7 Bodenwassersensorik Messung der Wasserspannung

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Michael Weber
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Extended multistep outflow method for the accurate determination of soil hydraulic properties close to water

G. and J. J. McDonnell, Encyclopedia of Hydrological Sciences, Chapter 73, 1089-1102, John Wiley & Sons, Ltd.

Hydraulische Eigenschaften Simultane Bestimmung W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS2010. 7.

2 (1) Piezometer W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS2010. 7. Wasserspannungs-Messung Folie 7.3 W.

4 (2) Tensiometer (2) Tensiometer Livingston (1908) Gardner (1922) mechanische Tensiometer Quecksilbertensiometer W.

1 Extended multistep outflow method for the accurate determination of soil hydraulic properties close to water saturation Further Reading: Durner, W., and D. Or (2005): Chapter 73: Soil Water Potential Measurement, in: Anderson M.G. and J. J. McDonnell, Encyclopedia of Hydrological Sciences, Chapter 73, , John Wiley & Sons, Ltd. 7 Bodenwassersensorik Messung der Wasserspannung W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Hydraulische Eigenschaften Simultane Bestimmung W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Wasserspannungs-Messung Folie 7.1 W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Wasserspannungs-Messung Folie 7.2 (1) Piezometer W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Wasserspannungs-Messung Folie 7.3 W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Wasserspannungs-Messung Folie 7.4 (2) Tensiometer (2) Tensiometer Livingston (1908) Gardner (1922) mechanische Tensiometer Quecksilbertensiometer W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Wasserspannungs-Messung Folie 7.5 W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Wasserspannungs-Messung Folie 7.6 1

(2) Einstichtensiometer Matrixpotentialberechnung beim Einstichtensiometer Einstichtensiometer (UMS, 2003) h = h + ( L L 0 Blase ) h h 0 L L Blase = Matrixpotential in der

Luftblase, vom oberen Rand des Tensiometers gemessen W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS2010. 7. Wasserspannungs-Messung Folie 7.9 W.

10 Einstichtensiometer: Messverfälschung bei Austrocknung Druckaufnehmertensiometer (UMS, 2003) 0-20 -40 Tensiometer Soil 1 2 matric potential (kpa) -60-80 -100-120 -140-160

UMS) Fazit: Tensiometertypen Tensiometer mit U-Manometer (Wasser) Tensiometer mit U-Manometer (Hg) Tensiometer mit mechanischem Manometer Einstich-Tensiometer

2 (2) Einstichtensiometer Matrixpotentialberechnung beim Einstichtensiometer Einstichtensiometer (UMS, 2003) h = h + ( L L 0 Blase ) h h 0 L L Blase = Matrixpotential in der Tiefe L [cm] = gemessener Unterdruck in der Luftblase, dargestellt als Länge [cm] = Länge des Tensiometers vom oberen Rand bis zur Mitte der Tensiometerkerze [cm] = Länge der Luftblase, vom oberen Rand des Tensiometers gemessen W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Wasserspannungs-Messung Folie 7.9 W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Wasserspannungs-Messung Folie 7.10 Einstichtensiometer: Messverfälschung bei Austrocknung Druckaufnehmertensiometer (UMS, 2003) Tensiometer Soil 1 2 matric potential (kpa) A B time (days) C W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Wasserspannungs-Messung Folie 7.11 W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Wasserspannungs-Messung Folie 7.12 Miniatur-Tensiometer T5 (Fa. UMS) Fazit: Tensiometertypen Tensiometer mit U-Manometer (Wasser) Tensiometer mit U-Manometer (Hg) Tensiometer mit mechanischem Manometer Einstich-Tensiometer Druckaufnehmer-Tensiometer W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Wasserspannungs-Messung Folie 7.13 W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Wasserspannungs-Messung Folie

W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS2010. 7. Wasserspannungs-Messung Folie 7.

3 Was messen Tensiometer eigentlich? Was messen Tensiometer eigentlich? Tensiometerpotential ψ tp = Σ (Matrixpotential + pneumatisches Potential + hydrostatisches Potential + Auflastpotential) In rigider Matrix und mit p a = p atm : Tensiometerpotential = Matrixpotential W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Wasserspannungs-Messung Folie 7.15 W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Wasserspannungs-Messung Folie 7.16 Messbereich von Tensiometern Messung unter Siedeverzug Minimaler stabiler Innendruck == Partialdruck des Wasserdampfes (= f(t)) Maximale Druckdifferenz p atm p w ~ 1 atm theoretisches Messbereichslimit bei etwa pf 2.8 W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Wasserspannungs-Messung Folie 7.17 W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Wasserspannungs-Messung Folie 7.18 (3) Matrix-Potential Sensoren (Gipsblöcke, Equitensiometer, andere) Potential = f (Sensorfeuchte) Messung einer Größe, die vom Wassergehalt in einem Sensor bestimmt wird Wassergehalt im Sensor = f (Matrixpotential) W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Wasserspannungs-Messung Folie 7.19 W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Wasserspannungs-Messung Folie

Gipsblockelektroden Potential = f (Sensorfeuchte) Sensorfeuchte wird über elektrische LF ermittelt Anlegung eines Wechselstroms und Messung der Stromstärke Billig und einfach muss individuell geeicht

Granular-Matrix-Sensor für Wasserspannungen von ~100 bis 2000 hpa. Eine dünne Keramikplatte umgibt die eigentlichen Sensorelemente. Diese steht mit der Umgebung des Bodens in Kontakt.

Diese wiederum wird über das FDR-Prinzip gemessen.

4 Gipsblockelektroden Potential = f (Sensorfeuchte) Sensorfeuchte wird über elektrische LF ermittelt Anlegung eines Wechselstroms und Messung der Stromstärke Billig und einfach muss individuell geeicht werden träge (vor allem bei trockenen Böden) starke Signalhysterese Begrenzte Lebensdauer (löst sich auf) Signal temperaturabhängig (Kompensation nötig) MPS-1 Matrix-Potential-Sensor Granular-Matrix-Sensor für Wasserspannungen von ~100 bis 2000 hpa. Eine dünne Keramikplatte umgibt die eigentlichen Sensorelemente. Diese steht mit der Umgebung des Bodens in Kontakt. Das Matrixpotential der Keramik und damit des Bodens sind identisch. Es wird über eine gerätespezifische Eichfunktion aus dem Wassergehalt der Keramik ermittelt. Diese wiederum wird über das FDR-Prinzip gemessen. Typische Anwendungen * Monitoring vom Wasserpotential in der ungesättigten Zone * Bewässerungssteuerung * Pflanzenverfügbares Wasser in Pflanzenkulturen * sehr weiter Messbereich, handliches Gerät, kein Wartungsaufwand * Auflösung gering * im feuchten bzw. Überstaubereich keine Messung möglich * begrenzte Lebensdauer W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Wasserspannungs-Messung Folie 7.21 W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Wasserspannungs-Messung Folie 7.23 SIS Smart Irrigation Sensor (4) embedded heat dissipation sensor Granular-Matrix-Sensor für Wasserspannungen von ~100 bis 2000 hpa. Typische Anwendungen * Bewässerung * Wissenschaftlicher Sensor * Wartungsfrei * Kostengünstig * Messbereich * generell geringere Genauigkeit im Vergleich zu Tensiometern * langsame Ansprechzeit vor allem bei trockenen Böden * Lebensdauer ca. 5 Jahre = Umhüllter Wassergehaltssensor! Wassergehalt = f (Wärmeableitung) Wärmeableitung ist ein diffusiver Prozess Diffusionskoeffizient ist eine Funktion des Wassergehaltes Schnelle Ableitung im feuchten Medium, langsame Ableitung im trockenen Medium Matrixpotential wird über Eichfunktion ermittelt W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Wasserspannungs-Messung Folie 7.24 W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Wasserspannungs-Messung Folie 7.25 W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Wasserspannungs-Messung Folie 7.26 W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Wasserspannungs-Messung Folie

Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS2010. 7. Wasserspannungs-Messung Folie 7.

5 (5) Psychrometer Field thermocouple psychrometer (Wescor Inc., Logan) Potential = f (Luftfeuchte) Messung des Taupunktes Rückrechnung auf Potential Nur für sehr niedrige Potentiale Äußerst temperaturempfindlich W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Wasserspannungs-Messung Folie 7.28 W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Wasserspannungs-Messung Folie 7.29 Kelvin - Gleichung Einheitenübersicht für Matrixpotentiale RH = 0 e e = exp ( M gh RT ) w RH relative humidity h pressure head (m) e water vapor pressure, e 0 saturated vapor pressure at the same temperature, M w molecular weight of water ( kg mol 1 ), g gravitational acceleration (9.81 m s 2 ), R ideal gas constant (8.31 J K 1 mol 1 ), and T absolute temperature (K). W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Wasserspannungs-Messung Folie 7.30 W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Wasserspannungs-Messung Folie 7.31 Kelvin - Gleichung Methoden Messbereich Nachteile RT e 6 e h = 1 = T 1 M wg e0 e0 Druckaufnehmer- Tensiometer Gipsblöcke 0 bis 85 kpa 1. hohe Genauigkeit 1.nur in feuchtem Messbereich einsetzbar; 2. wartungsintensiv, daher auch teuer; 3. Werte ggf. temperaturabhängig. 100 bis 1. preisgünstig; 1. Messwerte abhängig von 1000 kpa 2. für Dauermessung Bodeneigenschaften geeignet. 2. Eichkurve instabil, ungenau; 3. starke Hysterese; 4. kurze Lebensdauer. e water vapor pressure, e 0 saturated vapor pressure at the same temperature, M w molecular weight of water ( kg mol 1 ), g gravitational acceleration (9.81 m s 2 ), R ideal gas constant (8.31 J K 1 mol 1 ), and T absolute temperature (K). Weitere Kalibrierte Referenzmedien (heat dissipation) (MPS-1) Psychrometer 10 bis 1000 kpa 500 bis kpa 1. Konfektionierbarer relativ weiter Messbereich 1. besonders geeignet für den sehr trockene Messbereich; 2. misst das Gesamtwasserpotenzial. 1. Individuelle Kalibrierung nötig 2. T- und p Korrektur notwendig 3. neue Technik 1. sehr anfällig gegenüber Temperaturschwankungen; 2. schmutzanfällig; 3. für feuchten Bereiche nicht geeignet; 4. sehr wartungsintensiv. W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Wasserspannungs-Messung Folie 7.32 W. Durner: Wasser- und Stofftransport von Böden, SS Wasserspannungs-Messung Folie

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