Spatial TDR

Die Time-Domain-Reflektometrie (TDR) ist ein anerkanntes elektromagnetisches (EM) Verfahren zur Bestimmung der mittleren Materialfeuchte entlang der TDR-Sonde. Spatial TDR ist eine innovative Erweiterung des Verfahrens, dass die Bestimmung von Feuchteprofilen entlang der Sonde ermöglicht. Ein TDR ist eine Kabelradar mit einer geführten elektromagnetischen (EM) Welle. Es sendet EM-Pulse entlang eines im Boden eingebrachten Wellenleiters (“Sonde”), der z.B. aus einem speziellen Dreileiter-Flachbandkabel oder aus parallelen Stahlstäben besteht. Typische Sondenlängen sind einige Meter für das Flachbandkabel und einige Dezimeter für die Stabsonde. Die Längenbegrenzung liegt vor allem in der Einbauweise begründet. Während der Pulsausbreitung entlang des nicht abgeschirmten Wellenleiters werden immer wieder Anteile der Welle zurückreflektiert, je nach Veränderung des sogenannten Wellenwiderstands, der maßgeblich durch die Bodenfeuchteverteilung entlang der Sonde bestimmt wird. Spatial TDR ermöglicht, aus dem zeitlichen Verlauf dieser gemessenen Signalreflektionen durch inverse Modellierung – einen komplexen und rechenaufwendigen mathematischen Algorithmus – den Feuchtegehalt entlang des Wellenleiters zu schätzen. Die Vorarbeiten an der Universität Karlsruhe zu dieser Innovation liegen einige Jahre zurück. Der praktische Einsatz von Spatial TDR konnte in zahlreichen Anwendungen in der Praxis gezeigt werden. Dazu gehören z.B. das Bodenfeuchteprofil-Monitoring in landwirtschaftlich genutzten Flächen (Agrarhydrologie) sowie das Monitoring der Durchsickerung von Flussdeichen (Bauingenieurwesen, Erddammbau). Verdichtungshorizonte (“Pflugsohle”) sowie Sickerraten (Infiltration) spiegeln sich im zeitlichen Verlauf der Bodenfeuchteprofile wieder. Daraus lassen sich auch Aussagen über die Tiefenversickerung und Grundwasserneubildung treffen. Neben der Bestimmung der Boden- oder Erdfeuchte können weitere industrielle Anwendungsfelder mit dieser Technologie bedient werden. Dazu zählen z.B. die Materialfeuchte von Schüttgütern (Getreidesilos, KunststoffGranulate im Produktionsprozess), oder auch die Füllstandsanzeige in Silos. Spatial TDR wurde in diesen Anwendungen aber noch nicht erprobt. In den beiden genannten Anwendungsfeldern zur Bestimmung der Erdfeuchte wurde ein TRL von 5 erreicht. Allerdings war es bisher nicht möglich, den TRL weiter zu erhöhen, denn es gibt bei dem Verfahren grundsätzlich zwei Herausforderungen: (1) herkömmliche TDR-Geräte sind zu teuer und groß und kommen für eine breite Anwendung daher nicht infrage, (2) die inverse Modellierung zur Ableitung der Bodenfeuchteprofile aus den Messdaten ist sehr aufwendig und kompliziert. Beides schränkt die kostengünstige Anwendung vieler Systeme in der Fläche stark ein.