Welcher Sensor ist der Richtige für mich?

Tensiometer messen die Tension bzw. das Matrixpotential des Wassers, mit der es an die Bodenmatrix gebunden ist. Einfach gesprochen: Sie messen die Kraft mit der Wasser an Bodenpartikeln haftet. Pflanzenwurzeln müssen saugen, um es aufnehmen zu können.

Ist der Boden nach einem Regen, - einer Bewässerung naß, so ist das Wasser frei beweglich oder frei verfügbar, - die Pflanzen brauchen keine Kraft um es aufzunehmen.

Je trockener der Boden ist, umso fester hält er das Wasser, der „Wasserstreß“ für Pflanzen steigt. Ist der Boden trockener als 15 bar verwelkt die Pflanze. Diese Kraft messen nur Tensiometer – oder Matrixpotentialsensoren. Tensiometer aber messen auch nasse – oder staunasse Böden, die Wurzeln faulen lassen. Zuviel Wasser ist also auch schlecht!

 

FD-TDR Sensoren dagegen messen den Wassergehalt (auch volumetrischen Wassergehalt). Sie zeigen die Menge Wasser an, die im Boden ist.

Ein grober Sandboden kann beispielsweise nur sehr wenig Wasser aufnehmen. Von trocken zu naß genügen also wenige Tropfen. Hier mit Wassergehaltsonden zu bewässern wäre fatal, weil schnell überwässert wird – oder der Boden schnell zu trocken wird – in einem kleinen Wassergehaltsbereich.

Ein Lehmboden kann dagegen viel Wasser aufnehmen, - er ist „toleranter“.

Tonböden dagegen sind wieder schlecht, weil sie zwar viel Wasser aufnehmen können, dieses aber so fest halten, dass Pflanzen es wieder schlecht aufnehmen können. Tonböden haben so wenig Luft, dass Wurzeln häufig faulen. Es hilft einem Farmer also nicht viel den Wassergehalt zu kennen, - außer er kennt sowohl den Boden als auch die Pflanze und weiß damit aus Erfahrung, bei welchem Wassergehaltsbereich er bewässern muss.

Tensiometer dagegen messen direkt , wie gut Wasser für Pflanzen verfügbar ist, also wie leicht von Pflanzen Wasser aufgenommen werden kann, damit diese optimal wachsen.

Und sie messen, ob der Boden zu naß ist.

Tensiometer zur direkten Messung der Bodenwasserspannung

T5

T4

T4e

T8

TS1

Alle Wasserbewegungen im Boden sind direkt abhängig von der Bodenwasserspannung, da sich das Wasser - in Böden wie auch an der Oberfläche - immer von Orten höheren Potentials zu Orten eines niedrigeren Potentials bewegt.
 
Der Großteil der Bodenwasserflüsse findet bei geringen Wasserspannungen statt, die nur mit Tensiometern direkt und genau gemessen werden können.
 
Natürlich gelagerte Böden sind heterogen. Dadurch bestimmen nicht nur Niederschlag und Verdunstung die Prozesse, sondern auch die Textur, Korngrößenverteilung, Risse, Verdichtung, Wurzeln und Hohlräume.
Tensiometer-Messungen werden  von dieser Heterogenität nicht verfälscht.

Anwendungen

  • Bewässerungssteuerung:
    T4
  • Umweltmonitoring:
    T4, T8oder TS1
  • Lysimeter-Anlagen:
    T4, T8 oder TS1
  • Punktuelle Messungen, Laboranwendung oder Pflanzentöpfe:
    T5

Vorteile

  • Tensiometer arbeiten bis 850 hPa, entsprechend pF 2.9
  • Das einzigartige T5x hat einen Messbereich von 2000 hPa
  • Alle Tensiometer T4 und T5 haben abgeglichene Signale:0 hPa = 0 mV bis +850 hPa = +85 mV
  • Tensiometer T8 und TS1 liefern verstärkte lineare Signale
  • Nahezu unzerbrechliche  homogene Sinter-Keramik Kerzen bei T4 und T8

Grenzen

  • T5 ist nicht frostbeständig
  • In trockenen Böden läuft das Tensiometer trocken.

Matrix-Potential Sensoren

MPS-6

MPS-2

Matrixsensoren bestehen aus einem definierten porösen Medium, in dem sich je nach Wasserspannung ein  Wassergehalt einstellt. Dieser kann entweder über die Messung der elektrischen Leitfähigkeit oder thermisch gemessen werden.

Anwendungen

  • Bewässerungssteuerung MPS-2
  • Wasserverfügbarkeit
  • Wissenschaftlicher Sensor MPS-6

Vorteile

  • wartungsfreier Betrieb

Grenzen

  • Nachteilig ist, dass sich der Porenraum des Sensors je nach Wasserspannung füllen und leeren muss, was je nach Bodenwasserleitfähigkeit und kapillarer Anbindung zeitverzögert und mit Hysteresefehler stattfindet.

Wassergehaltsmessung mit TDR- und FD-Verfahren

GS3

GS1

5TE

5TM

EC-5

10HS

TDR- und FD-Systeme bestimmen den Wassergehalt im Medium Boden durch Messung der dielektrischen Eigenschaften des Mediums zwischen zwei oder mehreren Elektroden.
 
Die FD-Technik bestimmt die Dielektrizitätskonstante des Mediums zwischen den Elektroden kapazitiv. Dabei wird im Prinzip die Ladezeit des Kondensators bestimmt der durch die Elektroden und die Dielektrizität des Mediums gebildet wird.
 
Die TDR-Technik (Time Domain Reflectometry) hingegen bestimmt die Laufzeit eines Pulses durch die im Medium befindlichen Elektrodenstäbe. Die Geschwindigkeit, mit der sich der elektromagnetische Puls im Medium ausbreitet, ist abhängig von dessen Dielektrizität. Im Vakuum ist diese gleich der Lichtgeschwindigkeit.
 
Die Dielektrizitätskonstante von Wasser (ca. 80) ist größer als die von Luft und Bodenbestandteilen (<3 ... 5). Dadurch ist die durch die Laufzeit bzw. Kapazität indirekt bestimmte  Dielektrizitätskonstante ein Maß für den Wassergehalt.
 
Aus messtechnischen Gründen wird in beiden Verfahren eine oszillierende Spannung einer bestimmten Frequenz angelegt, bei kapazitiven Sensoren bis 100 MHz, bei TDR-Verfahren bis 2 GHz. Der größere messtechnische Aufwand macht TDR-Systeme entsprechend teurer.
 
Alle Verfahren messen freies und undefiniert gebundenes Wasser.
 
Temperatur- und frequenzabhängige bodenphysikalische und elektro-magnetische Faktoren wie Energieverlust durch Polarisation und Leitfähigkeit, Bindung des Wassers haben je nach Verfahren unterschiedlich großen Einfluss auf das Ergebnis.
 
Weitere Einschränkungen sind die Einbaubedingungen, Definition des Volumens, Störungen im Volumen und das relativ kleine erfasste Bodenvolumen.
 
Bei zweckmäßiger Systemwahl,  sorgfältigem Einbau und ggf. bodenspezifischer Kalibration sind die Grenzen der Verfahren abschätzbar und so sinnvolle Messungen des Wassergehalts mit allen Verfahren möglich.

Anwendungen

  • Stichpunktmessungen
    obere Schichten: Theta mit Infield7b
    Profile: Diviner
    mit grafischer Auswertung: Trase
  • Bodenprofile ohne Grube:
    - EnviroSCAN, EasyAG
    - Thetaprobe mit Schaftverlängerung
  • Bewässerungssteuerung:
    - Echoprobe
    - EasyAG
  • Low-cost, Gewächshäuser:
    - Echoprobe
  • Datenloggeranwendung
    - Thetaprobe mit DL6
    - Trime mit Standardlogger
    - Echoprobe mit EM50
  • Grosse Anzahl an Sonden:
    - Trase mit Multiplexer

Einbau

Es ist großer Wert auf einen sachgerechten Einbau und guten Kontakt zum Boden zu legen. Bei allen Verfahren nimmt die Empfindlichkeit von der Staboberfläche weg exponentiell ab und ein relativ kleines Bodenvolumen wird erfasst. Mit allen zufälligen Störungen der Bodenmatrix, insbesondere Luftspalte (Quellen und Schrumpfen), reduziert sich die Genauigkeit. Durch die energiereichen Pulse erfassen TDR-Sonden ein größeres Volumen.
 

Boden

Eine bodenspezifische Kalibration reduziert den Einfluss des Bodengefüges. Für eine höhere Genauigkeit müssen insbesonders organische und tonige Böden und bei Verdichtung von <1,1 g/cm³ und >1,7 g/cm³ TDR- und FD-Sonden kalibriert werden.

Temperatur

Temperatureffekte sind zu beachten bei geringer Einbautiefe und ungeschützter Lage sowie für TDR-Verfahren in tonigen Böden. Bei FD-Verfahren ist eine geringe Temperaturabhängigkeit in Abhängigkeit vom Boden gegeben. Bei Sandböden gleichen sich die Effekte des Wassers und des Bodens in etwa aus.
Je höher die Messfrequenz, je größer der Tonanteil und der Anteil von 3-Schicht Tonen, umso größer ist die Temperaturabhängigkeit der TDR-Verfahren. Damit ist eine Analyse des zu messenden Bodens nach Tonart und Tonanteil Voraussetzung zur Bewertung der Temperaturabhängigkeit. 

Salzgehalt

Eine hohe elektrische Leitfähigkeit des Bodens schwächt bei TDR-Sonden die Reflexion ab, so dass das Ende des Wellenleiters, insbesondere bei hohen Feuchten, nicht mehr eindeutig festgestellt werden kann. Der Messfehler ist jedoch gering. Ab einer Boden-Leitfähigkeit von 3 dS/m sollten beschichtete TDR-Sondenstäbe eingesetzt werden.
Je nach Verfahren wird dieser Einfluss mehr oder weniger kompensiert.