Warum das Bemalen und Kalibrieren Ihres Blattnässesensors nicht funktionieren wird

Why painting and calibrating your leaf wetness sensor won’t work

Immer, wenn die relative Luftfeuchtigkeit der Sensoroberfläche (RHs) über 90% liegt, wird ein falsches Positiv von den Sensoren für Blattnässe registriert.

MITARBEITER

Zahlreiche Forschungsarbeiten von führenden Wissenschaftlern auf dem Gebiet der Blattnässe und Pflanzenkrankheiten legen nahe, dass Sie die Sensoren für die Blattnässe streichen und kalibrieren sollten, um genaue Messungen zu erhalten (z. B. Gillespie und Duan, 1987; Lau et al., 2000; Sentelhas et al., 2004).

Mit dem Standard-Widerstandsgitter-Blattnässesensor wird Nässe nur dann erkannt, wenn die Wassertröpfchen groß genug sind, um den Spalt zwischen zwei Fingern im Gitter zu überbrücken und den effektiven Widerstand zu verringern. Forscher haben diese Tatsache schon vor langer Zeit erkannt und versucht, Methoden zu entwickeln, mit denen die Sensoren kleine Wassertröpfchen erkennen können, die typisch für den Beginn des Taus sind. Die Methoden reichten vom Auflegen eines Tuchs auf den Sensor bis hin zur aktuellen Standardmethode: dem Bestreichen der Sensoroberfläche mit Latexfarbe. Anstatt dass das Wasser die Leiterbahnen tatsächlich überbrückt, ändert sich der Widerstand der Latexfarbe selbst, wenn sie nass wird, wodurch sich die Ausgabe der Sonde ändert.

Die Malmethode führt zu falsch positiven Ergebnissen

Diese Methode hat jedoch einen großen Nachteil, dessen sich viele Forscher nicht bewusst sind. Damit die Latexfarbe Wasser aufnehmen und eine Widerstandsänderung bewirken kann, muss sie von Natur aus hygroskopisch sein. Wie bei den meisten hygroskopischen Materialien ist es der Latexfarbe gleichgültig, in welchem Zustand sich das Wasser befindet, und sie nimmt Wasserdampf genauso leicht auf wie flüssiges Wasser. Gillespie und Duan (1987) und Sentelhas et al. (2004) schlugen vor, diesen Effekt zu minimieren, indem die Latexfarbe eingebrannt wird, um einen Teil der hygroskopischen Elemente zu entfernen, wodurch der Sensor weniger empfindlich für Wasserdampf wird. Aber auch dieses spezielle Protokoll kann die Auswirkungen von Wasserdampf nicht vollständig beseitigen.

Wir sammelten Felddaten mit einem Standard-Widerstandsgitter-Blattnässesensor, der mit Latexfarbe gestrichen und gemäß Gillespie und Duan (1987) eingebrannt wurde. Die Lufttemperatur und die relative Luftfeuchtigkeit (RH) wurden in der Nähe des Blattnässesensors gemessen, und die Temperatur des Blattnässesensors selbst wurde mit einem Feindrahtthermoelement gemessen, um die relative Luftfeuchtigkeit der Sensoroberfläche (RHs) zu berechnen. Abbildung 1 zeigt den Sensorwiderstand in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit. Bei diesem speziellen Sensor beträgt der Trockenwiderstand etwa 7000 kΩ, und jeder Widerstand, der unter diesem Basiswert liegt, würde im Allgemeinen als Hinweis auf einen feuchten Sensor gelten. Aus dem Diagramm geht klar hervor, dass selbst der sorgfältig behandelte und eingebrannte Sensor oberhalb von etwa 70 % relativer Luftfeuchtigkeit falsch-positive Ergebnisse zu liefern beginnt. Tatsächlich ist aus Abbildung 1 ersichtlich, dass die lackierte Sonde zu jedem Zeitpunkt, an dem die relative Luftfeuchtigkeit über 90% liegt, ein falsches positives Ergebnis liefert.

A graph showing grid resistance of a painted, baked resistance type leaf wetness sensor as a function of sensor surface relative humidity (RHs)
Abbildung 1. Gitterwiderstand eines lackierten Blattnässesensors mit gebackenem Widerstand als Funktion der relativen Luftfeuchtigkeit (RH) auf der Sensoroberfläche. Die Daten wurden über einen Zeitraum von 60 Tagen im Sommer und Herbst 2005 gesammelt. Die Zeiträume während und nach Regen- und Tauereignissen wurden sorgfältig aus dem Datensatz entfernt, so dass alle Widerstände, die unter dem Basiswert von 7000 kΩ liegen, falsche Flüssigwasserereignisse sind.

Einige Forscher bekämpfen die in Abbildung 1 sichtbaren hygroskopischen Effekte, indem sie jeden bemalten Sensor einzeln kalibrieren. Eine gängige Kalibrierungsmethode besteht darin, jeden Sensor in einem isothermen Behälter über einem Wasserbecken zu versiegeln und den Sensorwiderstand im Gleichgewicht bei einer Luftfeuchtigkeit von 100% aufzuzeichnen. Dieser Wert wird dann als neuer Basiswert verwendet. Wie man sich vorstellen kann, ist dies eine mühsame und zeitaufwändige Tätigkeit.

Eine neue Methode macht das Streichen oder Kalibrieren überflüssig

Ein kürzlich entwickelter Blattnässesensor (PHYTOS 31, METER) verwendet eine andere Methode zur Messung der Oberflächenfeuchtigkeit. Anstatt den Widerstand zwischen den Metallgitterfingern zu messen, misst der Sensor die Dielektrizitätskonstante der Oberfläche des Sensors. Bei der dielektrischen Methode müssen die Tröpfchen nicht groß genug sein, um benachbarte Leiterbahnen zu überbrücken, so dass jede Menge flüssiges Wasser auf der Oberfläche der Sonde gemessen wird, unabhängig von der Größe der Tröpfchen. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, den Sensor zu lackieren.

Ausführliche Tests haben gezeigt, dass unterhalb von etwa 98,5 % RH keine hygroskopischen Effekte auftreten und dass die Werte zwischen 98,5 % und der Sättigung nicht groß genug sind, um als falsch positive Werte registriert zu werden. Die dielektrischen Blattnässesensoren werden außerdem vor dem Verlassen des Werks individuell abgestimmt, so dass jeder Sensor exakt die gleichen Werte anzeigt und somit keine Kalibrierung durch den Benutzer erforderlich ist. Die Abbildungen 2 und 3 zeigen Daten, die mit einem lackierten Widerstandsgittersensor bzw. einem dielektrischen Blattnässesensor während eines typischen nächtlichen Tauereignisses erfasst wurden. Aus Abbildung 2 ist ersichtlich, dass die hygroskopische Reaktion des lackierten Sensors zu einer erheblichen Überschätzung der Blattnässedauer (in diesem Fall über 1,5 Stunden) führen kann, wenn der Sensor nach dem Lackieren nicht individuell kalibriert wird. Abbildung 3 zeigt Daten desselben Betauungsereignisses, die mit einem dielektrischen Blattnässesensor ohne Lackierung oder Kalibrierung durch den Benutzer erfasst wurden. Der dielektrische Blattnässesensor unterschätzt die Dauer der Blattnässe um fünf Minuten.

A graph showing grid resistance and surface relative humidity of a painted, baked resistance grid leaf wetness sensor over the onset of evening dew
Abbildung 2. Gitterwiderstand und relative Oberflächenfeuchtigkeit eines lackierten Blattnässesensors mit gebackenem Widerstand während des Einsetzens des abendlichen Taus. Die gestrichelte horizontale Linie zeigt den Trockenwiderstand des Sensors an. Alles, was unter diesem Wert liegt, deutet auf Oberflächenfeuchtigkeit hin. Die durchgezogene vertikale Linie zeigt den Zeitpunkt an, an dem eine relative Luftfeuchtigkeit von 100 % vorliegt und sich gerade Tau auf der Sensoroberfläche zu bilden beginnt. Der graue Bereich zwischen der gestrichelten und der durchgezogenen vertikalen Linie zeigt die Zeitdauer an, in der der Gittersensor das Vorhandensein von flüssigem Wasser (Oberflächenfeuchtigkeit) meldet, aber kein Wasser vorhanden ist.
A graph showing sensor output and surface relative humidity of an out-of-the-box dielectric leaf wetness sensor over the onset of evening dew
Abbildung 3. Sensorausgabe und relative Oberflächenfeuchtigkeit eines sofort einsatzbereiten dielektrischen Blattnässesensors bei Einsetzen des abendlichen Taus. Die gestrichelte horizontale Linie zeigt den trockenen Ausgangswert des Sensors an, wobei alles, was über diesem Schwellenwert liegt, auf Oberflächenfeuchtigkeit hinweist. Die durchgezogene vertikale Linie zeigt den Zeitpunkt an, an dem eine relative Luftfeuchtigkeit von 100 % vorliegt und sich gerade Tau auf der Sensoroberfläche zu bilden beginnt. Der graue Bereich zwischen der gestrichelten und der durchgezogenen vertikalen Linie zeigt die Zeitspanne an, in der der dielektrische Sensor das Vorhandensein von flüssigem Wasser (Oberflächenfeuchtigkeit) anzeigt, aber kein Wasser vorhanden ist.

Die oben dargestellten Daten sind ein überzeugendes Argument dafür, dass der neue dielektrische Blattnässesensor genauere Ergebnisse liefert als ein unlackierter oder lackierter und unkalibrierter Widerstandsgitter-Blattnässesensor, ohne dass das Lackieren und Einbrennen oder eine individuelle Kalibrierung erforderlich ist.

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Referenzen

Gillespie, T. J., und R-X. Duan. "A comparison of cylindrical and flat plate sensors for surface wetness duration". Land- und Forstmeteorologie 40, Nr. 1 (1987): 61-70. Artikel-Link.

Lau, Yewah F., Mark L. Gleason, Narjess Zriba, S. Elwynn Taylor, und Paul N. Hinz. "Auswirkungen der Beschichtung, des Aufstellwinkels und der Kompassausrichtung auf die Leistung elektronischer Feuchtesensoren während der Tauperiode". Pflanzenkrankheiten 84, Nr. 2 (2000): 192-197. Link zum Artikel (open access).

Sentelhas, P. C., J. E. B. A. Monteiro, und T. J. Gillespie. "Elektronischer Blattnässedauer-Sensor: Warum er gestrichen werden sollte." International Journal of Biometeorology 48, no. 4 (2004): 202-205. Artikel-Link.

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