So funktioniert Bodenfeuchtemessung

Wasser - eine besondere Substanz

Wasser ist die häufigste und eine sehr spezielle chemische Verbindung auf der Erde. 70% der Erdoberfläche werden von Wasser bedeckt, auch der menschliche Körper besteht zu 60% aus Wasser. 97% des Wassers befindet sich in den Ozeanen und nur 0,001% in Wolken, Luft und Niederschlägen. Da das atmosphärische Wasser aber 37x pro Jahr umgeschlagen wird, fallen pro Jahr im weltweiten Durchschnitt gewaltige 1 m Niederschlag.

Wasser ist die Basis allen Lebens auf der Erde und seit der Antike beschäftigen sich Menschen mit Technologien, um Wasser zu nutzen.

Beschäftigt man sich mit Bodenfeuchtemessung, stellt sich schnell die Frage der Messgröße. Die Bodenfeuchte lässt sich nämlich sowohl über den Volumenanteil als auch den Gewichtsanteil von Wasser bestimmen.

Die volumetrische Feuchte (θᵥ) ist definiert als das Wasservolumen dividiert durch das gesamte Bodenvolumen.

Beispiel:
1 Liter Gartenerde mit 400 ml Wasser darin → θᵥ = 0,4 oder 40 %

Die gravimetrische Feuchte (θg) ist definiert als das Verhältnis der Wassermasse zur Gesamtmasse.

Beispiel:
1 Liter der Gartenerde aus obigem Beispiel wiegt trocken z. B. 1.200 g. Wenn 400g Wasser dazukommen, beträgt das Gesamtgewicht 1.600g und θg=400/1.600=25%

Dh ein Liter derselben Gartenerde mit 400 ml Wasser besitzt eine volumetrische Feuchte von 40%, aber eine gravimetrische von 25%.

Über einen weiten Feuchtebereich bleibt das Bodenvolumen weitgehend konstant, weil Wasser Poren und Zwischenräume füllt. Erst, wenn sehr viel Wasser verschwunden ist und die Bodenstruktur einbricht, sinkt auch das Volumen. Dann werden Trockenrisse sichtbar. Wann und inwieweit dies auftritt, ist stark bodenabhängig. Bei sandigen Böden ändert sich das Volumen auch in vollkommen trockenen Zustand kaum, weil die Partikel so groß sind. Daher ändern sich volumetrische und gravimetrische Feuchte auch stark unterschiedlich.

Fortsetzung Beispiel: werden weitere 100 ml Wasser dazugegeben, steigt die volumetrische Feuchte von 40% auf 50%. Die gravimetrische Feuchte ist jetzt 500/1.700=ca. 30%, also nur um 5%-Punkte gewachsen. Der zahlenmäßige Unterschied der volumetrischen und der gravimetrischen Meßwerte der gleichen Bodenprobe kann also beträchtlich sein.

Die folgenden Bilder zeigen schematisch, wie Wasser die Freiräume in der Erde füllt ohne das Gesamtvolumen des Bodens wesentlich zu verändern.

1. Gravimetrie (Gewichtsbestimmung)

Die Methode ist einfach und genau, aber doch aufwendig. Man benötigt dazu nur eine Waage, einen wärmebeständigen Behälter (mindestens 1/2 Liter), Gartenwerkzeug und Geduld.

Durchführung: Behälter wiegen, Bodenprobe in den Behälter füllen und wiegen. Dann die Bodenprobe trocknen, zB. an der Sonne (2-3 Tage) oder im Ofen (2-3 Stunden bei 110°) oder in der Mikrowelle. Gewicht nach Trockung bestimmen.

Die Messung ist interessant um einmalig Eigenschaften des Bodens wie Feldkapazität zu bestimmen, für den dauernden praktischen Einsatz im Garten ist sie viel zu aufwendig und langwierig.

2. Resistive Bodenfeuchtemessung

Resistive Bodenfeuchtesensoren messen den elektrischen Widerstand zwischen zwei Elektroden und damit wie gut die Umgebung elektrischen Strom leitet. Das Problem dabei ist, dass reines Wasser ein sehr schlechter Leiter ist. Erst die gelösten Salze des Bodens machen Wasser leitend. Die Messung korrelliert zwar einigermaßen mit der Wassermenge in einem bestimmten Garten, ist aber extrem bodenabhängig. Die Messung sagt viel mehr über die Menge gelöster Mineralien und Salze in der Lösung aus als über den absoluten Wassergehalt.

Dazu fließen auch kleine Ströme, was den Energieverbrauch steigert und langfristig die Elektroden durch Ablagerungen beschädigt. In geringem Maße werden auch Metalle an den Boden abgegeben.

In Summe weist die resistive Bodenfeuchtemessung viele Schwachstellen auf und ist nur bedingt zu empfehlen.

3. Kapazitive Bodenfeuchtemessung

Für das Verständnis der kapazitiven Messmethoden ist ein kleiner Ausflug in die Chemie des Wassers notwendig.

Wassermoleküle sind klein und bestehen aus einem Sauerstoffatom und zwei Wasserstoffatomen. Die Elektronen des Moleküls werden stark vom Sauerstoffatom angezogen. Daher besitzt das Molekül von außen betrachtet einen negativ geladenen Bereich um das Sauerstoffatom und einen positiv geladenen Bereich um die Wasserstoffatome. Wasser ist damit das Paradebeispiel für einen elektrischen Dipol. Das Dipolmoment des Wassers ist für viele seiner einzigartigen und lebenswichtigen Eigenschaften verantwortlich, wie zum Beispiel:

• Seine Fähigkeit, als Lösungsmittel andere polare Substanzen und Salze aufzunehmen.
• Die Bildung eine kristallähnliche Struktur, die zu seiner hohen Siedetemperatur, Oberflächenspannung und Kapillarwirkung führen.

Werden Wassermoleküle in eine elektrisch geladene Umgebung gebracht, wie zum Beispiel zwischen eine positiv und eine negativ geladene Platte (Elektroden), so richten Sie sich entgegengesetzt zur Plattenladung aus. Dies dämpft die Ladung und benötigt Energie. Dies ist im folgenden Schaubild ersichtlich:

Die Eigenschaft zur Ladungsaufnahme ist materialspezifisch und wird als Permittivität bezeichnet und mit der Permittivitätszahl gemessen. Diese beträgt bei Wasser 80 und ist wesentlich höher als bei den meisten anderen Stoffen. Zum Vergleich beträgt die Permittivitätszahl von Luft 1 und von trockener Erde zwischen 3 und 10. Wasser speichert also in sehr geringem Ausmaß Ladung wie eine Batterie. Als Batterie lässt sich Wasser natürlich nicht verwenden, aber die sich aus der Permittivität ergebenden Effekte lassen sich auf zahlreiche Methoden messen. Zu den Effekten zählen Signalverzögerung, Amplitudendämpfung, Reflexionen und weitere. Darauf basieren die kapazitiven Messverfahren. Für die konkrete technische Ausgestaltung gibt es eine Fülle von Möglichkeiten, die in 2 Gruppen eingeteilt werden.

3.1 Zeitbereichsreflektometrie

Sensoren der ersten Gruppe senden einen kurzen Signalimpuls und messen Laufzeiten des Signals oder der Reflexionen. Dafür sind hochpräzise Zeitmessungen notwendig. Allgemein wird die englische Bezeichnung TDR (Time Domain Reflectometry) verwendet. TDR Sensoren sind in der Regel groß, bieten gute Messgenauigkeit, sind aufwendig in der Installation, müssen für den Boden kalibriert werden und sind teuer.

3.2 Frequenzbereichsreflektometrie

Die zweite Gruppe kapazitiver Sensoren verwendet ein hochfrequentes Signal und misst Frequenzveränderungen bei Kontakt mit der Bodenprobe. Die meist verwendete englischen Bezeichnung lautet FDR (Frequency Domain Reflectometry). FDR Sensoren bieten gute Genauigkeit, haben eine weniger aufwendige Elektronik und sind einfacher in der Handhabung als TDR, benötigen für beste Ergebnisse eine Kalibrierung an den Boden und sind kostengünstiger als TDR.

Volumetrische Messung: kapazitive Sensoren messen die elektrische Kapazität und Permittivität des umgebenden Bodens.
Diese korreliert eng mit dem volumetrischen Wassergehalt, also dem Verhältnis von Wasservolumen zu Gesamtvolumen. Die Sensoren "sehen" dabei das gesamte elektrische Feld – also Luft, Wasser, und Feststoffe – als Mischung. Daher sind alle Messergebnisse auch bodenabhängig. So erhöhen zB Salze, Dünger und Humus die Basiskapazität des trockenen Bodens. Schwere Böden haben auch eine höhere Basiskapazität. Das heißt, dass es ohne Kalibrierung keine absolut richtige Feuchtemessung geben kann, weil der Einfluß des Bodens nicht vernachlässigbar ist.

Kalibrierung: alle kapazitiven Sensoren müssten auf den Boden kalibriert werden, will man korrekte absolute volumetrische Feuchtewerte erhalten. In der Praxis ist das aber meist nicht notwendig, weil die Messwerte eines Sensors konstant "um den Bodenfaktor" verschoben werden. Es ist nur bei der Interpretation der Ergebnisse und insbesondere bei der Bewässerungssteuerung zu berücksichtigen.

Eindringtiefe und Messbereich kapazitiver Sensoren sind auf den Bereich zwischen den Elektroden beschränkt. Dh will man großvolumige Messungen vornehmen, werden die Sensoren schnell groß und unhandlich. Die räumliche Ausdehnung ist sehr gering, da Bereiche, die wenige Zentimeter vom Fühler entfernt sind keinen relevanten Beitrag mehr leisten.

Erdkontakt: für verläßliche Messungen benötigt die Sensorfläche Kontakt mit dem Erdreich.

Beeinflussung durch Sensor: durch den Einbau des Sensors wird auch der Wasserfluss im Boden verändert. Je größer der Sensor, desto größer wird der Effekt.

Temperaturabhängigkeit: Die Permittivität von Wasser ist temperaturabhängig – z. B. beträgt sie bei 20 °C ca. 80, steigt bei 0 °C auf ca. 88 und bei 40 °C auf ca. 72. Das heißt wärmere Böden erscheinen trockener. Dieser Effekt ist unabhängig von Temperatureinflüssen auf die Elektronik und beeinflusst die Messgenauigkeit.

Die MIYO Sensoren verwenden eine eigenentwickelte FDR-Technologie zur Bodenfeuchtemessung. Dabei wird keine vorgegebene Frequenz erzeugt, sondern ein Schwingkreis nur angeregt. Der Boden ist Teil des Schwingkreises und anhängig von der Umgebungskapazität stellt sich eine Frequenz ein, die gemessen wird. Eine Messung dauert 30 Millisekunden und je niedriger die Frequenz, umso mehr Feuchtigkeit befindet sich in der Erde.

Entscheidend für die Präzision der Messung ist die korrekte Montage. Die Sensorfläche im Fuß benötigt Erdkontakt, aber nicht mit übermäßigem Druck, da die Meßwerte sonst zu hoch ausfallen.

So gehst du vor:

Grabe ein Loch mit mindestens 13 cm Tiefe. Bei Bedarf ist es auch kein Problem den Sensor tiefer einzugraben. Die obersten 3 cm sollten jedenfalls aus der Erde herausragen, da sich dort die Antenne befindet. Entferne grobe Verunreinigungen wie Holz oder Steine und streue locker eine Handvoll Erde in das gegrabene Loch. Setze den Sensor ein. Die Sensorfläche sollte Erdkontakt ohne übermäßigen Druck besitzen. Fülle das Loch wieder auf und festige den Boden. Gieße das Loch, damit sich die Erde weiter verfestigt. Fertig. In der app siehst du schon die aktuelle Bodenfeuchte.