Wie funktioniert ein FDR-Sensor?
Der FDR-Sensor ist ein Sensor zur Bestimmung des volumetrischen Wassergehalts im Boden. FDR steht dabei für Frequency Domain Reflectometry (dt. Frequenzbereichsreflektometrie). Der Sensor misst die Fähigkeit des Bodens, elektrische Ladung zu speichern, und leitet daraus den Wassergehalt ab.
Was ist Ladungsspeicherfähigkeit?
Um elektrische Ladung zu speichern, verwendet man Kondensatoren. Ein Kondensator besteht aus zwei Leitern (zum Beispiel in Form von Platten oder Stäben), die durch ein isolierendes Material – das Dielektrikum – voneinander getrennt sind (a). Legt man eine Spannung an die beiden Leiter an, fließen von einem Leiter Elektronen ab. Dieser Leiter lädt sich dadurch positiv auf. Gleichzeitig fließen Elektronen auf den anderen Leiter, wodurch dieser negativ geladen wird (b). Entfernt man die Spannungsquelle, ziehen sich die entgegengesetzten Ladungen auf den beiden Leitern an und bleiben erhalten – die Ladung ist somit gespeichert (c). Das Dielektrikum zwischen den Leitern beeinflusst, wie viel Ladung gespeichert werden kann. Diese Eigenschaft wird durch die Dielektrizitätskonstante beschrieben.
Von der Dielektrizität zum Wassergehalt
Jedes Material besitzt eine bestimmte Dielektrizitätskonstante. Luft wird dabei als Referenzwert auf 1 gesetzt, andere Materialien werden relativ dazu angegeben. Die Materialien im Boden besitzen jeweils unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten (etwa zwischen 3 und 7). Ihnen ist jedoch gemeinsam, dass ihre Werte deutlich niedriger sind als die von Wasser. Wasser besitzt mit etwa 80 eine sehr hohe Dielektrizitätskonstante. Deshalb haben bereits kleine Veränderungen im Wasseranteil einen messbaren Einfluss auf die Dielektrizität des Bodens.
Ein Boden besteht aus Bodenmineralien, Luft und Wasser. Das Volumen der Bodenmineralien bleibt konstant, während sich der Anteil von Luft und Wasser je nach Feuchte verändert. Mit zunehmendem Wasseranteil steigt die Dielektrizität des Bodens, bei abnehmendem Wasseranteil sinkt sie. Diese Beziehung zwischen der Dielektrizität des Bodens und dem volumetrischen Wassergehalt macht man sich bei der Messung zunutze.
Wie misst der FDR-Sensor die Dielektrizität?
Die Funktionsweise eines FDR-Sensors zur Bestimmung der Dielektrizität lässt sich mit einem elektromagnetischen Schwingkreis erklären. Ein Schwingkreis besteht aus zwei Bauteilen: einer Spule und einem Kondensator. Zwischen diesen beiden Komponenten entsteht eine elektrische Schwingung. Wenn Spule und Kondensator unverändert bleiben, schwingt der Stromkreis immer mit einer festen Resonanzfrequenz. Beim FDR-Sensor betrachten wir einen solchen Schwingkreis. Die Spule ist fest im Sensor verbaut. Der Kondensator wird durch den Messkopf des Sensors gebildet. Seine Kapazität hängt davon ab, welches Material sich zwischen den Elektroden befindet, also dem Boden selbst.
Ändert sich der Boden zwischen den Elektroden – zum Beispiel durch einen höheren oder niedrigeren Wasseranteil im Boden – verändert sich die Kapazität des Kondensators. Dadurch verändert sich auch die Resonanzfrequenz des Schwingkreises. Der Sensor misst diese Frequenz. Aus ihr lässt sich die Dielektrizität des Bodens bestimmen – und daraus wiederum der Wassergehalt.
