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Messung von thermischen Bodeneigenschaften

Messung von thermischen Bodeneigenschaften

Thermische Eigenschaften von Böden messen.

Bei allen Probenarten muss die Sensornadel mit der Probe und der Umgebung equilibriert werden. Temperaturunterschiede zwischen Sensor, Probe und Umgebung können zu fehlerhaften Messwerten führen.

Sensorempfehlungen

Für Bodenproben empfehlen wir den Einsatz des Sensors TR-1 zur Messung des spezifischen Widerstandes und der Wärmeleitfähigkeit. Wenn ein Boden besonders hart ist, sollte vor dem Einsetzen der Sensornadel in die Probe ein Pilotloch gebohrt werden. Ist eine Diffusivitätsmessung gewünscht, kann der SH-1 Dual-Nadel-Sensor verwendet werden. Besteht der gemessene Boden aus großen Partikeln, sollte der Kontaktwiderstand entfernt werden.

Beispielsammlung

Zwei Faktoren können während der Probensammlung geändert werden und beeinflussen dabei die thermischen Eigenschaften einer Probe: der Feuchtigkeitsgehalt und die Verdichtung der Probe. Achten Sie deshalb darauf, dass Ihre Probe nicht zusammengedrückt oder verdichtet ist, während sie genommen wird. Wenn die Schüttdichte einer porösen Probe mit geringer Festigkeit abnimmt, nehmen auch die Wärmekapazität und die Wärmeleitfähigkeit ab. In ähnlicher Weise wird sich der spezifische Widerstand der Probe erhöhen. Dasselbe gilt für den Feuchtigkeitsgehalt, wenn die Probe getrocknet wird. Aus diesem Grund empfehlen wir, einen intakten Erdkern zu nehmen und diesen sofort nach der Entnahme abzudichten.

Intakte Bodenkerne sollten in einem Shelby-Röhrchen oder einer gleichwertigen dünnwandigen Röhre gesammelt werden. Die Mindestprobenabmessungen für einen typischen ASTM D5334 Wärmewiderstandstest unter Verwendung unseres Instruments sind 11 cm (4,5″) Länge und 3,8 cm (1,5″) Durchmesser. Proben mit einem größeren Durchmesser eignen sich noch besser, da sich die Wärme radial von der Mitte in die Probe bewegen wird. Wenn der Heizimpuls das Probenröhrchen erreicht, könnte dies die Messung verzerren.

Der Wassergehalt in Böden ist hochdynamisch und kann sich unter normalen Feldbedingungen häufig ändern. Um den Feuchtigkeitsgehalt der Probe zu erhalten, sollten die Enden der Röhre verschlossen und sogar versiegelt werden. Auch dann, wenn eine Probe verwendet wird, um eine thermische Austrocknungskurve zu erzeugen, sollten die Enden verschlossen werden.

Labormessungen

Es gibt zahlreiche Messungen die mit einer Bodenprobe durchgeführt werden können. In den meisten Fällen empfehlen wir, eine thermische Austrocknungskurve zu erstellen, indem Sie mehrere Punkte messen und damit eine Kurve modellieren. Die Probe muss hierfür gesättigt und ofentrocken sein.

In-situ-Messungen

In-situ-Bodenmessungen können mit unseren Messgeräten für thermische Eigenschaften durchgeführt werden. Achten Sie aber darauf, dass eine Einpunktmessung nicht immer repräsentativ für die thermischen Eigenschaften des Bodens ist. Der Feuchtigkeitsgehalt, der sich in den meisten Feldbedingungen häufig ändert, kann den thermischen Widerstand um den Faktor fünf oder mehr erhöhen. Dies ist besonders wichtig, wenn Sie unterirdische Stromkabel oder eine Erdwärmepumpe installieren.

Erdkabel

Aus verschiedenen Gründen ist es üblich, Stromkabel interirdisch zu verlegen und damit zu vergraben. Der thermische Widerstand des Bodens ist ein wichtiger Faktor für die langfristige Funktionalität einer erdverlegten Stromleitung. Fließt Energie durch die vergrabenen Stromleitungen, erzeugt der elektrische Strom Wärme. Werden die Bodeneigenschaften beim Verlegen also nicht sorgfältig berücksichtigt, führt das zu einem Prozess, der als „thermisches Durchgehen” bezeichnet wird. Damit ist die Überhitzung einer technischen Apparatur aufgrund eines sich selbst verstärkenden, Wärme produzierenden Prozesses gemeint. Im Falle unserer Stromleitung wird Wärme in den umgebenden Boden abgegeben und durch Bodenteilchen, Wasser und Lufttaschen bewegt. Die Hitze bewirkt, dass der Boden austrocknet, wodurch er resistiv wird. Wenn der widerstandsfähige Boden die Wärme nicht schneller vom Kabel abführen kann, als das Kabel Wärme erzeugt, wird die Temperatur des Kabels weiter ansteigen. Schließlich schmilzt das Kabel unter der Erde, wobei der Boden als Isolierung wirkt.

Gefrorene Böden

Unsere Bodensensoren der METER Group eignen sich gut zur Messung von gefrorenen Böden. Wenn die gefrorene Probe ungesättigt ist und aus losem Material besteht, könnten Kontaktfehler durch Lufttaschen zwischen der Nadel und dem Material entstehen. Dies wird aber durch eine längere Lesezeit ausgeglichen. Wir empfehlen Ihnen dennoch, mehrere Messungen vorzunehmen.

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Messung von gefrorenen Proben ist die Temperatur. Wenn der Wärmeimpuls von der Sensornadel einen Phasenwechsel verursacht, wird die Energie aus dem Phasenwechsel als Leitfähigkeit interpretiert. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass die Proben entweder kälter als -3°C oder wärmer als 0°C sind.

Siehe “Proben für die Thermoanalyse sammeln”.