Kapazitive Bodensensoren gehören zu den gängigsten Verfahren der modernen Bodenfeuchtemessung (und zählen üblicherweise zur Frequenzbereichsreflektometrie, FDR). Das Grundprinzip besteht darin, den volumetrischen Feuchtigkeitsgehalt des Bodens indirekt über die Messung seiner Dielektrizitätskonstante zu bestimmen. Da die Dielektrizitätskonstante von Wasser (ca. 80) deutlich höher ist als die der anderen Bodenbestandteile (ca. 1 für Luft und ca. 3–5 für die Bodenmatrix), hängt die Gesamtänderung der Dielektrizitätskonstante des Bodens hauptsächlich vom Feuchtigkeitsgehalt ab.
Folgende Merkmale sind die wichtigsten:
I. Kernstärken und Vorteile
1. Kostengünstig und leicht zu verbreiten
Im Vergleich zu hochpräzisen TDR-Sensoren (Time-Domain Reflectometry) weisen kapazitive Sensoren niedrigere Kosten für elektronische Bauteile und Herstellung auf, wodurch sie in Szenarien, die einen großflächigen Einsatz erfordern, wie z. B. in der intelligenten Landwirtschaft und der Gartenbewässerung, breit eingesetzt werden können.
2. Extrem niedriger Stromverbrauch
Kapazitive Messschaltungen zeichnen sich durch einen sehr geringen Stromverbrauch aus und eignen sich hervorragend für die Langzeit-Feldüberwachung und IoT-Anwendungen, die mit Batterien und Solarmodulen betrieben werden. Sie können monatelang oder sogar jahrelang kontinuierlich arbeiten.
3. Es kann über einen langen Zeitraum kontinuierlich überwacht werden.
Im Vergleich zur Trocknungsmethode, die eine manuelle Bedienung erfordert, können kapazitive Sensoren im Boden vergraben werden, um eine unbeaufsichtigte, kontinuierliche und automatische Datenerfassung durchzuführen und den dynamischen Veränderungsprozess der Bodenfeuchtigkeit, wie z. B. den Einfluss von Bewässerung, Niederschlag und Verdunstung, zu erfassen.
4. Kompakte Größe und einfache Installation
Sensoren sind üblicherweise als Sonden ausgeführt. Man bohrt einfach ein Loch an der Messposition und führt die Sonde senkrecht in den Boden ein, wodurch die Bodenstruktur nur minimal beschädigt wird.
5. Gute Stabilität und keine Radioaktivität
Im Gegensatz zu Neutronenmessgeräten benötigen kapazitive Sensoren keine radioaktiven Quellen, sind sicher in der Anwendung und erfordern keine besondere Genehmigung oder Schutzmaßnahmen.
6. Integrierbar und intelligent
Die Integration mit Datensammlern und drahtlosen Übertragungsmodulen (wie 4G/LoRa/NB-IoT) zum Aufbau eines kompletten Bodenfeuchteüberwachungsnetzwerks ist sehr einfach. Nutzer können die Daten in Echtzeit per Mobiltelefon oder Computer abrufen.
II. Einschränkungen und Herausforderungen
Die Messgenauigkeit wird von mehreren Faktoren beeinflusst.
Einfluss der Bodenart: Die Kalibrierkurven für Ton-, Lehm- und Sandböden unterscheiden sich. Sensoren werden üblicherweise werkseitig mit Standard-Sand und -Boden kalibriert. Die direkte Verwendung in Böden mit anderer Textur führt zu Messfehlern.
Einfluss der elektrischen Leitfähigkeit (Salzgehalt) des Bodens: Dies ist eine der Hauptfehlerquellen für kapazitive Sensoren. Salzionen im Boden können elektromagnetische Felder stören und dadurch zu höhere Messwerte führen. In salzhaltigen Böden nimmt die Messgenauigkeit deutlich ab.
Einfluss von Bodenverdichtung und Porosität: Ob die Sonde in engem Kontakt mit dem Boden steht und ob sich große Poren oder Steine im Boden befinden, beeinflusst die Genauigkeit der Messergebnisse.
Temperatureinfluss: Die Dielektrizitätskonstante ändert sich mit der Temperatur. Hochwertige Sensoren verfügen über integrierte Temperatursensoren zur Kompensation, deren Effekt jedoch begrenzt ist.
2. Eine Kalibrierung vor Ort ist erforderlich.
Um hochpräzise Messergebnisse zu erzielen, insbesondere bei bestimmten Bodentypen, ist in der Regel eine Kalibrierung vor Ort erforderlich. Dabei werden Bodenproben entnommen, der tatsächliche Feuchtigkeitsgehalt mittels Standardtrocknung bestimmt und anschließend mit den Sensormesswerten verglichen, um eine lokale Kalibriergleichung zu erstellen. Dieser Schritt ist entscheidend für die Genauigkeit der Daten, erhöht aber gleichzeitig die Kosten und den technischen Aufwand.
3. Der Messbereich ist relativ lokal.
Der Messbereich des Sensors ist auf das begrenzte Bodenvolumen um die Sonde herum (d. h. die „empfindliche Fläche“ des Sensors) beschränkt. Diese Fläche ist üblicherweise sehr klein (einige Kubikzentimeter), sodass das Messergebnis die Information eines einzelnen Messpunkts darstellt. Um die Bodenfeuchteverhältnisse des gesamten Feldes zu erfassen, müssen mehrere Messpunkte eingerichtet werden.
4. Langzeitstabilität und Drift
Bei längerer Vergrabung im Erdreich kann das Metall der Sonde durch elektrolytische Korrosion oder chemische Einwirkung altern, was zu Messwertabweichungen führen kann. Regelmäßige Überprüfung und Neukalibrierung sind daher erforderlich.
III. Anwendbare Szenarien und Auswahlvorschläge
Sehr geeignete Szenarien
Intelligente Landwirtschaft und Präzisionsbewässerung: Überwachung der Bodenfeuchtigkeitsdynamik, Steuerung des Bewässerungszeitpunkts und der Bewässerungsmenge, Erzielung von Wassereinsparung und Produktionssteigerung.
Landschaftsbegrünung und Golfplatzpflege: Kernsensoren automatisierter Bewässerungssysteme.
Wissenschaftliche Forschung: Forschung in Bereichen wie Ökologie, Hydrologie und Meteorologie, die eine langfristige und kontinuierliche Überwachung der Bodenfeuchtigkeit erfordert.
Frühwarnung vor geologischen Katastrophen: Überwachung der Bodenfeuchtigkeit an Hängen und Straßen, um vor Erdrutschgefahren zu warnen.
Szenarien, die eine vorsichtige Anwendung erfordern:
In Gebieten mit Böden mit hohem Salzgehalt und hohem Alkaligehalt: Sofern keine speziell entwickelten und kalibrierten Modelle verwendet werden, ist die Zuverlässigkeit der Daten gering.
Bei metrologischen Zertifizierungsszenarien mit extrem hohen Anforderungen an die absolute Genauigkeit: In diesem Fall kann es erforderlich sein, teurere TDR-Sensoren in Betracht zu ziehen oder direkt das Trocknungsverfahren anzuwenden.
Kapazitive Bodensensoren sind, einfach ausgedrückt, eine kostengünstige Option. Auch wenn sie im Labormaßstab keine absolut präzisen Werte liefern, bilden sie die relative Veränderung der Bodenfeuchte von trocken zu feucht sehr gut ab. Für die meisten Produktions- und Managemententscheidungen ist dies bereits von großem Nutzen. Das korrekte Verständnis ihrer Eigenschaften und eine sorgfältige Kalibrierung sind entscheidend für ihre optimale Anwendung.
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Veröffentlichungsdatum: 01.12.2025