DE10047937C1 - Verfahren und Tensiometer zur Bestimmung der Bodenwasserspannung - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zur Bodenwasserspannungsmessung mit optischer Abtastung eines porösen, hydrophilen Materials (3), bei dem die durch die sich ändernde Bodenwasserspannung hervorgerufenen Änderungen der Reflexionseigenschaften des porösen Materials (3) optisch vermessen werden sowie ein Tensiometer zur Durchführung des Verfahrens, bei dem ein Strahlungssender (S1) und ein Strahlungsempfänger (E1) vorgesehen sind, die das Licht auf das poröse Material (3) richten bzw. das vom porösen Material (3) reflektierte Licht empfangen. Durch das Verfahren und das Tensiometer werden die Messung und das Tensiometer wesentlich vereinfacht und der Meßbereich erheblich erweitert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Bodenwasserspannung sowie ein Tensiometer zur Durchführung des Verfahrens.

Mit Hilfe von Tensiometern ist die Bestimmung der Wasserspannung in Böden möglich. Der Begriff der Bodenwasserspannung entspricht in seiner Bedeutung den Begriffen Matrixpotential, Saugspannung und Wasserspannung. Die Boden­ wasserspannung ist ein wichtiger Parameter zur Charakterisierung des Bodenwasserhaushaltes.

Die Bodenwasserspannung ist das Maß für die Summe der Haltekräfte für das Wasser im Boden. Sie ist entscheidend für pflanzenphysiologische Untersuchungen, da Pflanzen dieses Potential überwinden müssen, um dem Boden Wasser zu entnehmen. Zugleich ist die Kenntnis der Bodenwasserspannung nötig für Wassertransport- oder Wasserhaushaltsstudien, da Wasser immer von Orten höheren Potentials zu Orten niedrigeren Potentials fließt.

Zur direkten Messung der Wasserspannung werden bisher vorzugsweise Tensiometer eingesetzt. Sie bestehen aus einem Hohlraum, der vollständig mit Wasser gefüllt ist. Dieser steht mit dem Boden über eine semipermeable Membran (vorzugsweise eine feinporöse Keramik) in Verbindung, die wasserdurchlässig ist und Gase sperrt. Diese überträgt die Bodenwasserspannung über den kapillaren Verbund auf das Tensiometerwasser, wodurch ein meßbarer atmosphärischer Unterdruck entsteht. Dieser kann z. B. mit Hilfe eines elektronischen Drucksensors gemessen und zur Anzeige gebracht - oder mit Datenloggern aufgezeichnet - werden.

Solche Tensiometer messen jedoch nur in einem eingeschränkten Messbereich (0. . . ca. 900 hPa), der durch den Dampfpunkt des Wassers begrenzt und damit wesentlich kleiner ist als der pflanzenphysiologisch relevante (0. . .15.000 hPa). Ab Erreichen des Dampfpunktes verdampft das Wasser, wodurch das Tensiometer die Bodenwasserspannung nicht mehr auf den Druckaufnehmer übertragen kann und "leerläuft". Das Wasser wird aus dem Tensiometer herausgesaugt. Ein leergelaufenes Tensiometer bedeutet jedoch einen erhöhten Wartungsaufwand, da es neu befüllt werden muß.

Die anderen zur Zeit verfügbaren Meßgeräte messen die Bodenwasserspannung indirekt und erfüllen nicht die benötigten Ansprüche an Genauigkeit, vor allem im Bereich niedriger Bodenwasserspannungen (fast gesättigter Boden).

Aus der DE 43 08 720 A1 ist ein Tensiometer mit einem in den Boden einzubringenden porösen Hohlkörper und einer Druckmeßeinrichtung bekannt.

Aus der DE 26 18 540 A1 ist eine tensiometerbasierte elektronische Bewässerungsregelung bekannt. Dabei sind auf einer T-Schiene, die als Träger und Bodenspieß dient, eine keramische Zelle, ein Druckschalter, ein Entlüftungsventil und ein Wasserbehälter montiert. Die genannten Teile sind durch Verbindungsrohre miteinander gekoppelt. Die keramische Zelle wird so weit in den Boden versenkt, wie die Wurzellage der jeweiligen Pflanzenkultur es erfordert. Beim Trocknen des Bodens tritt eine kapillare Saugspannung auf, die das Wasser aus der keramischen Zelle heraussaugt. Über ein Verbindungsrohr erfolgt ein Druckausgleich zwischen der keramischen Zelle und dem Druckschalter. Der Druckschalter dient zur Ansteuerung von Wasserventilen. Die im Tensiometer auftretenden Luftblasen werden in regelmäßigen Zeitabständen durch Öffnen eines Magnetventils aus dem System herausgelassen, wobei gleichzeitig eine automatische Wassernachfüllung erfolgt.

Aus der DE 195 38 145 A1 ist bereits ein optoelektronisches Verfahren zur Online-Materialfeuchtemessung von rieselfähigen Messobjekten wie Erdboden, Pflanzsubstrat, Kompost, Sand bekannt, bei dem die Reflexionseigenschaften eines wasserdichten Festkörpers wie Glas oder Plexiglas gemessen werden. Hierbei wird das Messobjekt mittels einer Infrarot-Reflexlichtschranke und einer im Messobjekt befindlichen Linse beleuchtet. Der Anteil der reflektierten Strahlung wird gemessen, wobei der Anteil der reflektierten Strahlung mit zunehmender Materialfeuchte abnimmt.

Aus DE 196 16 391 C2 ist ein Tensiometer bekannt, das bei Überschreiten des Meßbereiches ein 2/2-Wege-Ventil NC ansteuert. Dieses Ventil ist auf der einen Seite mit dem Meßraum des Tensiometers und auf der anderen Seite mit einem Wasserreservoir verbunden. Öffnet nun das Ventil bei der voreingestellten Bodenwasserspannung, so kann Wasser aus dem Reservoir in das Tensiometer nachfließen und der Unterdruck im Tensiometer fällt. Auf diese Weise kann der Unterdruck immer in einem Bereich gehalten werden, der Blasenbildung vermeidet. Der Meßbereich ist bei diesem Meßgerät nicht größer als bei herkömmlichen Tensiometern.

Aus DE 196 29 745 C2 ist ein Gerät bekannt, das mit Hilfe von Laufzeitmessung von elektrischen Hochfrequenzwellen im Boden den Wassergehalt bestimmt. Das ist möglich, da die Dielektrizitätskonstante e des Bodens bei der verwendeten Frequenz maßgeblich vom Wassergehalt abhängig ist. Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen mit ε^-0,5 skaliert, kann über eine Laufzeitmessung der Wassergehalt bestimmt werden. Dieses Gerät ist eingebettet in eine Matrix aus definiertem porösem Material, bei dem der Zusammenhang Wassergehalt und Bodenwasserspannung bekannt ist. Damit ist eine Messung der Bodenwasserspannung im Außenraum über eine Wassergehalts­ messung im definierten porösen Material möglich, wenn der Außenraum (Boden) in kapillarem Verbund mit dem porösen Medium steht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Meßverfahren und ein Tensiometer bereitzustellen, die es erlauben, den Meßbereich über den Meßbereich herkömmlicher Tensiometer zu erweitern. Gleichzeitig soll das Tensiometer wartungsarm (selbstbefüllend) sein. Die Meßgenauigkeit soll hoch sein, auch bei niedrigen Bodenwasserspannungen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1 beschriebene Verfahren und das im Anspruch 2 beschriebene Tensiometer gelöst.

Bevorzugte Weiterbildungen und Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Tensiometers sind Gegenstand der Patentansprüche 3 bis 22.

Ausführungsbeispiele, Funktion und Varianten des erfindungsgemäßen Tensiometers werden anhand der nachfolgenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Tensiometers,

Fig. 2 die Wasseroberfläche in einer Kapillare eines porösen, hydrophilen Materials,

Fig. 3 die Reflexion an einer planen und einer gewölbten Oberfläche,

Fig. 4 die Signalkurve bei einer Reflexionsmessung in einem Winkel von ca. 70° gegen die Normale (typischer Verlauf),

Fig. 5 die Messung in verschiedenen Winkeln,

Fig. 6 die Reflexion bei einer Anordnung mit Lichteinfall senkrecht zur Oberfläche und

Fig. 7 die Messung der Steigung des Empfängersignals bei Variation des Referenzdruckes.

Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Tensiometers mit einem Strahlungsempfänger E1 und einem Lichtsender S1, der aus einer Lichtdiode, oder einem, vorzugsweise gepulsten, Halbleiterlaser besteht. Damit Lichtsender S1 und Strahlungsempfänger E1 nur über einen möglichst kleinen Winkelbereich senden und empfangen können, sind in den Strahlengang vorzugsweise optische Bauteile wie Blenden oder Linsen in den Strahlengang eingefügt. Über ein poröses Material 3 wird der Kontakt zum Bodenwasser hergestellt. Gleichzeitig wird die Innenseite des porösen Materials 3 zur Abtastung durch die optischen Bauteile benutzt. Der Innenraum (Meßraum) 5 steht über ein Referenzluftröhrchen 8 mit der Außenluft in Verbindung. Das Röhrchen 8 wird durch einen wasserabweisenden, luftdurchlässigen Verschluß 9 geschützt. Dieser verhindert das Eindringen von Wasser in das Röhrchen 8 bei Stauwasser und kann beispielsweise aus porösem Teflon bestehen.

Das Signal gelangt vom Strahlungsempfänger E1 über eine Drahtverbindung zu einer Auswerteschaltung 4, in der es verarbeitet wird. Dazu wird vorzugsweise ein Mikrocontroller eingesetzt. Die Spitze 6 am Tensiometer erleichtert das Einbringen in den Boden. Der Schaft 7 mit variabler Länge ermöglicht den Einsatz des Sensors in verschiedenen Tiefen. Das Tensiometer ist über eine Signal- und Versorgungsleitung 10 angeschlossen. Der Schaft 7 ist mit einer Kappe 11 verschlossen.

Durch die Größe der Kapillaren des porösen Materials 3 von maximal einigen µm werden bei allen beschriebenen Messungen immer viele Kapillaren abgetastet. Die Abtastung einer einzelnen Kapillare ist technisch nur sehr schwer zu realisieren.

In Fig. 2 sind die Verhältnisse an der Oberfläche eines porösen, hydrophilen Materials dargestellt. Die anliegende Bodenwasserspannung steigt mit den Bildern von oben nach unten an. Die von den optischen Bauteilen abgetastete Oberfläche liegt in den Bildern immer oben.

Zu sehen ist hierbei, daß nicht nur die Reflexion an der Wasseroberfläche eine Rolle spielt, sondern auch die Reflexion am Material selbst, das teilweise nicht von Wasser bedeckt ist. Um diese störende Untergrundreflexion zu vermindern, können zwei Verfahren angewandt werden. Entweder durch Einfärben des porösen Materials mit einem wenig reflektierenden Farbstoff oder durch das Einsetzen von optischen Filtern, um das vom porösen Material reflektierte Licht heraus zu filtern, bzw. zu reduzieren. Als Filter kommen z. B. Polarisations- oder Interferenzfilter in Frage.

Das oberste Bild (a) in Fig. 2 zeigt schematisch die Form der Wasseroberfläche bei niedrigen Bodenwasserspannungen (nahe Sättigung). Durch die Form der sich weitenden Kapillaren ist die Oberfläche konvex gekrümmt. Steigt die Bodenwasserspannung an (b), so zieht sich die Oberfläche weiter in die Kapillare zurück. Dabei wird sie erst flacher und krümmt sich bei steigender Wasserspannung konkav nach innen (c und d). Bei sehr hohen Wasserspannungen zieht sich die Wasseroberfläche soweit zurück (d), daß sie optisch nicht mehr abtastbar ist.

Die Krümmung der Wasseroberfläche ist nicht nur eine Funktion der Bodenwasserspannung. Sie hängt zusätzlich vom Kapillardurchmesser und über die Kohäsionskräfte vom Material ab (die Kohäsionskräfte bestimmen den Randwinkel).

Das Verhalten von parallel eingestrahltem Licht bei Reflexion an einer nicht gekrümmten und einer gekrümmten Oberfläche zeigt Fig. 3. An der ebenen Oberfläche werden parallele Strahlen, wieder parallel, in gleichem Winkel, reflektiert. Ein Signal kann nur detektiert werden, wenn sich der Empfänger im ausfallenden Strahlenbündel befindet. Ist dieses Strahlenbündel eng, so erhält man ein Signal nur in einem eng begrenzten Bereich. Wird das Licht an gekrümmten Oberflächen reflektiert, so wird sich auch in anderen Winkeln/Richtungen ein Signal nachweisen lassen (Streuung). Je stärker die Krümmung ist, desto mehr wird das Bündel aufgeweitet. Dabei ist die Richtung der Krümmung (konkav oder konvex) in erster Näherung ohne Bedeutung.

In Fig. 4 ist eine exemplarische Signalkurve zu sehen. Bei niedrigen Bodenwasserspannungen steigt die Kurve mit steigender Wasserspannung erst etwas an. Bei weiter steigender Wasserspannung fällt die Kurve, bis sie sich asymptotisch einem Grenzwert annähert.

Der Anstieg bei niedrigen Wasserspannungen ist damit erklärbar, daß sich die zuerst nach oben gewölbte Wasseroberfläche ((a) in Fig. 2) beim Zurückziehen (ansteigende Bodenwasserspannung) abflacht (= Maximalwert des Signals (b) in Fig. 2) und erst dann konkav mit größer werdender Krümmung nach innen in das poröse Material wandert ((c + d) in Fig. 2). Bei welcher Bodenwasserspannung der Maximalwert auftritt, hängt vom Material des porösen Materials und der Kapillargröße ab. Von den gleichen Parametern ist es auch abhängig, wie schnell die Kurve gegen den Grenzwert läuft. Damit ist der nutzbare Meßbereich des Tensiometers über die Porengröße und das Material einstellbar.

Als weitere Variante zur Messung bietet es sich an, das Licht senkrecht auf die Oberfläche fallen zu lassen und die resultierende Winkelverteilung zu messen (Fig. 6). Je stärker die zu vermessende Oberfläche gekrümmt ist, desto mehr wird das Licht um größere Winkel abgelenkt.

Wird die Intensität des Signals nur in einem Winkel gemessen, ist die oben beschriebene Signalkurve in niedrigen Bodenwasserspannungsbereichen durch das Maximum nicht eindeutig. Diese Nichteindeutigkeit kann z. B. auf die drei nachfolgend beschriebenen Weisen behoben werden.

In (Fig. 5) ist eine Variante dargestellt, bei der unter mindestens zwei Winkeln gemessen wird. Der zweite Sender S2 und der entsprechende Empfänger E2 werden dazu unter sehr großem Winkel zur Normalen angebracht (fast 90°). Ist der Wassermeniskus konvex nach oben gekrümmt, so erhält man am Empfänger E2 ein Signal. Zieht sich der Meniskus ins Material zurück, kann bei diesem kleinen Winkel nichts mehr nachgewiesen werden. Das Signal am Empfänger E2 wird deutlich kleiner (die reflektierten Anteile von der Wasseroberfläche verschwinden). Damit ist eine Aussage möglich, ob man sich am aufsteigenden oder am abfallenden Teil der Meßkurve befindet. Um das System weiter zu vereinfachen kann auf den Sender S2 verzichtet werden.

Ebenfalls ein eindeutiges Signal und zusätzlich eine größere Meßgenauigkeit bzw. einen größeren Meßbereich erhält man durch den Einsatz von zwei oder mehr porösen Materialien unterschiedlicher Porosität. Dazu werden die Reflexionen der verschiedenen Oberflächen vermessen. Mit diesen Signalen kann z. B. ein Mikrocontroller bewerten, ob sich das Signal am aufsteigenden oder am absteigenden Teil der Meßkurven befindet.

Eine weitere Variante stellt die dynamische Messung (Fig. 7) dar, die entweder allein oder ergänzend zu den oben beschriebenen Methoden eingesetzt werden kann. Dabei dient als Signal nicht die absolute Intensität am Empfänger, sondern die Steigung der Signalkurve bei Variation der Wasserspannung. Da die Bodenwasserspannung nicht aktiv variiert werden kann, muß der Referenzdruck (normalerweise Luftdruck) variiert werden. Dabei wird eine Messung mit dem Luftdruck als Referenz durchgeführt und eine zweite mit einem definiert veränderten Druck (ca. 20 bis 50 hPa). Für die zweite Messung wird die Referenz mit einem Ventil verschlossen, und es wird (z. B. mit einer Schlauchpumpe) Überdruck im Tensiometer-Meßraum 5 erzeugt. Damit wird eine höhere Bodenwasserspannung simuliert, deren Ergebnis ausgewertet wird. Für dieses Meßprinzip muß eine Keramik eingesetzt werden, deren Bubble Point (Lufteintrittspunkt) höher als der gewünschte Meßbereich liegt.

Um eine langzeitstabile Messung durchführen zu können, muß das poröse Material auf der Innenseite, die optisch abgetastet wird, vor Befall bzw. Ansiedlung von Mikroorganismen geschützt werden. Dazu kann die Innenseite mit einem Fungizid behandelt werden. Zusätzlich bieten Schichten, z. B. aus Silber, einen guten Schutz vor dem Befall mit Mikroorganismen. Um dies auszunutzen, kann eine Silberschicht in der Keramik integriert werden.

Die optische Abtastung sollte nur kurzzeitig (gepulst) erfolgen, damit möglichen Organismen kein Licht zum Wachstum angeboten wird. Gleichzeitig kann die Wellenlänge entsprechend gewählt werden, um Befall zu minimieren (z. B. IR- Licht).

Da die Bodenwasserspannung im Gleichgewichtszustand mit der Luftfeuchte in direktem Zusammenhang steht, kann mit dem beschriebenen Meßgerät ebenfalls die Luftfeuchte in Bereichen hoher relativer Feuchte gemessen werden (ca. 99 bis 100%rF).

Claims (22)

1. Verfahren zur Bodenwasserspannungsmessung mit optischer Abtastung eines porösen, hydrophilen Materials (3), bei dem die durch die sich ändernde Bodenwasserspannung hervorgerufenen Änderungen der Reflexionseigenschaften des porösen Materials (3) optisch vermessen werden.

2. Tensiometer zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahlungssender (S1) und ein Strahlungsempfänger (E1) vorgesehen sind, die das Licht auf das poröse Material (3) richten bzw. das vom porösen Material (3) reflektierte Licht empfangen.

3. Tensiometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Strahlungssender (S 1) und Strahlungsempfänger (E1) nur in einem kleinen Winkel Licht aussenden bzw. empfangen.

4. Tensiometer nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungssender (S1) und der Strahlungsempfänger unter identischem Winkel zur Oberfläche des porösen Materials (3) montiert sind, wobei der Fokus der beiden Bauteile an einem Punkt der Oberfläche liegt.

5. Tensiometer nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungssender (S1) aus einem Halbleiterlaser besteht.

6. Tensiometer nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlungssender (S1) das Licht senkrecht auf die poröse Oberfläche des porösen Materials (3) einstrahlt.

7. Tensiometer nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung mehrere unter verschiedenen Winkeln zum porösen Material (3) angeordnete Sender (S1, S2) und/oder Empfänger (E1, E2) vorgesehen sind.

8. Tensiometer nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Signal nicht die Intensität selbst, sondern die Intensitätsänderung bei künstlichen Wasserspannungsänderungen ausgewertet wird.

9. Tensiometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ein- und Ausleitung des Lichtes Glasfaserkabel vorgesehen sind.

10. Tensiometer nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verminderung der störenden Untergrundstrahlung Polarisationsfilter vorgesehen sind.

11. Tensiometer nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere poröse Materialien (3) unterschiedlicher Porosität vorgesehen sind und die Signale von mindestens zwei unterschiedlichen Porositäten ausgewertet werden.

12. Tensiometer nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verminderung von störender Reflexion am porösen Material dieses geeignet eingefärbt ist.

13. Tensiometer nach einem der Ansprüche 2 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verminderung von störender Strahlung ein entsprechender optischer Filter eingesetzt ist.

14. Tensiometer nach einem der Ansprüche 2 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftdruck an die Meßstelle herangeführt ist (Röhrchen 8).

15. Tensiometer nach einem der Ansprüche 2 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung von Bewuchs des porösen Materials (3) durch Mikroorganismen das Material mit geeigneten Fungiziden behandelt, und/oder eine geeignete Schicht, z. B. aus Silber, in das poröse Material integriert ist.

16. Tensiometer nach einem der Ansprüche 2 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Strahlungsquelle (S1) in Bezug auf minimalen Mikroorganismenbefall optimaler Wellenlänge verwendet ist.

17. Tensiometer nach einem der Ansprüche 2 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung des Signals ein Mikrocontroller vorgesehen ist.

18. Tensiometer nach einem der Ansprüche 2 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgabe des Signals analog und/oder digital erfolgt.

19. Tensiometer nach einem der Ansprüche 2 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Material (3) aus einer Al₂O₃ Sinterkeramik besteht.

20. Tensiometer nach einem der Ansprüche 2 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßbereich über die Porosität und/oder das Material eingestellt wird.

21. Tensiometer nach einem der Ansprüche 2 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch abgetastete Oberfläche automatisch mechanisch und/oder chemisch gereinigt wird.

22. Tensiometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Tensiometer zur Messung der relativen Luftfeuchte in Bereichen hoher relativer Feuchte (nahe Sättigung) eingesetzt wird