TDR 100 Bodenfeuchtesensor

Transkript

1 Bedienungsanleitung

2 Sehr geehrter Kunde, wir bedanken uns für den Kauf dieses Gerätes. Beachten Sie bitte als Anwender diese Bedienungsanleitung. Bodenfeuchte ist eine kritische, potenziell sehr variable Komponente der Bodenuntersuchungen. Die TDR-Methode (Time-Domain Reflektometrie) ist eine sichere Technologie der schnellen und zuverlässigen Bestimmung des volumetrischen Wassergehalts direkt im Boden. Wir empfehlen Ihnen immer mehrere Messungen einfach und schnell zu machen. Mit beigefügter Software können Sie die Einstellungen des Gerätes verändern, ebenso können Sie auch den Logger für das Speichern des relativen Wassergehalts von mehreren Stellen programmieren. Funktionen ON Durch das Drücken auf die ON-Taste wird das Gerät ein- und ausgeschalten. Nach Einschalten des Gerätes wird im Display der Batteriestatus für 3 Sekunden angezeigt. Battery at 75% VWC= 28% PL= 4.8in A= 26% N= 03 Beispiel der Anzeige nach dem Einschalten des Gerätes Danach zeigt das Gerät den gewählten Status an, volumetrischer (VWC) oder relativer (RWC) Wassergehalt. READ Delete Clr Avg MODE Durch Drücken der READ-Taste wird der gemessene Wert abgelesen und die Anzeige aktualisiert. Einzelne Daten können mit der Taste DELETE/ CLR READ gelöscht werden. Wenn die DELETE/ CLR AVG-Taste kurz gedrückt wird, wird das letzte Ergebnis aus den laufenden Bestimmungen ermittelt und als Durchschnitt angezeigt. Längeres Drücken dieser Taste wird den laufenden Durchschnitt löschen. Die Anzeige erfolgt entweder in % volumetrischen Wassergehalt (VWC) oder im relativen Wassergehalt (RWC). Drücken Sie bitte die MODE-Taste um diese Bereiche auszuwählen. Wichtig: Um die Logger-Funktion zu aktivieren, muss diese Funktion über die Software vorher eingestellt werden. Ebenso muss die Länge der Sonden und die Einheiten vorher programmiert werden (siehe nächster Absatz).

3 Einstellungen Die Einstellungen werden mittels der beiliegenden Software vorgenommen. Schließen Sie bitte das graue Kabel zuerst an eine freie COM-Schnittstelle Ihres PC s an. Der Anschluss am Gerät befindet sich beim TDR 100 unter der Frontplatte, bzw. unten am Gehäuse beim TDR 300 (schwarzer Gummistopfen). TDR 100: die 4 Schrauben der Frontplatte lösen, vorsichtig herausnehmen (mit Kabel verbunden), umdrehen. Bei dieser Gelegenheit bitte auch die beiliegenden Batterien einsetzen, bitte auf Polarität achten. Der Anschluss befindet sich im linken unteren Eck, auf der gegenüber liegenden Seite vom Sensor-Anschluss. Software an PC installieren, Ihr TDR-Gerät muss ausgeschaltet sein. Klicken Sie auf Com Port um eine freie Schnittstelle an Ihrem PC auszuwählen. Die Untermenüs Download und Clear Memory stehen beim TDR 100 nicht zur Verfügung. Konfiguration Die Maske mit den Einstellungen in der Software dient der Konfiguration der Einstellungen Ihres Gerätes. Meter Name: hier können Sie Ihrem Gerät einen Namen vergeben, beim TDR 100 nicht wichtig. Länge der Fühler: bitte prüfen Sie die Länge auf dem Lieferschein oder der Verpackung, und geben Sie diese im Feld ein. Defizit Einheiten: Wen das Gerät im RWC-Mode arbeitet, wird der Wassermangel kalkuliert und im Display angezeigt, wahlweise in inches oder mm. Relative Water Content Einstellungen: Der Nass- und Trocken-volumetrischer Wassergehalt kann für 5 verschiedene Bodenarten oder Messstellen programmiert werden. Für jede Messstelle kann ein Name mit bis zu 5 Zeichen vergeben werden. Vorgegebene Werte für 5 allgemeine Bodenarten (als Grenzwerte sind angegeben der permanente Welkepunkt (PWP) und die nutzbare Feldkapazität (nfk)) sind werkseitig bereits eingestellt. Weitere Infos unter Relativer Wassergehalt. Messung Der Volumetrische Wassergehalt ist das Verhältnis des Wasservolumens in einem gegebenem Bodenvolumen im Verhältnis zum Gesamt-Bodenvolumen. Bei Sättigung wird der %-Satz des volumetrischen Wassergehalts dem %-uallen Gehalt des Bodenporenvolumens gleichkommen. Das grundlegende Prinzip der TDR-Messung ist die Messung der Zeit, die eine elektromagnetische Welle entlang einer Leitung benötigt. Die Geschwindigkeit dieser Welle ist abhängig von der Lagerungsdichte ( å ) der Bodenmatrix. Die Tatsache, dass Wasser ( å = 80) eine viel größere Dielektrizitätskonstante (DK) als Luft ( å = 1) oder Boden ( å = 3-7) hat, wird hier verwendet um den volumetrischen Wassergehalt im Boden zu bestimmen. Der volumetrische Wassergehalt gemessen mit der TDR-Methode wird über die Länge des elektromagnetischen Wellenleiters ermittelt. Die Elektronik im TDR 100 oder TDR 300 generiert und sendet einen Hochfrequenz-Signal (nach unten und zurück) durch den Boden entlang der 2 austauschbaren Edelstahl- Elektroden. Gemessen wird dabei innerhalb eines elliptischen Zylinders, der sich ungefähr 3 cm um die Sensoren erstreckt. Das Hochfrequenz-Signal wird dann in den volumetrischen Wassergehalt in % umgewandelt. Bei der Messung müssen die Sonden vollständig in den Boden eingedrückt werden. Wenn nicht, wird ein Teil der Messung in der Luft erfolgen und das Ergebnis wird unzuverlässig, bzw. niedriger ausfallen. Deswegen die Sonden mit einem festen, gleichmäßigen Druck in den Boden bis zum Anschlag stecken. Nach dem Einstechen nicht mit dem Gerät wackeln, eingedrungene Luft entlang der Sonden wird den Messwert verfälschen.

4 Die Sonden dürfen nicht mit einem Hammer oder ähnlichem Werkzeug eingetrieben werden, dies würde zu mechanischen Beschädigungen führen und würde die feine Elektronik zerstören. Beachten Sie bitte auch, dass die Sonden parallel zueinander verlaufen und nicht verbogen werden. Auf die Messung würde sich dies geringfügig auswirken, hätte aber zur Folge, dass die Sonden leichter brechen könnten. Meiden Sie deswegen Flächen mit hohem Steinanteil oder ähnlichen harten Materialien. Faktoren die die Messung beinflussen Das TDR 100 verwendet die Änderungen der Dielektrizitätskonstante um den volumetrischen Wassergehalt (VWC) zu messen. Allerdings wird ein hoher Tongehalt (> 30%) sowie ein hoher Salzgehalt (Leiitfähigkeit EC> 2 ds/ m) im Boden das Hochfrequenzsignal abdämpfen und den abgelesenen Wert im Display beeinflussen. Des Weiteren beeinflusst ein sehr hoher Gehalt an organischer Substanz die Messung auf ähnliche Weise. Das Gerät wird zwar auch auf Änderungen des Wassergehalts reagieren. Aber die interne Umrechnung des gemessenen elektrischen Signals durch das Gerät lässt sich nicht exakt übertragen. Wenn Ihnen eine unabhängige Methode zur Feuchtemessung des Bodens zur Verfügung steht, kann in diesem Fall der von dem Gerät gemessene volumetrische Wassergehalt mithilfe eines Faktors umgerechnet werden in den tatsächlichen volumetrischen Wassergehalt: Volumetrischer Wassergehalt VWC (unabhängige Methode) Faktor Feuchte = Volumetrischer Wassergehalt VWC (TDR 100) VWC korrigiert = Volumetrischer Wassergehalt (TDR 100) * Faktor Feuchte Falls Sie als unabhängige Messmethode die gravimetrische Messung (gewichtbasiert) des Wassergehalts (GWC) der volumetrischen Messung (VWC) vorziehen, sind bei der Umrechnung folgende Zusammenhänge zu berücksichtigen: Bodengewicht feucht Bodengewicht trocken (nach Ofentrocknung) GWC = Bodengewicht trocken (nach Ofentrocknung) VWC = Volumen des im Boden vorhandenen Wassers / Gesamtvolumen Boden Schüttdichte = Bodengewicht trocken / Gesamtvolumen Boden VWC = (GWC * Schüttdichte) / Dichte von Wasser (ca. 1kg/dm³) Relativer Wassergehalt

5 RWC= 58% DEF=1.2in A= 61% N= 06 PLFLD Neben der Anzeige des volumetrischen Wassergehaltes kann das Gerät auch den relativen Wassergehalt (RWC) sowie das Wasserdefizit (DEF) anzeigen und speichern, (siehe Seite 3). Der relative Wassergehalt ist eine Messzahl, die unter Berücksichtigung des oberen (feucht) und unteren (trocken) volumetrischen Wassergehaltes berechnet wird. Die Grenzwerte können über das Software-Kapitel Einstellungen/Meter Configuration (siehe Seite 3) konfiguriert werden. Ein relativer Wassergehalt von 0 zeigt an, dass der Boden den Trocken-Sollwert erreicht hat, ein RWC von 100, dass der Boden den Feucht-Sollwert erreicht hat. Es ist möglich, dass das Gerät einen RWC kleiner als 0 oder größer als 100 ausweist, wenn sich der volumetrische Wassergehalt des Bodens außerhalb des Bereichs, der durch die zwei Sollwerte definiert ist, befindet. Das Wasserdefizit bezeichnet die Menge an Niederschlägen oder Wassergaben, die nötig ist um den Wassergehalt des Bodens auf den Feucht-Sollwert anzuheben. Diese Berechnung bezieht sich auf eine Bodentiefe, die der Sondenlänge des Geräts entspricht. Das Wasserdefizit kann auch auf andere Flächen übertragen werden, unter der Voraussetzung, dass deren Eigenschaften in Hinblick auf Porenvolumen und Wasserspeichervermögen vergleichbar sind mit denen des getesteten Bodens. Technische Daten Messeinheit % volumetrischer Wassergehalt Auflösung 1.0% Genauigkeit ±3.0% volumetrischer Wassergehalt mit Leitfähigkeit<2 ds und Tongehalt < 30% Messbereich 0% bis Sättigung (Sättigung ist ca. um 50% volumetrischen Wassergehalt) Strom 4 AAA Alkaline Batterien, ca. 12 Monate Display 16 Punkte, 2-zeilige LCD Gewicht 0.68 kg Geräte- Abmessungen 10.5 cm x 7 cm x 1.8 cm Sonden- Länge: 7,5 cm, 12 cm oder 20 cm, Durchmesser: 0.5 cm Abmessungen Sondenabstand: 3.3 cm Auf dem Display des Gerätes kann zwischen zwei Formen der Datenanzeige gewählt werden: Anzeige des volumetrischen Wassergehalts und Anzeige des relativen Wassergehalts.

6 Richtwerte für Bodenfeuchte TDR 100 Bodenfeuchtesensor Folgende Tabelle bietet eine grundsätzliche Vorstellung der volumentrischen Wassergehalte verschiedener mineralischer Bodenarten bei Feldkapazität (FC), Permanentem Welkepunkt (PWP). Das Wasserhaltevermögen und die Schüttdichte ( ñ b ) der verschiedenen Bodenarten verstehen sich als Anhaltspunkt und müssen nicht genau den Gegebenheiten vor Ort entsprechen. Bodenart FC (%) PWP (%) ñ b (g/ cm 3 ) Ton Toniger Lehm Lehm Lehmiger Sand Sand Sandiger Ton Sandig toniger Lehm Sandiger Lehm Schluff Schluffiger Ton Schluffig toniger Lehm Schluffiger Lehm Tabelle A. 1:Wasserhaltevermögen und Schüttdichte für ausgewählte Mineralböden. (New Mexico Climate Center)

7 Garantie Auf die Geräte der Serie TDR 100 oder TDR 300 erhalten Sie eine Garantie von 1 Jahr ab Kaufdatum. Während der Garantie wird die Fa. STEP Systems GmbH defekte Geräte in eigenem Ermessen entweder reparieren oder austauschen. Die Garantie erlischt, wenn das Gerät vom Kunden beschädigt oder nicht ordnungsgemäß eingesetzt wurde, oder nicht autorisierte Änderungen am Gerät vorgenommen wurden.

8 Die Time Domain Reflectometry (TDR) ist ein elektrotechnisches Verfahren, das für die Untersuchung von elektrischen Leitungen entwickelt wurde. Damit lassen sich Kabeldefekte wie z. B. Kurzschlüsse und Kabelbrüche orten. Zu diesem Zweck wird ein Spannungsimpuls auf die Leitung geschickt. Der Impuls läuft entlang der Leitung und bildet um die Leitung eine elektromagnetische Welle. Bei Koaxialleitungen befindet sich der Impuls vollständig innerhalb der Leitung. Je nach Länge und Beschaffenheit der Leitung (Bruch, Kurzschluss, Ende), verändert sich die Charakteristik und die Laufzeit des Impulses und es treten Reflexionen auf. Die Time Domain Reflectometry (TDR) hat sich seit Ende der 70er Jahre ebenfalls als sehr zuverlässige und leicht zu handhabende Methode zur Messung der Materialfeuchte etabliert. Im Vergleich zu bisherigen Verfahren, wie zum Beispiel der Ofentrocknungsmethode, bietet die TDR-Methode die Möglichkeit einer sehr schnellen und nicht destruktiven Messung. Gegenüber der Neutronen-Moderation und der Gamma- Abschwächung ist die TDR-Messung wesentlich leichter zu handhaben. Einflüsse auf die TDR-Messung Der Einfluß des Materials Die TDR-Technik wird speziell für die Feuchtemessung in Böden eingesetzt. Einer der größten Vorteile ist dabei die geringe Abhängigkeit der Messung vom Bodentyp, so dass eine universelle Kalibrierfunktion für mineralischen Böden verwendet werden kann. Mit der immer größeren Verbreitung der Geräte stieg in den letzten Jahren zwangsläufig das Interesse an der Technik und der Einsatz in den verschiedensten porösen Materialien, so dass materialspezifische Kalibrierungen nötig wurden. Materialkalibrierungen können notwendig werden, wenn in sehr tonreichen Substraten gemessen werden soll (Tongehalte > 50% bzw. Vorhandensein von quellfähigen Tonmineralen). Auch sehr organikhaltige Materialien (Organik > 10% wie z.b. Mull, Humus, Torf, Blumenerde) und Böden mit sehr geringen Lagerungsdichten ( < 1 g/cm3 wie z. B. Andosole) machen spezifische Kalibrierungen notwendig. Diese Werte sind jedoch nur als grobe Anhaltspunkte und Erfahrungswerte zu verstehen und stellen keine Grenzwerte dar. Auch die Korngrößenverteilung und die Heterogenität des Materials können zu Problemen führen. Es besteht einerseits die Gefahr, dass die Geometrie des Porenraumes bei der Installation der Sonden verändert wird oder andererseits das Problem, dass das erfasste Volumen nicht unbedingt repräsentativ für das zu messende Material ist. Der Einfluß der elektrischen Leitfähigkeit Frühe Versuche von DALTON et al. (1984), die TDR-Technik in hoch-salinären Böden einzusetzen, führte zu der Erkenntnis, dass die TDR-Kurve auch Informationen über den Verlust von elektromagnetischer Energie enthält. Dies kann dafür verwendet werden, um die elektrische Leitfähigkeit des Bodens zu bestimmen und damit Rückschlüsse auf Salinität des Bodenwassers zu ziehen. Die elektrische Leitfähigkeit des Bodens wird als wichtige Eigenschaft betrachtet, da sie ein Maß für die Salinität (im wesentlichen die in der Bodenlösung enthaltenen anorganischen Elektrolyte) und damit wichtig für die Beurteilung des Pflanzenbewuchses ist. Zu hohe Salinitäten sind vor allem in Trockengebieten, in denen bewässert werden muß, ein Problem. Auch in der Beurteilung des Stofftransports von Nähr- oder Schadstoffen werden die Änderungen der Konzentrationen in der Bodenlösung in erster Linie über eine Interpretation der elektrischen Leitfähigkeit abgeschätzt.

9 Der Einfluss der Dichte Wie ausführliche Untersuchungen gezeigt haben, ist die TDR-Messung auch geringfügig von der Lagerungsdichte des Materials abhängig. Die universelle Kalibrierfunktion für mineralische Böden wurde bei einer durchschnittlichen Lagerungsdichte von etwa 1,4 kg/dm 3 erstellt. Wenn nun die Dichte des Materials deutlich höher als die Kalibrierdichte ist (> 1,7 kg/dm3), so wird die Feuchte übergewichtet, während bei niedrigeren Dichten (< 1,2 kg/dm3) ein zu geringerer Wassergehalt gemessen würde. Der Grund dafür dürfte im Einfluss der Bodenmatrix auf die DK des Gemisches Bodenmatrix- Wasser-Luft zurückzuführen sein. Der bei höheren Lagerungsdichten größere Anteil der Bodenmatrix am Gesamtvolumen bewirkt dabei eine Erhöhung der DK ohne dass der Wassergehalt zunimmt. Mit der TDR-Methode wird daher ein höherer Wassergehalt bestimmt. Entsprechend umgekehrt sind die Verhältnisse bei niedrigen Dichten. Bei Messungen in Materialien mit deutlich höheren oder niedrigeren Dichten als 1,4 kg/dm3 muss o.a. Effekt also korrigiert werden. Dazu gibt es prinzipiell zwei Möglichkeiten: 1. Korrektur der Ergebnisse mit der ermittelten Korrekturfunktion (y = 12,12x -17,05). Der korrigierte Wert errechnet sich wie folgt: Feuchtekorrigiert = Feuchtegemessen - (12,12 * Lagerungsdichte -17,05) 2. Spezialmaterialkalibrierung mit dem betreffenden Material und mit der charakteristischen Lagerungsdichte. Der Einfluss eines Luftspaltes Aufgrund der höchsten Empfindlichkeit der Sonde unmittelbar an der Oberfläche des Wellenleiters (Stäbe, Platten) und der niedrigen DK von Luft (=1) wirken sich Luftspalte sehr stark auf die Messung aus und die Feuchte wird z. T. stark unterbewertet. Daher sollte immer auf einen möglichst guten Kontakt zwischen Mess-Sonden und Material geachtet werden und für die Installation insbesondere der Rohrsonde sind die entsprechenden Bohrverfahren und -geräte zu verwenden. Die Sensoren müssen außerdem immer vollständig in das zu messende Material eingebracht sein. Von einem mehrmaligen Einstechen der Sonden an ein und derselben Stelle wird dringend abgeraten. Auch der Einsatz der Technik in quellenden und schrumpfenden Medien ist mit Vorsicht zu behandeln, da sich Schrumpfrisse vorwiegend entlang der Grenzfläche Sonde-Material entwickeln. Ständige Kontrollen sind daher unabdingbar.