Entwicklung eines dynamischen TDR-Sensors zur Echtzeitmessung des Bodenwassergehaltes

The Dynamic Detection of Soil Water Content of Arable Land Using the Time Domain

Finger, Fuß oder Flosse?

Ist es eher ein Finger, der die Feuchte des Bodens erspürt, ein Fuß, der sie ertastet oder aber ist es etwas, das aussieht, wie die Bauchflosse eines Fisches, das sie messen kann. Letzteres. Die elektrotechnische Lösung einer Bodenfeuchte-Bestimmung nennt sich Time Domain Reflectometry. Eine dynamische Erfassung der Feldfeuchte unter Verwendung dieser Technik soll nun neben der bereits seit den 80-er Jahren realisierten stationären TDR-Messung die Landwirtschaft um einen weiteren sensorisch erfassten Messwert bereichern.
Dabei ermöglicht die genaue Bestimmung des Bodenwassergehaltes grundlegende Entscheidungen auf dem Arbeitsgebiet der Pflanzenproduktion. Denn Saatbettbereitung, Saat, Bewässerung und selbst die Befahrbarkeit von Böden sind in erster Linie durch den Wassergehalt und damit durch die physikalischen und hydrologischen Eigenschaften des Bodens bestimmt. Durch die Ermittlung des Wassergehalts lassen sich beispielsweise Bewässerungszeitpunkt und Bewässerungsmenge, aber auch die Befahrbarkeit von Feldern neben der Qualität und Anpassung einer Bodenbearbeitung ermitteln.

Mit der Erfassung der vorliegenden Feldfeuchte ist es durch den Bezug auf vorangegangene Niederschlagsereignisse beispielsweise möglich, eine hydrologische Schnellbestimmung des Schlages durchzuführen. Damit sind die Kerndaten für die landwirtschaftliche Produktion unmittelbar gegeben. Denn Be- und Entwässerung entscheiden über ackerbaulichen Erfolg.

In einem kooperativen Forschungsprojekt entwickeln die Projektpartner IMKO Mikromodultechnik in Ettlingen und die Universität Hohenheim (Institut für Agrartechnik, Fachgebiet: Verfahrenstechnik in der Pflanzenproduktion) seit 2002 einen dynamischen Sensor zur Erfassung der Feldfeuchte. Kernstück des Sensors ist die messtechnische Weiterentwicklung der TRIME Elektronik (Time Domain Reflectometry with Intelligent Microelements). Daneben wurde parallel ein Sensorkörper entwickelt, der den messtechnischen Besonderheit in idealem Maße gerecht werden kann und ein gleichmäßiges Messfeld in Form eines halben Zylinders über einer keramischen Sensorplatte entstehen lässt.

Einleitung

In der Pflanzenproduktion werden zahlreiche Arbeitsgänge entscheidend durch die hydrologischen Eigenschaften des Bodens und den aktuellen standortspezifischen Wassergehalt beeinflusst. Die entwickelte Echtzeit-TDR-Sonde bietet im momentanen Entwicklungszustand bereits schlüssige und entscheidende Hinweise auf den aktuell vorliegenden Bodenwassergehalt. Dabei wird der Messwert unter Einsatz modifizierter Mikroprozessortechnik dynamisch erfasst. Die Messwerte liegen nach Messungen verschiedener Bodentypen im Mittel +/- 5 % um das gravimetrisch ermittelte Äquivalent.

Die TDR-Elektronik besteht aus den Grundbausteinen Signalgenerator, Abtasteinheit (Sampler) und dem Wellenleiter (Sensor). Der Signalgenerator erzeugt für die Messung einen schnell ansteigenden Spannungssprung von ungefähr 200mV. Dieser Spannungssprung ruft in der Folge die Ausbreitung einer elektromagnetische Welle hervor, die sich zunächst im Sondeninneren durch ein abgeschirmtes Koaxialkabel bis zum ungeschirmten Wellenleiter am Sondenfenster ausbreitet. Der Wellenpuls pflanzt sich dann weiter auf dem Wellenleiter fort und interagiert dort mit dem umgebenden Boden. Am Ende des Wellenleiters wird der Puls reflektiert und läuft zurück zur Messelektronik, wo die Überlagerung von ausgesandtem und reflektiertem Puls durch den Sampler aufgezeichnet wird. Das TDR-Gerät misst so die Laufzeit des elektromagnetischen Impulses entlang des Wellenleiters.

Boden kann als Gemisch aus festem Substrat, Wasser und Luft aufgefasst werden. Wassermoleküle sind starke Dipole, die sich im elektrischen Feld ausrichten. Dielektrika haben die Eigenschaft, die Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle zu verlangsamen.

Das bedeutet, dass sich der TDR-Puls entlang der Sonde umso langsamer ausbreitet, je feuchter ein Boden ist. Die meisten konventionellen TDR-Geräte tasten das spezifische Signal punktweise ab, indem nach einer bestimmten Zeit ? t nach Aussenden des TDR-Pulses der zugehörige Spannungswert ermittelt wird. Die Zeit ? t wird variiert, bis der aussagekräftige Teil des TDR-Signals abgetastet ist.

Das TRIME-Verfahren hingegen funktioniert grundlegend anders. Es ist eine hochgenaue Stoppuhr mit einer Auflösung von etwa 10 Picosekunden. TRIME misst die Zeit, bis das reflektierte TDR-Signal eine bestimmte Spannungshöhe überschreitet. Durch anschließende automatische Variation der Spannungshöhe wird ein Teil der Reflektionsflanke abgetastet und so vermessen. Die hochgenaue Laufzeitmessung ermöglicht eine Beurteilung der Signalqualität. Durch diese Art der Abfrage eines TDR-Pulses ist es selbst bei sehr hohen ionischen Leitfähigkeiten möglich, sehr hohe Genauigkeiten zu erreichen. Das gilt auch bei kurzen Messzeiten nahe einer Sekunde, die für eine dynamische Messung unter stetiger Bewegung unabdingbar sind.

Problem

Bereits bei der Grundbodenbearbeitung bestimmt der Wassergehalt den Arbeitseffekt der eingesetzten Geräte nachhaltig. Bei der Bestellung des Schlages und der Aussaat kommen pflanzenphysiologische Grundbedürfnisse hinzu. Das Keimverhalten wird wesentlich durch die Wasserverfügbarkeit am Saatgut im Boden bestimmt. Dies ist sowohl von der bestehenden Textur des Oberbodens sowie dem Feuchtgehalt des Bodens abhängig, der maßgebend durch eine angepasste Grundbodenbearbeitung verändert wird.

Sowohl die erforderliche Bearbeitungsintensität und Arbeitstiefe der Saatbettbereitung als auch die Ablagetiefe bei der Saat hängen deshalb entscheidend vom Bodenwassergehalt ab. Während der Vegetationsperiode ist schließlich das Wachstum eng mit dem pflanzenverfügbaren Wasser verbunden, wobei die erforderlichen Wassergaben durch den aktuellen Bodenwassergehalt und folglich den vorliegenden Wasserbedarf der jeweiligen Kulturpflanze bestimmt werden.

Sie stellt jedoch in der pflanzenbaulichen Praxis aufgrund erheblicher räumlicher Heterogenität und rascher zeit-licher Änderung ein bislang ungelöstes messtechnisches Problem dar. Aufgrund der Schlüsselstellung dieser Messgröße liegt hierin gleichzeitig auch ein Hemmnis für alle bodenkundlich relevanten Disziplinen der Agrar-, Forst- und Geowissenschaften. Die Forderung nach einer schlagspezifischen, hochauflösenden Erfassung des Bodenwassergehalts stellt sich mittlerweile um so drängender, als bereits etliche pflanzenbauliche Parameter wie Bodenart, Nährstoffzustand oder Pflanzenertrag flächendeckend erhoben und kartiert werden und damit eine teilflächenspezifische Bewirtschaftung im Sinne integrierten Umwelt- und Ressourcenschutzes erlauben.

Anforderungen
Ein essentielles Kriterium der Auslegung einer dynamischen Sonde ist aufgrund des beschriebenen Messverfahrens die Wahrung eines möglichst gleichmäßigen Bodenkontakts zum Wellenleiter. Bei stationär verbauten Sonden wird dieser Bedingung mit sorgfältigem Einbau der Sonde ins Bodengefüge Rechnung getragen. Bei einer dynamischen Messung ist der Kontakt zum fließenden Boden am Sensor zu wahren, was die Gestaltung der Sonde vollkommen ändert.
Messaufbau

Der messtechnische Aufbau für die dynamische Erfassung der Bodenfeuchte mittels TRIME umfasst neben dem eigentlichen Messschar momentan ein Fahrgestell, das anhand einer Zugseilkonstruktion Geschwindigkeiten von bis zu 18 km/h in der Versuchsbodenrinne der Universität Hohenheim erreicht. Die Füllung der Bodenrinne besteht aus einer Drainage (Kies und Sand) und einer 35 cm starken Deckschicht aus sandigem Substrat (Dichte 2,4; Lagerungsdichte 1,1; Porosität 58,2). Das vom Messschar übertragene Signal wird analog ausgegeben und mit einer Messkarte an weitere Anwendungen weitergegeben.

Der Datensatz umfasst dabei die Laufzeit der Messung, die Position des Fahrgestells auf der Bodenrinne, eine triaxiale Kraftdokumentation am Messschar sowie den aktuellen Bodenfeuchtewert. Dabei werden die eingebrachten Feuchtstellen räumlich genau identifiziert.

Simulation des Messfeldes

Zusätzlich zur systemimmanenten Begrenzung der Messfähigkeit von Substraten durch fehlenden Bodenkontakt stellt das Messvolumen des Sensors selbst bei hervorragendem Bodenkontakt einen entscheidenden Faktor für die Güte der Messung dar.

Das Messvolumen des vorliegenden Prototypen wurde über die Ermittlung von Energiedichtefeldern simuliert und weiter analysiert, um die Quantile der Energie zu bestimmen. Dazu wurden die Linien gleicher Energiedichte (Isolinien) bestimmt, die einen bestimmten Prozentsatz

(z.B. 95 %) der gesamten Feldenergie umschließen. Die 95 %-Isolinie ist ein einfaches Maß für die Ausdehnung des Messvolumens. Anhand dieses Maßes lässt sich sowohl die Veränderung des Messvolumens mit verschiedenen Feuchten als auch die Ausbreitung des Messfeldes an verschiedenen Sonden vergleichen. Die dielektrischen Permittivität von 20 entspricht einem Feuchtegehalt von 34 Vol. %. Bei der dynamischen Sonde entspricht das einer Feldausdehnung von etwa 190 cm³.

Ausblick

Im Hinblick auf eine praxisorientierte Anwendung der innovativen dynamischen Sensortechnik ergeben sich durch die gewonnenen Daten deutliche Chancen hinsichtlich der unmittelbaren Regelung von Maschinen und Geräten über die Nutzung von BUS-Schnittstellen. Die vorgenannte Messgenauigkeit von etwa +/- 5 % ist unter Bezugnahme auf standortspezifische Heterogenitäten für diese Regelung zufriedenstellend.
Daneben soll die Entwicklung weiterer Sondenkörper realisiert werden, um tatsächlich bestehende Maschinensysteme mit der innovativen Technik bestücken zu können und somit eine Integration des Messkörpers zu ermöglichen.

[1] Scherer, B.: Bodenschutz durch gesetzliche Begrenzung der Radlast landwirtschaftlicher Maschinen?, LANDTECHNIK 60 (2/2005), S. 72-73
[2] Knappenberger, Th. und K. Köller: Chancen und Herausforderungen einer Echtzeitregelung der Saattiefe, LANDTECHNIK 60 (3/2005)
[3] Türke, U.: Das Mulchen und sein Einfluß auf die Bodentemperatur und -feuchte, DER TROPENLANDWIRT Beiheft 7, Kassel - Witzenhausen, Deutschland, 1976
[4] Allen, R. G. et al.: Crop Evapotranspiration: Guidelines for Computing Crop Water Requirements. FAO IRRIGATION AND DRAINAGE PAPER 56, Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome, Italy, 1998
[5] Spohrer, K. et. al., Lychee Tree Parameters for Water Balance Modeling, in review, 2005
Unterlagen