Zo werkt bodemvochtmeting

Water - een bijzondere stof

Water is de meest voorkomende en een heel bijzondere chemische verbinding op aarde. 70% van het aardoppervlak is bedekt met water, ook bestaat het menselijk lichaam voor 60% uit water. 97% van het water bevindt zich in de oceanen en slechts 0,001% in wolken, lucht en neerslag. Omdat het atmosferische water echter 37 keer per jaar wordt omgezet, valt er wereldwijd gemiddeld per jaar een enorme 1 m neerslag.

Water is de basis van al het leven op aarde en sinds de oudheid houden mensen zich bezig met technologieën om water te benutten.

Als men zich bezighoudt met bodemvochtmeting, rijst snel de vraag naar de meetgrootheid. Bodemvocht kan namelijk zowel via het volumeaandeel als via het gewichtspercentage van water worden bepaald.

De volumetrische vochtigheid (θᵥ) wordt gedefinieerd als het watervolume gedeeld door het totale bodemvolume.

Voorbeeld:
1 liter tuinaarde met 400 ml water erin → θᵥ = 0,4 of 40 %

De gravimetrische vochtigheid (θg) wordt gedefinieerd als de verhouding van de watermassa tot de totale massa.

Voorbeeld:
1 liter van de tuinaarde uit het bovenstaande voorbeeld weegt droog bijvoorbeeld 1.200 g. Als er 400 g water bijkomt, bedraagt het totale gewicht 1.600 g en θg=400/1.600=25%

Dat wil zeggen, een liter van dezelfde tuinaarde met 400 ml water heeft een volumetrisch vochtgehalte van 40%, maar een gravimetrisch vochtgehalte van 25%.

Over een breed vochtigheidsbereik blijft het bodemvolume grotendeels constant, omdat water de poriën en tussenruimtes vult. Pas wanneer er heel veel water verdwenen is en de bodemstructuur instort, daalt ook het volume. Dan worden droogtescheuren zichtbaar. Wanneer en in welke mate dit optreedt, is sterk afhankelijk van de bodem. Bij zanderige bodems verandert het volume ook in volledig droge toestand nauwelijks, omdat de deeltjes zo groot zijn. Daarom veranderen volumetrische en gravimetrische vochtigheid ook sterk verschillend.

Vervolg voorbeeld: als er nog eens 100 ml water wordt toegevoegd, stijgt het volumetrische vochtgehalte van 40% naar 50%. Het gravimetrische vochtgehalte is nu 500/1.700=ca. 30%, dus slechts met 5%-punten toegenomen. Het numerieke verschil tussen de volumetrische en gravimetrische meetwaarden van hetzelfde bodemmonster kan dus aanzienlijk zijn.

De volgende afbeeldingen tonen schematisch hoe water de vrije ruimtes in de aarde vult zonder het totale volume van de bodem wezenlijk te veranderen.

1. Gravimetrie (Gewichtsbestimmung)

De methode is eenvoudig en nauwkeurig, maar toch arbeidsintensief. Je hebt alleen een weegschaal, een hittebestendige container (minimaal 1/2 liter), tuingereedschap en geduld nodig.

Uitvoering: Weeg de container, vul de bodemmonster in de container en weeg opnieuw. Droog vervolgens het bodemmonster, bijvoorbeeld in de zon (2-3 dagen) of in de oven (2-3 uur bij 110°) of in de magnetron. Bepaal het gewicht na het drogen.

De meting is interessant om eenmalig eigenschappen van de bodem zoals veldcapaciteit te bepalen, voor het voortdurende praktische gebruik in de tuin is het veel te arbeidsintensief en tijdrovend.

2. Resistieve bodemvochtmeting

Resistieve bodemvochtsensoren meten de elektrische weerstand tussen twee elektroden en daarmee hoe goed de omgeving elektrische stroom geleidt. Het probleem hierbij is dat puur water een zeer slechte geleider is. Pas de opgeloste zouten in de bodem maken water geleidend. De meting correleert wel enigszins met de hoeveelheid water in een bepaalde tuin, maar is extreem bodemafhankelijk. De meting zegt veel meer over de hoeveelheid opgeloste mineralen en zouten in de oplossing dan over het absolute watergehalte.

Er vloeien ook kleine stromen, wat het energieverbruik verhoogt en op lange termijn de elektroden door afzettingen beschadigt. In geringe mate worden ook metalen aan de bodem afgegeven.

Al met al vertoont de resistieve bodemvochtmeting veel zwakke punten en is slechts beperkt aan te bevelen.

3. Capacitatieve bodemvochtmeting

Voor het begrip van de capacitatieve meetmethoden is een kleine uitstap naar de chemie van water noodzakelijk.

Watermoleculen zijn klein en bestaan uit één zuurstofatoom en twee waterstofatomen. De elektronen van het molecuul worden sterk aangetrokken door het zuurstofatoom. Daarom heeft het molecuul van buitenaf gezien een negatief geladen gebied rond het zuurstofatoom en een positief geladen gebied rond de waterstofatomen. Water is daarmee het perfecte voorbeeld van een elektrische dipool. Het dipoolmoment van water is verantwoordelijk voor veel van zijn unieke en levensbelangrijke eigenschappen, zoals:

• Het vermogen om als oplosmiddel andere polaire stoffen en zouten op te nemen.
• De vorming van een kristalachtige structuur, die leidt tot het hoge kookpunt, de oppervlaktespanning en de capillaire werking.

Wanneer watermoleculen in een elektrisch geladen omgeving worden gebracht, zoals tussen een positief en een negatief geladen plaatje (elektroden), richten ze zich tegengesteld op de plaatlading uit. Dit dempt de lading en kost energie. Dit is te zien in de volgende afbeelding:

De eigenschap om lading op te nemen is materialspecifiek en wordt permittiviteit genoemd en gemeten met het permittiviteitsgetal. Dit bedraagt bij water 80 en is aanzienlijk hoger dan bij de meeste andere stoffen. Ter vergelijking bedraagt het permittiviteitsgetal van lucht 1 en van droge aarde tussen 3 en 10. Water slaat dus in zeer geringe mate lading op zoals een batterij. Water kan natuurlijk niet als batterij worden gebruikt, maar de effecten die voortkomen uit de permittiviteit kunnen op tal van methoden worden gemeten. Tot de effecten behoren signaalvertraging, amplitudeverzwakking, reflecties en meer. Hierop zijn de capacitieve meetmethoden gebaseerd. Voor de concrete technische uitwerking zijn er tal van mogelijkheden die in 2 groepen worden ingedeeld.

3.1 Tijdsgebiedreflectometrie

Sensoren van de eerste groep zenden een korte signaalpuls uit en meten de looptijden van het signaal of de reflecties. Hiervoor zijn zeer nauwkeurige tijdmetingen nodig. Algemeen wordt de Engelse term TDR (Time Domain Reflectometry) gebruikt. TDR-sensoren zijn meestal groot, bieden goede meetnauwkeurigheid, zijn complex in installatie, moeten op de bodem worden gekalibreerd en zijn duur.

3.2 Frequentiedomeinreflectometrie

De tweede groep capacitieve sensoren gebruikt een hoogfrequent signaal en meet frequentieveranderingen bij contact met het bodemmonster. De meest gebruikte Engelse term is FDR (Frequency Domain Reflectometry). FDR-sensoren bieden goede nauwkeurigheid, hebben minder complexe elektronica en zijn eenvoudiger in gebruik dan TDR, vereisen voor de beste resultaten een kalibratie op de bodem en zijn goedkoper dan TDR.

Volumetrische meting: kapacitieve sensoren meten de elektrische capaciteit en permittiviteit van de omringende bodem.
Deze correleert nauw met het volumetrische watergehalte, dus de verhouding van watervolume tot totaal volume. De sensoren "zien" daarbij het gehele elektrische veld – dus lucht, water en vaste stoffen – als een mengsel. Daarom zijn alle meetresultaten ook bodemafhankelijk. Zo verhogen bijvoorbeeld zouten, meststoffen en humus de basiscapaciteit van de droge bodem. Zware bodems hebben ook een hogere basiscapaciteit. Dit betekent dat er zonder kalibratie geen absoluut juiste vochtmeting kan zijn, omdat de invloed van de bodem niet verwaarloosbaar is.

Kalibratie: alle kapacitieve sensoren moeten op de bodem gekalibreerd worden als men correcte absolute volumetrische vochtwaarden wil verkrijgen. In de praktijk is dat meestal niet nodig, omdat de meetwaarden van een sensor constant "om de bodemfactor" verschoven worden. Dit moet alleen worden meegenomen bij de interpretatie van de resultaten en vooral bij de irrigatieregeling.

Indringdiepte en meetbereik van kapacitieve sensoren zijn beperkt tot het gebied tussen de elektroden. Dus als men metingen over een groot volume wil uitvoeren, worden de sensoren snel groot en onhandig. De ruimtelijke omvang is zeer klein, omdat gebieden die enkele centimeters van de sensor verwijderd zijn geen relevante bijdrage meer leveren.

Grondcontact: voor betrouwbare metingen heeft het sensoroppervlak contact met de grond nodig.

Beïnvloeding door sensor: door de plaatsing van de sensor wordt ook de waterstroom in de bodem veranderd. Hoe groter de sensor, hoe groter het effect.

Temperatuurafhankelijkheid: De permittiviteit van water is temperatuurafhankelijk – bijvoorbeeld bedraagt deze bij 20 °C ca. 80, stijgt bij 0 °C tot ca. 88 en bij 40 °C tot ca. 72. Dit betekent dat warmere bodems droger lijken. Dit effect is onafhankelijk van temperatuurinvloeden op de elektronica en beïnvloedt de meetnauwkeurigheid.

De MIYO sensoren gebruiken een zelfontwikkelde FDR-technologie voor bodemvochtmeting. Hierbij wordt geen vaste frequentie opgewekt, maar wordt een resonantiekring alleen aangestuurd. De bodem maakt deel uit van de resonantiekring en afhankelijk van de omgevingscapaciteit stelt zich een frequentie in die wordt gemeten. Een meting duurt 30 milliseconden en hoe lager de frequentie, hoe meer vocht zich in de aarde bevindt.

Beslissend voor de nauwkeurigheid van de meting is de correcte montage. Het sensoroppervlak aan de voet heeft contact met de aarde nodig, maar niet met overmatige druk, omdat anders de meetwaarden te hoog uitvallen.

Zo ga je te werk:

Graaf een gat van minstens 13 cm diep. Indien nodig is het ook geen probleem om de sensor dieper te begraven. De bovenste 3 cm moeten in ieder geval uit de grond steken, omdat daar de antenne zich bevindt. Verwijder grove verontreinigingen zoals hout of stenen en strooi losjes een handvol aarde in het gegraven gat. Plaats de sensor. Het sensoroppervlak moet contact met de aarde hebben zonder overmatige druk. Vul het gat weer op en verstevig de bodem. Giet het gat zodat de aarde verder verdicht. Klaar. In de app zie je al de actuele bodemvochtigheid.