Werte durch längeres gedrückt halten (1 sec) der „Step“-Taste um 10 erhöhen und durch längeres Drücken der On-Taste auf 0 setzen.

Prinzipiell kann der Datenlogger auch direkt am Messplatz ausgelesen werden z.B. mit einem Laptop, etwa um die Messergebnisse zu prüfen. Es wird jedoch empfohlen während der Messung das Verbindungskabel zwischen Handgerät und Computer zu entfernen, um Störungen der Messung zu vermeiden.

IN RS 232 (zum PC)



8.4. Messung

Die Aufzeichnung der Daten erfolgt nach Messplätzen und der gewählten Tension. Im Menü stehen 10 Messplätze mit jeweils 8 Speicherplätzen für Tensionen zur Verfügung. So kann bei der späteren Auswertung leicht nachvollzogen werden, welche Datenreihen wo und unter welchen Bedingungen aufgenommen wurden. Der gewünschte Messplatz wird im Haupt- bzw. Messplatzmenü ausgewählt. Im darauffolgenden Untermenü kann man entscheiden, ob man den Messplatz verwendet oder löscht.

Anschließend wird auf die gleiche Weise der Speicherplatz für eine Tension ausgewählt. Im entsprechenden Untermenü befindet sich dann zusätzlich der Menüpunkt „Kalibrieren“. Bevor man nun das Messintervall und die Tension für die Messung konfigurieren kann, wird vom Programm geprüft, ob der Speicherplatz bereits verwendet wurde und ob eine vollständige Kalibrierung stattgefunden hat. Ist dies nicht der Fall, wird eine entsprechende Meldung im Display angezeigt. Sollte der Speicherplatz belegt sein, kann man entscheiden einen anderen Speicherplatz zu wählen oder den aktuell gewählten zu löschen. Im Falle einer unvollständigen Kalibrierung folgen sie bitte den Anweisungen im Unterkapitel „8.6 Kalibrierung" auf Seite 18 dieser Bedienungsanleitung.

In den nächsten beiden Schritten wird erst das Messintervall und danach die verwendete Tension eingestellt. Anschließend beginnt die eigentliche Messung. Maximal können 100 Messwerte pro Versuchslauf aufgezeichnet werden. Ab dem Erreichen einer konstanten Fließrate wird jedoch nur noch die voreingestellte Anzahl an Messwerten aufgezeichnet (nähere Informationen siehe „8.5 Hinweise zur Konfiguration der Messung“). Danach ist die Messung beendet und man gelangt automatisch wieder in das Menü zur Auswahl eines Speicherplatzes für eine Tension. Der Zustand der stationären Infiltration wird durch ein Wellensymbol am rechten Ende der oberen Zeile gekennzeichnet.

Während einer Messung kann man durch längeres Drücken (1 sec) der „Start“-Taste die Messung abbrechen. Da durch die Unterbrechung der Messung die Konstanz der Fließrate nicht mehr konsistent geprüft werden kann sollte man Messungen immer abbrechen, wenn eine Messung verzögert wird (Zum Beispiel Nachfüllen des Infiltrationsgefäßes). Man erhält sozusagen eine zweigeteilte Datenreihe.

8.5. Hinweise zur Konfiguration der Messung

Das Konfigurationsmenü findet sich unter dem Menüpunkt Optionen. In den entsprechenden Untermenüs kann festgelegt werden über wie viele Differenzen von Messwerten ein gleitender Mittelwert gebildet wird (1-5), wie viele Messwerte nach Erreichen einer konstanten Fließrate aufgezeichnet werden (1-50) und ab welcher Abweichung zwischen dem gleitenden Mittelwert und der letzten aufgezeichneten Differenz, eine konstante Fließrate angenommen wird (1-20%). Die Standardwerte sind 3, 20 und 5% und können im Untermenü „Default“ wiederhergestellt werden.

Bei einem gleitenden Mittelwert von 1, findet keine Überprüfung auf eine konstante Fießrate statt und es wird die maximal mögliche Anzahl (100) an Messwerten aufgezeichnet.



8.6. Kalibrierung

Das Kalibrierungsmenü findet man sowohl im Optionsmenü als auch im Untermenü zur Auswahl des Speicherplatzes für eine Tension. So kann vor jeder Messung bei Bedarf schnell auf das Kalibriermenü zugegriffen werden.

Offset-Wert und Skalierungsfaktor können separat kalibriert werden. Es müssen aber beide Werte festgelegt sein, um eine Messung durchführen zu können.

Der Offset-Wert wird im Regelfall bei einem Druck von 100 mmWS kalibriert. Hierzu wird das Infiltrationsgefäß bis 100 mm auf der Skale befüllt und dies anschließend mit der „Start“-Taste bestätigt. Er kann aber auch bei jedem anderen Druck kalibriert werden. Wenn die Kalibrierung des Offsets nicht mit dem entsprechenden Punkt der Skale einhergeht, dann stimmen die vom Handgerät erfassten Werte nicht mit denen auf der Skale überein. Für die Differenzen spielt das jedoch keine Rolle.

Der Skalierungsfaktor wird üblicherweise bei einem Druck von 600 bzw. 610 mmWS kalibriert. Hierfür wird das Infiltrationsgefäß bis 600 mm (beziehungsweise 610 mm) gefüllt und der aktuell angelegte Druck in mmWS in das Handgerät eingegeben und mit der „Start“-Taste bestätigt. Auch hier kann eine beliebige Kalibrierung erfolgen, es wird aber aus Gründen der Genauigkeit empfohlen, eine größtmögliche Druckdifferenz zu verwenden. Der Stopfen bleibt während der Kalibrierung noch geöffnet.

Für eine praktische Versuchsausführung empfiehlt es sich, den Offset-Wert nach dem Aufstellen des Infiltrometers am Messplatz und vor dem Befüllen des Blasenturms und den Skalierungsfaktor nach dem Befüllen des Blasenturms (noch offen gegenüber der Atmosphäre) zu kalibrieren.

8.7. Festlegen des Messintervalls/Beginn einer Messung

Das Messintervall wird generell vor jeder Messung festgelegt. Um an diesen Punkt zu gelangen verfährt man wie in der Übersicht auf Seite 20 und 24 dargestellt. Zunächst wird das Handgerät IL 2700 mit der „On“-Taste eingeschaltet. Durch entsprechend häufiges drücken der „Step“-Taste wird der Messplatz gewählt und mit der „Start“-Taste bestätigt. Somit ist man im Menü für die Messplatzverwaltung. Bereits mit einer Datenreihe belegte Messplätze sind mit einem OK gekennzeichnet und könnten bei Bedarf in diesem Menü gelöscht werden. Ist der Messplatz noch frei geht man durch erneutes Drücken der „Start“-Taste direkt weiter in das Tensionsmenü. Hier wird über die „Step“-Taste die gewünschte Tension gewählt. In der Regel Tension 1 für die erste eingestellte Tension der Messung und anschließend fortlaufend jede weitere. Die Bestätigung der Tension mit der „Start“-Taste führt in das Menü zur Tensionsverwaltung. Bei Bedarf kann in diesem Menü eine bereits eingestellte Tension gelöscht, oder eine Kalibrierung durchgeführt werden, sofern dies nicht vor dem Versuch generell über das Optionsmenü geschehen ist. Um die Messung zu starten betätigt man die „Start“-Taste gleich beim ersten Menüpunkt (Start).



Es erscheint die Anzeige „Samples: H0M00S00“ in der zuerst die Stunden (H), anschließend die Minuten (M) und zum Schluss die Sekunden (S) des Messintervalles einzustellen sind. Die Zahlen können mit der „Step“-Taste um je einen Zähler vergrößert werden. Halten der „Step“-Taste führt bei Minuten und Sekunden zu automatischen 10er-Schritten bis die Taste wieder losgelassen wird. Mit „Start“ wird die Eingabe jeweils bestätigt und man wechselt zur nächstkleineren Zeiteinheit. Die Einstellung der kleineren Einheit hat keinen Einfluss auf die davorstehende größere Einheit. (Die Anzahl der Minuten ändert sich nicht, wenn die Sekunden von 60 weiter auf 0 springen). Bei einer fehlerhaften Eingabe kann man mit „On“ immer wieder einen Schritt zurück gehen um diese zu korrigieren. Nach der Einstellung der Sekunden des Messintervalls wird dieses mit der „Start“-Taste bestätigt. Nun kann die angelegt Tension über die „Step“-Taste eingestellt werden. An dieser Stelle löst die „Start“-Taste den tatsächlichen Beginn der Messung aus.

8.8. Optionsmenü

Neben den Menüs zur Konfiguration und Kalibrierung findet man hier auch das Menü zum Löschen aller Messplätze, das Menü zur seriellen Kommunikation mit dem PC und das Diagnosemenü.

8.9. Menüstruktur



9. Software IL2700 GUI

Die Kommunikation zwischen Handgerät und PC erfolgt über die Software IL2700 GUI.

Darüber können die Daten ausgelesen und bei Bedarf auch anschließend gelöscht werden.

Die grafische Darstellung der Werte für den Absolutdruck, sowie der Druckdifferenz erlaubt

eine sofortige Bewertung der Daten und damit auch der Güte des Versuchsverlaufes. Das

Diagnosemenü ermöglicht die Fehlersuche im laufenden Betrieb. Es ist insbesondere für

Wartungsarbeiten durch UGT-Mitarbeiter vorgesehen und wird somit hier nicht näher

erläutert.



9.1. Auslesen der Daten

Zum auslesen der Daten wird zunächst das Handgerät über das mitgelieferte Kabel mit dem PC verbunden. Anschließend wird das Handgerät eingeschalten und in den Kommunikationsmodus gestellt. Diesen erreicht man über das Optionsmenü unter dem Untermenü „Serial Communication“ entsprechend der hier dargestellten Tastenfolge.

Die Displayaufschrift „Ser Com:“ zeigt an, dass das Gerät im Kommunikationmodus ist und auf eine Rückmeldung der Software IL2700 GUI wartet.

Beim Starten der Software wird automatisch eine Verbindung hergestellt, was durch die Aufschrift „COM Port geöffnet!“ im Fenster „Protokollierung bestätigt wird. Sollte die Verbindung nicht automatisch hergestellt werden liegt dies vermutlich an einer falschen Einstellung des COM Ports. Stellen sie unter dem Menüpunkt „IL2700“ „Optionen (COM Port)“ den entsprechenden COM Port ein und versuchen sie erneut eine Verbindung herzustellen. Das Handgerät verweilt während der kompletten Zeit im Kommunikationsmodus.

ON

Sel. M: Options

Start

Options: M.-Cfg

Options: Calibrat

Step

Options: Ser Com Step

Start

Ser Com:



Ist die Verbindung erfolgreich hergestellt können die Daten durch anklicken des Buttons „Daten auslesen“ vom Handgerät auf den PC übertragen werden. Sie werden im Programmordner unter dem Dateinamen „IL2700_YYYY-MM-DD_hh-mm-ss“entsprechend des Auslesezeitpunktes gespeichert. Diese Daten können in Standardprogramme zur Tabellenkalkulation oder Textverarbeitung importiert werden.

Die Daten können unabhängig vom auslesen durch anklicken des Buttons „Daten löschen“ gelöscht werden. Generell ist es empfehlenswert vor jedem neuen Versuch alle alten Daten zu löschen um ein Maximum an Speicherplatz zu garantieren und Verwechslungen der Daten auszuschließen.

1

2

3



Über „Datei Öffnen“ können in den Grafikfenstern der Software auch frühere Datensätze dargestellt werden. Dies ermöglicht einen einfachen Vergleich der Daten. Durch Markieren eines gezielten Ansichtsbereiches mit der Maus können Bereiche von Interesse vergrößert dargestellt werden. Beim Anklicken der einzelnen Datenpunkte werden jeweils die zugehörigen Werte eingeblendet. Der Datenpunkt, ab dem eine konstante Fließrate als Zeichen für stationäre Verhältnisse gemessen wurde ist extra hervorgehoben.



10. Hinweise

Beim Umgang mit dem Haubeninfiltrometer und dem Micrologger IL-2700 ist Folgendes zu beachten:

Haubeninfiltrometer:

Vor Versuchsbeginn sind die Gefäße und Verbindungen auf Defekte zu untersuchen.

Positionieren Sie die Apparatur eben. Richten Sie die Skalen zueinander aus.

Den Quarzsand anfeuchten und leicht andrücken. Während des Befüllens nachträglich weitere Mengen hinzugeben.

Beim Befüllen die Haube leicht andrücken.

Bedenken Sie, dass zum Befüllen der Haube ca. eine Säulenfüllung Wasser benötigt wird.

Die Haube darf nie vollständig gefüllt werden. Beachten Sie die Markierung. Vermeiden Sie unbedingt, dass Wasser in die Schläuche [9] und [10] gelangt. Gegebenenfalls den Ersatzschlauch verwenden. Abgesehen von kleinen Tropfen an der Kapillarwand dürfen sich keine "geschlossenen" Tropfen bilden.

Prüfen Sie vor Versuchsbeginn die korrekte Stellung der Hähne. Nur “V1“ darf geöffnet sein.

Zum Befüllen der Haube das Belüftungsrohr in den Blasenturm einführen. Die Eintauchtiefe ist ca. 2cm größer als die Kammerhöhe Hk einzustellen. Bis zur Belüftung, d.h. bis zum Beginn der Infiltration, darf im Infiltrationsgefäß [5] keine Blasenbildung ersichtlich sein. Ansonsten System unbedingt auf Dichtheit prüfen.

Beobachten Sie den Pegelstand von Us und Hs. Bleibt dieser während der Versuchsdurchführung nicht konstant, dringt Luft über den Schlauch [9] bzw. das angeschlossene System ein.

Das Erreichen einer stationären Infiltrationsrate erfolgt asymptotisch und in Abhängigkeit von der Bodenart. Als Richtwert ist ein quasi konstanter Wert nach Infiltration einer halben Säulenfüllung erreicht.

Das Infiltrationsgefäß möglichst auffüllen, bevor eine weitere hydraulische Druckhöhe mittels Belüftungsrohr [7] eingestellt wird. Zum Auffüllen des Infiltrationsgefäßes ist der Hahn“V1“ zu schließen.

Micrologger IL-2700

Kontrollieren Sie den Ladezustand der Batterie im Logger

Bei längeren Gebrauchspausen sollte die Batterie aus dem Logger entfernt werden

Jede Zuglastung am Datenkabel ist unbedingt zu vermeiden!



11. Literatur

ANKENY, M. D. M. AHMED, T. C. KASPAR & R. HORTON (1991): Simple field method for determining unsaturated hydraulic conductivity. IN: Soil Sci. Soc. Am. J. 55: 467-470.

GARDNER, W. R. (1958): Some steady-state solutions of unsaturated moisture flow equations with application to evaporation from a water table. IN: Soil Science 85: 228-232. 51.

JARVIS, N. J. & I. MESSING (1995):

Near-saturated hydraulic conductivity in soils of contrasting texture measured by tension infiltrometers. IN: Soil Sci. Soc. Am. J. 59: 27-34.

LOGSDON, S. D. & D. B. JAYNES (1993): Methodology for determining hydraulic conductivity with tension infiltrometers. IN: Soil Sci. Soc. Am. J. 57: 1426-1431.

MINASNY, B. (2000): Efficient Methods for Predicting Soil Hydraulic Properties. Phd. thesis. University of Sydney.

PERROUX, K. M. & I. WHITE (1988): Designs for disc permeameters. IN: Soil Sci. Soc. Am. J. 52: 1205-1215.

REYNOLDS, W. D., M. TH. VAN GENUCHTEN, M. M. GRIBB & J. W. HOPMANNS (1998): Determination of hydraulic conductivity using a tension infiltrometer. IN: Soil Sci. Soc. Am. J. 55: 633-639.

SCHWÄRZEL, K. & J. PUNZEL (2007): Hood-Infiltrometer: New type of tension infiltrometer. Soil Sci. Soc .Am.J. 71:1438-1447.

SMETTEM, K. R. J. & B. E. CLOTHIER (1989): Measuring unsaturated sorptivity and hydraulic conductivity using multiple disc permeameters. IN: Journal of Soil Science 40. 563-568.

SMETTEM, K. R. J. & C. KIRKBY (1993): Measuring the hydraulic properties of a stable aggregated soil. IN: Journal of Hydrology 117. 1-13.

VANDERVAERE, J. P., C. PEUGEOT, M. VAUCLIN, R. ANGULO JARAMILLO & T. LEBEL (1997): Estimating hydraulic condyctivity of crusted soils using disc infiltrometers and minitensiometers. IN: Journal of Hydrology 188/189. 209-223.

WOODING, R. A. (1968): Steady infiltration from a shallow circular pond. IN: Water Resources Research 4. 1259-1273.

bedienungsanleitung - ugt-online.de · ein übliches tensionsinfiltrometer, das unabhängig vom...

Documents