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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Wasserspannung, insbesondere in Böden oder Stückgütern, mit einer zumindest teilweise von einer porösen, wasserdurchlässigen Membran umschlossenen Messzelle und einem Sensor, wobei das Innere der Messzelle mittels wenigstens eines Druckausgleichskanals mit der Atmosphäre in Verbindung steht und im Innern der Messzelle ein Messfühler des Sensors angeordnet ist, so dass in der Messzelle stets Umgebungsdruck herrscht. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein insbesondere mittels einer solchen Vorrichtung durchführbares Verfahren zur Messung der Wasserspannung, insbesondere in Böden oder Stückgütern, wobei die Messung in einer zumindest teilweise von einer porösen, wasserdurchlässigen Membran umschlossenen Messzelle unter Freilassung wenigstens eines Druckausgleichskanals unter Umgebungsdruck durchgeführt wird.
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Die auch als Bodenwasserspannung, Saugspannung, Matrixpotenzial oder Tension bezeichnete Wasserspannung stellt eine Größe zur Beschreibung der Energieverhältnisse im Porenwasser von Böden oder beliebigen anderen Stückgütern oder Haufwerken dar, welche die hydraulische Verfügbarkeit des im Porenvolumen vorhandenen Wassers charakterisiert. In Verbindung mit der Feuchte des Stückgutes kann durch die Wasserspannung somit ein für die Porengrößenverteilung des Bodens oder Stückgutes charakteristischer Wert erhalten werden. Die Wasserspannung resultiert aus den durch die Poren des Bodens oder Stückgutes bewirkten Kapillarkräfte und lässt sich daher in Form eines Druckes ausdrücken, wobei die Wasserspannung um so größer ist, desto trockener der Boden oder das Stückgut ist bzw. desto kleiner der von Wasser benetzte Anteil des Porenvolumens ist. In Böden auftretende Wasserspannungen können dabei z. B. zwischen etwa 1 und etwa 107 mbar betragen bzw. – als dekadischer logarithmischer Wert ausgedrückt – zwischen etwa pF 0 bis etwa pF 7. Neben der Messung der Wasserspannung in Stückgütern ist grundsätzlich auch einer Erfassung derselben in Poren aufweisenden Festkörpern möglich, wie beispielsweise von Beton oder Mauerwerken allgemein, Bäumen etc.
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Die Wasserspannung oder Tension besitzt insbesondere deshalb eine hohe Aussagekraft, weil sie direkt die Bindungsenergie des Wassers in dem Boden oder Stückgut angibt. In diesem Zusammenhang sei beispielhaft erwähnt, dass Pflanzen ab einer Wasserspannung von größer etwa pF 4,2 (entsprechend 15.800 mbar, dem sogenannten permanenten Welkepunkt) kein Wasser mehr aufnehmen können, wobei bei einer solchen Wasserspannung z. B. in Tonböden noch ein Wassergehalt von etwa 30 Vol.-% vorhanden ist, während bei Sandböden bei derselben Wasserspannung nur noch ein Wassergehalt von etwa 2 Vol.-% vorhanden ist. Folglich bietet die Angabe des Wassergehaltes als solche im Gegensatz zu der Wasserspannung keine geeignete Bezugsbasis. Aus diesem Grunde werden für die Steuerung von Bewässerungssystemen vornehmlich Messverfahren zur Erfassung der Wasserspannung eingesetzt. Entsprechendes gilt für die Berechnung von Wasserbewegungen in Böden oder Stückgütern, da die Bewegung der Wassermoleküle in solchen Substraten vom Gradient der Wasserspannungen bzw. Tensionen abhängt. Folglich besitzen Verfahren zur Messung der Wasserspannung nicht nur in der Landwirtschaft, sondern auch in der Bau- und Umwelttechnik sowie insbesondere auf dem Gebiet der Hydrologie eine herausragende Bedeutung.
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Zur Messung der Wasserspannung finden insbesondere Vorrichtungen in Form von sogenannten Tensiometern verbreiteten Einsatz. Ein solches Tensionmeter umfasst eine mit einem Sensor bestückte Messzelle, welche von einer porösen, wasserdurchlässigen Membran umschlossen ist. Der Innenraum der gasdicht abgeschlossenen Messzelle ist praktisch gänzlich mit vorzugsweise entgastem Wasser befüllt. Die Messung der Wasserspannung mittels eines solchen Tensiometers erfolgt dadurch, dass die poröse, wasserdurchlässige Membran mit dem jeweiligen Boden oder Stückgut in Kontakt gebracht wird, wobei letzteres infolge der durch das Porenvolumen bewirkten Kapillarkräfte so viel Wasser aus der Messzelle durch die Membran hindurch ”ansaugt”, bis sich ein Gleichgewichtszustand eingestellt hat. Der durch das aus der gasdichten Messzelle abgezogene Wasser resultierende Unterdruck wird von dem Sensor erfasst und durch Kalibrierung in die entsprechende Wasserspannung umgerechnet. Der Sensor kann folglich von einem mechanischen oder auch einem elektronischen Manometer gebildet sein. Bei der die Messzelle umgebenden Membran handelt es sich in der Regel um eine feinporöse, insbesondere offenporigen Keramik in Kerzenform, welche über den Bereich der messbaren Druckdifferenzen mit Wasser gesättigt bleibt und vorzugsweise einen Porendurchmesser von maximal etwa 1 μm besitzt.
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Ein solches Tensiometer ist beispielsweise aus der
DE 39 11 151 A1 bekannt. Weitere Tensiometer der genannten Art sind z. B. den
CH 652 505 A5 ,
GB 1 454 674 A ,
US 3 871 211 A ,
US 6 752 007 B1 oder
US 2009/0050214 A1 zu entnehmen. Die
DE 102 02 198 A1 beschreibt eine weitere Vorrichtung zur Messung der Wasserspannung, welche nach Art eines Trockentensiometers ausgebildet ist. Das Trockentensiometer umfasst einen aus einem Faserkonvolut gebildeten Referenzkörper, welcher gemäß einer Ausführungsform im Innern eines zumindest abschnittsweise wasserdurchlässigen Gehäuses angeordnet sein kann. Letzteres ist gegen die Umgebung abgeschlossen und erfolgt die Messung der Wasserspannung wiederum mittels eines Drucksensors, dessen Messfühler ins Innere des Gehäuses hineinragt.
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Ein Vorteil von derartigen Tensiometern besteht insbesondere darin, dass die Wasserspannung relativ spontan und direkt erfasst werden kann, was eine sehr rasche Reaktion auf zeitlich wechselnde Wasserspannungen ermöglicht. Nachteilig ist indes einerseits der relativ hohe Wartungsaufwand von Tensiometern, bei welchen der Wasserstand in der Messzelle regelmäßig kontrolliert und gegebenenfalls Wasser nachgefüllt werden muss; andererseits wird der das Tensiometer unmittelbar umgebende Boden – d. h. der Bodenbereich, innerhalb dessen die Messung vorgenommen wird – insbesondere im Falle von größeren Wasserspannungswerten durch das durch die poröse Membran der Messzelle heraus diffundierende Wasser befeuchtet, was zu einer Verfälschung des Messergebnisses führt. Darüber hinaus versagen die bekannten Tensiometer bei Temperaturen unterhalb etwa 0°C, da sie aufgrund des in der Messzelle eingeschlossenen Wassers nicht frostsicher sind. Ferner weisen die Tensiometer gemäß dem Stand der Technik einen nur sehr eingeschränkten Messbereich auf, welcher unter Normaldruck bei etwa 850 mbar endet, so dass mittels solcher Tensiometer grundsätzlich nur ein relativ beschränktes Spektrum an möglichen Wasserspannungen (siehe hierzu weiter oben) erfasst werden kann. Dies liegt darin begründet, dass oberhalb einer Wasserspannung von etwa 850 mbar der sogenannten Lufteintrittspunkt der die Messzelle umschließenden porösen Membran erreicht wird, so dass durch die Membran hindurch Umgebungsluft in die Messzelle gelangt und der von dem Sensor zur Messung der Wasserspannung verwendete, charakteristische Unterdruck in der Messzelle des Tensiometers nicht mehr aufrechterhalten werden kann. Der gemessene Unterdruck nähert sich folglich trotz sehr hoher Wasserspannungen dem Wert 0 an, so dass der Sensor fälschlicherweise eine Wasserspannung im Bereich von 0 mbar angibt, die jedoch tatsächlich größer 850 mbar beträgt.
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Die
US 4 137 931 A beschreibt eine weitere Vorrichtung zur Messung von Wasserspannungen, welche eine von einer porösen, wasserdurchlässigen Membran umschlossene Messzelle umfasst, wobei als Materialien für die Membran Kunststoff, wie Polyethylen, Keramik und Gips erwähnt sind. Die Membran steht innenseitig mit einem wasseraufnahmefähigen Messmedium in Verbindung, welches von einem Granulat gebildet ist, das die Messzelle gänzlich ausfüllt. Das Messmedium wiederum steht mit einem Sensor in Kontakt, welcher zur mittelbaren Erfassung des Wassergehaltes des Messmediums ausgebildet ist. Letzteres geschieht dadurch, dass der Sensor zwei Elektroden umfasst, welche den von der Feuchtigkeit des Messmediums abhängigen Strom zwischen den Elektroden messen. Das Innere der Messzelle steht zwar mittels eines Belüftungsrohres mit der Atmosphäre in Verbindung, doch erscheint es im Hinblick auf die gänzliche Befüllung der Messzelle mit dem Granulat, in dessen Porenvolumen während der Messung das die Membran permeierende Wasser eindringt, zumindest fraglich, dass im Innern der Messzelle stets Umgebungsdruck herrscht, um die Messung unter Umgebungsdruck durchführen zu können, zumal die Messelektroden im Innern des Granulates angeordnet sind. Folglich vermag sich die keramische Membran nicht mehr im Druckgleichgewicht mit der Atmosphäre zu befinden, sondern mit dem Kapillardruck der Granulatschüttung, dessen Porengröße größer sein soll als das der Membran. Dies führt wiederum dazu, dass die Membran Feuchtigkeit aus der grobporigen Schüttung infolge Kapillarwirkung ”absaugt” und dadurch nicht nur das Messergebnis verfälscht, sondern im Innern der Schüttung, also dort, wo die Messung stattfinden, einen Unterdruck erzeugt. Hinzukommt, dass das Porenvolumen einer Granulatschüttung in der Regel relativ inhomogen ist – insbesondere im Falle von Granulatpartikeln mit nicht exakt derselben Partikelform und -größe –, so dass das Messergebnis zusätzlich durch Wasserströmungen infolge innerhalb des Porenvolumens auftretender unterschiedlicher Porengrößen verfälscht wird.
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Eine Vorrichtung zur Messung der Wasserspannung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist schließlich der
DE 100 47 937 C1 zu entnehmen. Bei dem dort beschriebenen Tensiometer findet die Messung der Wasserspannung gleichfalls unter Umgebungsdruck statt, so dass sich die poröse Membran, welche das Innere der Messzelle wasserdurchlässig mit der Umgebung verbindet, im Druckgleichgewicht mit der Atmosphäre befindet. Indes könnte ein Nachteil des bekannten Tensiometers darin bestehen, dass die sensorische Messung, welche auf den sich in Abhängigkeit von dem Wassergehalt der Membran ändernden, optischen Reflexionseigenschaften der Membran beruht, unmittelbar an der Membran stattfindet. Die Messung der Wasserspannung ist folglich auf eine solche beschränkt, bei welcher die Reflexionseigenschaften in Abhängigkeit des Wassergehaltes der Membran gemessen werden, was relativ aufwändig und störungsanfällig sein kann, sofern die exakte Relativanordnung des Sensors in Bezug auf die Membran sowie auf den Empfänger auch nur geringfügig, wie beispielsweise infolge mechanischer Stoßbelastungen während des Einsatzes, verändert werden. Darüber hinaus könnte sich jedoch insbesondere bei höheren Wasserspannungen eine Verfälschung des Messergebnisses ergeben, wenn das Bodenwasser die Membran gänzlich durchdringt und an deren Innenseite unter Bildung von Tropfen ins Innere des Sensorgehäuses eindringt. In einem solchen Betriebszustand wäre eine Messung der Wasserspannung an der Membran – sofern überhaupt möglich – mit erheblichen Messfehlern behaftet.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Messung der Wasserspannung, insbesondere in Böden oder Stückgütern, der eingangs genannten Art auf einfache und kostengünstige Weise dahingehend weiterzubilden, dass den vorgenannten Nachteilen in wirksamer Weise begegnet werden kann.
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In vorrichtungstechnischer Hinsicht wird diese Aufgabe erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung zur Messung der Wasserspannung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass auf zumindest einen Bereich der porösen, wasserdurchlässigen Membran im Innern der Messzelle ein ebenfalls mit der Atmosphäre in Verbindung stehendes, wasseraufnahmefähiges Messmedium aufgebracht ist, welches aus wenigstens einem Material aus der Gruppe der Textilien, Superabsorber und Aerogele gebildet ist und mit dem Messfühler des Sensors in Wirkverbindung steht, wobei der Sensor zur unmittelbaren oder mittelbaren Erfassung des Wassergehaltes des Messmediums ausgebildet ist.
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In verfahrenstechnischer Hinsicht sieht die Erfindung zur Lösung dieser Aufgabe ferner ein insbesondere mittels einer solchen Vorrichtung durchführbares Verfahren zur Messung der Wasserspannung der eingangs genannten Art vor, welches durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist:
- – Inkontaktbringen eines mittels des wenigstens einen Druckausgleichskanals mit der Atmosphäre in Verbindung stehenden, wasseraufnahmefähigen Messmediums aus wenigstens einem Material aus der Gruppe der Textilien, Superabsorber und Aerogele mit dem Boden oder Stückgut oder einem Festkörper unter Zwischenanordnung der porösen, wasserdurchlässigen Membran zwischen dem Messmedium und dem Boden oder Stückgut oder Festkörper; und
- – unmittelbares oder mittelbares Erfassen des Wassergehaltes des Messmediums mittels eines mit diesem über einen Messfühler wirkverbundenen Sensors.
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Da die Messzelle nicht gasdicht ausgebildet und mit Wasser befüllt ist, befindet sich im Innern der Messzelle aufgrund ihrer Verbindung mit der Atmosphäre infolge des wenigstens einen Druckausgleichskanals, welcher z.B. in Form eines aus der Messzelle herausragenden Druckausgleichsröhrchens oder einer Kapillaren gebildet sein kann, lediglich Umgebungsluft (d.h. es vermag ein permanenter Gasaustausch zwischen dem Innern der Messzelle und der Umgebung stattzufinden). Die Messung der Wasserspannung mittels des Sensors erfolgt folglich nicht anhand eines sich in der Messzelle einstellenden Unterdruckes, sondern es herrscht dort stets Umgebungsdruck, wie es als solches aus der oben erwähnten
DE 100 47 937 C1 bekannt ist. Indes beruht die erfindungsgemäße Messung der Wasserspannung auf der Ermittlung des Wassergehaltes des mit dem Sensor wirkverbundenen, wasseraufnahmefähigen Messmediums, welches ebenfalls mit der Atmosphäre in Verbindung und während der Messung in Abhängigkeit von der zu ermittelnden Wasserspannung eines jeweiligen Bodens oder Stückgutes oder auch eines Festkörpers steht. Der Wassergehalt des wasseraufnahmefähigen Messmediums stellt folglich einen mit der Wasserspannung des Bodens, Stückgutes oder Festkörpers korrelierenden Parameter dar.
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Wie eingangs angedeutet, lassen sich erfindungsgemäß Wasserspannungen nicht nur in Böden oder Stückgütern, sondern auch in solchen Festkörpern messen, welche nicht notwendigerweise aus einem Partikelhaufwerk gebildet sein müssen, wie beispielsweise in Mauerwerken, Beton, in Bäumen etc., wobei die wasserdurchlässige Membran der Messzelle außenseitig mit einem solchen Festkörper in Kontakt gebracht oder auch in eine in dem Festkörper vorzunehmende Probebohrung eingeführt werden kann. Es sei in diesem Zusammenhang ausdrücklich darauf hingewiesen, dass in den nachfolgenden Ausführungen der Einfachheit halber stets von einer Messung der Wasserspannung in Böden oder Stückgütern die Rede ist, welche im Allgemeinen das Hauptanwendungsgebiet von Tensiometern darstellt, die Erfindung aber gleichwohl auch die Messung der Wasserspannung in Festkörpern umfasst, welche nicht oder nicht ausschließlich aus mehr oder minder losen Partikeln gebildet sind.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung bietet bei einem äußerst einfachen und kostengünstigen Aufbau des Tensiometers sowie einer wartungsfreien Technik gegenüber dem Stand der Technik eine Reihe an bedeutenden Vorteilen. So können z. B. auch im Falle von hohen Wasserspannungen in einem Boden oder Stückgut die erhaltenen Messwerte nicht durch aus der Messzelle heraus diffundierendes Wasser verfälscht werden, was zu einer erheblichen Erhöhung der Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der erhaltenen Messwerte beiträgt. Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Tensiometer bei praktisch beliebigen Temperaturen einsetzbar, insbesondere auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser. Der Messbereich des erfindungsgemäßen Tensiometers ist praktisch unbegrenzt und lassen sich folglich auch weitaus höhere Wasserspannungen als etwa 850 mbar genau und reproduzierbar ermitteln, d. h. der Anwendungsbereich des erfindungsgemäßen Tensiometers erstreckt sich weitestgehend über den gesamten möglichen Bereich von etwa 1 bis etwa 10 mbar von etwa pF 0 bis etwa pF 7.
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Beim Betrieb des erfindungsgemäßen Tensiometers werden die in dem Boden oder Stückgut vorhandenen Wasserspannungen also auf die poröse Membran übertragen, wobei die jeweilige Wasserspannung aufgrund der Permeabilität der porösen Membran für Wasser dann zwangsläufig auch an der Innenseite der porösen Membran anliegt. Die mit den von der porösen Membran weitergeleiteten Wasserspannungen korrespondierende Menge an sie permeierendem Wasser wird von dem innenseitig auf die Membran eng aufgebrachten, wasseraufnahme- bzw. absorptionsfähigen Messmedium aufgenommen, so dass sich dort ein für die jeweilige Wasserspannung charakteristischer Wassergehalt eingestellt, wobei sich die Beziehung zwischen dem Wassergehalt des Messmediums und der zu ermittelnden Wasserspannung auf einfache Weise durch Kalibrieren des Tensiometers unter Verwendung von Böden oder Stückgütern mit bekannter, definierter Wasserspannung ermitteln lässt. Die ”aktive” Übertragung der Wasserspannungen von dem Boden oder Stückgut über die poröse Membran an das wasseraufnahmefähige Messmedium findet indes nur solange statt, wie die poröse Membran noch flüssiges Wasser enthält bzw. solange ihre Poren noch mit Wasser befüllt sind. Ist die poröse Membran mit Wasser gesättigt, so ist sie weitestgehend gasdicht und überträgt – ähnlich wie bei bekannten Tensiometern – die in dem Boden oder Stückgut vorhandenen Wasserspannungen direkt an das hierauf innenseitig aufgebrachte Messmedium. Aus diesem Grund steht das wasseraufnahmefähige Messmedium bereits nach sehr kurzer Zeit mit den Kapillarkräften des Bodens oder Stückgutes im Gleichgewicht und vermag der mit dem Messmedium wirkverbundene Sensor folglich sehr schnell ein genaues Messergebnis zu liefern. Ist in dem jeweiligen Messsubstrat kein flüssiges Wasser mehr enthalten und enthält die poröse Membran demzufolge kein flüssiges Wasser mehr, so ist die Membran nicht mehr gasdicht. Liegt die Wasserspannung in diesem Fall also vornehmlich gasförmig vor, so überträgt die poröse Membran die Wasserspannungen nur ”passiv” an das hierauf innenseitig aufgebrachte Messmedium, d. h. die Membran wird lediglich von gasförmigem Wasser permeiert. Da in diesem Fall nur vergleichsweise sehr kleine Mengen an gasförmigem Wasser durch die Membran hindurch diffundieren und zu dem Messmedium gelangen, vermag der Sensor gleichwohl spontan zu reagieren und liefert folglich auch hier sehr schnell ein genaues Messergebnis.
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Zumindest derjenige Bereich des wasseraufnahmefähigen Messmediums, welcher mit dem Messfühler des Sensors in Verbindung steht, sollte dabei möglichst eng flächig an die Innenseite der porösen Membran der Messzelle anliegen, um möglichst keine Barriere für das durch die poröse Membran aus dem umgebenden Boden oder Stückgut in das Messmedium eindringende Wasser zu bilden. Die Verbindung des Messmediums mit der porösen Membran kann zu diesem Zweck beispielsweise dadurch verwirklicht sein, dass sie mittels eines vorzugsweise grobmaschigen Gewebes auf die poröse Membran aufgepresst oder – z. B. im Falle einer Kunststoffmembran – oberflächig in diese eingeformt, z. B. eingegossen oder eingespritzt ist. Alternativ ist beispielsweise auch ein Einsatz von gut wasserdurchlässigen Klebern denkbar.
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Wie bereits erwähnt, handelt es sich bei den für das wasseraufnahmefähige Messmedium eingesetzten Materialien um solche mit hohem Absorptionsvermögen für Wasser, wobei gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Tensiometers vorgesehen ist, dass das wasseraufnahmefähige Messmedium von einem Textil, wie einem Vlies, Gewebe, Gestricke, Gewirke, Gelege oder dergleichen, gebildet ist. In diesem Zusammenhang kann das Textil beispielsweise Fasern aus der Gruppe Naturfasern, wie Cellulose, Baumwolle, Seide oder dergleichen, und/oder Kunststofffasern, wie Polyester-, Acrylfasern und dergleichen, aufweisen, wobei grundsätzlich je nach Abmessungen der Fasern z. B. auch mineralische oder keramische Faser einschließlich Keramik- und Glasfasern denkbar sind. Als besonders geeignet haben sich ferner Fasern mit einer Faserstärke von kleiner als etwa 1 dtex, sogenannten Mikrofasern, und insbesondere von kleiner als etwa 0,3 dtex, sogenannte Ultramikrofasern, erwiesen.
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Alternativ oder zusätzlich kommen als Materialien für das wasseraufnahmefähige Messmedium auch sogenannte Superabsorber in Betracht, welche beispielsweise in Form von feinpartikulären Granulaten, z. B. mit Partikelgrößen zwischen etwa 10 μm und etwa 5.000 μm, auf Kunststoffbasis eingesetzt werden können. Für Superabsorber geeignete Kunststoffe sind aus dem Stand der Technik bekannt und umfassen z. B. Copolymere von Acrylsäure (Propensäure) mit Alkalimetallsalzen der Acrylsäure.
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Ferner sind als Materialien für das wasseraufnahmefähige Messmedium sogenannte Aerogele denkbar, bei welchen es sich um hochporöse Festkörper handelt, z. B. mit einem Porenvolumen von bis zu etwa 90% oder bis zu etwa 95% ihres Gesamtvolumens. Derartige Aerogele können z. B. auf Basis von Silikaten, Metalloxiden oder Kunststoffpolymeren ausgebildet sein.
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Was die geometrischen Abmessungen das wasseraufnahmefähige Messmediums betrifft, so kann dieses in vorteilhafter Ausgestaltung eine Dicke kleiner etwa 30 mm, insbesondere kleiner etwa 5 mm, z. B. in einem Bereich zwischen etwa 0,5 mm und etwa 5 mm, aufweisen.
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Um für einen einwandfreien Kontakt des Messfühlers des Sensors mit dem wasseraufnahmefähigen Messmedium zu sorgen und etwaige Sperreigenschaften zwischen den genannten Komponenten zu unterbinden, kann der Messfühler des Sensors vorzugsweise zumindest teilweise in das Material des wasseraufnahmefähigen Messmediums hineinragen, wobei er beispielsweise sandwichartig in dem wasseraufnahmefähigen Messmedium aufgenommen sein kann, so dass ihn das wasseraufnahmefähige Messmedium im Wesentlichen allseitig umgibt.
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Die poröse, wasserdurchlässige Membran der Messzelle kann im Wesentlichen entsprechend der Membran von aus dem Stand der Technik bekannten Tensiometern ausgestaltet sein, wobei sie zweckmäßigerweise möglichst feinporös ausgebildet ist und vorzugsweise eine Porengröße von kleiner etwa 20 μm, insbesondere von kleiner etwa 1 μm, aufweist. Darüber hinaus sollte sie eine offenporige Struktur besitzen. Die poröse, wasserdurchlässige Membran der Messzelle kann beispielsweise aus Keramik (z. B. in Form von Glas- oder Siliziumkeramiken), Kunststoff oder Metall (z. B. in Form von Sintermetall einschließlich Stahl) gebildet sein. Ferner sind als Membranmaterialen auch Naturstoffe, wie Gips, Kalkstein, Zeolithe oder dergleichen, denkbar.
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Die poröse, wasserdurchlässige Membran der Messzelle sollte zweckmäßig eine Dicke von kleiner etwa 10 mm aufweisen, wobei sie in vorteilhafter Ausgestaltung eine Dicke von kleiner etwa 5 mm, beispielsweise zwischen etwa 0,5 mm und etwa 5 mm, aufweisen kann, so dass sie einerseits möglichst dünn ist, andererseits aber eine hinreichende Stabilität bzw. Festigkeit besitzt.
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Der Sensor kann zweckmäßig elektrisch sein, wobei gemäß einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen sein kann, dass der Sensor zur mittelbaren Erfassung des Wassergehaltes des Messmediums ausgebildet und die von dem Sensor erfasste Messgröße mit der Wasserspannung korrelierbar ist. Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich folglich dadurch aus, dass der Wassergehalt des Messmediums mittels des Sensors mittelbar anhand einer mit dem Wassergehalt des Messmediums korrelierenden Messgröße, insbesondere elektrisch, erfasst wird, wobei die zwischen der verwendeten Messgröße und dem Wassergehalt vorhandene Korrelation durch Kalibrieren erhalten wird.
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In diesem Zusammenhang kann gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Tensiometers vorgesehen sein, dass der Sensor die von dem Wassergehalt des wasseraufnahmefähigen Messmediums abhängige Wärmekapazität desselben erfasst, wobei die Wärmekapazität mit zunehmendem Wassergehalt des Messmediums zunimmt und umgekehrt. Dies kann beispielsweise mittels eines Verfahrens gemäß der
DE 101 64 018 A1 geschehen, welche hiermit ausdrücklich zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht wird.
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Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass der Sensor die von dem Wassergehalt des wasseraufnahmefähigen Messmediums abhängige Wärmeleitfähigkeit desselben erfasst, welche gleichfalls mit zunehmendem Wassergehalt des Messmediums zunimmt und umgekehrt. Lediglich exemplarisch sei in diesem Zusammenhang das sogenannte Hitzimpulsverfahren erwähnt.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass der Sensor die von dem Wassergehalt des wasseraufnahmefähigen Messmediums abhängige elektrische Leitfähigkeit desselben erfasst, welche wiederum mit zunehmendem Wassergehalt des Messmediums zunimmt und umgekehrt. Dies kann beispielsweise mittels an das Messmedium anliegender und unter elektrischer Spannung stehender Elektroden geschehen.
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Überdies kann vorgesehen sein, dass der Sensor die von dem Wassergehalt des wasseraufnahmefähigen Messmediums abhängige Dielektrizitätskonstante desselben erfasst, welche ebenfalls mit zunehmendem Wassergehalt des Messmediums zunimmt und umgekehrt. In diesem Fall kann das Messmedium beispielsweise als zwischen den Platten eines Kondensators angeordnetes Dielektrikum dienen.
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Des Weiteren ist es möglich, dass der Sensor die von dem Wassergehalt des wasseraufnahmefähigen Messmediums abhängige dielektrische Leitfähigkeit (Permittivität) desselben einschließlich der Permittivitätszahl (relative Permittivität) erfasst, welche als Quotient der Permittivität zu der elektrischen Feldkonstante ε0 (d. h. der Permittivität im Vakuum) definiert ist.
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Ferner ist es denkbar, dass der Sensor die von dem Wassergehalt des wasseraufnahmefähigen Messmediums abhängigen Reflexionseigenschaften desselben von elektromagnetischen Wellen oder elektrischen Feldern (oder auch die gleichfalls von dem Wassergehalt des wasseraufnahmefähigen Messmediums abhängigen Lauflängen von elektromagnetischen Wellen oder elektrischen Feldern in demselben) erfasst, was beispielsweise mittels Frequenzbereichsreflektometrie (FDR, Frequency Domain Reflectometry) oder Zeitbereichsreflektometrie (FDR, Time Domain Reflectometry) erfolgen kann.
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Überdies kann der Sensor z. B. zur Erfassung der von dem Wassergehalt des wasseraufnahmefähigen Messmediums abhängigen optischen Reflexionseigenschaften ausgebildet sein.
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Selbstverständlich ist es auch grundsätzlich möglich, dass der Sensor mehrere der von dem Wassergehalt des wasseraufnahmefähigen Messmediums abhängigen Messgrößen, wie insbesondere aus der vorstehend erwähnten Gruppe, erfasst, und/oder dass der Sensor eine oder mehrere sich aus mehreren solcher Messgrößen ergebende Messgröße(n) erfasst. Lediglich exemplarisch sei in diesem Zusammenhang auf die sogenannte Temperaturleitfähigkeit verwiesen, welche als Quotient der Wärmeleitfähigkeit zu der Wärmekapazität sowie zu der Dichte definiert ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Wasserspannung in Böden oder Stückgütern unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Seitenansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tensiometers in geschnittener Darstellung;
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2 eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tensiometers; und
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3 eine schematische Seitenansicht des Tensiometers gemäß 2 in teilweise geschnittener Darstellung in Richtung des Pfeils III der 2 betrachtet.
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Die in 1 schematisch wiedergegebene Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tensiometers umfasst eine Messzelle 1, welche im vorliegenden Fall etwa kerzen- oder röhrenförmig ausgestaltet ist, aber grundsätzlich eine praktisch beliebige Form besitzen kann. Die Messzelle ist im Bereich ihres in 1 unteren Endes teilweise von einer porösen, wasserdurchlässigen Membran 2 umschlossen, welche beispielsweise von einer vornehmlich offenporigen Keramikmembran mit einer Dicke von etwa 1 mm und einer mittleren Porengröße von etwa 500 nm gebildet sein kann. Die poröse Membran 2 ist an ihrem in 1 oberen Ende mit einem Träger 3, z. B. in Form eines Kunststoffrohres, verbunden, was durch Kleben oder eine beliebige andere Verbindung gewährleistet sein kann.
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Im Bereich seines der porösen Membran 2 abgewandten, in 1 oberen Endes ist der Träger 3 unter Freilassung wenigstens eines Druckausgleichskanals 4 verschlossen, so dass das Innere der Messzelle 1 mit der Atmosphäre in Verbindung steht und einen ständigen Gasaustausch ermöglicht.
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Darüber hinaus umfasst der Träger 3 in diesem Bereich einen Anschluss oder eine Durchführung 5 für die Kabel eines nicht näher dargestellten Sensors 6, welcher zur insbesondere mittelbaren Erfassung des Wassergehaltes eines im Folgenden näher erläuterten, wasseraufnahmefähigen Messmediums 7 ausgebildet ist und z. B. eine oder mehrere der oben genannten Messgrößen zu erfassen vermag, welche mit der Wasserspannung bzw. Tension in einem außenseitig mit der porösen Membran 2 in Kontakt gebrachten Boden oder Stückgut (nicht gezeigt) korreliert. Das wasseraufnahmefähige Messmedium 7 ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel auf den unteren Bereich der porösen Membran 2 innenseitig und an diese eng anliegend aufgebracht, was beispielsweise durch Aufpressen des Messmediums 7 auf die Membran 2 unter Zwischenanordnung eines als Haftvermittler dienenden, grobmaschigen Netzes geschehen kann, so dass ein unmittelbarer, flächiger Kontakt der Membran 2 mit dem Messmedium 7 sichergestellt ist. Während grundsätzlich auch andere Befestigungsarten des Messmediums 7 an der Membran 2 möglich sind, sollte jedoch stets dafür Sorge getragen werden sollte, dass ein freier Wasseraustausch zwischen der Membran 2 und dem Messmedium 7 nicht in nennenswerter Weise behindert wird. Das Messmedium 7 kann z. B. aus einer oder mehreren Lagen eines absorptionsfähigen Textils, wie in Form eines aus Mikrofasern erzeugten Vlieses oder dergleichen, gebildet sein.
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Das Messmedium 7 steht mit einem Messfühler 8 des Sensors 6 in direkter Verbindung, wobei der Messfühler 8 insbesondere zumindest teilweise in das Vliesmaterial des Messmediums 7 hineinragen kann, um einen innigen, flächigen Kontakt derselben zu gewährleisten. Die Verbindung zwischen dem Messmedium 7 und dem Messfühler 8 kann rein aufgrund von Form- oder Reibschluss gegeben sein (beispielsweise durch Aufpressen des Messfühlers 8 auf das Messmedium 7), wobei auch hier andere Verbindungsarten, wie Klebverbindungen, denkbar sind. Als geeignete, als Kleber sowohl zwischen der Membran 2 und dem Messmedium 7 als auch zwischen letzterem und dem Messfühler 8 des Sensors 6 dienende Materialien haben sich beispielsweise mit einem vorzugsweise möglichst hohen Anteil an Grobsand versetzte Kunstharze, wie beispielsweise Epoxydharze, erwiesen, welche bei einem sehr geringen Wasserwiderstand für eine einwandfreie und dauerhafte Verbindung der genannten Komponenten sorgen.
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Bei der in 2 und 3 dargestellten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Tensiometers sind identische bzw. funktionsgleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen, wobei die poröse Membran 2 in 2 durchsichtig dargestellt ist, um den Blick ins Innere der Messzelle 1 mit dem dort angeordneten wasseraufnahmefähigen Messmedium 7 freizugeben.
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Die in 2 und 3 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von dem Tensiometer gemäß 1 einerseits dadurch, dass die Messzelle 1 nicht im Wesentlichen zylindrisch, sondern flach ausgebildet ist, wobei der die poröse Membran 2 tragende Träger 3 z. B. aus einer Vergussmasse gebildet sein und die beispielsweise auf einer Platine angeordnete Elektronik des Sensors 6 gegen äußere Einwirkungen geschützt beherbergen kann. Die Verbindung des Inneren des Messzelle 1 mit der Atmosphäre geschieht hier mittels eines oder mehrerer Kapillarröhrchen 4', welches sich von der Messzelle 1 durch die Vergussmasse des Trägers 3 hindurch nach außen erstreckt. Entsprechendes gilt für Kabel oder Leitungen des Sensors 6 bzw. dessen Messfühler 8, wobei das Kapillarröhrchen 4' insbesondere in das/die Leitungen integriert sein kann. Das Kapillarröhrchen 4' kann dabei um einen beliebigen Abstand aus dem in 2 und 3 oberen Ende der Vergussmasse vorstehen, so dass das Tensiometer auch in größerer Tiefe in einen Boden oder ein Stückgut eingeführt werden kann und gleichwohl stete ein freier Gasaustausch des Innern der Messzelle 1 mit der Atmosphäre gewährleistet ist.
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Andererseits ist bei dem in 2 und 3 wiedergegebenen Ausführungsbeispiel das z. B. wiederum in Form eines Textils ausgestaltete wasseraufnahmefähige Messmedium 7 in dem Zwischenraum zwischen den im Wesentlichen plattenförmigen Keramikelementen der wasserdurchlässigen Membran 2 aufgenommen, wobei der Messfühler 8 des Sensors 6 etwa sandwichartig zwischen die Lagen des Messmediums 7 eingebettet bzw. allseitig von diesem umgeben ist, um bei einer hohen Stabilität und Dauerhaftigkeit der Verbindung zwischen dem Messmedium 7 und dem Messfühler 8 für ein minimales Maß an Barriereeigenschaften für Wasser zu sorgen. Alternativ könnte die wasserdurchlässige Membran 2 auch nur an einer Seite des Messmediums 7 (z. B. in 3 rechts oder links) angeordnet und die Messzelle 1 an der anderen Seite (z. B. in 3 links oder rechts) gasdicht abgeschlossen sein.
