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Warum die Installation alles ist

Wenn Sie genaue Daten wünschen, sollte die korrekte Installation der Sensoren Ihre oberste Priorität sein. Bei Messungen im Boden können natürliche Schwankungen der Dichte zu einem Genauigkeitsverlust von 2 bis 3 % führen, aber eine schlechte Installation kann einen Genauigkeitsverlust von mehr als 10 % verursachen. Die ordnungsgemäße Installation der Sensoren ist die Grundlage für die Daten, die Sie sammeln. Wenn Sie eine schlechte Grundlage haben, wird die Interpretation der Daten schwierig. In diesem Artikel erhalten Sie Insidertipps, wie Sie Bodenfeuchtesensoren schneller, besser und mit höherer Genauigkeit installieren können. Lernen Sie:

• Was bei der Installation von Sensoren zu beachten ist
• Wie Installationsprobleme in Ihren Daten aussehen
• Installationsprioritäten für Bodenfeuchtesensoren
• Wie METER die Wissenschaft der Installation für hochwertigere Daten vorantreibt

Verstehen Sie Ihre Sensoren

Um zu verstehen, warum eine schlechte Installation der Sensoren einen enormen Einfluss auf die Qualität Ihrer Daten hat, müssen Sie verstehen, wie Bodenfeuchtesensoren funktionieren.

Bodenfeuchtesensoren (Wassergehaltssensoren) messen den volumetrischen Wassergehalt. Der volumetrische Wassergehalt (VWC) ist das Wasservolumen geteilt durch das Bodenvolumen (Gleichung 1), was den prozentualen Anteil des Wassers in einer Bodenprobe angibt.

Wenn ein Volumen Boden (Abbildung 1) beispielsweise aus den folgenden Bestandteilen besteht: 50 % Bodenmineralien, 35 % Wasser und 15 % Luft. Der volumetrische Wassergehalt des Bodens beträgt dann 35 %.

Warum Kapazitätssensoren funktionieren

Alle METER Bodenfeuchtesensoren verwenden zur Messung der VWC eine indirekte Methode, die sogenannte Kapazitäts-Technologie. "Indirekt" bedeutet, dass ein Parameter gemessen wird, der mit der VWC zusammenhängt, und eine Kalibrierung verwendet wird, um diesen Wert in VWC umzurechnen. Vereinfacht ausgedrückt, werden bei der Kapazitätstechnologie zwei Metallelektroden (Sonden oder Nadeln) verwendet, um die ladungsspeichernde Kapazität (oder scheinbare Dielektrizitätskonstante) des dazwischen liegenden Materials zu messen.

Tabelle 1 veranschaulicht, dass jeder gängige Bodenbestandteil eine andere Ladungsspeicherkapazität hat. Im Boden bleibt das Volumen der meisten dieser Bestandteile im Laufe der Zeit konstant, aber das Volumen von Luft und Wasser schwankt.

Tabelle 1. Ladungsspeicherkapazität (scheinbare Dielektrizitätskonstante) von gängigen Bodenbestandteilen

Da Luft fast keine Ladung speichert und Wasser eine große Ladung speichert, ist es möglich, die Veränderung der Ladungsspeicherfähigkeit eines Bodens zu messen und sie mit der Wassermenge (oder VWC) in diesem Boden in Beziehung zu setzen. (Eine ausführlichere Erklärung der Kapazitätstechnologie finden Sie unter Bodenfeuchte 201).

Umfang des Einflusses auf die Daten

Das Einflussvolumen (Abbildung 3) ist die Fläche des Bodens, die durch das von den Sensornadeln ausgesandte elektromagnetische Feld gemessen wird. Abbildung 2 (oben) zeigt einen Näherungswert für die relative Stärke des elektromagnetischen Feldes. Beachten Sie, dass der größte Teil der Empfindlichkeit des Sensors innerhalb von wenigen Millimetern um die Sondennadeln liegt. Alles, was sich innerhalb dieses elektromagnetischen Feldes befindet, wirkt sich auf die Ausgabe des Sensors aus. Allerdings hat der Wasseranteil direkt neben den Nadeln einen größeren Einfluss auf die Reaktion des Sensors als der Bereich, der weiter von den Nadeln entfernt ist.

Vermeiden Sie auf jeden Fall Luftspalten

Da das Einflussvolumen dielektrischer Bodenfeuchtesensoren (TDR, FDR, Kapazitätssensoren) in der Nähe der Nadel am empfindlichsten ist, ist die Vermeidung von Luftspalten mit gutem Boden-Sensor-Kontakt entscheidend für die Qualität der Bodenfeuchtedaten. Außerdem ist es wichtig, den Boden bei der Installation so wenig wie möglich zu stören, um eine repräsentative Messung zu erhalten. Die Installation von Sensoren in gestörtem Boden (z.B. in einem Erdhaufen, der aus einem Loch geholt wurde) ist selten eine gute Idee, aber ein häufiger Fehler, den unerfahrene Forscher machen.

Lesen Sie "5 Wege, wie sich Standortstörungen auf Daten auswirken"

Wie Luftlücken in Ihren Daten aussehen

Szenario 1: Luftlücken in feuchten Böden

Abbildung 4 ist ein Beispiel für eine gute Installation. Es handelt sich um einen Datensatz von einem Reisfeld mit drei verschiedenen Bodenfeuchtesensoren, die etwa 7,5 cm tief im Boden installiert sind.

Auf der y-Achse steht der volumetrische Wassergehalt in Prozent und auf der x-Achse die Anzahl der Tage. Die durchgezogene schwarze Kurve zeigt, wo das Reisfeld ständig überflutet wurde. Die durchgezogene graue Kurve zeigt, wo der Forscher den Boden bis auf 35% VWC trocknete. Und die gepunktete Kurve zeigt die Trocknung auf 25% VWC. Beachten Sie, dass die Schwankungen zwischen den einzelnen Sensoren zunächst innerhalb von etwa 1% liegen. Das ist das, was Sie für die gleichen Wasserbedingungen in der gleichen Bodenart sehen möchten.

Der Forscher stellte jedoch fest, dass bei späteren Überschwemmungen der Sättigungsgrad der Behandlungen viel höher war als zu Beginn. Warum? Diese Sensoren wurden in Tonvertisolen mit einer hohen Schrumpf- und Quellfähigkeit installiert. In diesem Bodentyp können sich beim Austrocknen des Bodens große Risse auftun. Wenn sich der Boden öffnet und eine Lücke entsteht, durch die mehr Wasser direkt neben die Nadeln gelangen kann, ist der Messwert höher, da Wasser eine Dielektrizität von 80 hat, die viel höher ist als die des Bodens. Dies ist auch ein gutes Beispiel dafür, was passiert, wenn eine schlechte Sensorinstallation Luftlöcher im Boden auf der gesättigten Seite hinterlässt.

Szenario 2: Luftlücken in trockenen Böden

Abbildung 5 zeigt eine Zeitreihe für eine oberflächennahe Installation in einem sehr porösen, grobkörnigen Boden in Nevada, der sehr trocken wird.

Die dunkelblaue Spur zeigt Sensoren, die unterhalb der Pflanze installiert sind, und die hellblauen Spuren sind Sensoren, die weiter entfernt von den Pflanzen installiert sind. Abbildung 5 zeigt, wie ein guter Datensatz ohne Installationsprobleme in einem trockenen Boden aussieht.

Abbildung 6, eine Zeitreihe von einem nahe gelegenen Standort mit demselben Versuchsaufbau, zeigt eine andere Geschichte. Beachten Sie die große Diskrepanz zwischen dem, was unter der Pflanze passiert, und dem, was in der Nähe der Pflanze passiert. Dies ist ein rotes Signal, dass etwas nicht stimmt. An einigen Stellen sinkt die VWC unter 0%, was per Definition der niedrigste Wert ist, den ein Boden erreichen kann. Aber bedenken Sie, dass die Dielektrizität von Luft geringer ist als die des Bodens. Das bedeutet also wahrscheinlich, dass die Sensoren von Luft beeinflusst werden. Es könnte sich um ein Kalibrierungsproblem handeln, aber das ist weniger wahrscheinlich, da dieselben Sensoren, die in der Nähe installiert sind, leicht unterschiedliche Ergebnisse liefern. Diese Daten deuten also entweder auf einen Luftspalt in der Nähe der Sensornadeln hin, auf einen Sensor, der sich zu nahe an der Oberfläche befindet und sein elektromagnetisches Feld in die Luft abstrahlt, oder darauf, dass ein Sensor gestört wurde.

Wie man Bodenfeuchtesensoren richtig installiert

Die Gewinnung hochwertiger Daten beginnt bereits vor der eigentlichen Installation. Nachfolgend finden Sie einige häufige Fehler, die bei der Planung einer Studie gemacht werden und die Zeit und Geld kosten und dazu führen können, dass die Daten nicht verwertbar sind.

• Charakterisierung des Standorts: Es ist nicht genug über den Standort, seine Variabilität oder andere einflussreiche Umweltfaktoren bekannt, um die Daten zu interpretieren
• Standort der Sensoren: Die Sensoren sind an einem Ort installiert, der nicht den Zielen der Studie entspricht (d.h. bei Böden müssen sowohl der geografische Standort der Sensoren als auch der Standort im Bodenprofil für die Forschungsfrage geeignet sein)
• Installation der Sensoren: Die Sensoren sind nicht korrekt installiert und verursachen ungenaue Messwerte
• Datenerfassung: Sensoren und Logger sind nicht geschützt, und die Daten werden nicht regelmäßig überprüft, um eine kontinuierliche und genaue Datenaufzeichnung zu gewährleisten
• Datenverbreitung: Die Daten können von anderen Wissenschaftlern nicht verstanden oder reproduziert werden

Berücksichtigen Sie diese Punkte bei der Planung einer Studie und wenden Sie die folgenden bewährten Verfahren an, um zukünftige Probleme zu vermeiden.

Vorbereitung vor der Installation spart Zeit und Geld

Bevor Sie auf das Feld gehen, sollten Sie einige Sensoren im Labor aufstellen und Messungen in verschiedenen Bodenarten vornehmen. So erhalten Sie eine solide Vorstellung davon, welche Bodenfeuchtigkeitswerte Sie in verschiedenen Szenarien erwarten können. Und es hilft Ihnen, die korrekte Installation zu verstehen, wie lange eine Installation dauern kann, welche Werkzeuge Sie benötigen und welche Probleme auftreten können, z.B. wenn ein Sensor falsch anzeigt. Bereiten Sie einen speziellen Werkzeugkasten für die Installation vor, der mit wichtigen Werkzeugen wie Kabelbindern, Zangen, Markern, Taschenlampen und Batterien gefüllt ist. Dies erspart Ihnen stundenlange Fahrten zum Einsatzort und zurück.

Wenn Sie einen Datenlogger verwenden, der programmiert werden muss, sollten Sie die Programmiersprache zwei Wochen im Voraus lernen, um sicherzustellen, dass Sie wissen, wie man Programme für den Logger schreibt. Selbst ein Plug-and-Play-Datenlogger, wie der cloud ZL6 muss vorbereitet werden, z.B. indem Sie sicherstellen, dass sich der Forschungsstandort in Reichweite eines Mobilfunkmastes befindet.

Metadaten: der Schlüssel zur Erkenntnis

Je mehr Metadaten Sie an Ihrem Forschungsstandort aufzeichnen, desto besser werden Sie Ihre Daten verstehen. Beschriften Sie jeden Sensor mit dem Sensortyp, der Installationstiefe und anderen wichtigen Informationen. Wenn Sie Hunderte von Sensoren installieren, können Sie ein elektronisches Etikettiergerät kaufen, um die Sensoren mit einem Strichcode zu versehen, aber auch Klebeband und ein Permanentmarker funktionieren. Verstauen Sie die Etiketten zum Schutz vor Witterungseinflüssen im Inneren des Datenloggers.

Der ZL6 Datenlogger zeichnet automatisch wichtige Metadaten wie den GPS-Standort, den Luftdruck und die Seriennummer des Sensors auf und speichert sie auf cloud. ZENTRA Cloud Sie können auch vom Benutzer eingegebene Metadaten aufzeichnen, z. B. Bodentyp, Bodendichte, Art der Bedeckung, Messintervall, Rohdaten und Art der verwendeten Kalibrierung, Sensortiefe, Notizen, warum der Standort ausgewählt wurde, usw. Diese Informationen werden wichtig sein, wenn es an der Zeit ist, sie zu veröffentlichen, und wenn Sie sie an einem gemeinsam genutzten, cloud-basierten Ort wie ZENTRA Cloud ablegen, ersparen Sie sich Kopfzerbrechen.

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Darüber hinaus können ergänzende Messungen wie die Bodentemperatur oder die Überwachung des Mikroklimas eine weitere Quelle für Metadaten sein. Eine All-in-One-Wetterstation wie die ATMOS 41 zeichnet automatisch Wetterereignisse auf und kann ein wichtiger Weg sein, um Bodenfeuchtigkeit, Wasserpotenzial oder andere Daten zu vergleichen oder zu überprüfen.

Der Kontakt zwischen Boden und Sensor ist der wichtigste Faktor

Abbildung 7 zeigt die korrekte Installation der Sensoren (mit Blick auf ein Bohrloch) in einem Bodenprofil mit gutem Boden-Sensor-Kontakt.

Der Kontakt zwischen Boden und Sonde ist das Wichtigste, was Sie beachten müssen, um gute Daten zur Bodenfeuchte zu erhalten, da, wie bereits erwähnt, die ersten Millimeter neben der Sonde den größten Einfluss auf die Messung haben.

Eine Bohrlochinstallation, die mit einem kleinen Handbohrer und METER's TEROS Borehole Installation Tool erstellt ein Loch mit einem Durchmesser von nur 10 cm - nur 2-3% der Fläche eines Grabens. Da das Ausmaß der Störung des Geländes minimiert wird, werden weniger Makroporen, Wurzeln und Pflanzen gestört, und das Gelände kann viel schneller wieder in seinen natürlichen Zustand zurückkehren. Und wenn das Installationswerkzeug in einem kleinen Bohrloch verwendet wird, ist ein guter Boden-Sensor-Kontakt gewährleistet, selbst in harten Böden. Ein kleines Bohrloch macht es viel einfacher, die Horizontschichten zu trennen und auf die richtige Bodendichte zu verdichten, da weniger Boden zu trennen ist.

Kabelschutz ist gleichbedeutend mit Seelenfrieden

Abbildung 7 zeigt auch Sensorkabel, die gebündelt, eingegraben und mit einem Kabelkanal ummantelt sind. Der Schutz der Sensoren um jeden Preis ist für eine Studie entscheidend. Es ist wichtig, dass Sie freiliegende Sensorkabel mit PVC-Rohren, Kabelbäumen oder flexiblen elektrischen Leitungen ummanteln und diese etwa 60 cm (2 Fuß) am Pfosten des Datenloggers hochführen. So verhindern Sie Beschädigungen durch Nagetiere, Traktoren oder Schaufeln. Binden Sie die Kabel mit UV-resistenten Kabelbindern ordentlich am Pfosten fest, so dass sie fest gehalten werden, aber nicht gegen den Datenlogger ziehen (stellen Sie sicher, dass es eine Zugentlastung gibt).

Prüfen Sie, bevor Sie begraben

Nach der Installation der Sensoren, aber vor dem Schließen des Bohrlochs oder des Grabens, überprüfen Sie die Sensoren mit einem ZSC, einem winzigen Gerät, das sofortige Messungen auf Ihrem Smartphone ermöglicht, um sicherzustellen, dass die Sensormessung genau ist. Es wird schmerzhaft sein, einen Sensor später auszugraben, nachdem Sie eine ganze Saison lang schlechte Daten gesammelt haben.

Überprüfen Sie die Daten im Laufe der Zeit so oft wie möglich, um Probleme zu beheben und Probleme zu vermeiden, die sich nachteilig auf Ihr Forschungsprojekt auswirken können. ZENTRA Cloud und die ZL6 ermöglichen es Ihnen, Daten so oft wie möglich zu überprüfen und grafisch darzustellen. Nur zwei bis drei Minuten, die Sie für die Erkennung von Trends oder Fehlern aufwenden, können Wochen an verlorenen Daten retten. Sie können sogar ZENTRA Cloud einrichten, das Sie benachrichtigt, wenn etwas nicht in Ordnung ist.

Was Sie bei der Installation vermeiden sollten

Abbildung 10 veranschaulicht, was Sie bei der Installation eines Sensors NICHT tun sollten.

Dies sind Sensoren, die in einem 10 cm langen Bohrloch in einem felsigen Boden installiert wurden, in das die Sensoren von Hand hineingeschoben wurden. In diesem Fall hatte der Forscher Schwierigkeiten, den unteren rechten Sensor einzuschieben, so dass ein Luftspalt von 2 cm (fast ein Zoll) vorhanden ist. Dies wird sich definitiv auf die Qualität der Daten auswirken. Er versuchte, den Sensor an verschiedenen Stellen anzubringen und stieß dabei jedes Mal auf einen Stein. Schließlich schüttete er Erde um den Sensor herum, was zwar nicht ideal ist, aber in diesem Fall war es das Beste, was er tun konnte.

Beobachten Sie eine gute Sensorinstallation

Das folgende Video zeigt die besten Installationsmethoden für TEROS Bodenfeuchtesensoren.

ZENTRA System - höhere Datenqualität mit weniger Aufwand

Wir haben das System ZENTRA entwickelt, um den Zeit- und Arbeitsaufwand für die Gewinnung qualitativ hochwertiger Bodenfeuchtedaten zu reduzieren. ZENTRA ist ein komplettes System aus Sensoren, Loggern und Software, das einfach eingesetzt werden kann, wenig Wartungsaufwand erfordert und Ihnen nahezu in Echtzeit Daten zur Verfügung stellt, damit Sie mehr veröffentlichen und weniger arbeiten können. Und so geht's:

Installationstool: bessere und schnellere Installation

Ein guter Boden-Sensor-Kontakt ohne Luftspalten erfordert, dass die Sensoren gerade und ohne zu wackeln in die Seitenwand gedrückt werden. METER macht dies mit dem Bohrloch-Installationswerkzeug viel einfacher. Das Werkzeug nutzt den mechanischen Vorteil, um die TEROS Bodenfeuchtesensoren direkt in die Seitenwand selbst schwieriger Böden zu treiben und so in viel kürzerer Zeit einen maximalen Kontakt zwischen Boden und Sensor herzustellen.

Die ZSC vereinfacht den Installationsablauf

Während der Installation von Sensoren können Sie mit der neuen ZSC Bluetooth Sensor Schnittstelle für dein Mobiltelefon die Messwerte eines Sensors überwachen, während er installiert wird.

Es liefert drahtlose Echtzeit-Messwerte über Bluetooth auf Ihrem Smartphone. Die Messwerte werden in ZENTRA Utility Mobile angezeigt, damit Sie Probleme bei der Installation (schlechter Kontakt zwischen Sensor und Boden, Lufteinschlüsse, Felsen usw.) erkennen können , bevor Sie das Loch oder den Graben wieder verfüllen.

Die ZSC löst auch die SDI-12-Kopfschmerzen. Sie können mit dem ZSC um herauszufinden, wo genau sich Problemsensoren befinden. Außerdem können Sie mit ZSC den digitalen Sensoren SDI-12-Adressen zuweisen, um die SDI-12-Programmierung zu erleichtern.

ZENTRA Cloud Geschwindigkeits-Fehlerbehebung

ZENTRA Cloud arbeitet mit dem DatenloggerZL6 zusammen, damit Sie Ihre Datenlogger verwalten, Einrichtungsfehler beheben und Sensoren bequem von Ihrem Büro aus neu konfigurieren können.

Sie können sogar ZENTRA Cloud verwenden, um sicherzustellen, dass Ihr Techniker alle notwendigen Feldaufgaben korrekt ausgeführt hat. Wenn ein Doktorand Ihr Programm verlässt, brauchen Sie sich keine Sorgen mehr zu machen, dass die Daten mit ihm mitgehen. ZENTRA Cloud bietet einen einfachen Ort, an dem alle Daten über die Dauer Ihrer Forschung gespeichert werden können.

ZL6 zeichnet automatisch wichtige Metadaten wie Sensortyp, Seriennummer, Firmware-Version und Standort des Loggers auf und speichert sie auf cloud. Diese Metadaten werden zusammen mit den vom Benutzer eingegebenen Metadaten wie Sensortiefe und -höhe zu dauerhaften Bestandteilen Ihres Datensatzes, die nie verloren gehen. Darüber hinaus machen die Echtzeitdaten von cloud den Datenaustausch mit vielen verschiedenen Interessengruppen zu einem Kinderspiel.

TEROS Sensoren beseitigen Genauigkeitsbarrieren

Wir haben die neue Sensorlinie TEROS als Teil des ZENTRA Systems entwickelt, um Hindernisse für eine gute Genauigkeit zu beseitigen, wie z.B. Inkonsistenzen bei der Installation, Schwankungen von Sensor zu Sensor und die Überprüfung der Sensoren.

TEROS Bodenfeuchtesensoren arbeiten mit dem gesamten ZENTRA System zusammen, um über ihre Vorgänger hinauszugehen und die Genauigkeit nicht nur des Sensors, sondern des gesamten Datensatzes zu optimieren. Sie kombinieren eine konsistente, fehlerfreie Installation mit einem Installationswerkzeug, eine extrem robuste Konstruktion, eine minimale Variabilität von Sensor zu Sensor, ein großes Einflussvolumen, einen Verifizierungsstandard und eine fortschrittliche Datenprotokollierung, um die beste Leistung, Genauigkeit, Benutzerfreundlichkeit und Zuverlässigkeit zu einem Preis zu bieten, den Sie sich leisten können.

Tabelle 1. TEROS Sensorvergleich

Sehen Sie sich das folgende Video an, in dem der Bodenfeuchtigkeitsexperte Leo Rivera im Detail erklärt, warum wir 20 Jahre in die Entwicklung der neuen Sensorlinie TEROS für den Wassergehalt investiert haben.

Erhalten Sie mehr für weniger

Die SensorlinieTEROS nutzt Fortschritte bei den Kalibrierungstechniken, ein Installationswerkzeug und bessere Rohstoffe, um Sensoren herzustellen, die haltbarer, genauer, einfacher und schneller zu installieren und konsistenter sind und mit einem leistungsstarken, intuitiven System zur Datenprotokollierung und -visualisierung verbunden sind, das nahezu in Echtzeit arbeitet. ZENTRA Cloud.

Alle TEROS Sensoren anzeigen

Wie Sie Daten zur Bodenfeuchtigkeit interpretieren

Tauchen Sie ein in die Welt der Bodenfeuchtigkeit. In dem folgenden Webinar erläutert Dr. Colin Campbell, wie Sie überraschende und problematische Daten zur Bodenfeuchtigkeit interpretieren können. Er erklärt auch, was Sie in verschiedenen Boden-, Standort- und Umweltsituationen erwarten können.

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