DE19714586A1

DE19714586A1 - Tensiometer

Info

Publication number: DE19714586A1
Application number: DE1997114586
Authority: DE
Inventors: Rudolph Prof Dr Ehwald; Juergen Dr Frensch; Kai-Christian Peters
Original assignee: PETERS KAI CHRISTIAN
Current assignee: PETERS KAI CHRISTIAN
Priority date: 1997-04-09
Filing date: 1997-04-09
Publication date: 1998-10-15

Abstract

The tensiometer, to measure the water or matrix potential of vegetation in wet ground or the atmosphere in an enclosed room, has a hollow fibre with a water-permeable wall. Alone, or in conjunction with an additional zone, it forms a measurement chamber which is filled with water or a watery polymer solution.

Description

Die Erfindung betrifft ein Tensiometer mit erweitertem Druckmeßbereich. Anwendungsgebiete sind die Bewässerungskontrolle die gärtnerisch-landwirtschaftliche, pflanzenphysiologische und ökologische Forschung. Die Meßgröße ist wie bei einem herkömmlichen Tensiometer die Druckdifferenz zwischen der in einer Meßkammer eingeschlossenen Flüssigkeit und der Atmosphäre; der Meßbereich wird durch Besonderheiten der Meßkammergestaltung erweitert. Das erfindungsgemäße Tensiometer kann für den Flüssigkeitsaustausch oder den isothermen Dampfaustausch ausgelegt werden. Im ersten Fall registriert es das Matrixpotential einer quellfälligen Matrix oder den partiellen osmotischen Druck kolloidaler Teilchen in einem quellfähigen wäßrigen Sol, im zweiten Fall das Gesamtwasserpotential.The invention relates to a tensiometer with an expanded pressure measuring range. application areas irrigation control is the horticultural-agricultural, plant-physiological and ecological research. The measured variable is like a conventional tensiometer Pressure difference between the liquid enclosed in a measuring chamber and the The atmosphere; the measuring range is extended by special features of the measuring chamber design. The tensiometer according to the invention can be used for liquid exchange or isothermal Steam exchange can be designed. In the first case, it registers the matrix potential of one swellable matrix or the partial osmotic pressure of colloidal particles in one swellable aqueous sol, in the second case the total water potential.

Tensiometer (z. B. erhältlich von der Firma Soil Moisture Equipment, Santa Barbara, California, USA) finden vor allem Anwendung bei der Messung des Matrixpotentials im Boden oder gärtnerischen Erden. Das Matrixpotential ist für die Pflanzenverfügbarkeit des Bodenwassers ausschlaggebend. Es hat die Dimension eines (negativen) Druckes und entspricht der volumenbezogenen Abweichung der freien Enthalpie der in einer Matrix absorbierten wäßrigen Lösung vom Bezugswert, der durch die freie Enthalpie der gleichen Lösung außerhalb der Matrix bei gleichem Niveau im Schwerefeld, gleicher Temperatur und Atmosphärendruck repräsentiert wird. Im ungesättigten Boden wird das Matrixpotential vor allem dadurch erniedrigt, daß die Bodenlösung auf mehr oder weniger feine Kapillaren oder hydrophile Oberflächen beschränkt ist und hier gegenüber der Atmosphäre unter Spannung steht, was sich in mehr oder weniger gekrümmten Menisken äußert. Das Matrixpotential läßt sich aufgrund der Komplexität der Bodenteilchen und Kolloide nur schwer voraussagen und wird daher in bodenphysikalischen Untersuchungen gemessen (z. B. Hartge, K.H., Einführung in die Bodenphysik, Enke Verlag, Stuttgart, 1978; Kramer, P.J., Boyer, J.S., Water relations of plants and soils, Academic Press, San Diego, 1995). Die bisher für den Einsatz an Ort und Stelle entwickelten Tensiometer bestehen meist aus einem Keramikhohlkörper, der Saugkerze, an den über ein Rohr ein Manometer angeschlossen ist. Zur Messung wird der gesamte Hohlraum blasenfrei mit Wasser gefüllt und im Boden installiert. Das Manometer mißt die Differenz zwischen dem hydrostatischen Druckes im Meßraum und dem Atmosphärendruck (Unterdruck). Mit abnehmendem Bodenwassergehalt entwickelt der Boden eine Saugspannung an der porösen wassergesättigten Wand, so daß auf Grund der Kohäsion im Lumen der Saugkerze ein meßbarer Unterdruck entsteht. Da die Keramikwand der Tensiometerkerze mit der Bodenlösung kommuniziert und für die gelösten Stoffe der Bodenlösung keine semipermeable Barriere darstellt, entspricht nach Gleichgewichtseinstellung die (negative) Abweichung des Tensiometerdruckes vom Atmosphärendruck dem Matrixpotential des Bodens. Ist der Boden mit Wasser oder einer Nährlösung gesättigt, triff kein Unterdruck im Tensiometer auf, sein Matrixpotential ist 0. Die üblichen Tensiometer arbeiten etwa bis zu einem Bodenmatrixpotential von -0,08 MPa. Stärker negative Werte des Matrixpotentials bewirken das Eindringen von Gasblasen in die Saugkerze oder deren Entstehung im Lumen der Saugkerze auf Grund von Kavitation (Bildung einer Dampf- oder Gasblase durch Erweiterung eines submikroskopischen Gaskeimes), was zum Ausfall des Meßgerätes führt. Der geringe Meßbereich von ca. 0,08 MPa beschränkt den Einsatz des Tensiometers auf Untersuchungen an sehr feuchten Böden, in denen das Pflanzenwachstum noch nicht durch den Wasserfaktor limitiert ist. Der Wassergehalt des Bodens, bei dem Pflanzen permanent welken (Welkepunkt) ist bei einem sehr viel niedrigeren Matrixpotential (1,5 MPa) erreicht. Das Matrixpotential des Bodens im mit einem suboptimalen Wassergehalt, der Wassermangel in der Pflanze nicht verhindert, kann gegenwärtig nur im Labor mit dem Druck-Membranapparat gemessen werden. Die Einschränkung des Meßbereichs ist ein beträchtlicher Nachteil des herkömmlichen Tensiometers. Weitere Nachteile des herkömmlichen Tensiometers sind (a) eine relativ lange Reaktionszeit nach einer Änderungen des Bodenwasserzustandes und (b) eine geringe räumliche Auflösung aufgrund der Größe der Saugkerze. Die Miniaturisierung des Tensiometers ("Mikrotensiometer", Vetterlein, D., Marschner, H., Horn, R., Plant and Soil, Vol. 149 : 263-273, 1993) bedingt zwar eine kürzere Ansprechzeit und höhere räumliche Auflösung des Gerätes; jedoch bleibt die Limitierung durch den geringen Meßbereich erhalten.Tensiometer (e.g. available from Soil Moisture Equipment, Santa Barbara, California, USA) are mainly used to measure the matrix potential in the Soil or horticultural soil. The matrix potential is for the plant availability of the Soil water is crucial. It has the dimension of a (negative) pressure and corresponds the volume-related deviation of the free enthalpy of those absorbed in a matrix aqueous solution from the reference value by the free enthalpy of the same solution outside the matrix at the same level in the gravitational field, same temperature and Atmospheric pressure is represented. The matrix potential is present in unsaturated soil all reduced by the fact that the soil solution on more or less fine capillaries or hydrophilic surfaces is limited and here under tension to the atmosphere is what is expressed in more or less curved menisci. The matrix potential leaves are difficult to predict due to the complexity of the soil particles and colloids and is therefore measured in soil physics studies (e.g. Hartge, K.H., Introduction in Soil Physics, Enke Verlag, Stuttgart, 1978; Kramer, P.J., Boyer, J.S., Water relations of plants and soils, Academic Press, San Diego, 1995). So far for use on site and Tensiometers developed mostly consist of a ceramic hollow body, the suction candle, to which a manometer is connected via a pipe. The entire Cavity filled with water without bubbles and installed in the floor. The manometer measures that Difference between the hydrostatic pressure in the measuring room and the atmospheric pressure (Vacuum). As the soil water content decreases, the soil develops a suction tension on the porous water-saturated wall, so that due to the cohesion in the lumen of the Suction candle creates a measurable negative pressure. Since the ceramic wall of the tensiometer candle with communicates with the soil solution and none for the solutes in the soil solution represents semi-permeable barrier, corresponds to the (negative) Deviation of tensiometer pressure from atmospheric pressure to the matrix potential of the soil. If the soil is saturated with water or a nutrient solution, there is no negative pressure in the tensiometer on, its matrix potential is 0. The usual tensiometers work up to about one Soil matrix potential of -0.08 MPa. Effect more negative values of the matrix potential the penetration of gas bubbles into the suction candle or their formation in the lumen of the suction candle due to cavitation (formation of a vapor or gas bubble by expanding a submicroscopic gas germs), which leads to failure of the measuring device. The little one Measuring range of approx. 0.08 MPa limits the use of the tensiometer to examinations very moist soils in which plant growth is not yet due to the water factor is limited. The water content of the soil at which plants permanently wither (wilting point) is achieved at a much lower matrix potential (1.5 MPa). The matrix potential of the Soil with a suboptimal water content, the lack of water in the plant is not prevented, can currently only be measured in the laboratory with the pressure membrane apparatus will. The limitation of the measuring range is a considerable disadvantage of the conventional one Tensiometers. Other disadvantages of the conventional tensiometer are (a) a relatively long one Response time after a change in the soil water condition and (b) a small spatial Resolution due to the size of the suction candle. Miniaturization of the tensiometer ("Microtensiometer", Vetterlein, D., Marschner, H., Horn, R., Plant and Soil, Vol. 149: 263-273, 1993) requires a shorter response time and higher spatial resolution of the Device; however, the limitation remains due to the small measuring range.

Diese Limitierung begrenzt außerdem die grundsätzlich gegebene Anwendungsmöglichkeiten des Tensiometerprinzips für Wasserpotentialmessungen durch isothermen Wasserdampfaustausch. Befindet sich ein Tensiometer in einem wasserdampfhaltigen Raum, dessen Dampfdruck leicht vom Sättigungsdampfdruck abweicht, entsteht durch Verdunstung in den Kapillaren der porösen Wand ein Unterdruck (im Vergleich zur Atmosphäre). Dieser Unterdruck entspricht im thermodynamischen Gleichgewicht dem Wasserpotential der Atmosphäre. Das Tensiometerprinzip ist daher grundsätzlich für die Messung von Wasserpotentialen geeignet. Allerdings kommt auch hier beim herkömmlichen Tensiometer nur der Meßbereich zwischen dem Wert 0 und -0,08 MPa in Frage. Da herkömmliche Tensiometer außerdem auf Grund ihrer Größe den relativen Dampfdruck eines sehr großen Gasraumes bestimmen oder stark beeinflussen, wird das Tensiometerprinzip trotz seiner im Vergleich zu anderen Methoden theoretisch sehr hohen Empfindlichkeit in der Praxis nicht für die Messung des Wasserpotentials von Pflanzen- und Bodenproben oder Lösungen durch isothermen Wasserdampfaustausch eingesetzt.This limitation also limits the fundamentally given Possible applications of the tensiometer principle for water potential measurements isothermal water vapor exchange. There is a tensiometer in one room containing water vapor, the vapor pressure of which deviates slightly from the saturated vapor pressure, Evaporation creates a vacuum in the capillaries of the porous wall (in comparison to the atmosphere). This negative pressure corresponds to that in the thermodynamic equilibrium Water potential of the atmosphere. The tensiometer principle is therefore basically for the Suitable for measuring water potential. However, here too comes the conventional Tensiometer only the measuring range between the value 0 and -0.08 MPa in question. There conventional tensiometers also have a relative vapor pressure due to their size very large gas space determine or strongly influence, the tensiometer principle will its theoretically very high sensitivity in practice compared to other methods not for measuring the water potential of plant and soil samples or solutions used by isothermal water vapor exchange.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Tensiometer mit vergrößertem Meßbereich bereitzustellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Hohlfaser-Ten siometer gelöst. Es besitzt folgende Merkmale: Eine englumige Hohlfaser mit hydrophiler wasserdurchlässiger Wand bildet allein oder gemeinsam mit einer zusätzlichen Kammer einen Meßraum, der mit Wasser oder einer wäßrigen Polymerlösung gefüllt ist und ausschließlich über feine, lichtmikroskopisch nicht mehr auflösbare und mit einer wäßrigen Lösung oder Wasser gefüllte hydrophile Poren oder Konvektionskanäle in Flüssigkeitsaustausch oder Wasserdampfaustausch mit der Umgebung treten. Im Meßraum befindet sich ein Druckwandler. Die Hohlfasermembran ist dehnungs- oder druckfest in dem Sinne, daß sich das Kammervolumen im Meßbereich des Gerätes bei Änderungen der Druckdifferenz zwischen Meßkammer und Atmosphäre um weniger als 10% ändert, wenn diese Druckdifferenz 0,1 MPa beträgt. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, daß sich das erfindungsgemäße Tensiometer für Messungen des Matrixpotentials in einem Meßbereich eignet, der weit über den von den bekannten Tensiometern möglichen hinausgeht. Das Wesen der Erfindung besteht in der Kombination bekannter und neuer Elemente, die zu dem unerwarteten Gesamterfolg geführt haben.The invention has for its object a tensiometer with an enlarged Provide measuring range. This object is achieved by a hollow fiber ten siometer solved. It has the following features: A narrow-bore hollow fiber with hydrophilic water-permeable wall forms one alone or together with an additional chamber Measuring room which is filled with water or an aqueous polymer solution and exclusively About fine, no longer resolvable by light microscopy and with an aqueous solution or Water-filled hydrophilic pores or convection channels in fluid exchange or Water vapor exchange with the environment. There is a in the measuring room Pressure transducer. The hollow fiber membrane is resistant to expansion or pressure in the sense that the Chamber volume in the measuring range of the device with changes in the pressure difference between Measuring chamber and atmosphere changes by less than 10% when this pressure difference is 0.1 MPa is. It has surprisingly been found that the invention Tensiometer is suitable for measurements of the matrix potential in a measuring range that is far above goes beyond that of the known tensiometers. The essence of the invention is in the combination of known and new elements that lead to the unexpected overall success have led.

Die Verwendung einer englumigen, flexiblen Hohlfaser mit hydrophiler Wand anstelle eines Keramikkörpers ist in verschiedener Hinsicht vorteilhaft. Es sind verschiedene Typen von Hohlfasern, die für Dialyse- und Ultrafiltrationszwecke entwickelt wurden, auf dem Markt, so daß aus einer Palette von Produkten, die aus unterschiedlichem Material bestehen und unterschiedliche Dimensionen aufweisen, ausgewählt werden kann. Industriell gefertigte Hohlfasern besitzen, selbst wenn sie aus gequollenem hydrophilen Material bestehen, eine unerwartet hohe mechanische Stabilität. Dies wird am beigefügten Beispiel deutlich. Es überrascht, daß in englumigen hydrophilen Dialyse-Hohlfasern, denen durch Verdunstung, Osmose oder Kohäsion Wasser entzogen wurde, ähnlich wie in den Xylemgefäßen transpirierender Pflanzen, selbst bei negativen Absolutwerten des Druckes (negative Differenz zum Atmosphärendruck über 0,1 MPa) keine Kavitation (Entstehung einer Blase aus Wasserdampf oder gelösten Gasen) eintritt. Auf Grund dieser Eigenschaft können Hohlfasern aus hydrophilem Material für Messungen des Wasserpotentials oder Matrixpotentials in Luft und Boden in einem wesentlich größeren Druckintervall eingesetzt werden als die bisher üblichen Tensiometer. Das Eindringen von Luft in den Meßraum wird dadurch verhindert, daß das erfindungsgemäße Tensiometer eine sehr feinporige Begrenzung besitzt, die im gequollenen Zustand eine extrem hohe Gasdurchbruchsspannung bedingt. Es ist aus den Kapillargesetzen ableitbar, daß die Gasdurchbruchsspannung größer als 1 MPa ist, wenn in der Hohlfasermembran alle Poren oder Konvektionskanäle hydrophil (Randwinkel nahe 0°) und nicht weiter als 300 nm sind. Wie in den Xylemelementen der Pflanzen wird die Kavitation selbst bei starken Kohäsionsspannungen zu einem sehr unwahrscheinlichen Vorgang, weil der Innenraum der Meßkammer ein sehr kleines Lumen, eine geringe Weite und eine hydrophile innere Oberfläche besitzt. Aus der Pflanzenphysiologie ist seit langem bekannt, daß in englumigen Tracheiden und toten Zellen mit verholzter, poröser Wand besonders hohe Kohäsionsspannungen (über 30 MPa) auftreten können. Aus technischen Gründen und wegen des Widerstandes für den axialen Wassertransport sind kommerzielle Hohlfasern mit sehr engem Durchmesser des inneren Lumens, z. B. 20 µm, nicht erhältlich. Die Erfindung beschränkt sich daher nicht auf die Verwendung kommerzieller Hohlfasern, sondern bezieht sich auch auf die bisher wohl selten oder nicht realisierte, aber technisch mögliche Sonderanfertigung besonders englumiger Fasern, z. B. aus porösem Glas oder Zellulose, und die ebenfalls technisch mögliche Verwendung von Hohlfasern, deren Membran durch die Zellwand einer Pflanze oder eines Pilzes gebildet wird (z. B. Hohlfaserpräparationen aus Xylemgefäßen, deproteinierten Grün- oder Armleuchteralgen oder Pilzhyphen).The use of a narrow, flexible hollow fiber with a hydrophilic wall instead A ceramic body is advantageous in several ways. There are different types of Hollow fibers that have been developed for dialysis and ultrafiltration purposes on the market, so that from a range of products that consist of different materials and have different dimensions, can be selected. Industrially manufactured Hollow fibers, even if they are made of swollen hydrophilic material, have one unexpectedly high mechanical stability. This is clear from the attached example. It Surprised that in narrow-bore hydrophilic dialysis hollow fibers, which are caused by evaporation, Osmosis or cohesion was withdrawn, similar to that in the xylem vessels perspiring plants, even with negative absolute values of pressure (negative difference at atmospheric pressure above 0.1 MPa) no cavitation (formation of a bubble from Water vapor or dissolved gases) occurs. Because of this property, hollow fibers Made of hydrophilic material for measurements of the water potential or matrix potential in air and floor are used in a much larger pressure interval than that previously usual tensiometer. The penetration of air into the measuring room is prevented by the tensiometer according to the invention has a very fine-pored limitation, which in swollen condition causes an extremely high gas breakdown voltage. It is from the Capillary laws deduce that the gas breakdown voltage is greater than 1 MPa when in the hollow fiber membrane all pores or convection channels hydrophilic (contact angle close to 0 °) and are no further than 300 nm. Cavitation is like in the xylem elements of plants a very unlikely event even with strong cohesion tensions because of the Interior of the measuring chamber has a very small lumen, a small width and a hydrophilic has inner surface. It has long been known from plant physiology that in high-volume English tracheids and dead cells with a woody, porous wall Cohesion stresses (over 30 MPa) can occur. For technical reasons and because of resistance for axial water transport are commercial hollow fibers with very narrow diameter of the inner lumen, e.g. B. 20 microns, not available. The invention is therefore not limited to the use of commercial hollow fibers, but relates also the so far rarely or not realized, but technically possible Custom-made especially narrow fibers, e.g. B. made of porous glass or cellulose, and the also technically possible use of hollow fibers, the membrane of which Cell wall of a plant or a fungus is formed (e.g. hollow fiber preparations from Xylem vessels, deproteinized green or candlestick algae or fungal hyphae).

Die Verwendung einer Dialyse-Hohlfaser mit semipermeabler Membran, die für Wasser durchlässig, für osmotisch wirksame Kolloide jedoch undurchlässig ist, ermöglicht die Füllung des Meßraumlumens mit der konzentrierten Lösung eines geeigneten Hydrokolloids, dessen Teilchen nicht durch die Hohlfaserwand permeieren können. Als konzentriert werden in diesem Zusammenhang solche Lösungen bezeichnet, in denen die Teilchenkonzentration über dem sogenannten Überlappungswert liegt, so daß sich die Polymersegmente verschiedener Teilchen gegenseitig durchdringen (vergl. Elias H.G., Makromoleküle, Band 1, Grundlagen, Hüthig & Wepf-Verlag, Basel/Heidelberg, New York, 1990). Das Hohlfaser-Tensiometer läßt sich vorteilhaft mit Lösungen solcher Polymere kombinieren, deren kolloidale Moleküle sich auf Grund ihrer Knäuelkonformation in konzentrierten Lösung stark überlappen und ausreichend groß sind, um in der Hohlfaser stabil einschließbar zu sein. Für konzentrierte Lösungen solcher Hydrokolloide gilt bekanntlich das Vant-Hoffsche Gesetz nicht mehr. Trotz ihres hohen Molekulargewichtes sind sie oberhalb der Überlappungskonzentration durch hohe osmotische Drücke (starke Herabsetzung der Wasseraktivität) ausgezeichnet. Daher kann durch Einfüllen einer konzentrierten Lösung des kolloidalen Osmotikums der Bezugswert für den Tensiometerdruck stark heraufgesetzt werden. Ist der Reflexionskoeffizient der Hohlfasermembran für die kolloidalen Teilchen annähernd 1, entwickelt sich im Gleichgewicht mit Wasser oder der wäßrigen Lösung eines permeablen niedermolekularen Stoffes bzw. mit einem wasserdampfgesättigten Gasraum ein stabiler Überdruck in der Hohlfaser, der dem osmotischen Druck der Polymerlösung entspricht und den Referenzdruck für die Messung des Wasserpotentials oder Matrixpotentials bildet. Der Meßbereich des Hohlfaser-Tensiometers erweitert sich um einen Wert, welcher der Abweichung dieses Referenzdruckes vom Atmosphärendruck entspricht.The use of a dialysis hollow fiber with a semipermeable membrane, which is suitable for water permeable, but impermeable to osmotically active colloids, allows the filling of the measuring room lumen with the concentrated solution of a suitable hydrocolloid, the Particles cannot permeate through the hollow fiber wall. As be concentrated in this Context refers to solutions in which the particle concentration is above the so-called overlap value, so that the polymer segments of different particles penetrate each other (see Elias H.G., Macromolecules, Volume 1, Fundamentals, Hüthig & Wepf-Verlag, Basel / Heidelberg, New York, 1990). The hollow fiber tensiometer can be advantageously combine with solutions of such polymers, the colloidal molecules of which Because of their cone conformation in concentrated solution, they overlap considerably and are sufficient are large in order to be stably enclosed in the hollow fiber. For concentrated solutions of such As is known, Vant-Hoff's law no longer applies to hydrocolloids. Despite her high Molecular weight are above the overlap concentration due to high osmotic Pressures (strong reduction in water activity) excellent. Therefore, by filling a concentrated solution of the colloidal osmotic the reference value for the Tensiometer pressure can be increased significantly. Is the reflection coefficient the Hollow fiber membrane for the colloidal particles approximately 1, develops in equilibrium with water or the aqueous solution of a permeable low molecular weight substance or with a water vapor-saturated gas space a stable overpressure in the hollow fiber, which the corresponds to the osmotic pressure of the polymer solution and the reference pressure for measuring the Forms water potential or matrix potential. The measuring range of the hollow fiber tensiometer expands by a value which corresponds to the deviation of this reference pressure from the Corresponds to atmospheric pressure.

Ein weiterer Vorteil der Verwendung konzentrierter Lösungen von geeigneten Hydrokolloiden besteht darin, daß sie die thermodynamische Wahrscheinlichkeit der Ausbildung von Gaskeimen stark verringern und so die Kavitation im Unterdruckbereich erschweren. Another advantage of using concentrated solutions of suitable ones Hydrocolloids are that they have the thermodynamic probability of Significantly reduce the formation of gas germs and thus cavitation in the vacuum area complicate.

Kommerzielle Hohlfasern für die Blut-Dialyse ermöglichen, wie das unten dargestellte Beispiel zeigt, eine überraschend hohe Geschwindigkeit der Gleichgewichtseinstellung zwischen dem äußeren Matrixpotential bzw. Wasserpotential und dem inneren Druck. Kombiniert man diese Eigenschaft mit der erwähnten Besonderheit geeigneter Hydrokolloide, z. B. Polyethylenglykole oder Polyvinylpyrrolidone, oberhalb ihrer Überlappungskonzentration die Wasseraktivität und damit das osmotische Potential unabhängig vom Molekulargewicht stark herabzusetzen, läßt sich leicht ein stabiler Überdruck von < 0,1 MPa über Atmosphärendruck in der Meßkammer erreichen. Hierdurch und durch die Möglichkeit der Entwicklung beträchtlicher Kohäsionsspannungen wird mit der eingesetzten Dialysehohlfaser der Tensiometer-Meßbereich auf mehr als 0,3 MPa erweitert. Das Beispiel demonstriert, daß ein mit solchen Hohlfasern ausgerüstetes erfindungsgemäßes Tensiometer einen Referenzdruck weit über dem Atmosphärendruck besitzt und mit ihm Spannungen bis in den negativen Druckbereich (kleiner als Vakuum) gemessen werden können. Die im Beispiel dargestellten Werte beziehen sich auf Hohlfasern, die nicht für die Ultrafiltration ausgelegt sind und daher keine besonders hohe Stabilität in Bezug auf mechanische Dehnung und Kompression besitzen. Der technisch mögliche Umfang der Meßbereichserweiterung, der mit dem erfindungsgemäßen Hohlfaser-Tensiometer erreicht werden kann, ist ohne Zweifel wesentlich höher als in dem dargestellten Beispiel gezeigt wurde. Wesentlich größere Meßbereiche sind zu erwarten, wenn zur Herstellung der Meßkammer organische Hohlfasern für die Ultrafiltration oder Hohlfaser-Son deranfertigungen, z. B. sehr englumige Fasern bzw. Fasern mit einer Wand aus porösem Glas oder porösem Kieselgel eingesetzt werden.Commercial hollow fibers for blood dialysis enable, like the one shown below Example shows a surprisingly high speed of equilibrium between the external matrix potential or water potential and the internal pressure. Combine this property with the mentioned peculiarity of suitable hydrocolloids, for. B. Polyethylene glycols or polyvinyl pyrrolidones, the above their overlap concentration Water activity and thus the osmotic potential regardless of the molecular weight strong a stable overpressure of <0.1 MPa above atmospheric pressure reach in the measuring chamber. Through this and through the possibility of development considerable cohesion tensions are achieved with the dialysis hollow fiber Tensiometer measuring range extended to more than 0.3 MPa. The example demonstrates that a tensiometer according to the invention equipped with such hollow fibers has a reference pressure above atmospheric pressure and with it tensions down to the negative Pressure range (less than vacuum) can be measured. The ones shown in the example Values refer to hollow fibers that are not designed for ultrafiltration and therefore are not particularly stable in terms of mechanical expansion and compression. The technically possible extent of the measuring range extension, that with the invention Hollow fiber tensiometer can be achieved is, without a doubt, much higher than that shown example was shown. Significantly larger measuring ranges can be expected if organic hollow fibers for ultrafiltration or hollow fiber son manufacture, e.g. B. very narrow fibers or fibers with a wall made of porous Glass or porous silica gel can be used.

Für Messungen des Bodenmatrixpotentials kann es vorteilhaft sein, daß Hohlfasern biegungselastisch sind. Hierdurch entsteht ein breiter Spielraum für die Anordnung der Hohlfaser an einem Sensorkörper, der die Faser mechanisch schützt, wenn er in das Substrat bzw. den Boden hineingedrückt wird. Falls das Wasserpotential (einschließlich der osomotischen Komponente der Bodenlösung) gemessen werden soll, kann der direkte Kontakt der Faser mit der Bodenlösung vollkommen durch eine wasserdampfdurchlässige und schwer benetzbare Barriere (z. B. eine dünne Polypropylenfolie mit Poren im Mikrometerbereich) vermieden werden, so daß anstelle des Flüssigkeitsaustausches Dampfaustausch tritt. Um über definierte Zonen des Bodens bei der Messung des Matrixpotentials zu integrieren, kann die Hohlfaser in eine feuchte Matrix mit guten hydraulischen Eigenschaften (z. B. ein Glasfasergewebe) eingebettet werden. Die Dimensionen (Länge und Durchmesser) der Hohlfaser tragen entscheidend zur Größe des Innenvolumens der Meßanordnung bei. Sie können in Abhängigkeit von der Anwendung stark variiert werden, wobei das Verhältnis von Oberfläche und Volumen, der Volumenelastizitätsmodulus und die Geschwindigkeitskonstante für die Meßwerteinstellung von der Hohlfaserlänge wenig oder nicht abhängen. Wird das Tensiometer z. B. für kleinräumige Messungen im Boden verwendet, können kurze, geringlumige Hohlfasern (z. B. Länge < 20 mm; Durchmesser < 0,3 mm) verwendet werden. In Untersuchungen, bei denen es darauf ankommt, mit dem Tensiometer die Wurzel zu simulieren, kann die Länge der Faser z. B. 300 mm betragen. Soll das Tensiometer zur Messung des Gleichgewichtsdampfdruckes in der Gasphase über einer Lösung oder einem biologischen Untersuchungsobjekt eingesetzt werden, ist die Meßkammer so zu gestalten, daß sie einen geschlossenen Raum für Probe und Hohlfaser bildet, wobei das Volumen der Hohlfaser im Verhältnis zu dem der Probe klein gehalten werden muß, um die Beeinflussung des Meßwertes durch den Sensor zu reduzieren. Für Dampfaustauschmessungen muß der Volumenelastizitätsmodul der Hohlfaser möglichst groß sein, um eine schnelle Gleichgewichtseinstellung zu ermöglichen. Außerdem kann es sinnvoll sein, den Stoffübergang in der Gasphase durch eine Ventilationsvorrichtung zu fördern.For measurements of the soil matrix potential, it may be advantageous to use hollow fibers are flexible. This creates a wide scope for the arrangement of the Hollow fiber on a sensor body that mechanically protects the fiber when it is in the substrate or the floor is pushed in. If the water potential (including the Osomotic component of the soil solution) can be measured, the direct contact the fiber with the soil solution completely through a water vapor permeable and heavy wettable barrier (e.g. a thin polypropylene film with pores in the micrometer range) be avoided, so that steam exchange occurs instead of liquid exchange. To over The integration of defined zones of the soil in the measurement of the matrix potential can Hollow fiber into a moist matrix with good hydraulic properties (e.g. a Glass fiber fabric) are embedded. The dimensions (length and diameter) of the Hollow fibers make a decisive contribution to the size of the internal volume of the measuring arrangement. she can be varied widely depending on the application, the ratio of Surface and volume, the volume elastic modulus and the rate constant little or no depend on the hollow fiber length for the measurement value adjustment. Will that Tensiometer e.g. B. used for small-scale measurements in the ground, short, low-lumen hollow fibers (e.g. length <20 mm; diameter <0.3 mm) are used will. In tests where it matters, use the tensiometer to get the root to simulate the length of the fiber z. B. 300 mm. Should the tensiometer Measurement of the equilibrium vapor pressure in the gas phase over a solution or a biological test object are used, the measuring chamber must be designed so that it forms a closed space for sample and hollow fiber, the volume of the Hollow fiber in relation to which the sample must be kept small in order to influence it to reduce the measured value by the sensor. For steam exchange measurements the Volume elastic modulus of the hollow fiber must be as large as possible in order to ensure a fast To allow balance adjustment. It can also make sense to use the To promote mass transfer in the gas phase by a ventilation device.

Für viele Anwendungszwecke ist es vorteilhaft, das Hohlfaser-Tensiometer mit einer Vorrichtung zu verbinden, die eine definierte Änderung des Meßkammervolumens ermöglicht. Hierdurch kann beispielsweise sehr einfach der Referenzdruck eingestellt werden, wenn die Hohlfaser ein nicht permeables Osmotikum enthält. Eine einfache Möglichkeit hierzu, die im nachfolgend dargestellten Beispiel Anwendung fand, besteht im Anschluß der Hohlfaser an eine kommerziell erhältliche Zell- oder Xylemdruckmeßsonde. Die Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben werden.For many applications, it is advantageous to use a hollow fiber tensiometer with a Connect device that allows a defined change in the measuring chamber volume. In this way, for example, the reference pressure can be set very easily when the Hollow fiber contains an impermeable osmotic. An easy way to do this, which is in The example shown below was used to connect the hollow fiber to one commercially available cell or xylem pressure probe. The invention is based on a Embodiment are described in more detail.

Embodiment

Eine 100 mm lange, an beiden Enden offene Hohlfaser für die Blut-Dialyse aus regenerierter Zellulose (hergestellt vom Kunstseidewerk Pirna) mit einem Innendurchmesser von etwa 200 µm, Außendurchmesser 250 µm wurde mit einer 10%igen Polyethylenglycollösung (PEG 35 000) gefüllt und anschließend an einem Ende verklebt. Die verwendete Hohlfaser besitzt eine für Moleküle mit einem Stokesschen Radius < 2,5 nm vollkommen undurchlässige Wand (Woehlecke, H. und Ehwald, R., J. Chromatography A, vol. 708, 263-271, 1995). Das offene Ende der Hohlfaser wurde mittels einer Silikondichtung druckdicht an eine kommerziell erhältliche Drucksonde (Steudle, E., Jeschke, W.D., Water transport in barley roots; Planta, vol. 158, 237-248, 1983) mit einem Innenvolumen von ca. 10 µl angeschlossen. Die Hohlfaser wird anschließend in ein Becherglas mit destilliertem Wasser gehängt. Die Semipermeabilität der Wand gegenüber dem Lösungsmittel Wasser und dem unpermeablen Osmotikum PEG 35 000 verursachten einen Anstieg des hydrostatischen Druckes im Meßsystem. Letzerer erreichte innerhalb einiger Minuten einen stabilen Wert von etwa 0,2 MPa (= 2 bar). Durch das Einfüllen noch konzentrierterer Lösungen von PEG 6000 ließen sich noch höhere Anfangsdruckwerte erreichen; allerdings war in diesen Fällen nach dem schnellen Anstieg ein allmähliches Absinken des Druckes festzustellen, was auf eine irreversible Ausdehnung der Faser oder druckbedingte Undichtheit schließen läßt. Die Stabilität der Druckmessung konnte durch Imprägnieren der Hohlfaserwand mit anorganischen Verbindungen (Präzipitation von Calcium- oder Aluminiumphosphat oder Eisen(III)-hexacyanoferrat) verbessert werden. Die Hohlfasern erwiesen sich als nahezu ideal semipermeabel bei Verwendung von Polyethylenglykol mit einem Molekulargewicht von ca. 35 000; d. h. die gemessenen Druckänderungen nach Zugabe dieses Osmotikums zum Außenraum entsprachen im Rahmen der Meßgenauigkeit der Dampfdruckosmometrie den experimentell ermittelten Änderungen des osmotischen Druckes. Die Halbwertszeiten der osmotisch bedingten Relaxation lagen bei etwa 20 Sekunden. Es trat ein kleiner Unterschied zwischen den Halbwertszeiten der hydrostatisch induzierten gegenüber den Halbwertszeiten der osmotisch bedingten Druckrelaxation auf. Letztere waren um einige Sekunden länger. Dies kann u. a. durch die hohe Viskosität des Osmotikums erklärt werden, dessen Äquillibrierung mit der Hohlfaseroberfläche nicht ohne Verzögerung möglich ist. Zur Kalibrierung des Sensors bis zu einem Unterdruck von ca. 0,1 MPa wurde in einer geschlossenen Kammer mittels einer Wasserstrahlpumpe in diskreten Schritten Unterdruck eingestellt. Spannungen größer als 0,1 MPa konnten osmotisch erzeugt werden, indem die Hohlfaser osmotisch wirksamen PEG-Lösungen mit höherem osmotischen Druck ausgesetzt wurde. Die gemessene Druckdifferenz war linear proportional zur applizierten Änderung des osmotischen Druckes. Beim Austrocknen der Hohlfaser an der Luft trat erst bei einer Spannung von 0,3 bis 0,5 MPa (gegenüber Atmosphärendruck) Kavitation ein. Die elastischen Eigenschaften der Meßapparatur und der Hohlfaser wurden experimentell durch Erfassung der Druckänderung bei einer an der Drucksonde einstellbaren pulsartigen Volumenänderung bestimmt. Der Elastizitätsmodul war größer als 1 MPa und blieb über einen Meßbereich von mindestens 0,3 MPa annähernd konstant. Das Tensiometer wurde zur Messung von Bodenmatrixpotentialen in einem feuchten Boden eingesetzt. Voraussetzung für das Registrieren des abnehmenden Tensiometerdruckes beim Austrocknen des Bodens war ein hydraulischer Kontakt zwischen Hohlfaser und Boden, der dadurch erreicht wurde, daß nach dem Einführen der Hohlfaser in einen Hohlraum des Bodens ein geringes Volumen einer Bodenaufschlämmung in diesen Hohlraum eingebracht wurde. Nach einer Wartezeit von ca. einer Stunde, in der sich das Matrixpotential des hohlfasernahen Bodens dem des übrigen Bodens annähernd anglich, konnte das Tensiometer zur kontinuierlichen Messung des Bodenmatrixpotentials benutzt werden. Die derzeit erreichten Standzeiten betragen 1 Woche.A 100 mm long hollow fiber open at both ends for blood dialysis from regenerated Cellulose (manufactured by the Pirna artificial silk factory) with an inner diameter of approximately 200 µm, Outside diameter 250 µm was with a 10% polyethylene glycol solution (PEG 35 000) and then glued to one end. The hollow fiber used has a wall completely impermeable to molecules with a Stokes radius <2.5 nm (Woehlecke, H. and Ehwald, R., J. Chromatography A, vol. 708, 263-271, 1995). The open The end of the hollow fiber was pressure sealed to a commercial using a silicone gasket available pressure probe (Steudle, E., Jeschke, W.D., Water transport in barley roots; Planta, vol. 158, 237-248, 1983) with an internal volume of approx. 10 µl. The hollow fiber is then hung in a beaker with distilled water. The semipermeability the wall against the solvent water and the impermeable osmotic PEG 35,000 caused an increase in the hydrostatic pressure in the measuring system. The latter reached a stable value of about 0.2 MPa (= 2 bar) within a few minutes. By filling even more concentrated solutions from PEG 6000 could be even higher Reach initial pressure values; however, was in these cases after the rapid increase Gradual decrease in pressure, indicating an irreversible expansion of the Fibers or leaks due to pressure can be closed. The stability of the pressure measurement could by impregnating the hollow fiber wall with inorganic compounds (precipitation of Calcium or aluminum phosphate or iron (III) hexacyanoferrate) can be improved. The Hollow fibers proved to be almost ideal semi-permeable when using Polyethylene glycol with a molecular weight of approximately 35,000; d. H. the measured Changes in pressure after the addition of this osmotic to the outside corresponded within the frame the accuracy of measurement of vapor pressure osmometry the experimentally determined changes in osmotic pressure. The half-lives of the osmotically induced relaxation were approximately 20 seconds. There was a slight difference between the half-lives of the hydrostatic induced compared to the half-lives of the osmotically induced pressure relaxation. The latter were a few seconds longer. This can a. due to the high viscosity of the Osmotic are explained, its equillibration with the hollow fiber surface not without Delay is possible. For calibration of the sensor up to a negative pressure of approx. 0.1 MPa was in a closed chamber using a water jet pump in discrete Steps negative pressure set. Stresses greater than 0.1 MPa could be generated osmotically be made by using the hollow fiber osmotically effective PEG solutions with higher osmotic Has been exposed to pressure. The measured pressure difference was linearly proportional to applied change in osmotic pressure. When the hollow fiber dries out in the air Cavitation only occurred at a tension of 0.3 to 0.5 MPa (compared to atmospheric pressure) a. The elastic properties of the measuring apparatus and the hollow fiber were experimented by detecting the change in pressure in the case of a pulse-type adjustable on the pressure probe Volume change determined. The modulus of elasticity was greater than 1 MPa and remained above one Measuring range of at least 0.3 MPa almost constant. The tensiometer became Measurement of soil matrix potentials used in a moist soil. requirement for registering the decreasing tensiometer pressure when the soil dried out was a hydraulic contact between hollow fiber and soil, which was achieved in that after the insertion of the hollow fiber into a cavity of the floor has a small volume Soil slurry was introduced into this cavity. After a waiting period of approx. an hour in which the matrix potential of the soil near the hollow fibers matches that of the rest The tensiometer for the continuous measurement of the soil could be approximated Soil matrix potentials are used. The downtimes currently achieved are 1 week.

Claims

1. Tensiometer for measuring the water potential or the matrix potential in moist soil, the plant or the atmosphere of a closed room, characterized by the following feature:

- A hollow fiber with a water-permeable wall, alone or together with an additional space, forms a measuring chamber which is filled with water or an aqueous polymer solution.

2. Tensiometer according to claim 1, characterized by the following feature:

- The limit porosity of the hollow fiber wall corresponds to that of a reverse osmosis dialysis ultra filter or microfiltration membrane with a pore size of less than one micrometer.

3. Tensiometer according to claim 1, characterized by the following feature:

- An electronic pressure transducer is hydraulically coupled to the liquid in the measuring chamber.

4. tensiometers according to claim 1, characterized by the following feature:

- The hollow fiber membrane is resistant to expansion or pressure in a measuring range of over 0.1 MPa in the sense that the measuring chamber volume changes by a change in the pressure difference between the lumen of the chamber and the outer space by less than 10% when the pressure difference change 0 , Is 1 MPa.

5. Tensiometer according to claim 1, characterized by the following feature:

- In the hollow fiber there is an aqueous solution of particles for which the reflection coefficient of the hollow fiber membrane is approximately 1.

6. Tensiometer according to claim 5, characterized by the following feature:

- the particles are hydrocolloids,
- their concentration is above the so-called overlap value at which the polymer segments of different particles overlap,
- The hollow fiber is stretch-resistant at least up to a pressure that corresponds to the osmotic pressure of the polymer solution.

7. tensiometer according to claim 1, characterized by the following feature:

- The hollow fiber is on the surface of a mechanically stable sensor body that can be inserted into the ground or the measurement substrate.

8. Tensiometer according to claim 1, characterized by the following feature:

- The hollow fiber is located inside a porous hollow body, the pores of which are easily permeable to water vapor and are not wettable with liquid water.

9. tensiometer according to claim 1, characterized by the following feature:

- The hollow fiber is in a hydrophilic porous matrix with a comparatively high hydraulic conductivity, for. B. a glass fiber fabric.

10. Tensiometer according to claim 1, characterized by the following feature:

- The hollow fiber is located in a gas-tight sealable and thermostable space, which is used for the reception of water-containing samples, for. B. solutions, floor or living objects is suitable.

11. Tensiometer according to claim 1, characterized by the following feature:

- The measuring chamber volume is adjustable in a defined way.