FAQ Bodenfeuchte Grundlagen

Die Bodenfeuchte ist im Gartenbau und in der Landwirtschaft von entscheidender Bedeutung. Nur mit der richtigen Menge an Wasser zur richtigen Zeit wachsen die Pflanzen und bringen die gewünschten Erträge.

Die Feuchtigkeit im Boden wird durch Niederschläge, Grundwasser, Bewässerung und den Verbrauch von Wasser durch Pflanzen bestimmt. Ein Teil des Wassers wird im Boden entgegen der Schwerkraft gehalten und bleibt haften. Der Boden besitzt somit ein Wasserspeichervermögen, das von den Pflanzen benötigt wird. Die Bodenfeuchte kann dabei in mehreren Stufen von "nass" bis "trocken" eingeteilt werden. Je genauer der Wassergehalt bestimmt werden kann, desto besser lässt sich z.B. eine Bewässerung steuern und somit genau an den Wasserbedarf der Pflanzen anpassen.

Die Bodenfeuchte spielt aber auch in anderen Gebieten eine große Rolle. In der Bautechnik bestimmt der Wassergehalt im Boden die Tragfähigkeit oder die Standfestigkeit von Deichbauwerken. Eine übermäßige Bodendurchfeuchtung kann sogar zu Erdrutschen führen.

Bodenfeuchtesensoren lassen sich aber auch für andere Einsatzzwecke verwenden, die von der Schneefeuchtemessung über die Kontrolle der Betonaushärtung bis hin zur Überwachung des Wassergehalts in Getreidellagern reichen.

Zur Bodenfeuchtemessung eignen sich insbesonde elektrische Verfahren. Damit kann man kontiniuerlich den Wassergehalt im Boden überwachen und eine Anbindung an Bewässerungssteuererungen auf vielfältige Art und Weise realisieren.

Ein Boden ist ein Gemisch aus Wasser, Luft und einer mineralischen/organischen Bodenmatrix. Je nach Wassergehalt ändern sich die eletrischen Eigenschaften, wobei man zwischen der elektrischen Leitähigkeit und den s.g. dielektrischen Eigenschaften unterscheiden kann.

Die elektrische Leitfähigkeit hängt nicht nur vom Wassergehalt, sondern maßgeblich von den gelösten Salzen ab. Messverfahren, die auf diesem Prinzip beruhen, sind deshalb häufig sehr unzuverlässig und nicht geeignet. Die meist sehr günstig angebotenen Sensoren auf dieser Basis zeigen zwar irgendeine Abhängigkeit vom Wassergehalt, die sich aber mit der Zeit verändert. Zudem erfordert die elektrische Leitfähigkeitsmessung einen direkten metallischen Kontakt mit dem Boden und führt zur Korrossion der Elektroden. Eine zuverlässige und dauerhafte Messung ist deshalb praktisch nicht möglich.

Die dielektrische Messung beruht auf den besonderen Eigenschaften des Wassermoleküls, das sich in einem elektrischen Feld als Dipol ausrichten kann. Diese Wechselwirkung kann erfasst und in einen s.g. volumetrischen Wassergehalt umgerechnet werden. Man kann auch sagen, dass der Boden zwischen den Elektroden einen Kondensator darstellt, dessen Kapazität sich mit der Bodenfeuchte ändert. Ein großer Vorteil ist, dass diese Kapazitätsmessung keinen direkten metallischen Kontakt der Elektroden erfordert. Deshalb ist eine langzeitbeständige Sensorik auf dieser Basis möglich. In der Praxis wird die Kapazität mit Hilfe von kleinen Wechselspannungen gemessen. Dabei kommt der Freqenzwahl eine entscheidennde Bedeutung zu. Sehr günstige kapazitive Sensoren benutzen häufig viel zu niedrige Frequenzen und es kommt zu erheblichen Querbeeinflussungen durch die elektrische Leitfähigkeit. Hochfrequente kapazitive Sensoren sind zwar aufwendiger und teurer, ermöglichen jedoch eine zuverlässige und genaue Bestimmung des Wassergehalts.

Die Materialfeuchtemesstechnik als Obergebiet der Bodenfeuchtemesstechnik ist ein umfangreiches Forschungs- und Entwicklungsgebiet. Das englischsprachige wissenschaftliche Standardwerk zu diesem Thema ist kostenlos verfügbar:
Huebner, C., & U. Kaatze (2016).
Electromagnetic moisture measurement, Universitätsverlag Göttingen.

Die Auswahl eines geeigneten Sensors zur Bodenfeuchtemessung hängt von mehreren Aspekten ab:

Erforderliche Messgenauigkeit

Boden / Substrat

Messvolumen

Schnittstelle

Natürlich wünscht man sich einen Sensor, der so genau wie möglich ist. Eine höhere Genauigkeit oder zusätzliche besondere Eigenschaften sind jedoch meist mit höheren Kosten verbunden.

Bei wissenschaftlichen Anwendungen oder sehr anspruchsvollen Bewässerungsaufgaben wird in der Regel der SMT100 eingesetzt, während der günstigere SMT50 vorwiegend bei einfacheren Bewässerungsaufgaben zu finden ist. Beide Sensoren eignen sich grundsätzlich zur Bewässerungssteuerung, unterscheiden sich jedoch in wichtigen Details.

Der SMT100 ist für den vollen Messbereich von 0 bis 100 % ausgelegt. Außerdem ermöglicht er eine weitgehend bodentypunabhängige Messung mit besonders hoher Auflösung. Dies liegt u.a. an seiner hohen internen Messfrequenz, die Störeffekte z.B. durch eine variable elektrische Leitfähigkeit des Bodens wirksam unterdrückt.

Der Messbereich des SMT50 geht nur bis 50% und der Bodentyp wirkt sich stärker auf die Kalibrierkurve aus, da eine geringere interne Messfrequenz verwendet wird. Die Auflösung ist ebenfalls geringer als beim SMT100, reicht jedoch für viele Einsatzzwecke, insbesondere bei der Einstellung von Schwellwerten für die Bewässerungssteuerung problemlos aus.

Feuchtesensoren für Böden sollten Messergebnisse liefern, die möglicht wenig vom Bodentyp beeinflusst sind. Technisch ist das eine sehr große Herausforderung, da der Bodentyp die gemessenen dielektrischen Eigenschaften beeinflusst. Man kann durch eine geschickte Wahl der Messfrequenz den störenden Einfluss reduzieren. Im Allgemeinen ist es besser, wenn man eine möglichst hohe Messfrequenz im Bereich einiger hundert MHz verwendet. Im SMT100 ist dies realisiert, erfordert jedoch einen hohen elektrotechnischen Aufwand, der sich in den Kosten widerspiegelt. Der SMT50 arbeitet bei niedrigeren Frequenzen und ist deshalb kostengünstiger. Der Nachteil ist jedoch die größere Abhängigkeit vom Bodentyp.

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Auswahl eines Sensors ist das Messvolumen. Der SMT100 und der SMT50 gehören zu der Klasse der Punktsensoren, d.h. es wird in einem begrenzten Volumen um den Sensor herum der Wassergehalt bestimmt. Bei einigen Anwendungen in der Bewässerungstechnik wünscht man sich ein größeres Messvolumen, um über Inhomogenitäten der Wasserverteilung im Boden besser mitteln zu können. Für solche Einsatzfälle ist der AquaFlex besonders geeignet. Das Messvolumen erstreckt sich über die Sensorlänge von 3 m und ermöglicht dadurch eine optimale Mittelung. Bei einem Sensor dieser Art ist es bauartbedingt schwieriger die gleiche Kalibrierung und Bodentypunabhängigkeit wie mit einem Punktsensor zu erreichen. Für die praktische Anwendung in der Bewässerungstechnik ist das große Messvolumen aber der entscheidende Vorteil.

Bei der Schnittstelle zur Steuerung oder Datenerfassung kann man zwischen analogen und digitalen Varianten unterscheiden. Bei analogen Schnittstellen gibt man meist einen Spannungswert aus. Der Spannungsbereich kann je nach Sensor unterschiedlich sein. So ist der SMT50 für 0 - 3 V Signalausgang ausgelegt. Der analoge SMT100 und der analoge AquaFlex können werksseitig je nach Kundenwunsch konfiguriert werden. 0 - 10 V ist in der Automatisierungstechnik der Standard, andere Spannungsbereiche wie 0 - 1 V, 0 - 3 V oder 0 - 5 V sind auf Anfrage ebenfalls möglich. Bei den digitalen Schnittstellen des SMT100 ist die größte Auswahl, entweder RS-485 mit den Softwareprotokollen TBUS, ASCII und Modbus oder der in der Umweltmesstechnik gerne eingesetzte SDI-12 Standard. Der AquaFlex ist auch mit der digitalen Schnittstelle RS-485 TBUS, ASCII und Modbus verfügbar.

Der Vorteil der analogen Schnittstelle ist die einfache Anwendung. Der Nachteil ist die etwas geringere Auflösung, die begrenzte Kabellänge und der höhere Hardwareaufwand in der Steuerung bei der Verwendung vieler Sensoren. Mehrere digitale Sensoren lassen sich an ein einziges Kabel (Bus) anschließen und per Software über Adressen ansprechen. Dadurch wird der Hardwareaufwand bei der Verkabelung geringer, die Anforderung an die Steuerung sind aber höher und es entsteht ein gewisser Konfigurationsaufwand. Insbesondere bei RS-485 lassen sich mit der digitalen Übertragung ausgedehnte Systeme mit großen Kabellängen realisieren. Die Übertragungsqualität ist dabei hervorragend und die höchste Messwertauflösung realisierbar.

In der Bodenkunde verwendet man sowohl den Begriff Wassergehalt als auch die s.g. Saugspannung. Unter dem volumetrischen Wassergehalt versteht man den Anteil des Wasser bezogen auf ein Einheitsvolumen. 30% volumetrischer Wassergehalt bedeutet also, dass 30% des Bodenvolumens aus Wasser besteht. Die Saugspannung hingegen beschreibt, wie fest das Wasser vom Boden gehalten wird. Das hängt im wesentlichen von den Porengrößen und deren Verteilung ab. In kleinen Bodenporen wird das Wasser wie in einer Kapillare fest gehalten. In wie weit einer Wurzel Wasser aus dem Boden zur Verfügung steht hängt also nicht nur vom volumetrischen Wassergehalt ab, sondern in welchen Poren das Wasser eingelagert ist. Die Saugspannung ist deshalb in der Bodenkunde eine wichtige Größe, da sie beschreibt, wieviel Wasser den Pflanzenwurzeln tatsächlich zur Verfügung steht. Grundsätzlich wäre die Saugspannung der bessere Parameter zur Bewässerungssteuerung als der volumetrische Wassergehalt. Die Bestimmung der Saugspannung ist jedoch problematisch. Das klassische Messverfahren nutzt wassergefüllte Tonkerzen mit Drucksensoren, die jedoch regelmäßig gewartet werden müssen und meist nicht für den Untergrundeinbau und einfache Automatisierung geeignet sind. Alternative wartungsfreie Verfahren zur Saugspannungsmessung leiden oft unter schlechter Messgenauigkeit und Trägheit, d.h. die Reaktion auf Änderungen der Bodenfeuchte dauert sehr lange, insbesondere beim Austrocknen. Aus diesem Grund haben sich die volumetrischen Bodenfeuchtesensoren wie der SMT100, SMT50 oder der AquaFlex in vielen Bereichen der Bewässerungstechnik durchgesetzt.