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Die Erfindung betrifft einen Bodenfeuchtesensor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1 und ein Kalibrierungsverfahren hierzu.
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Charakteristische Parameter der Bodenfeuchte sind der (volumetrische) Wassergehalt Θ und die Saugspannung Ψ. Zur Messung des Wassergehalts Θ oder der Saugspannung Ψ sind entsprechende Bodenfeuchtesensoren bekannt.. Die in den Boden eingeführten Bodenfeuchtesensoren sind an eine Bewässerungsanlage angeschlossen, welche beispielsweise bei zu kleinen Wassergehalten oder bei zu großen Saugspannungen mit einer Bewässerung des Bodens beginnt und eine bestimmte Wassermenge zuführt oder bei Erreichen eines bestimmten Wassergehalts oder einer bestimmten Saugspannung wieder abschaltet.
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Aus der
US 5,418,466 A ist ein Bodenfeuchtesensor der eingangs genannten Art bekannt, welcher mittels eines elektrischen Feldes im MHz-Bereich die Dielektrizitätskonstante des Bodens misst und daraus den Wassergehalt Θ ermittelt. Zusätzlich wird mittels der elektrischen Leitfähigkeit der Salzgehalt im Boden erfasst.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Bodenfeuchtesensor der eingangs genannten Art zu verbessern und hierzu ein geeignetes Kalibrierungsverfahren zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Bodenfeuchtesensor mit den Merkmalen des Anspruches 1 und ein Kalibrierungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruches 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der erfindungsgemäße Bodenfeuchtesensor liefert simultan sowohl den Wassergehalt als auch die Saugspannung des Bodens. Mit den zwei Sensoren mit unterschiedlichen Porengrößen ist es nämlich möglich, genaue Wertepaare von Wassergehalt und Saugspannung zu finden, mit denen im Rahmen eines Kalibrierungsverfahrens die Kennlinie zwischen Wassergehalt und Saugspannung angepasst werden kann. Der Bodenfeuchtesensor misst dann den Wassergehalt und gibt mittels der Kennlinie die zugehörige Saugspannung aus. Eine Bewässerunganlage kann dann mit den Messwerten des Bodenfeuchtesensors gesteuert werden.
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Für eine optimale Bewässerung kann die Anzahl der Sensoren erhöht werden. So ist insbesondere ein dritter Sensor bevorzugt, welcher ohne poröse Matrix arbeitet und den Wassergehalt des Bodens direkt misst, also nicht denjenigen der porösen Matrix. Um die Kennlinie noch genauer anzupassen, können auch noch weitere Sensoren mit porösen Matrizen unterschiedlicher Porengröße hinzugefügt werden.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
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1 eine teilweise schematisierte, perspektivische Ansicht des Bodenfeuchtesensors,
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2 ein Diagramm mit Messkurven während des Kalibrierungsverfahrens, wobei die zugeordneten Bauteile und Größen in Klammern ergänzt sind,
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3 die Kennlinie zwischen Wassergehalt und Saugspannung, und
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4 eine schematische Darstellung des Bodenfeuchtesensors während der Messung.
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Ein Bodenfeuchtsensor 1 misst den volumetrischen Wassergehalt, kurz Wassergehalt Θ. Die Saugspannung Ψ ergibt sich hieraus mittels einer Kennlinie. Der Bodenfeuchtesensor 1 weist einen Träger 3 auf, vorzugsweise in einer Streifenform und beispielsweise aus einem faserverstärktem Kunststoff, wie er bei Leiterplatinen üblich ist. Der Träger 3 weist ein anschlussseitiges Ende 3a und ein bodenseitiges Ende 3b auf. Der Bodenfeuchtesensor 1 wird mit dem bodenseitigen Ende 3b voraus in den zu messenden Boden B eingeführt, weshalb das bodenseitige Ende 3b des Trägers 3 vorzugsweise angespitzt ist.
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Am anschlussseitigen Ende 3a ist auf dem Träger 3 eine Elektronikkomponente 5 des Bodenfeuchtesensors 1 angeordnet. Die Elektronikkomponente 5 braucht nicht in den Boden B eingeführt zu werden. Vorsorglich kann aber trotzdem eine geeignet beschaffene Außenumhüllung für die Elektronikkomponente 5 vorgesehen sein. Die Elektronikkomponente 5 ist mit einer Schnittstelle 7 versehen, mittels derer der Bodenfeuchtesensor 1 an eine Auswertevorrichtung 9 anschließbar ist, beispielsweise an ein spezielles Steuergerät oder an einen handelsüblichen Computer. An die Auswertevorrichtung 9 wird dann eine nicht dargestellte Bewässerungsanlage angeschlossen, welche in Abhängigkeit der vom Bodenfeuchtesensor 1 gelieferten Werte eine Bewässerung des Bodens B vornimmt.
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Der Bodenfeuchtesensor 1 weist einen ersten Sensor 11 und einen zweiten Sensor 12 auf, welche ebenfalls auf dem Träger 3 angeordnet sind, beispielsweise mittig zwischen dem anschlussseitigen Ende 3a und dem bodenseitigen Ende 3b. In der bevorzugten Ausbildung des Trägers 3 in Streifenform sind die beiden Sensoren 11, 12 in Nachbarschaft der Elektronikkomponente 5 angeordnet. Sie können auf verschiedenen Seiten des Trägers 3 (wie im Ausführungsbeispiel) oder auf der gleichen Seite angeordnet sein. Beide Sensoren 11 und 12 weisen jeweils eine Messfläche und eine poröse Matrix auf. Jede Messfläche umfasst wenigstens zwei voneinander beabstandete Elektroden, die als metallische Strukturen auf den Träger 3 aufgebracht sind und an die Elektronikkomponente 5 anzuschließen sind. Jede poröse Matrix besteht beispielsweise aus keramischem Material oder porösem Kunststoff, beispielsweise in (vorzugsweise angefaster) Quaderform, und ist auf der zugeordneten Messfläche angeordnet und mit dem Träger 3 verbunden. Die poröse Matrix steht mit der zugeordneten Messfläche in Flächenkontakt. Die Oberfläche der porösen Matrix ist wenigstens auf der von der Messfläche abgewandten Seite unbedeckt.
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Zwischen den beiden Sensoren 11, 12 und dem bodenseitigen Ende 3b des Trägers 3 ist vorzugsweise noch ein dritter Sensor 13 angeordnet, welcher im wesentlichen aus einer Messfläche entsprechend denjenigen von erstem Sensor 11 und zweitem Sensor 12 besteht, also zwei voneinander beabstandeten Elektroden, oder aus jeweils einer derartigen Messfläche auf beiden Seiten des Trägers 3. Die Elektroden können auf der Oberfläche des Trägers 3 oder in dessen Inneren ausgebildet sein.. Der dritte Sensor 13 dient der Messung des Wassergehalts Θ direkt im Boden B.
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Der Bodenfeuchtesensor 1 wird so weit in den Boden B eingeführt, dass alle drei Sensoren 11, 12, 13 in Kontakt mit dem Boden B stehen, und zwar die beiden Sensoren 11 und 12 mit der unbedeckten Oberfläche ihrer porösen Matrix und der dritte Sensor 13 mit seiner Messfläche. Aufgrund des Kontakts mit dem Boden B stellt sich ein Gleichgewicht bezüglich der Saugspannung Ψ ein, wodurch an allen drei Sensoren 11, 12, 13 die gleiche Saugspannung Ψ herrscht. Mit dem Einführen des Bodenfeuchtesensors 1 in den Boden B und der Einstellung des besagten Gleichgewichts kann die Messung beginnen.
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Alle drei Sensoren 11, 12, 13 sind an die gemeinsame Elektronikkomponente 5 angeschlossen und messen den Wassergehalt Θ in an sich bekannter Weise, indem ihre Elektroden beispielsweise einen Teil eines Schwingkreises bilden. Zwischen den Elektroden wird ein elektrisches Feld aufgebaut, welches ein zu prüfendes Objekt durchdringt und entsprechend dessen Dielektrizitätskonstante beeinflusst wird, was wiederum mit Hilfe (jeweils) einer elektronischen Messschaltung in der Elektronikkomponente 5 mittels der Frequenz f des Schwingkreises messbar ist. Das zu prüfende Objekt ist im Falle des ersten Sensors 11 und des zweiten Sensors 12 jeweils deren poröse Matrix, wobei die Frequenz f für diese beiden Messschaltungen im Bereich von 1 bis 10 MHz liegt. Im Falle des dritten Sensors 13 ist das zu prüfende Objekt direkt der Boden B, wobei die Frequenz f für diese Messschaltung im Bereich von 100 MHz liegt. Die Beziehung zwischen der Frequenz f, der Dielektrizitätskonstanten und dem Wassergehalt Θ ist nichtlinear. Grundsätzlich entspricht eine geringe Dielektrizitätskonstante einem geringen Wassergehalt Θ (erkennbar an einer hohen Frequenz f), während eine höhere Dielektrizitätskonstante einem höheren Wassergehalt Θ entspricht (erkennbar an einer geringeren Frequenz f).
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Die porösen Matrizen des ersten Sensors 11 und des zweiten Sensors 12 weisen Poren mit bestimmten Porengrößen auf, in welche das Wasser aus den Boden B eindringen kann (entsprechend der herrschenden Saugspannung Ψ), was zum Einstellen des Gleichgewichts zu Beginn der Messung gehört. Da in kleinen Poren höhere Adhäsionskräfte herrschen als in größeren Poren, können kleine Poren das Wasser bis zu einer höheren Saugspannungen Ψ halten als es die größeren Poren.können.
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Die porösen Matrizen des ersten Sensors 11 und des zweiten Sensors 12 sind mit Poren versehen, deren jeweilige Porengröße in einem engen Intervall liegen, also jeweils etwa gleich groß sind. Im Falle einer Gaußschen Normalverteilung der Porengrößen ist das Intervall beispielsweise mittels der Standardabweichung (um eine mittlere Porengröße herum) definiert, beispielsweise vier Standardabweichungen breit (mittlere Porengröße minus zwei Standardabweichungen bis mittlere Porengröße plus zwei Standardabweichungen). Bezogen auf die mittlere Porengröße sind als Intervalle maximal ±10 % (d.h. Standardabweichung maximal 5 %), vorzugsweise maximal ±5 % (d.h. Standardabweichung maximal 2,5 %), besonders bevorzugt maximal ±2 % (d.h. Standardabweichung maximal 1 %) bevorzugt.
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Erfindungsgemäß sind die Porengrößen, genauer gesagt die Intervalle der Porengrößen, für die beiden Sensoren 11, 12 unterschiedlich, vorzugsweise so, dass der erste Sensor 11 praktisch keine Poren in der Größe der Poren des zweiten Sensors 12 aufweist und umgekehrt. Der erste Sensor 11 weist vorliegend "größere" Poren auf, die bis zu einer Saugspannung Ψ von etwa 100 mbar das Wasser halten können und oberhalb davon vollständig entleert sind. Der zweite Sensor 12 weist vorliegend "kleinere" Poren auf, die bis zu einer Saugspannung Ψ von etwa 250 mbar das Wasser halten können und oberhalb davon vollständig entleert sind. Selbstverständlich sind andere Grenzwerte möglich, die aus Gründen der Messgenauigkeit aber nicht zu dicht beieinander liegen sollten. Generell sind poröse Matrizen bevorzugt, welche in der Nähe von Saugspannungen Ψ entleeren, die in dem vom Bodenfeuchtesensor 1 kontrollierten Messbereich liegen.
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Die Eigenschaften der porösen Matrizen des ersten Sensors 11 und des zweiten Sensors 12 ermöglichen, dass der Bodenfeuchtesensor 1 nach einem Kalibrierungsverfahren für jeden gemessenen Wassergehalt Θ im Boden B auch die zugeordnete Saugspannung Ψ liefert. Hierzu wird die Kennlinie zwischen dem Wassergehalt Θ und der Saugspannung Ψ verwendet. Die besagte Kennlinie hat einen vom Boden B abhängigen Verlauf, der zwar nichtlinear ist, sich jedoch typischerweise bei Kenntnis weniger Punkte gut annähern lässt. Der erste Sensor 11 und der zweite Sensor 12 liefern dabei (zusammen mit dem den Wassergehalt Θ im Boden B messenden dritten Sensor 13) zwei Punkte.
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Hierzu werden die drei – sich über die Zeit t verändernde – Wassergehalte Θ im Boden B (mittels des dritten Sensors 13) sowie im ersten Sensor 11 und im zweiten Sensor 12 in Abhängigkeit der Zeit t gemessen. Vorzugsweise wird bei einem hohen Wassergehalt Θ begonnen, der im Laufe der Zeit t absinkt, was in den Messungen anhand einer steigenden Frequenz f, sichtbar ist, und zwar unterschiedlich für die drei Wassergehalte Θ. Zugleich steigt die Saugspannung Ψ im Boden B langsam an Bei einem bestimmten Zeitpunkt t1 wird die poröse Matrix des ersten Sensors 11 entleert, im Ausführungsbeispiel bei einer Saugspannung Ψ1 = 100 mbar. Für den ersten Sensor 11 erreicht dabei die Frequenz f einen Maximalwert. Der zugehörige Wassergehalt Θ des Bodens B beträgt dann Θ1. Sinkt der Wassergehalt Θ weiter ab, so wird zu einem späteren Zeitpunkt t2 die poröse Matrix des zweiten Sensors 12 entleert, im Ausführungsbeispiel bei einer Saugspannung Ψ2 = 250 mbar. Dann erreicht auch für den zweite Sensor 11 die Frequenz f den Maximalwert. Der zugehörige Wassergehalt Θ des Bodens B beträgt dann Θ2. Die so erhaltenen zwei Punkte (Θ1, Ψ1) und (Θ2, Ψ2) werden vorzugsweise ergänzt durch zwei näherungsweise bestimmbare Punkte, nämlich dem Wert des Wassergehalts Θ im wassergesättigten Boden B, bei dem praktisch keine Saugspannung Ψ herrscht, und der Wert des residualen Wassergehalts im Boden B, ab dem der Wassergehalt Θ praktisch nicht weiter abnimmt. Diese (nur) näherungsweise bestimmbaren Punkte werden beispielsweise aus den Messwerten des dritten Sensors 13 ermittelt, also aus der Messung des Wassergehalts Θ im Boden B.
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Das Kalibrierungsverfahren besteht nun darin, bei sich veränderndem Wassergehalt Θ und Saugspannung Ψ im Boden B in der vorstehend beschriebenen Weise diejenigen Punkte (Θ1, Ψ1) und (Θ2, Ψ2) der Kennlinie zu ermitteln, bei denen die porösen Matrizen des ersten Sensors 11 und des zweiten Sensors 12 entleert sind, vorzugsweise die beiden näherungsweise bestimmbaren Punkte zu ergänzen, und anhand der vorhandenen Punkte die Parameter der Kennlinie zwischen Wassergehalt Θ und Saugspannung Ψ entsprechend anzupassen, beispielsweise nach van Genuchten oder Brooks-Corey. Der so (für den speziellen Boden B) kalibrierte Bodenfeuchtesensor 1 gibt dann bei der Messung Wassergehalt Θ und Saugspannung Ψ des Bodens B aus.
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Vorzugsweise findet die Anpassung der Kennlinie zwischen Wassergehalt Θ und Saugspannung Ψ während des Kalibrierungsvefahrens ebenso wie die Auswertung der gemessenen Frequenzen f in der an den Bodenfeuchtesensor 1 angeschlossenen, separaten Auswertevorrichtung 9 statt, die wiederum die Bewässerungsvorrichtung ansteuert. Insbesondere wenn in einer Anlage mehrere Bodenfeuchtesensoren 1 an verschiedenen Stellen des Bodens B eingesetzt sind, ist diese Ausführung bevorzugt. Es ist aber auch denkbar, dass die Auswertevorrichtung 9 teilweise (beispielsweise bis auf die Anpassung der besagten Kennlinie) oder vollständig in einen abgewandelten Bodenfeuchtesensor 1 integriert ist (genauer gesagt in dessen Elektronikkomponente 5), der dann mittels seiner Schnittstelle 7 direkt an die Bewässerungsvorrichtung angeschlossen ist. Diese Ausführung kann insbesondere bei kompakten, kleinen Anlagen mit nur einem Bodenfeuchtesensor 1 vorteilhaft sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bodenfeuchtesensor
- 3
- Träger
- 3a
- anschlusseitiges Ende
- 3b
- bodenseitiges Ende
- 5
- Elektronikkomponente
- 7
- Schnittstelle
- 9
- Auswertevorrichtung
- 11
- erster Sensor
- 12
- zweiter Sensor
- 13
- dritter Sensor
- B
- Boden
- f
- Frequenz
- t
- Zeit
- Θ
- (volumetrischer) Wassergehalt
- Ψ
- Saugspannung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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