Lysimeteranlage Sensorik/Meßtechnik  

Sensorik und Meßtechnik

Blick in den Lysimeterkeller. Die Kellerdecke liegt etwa einen Meter unter Erde, die durch die Kellerdecke ragenden Lysimeterbehälter schließen niveaugleich mit dem umgebenden Feld ab. Während der Vegetationsperiode werden Feld und Lysimeter bepflanzt und wie ein normales Feld bearbeitet.

Neben den Lysimeterbehältern sind die Datenlogger und, darüber angeordnet, die Drucksteuerungen für die Saugkerzen sichtbar. Der Boden des Kellers ist mit einem dekontaminierbaren Anstrich versehen, und die Lysimeterbehälter sind erdbebensicher verankert, eine Vorsichtsmaßnahme, die bei Radionuklidanwendungen erforderlich ist.

Für die Messung des Wassergehaltes der Böden (korrekt Wasseranteil) wird ein Meßverfahren eingesetzt, das auf dem Prinzip der Time Domain Reflectometry (TDR) basiert. Dieses aus der Nachrichtentechnik bekannte Verfahren (dort verwendet zur Lokalisierung von Kabeldefekten) hat gegenüber anderen Verfahren der Wasser­gehaltsbestimmung entscheidende Vorteile: es ist nichtdestruktiv (keine Stechproben erforderlich) und harmlos in der Anwendung (keine Radionuklide wie bei der Neutronensonde).

Über Metallstäbe wird ein elektromagnetischer Impuls (etwa 300-500 MHz) an das zu untersuchende wasserhaltige Medium abgegeben, die Laufzeit des reflektierten Impulses wird gemessen, sie ist ein direktes Maß für die Dielektrizitätskonstante des Mediums. Diese Konstante wiederum hängt im besonderen Maße vom Wassergehalt des Mediums ab (für Wasser 80, für trockenen Boden 5, für Luft 1).

Sowohl die verwendeten Sonden wie auch das Meßverfahren sind äußerst sensibel. Die Metallspitzen der Sonden werden durch vorgebohrte Löcher in das Erdreich eingepreßt, wobei der satte Kontakt zum Erdmaterial besonders wichtig ist. Bereits ein kleiner Luftspalt (Dielektrizitätskonstante 1) würde das Meßergebnis verfälschen. Die Sondenstäbe der verwendeten TRIME-Sonden (Fa. IMKO) sind mit einem PVC-Material zur Verbesserung der Reflexionseigenschaften beschichtet, daher ist beim Einbau der Sonden besondere Vorsicht erforderlich, um diesen Überzug nicht durch Steine zu beschädigen. Im Bereich hohen Schotteranteils (Niveau 210 und 180 cm der Lysimeter) wurde daher auf den Einbau dieser Sonden verzichtet.

Im nebenstehenden Bild ist der Sondenmultiplexer zu sehen, die passiven TDR-Sonden sind über Koaxkabeln mit der Meßelektronik verbunden. Die Leitungslängen und die Leitungsführung sind bei diesem Meßprinzip problematisch, daher die Abstandshalter zwischen den einzelnen Koaxkabeln, um eine gegenseitige HF-Beeinflussung möglichst gering zu halten.

Die Messung der Saugspannung (das ist die Kraft, die die Pflanzenwurzel aufbringen muß, um Wasser dem Boden zu entziehen) erfolgt mit piezolektronischen Drucktensiometern. Das nebenstehende Bild zeigt ein Tensiometer der Fa. UMS mit integriertem Temperaturfühler. Der Keramikkopf enthält entgastes Wasser, das über die Keramikporen mit dem Bodenwasser in Kontakt steht und die Saugspannung auf den Piezokristall überträgt. Die Krafteinwirkung auf den Kristall erzeugt eine elektrische Spannung, die als Meßsignal zur Verfügung steht.

Trockene Böden (hohe Saugspannungen) neigen dazu, dem Tensiometer Wasser zu entziehen . In diesem Fall verliert das Tensiometer an Meßdynamik und schlussendlich überhaupt seine Funktion - es muß neu mit entgastem Wasser befüllt werden. Zum Befüllen ist ein Ausbau des Tensiometers erforderlich, was bei Lysimetern unter Umständen eine empfindliche Störung des Bodengefüges verursacht. Die Tensiometer können daher optional mit Füllkapillaren bestückt werden, die ein Befüllen ohne Ausbau erlauben. Ein optoelektronischer Füllzustandsindikator signalisiert Wasserverlust und fordert rechtzeitig zur Wartung des Tensiometers auf.

Als Bodentemperaturfühler wird ein hochohmiger, linearisierter NTC-Sensor verwendet, der im Drucktensiometer integriert ist.

Saugkerzen dienen zur Entnahme von Bodenwasserproben und sind im Aufbau ähnlich den Drucktensiometern. Ein Kunststoffrohr mit aufgesetztem Keramikkopf wird in das Erdreich eingebracht und über eine Schlauchleitung mit einer Sammelflasche verbunden. Durch eine Drucksteuerungsanlage wird in der Sammelflasche ein Unterdruck erzeugt, der höher als die Saugspannung des Bodens ist - die Saugkerze beginnt dem Boden Wasser zu entziehen. Die gesammelte Wasserprobe dient zur chemischen Analyse des Bodenwassers.

Im nebenstehenden Bild ist eine Drucksteuerung mit den Sammelflaschen und dem Pumpenmotor sichtbar. Die Pumpe ist relativ großzügig ausgelegt. Kurzfristig erzeugt sie bis zu 900 hPa Unterdruck, um nach einem Saugzyklus die Schlauchleitungen leerzusaugen. Eine wichtige Voraussetzung, um nachfolgende Proben nicht durch abgestandenes Wasser in den Schläuchen zu verfälschen.

Der Saugzyklus der Drucksteuerung ist über den Datenlogger parametrierbar. Ausgelöst durch ein Signal des sogenannten "Führungstensiometers" wird bei Durchgang einer Wasserfront gesaugt: zum Beispiel während einer Stunde alle 10 Minuten, jeweils drei Minuten lang.

Austrian Research Center
A-2440 Seibersdorf