DE2536777A1

DE2536777A1 - Messfuehler zur bestimmung der wasserspannung im boden nach dem waermepulsprinzip

Info

Publication number: DE2536777A1
Application number: DE19752536777
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Phys Dr In Issel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-08-19
Filing date: 1975-08-19
Publication date: 1977-03-03

Description

Meßfühler zur Bestimmung der Wasserspannung im Boden nach dem Wärmepulsprinzip Die Erfindung betrifft einen Meßfühler zur Bestimmung der Wasserspannung im Boden nach dem Wärmepulsprinzip.
Dieser Fühler ermöglicht es, die Wasserspannung in einem Boden festzustellen, d.h. die Saugspannung, welche eine Pflanze überwinden muß, um dem Boden weiteres Wasser zu entziehen.
Eine solche Messung ist von großem Nutzen in der Landwirtschaft und in der Bewässerungstechnik, denn sie gestattet es, unabhängig von der Bodenart den Meßwert zu bestimmen, welcher entscheidenden Einfluß auf den Wasserhaushalt und den Versorgungszustand der Pflanzen ausübt. Es ist der Wert, nach welchem z.B.
die künstliche Bewässerung einer mit Pflanzen bebauten Fläche optimal gesteuert werden kann.
Es ist bekannt, die künstliche Bewässerung einer Fläche nach dem Wert der Bodenfeuchte zu steuern, für deren Messung eine ganze Reihe von Verfahren existieren. Hierzu zählen z.B. Neutronensonden, welche die Abbremsung schneller Neutronen durch die Wassermoleküle des Bodens auswerten und dadurch einen Feuchtemeßwert liefern. Sie erfassen ein relativ großes Meßvolumen und sind neben dem Nachteil der radioaktiven Umweltbelastung auch teuer.
Die veränderte elektrische Leitfähigkeit von Gips- und Nylonblöcken in Abhängigkeit von ihrem Feuchtigkeitsgrad wird ebenfalls zur Bodenfeuchtemessung herangezogen; leider zeigen diese Sonden auch Abhängigkeiten von anderen Parametern (z.B. Salzgehalt oder Temperatur des Bodenwassers) und weisen mangelnde Langzeitstabilität auf.
Kapazitive Meßsonden für die Bodenfeuchte gestatten meist nur eine überschlägige Bestimmung, da die Art des Bodens den Meßwert stark beeinflußt (z.B. Sand- oder Lehmboden).
Thermische Sonden, welche die Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit des Bodens von deren Feuchte nutzen, zeigen ebenfalls eine ausgeprägte Abhängigkeit von der Bodenart. Hierzu gesellt sich die Schwierigkeit der mechanisch-thermischen Ankopplung einer solchen Sonde an den Boden, da dieser ja nicht konstant in seinen Eigenschaften ist, sondern z.B. bei Austrocknung und Wiederbefeuchtung z.T. erhebliche Schwund- bzw. Quelleffekte zeigt. Weiterhin zieht die meist angewandte Methode der stationären Aufheizung die Schwierigkeit nach sich, daß die Bodenfeuchte infolge der in der Nähe des Heizelementes auftretenden Temperaturerhöhung durch die Sonde selbst verändert wird (Austrocknung durch Temperaturerhöhung).
Der Hauptnachteil all dieser Verfahren für eine Anwendung zur Bewässerungssteuerung liegt jedoch darin, daß nur die Bodenfeuchte gemessen wird und dieser Meßwert allein keine Aussage über den Versorgungszustand der Pflanzen erlaubt ohne wesentliche Bodenkenngrößen mit zu berücksichtigen. So ist z.B.
ein reiner Sandboden bei ca. 20 % Wassergehalt bereits wassergesättigt, und dieses Wasser kann von den Pflanzen leicht aufgenommen werden. Eine Pflanze ist dagegen kaum in der Lage, einem tonigen Boden von 20 % Wassergehalt Wasser zu entziehen, da ihre Saugfähigkeit dazu nicht ausreicht.
Deshalb muß die Bodenfeuchte erst über ihre Abhängigkeit von der zugehörigen Saugspannung (pF-Kurve) in den Saugspannungswert umgerechnet werden.
Dies ist jedoch in der Praxis schwierig, da ein Boden nur in Ausnahmefällen als homogene Masse betrachtet werden kann; gerade landwirtschaftlich genutzter Boden zeigt schon je nach Verdichtung unterschiedliche Werte.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile der reinen Bodenfeuchtemessung zu vermeiden und ein Gerät zu schaffen, welches erlaubt, die Wasserspannung im Boden, wie sie auch auf die Wurzeln der Pflanzen einwirkt, direkt zu erfassen und damit ein in der Praxis brauchbares Gerät zur Steuerung von Bewässerungsanlagen zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Feuchtemessung nicht in einem Boden mit unbekannten Eigenschaften durchgeführt wird, sondern in einem bestimmtem, abgegrenzten Volumen eines künstlichen Bodens (1) (Fig 1), welcher durch ein feines Netz (2) zusammengehalten wird. In den künstlichen Boden ragt ein Heizstift (3), welcher eine Heiz-und eine Temperaturmeßwicklung trägt. Das Kabel (4) verbindet die Meßsonde mit dem eigentlichen Meßgerät.
Der Meßvorgang ist nun folgender: Im Ruhezustand liegt die Sonde stromlos in den Boden (5) eingebettet, dessen Wasserspannung gemessen werden soll. Der künstliche Boden (1) stellt sich, was die Wasserspannung angeht, mit der des umgebenden Bodens (5) ins Gleichgewicht dergestalt1 daß der künstliche Boden (1) dem umgebenden Boden (5) solange Wasser entzieht bzw. Wasser an ihn abgibt, bis das Maß der Wasserspannung in beiden Böden gleich ist (Gleichgewichtszustand).
Von Zeit zu Zeit (z.B. alle 6 Stunden) wird die Feuchte im Kunstboden dadurch bestimmt, daß zuerst die Temperatur des Heizstiftes (3) gemessen und elektronisch gespeichert wird.
Daraufhin wird die Heizwicklung desselben mit einem kurzen Stromstoß (ca. 4 sec lang) aufgeheizt und unmittelbar nach Abschalten des Stromes wiederum die Temperatur gemessen und dieser zweite Temperaturwert ebenfalls elektronisch eingespeichert. Die Differenz zwischen den beiden gespeicherten Temperaturen stellt nach einer Temperaturkompensation ein gutes Maß für die Feuchte im Kunstboden dar. über die zuvor einmalig für den Kunstboden gemessene Abhängigkeit der Saugspannung von der Feuchte desselben läßt sich die Anzeige direkt im Maß der Saugspannung eichen. Diese Anordnung weist gerade für die Praxis der Steuerung von Bewässerungsanlagen wesentliche Vorteile auf: 1. Das Material des Runstbodens kann so ausgesucht werden, daß die Messung eine hohe Langzeitstabilität und Reproduzierbarkeit aufweist (vorzugsweise mineralische, inerte Materialien, z.B. Quarzsande), auch die Packungsdichte ist konstant. Über die Körnung können weitgehend die Meßbereiche für die Saugspannung eingestellt werden (z.B. feinere Körnung zur Messung höherer Saugspannungen).
2. Da es sich um ein Gleichgewichtsmeßverfahren handelt, führt ein eventuell nachlassender Kontakt der Sonde mit dem Boden nicht wie bei anderen Sonden mit Dauerheizung zu großen Meßfehlern, sondern lediglich zu verzögerter Gleichgewichtseinstellung.
3. Die Energiezufuhr zum Meßobjekt und damit die Störung der Meßgröße durch den Meßvorgang selbst ist minimal (Energiezufuhr nur 4 sec in 6 Stunden), sie liegt weit unter der mancher Verfahren mit kontinuierlicher Heizung.
4. Durch die Verwendung eines sehr kurzen Wärmepulses wird weniger die Wärmeleitfähigkeit, sondern wegen des schnellen Temperaturanstieges mehr die Wärmekapazität des Kunstbodens erfaßt. Dadurch ist es möglich, auch hohe Feuchten bis hin zur Wassersättigung zu messen, in welchem Bereich kontinuierlich heizende Verfahren oft versagen.

Claims

Patentansprüche:

1.}Meßfühler zur Bestimmung der Wasserspannung im Boden nach dem Wärmepulsprinzip dadurch gekennzeichnet, daß die Feuchtemessung in einem Kunstboden bekannter Kenngrößen durchgeführt wird, dessen Saugspannung für Wasser sich mit der des umgebenden Bodens ins Gleichgewicht gesetzt hat.

2. Meßfühler zur Bestimmung der Wasserspannung im Boden nach dem Wärmepulsprinzip nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der koaxial im Kunstboden eingebaute Heizstift durch einen'sehr kurzen Wärmepuls aufgeheizt und die Temperaturdifferenz vor und nach dem Heizvorgang gemessen wird.

L e e r s e i t e