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Zentralinstitut für Engineering, Elektronik und Analytik (ZEA)
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Elektromagnetische Induktion (EMI)

EMI Teaser

Hintergrund

Elektromagnetische Induktionsmessgeräte (EMI-Geräte) dienen der Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit von Böden. Die gemessene Leitfähigkeit wird als Indikator für hydrologische und geologische Informationen, wie zum Beispiel dem Wassergehalt, dem Tongehalt oder der Dicke von Erdschichten verwendet. Dabei zeichnet sich EMI durch eine kontaktlose und daher zuverlässige Ankopplung an den Boden aus, die einen schnellen Messfortschritt und damit das Vermessen von größeren Flächen ermöglicht.
Die messtechnische Herausforderung für EMI-Geräte ist die präzise quantitative Erfassung der schwachen Signalanteile vom Boden. Zusätzlich müssen genügend Informationen für die räumliche Auswertung hinsichtlich einer tiefenabhängigen elektrischen Leitfähigkeitsverteilung gesammelt werden.

Ziel

Langfristiges Ziel ist es ein Messsystem aufzubauen, welches auf mehreren modularen hochempfindlichen Sensoreinheiten basiert, die jeweils speziell für die geophysikalische Fragestellung einer Messung angeordnet werden können und damit eine optimierte räumliche Auflösungen ermöglichen. Des Weiteren wird eine Inversionsmethode entwickelt, die aus Messdaten von mehreren EMI-Sensoranordnungen mit unterschiedlichen Eindringtiefen eine tiefenauflösende Leitfähigkeitsverteilung berechnet.

Messprinzip

EMI Messprinzip

Elektromagnetische Induktionsmessgeräte beruhen auf dem Phänomen, dass ein elektromagnetisches Wechselfeld in einem benachbarten Medium eine Spannung induziert, welche in einem elektrisch leitfähigen Medium wiederum einen Stromfluss hervorruft. Dieser Strom folgt dem erzeugenden Feld und baut seinerseits ein elektromagnetisches Feld auf dessen Stärke proportional zur Leitfähigkeit des Mediums ist und mittels einer Empfängerspule gemessen wird. Das von der Messung erfasste Bodenvolumen hängt vom Abstand und der Orientierung der Sende- und Empfangseinheiten, sowie der Messfrequenz ab. Auf diese Weise können mit unterschiedlichen Sende-Empfangs-Konfigurationen tiefenabhängige Leitfähigkeit gemessen werden.

Messsystem

EMI Messsystem

Das Messsystem setzt sich aus drei Komponenten zusammen: Einem Messcomputer, dem Messsystem und den Sensoren. Der Messcomputer übernimmt die Steuerung der Messung und erlaubt dem Anwender das Starten und Stoppen, sowie die Eingabe der Messparameter, wie beispielsweise die Anregungsfrequenz, Abtastrate, Sendekanal und die Messdauer. Diese Daten werden an die jeweiligen Komponenten im Messsystem (Signalgenerator, Analog-zu-Digital-Wandler, Multiplexer) weitergegeben und dort verarbeitet. Das vom Signalgenerator erzeugte Signal wird daraufhin vom Multiplexer an den gewünschten Sendekanal weitergeleitet. Alle anderen Kanäle sind automatisch Empfangskanäle. An die jeweiligen Kanäle werden die Sensormodule angeschlossen, die basierend auf elektrischen Spulen die Magnetfelder erzeugen bzw. messen.

Details

Das selbst entwickelte EMI-Messsystem ist für Messfrequenzen von 10 bis 30 kHz und variable Empfängerabstände von 0,4 bis 1,6 m ausgelegt. Zur Datenerfassung werden mit 24-bit Sigma-Delta A/D-Umsetzern die Zeitsignale zur späteren Auswertung aufgezeichnet. Die Auflösung unter typischen Messbedingungen (z.B. elektromagnetisches Umgebungsrauschen) ist 1 mS/m für einen Spulenabstand von 1,0 m und einer Messfrequenz von 20 kHz.

Projektpartner

Institut für Agrosphäre (IBG-3) im Forschungszentrum Jülich.

Ausgewählte Publikationen

siehe JUSER

Ansprechpartner : Achim Mester Tel.: 02461 61 4323


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