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.)

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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.
2.1 Beschreibung des Meßverfahrens
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.
2.2 Aufbaubeschreibung des Sensors
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).
4. Literatur
/1/ Hormes, E. Tensiometer haben sich bewahrt.
Zeitschrift Deutscher Gartenbau, Heft 12, 27. März 1993, S. 752-753.
/2/ Stahl, K. Infrarottechnik.
u. a. Hüthig Verlag, Heidelberg, 1980.

Claims (1)

  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.
DE19538145A 1995-10-13 1995-10-13 Verfahren zur Bestimmung der Materialfeuchte eines rieselfähigen Materials (z.B. Erdboden, Torf, Kompost, Sand usw.) im Hochfeuchtebereich Expired - Fee Related DE19538145C2 (de)

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