Tensiometer

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Definition

Ein Tensiometer ist ein Messgerät, mit dem auf Basis der physikalischen Eigenschaften des Bodens, die Wasserspannung im Boden gemessen werden kann.


Funktionsweise

Schematische Darstellung der Funktionsweise eines Tensiometers

Tensiometer werden dazu eingesetzt, die Saugspannung im Boden zu messen. Sie geben Auskunft darüber, welche Saugkraft eine Pflanze aufbringen muss, um dem Boden Wasser zu entziehen. Durch die direkte Verbindung des Tonkegels mit dem Boden sind Tensiometer in der Lage, die Saugspannung des Bodens auf eine Wassersäule in einer Plexiglasröhre zu übertragen. Die Sogkräfte erzeugen somit ein Vakuum, dessen Intensität über ein Manometer sichtbar wird. ergo: Je trockener ein Boden ist, desto größer sind die Potenziale der Adsorptions- und Kapilarkräfte, die das Wasser im Boden binden. Resultierend steigt die Saugkraft im Inneren des Tensiometers und erzeugt in Folge am Manometer einen Unterdruck.</ref>


Bauweisen

Standard-Tensiometer

Tensiometer gibt es in einer Vielzahl von unterschiedlichen Längen, Größen und Bauweisen. Ihnen gemein ist, dass sie aus einem durchsichtigem Schaft (Rohr), häufig aus Plexiglas, bestehen, an dessen unteren Ende ein Kegel aus Ton oder Keramik montiert ist. Am oberen Ende ist (in der klassischen Ausführung) ein Manometer gegebenenfalls mit Druckschalter angeschlossen. Die Dimensionierung des Schaftes richtet sich nach dem Übergabepunkt(Durchmesser) des Manometers und der Ausprägung des Tonkegels. Die Manometer können je nach Einsatzzweck und Positionierung horizontal zur Ansicht von oben, oder auch vertikal zur Seitenansicht montiert sein. Das Messglied ist eine Kapselfeder, die bis zu einem Druck von –1 bar (1000 hPa) überlastbar ist. Die Genauigkeit beträgt allgemeinen 2,5 % vom Messbereich. Die Manometer werden einzeln kalibriert und die Abweichung auf dem Prüfetikett angegeben. Die Einstellung ist justierbar (Nullpunktverstellung). Zusammen mit Schaltsensoren (+TStück) werden sie für Kontrollmessungen oder zur Beurteilung des eingestellten Schaltpunktes eingesetzt. Allerdings ist zu beachten, dass bei direktschaltenden Tensiostaten die Reaktionsgeschwindigkeit beim Ausschalten durch das Manometer etwas reduziert wird.

Digitale Tensiometer

Alternativ gibt es Tensiometer auch mit digitalen Anzeigen. Das digitale Manometer besteht aus einem piezoresistivem Drucksensor und einer Anzeigeelektronik mit Batterieversorgung. Für den Gebrauch muss das Gerät per Knopfdruck eingeschaltet werden. Im Übrigen entspricht die Anwendung der des mechanischen Manometers,auch ein kombinierter Einsatz von Digitalmanometer und Schaltsensoren (M-Sensor oder TSW) ist mittels T-Stück möglich Das Manometer ist wartungsfrei, der Einsatz sollte im Bereich von -5 bis +40°C erfolgen. Die wechselbare Lithium-Batterie hat eine Standzeit von ca. 10000 Zyklen.

Zusätzliche Druckschalter geben optional die Möglichkeit einen Stromfluss zu de-/aktivieren und somit beispielsweise eine Beregnungsvorrichtungen auszulösen. Der Tonkegel, auch Keramikkerze genannt, am Fuß des Tensiometers dient der Übertragung der Wasserspannung aus dem Boden (Substrat) in den Schaft. Er weist eine poröse Struktur auf und ist in der Lage Wasser hindurch diffundieren zu lassen. Er muss einen vollständigen Bodenschluss aufweisen, um mit der gesamten Kontaktfläche die Wasserspannung zu erfassen. [1]

Flächen-Tensiometer

Flächen-Tensiometer sind Messgeräte, die flächig auf dem Substrat platziert werden. Sie besitzen keinen Tonkegel, sondern eine Art Saugglocke, an deren Unterseite eine Tonoberfläche als Membran installiert ist. Sie erfassen vorrangig die Saugspannung auf der Substratoberfläche, können aber auch innerhalb des Substrates platziert werden. Sie eignen sich zur Feuchtigkeitsmessung auf Bewässerungsvliesen. Diese Bauart ist bei Saugspannungen über ca. 300 hPa nur für einen kurzfristigen Einsatz geeignet, sonst sind häufige Nachfüllungen erforderlich.

Tensiometer können bauartbedingt Saugspannungen von ca. 0-1000 hPa erfassen.

  • mechanische Manometer vertikal und horizontal

  • Digitaltensiometer

  • Flächentensiometer

Standardgrößen

Tensiometer gibt es in unterschiedlichen Längen und Durchmessern.


Schalttechnik

Tensioswitch Sensor mit Schaltmodul

Für die automatische Bewässerung werden an das Tensiometer Schaltsensoren an einem Bewässerungsautomaten angeschlossen. Mit ihnen kann die automatische Steuerung der Bewässerungsanlage aktiviert, oder auch durchgängig programmierte Bewässerungszyklen bei vorhandener Bodenfeuchte unterbrochen werden.</ref>


Schaltsensoren

Als Schaltsensoren werden die elektromechanischen Unterdruckwächter bezeichnet, die das Tensiometer-Unterteil zu einem „Tensiostaten“ aufrüsten und ihm Schalteigenschaften verleihen. Diese Unterdruckwächter sind Membranschalter üblicherweise für Niederspannung (z.B. 24 V) für einen definierten, begrenzten Schaltbereich. Sie erlauben eine stufenlose Schaltpunkt-Verstellung,jedoch ohne Skalierung; ein typischer Schaltpunkt ist markiert. Auch ein Direktschaltbetrieb über einen 24 V-Trafo (je nach Magnetventilspannung) ist möglich, der Tensiostat schaltet dabei ein und aus. Die notwendige Bewässerungsdauer ist unabhängig von der Saugspannung zu beachten. Im Feuchtbereich (Freiland) sind die Schalt Sensoren sorgfältig zu schützen, es ist sonst mit verkürzter Lebensdauer zu rechnen.

TensioSwitch (elektronischer Schaltsensor)

TensioSwitch (TSW) ist ein elektronischer Sensor mit Schaltausgang. Damit wird das Tensiometer zu einem selbständigen „Tensiostaten“ vervollständigt und stellt somit eine Alternative zu den Schaltsensoren dar. Der besondere Vorteil liegt in dem berührungslosen Schalten, wobei die Schaltfunktion bei steigendem Unterdruck elektrisch als ‚nach Masse schaltend‘ (npn) bezeichnet wird. Der Schaltzustand wird mit einer roten LED angezeigt. Die Einstellung des Schaltpunktes erfolgt stufenlos über eine Einstellschraube von ca. -25 bis -400 hPa. Die besondere Technologie beider Sensoren besteht in dem sog. Hall-Effekt, wobei die Saugspannung des Tensiometers (Unterdruck)von einer Kapselfeder erfasst und über einen Magneten an die Schaltelektronik übertragen wird. Der elektrische Anschluss erfolgt über einen standardisierten Sensor-Rundstecker. Das Messinggehäuse ist besonders stabil und spritzwassergeschützt und wird zusätzlich mit einer Schutzkappe abgedeckt. Der TSW kann für die Bewässerung entweder ein Magnetventil (12 oder 24 V DC) direkt schalten (Tensiostat schaltet ein und aus) oder über ein eigenes Relais eine Pumpe ansteuern. Ein Anschluss an Bewässerungsautomaten (Tensiostat schaltet ein, Automat aus) ist bei bestimmten Automaten direkt möglich oder wird mittels Kleinrelais in der Anschlussbox realisiert. Eine LED Anzeige gibt dazu Auskunft über den Schaltzustand.

Analog Sensoren

Analog Sensoren

E-Sensoren sind elektronische Drucksensoren für Tensiometer, die als ‚Analogsensoren‘ den Unterdruck im Tensiometers und damit die Saugspannung des Bodens oder Substrates ständig messen. Die Messsignale werden in einer Digitaleinheit für eine entsprechende Anzeige oder für Schaltvorgänge umgewandelt. Diese Bauart besteht aus einem piezoresistiven Druckaufnehmer für Differenzdruckmessung mit zusätzlichem Messumformer für die jeweiligen Signalarten, wahlweise auch ohne Messumformer.Das Kunststoffgehäuse ist belüftet und hat eine weiße Schutzhülle. Die Elektronik ist mit Vergussmasse zusätzlich geschützt, sie ist werkseitig auf den jeweiligen Nullpunkt und die Spanne kalibriert. Die Sensoren sind störfest nach CE und verpolsicher,der elektrische Anschluss erfolgt über einen festen Kabelausgang. Vorteil der E-Sensoren ist die kompakte Bauart mit geringem Gewicht. Das Gehäuse ist zu öffnen, so dass bei Fehler oder Versagen von Bauteilen ist eine Reparatur möglich ist.Für die ständige Feuchtigkeitsmessung erfolgt der Anschluss an einem PC, Bewässerungs- oder Klimacomputer oder Datalogger (siehe auch TensioLogger, TensioController) mit entsprechendem Eingang für die jeweiligen Signale zur Ermittlung eines Feuchteverlaufs.



Richtwerte zur Einordnung der Messungen

Kulturspezifische Richtwerte der tolerierten Saugspannung im Boden

Messgenauigkeit

Maßgebend für die Leistungsfähigkeit von Tensiometern ist die Abweichung der Anzeige im Gleichgewichtszustand sowie die Angleichungsgeschwindigkeit bei veränderten Wasserspannungen. Die Messgenauigkeit kann dabei zwischen 5-10 % variieren, was bei 100 cm Wassersäule etwa 5-10 cm ausmacht. Als weitere Einflussgröße wird die Angleichungsgeschwindigkeit betrachtet. Sie wird vom mechanischen Apparat des Tensiometers beeinflusst. Dazu werden in der Praxis durch leichte Erschütterungen des Manometers (antippen), die Mechanik des Zeigers ins Schwingen gebracht, um ein Gleichgewicht zwischen der vorherrschenden Saugspannung und der Messsensorik herzustellen. Entscheidend für eine qualitativ gute Übertragung der Kräfte aus dem Boden in das Messwerkzeug ist die vollständige Einschlämmung des Tonkegels. Ein mangelhafter Kontakt mit dem Boden verkleinert den Anschluss sowie die Übertragungsfläche und bewirkt daher eine starke Herabsetzung der Angleichungsgeschwindigkeit und relativiert die Saugspannung.[2]


Vorteile

  • Geringe Kosten.
  • Genaues Messergebnis auch bei geringer Saugspannung.
  • Kein Einfluss durch den EC (Electrical Conductivity) Wert.
  • Leichte Installation


Nachteile

  • Nur punktuelle Messung
  • Frostfreie Installation (ohne Zusatz von Frostschutzmitteln)
  • Bruchgefahr
  • Wartungsintensiv



Einsatzfelder

Typische Einsatzfelder sind Erdbeeren und Beerenobst, Feingemüse, Spargel, Hopfen und Baumobst im Freiland, Tunnelanbau, Anbau unter Glas, sowie Baum- und Rebschule. Das Tensiometer ist aufgrund seiner guten Genauigkeit ebenfalls für wissenschaftliche Anwendungen geeignet.


Kosten für ein Tensiometer

Die Kosten für ein Tensiometer liegen je nach Hersteller, Händler und Ausstattung zwischen 40 - 120 €

Alternative Messgeräte zur Erfassung der Feuchte im Boden

Watermark Sensoren


Installation

Platzierung eines Tensiometers
  1. Loch zur Installation des Tensiometers am Rande der Tropfzwiebel (bei Tropfbewässerungen) vorbohren.
  2. Tensiometer mit Wasser auffüllen und warten bis Tonkegel entsprechend mit Wasser gesättigt ist.
  3. Tensiometer vollständig auffüllen und mit Manometer verschliessen.
  4. Tensiometer in vorgebohrtes Loch einführen.
  5. Mit geschlämmten Boden auffüllen.


Anleitung zur fachgerechten Installation eines Tensiometers <mediaplayer width='250' height='180' image='https://de.wikipedia.org/wiki/Tensiometer_%28Bodenfeuchte%29#/media/File:Tensiometer.png>https'://https://www.youtube.com/watch?v=EPaiiq7QVyw</mediaplayer>

Die Firma MMM-tech hat diverses Filmmaterial zur Installation von Messsensoren erstellt und zeigt hier auf anschauliche Art, wie die Installation eines Tensiometers erfolgen kann. [1]

Weiterführende Links


Weiterführende Literatur

  • F.-W. Frenz: Steuerungsmöglichkeiten von Bewässerungsanlagen. In: Bewässerung im Gartenbau. Landwirtschaftsverlag, Münster-Hiltrup 1988, ISBN 3-7843-1771-5, S. 115–124 (KTBL-Schrift 328).
  • F. Möckel: Entwicklung eines elektronischen Tensiometers mit analogem Ausgang und nachgeschaltetem Schaltverstärker unter Berücksichtigung bodenphysikalischer Kriterien. Diplomarbeit an der FH Weihenstephan 1989.
  • S.L. Rawlins: Measurement of Water Content and the State of Water in Soils. In: Water Deficits and Plant Growth. 4, 1976, ZDB-ID 741684-2, S. 1–47.


Quellen

  1. ↑ https://de.wikipedia.org/wiki/Tensiometer_%28Bodenfeuchte%29
  2. ↑ Die Leistungsfähigkeit von Tensiometern

Hartge, K.H.: Die Leistungsfähigkeit von Tensiometern, Die Gartenbauwissenschaft, Vol. 26 (8), No. 2 (1961), pp. 175-182 http://www.jstor.org/stable/24136158 

  www.wikipedia.de/tensiometer
  www.tensio.de
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