DE19538145A1 - Optoelektronisches Verfahren zur Online-Materialfeuchtemessung von rieselfähigen Meßobjekten (z. B. Erdboden, Pflanzsubstrat, Kompost, Sand usw.) - Google Patents
Optoelektronisches Verfahren zur Online-Materialfeuchtemessung von rieselfähigen Meßobjekten (z. B. Erdboden, Pflanzsubstrat, Kompost, Sand usw.)Info
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Description
Für eine automatische Steuerung der Bewässerung z. B. von Pflanzenkulturen im Erwerbsgartenbau
oder von Sportanlagen ist eine ständige Erfassung der Bodenfeuchte (Istwert) erforderlich. Diese
Feuchtemessung erfolgt bisher vorwiegend durch sogenannte Tensiometer /1/.
Bei einem Tensiometer handelt es sich um ein luftdicht verschlossenes, mit Wasser gefülltes
Glasrohr. Das Rohr ist auf der einen Seite mit einer porösen Keramikspitze verbunden, die in das
Erdreich gesteckt wird. Da vom umgebenden Meßobjekt Wasserpartikel durch die Keramikschicht
herausgesaugt werden, entsteht ein Unterdruck im Glasrohr, der abhängig von der jeweiligen
Bodenfeuchte ist. Der Unterdruck kann mit Hilfe eines Druckschalters bzw. eines elektronischen
Unterdruck-Sensors ausgewertet werden.
Dieses Meßverfahren weist in der Praxis einige Nachteile auf:
- - Der Wasserstand im Glasrohr muß regelmäßig überprüft und gegebenenfalls mit destilliertem Wasser aufgefüllt werden.
- - Ist das Erdreich sehr stark ausgetrocknet (z. B. bei ausgefallener Wasserversorgung), wandert das gesamte Wasser aus dem Tensiometer. Es entsteht also kein Unterdruck mehr, d. h. das Tensiometer zeigt unabhängig von der tatsächlichen Feuchte einen hohen Wert an, die Bewässerung wird deshalb nicht mehr gestartet, was zu einer vollkommenen Austrocknung des Erdreiches führt.
- - Die verwendeten (elektromechanischen) Druckschalter unterliegen sehr großen Toleranzen, die die Meßgenauigkeit des Tensiometers beeinträchtigen. Neuentwickelte Tensiometer mit elektronischem Unterdruck-Sensor anstelle des Druckschalters weisen diesen Nachteil zwar nicht mehr auf, sind aber deutlich teurer.
- - Die Ansprechzeit des Tensiometers ist sehr groß, da das Wasser bei Änderungen des Feuchtewertes zuerst durch die Keramikschicht wandern muß. Die Bewässerung muß daher im Regelfall über eine zusätzliche Zeitsteuerung abgeschaltet werden.
- - Im Freien eingesetzte Tensiometer müssen vor Beginn der Frostperiode abmontiert werden, da die Keramikspitze ansonsten unter dem Druck des gefrierenden Wassers zerstört wird.
- - Der Glas- und Keramikkörper ist sehr empfindlich gegen mechanische Beanspruchung.
Die genannten Nachteile machen also eine ständige Kontrolle des Tensiometers erforderlich. Dies ist
besonders an unzugänglichen Stellen problematisch.
Weiterhin wird auch die Messung der elektrischen Leitfähigkeit des Erdbodens zur Feuchteerfassung
verwendet. Dieses Meßverfahren hat sich in der Praxis jedoch weniger bewährt, da die elektrische
Leitfähigkeit des Erdbodens stark von der Düngerkonzentration, der Temperatur, der Dichte und von
weiteren Faktoren abhängig ist. Es treten deshalb sehr starke Meßfehler auf /1/.
Neuerdings sind auch weitere Materialfeuchte-Meßverfahren in der Erprobung (Messung der
Wärmeleitfähigkeit des Erdbodens, TDR-Methode, dielektrische Messung usw.). Nach diesen
Verfahren arbeitende Meßgeräte sind jedoch sehr aufwendig und deshalb kostenintensiv.
Es besteht also die Nachfrage nach einem preiswerten, wartungsfreien Materialfeuchtesensor für das
beschriebene Anwendungsgebiet.
Neben den im vorherigen Kapitel beschriebenen Meßverfahren kann die Materialfeuchte unter andrem
auch nach der sogenannten Infrarot-Absorptions-Methode erfolgen /2/. Dabei wird mit Hilfe eines
Photometers die Reflexion infraroter Strahlung am Meßobjekt bei verschiedenen Wellenlängen
untersucht. Die Absorption langwelliger infraroter Strahlung ist dabei erheblich höher als die bei
kurzwelliger IR-Strahlung. Aus dem Verhältnis der beiden Meßwerte können Rückschlüsse auf die
Materialfeuchte gezogen werden.
Üblicherweise wird für Materialfeuchtemessungen nach diesem Verfahren eine sehr aufwendige
optische Anordnung verwendet (z. B. Drei-Wellenlängen-Transmissions-Photometer). Durch die
Verwendung von handelsüblichen Infrarot-Halbleiterbauelementen und der Beschränkung auf eine
Meßwellenlänge im nahen Infrarot-Bereich (Lambda = 850 nm-1000 nm) konnte jedoch nun ein
sehr preiswerter Feuchtesensor realisiert werden. Dabei wird die Reflexion infraroter Strahlung am
Meßobjekt (z. B. Erdboden) mittels einer Linse und einer handelsüblichen Reflex-Lichtschranke
gemessen. Der Meßkopf steckt dabei direkt im Meßgut (Bild 1). Die Absorption der infraroten
Strahlung durch Wasser ist im genannten Wellenlängenbereich jedoch noch sehr schwach.
Wesentlich stärker als die infrarote Absorption durch das Wasser wirken sich deshalb die folgenden
beiden Effekte auf das Meßergebnis aus:
- - Das Meßobjekt (z. B. Erdboden oder Pflanzsubstrat) färbt sich mit zunehmender Feuchte dunkler. Durch die Änderung der Farbtemperatur (Farbumschlag) wird bei großer Feuchte weniger IR- Strahlung reflektiert.
- - Bei einer Sättigung des Meßobjektes durch Wasser (freies Wasser vorhanden), füllen sich die Poren zwischen Linse und Pflanzsubstrat mit Flüssigkeit. Da Wasser einen ahnlichen Lichtbrechungsindex wie Glas bzw. Plexiglas besitzt (n Wasser = 1,33, n Plexiglas = 1,49), nimmt die Reflexion an der Innenseite der Linse (beim Übergang Linse-Luft bzw. Linse-Erdboden) ab. Bei eventuell vorhandenem freien Wasser wird also weniger Strahlung reflektiert. (Der Effekt kann sehr gut beobachtet werden, wenn eine Glas- bzw. Plexiglasscheibe gegen feuchten Torf gepreßt wird.)
Die drei genannten Wirkungen verstärken sich gegenseitig. Dies führt zu einer sehr großen
Empfindlichkeit (Steilheft) des Sensors. Versuche zeigten, daß die Meßgenauigkeit für Anwendungen
im Gartenbau völlig ausreichend ist. Da die Absorption nur bei einer Wellenlänge gemessen wird, ist
jedoch eine starke Abhängigkeit des Meßergebnisses vom zu untersuchenden Material vorhanden.
Weil das Meßverfahren jedoch insbesondere für die Messung von Feuchteänderungen im Erdboden
entwickelt wurde, ist dieser Nachteil von untergeordneter Bedeutung.
Nach Anpassung des Sensors an das verwendete Material (z. B. Kultursubstrat) ist die
Meßgenauigkeit dieses Sensors ausreichend hoch. Temperaturänderungen bzw. Veränderungen der
Düngerkonzentration haben im Gegensatz zu anderen Verfahren nur einen unwesentlichen Einfluß
auf das Meßergebnis. Dieses Meßverfahren kann selbstverständlich auch zur
Materialfeuchtebestimmung in anderen Anwendungsgebieten (z. B. Feuchtemessung von Sand)
herangezogen werden sofern das Meßobjekt rieselfähig ist und die Anforderungen an die
Meßgenauigkeit nicht allzu hoch sind.
In Bild 2 ist ein nach dem beschriebenen Meßverfahren arbeitender Materialfeuchte-Sensor
dargestellt.
Der durch eine IR-Sendediode bzw. Reflex-Lichtschranke erzeugte infrarote Strahlung wird über
eine Linse (z. B. aus Plexiglas) mit Tageslichtfilter auf das Meßobjekt (z. B. Erdboden) projiziert. Um
Meßfehler durch Inhomogenitäten des Meßobjektes zu vermeiden sollte dabei ein Bereich von
mindestes ca. A= 1 cm² abgedeckt werden. Die reflektierte Strahlung wird anschließend über die
selbe Linse auf das sich unmittelbar neben der IR-Sendediode liegende lichtempfindliche Element
(Fototransistor, Fotodiode usw.) zurück projiziert. Das Element muß selbstverständlich gegen direkte
Einstrahlung von der IR-Diode abgeschirmt sein. Die Zwischenräume zwischen den
optoelektronischen Bauelementen und der Linse sind mit klarem Epoxydharz verfüllt.
Das elektrische Schaltbild des Sensors (Bild 3) bietet keinerlei Besonderheiten. Das Ausgangssignal
des lichtempfindlichen Elementes wird verstärkt und steht zur Auswertung (z. B. durch einen
Rechner) zur Verfügung. Der Spannungsteilerwiderstand R2 muß an das zu messende Material (z. B.
Erde, Sand usw.) angepaßt werden. Die Ausgangsverstärkung wird R5 bestimmt.
Die Bilder 4 und 5 zeigen Kennlinien des Sensors bei verschiedenen Pflanzsubstraten. Der
Spannungsteilerwiderstand R2 betrug bei beiden Meßreihen 120K, die Ausgangsspannung wurde
nicht verstärkt (R5 wurde überbrückt, d. h. Verstärkung = 1).
/1/ Hormes, E. Tensiometer haben sich bewahrt.
Zeitschrift Deutscher Gartenbau, Heft 12, 27. März 1993, S. 752-753.
Zeitschrift Deutscher Gartenbau, Heft 12, 27. März 1993, S. 752-753.
/2/ Stahl, K. Infrarottechnik.
u. a. Hüthig Verlag, Heidelberg, 1980.
u. a. Hüthig Verlag, Heidelberg, 1980.
Claims (1)
- Bestimmung der ungeführen Materialfeuchte von rieselfähigen Meßobjekten (z. B. Erdboden, Torf, Sand, Kompost usw.) im Hochfeuchtebereich (Fm < 30 Gewichts-%) durch die Messung der Reflexion von infraroter Strahlung am Objekt, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung nur bei einer einzigen Wellenlänge im nahen Infrarotbereich erfolgt (Lambda = 850-1000 nm), die Strahlung mittels eines durchsichtigen Festkörpers (Glas, Plexiglas usw.) direkt auf das Meßobjekt übertragen wird und dabei gleichzeitig die Absorption infraroter Strahlung durch Wasser, die Veränderung der Farbtemperatur des Meßgutes (Dunkelfärbung bei zunehmender Feuchte) sowie die Veränderung des Lichtbrechungsindexes bei eventuell vorhandenem freien Wasser zur Feuchtebestimmung herangezogen werden.
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1995
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