Sådan fungerer jordfugtighedsmåling

Vand - et særligt stof

Vand er den mest almindelige og en meget speciel kemisk forbindelse på jorden. 70% af jordens overflade er dækket af vand, og den menneskelige krop består også af 60% vand. 97% af vandet findes i oceanerne, og kun 0,001% i skyer, luft og nedbør. Da det atmosfæriske vand dog cirkulerer 37 gange om året, falder der i gennemsnit hele 1 m nedbør om året på verdensplan.

Vand er grundlaget for alt liv på jorden, og siden oldtiden har mennesker beskæftiget sig med teknologier til at udnytte vand.

Når man beskæftiger sig med måling af jordfugtighed, opstår hurtigt spørgsmålet om måleparameteren. Jordfugtigheden kan nemlig bestemmes både ud fra volumenandelen og vægtandelen af vand.

Den volumetriske fugtighed (θᵥ) er defineret som vandvolumen divideret med det samlede jordvolumen.

Eksempel:
1 liter havejord med 400 ml vand deri → θᵥ = 0,4 eller 40 %

Den gravimetriske fugtighed (θg) er defineret som forholdet mellem vandmassen og den samlede masse.

Eksempel:
1 liter af havejorden fra ovenstående eksempel vejer tørt f.eks. 1.200 g. Når 400 g vand tilføjes, er den samlede vægt 1.600 g, og θg=400/1.600=25%

Det vil sige, en liter af den samme havejord med 400 ml vand har en volumetrisk fugtighed på 40%, men en gravimetrisk på 25%.

Over et bredt fugtighedsområde forbliver jordvolumenet stort set konstant, fordi vand fylder porer og mellemrum. Først når meget vand er forsvundet, og jordstrukturen bryder sammen, falder volumen også. Så bliver tørre revner synlige. Hvornår og i hvilket omfang dette sker, afhænger meget af jorden. I sandede jorde ændrer volumen sig næsten ikke, selv i helt tør tilstand, fordi partiklerne er så store. Derfor ændrer volumetrisk og gravimetrisk fugtighed sig også meget forskelligt.

Fortsættelse af eksempel: tilsættes yderligere 100 ml vand, stiger den volumetriske fugtighed fra 40% til 50%. Den gravimetriske fugtighed er nu 500/1.700=ca. 30%, altså kun vokset med 5%-point. Den numeriske forskel mellem de volumetriske og gravimetriske måleværdier for den samme jordprøve kan altså være betydelig.

De følgende billeder viser skematisk, hvordan vand fylder fritrummene i jorden uden væsentligt at ændre jordens samlede volumen.

1. Gravimetri (Vejning)

Metoden er enkel og præcis, men alligevel tidskrævende. Man behøver kun en vægt, en varmebestandig beholder (mindst 1/2 liter), haveværktøj og tålmodighed.

Fremgangsmåde: Vej beholderen, fyld jordprøven i beholderen og vej igen. Tør derefter jordprøven, f.eks. i solen (2-3 dage) eller i ovnen (2-3 timer ved 110°) eller i mikrobølgeovnen. Bestem vægten efter tørring.

Målingen er interessant for at bestemme jordens egenskaber som feltkapacitet én gang, men til permanent praktisk brug i haven er den alt for tidskrævende og langvarig.

2. Resistiv jordfugtighedsmåling

Resistive jordfugtighedssensorer måler den elektriske modstand mellem to elektroder og dermed, hvor godt omgivelserne leder elektrisk strøm. Problemet er, at rent vand er en meget dårlig leder. Det er først de opløste salte i jorden, der gør vandet ledende. Målingen korrelerer nogenlunde med mængden af vand i en bestemt have, men er ekstremt jordafhængig. Målingen siger meget mere om mængden af opløste mineraler og salte i opløsningen end om det absolutte vandindhold.

Der løber også små strømme, hvilket øger energiforbruget og på lang sigt beskadiger elektroderne gennem aflejringer. I mindre grad afgives også metaller til jorden.

Alt i alt har den resistive jordfugtighedsmåling mange svagheder og kan kun anbefales med forbehold.

3. Kapacitiv måling af jordfugtighed

For at forstå de kapacitive målemetoder er en lille afstikker til vandets kemi nødvendig.

Vandmolekyler er små og består af et oxygenatom og to hydrogenatomer. Molekylets elektroner tiltrækkes stærkt af oxygenatomet. Derfor har molekylet set udefra et negativt ladet område omkring oxygenatomet og et positivt ladet område omkring hydrogenatomerne. Vand er dermed det perfekte eksempel på en elektrisk dipol. Vandets dipolmoment er ansvarligt for mange af dets unikke og livsvigtige egenskaber, såsom:

• Dets evne til som opløsningsmiddel at optage andre polære stoffer og salte.
• Dannelsen af en krystallignende struktur, som fører til dets høje kogepunkt, overfladespænding og kapillærvirkning.

Når vandmolekyler bringes ind i et elektrisk ladet miljø, som for eksempel mellem en positivt og en negativt ladet plade (elektroder), orienterer de sig modsat pladeladningen. Dette dæmper ladningen og kræver energi. Dette ses i følgende diagram:

Egenskaben til at optage ladning er materialespecifik og kaldes permittivitet og måles med permittivitetstallet. Dette er 80 for vand og er væsentligt højere end for de fleste andre stoffer. Til sammenligning er permittivitetstallet for luft 1 og for tør jord mellem 3 og 10. Vand lagrer altså i meget begrænset omfang ladning som et batteri. Vand kan naturligvis ikke bruges som et batteri, men de effekter, der opstår på grund af permittiviteten, kan måles med mange metoder. Effekterne omfatter signalforsinkelse, amplitudedæmpning, refleksioner og flere. Disse danner grundlaget for kapacitive målemetoder. Til den konkrete tekniske udformning findes der et væld af muligheder, som inddeles i 2 grupper.

3.1 Tidsdomæne-reflektometri

Sensorer i den første gruppe udsender en kort signalimpuls og måler signalets eller refleksionernes løbetid. Dette kræver højpræcise tidsmålinger. Den engelske betegnelse TDR (Time Domain Reflectometry) anvendes generelt. TDR-sensorer er normalt store, tilbyder god målenøjagtighed, er komplekse at installere, skal kalibreres til jorden og er dyre.

3.2 Frekvensdomæne-reflektometri

Den anden gruppe af kapacitive sensorer bruger et højfrekvent signal og måler frekvensændringer ved kontakt med jordprøven. Den mest anvendte engelske betegnelse er FDR (Frequency Domain Reflectometry). FDR-sensorer tilbyder god nøjagtighed, har en mindre kompleks elektronik og er nemmere at håndtere end TDR, kræver kalibrering til jorden for bedste resultater og er billigere end TDR.

Volumetrisk måling: kapacitive sensorer måler den elektriske kapacitet og permittivitet i den omgivende jord.
Denne korrelerer tæt med volumetrisk vandindhold, altså forholdet mellem vandvolumen og totalvolumen. Sensorerne "ser" hele det elektriske felt – altså luft, vand og faste stoffer – som en blanding. Derfor er alle måleresultater også jordafhængige. For eksempel øger salte, gødning og humus basiskapaciteten i tør jord. Tunge jorde har også en højere basiskapacitet. Det betyder, at der uden kalibrering ikke kan være en absolut korrekt fugtmåling, fordi jordens indflydelse ikke kan negligeres.

Kalibrering: alle kapacitive sensorer skal kalibreres til jorden, hvis man ønsker korrekte absolutte volumetriske fugtværdier. I praksis er det dog som regel ikke nødvendigt, fordi måleværdierne fra en sensor konstant er "forskudt med jordfaktoren". Det skal kun tages i betragtning ved fortolkning af resultaterne og især ved vandingsstyring.

Indtrængningsdybde og måleområde for kapacitive sensorer er begrænset til området mellem elektroderne. Det vil sige, hvis man ønsker målinger i stort volumen, bliver sensorerne hurtigt store og uhåndterlige. Den rumlige udstrækning er meget lille, da områder få centimeter fra følerens overflade ikke bidrager væsentligt.

Jordkontakt: for pålidelige målinger kræver sensorfladen kontakt med jorden.

Indflydelse fra sensor: ved installation af sensoren ændres også vandstrømmen i jorden. Jo større sensoren er, desto større bliver effekten.

Temperaturafhængighed: Permittiviteten af vand er temperaturafhængig – f.eks. er den ved 20 °C ca. 80, stiger til ca. 88 ved 0 °C og falder til ca. 72 ved 40 °C. Det betyder, at varmere jord fremstår tørrere. Denne effekt er uafhængig af temperaturpåvirkninger på elektronikken og påvirker målenøjagtigheden.

MIYO sensorene bruger en egenudviklet FDR-teknologi til måling af jordfugtighed. Der genereres ikke en fast frekvens, men en svingningskreds bliver kun stimuleret. Jorden er en del af svingningskredsen, og afhængigt af omgivelseskapaciteten indstiller sig en frekvens, som måles. En måling tager 30 millisekunder, og jo lavere frekvensen er, desto mere fugt er der i jorden.

Det afgørende for målingens præcision er korrekt montering. Sensorfladen i bunden skal have jordkontakt, men ikke med overdreven tryk, da måleværdierne ellers bliver for høje.

Sådan gør du:

Grav et hul med mindst 13 cm dybde. Om nødvendigt er det heller ikke noget problem at grave sensor dybere ned. De øverste 3 cm bør i hvert fald stikke op af jorden, da antennen befinder sig der. Fjern grove urenheder som træ eller sten og drys løst en håndfuld jord i det gravede hul. Sæt sensor i. Sensorfladen skal have jordkontakt uden overdreven tryk. Fyld hullet op igen og fastgør jorden. Vand hullet, så jorden kan sætte sig yderligere. Færdig. I appen kan du allerede se den aktuelle jordfugtighed.