Sensoren in der Erdfeuchtebestimmung

Als Sensor wird der Teil der Messstrecke bezeichnet, welcher sich im  direkten Kontakt mit dem Medium (hier die zu messende) Erde befindet.

Wie in dem entsprechenden Thread im RaspberryPi-Forum nachzulesen, gibt es unterschiedliche Methoden, die Erdfeuchte zu bestimmen, wobei es uns primär nur um eine quantitative/relative Bestimmung geht (nass/feucht/trocken-Punkte).

Mein Fokus liegt in der Untersuchung/Aufbau von Sensoren, welche preiswert bzw. mit geringen Kosten aufgebaut und im Haushalt verwendet werden können.

Bisher wurden die folgenden Sensortypen betrachtet:

1. galvanische Sensoren

feuchtesensor_galvanisch

  • Diese Sensoren arbeiten auf dem Prinzip der Widerstands- bzw. Leitfähigkeitsmessung des Mediums: Die Erde mit dem darin enthaltenen Wasser und den Salzen hat eine um so bessere Leitfähigkeit (geringeren Widerstand), je mehr Wasser sie enthält.
  • Dazu werden (mindestens) 2 Elektroden in den Erdboden gegeben, der aktuelle Widerstand bestimmt. Die Messung kann mit Gleich- bzw. Wechselstrom (niedriger Frequenz) vorgenommen werden.
  • Der fließende Strom führt an der Oberfläche der Elektroden zu elektrochemischen Reaktionen mit dem Wasser und den in in der Erde enthaltenen Salzen. Elektroden aus relativ _unedlen_ (im Sinne der elektrochemischen Spannungsreihe) Metallen lösen sich mit der Zeit auf bzw. bilden Salzkrusten an ihren Oberfläche. Edlere Metalle und Materialien (z.B. Elektroden aus Graphit) erfahren mit der Zeit eine Passivierung (Bildung einer isolierenden Grenzschicht).
  • Der Einsatz von sehr edlen Metallen (Gold, Platin) erscheint möglich, wurde jedoch bisher im Rahmen meiner Untersuchungen nicht getestet.
Fazit

Für Demonstrationszwecke und kurzzeitigem Einsatz ist dieser Sensortyp geeignet (In der Makerszene wird dieser Sensortyp sehr häufig eingesetzt), die elektrochemischen Effekte führen jedoch zu einer schlechten Langzeitstabilität und Wiederholgenauigkeit der Messungen.
Zusätzlich wird der Erdboden mit den elektrolytisch erzeugten Substanzen (Sulfate, Schwermetalle usw.) verunreinigt, was der Boden- und Pflanzengesundheit nicht zuträglich ist !

2. kapazitive Sensoren

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Ein kapazitiver Sensor stellt einen Kondensator dar, welcher ins Medium (Erde) eingebracht ist.

  • Die Erde zusammen mit den enthaltenen Salzen und dem Wasser stellt das Dielektrikum des Kondensators dar. Die Kapazität C eines Kondensators hängt im Wesentlichen vom verwendeten Dielektrikum und dessen relativer Permittivität, der Elektrodenfläche A und dem Abstand d der Elektroden zueinander ab.
  • Die relative Permittivität vom Luft ist ca. 1, Wasser hat ca. 80, feuchte Erde um 40 +/-10.
  • Der Kondensator ist Teil eines Schwingkreises, welcher mit einer von der Kapazität des Kondensators abhängigen Frequenz schwingt. Ändert sich die Feuchte der Erde, so ändert sich die relative Permittivität des Kondensatordielektrikums und somit seine Kapazität und letztendlich die Frequenz des Schwingkreises.
  • Die Änderung der Schwingungsfrequenz kann gemessen werden und daraus, nach Kalibrierung, auf den Wassergehalt der Erde geschlossen werden.
  • Da die Kondensatorflächen vom Medium und voneinander elektrisch isoliert sein müssen, werden sie je nach Bauform von Isolationsmaterial überzogen (z.B. Lack, Kunststoffe, Glas).
    Die Eigenschaften (relative Permittivität, Leitfähigkeit) dieser Isolationsmaterialien gehen in die Kondensatorkapazität aufgrund der Nähe zu den Flächen unmittelbar ein und stellen bisher das größte Problem bei der Langzeitstabilität dar.
  • Derzeit werden verschiedene Bauformen und Isolationsstoffe untersucht, näheres ist hier im Blog auf gesonderten Seiten und im RaspberryPi-Forum nachlesbar und wird hier regelmäßig dokumentiert..

3. kalorimetrische Sensoren

Aus dem Forum wurde eine weitere Messmethode angeregt, ich habe sie „kalorimetrische“ Messung genannt:

  • Je mehr Wasser in einer Bodenprobe ist, um so mehr Energie muss ich zuführen, um diese Bodenprobe um einen bestimmten Temperaturbetrag zu erwärmen.
  • Der Vorschlag beruht auf der Idee, per Heizelement (Widerstand) eine bestimmte Energiemenge zuzuführen und die Erwärmung der umliegende Erde zu analysieren (Temperatursensor).
  • Es gibt mindestens eine Realisierung: https://sites.google.com/site/mikrocontrollerpicaxe/projekte/messen/bodenfeuchtig-messen
  • Diese Art von Sensor wurde von mir noch nicht untersucht, könnte aber gut funktionieren. Zuarbeiten sind willkommen!

2 Gedanken zu „Sensoren in der Erdfeuchtebestimmung“

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