DE3702725A1 - Feuchtesensor zur verwendung in automatischen bewaesserungsanlagen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Feuchtesensor zur Verwendung in automatischen Bewässerungsanlagen.

Automatische Bewässerungen sind heute eine Notwendig­ keit für jeden Gewächshausbetrieb, um zum Beispiel den Wasserverbrauch zu reduzieren und die Pflanzenwur­ zeln vor Schädigungen durch ständiges Wasseranstehen im Pflanzentopf zu schützen. Ferner sind auch ökonomische Gründe maßgebend bei der Verwendung von automatischen Bewässerungsanlagen, die heute hauptsächlich nach zwei Arten arbeiten: die Anstaubewässerung und die Fließ­ rinnenbewässerung.

Bei der Anstaubewässerung wird das Wasser je nach Bedarf einige Zentimeter hoch für einige Minuten angestaut. Bei der Fließrinnenbewässerung werden Fließrinnen ver­ wendet, die ein geringes Gefälle aufweisen, so daß das Wasser, das in einer Höhe von ca. fünf mm für eine ge­ wisse Zeit zugeleitet wird, gut fließen kann.

Bei beiden Bewässerungsarten ist es wünschenswert und auch schon durchgeführt, die Wasserführung zu automa­ tisieren. Die einfachste Lösung besteht darin, die Wasserpumpe über eine Zeitschaltuhr zu steuern. Es leuchtet ein, daß eine derartige Steuerung unbe­ friedigend ist, da hierbei drei wichtige Faktoren für die Bewässerung nicht berücksichtigt werden, nämlich die Substratfeuchtigkeit, die Substratart und die Sub­ stratdichte, die die Wasseraufnahmefähigkeit bestimmen. Man hat daher auch schon Feuchtesensoren eingesetzt, um die jeweilige Substratfeuchtigkeit zu erfassen und ent­ sprechend dem Maßergebnis die Gießwassergabe zu steuern. Zu ihnen gehören zum Beispiel die Tensiometer und Vakuummeßgeräte.

Tensiometer haben jedoch den Nachteil, daß sie ungenau arbeiten und daher im Prinzip unzuverläßlich sind. Das liegt insbesondere daran, daß Tensiometer die Feuchtigkeit nicht direkt, sondern die Vakuum- bzw. Druckverhältnisse im Boden messen. Ferner setzen sich die Tonzellen mit der Zeit zu, so daß das ganze Meß­ system nicht mehr funktionieren kann. Da schließlich die Vakuumbildung infolge des Aufsaugens der Feuchtig­ keit durch die Pflanzenwurzeln sehr stark von der Pflanzenerde abhängt, muß das Tensiometer bei wechseln­ den Einsatz nachjustiert werden. Da sich aber die Was­ seraufnahmefähigkeit des zu erfassenden Bodens ändern kann, muß das Tensiometer auch ohne Wechsel des Stand­ ortes öfters nachjustiert werden. Diese Nachteile be­ einflussen daher eine wirkliche automatische Bewässe­ rung sehr stark in negativem Sinne.

Aufgabe der Erfindung ist demnach die Schaffung eines Feuchtesensors, dem die vorstehenden Nachteile nicht anhaften. Gegenstand der Erfindung ist also ein Feuchte­ sensor, insbesondere zur Verwendung in automatischen Pflanzen-Bewässerungsanlagen.

Die wesentlichen Merkmale des neuen Feuchtesensors sind die kapazitive Erfassung der Feuchtigkeit und die Erdung des Meßfeldes über eine Erdungsspitze. Die Gesamtmerkmale ergeben sich aus dem Anspruch 1.

Die Erfindung bringt eine Reihe von bedeutenden Vorteilen gegenüber den bekannten Meßgeräten. Durch die relativ großen Kondensatorflächen ist der Sensor sehr feinfühlig, so daß auch geringe Restfeuchten noch erfaßt werden können. Die Erdung des Meßfeldes über eine Erdungsspitze macht den Sensor unempfindlich gegenüber verschiedenen Einsatzver­ hältnissen, zum Beispiel unempfindlich dagegen, wie weit der Sensor, d. h. der Kondensator von dem Wasser­ spiegel entfernt ist, da man immer das gleiche Meßfeld hat. Ohne die Erdung würde nämlich der Wasserstand das Dielektikum und damit das Meßergebnis beeinflussen. Man erhält somit reproduzierbare Ergebnisse ohne daß Nach­ justierungen erforderlich sind, wie lange Versuchsreihen gezeigt haben.

Es ist ferner vorteilhaft, wenn die elektrischen Auswerte­ schaltungen in dem Sensorkörper untergebracht sind, da man dann in der Einsatzmöglichkeit flexibler ist. Zweck­ mäßig ist ein an dem Sensorröhrchen angebrachtes Gehäu­ se geeigneter Größe, das zylindrisch ausgebildet ist und relativ klein sein kann, da der RC-Oszillator und die anderen elektrischen Schaltteile in integrierter Schal­ tung aufgebaut sein können. Nach der Verschaltung kann das Schaltungsgehäuse ebenfalls mit Gießharz ausgegossen werden, so daß man einen stabilen Gegenstand erhält.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Erläuterung der Erfindung anhand der Fig. 1 bis 4.

Es zeigen:

Fig. 1 den neuen Feuchtesensor im Schnitt,

Fig. 2 die Auswerte- und Steuerschaltungen in schematischer Darstellung,

Fig. 3 eine automatische Bewässerungsanlage mit Einsatz des neuen Feuchtesensors,

Fig. 4 die in Fig. 3 verwendete Gießwasser-Zentrale in vergrößerter Darstellung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungs­ beispiels, das sich in der Erprobung bewährt hat, näher erläutert.

Der Feuchtesensor 1 besteht aus dem Kunststoffröhrchen 2 in dessen linkes Ende die Metallspitze 3 aus nichtrosten­ dem Stahl fest eingesteckt ist. Ebenfalls am linken Ende des Kunststoffröhrchens 2 sind innen die beiden zylin­ derförmigen Kondensatorplatten 4 und 5 formschlüssig an­ gebracht. Das ringförmige Distanzstück 6 dient zur sauberen elektrischen Trennung der beiden Kondensator­ seiten. An das Kunststoffröhrchen 2 schließt sich an des­ sen rechter Seite das Gehäuse 7 fest an. Das Gehäuse 7 besteht ebenfalls aus Kunststoff, zum Beispiel PFTE. In dem Gehäuse 7 sind die elektrischen Schaltungsteile für die Auswertung der Kondensatorwerte und die Erzeugung von Steuersignalen untergebracht, die auf der symbolisch dargestellten Leiterplatte 8 angeordnet sind. Die Leucht­ diode 9 dient zur Anzeige des erwünschten Feuchtigkeits­ grades, wie weiter unten noch erläutert wird.

Mittels des Potentiometers 10 kann die Auswerteschaltung justiert bzw. geeicht werden. Von der Leiterplatte 8 führen die Steuerleitungen zu dem Kabel 11, wie eben­ falls nur schematisch dargestellt ist.

Das Kunststoffröhrchen 2 und das Gehäuse 7 sind mit einem Gießharz 12, zum Beispiel Polyurethan, ausgegossen, wobei das Gießharz im Bereich der Kondensatorzylinder 4 und 5 als Dielektrium dient.

Die Auswertung der Kapazitätsänderungen des Kondensators 4, 5 infolge der Feuchtigkeitsänderungen kann im Prinzip mit einer bekannten und geeigneten elektrischen Schaltung vorgenommen werden.

In Fig. 2 ist daher nur schematisch eine besonders gut geeignete Auswerteschaltung dargestellt. Der Röhrenkon­ densator 4, 5 der Fig. 1 ist mit 13 bezeichnet. 14 zeigt die geerdete Metallspitze.

Als Verstärker 15 dient RC-Oszillator in C-MOS-Technik, der an seinem Ausgang 16 Steuerimpulse erzeugt, die der Schaltung 17 zugeleitet werden. In der Schaltung 17 befindet sich das Potentiometer 10 zum Abgleichen, so­ wie eine Schwellwertschaltung, die mit dem Symbol 18 angegeben ist. Die Ausgangssignale der Schaltung 17 steuern einerseits die Leuchtdiode 9 und andererseits die Ausgangsschaltungen 9 und 19 in dem Schaltteil 20. Die Signale der Ausgangsschaltung 19 gelangen zu dem Netz- und Ansteuergerät 21, in dem dann die Steuersignale für die Bedienung der in den Bewässerungsleitungen be­ findlichen Magnetventile 22 und der Bewässerungspumpe 23 erzeugt werden.

Der vorstehend beschriebene Feuchtesensor löst alle Probleme, die bei der automatischen Bewässerung von Pflanzungen auftreten optimal, wie entsprechende Ver­ suche gezeigt haben, dabei ist es gleichgültig, welche Bewässerungsart, Gießrinnen-, Staubewässerung oder an­ dere Bewässerungsarten, gewählt und welche Bodenart ver­ wendet wird.Auch ist es unerheblich, ob es sich um eine Gewächshausbewässerung oder um eine Freilandbewässerung handelt.

Zur Erläuterung der Wirkungsweise des neuen Feuchtesen­ sors sei die Steuerung einer automatischen Bewässerungs­ anlage im folgenden beschrieben.

Fig. 3 zeigt im oberen Teil verschiedene Pflanzenauf­ nahmen, und zwar einerseits für die Bewässerung im Parallelbetrieb und andererseits im Einzelbetrieb. Im unteren Teil der Fig. 3 ist die Gießwasser-Zentrale dar­ gestellt, wobei ein getrennter Zu- und Ablauf vorgesehen ist. Aber auch Verrohrung mit gemeinsamen Zu- und Ablauf ist möglich.

Die Pflanzenaufnahmen bestehen aus dem parallel bewässer­ tem Fließrinnen 24, den einzeln bewässerten Fließrinnen 25 und 26, sowie den einzeln bewässerten Staurinnen 27 und 28 und schließlich dem Staubecken 29. Die Wasserzu­ leitung erfolgt über die Leitung 30 mit den entsprechen­ den Abzweigungen zu den Pflanzenaufnahmen. Das über­ schüssige Wasser fließt über den Rücklauf 31 zur Gieß­ wasser-Zentrale zurück. Aus Gründen der Raum- und Flächennutzung ist es vorteilhaft, wenn die Fließrinne 25 und die Staurinne 27 aus Metall, z. B. Aluminium, mit strukturierter Oberfläche und die Fließrinne 26 und die Staurinne 28 aus transparenten und für UV-Strahlung durchlässigem Kunststoff, z. B. Acrylglas, bestehen.

Die strukturierte, z. B. genörpelte Oberfläche ermög­ licht das Bewässern auch am Topfboden planer Blumen­ töpfe mit möglichst geringem Wasserstand, da das Gieß­ wasser durch die Vertiefungen der Struktur in das Topf­ loch eindringen kann. Ferner ergibt diese Oberfläche ein diffuses Licht bei der Reflexion der Sonneneinstrahlung, so daß der typische Brennglaseffekt auf benachbarte Pflanzen entfällt.

Die transparenten Fließ- und Staurinnen bewirken eine große Reduzierung der Schattenbildung unter der Rinne, da der Schatten nur noch durch den Topf und die Pflanze selbst entsteht.

Der Feuchtesensor 1 befindet sich nun in dem repräsen­ tativen Pflanzentopf 32 und erfaßt permanent die Substrat­ oder Erdfeuchte in der anhand von Fig. 1 und 2 erläuter­ ten Weise. Die Steuersignale gelangen von dem Feuchte­ sensor 1 über die Steuerleitung 33 zu dem Netz- und Ansteuergerät 21, von dem im Bedarfsfalle die Tauchpumpe 34 eingeschaltet wird. Das Gießwasser gelangt von der Tauchpumpe 34 über die Rohrleitung 35 zu dem Drosselven­ til 36 in dem das Gießwasser auf die benötigte Menge eingestellt wird, und von dort über die Zuleitung 30 und die Magnetventile 37 bzw. 38 zu den Pflanzkästen. Bei Erreichen des gewünschten Feuchtigkeitsgrades werden diese Magnetventile von dem Netz- und Ansteuergerät 21 wieder geschlossen und die Ablauf-Magnetventile 39 ge­ öffnet, falls letztere an den Staurinnen vorgesehen sind.

Bei den Fließrinnen benötigt man keine Abfluß-Magnet­ ventile, da das überschüssige Wasser direkt über die Rücklaufleitung 40 zurückfließen soll. Ferner wird die Tauchpumpe abgeschaltet.

Das Rücklauf-Gießwasser fließt über die Rücklaufleitungen 40 und 31 in das Sedimentierbecken 41 und von dort in die Gießwasser-Zentrale. Da die Gießwasser-Zentrale auch zur automatischen Nährstoffbeigabe verwendet werden kann ist sie in Fig. 4 nochmals vergrößert dargestellt, um sie besser beschreiben zu können.

Das Rücklauf-Gießwasser gelangt, wie bereits beschrieben, in das Sedimentierbecken 41, daß eine Überlaufschwelle aufweist. Das überlaufende Wasser läuft über das Filter­ sieb 42 und tropft in das Becken 43. Die ausgefilter­ ten Feststoffe rutschen von dem Filtersieb 42 in den Be­ hälter 44. Das in den Behälter 44 mit hineinlaufende Wasser wird über die Leitung 45 in das Becken 43 zurück­ geführt.

Das Frischwasser fließt über die Zuleitung 46 und das Magnetventil 47 in das Becken 43. Der Nachfüllbedarf des Frischwassers wird über den elektronischen Niveauregler 48 geregelt. Wenn der Wasserstand an dem Fühler 49 die Einschaltmarke 50 erreicht, schaltet der Niveauregler 48 das Magnetventil 47 auf, bis die Ausschaltmarke 51 erreicht ist. Die Alarmmarke 52 dient dazu, im Fehler­ fall ein optisches oder akustisches Alarmsignal auszu­ lösen.

Der Nährstoffsensor 53 überwacht in Zusammenarbeit mit dem elektronischen Steuergerät 54 den Nährstoffgehalt im Gießwasser. Im Bedarfsfalle erfolgt die Zugabe von Nährlösung aus dem Düngemittelbehälter 55 über die Nähr­ stoffleitung 56 und das Magnetventil 57, das seinerseits von dem Steuergerät 54 geschaltet wird. Es ist zweck­ mäßig, die Steuerungen der Frischwasser- und der Nähr­ stoffzugabe so miteinander zu koppeln, daß die Nähr­ stoffzugabe nur während der Frischwasserzugabe erfolgt, um so einen guten Mischeffekt zu erzielen.

• Bezugszeichenliste  1 Feuchtesensor
   2 Kunststoffröhrchen
   3 Metallspitze
   4 Kondensatorzylinder
   5 Kondensatorzylinder
   6 Distanzstück
   7 Gehäuse
   8 Leiterplatte
   9 Leuchtdiode
  10 Potentiometer
  11 Kabel
  12 Gießharz
  13 Röhrenkondensator
  14 Erdung von Teil 3
  15 Verstärker
  16 Verstärkerausgang
  17 Schaltung
  18 Schwellwertsymbol
  19 Ausgangsschaltung
  20 Schaltteil
  21 Netz- und Ansteuergerät
  22 Magnetventile
  23 Bewässerungspumpe
  24 Fließrinnen, parallel
  25 Fließrinnen, Einzel
  26 Fließrinnen, Einzel-transparent
  27 Staurinne, Einzel
  28 Staurinne, Einzel-transparent
  29 Staubecken
  30 Zuleitung
  31 Rückleitung
  32 Pflanzentopf
  33 Steuerleitung
  34 Tauchpumpe
  35 Rohrleitung
  36 Drosselventil
  37 Magnetventil, Zulauf
  38 Magnetventil, Zulauf
  39 Magnetventil, Ablauf
  40 Rücklaufleitung
  41 Sedimentierbecken
  42 Filtersieb
  43 Becken
  44 Behälter
  45 Leitung
  46 Frischwasser-Zuleitung
  47 Frischwasser-Magnetventil
  48 Niveauregler
  49 Wasserstandsfühler
  50 Einschaltmarke
  51 Ausschaltmarke
  52 Alarmmarke
  53 Nährstoffsensor
  54 Nährstoff-Steuergerät
  55 Düngemittelbehälter
  56 Nährstoffleitung
  57 Nährstoff-Magnetventil

Claims (12)

1. Feuchtesensor zur Erfassung der Erdfeuchte in Pflanz­ anlagen und zur Steuerung einer automatischen Be­ wässerungsanlage, dadurch gekennzeichnet, daß die Feuchtemassung kapazitiv erfolgt, indem der Feuchte­ sensor (1) aus einem elektrisch nicht leitenden Röhrchen (2) besteht, in dessen eines Ende ein Metall­ stück mit nach außen weisender Spitze (3) eingesteckt ist, und nahe diesem Röhrchenende formschlüssig ein Röhrenkondensator, bestehend aus zwei voneinander getrennten Metallzylindern (4, 5) angeordnet ist und die Metallspitze (3) elektrisch mit der Erde bzw. Schutz­ leiter, der Kondensator (4, 5) mit der Auswerteschal­ tung verbunden ist.

2. Feuchtesensor zur Erfassung der Erdfeuchte in Pflanz­ anlagen und zur Steuerung einer automatischen Be­ wässerungsanlage, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen den beiden Metallzylindern (4, 5) ein ringförmiger, elektrisch nicht leitendes Distanzstück (6) vorgesehen ist.

3. Feuchtesensor zur Erfassung der Erdfeuchte in Pflanz­ anlagen und Steuerung einer automatischen Bewässerungs­ anlage, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallspitze (3) aus nicht rostendem Metall besteht.

4. Feuchtesensor zur Erfassung der Erdfeuchte in Pflanz­ anlagen und Steuerung einer automatischen Bewässerungs­ anlage, nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Röhrchen (2) aus Kunststoff besteht.

5. Feuchtesensor zur Erfassung der Erdfeuchte in Pflanz­ anlagen und Steuerung einer automatischen Bewässerungs­ anlage, nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Röhrchen (2) mit Polyurethan-Gießharz ausge­ gossen ist.

6. Feuchtesensor zur Erfassung der Erdfeuchte in Pflanz­ anlagen und Steuerung einer automatischen Bewässerungs­ anlage, nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltungen in einen zylindrischen Ge­ häuse (7) untergebracht sind, das fest mit dem Röhrchen (2) verbunden und ebenfalls mit Polyurethan-Gießharz ausgegossen ist.

7. Feuchtesensor zur Erfassung der Erdfeuchte in Pflanz­ anlagen und Steuerung einer automatischen Bewässerungs­ anlage, nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Verstärker für die Auswertung der Kapazitäts­ änderungen des Kondensators (4, 5) und die Erzeugung der Steuersignale ein RC-Oszillator in C-MOS-Technik vorgesehen ist.

8. Feuchtesensor zur Erfassung der Erdfeuchte in Pflanz­ anlagen und Steuerung einer automatischen Bewässerungs­ anlage, nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Feuchtesensor zur Steuerung der automatischen Bewässerung von Pflanzenaufnahmen verschiedener Bau­ und Bewässerungsart dient.

9. Feuchtesensor zur Erfassung der Erdfeuchte in Pflanz­ anlagen und Steuerung einer automatischen Bewässerungs­ anlage, nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß Fließrinnen (24, 25, 26), Staurinnen (27, 28) und Stau­ becken (29) vorgesehen sind.

10. Feuchtesensor zur Erfassung der Erdfeuchte in Pflanz­ anlagen und Steuerung einer automatischen Bewässerungs­ anlage, nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fließrinne (26) und die Staurinne (28) transparent sind.

11. Feuchtesensor zur Erfassung der Erdfeuchte in Pflanz­ anlagen und Steuerung einer automatischen Bewässerungs­ anlage, nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fließrinne (25) und die Staurinne (27) an ihrer Oberfläche strukturiert sind.

12. Feuchtesensor zur Erfassung der Erdfeuchte in Pflanz­ anlagen und Steuerung einer automatischen Bewässerungs­ anlage, nach einem oder mehreren Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewässerung aus einer automa­ tisch nachfüllbaren Gießwasserzentrale erfolgt.