Bei der Überlegung, welcher Sensor für den Wassergehalt im Boden am besten geeignet ist, wird leicht die offensichtliche Frage übersehen: Was wird gemessen? Zeitbereichsreflektometrie (TDR-Sensor) im Vergleich zu kapazitiver Sensortechnologie ist die richtige Frage für einen Forscher, der die Dielektrizitätskonstante über ein breites Messfrequenzspektrum (genannt dielektrische Spektroskopie) untersucht. Diese Daten enthalten wichtige Informationen, wie z.B. die Möglichkeit, die Schüttdichte zusammen mit dem Wassergehalt und der elektrischen Leitfähigkeit zu messen. Wenn dies die gewünschte Messung ist, kommt derzeit nur eine Technologie in Frage: TDR. Die Reflexion des elektrischen Impulses, der sich an den leitenden Stäben entlang bewegt, enthält eine breite Palette von Frequenzen. Wenn sie digitalisiert werden, können diese Frequenzen durch die schnelle Fourier-Transformation getrennt und auf zusätzliche Informationen hin analysiert werden.
Das Ziel der meisten Wissenschaftler besteht jedoch einfach darin, den Wassergehalt des Bodens sofort oder im Laufe der Zeit mit guter Genauigkeit zu überwachen, was bedeutet, dass ein komplexes und kostspieliges TDR-Sensorsystem möglicherweise nicht erforderlich ist.
Kapazitätssensor- und TDR -Sensortechniken werden oft in einen Topf geworfen, weil sie beide die Dielektrizitätskonstante des umgebenden Mediums messen. In der Tat ist es nicht ungewöhnlich, dass Personen die beiden Verfahren verwechseln und behaupten, dass eine bestimmte Sonde den Wassergehalt mit der TDR-Sensortechnologie misst, obwohl sie eigentlich die Kapazitätssensortechnologie verwendet. Im Folgenden wird der Unterschied zwischen den beiden Techniken erläutert.
Die Kapazitätssensortechnik bestimmt die Dielektrizitätskonstante eines Mediums durch Messung der Ladezeit eines Kondensators, der dieses Medium als Dielektrikum verwendet. Zunächst definieren wir eine Beziehung zwischen der Zeit, t, die benötigt wird, um einen Kondensator von einer Startspannung, Vi auf eine Spannung Vf mit einer angelegten Spannung, Vf.
wobei R der Serienwiderstand und C die Kapazität ist. Die Aufladung des Kondensators ist in Abbildung 1 dargestellt:
Wenn der Widerstand und das Spannungsverhältnis konstant gehalten werden, dann ist die Ladezeit des Kondensators, t, mit der Kapazität verbunden gemäß
Bei einem Parallelplattenkondensator ist die Kapazität eine Funktion der Dielektrizitätskonstante(k) des Mediums zwischen den Kondensatorplatten und kann wie folgt berechnet werden
wobei A die Fläche der Platten und S der Abstand zwischen den Platten ist. Da A und S ebenfalls feste Werte sind, ist die Ladezeit des Kondensators eine einfache lineare Funktion (im Idealfall) der dielektrischen Permittivität des umgebenden Mediums.
Bodensonden sind keine parallelen Plattenkondensatoren, aber die in Gleichung 3 dargestellte Beziehung ist unabhängig von der Plattengeometrie gültig. Die Zeitbereichsreflektometrie (ein TDR-Sensor) bestimmt die Dielektrizitätskonstante eines Mediums, indem sie die Zeit misst, die eine elektromagnetische Welle für die Ausbreitung entlang einer Übertragungsleitung benötigt, die von dem Medium umgeben ist. Die Laufzeit(t), die ein elektromagnetischer Impuls benötigt, um die Länge einer Übertragungsleitung zu durchlaufen und zurückzukehren, hängt mit der Dielektrizitätskonstante des Mediums, k, durch die folgende Gleichung zusammen
wobei L die Länge der Übertragungsleitung und c die Lichtgeschwindigkeit (3 x 108 m s im Vakuum) ist. Die Dielektrizitätskonstante wird also wie folgt berechnet
Daher ist die Ausbreitungszeit der elektromagnetischen Welle entlang des TDR-Sensors nur eine Funktion des Quadrats der Laufzeit und eines festen Werts(c/2L). Da c und L eine Konstante bzw. eine feste Länge sind, sind TDR-Sensormessungen im Vergleich zu Kapazitätssensoren theoretisch weniger anfällig für Boden- und Umweltbedingungen. Allerdings kann die Interpretation der TDR-Sensorausgabe eine beträchtliche Fehlerquelle darstellen, wenn ein hoher Salzgehalt die Reflexionswellenform beeinträchtigt oder die Temperatur den Endpunkt verändert.
An oscillating voltage must be applied to a TDR sensor or capacitance sensor to measure the reflection or charge time in the medium. The frequency of the oscillation is important because it is widely accepted that low frequencies (<10 MHz) are highly susceptible to changes in salinity and temperature. Because there is no limit on the possible input frequencies for either technique, it is important to verify the frequency of the soil moisture device used.
Die von METER hergestellten Kapazitätssensoren verwenden hohe Frequenzen, um die Auswirkungen des Salzgehalts im Boden auf die Messwerte zu minimieren. Die verwendeten Frequenzen sind jedoch um einiges niedriger als bei TDR, typischerweise 50 bis 100 MHz. Die hohe Frequenz der Kapazitätssonden "sieht" das gesamte Wasser im Boden und ist gleichzeitig hoch genug, um die meisten Fehler aufgrund des Salzgehalts im Boden zu vermeiden, die bei älteren Kapazitätssonden auftreten. Die Schaltkreise in einem Kapazitätssensor können so ausgelegt werden, dass sie extrem kleine Änderungen des volumetrischen Wassergehalts auflösen können, so dass die NASA die Kapazitätssensortechnologie zur Messung des Wassergehalts auf dem Mars eingesetzt hat. Kapazitätssensoren sind kostengünstiger, da sie nicht so viele Schaltkreise benötigen und somit mehr Messungen pro Dollar ermöglichen.
Wie ein TDR-Sensor ist auch ein Kapazitätssensor relativ einfach zu installieren. Die Messstifte sind in der Regel kürzer als die eines TDR-Sensors, so dass sie weniger schwer in ein Loch eingeführt werden können. Kapazitätssensoren haben in der Regel einen geringeren Energiebedarf und können im Feld jahrelang mit einem kleinen Batteriepack in einem Datenlogger betrieben werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sowohl ein TDR-Sensor als auch ein Kapazitätssensor die Dielektrizitätskonstante messen, um den volumetrischen Wassergehalt zu ermitteln, obwohl die Theorie hinter den Messungen etwas anders ist. Aus historischer Sicht haben sowohl TDR als auch Kapazität eine breite Akzeptanz gefunden, auch wenn einige aufgrund des extremen Preisunterschieds den Wert von TDR im Vergleich zur Kapazität höher einschätzen. Im Allgemeinen können mit beiden Techniken vernünftige Messungen des volumetrischen Wassergehalts durchgeführt werden. Fehler bei den Messungen sind oft eher auf schlechte Installationsmethoden als auf Einschränkungen bei den Techniken selbst zurückzuführen.
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