Wie wählt man den besten Bodenwassergehaltssensor für Ihre Anwendung aus?
Die Auswahl eines Bodenwassergehaltssensors ist ein entscheidender Schritt für viele Anwendungen wie Landwirtschaft, Landschaftsmanagement, Bewässerungsautomatisierung, Forschung oder Umweltüberwachung. Da es jedoch eine Vielzahl von Sensortypen auf dem Markt gibt, kann die Auswahl des richtigen Sensors zeitweise komplex erscheinen.
In diesem Artikel werden wir auf wissenschaftlicher Grundlage detailliert untersuchen, was ein Sensor tatsächlich misst, welche technischen Prinzipien einen guten Sensor ausmachen und wie die technischen Spezifikationen der Hersteller zu interpretieren sind.
Das Ziel ist es, Ihren Sensorauswahlprozess bewusst und sicher zu gestalten.
Was messen Bodenwassergehaltssensoren eigentlich?
Viele Nutzer denken, dass Bodenwassergehaltssensoren das Wasser im Boden direkt messen. Dabei misst keiner der kommerziellen Sensoren das Wasser durch „physikalische Trennung“.
Stattdessen messen Sensoren andere physikalische Eigenschaften, die sich durch die Anwesenheit von Wasser im Boden verändern. Zu diesen Eigenschaften gehören vor allem:
- Dielektrische Leitfähigkeit
- Thermische Leitfähigkeit
- Neutronenflussdichte
.
Dieser Artikel konzentriert sich auf die Messung der dielektrischen Leitfähigkeit, die weltweit am häufigsten verwendete Technik.
Was ist dielektrische Leitfähigkeit?
Dielektrische Leitfähigkeit (oder „Dielektrizitätskonstante“) ist die Kapazität eines Stoffes, unter einem elektrischen Feld Energie zu speichern.
Im Boden befinden sich:
- Mineralpartikel
- organische Substanz
- Luft
- Wasser
und jedes dieser Bestandteile verhält sich unter einem elektrischen Feld unterschiedlich.
Wasser speichert unter einem elektrischen Feld etwa 10-mal mehr Energie als mineralische und organische Substanzen.
Je mehr Wasser sich also im Messbereich befindet, desto höher ist die Dielektrizitätskonstante.
Warum speichert Wasser so viel Energie?
Weil Wasser ein polares Molekül ist. Was bedeutet diese Aussage?
Ein Wassermolekül (H₂O) besitzt aufgrund des Bindungswinkels zwischen den Wasserstoffatomen und dem Sauerstoffatom sowie der Elektronenverteilung positive und negative Ladungszentren.
Daher gilt bei Anlegen eines elektrischen Feldes:
- Wassermoleküle versuchen sich auszurichten
- verbrauchen Energie zur Richtungsänderung
- diese Energie wird elektrisch speicherbar
Genau durch dieses Verhalten können Sensoren Wasser messen.
Wie funktionieren Sensoren für dielektrische Leitfähigkeit?
Der Sensor sendet ein elektrisches Feld in den Boden und misst die elektrische Antwort des Bodens. Mit der Änderung der Dielektrizitätskonstante ändert sich die elektrische Antwort. Anschließend führt der Sensor folgende Umwandlung durch:
Elektrisches Signal → Dielektrizitätskonstante → Volumetrischer Wassergehalt
Die in diesem Prozess verwendeten Technologien sind unterschiedlich:
Wichtigste Technologien für dielektrische Sensoren
TDR (Time Domain Reflectometry)
- Elektromagnetisches Signal wird gesendet
- Reflexionszeit wird gemessen
- Bietet hohe Genauigkeit
- In der Forschung weit verbreitet
FDR (Frequency Domain Reflectometry)
- Signale werden in verschiedenen Frequenzen gesendet
- Ist hochempfindlich
- Energieverbrauch ist niedrig
Kapazitive Sensoren
- Die Kapazitätsänderung zwischen zwei Elektroden wird gemessen
- Ist wirtschaftlich
- In landwirtschaftlichen Anwendungen verbreitet
Koaxiale Sondierungsmethoden
- Wird in industriellen Designs verwendet
- Resistent gegen Rauschen
Jede Technologie hat unterschiedliche Vorteile, daher sollte die Auswahl je nach Anwendung erfolgen.
Warum sind Temperatur, Salzgehalt und Bodenstruktur wichtig?
Die dielektrische Leitfähigkeit hängt nicht nur vom Wasser ab.
Folgende Faktoren können die Messung beeinflussen:
- Temperaturänderung
- Leitfähigkeitsänderung (insbesondere wenn der EC hoch ist)
- Tonanteil
- Menge an organischer Substanz
Aus diesem Grund wurden die Genauigkeitswerte der Hersteller unter Laborbedingungen ermittelt. Unter realen Feldbedingungen ist die Genauigkeit in der Regel geringer. Dies muss bei der Auswahl des Sensors unbedingt beachtet werden.
Wie sollte ein guter Bodenwassergehaltssensor sein?
Folgende Eigenschaften sind von kritischer Bedeutung:
Genauigkeit
- Besonders wichtig bei Analysen der Feldkapazität und des Welkepunkts.
Auflösung
- Die kleinste Änderung, die der Sensor wahrnehmen kann.
Bereich
- Messfähigkeit im Bereich trocken – gesättigt des Bodens.
Haltbarkeit
- Muss UV, Feuchtigkeit, chemischen und mechanischen Einflüssen standhalten.
Kalibrierung
- Einige Sensoren erfordern eine spezielle Kalibrierung für den Bodentyp.
Preis
- Je nach Anwendungszweck sollte ein Gleichgewicht zwischen Preis und Leistung gesucht werden.
Wie sind die technischen Spezifikationen der Hersteller zu interpretieren?
Die Genauigkeit eines Sensors wird von folgenden Elementen beeinflusst:
- Genauigkeit der elektrischen Messung
- Temperaturkompensation
- Umwandlungsfunktionen
- Anpassung an den Bodentyp
- Salzgehaltstoleranz
Beispiel:
Die Angabe „±1% volumetrische Wassergenauigkeit“ kann auf dem realen Feld oft auf ±3%–±5% ansteigen.
Zudem messen die meisten Sensoren bei niedrigen Wasserständen weniger genau.
Was ist Auflösung?
Beispiel für einen Sensor:
Wenn er eine Auflösung von 0,1% hat, kann er erkennen, wenn der Wasseranteil im Boden von 20% auf 20,1% steigt. Je höher die Auflösung, desto präziser sind die Daten.
Arbeitsbereich
Einige Hersteller geben einen Bereich von 0% – 100% an. Dies ist theoretisch. Andere sagen: 0 – 0,5 m³/m³ (dies entspricht 0%–50% Wasser). Je nach Bodentyp kann der Wassergehalt wie folgt ansteigen:
- sandiger Boden: 20%–30%
- toniger Boden: 40%–60%
- organischer Boden: 60%–70%
Wassergehalt erreichen.
Der Sensorbereich muss unbedingt zum Bodentyp passen.
Zusammenfassung
Den perfekten Sensor gibt es nicht. Es gibt den am besten geeigneten Sensor für Ihre Anwendung. Um den genauesten Sensor auswählen zu können, muss man Folgendes kennen:
- die Messtechnologie
- die dielektrische Logik
- die Umwelteinflüsse
- die Genauigkeitswerte
- die Auflösung
- die Kalibrierung
Wenn Sie diese Informationen verstehen, wird der Vergleich von Sensoren einfacher und Ihre Investition sicherer.
Bewässern Sie Ihren Boden nicht nach Schätzung, sondern nach Messung
Jeder Bodentyp speichert Wasser unterschiedlich. Um richtige Bewässerungsentscheidungen zu treffen, müssen Feldkapazität und Welkepunkt-Werte in Echtzeit gemessen werden.
Esular Bodenfeuchtesensoren überwachen kontinuierlich die volumetrischen Feuchtigkeitswerte Ihres Bodens und bieten Ihnen die Möglichkeit, zur richtigen Zeit in der richtigen Menge zu bewässern.
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