Wie kapazitive Bodenfeuchtesensoren funktionieren

Den volumetrischen Wassergehalt (VWC) verstehen

Um zu verstehen, wie diese Geräte funktionieren, müssen wir zuerst verstehen, was sie messen. Gehen wir also einen Schritt zurück und schauen wir uns die Bodenfeuchtigkeit an - genauer gesagt den volumetrischen Wassergehalt (VWC).

Der VWC ist ein Maß für die in einem Bodenvolumen enthaltene Wassermenge, ausgedrückt in Prozent des Volumens. Wenn zum Beispiel 1m³ aus 0,15m³ Luft, 0,35m³ Wasser und 0,50m³ Bodenmineralien besteht, beträgt der VMC 35%.

Die VWC ist ein grundlegender Parameter in der Bodenkunde und Hydrologie, da sie eine entscheidende Rolle bei der Bestimmung der physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften des Bodens und der Wasserbewegung durch das Bodenprofil spielt. Die Messung der VWC ist für eine Vielzahl von Anwendungen wichtig, z. B. in der Land- und Forstwirtschaft, den Umweltwissenschaften und im Bauwesen. Sie kann mit verschiedenen Techniken gemessen werden, eine der effizientesten sind kapazitive Sensoren.

Die Wissenschaft hinter kapazitiven Bodenfeuchtesensoren

Um VWC zu messen, machen sich diese Sensoren die Polarität des Wassers zunutze. Die Polarität von Wasser bezieht sich auf die Trennung der elektrischen Ladungen innerhalb eines Wassermoleküls. Ein Wassermolekül besteht aus zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom, und die Elektronen im Molekül sind nicht gleichmäßig verteilt. Das Sauerstoffatom hat eine höhere Elektronegativität als die Wasserstoffatome, was bedeutet, dass es die gemeinsamen Elektronen stärker anzieht. Dies führt dazu, dass das Sauerstoffatom teilweise negativ und die Wasserstoffatome teilweise positiv geladen sind.

Aufgrund dieser ungleichen Ladungsverteilung sind Wassermoleküle polar, das heißt, sie haben ein positives Ende (die Wasserstoffatome) und ein negatives Ende (das Sauerstoffatom).

Wenn ein elektromagnetisches Feld auf den Boden einwirkt, reagieren die Wassermoleküle im Boden auf diese Polarität. Das bedeutet, dass die Wassermoleküle ihre Ausrichtung ändern, wenn die Polarität des Feldes verändert wird. Indem man ein elektromagnetisches Feld mit einem Wassergehaltssensor anlegt, kann man den Einfluss des Wassers auf das Feld erkennen und messen. Wenn der Boden mehr Wasser enthält, ist die Auswirkung auf das Feld größer, was eine indirekte Messung des Wassergehalts des Bodens ermöglicht.

Kapazitätssensoren verwenden zwei Sonden (eine mit positiver und eine mit negativer Ladung), um ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen (siehe oben). Dadurch können sie die Ladungsspeicherkapazität des Materials zwischen den Sonden (des Bodens) messen, die dann mit der gemessenen Wassermenge im Boden in Beziehung gesetzt werden kann.

Zusammenfassend lässt sich also sagen, dass die Wissenschaft hinter den kapazitiven Bodenfeuchtesensoren auf der Fähigkeit des Bodens beruht, elektrische Ladung zu speichern, und dass die Sensoren so konstruiert sind, dass sie die Änderung der Kapazität zwischen zwei leitenden Platten im Boden als Funktion des Feuchtigkeitsgehalts des Bodens messen.

Warum kapazitive Bodenfeuchtesensoren verwenden?

Die VWC des Bodens ist ein wichtiger Faktor für die landwirtschaftliche Produktivität. Sie wird verwendet, um die Menge und den Zeitpunkt der Bewässerung zu bestimmen, die notwendig sind, um optimale Bodenfeuchtigkeitsbedingungen für die Pflanzen zu erhalten. Eine Überbewässerung kann zu Staunässe, Nährstoffauswaschung und Bodenerosion führen, während eine Unterbewässerung den Ertrag und die Qualität der Ernte verringern kann.

Mit diesen Geräten ist es möglich, im Laufe der Zeit einen konstanten Strom von Bodendaten zu sammeln, der ein mächtiges Werkzeug ist, um Einblicke in das Verhalten des Bodens zu gewinnen, und der besonders wertvoll ist, um faktenbasierte Entscheidungen in der Präzisionslandwirtschaft zu treffen.