Was messen Bodenfeuchtesensoren?

Bodenfeuchtesensoren bestimmen den Wassergehalt (auch Feuchtegehalt) des Bodens, also die Wassermenge, die zu einem spezifischen Zeitpunkt in einem Boden enthalten ist. Der Wassergehalt kann sowohl als gravimetrischer Wassergehalt als auch volumetrischer Wassergehalt angegeben werden, wobei üblicherweise der Bezug auf das Bodenvolumen (volumetrisch) bevorzugt verwendet wird. Die Angabe erfolgt entweder anteilmäßig (zwischen 0 … 1) oder in Volumen %.

Der gravimetrische Wassergehalt (Θg) entspricht dem Verhältnis aus Masse Wasser und Masse trockener Boden. Der volumetrische Wassergehalt (Θv) ist gleich dem Verhältnis aus Wasservolumen und Bodenvolumen. Bei bekannter Trockenrohdichte können (Θg) und (Θv) ineinander umgerechnet werden.

Wozu dient die Bestimmung der Bodenfeuchte?

  • Verständnis für das Verhalten von Böden und ablaufende bodeninterne Prozesse
  • Bewertung von Bodenfruchtbarkeit
  • Einschätzung von Pflanzenwachstum, Pflanzenwasserbedarf und -verbrauch
  • Steuerung von Bewässerungsmaßnahmen
  • Einschätzung der Wasserspeicherkapazität von Böden
  • Bewertung des Infiltrationsvermögens, der Tiefenversickerung und Auswaschung von Chemikalien ins Grundwasser
  • Erkenntnisse über sonstige physikalische Eigenschaften von Böden (Plastizität, Konsistenz, Tragfähigkeit etc.)
  • Messdaten für Wasserhaushaltsstudien
  • etc.


Welche Messprinzipien gibt es?

  • Gravimetrische Bestimmung

 Die gravimetrische Bestimmung ist die einzige direkte Methode zur Ermittlung des Wassergehaltes (Θ). Im Labor wird eine repräsentative Bodenprobe gewogen, anschließend bei 105°C getrocknet und wiederum das Gewicht bestimmt. Über die Differenz aus dem Gewicht der Probe im feuchten und im getrockneten Zustand wird die Masse des in der Probe gebundenen Wassers ermittelt. Um anschließend den volumetrischen Wassergehalt zu bestimmen, wird die Masse des Wassers über die Dichte in das Volumen des Wassers umgerechnet.

  •  TDR – Time-Domain-Reflectometry

TDR (Zeitbereichsreflektometrie) ist eine indirekte Methode zur Bestimmung der Bodenfeuchte. TDR Sonden messen die relative Dielektrizitätszahl (Permittivität, εr) des Bodens. Diese setzt sich aus den Permittivitäten der einzelnen Bodenbestandteile (Wasser, Bodenpartikel, Luft) zusammen. Die relative Permittivität des Bodenwassers (εr = 81) ist um ein Vielfaches höher als die der Luft (εr = 1) oder mineralischer Partikel (εr = 2-5). Daher ist sie der bestimmende Faktor sowohl für die Gesamtpermittivität als auch für Änderungen derselben. Die hieraus resultierende Beziehung zwischen Bodenwassergehalt und relativer Dielektrizitätszahl des Bodens kann mathematisch durch Regressionsformeln beschrieben werden. In der Praxis wird häufig die Funktion nach Topp und Davis verwendet (siehe FDR).

Die Ermittlung der relativen Dielektrizitätszahl erfolgt über eine Laufzeitmessung (Ausbreitungsgeschwindigkeit) eines hochfrequenten elektromagnetischen Impulses. TDR Sonden sind mit parallelen Leiterstäben bestückt, die in den Boden eingebracht werden. Der Impuls breitet sich über die Leiterstäbe im Boden aus. Am Anfang und am Ende der Stäbe wird er teilweise reflektiert, wodurch die Ausbreitungsgeschwindigkeit über die doppelte Stablänge gemessen werden kann. Bodenwassergehalt und damit die relative Permittivität des Bodens haben einen starken Einfluss auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit dieses elektromagnetischen Signals. Daher kann die relative Permittivität des Bodens mathematisch aus Laufzeit (t) und doppelter Länge der Messstäbe (2l) berechnet werden. c0 beschreibt hierbei die Lichtgeschwindigkeit.

  • FDR -  Frequenzy-Domain-Reflectometry:

Ebenso wie bei der TDR Messung wird auch beim FDR Verfahren (Frequenzbereichsreflektometrie) der Wassergehalt (θ) indirekt über die relative Dielektrizitätszahl (εr) ermittelt. Eine FDR Sonde erzeugt mittels Oszillator ein kontinuierliches elektromagnetisches Signal mit einer konstanten Frequenz und Amplitude, welches über eine Hochfrequenzleitung (Messstäbe) ausgesandt wird. So entsteht um die Stäbe ein schwingendes elektromagnetisches Feld.

Sind die Messstäbe der FDR Sonde im Boden installiert, wirkt dieser als Dielektrikum, bzw. elektrisch isolierendes Material, wodurch der Ausbreitung des elektromagnetischen Feldes ein Widerstand entgegengesetzt wird. Dieser schwächt das Signal und reflektiert es teilweise. Die relative Dielektrizitätszahl (Permittivität) des Bodens ist ein Maß für die Stärke des Widerstandes. Die Abschwächung des Ausgangssignals führt zu einer Dämpfung der Amplitude. Die Amplitudenänderung des reflektierten Signals wird erfasst und ausgewertet. Auf der Basis von Regressionsfunktionen oder Tabellen kann nun die relative Permittivität des Bodens bestimmt werden. Anschließend wird der Wassergehalt aus εr ermittelt, häufig über die Formel nach Topp und Davis.

  • Kapazitätsmessung

Kapazitive Sensoren ermitteln die relative Dielektrizitätszahl (Permittivität) des Bodens (εr) auf der Basis der Kapazitätsmessung (C) eines Kondensators. Ein Kondensator ist ein elektrisches Bauteil zur Speicherung von elektrischer Ladung (Q). Er besteht aus 2 Elektroden, in der Regel parallele Platten mit einem definierten Flächeninhalt (A) und Abstand (d). Zwischen den Platten befindet sich ein Dielektrikum, d.h. ein elektrischer Nichtleiter (Luft, Boden, etc.). Die Menge der auf den Platten des Kondensators gespeicherten Ladung ist proportional zur angelegten Spannung (V). Die Kapazität beschreibt als Proportionalitätskonstante die Beziehung zwischen Spannung und Ladung.

Ändert sich die relative Permittivität des Bodens (εr), dann ändert sich auch die Kapazität des Kondensators. Diese Beziehung ist Grundlage für die Ermittlung der relativen Dielektrizitätszahl des Bodens. Hierbei geht die elektrische Feldkonstante (Permittivität des Vakuums, ε0) mit in die Formel ein. Anschließend dienen wiederum Regressionsformeln, z.B. Topp und Davis, um den Wassergehalt zu bestimmen.

  • UMP-1

Die UMP-1-Sensoren sind eine Reihe von Kombi-Sensoren, die von der UGT GmbH entwickelt wurden und produziert werden. Eine UMP-1 misst Bodenwassergehalt, Temperatur und elektrische Leitfähigkeit. Das Messprinzip entspricht dem der klassischen Methoden (TDR und FDR) nur teilweise. Ausgangspunkt bleibt die relative Dielektrizitätszahl (ɛr).

Der Sensor sendet ein kontinuierliches Signal konstanter Frequenz (60 MHz). Das entspricht dem Messprinzip der FDR-Messung. Zur Ermittlung der Dielektrizitätszahl wird jedoch nicht die Amplitudenänderung, sondern die Phasenverschiebung im empfangenen Signal betrachtet. Es wird also ein Zeitversatz zum Ursprungssignal gemessen, was dem TDR-Prinzip entspricht. Dem gemessenen Zeitwert wird eine relative Dielektrizitätszahl des Bodens zugeordnet. Dafür steht ein tabellarisch geordneter Wertebereich zur Verfügung, der für jede UMP-1 gesondert kalibriert wird. Über die Regressionsfunktion nach Topp und Davis wird abschließend der Wassergehalt ermittelt.

  • SMT-100

Ähnlich wie die UMP-1 beruht auch der SMT-100 Bodenfeuchtesensor auf einem eigenständig entwickelten Messprinzip. Wie bei TDR wird die Laufzeit eines Signals bestimmt, um die relative Dielektrizitätszahl ɛr des Bodens zu ermitteln. Ein Ringoszillator setzt die gemessene Signallaufzeit in eine Frequenz um. Eine Änderung der Signallaufzeit resultiert somit in einer Frequenzänderung. Der dabei verwendete Frequenzbereich liegt über 100MHz und ist somit hoch genug, um auch in tonigen Böden eine gute Funktion zu gewährleisten.

Messunsicherheiten bei der Bestimmung des Bodenwassergehaltes

Bei der Installation von Bodenfeuchtesensoren muss ins Besondere auf einen guten Kontakt der Messstäbe zum Boden geachtet werden. Luftgefüllte Hohlräume zwischen Boden und Messstab führen zu verfälschten Messergebnissen. Ein Vorstecher, dessen Stäbe schmaler sind als die der Sonde, vereinfacht die Einbringung und sorgt für einen guten Kontakt.

Natürliche Böden sind hochgradig inhomogen. Daher variiert das Wasserhaltevermögen und damit die Bodenfeuchte schon über kürzeste Distanzen zum Teil erheblich. Das Wasserhaltevermögen wird durch Unterschiede von Bodeneigenschaften bestimmt, z.B. Bodenart (Textur), Struktur (Gefüge), organischer Gehalt und Infiltrationsrate. Die Schwerkraft bewirkt eine Abwärtsbewegung des Wassers, atmosphärische Saugkräfte eine aufwärtsgerichtete Bewegung. Unterschiedlich große Bodenporen binden das Bodenwasser mit unterschiedlichen Saugkräften. Wurzelwachstum, Tiere und Verwitterungsprozesse verändern kontinuierlich die Bodenstruktur. Über die Wurzeln sind auch tiefere Horizonte direkt in den hoch dynamischen und sich ständig verändernden Verdunstungsprozess mit eingebunden.

Der Anwender wird schnell merken, wie stark Messergebnisse diese Variabilität wiederspiegeln. Deshalb besitzen Einzelmessungen nur beschränkte Aussagekraft. Mehrfachmessungen an verschiedenen Punkten und in unterschiedlichen Höhen liefern Vergleichswerte, die dann statistisch gemittelt werden können, um belastbarere Ergebnisse zu erzielen.

Für Böden mit hohen Ton- und organischen Gehalten bzw. erhöhter Lagerungsdichte ist es sinnvoll, spezielle Kalibrierfunktionen zu erstellen, da ansonsten die Ergebnisse mit zu großen Ungenauigkeiten behaftet sind. Bei FDR Sonden (oder FDR ähnliches Prinzip) ist in Tonböden aufgrund des hohen Wassergehaltes sowohl die Amplitudendämpfung als auch die Phasenverschiebung häufig nicht mehr deutlich messbar. Probleme treten ebenfalls in Böden mit erhöhten elektrischen Leitfähigkeiten auf. Häufig wird in solchen Fällen das Ausgangssignal zu stark gedämpft, so dass Amplitude, Phasenverschiebung als auch Laufzeit nicht mehr deutlich genug erfasst werden können.

Literaturverzeichnis

Flühler, H., & Roth, K. (2004). Physik der Ungesättigten Zone. ETH Zürich und Universität Heidelberg.
Lal, R., & Shukla, M. (2004). Principles of Soil Physics. New York, Basel: Marcel Dekker, Inc.
Topp, G., Davis, J., & Annan, A. (1980). Electromagnetic determination of soil water content: Measurement in coaxial transmission lines. Water Resour. Res., S. 16, 574–582.

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