Bodenfeuchte Grundlagen
Zur Bodenfeuchtemessung eignen sich insbesonde elektrische Verfahren. Damit kann man kontiniuerlich den Wassergehalt im Boden überwachen und eine Anbindung an Bewässerungssteuererungen auf vielfältige Art und Weise realisieren.

Ein Boden ist ein Gemisch aus Wasser, Luft und einer mineralischen/organischen Bodenmatrix. Je nach Wassergehalt ändern sich die eletrischen Eigenschaften, wobei man zwischen der elektrischen Leitähigkeit und den s.g. dielektrischen Eigenschaften unterscheiden kann.

Die elektrische Leitfähigkeit hängt nicht nur vom Wassergehalt, sondern maßgeblich von den gelösten Salzen ab. Messverfahren, die auf diesem Prinzip beruhen sind deshalb häufig sehr unzuverlässig und nicht geeignet. Die meist sehr günstig angebotenen Sensoren auf dieser Basis zeigen zwar irgendeine Abhängigkeit vom Wassergehalt, die sich aber mit der Zeit verändert. Zudem erfordert die elektrische Leitfähigkeitsmessung einen direkten metallischen Kontakt mit dem Boden und führt zur Korrossion der Elektroden. Eine zuverlässige und dauerhafte Messung ist deshalb praktisch nicht möglich.

Die dielektrische Messung beruht auf den besonderen Eigenschaften des Wassermoleküls, das sich in einem elektrischen Feld als Dipol ausrichten kann. Diese Wechselwirkung kann erfasst und in einen s.g. volumetrischen Wassergehalt umgerechnet werden. Man kann auch sagen, dass der Boden zwischen den Elektroden einen Kondensator darstellt, dessen Kapazität sich mit der Bodenfeuchte ändert. Ein großer Vorteil ist, dass diese Kapazitätsmessung keinen direkten metallischen Kontakt der Elektroden erfordert. Deshalb ist ein langzeitbeständige Sensorik auf dieser Basis möglich. In der Praxix wird die Kapazität mit Hilfe von kleinen Wechselspannungen gemessen. Dabei kommt der Freqenzwahl eine entscheidennde Bedeutung zu. Sehr günstige kapazitive Sensoren benutzen häufig viel zu niedrige Frequenzen und es kommt zu erheblichen Querbeeinflussungen durch die eletrische Leitfähigkeit. Hochfrequente kapazitive Sensoren sind zwar aufwendiger und teuer, ermöglichen jedoch eine zuverlässige und genaue Bestimmung des Wassergehalts.

Die Materialfeuchtemesstechnik als Obergebiet der Bodenfeuchtemesstechnik ist ein umfangreiches Forschungs- und Entwicklungsgebiet. Das englischsprachige wissenschaftliche Standardwerk zu diesem Thema ist kostenlos verfügbar:
Die Auswahl eines geeigneten Sensors zur Bodenfeuchtemessung hängt von mehreren Aspekten ab:

  • Erforderliche Messgenauigkeit
  • Boden / Substrat
  • Messvolumen
  • Schnittstelle


  • Natürlich wünscht man sich einen Sensor, der so genau wie möglich ist. Eine höhere Genauigkeit oder zusätzliche besondere Egenschaften sind jedoch meist mit höheren Kosten verbunden.

    Bei wissenschaftlichen Anwendungen oder sehr anspruchsvollen Bewässerungsaufgaben wird in der Regel der SMT100 eingesetzt, während der günstigere SMT50 vorwiegend bei einfacheren Bewässerungsaufgaben zu finden ist. Beide Sensoren eignen sich grundsätzlich zur Bewässerungssteuerung, unterschieden sich jedoch in wichtigen Details.

    Der SMT100 ist für den vollen Messbereich von 0 bis 100 % ausgelegt. Außerdem ermöglicht er eine weitgehend bodentypunabhängie Messung mit besonders hoher Auflösung. Dies liegt u.a. an seiner hohen internen Messfrequenz, die Störeffekte z.B. durch eine variable elektrische Leitfähigkeit des Bodens wirksam unterdrückt.

    Der Messbereich des SMT50 geht nur bis 50% und der Bodentyp wirkt sich stärker auf die Kalibrierkurve aus, da eine geringere interne Messfrequenz verwendet wird. Die Auflösung ist ebenfalls geringer als beim SMT100, reicht jedoch für viele Einsatzzwecke, insbesondere bei der Einstelung von Schwellwerten für die Bewässerungssteuerung problemlos aus.

    Feuchtesensoren für Böden sollten Messergebnisse liefern, die möglicht wenig vom Bodentyp beeinflusst sind. Technisch ist das eine sehr große Herausforderung, da die der Bodentyp die gemessenen dielektrischen Eigenschaften beeinflusst. Man kann durch eine geschickte Wahl der Messfrequenz den störenden Einfluss reduzieren. Im allgemeinen ist es besser, wenn man eine möglichst hohe Messfrequenz im Bereich einiger hundert MHz verwendet. Im SMT100 ist dies realisiert, erfordert jedoch einen hohen elektrotechnischen Aufwand, der sich in den Kosten widerspiegelt. Der SMT50 arbeitet bei niedrigeren Frequenzen und ist deshalb kostengünstiger. Der Nachteil ist jedoch die größere Abhängigkeit vom Bodentyp.

    Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Auswahl eines Sensors ist das Messvolumen. Der SMT100 und der SMT50 gehören zu der Klasse der Punktsensoren, d.h. es wird in einem begrenzten Volumen um den Sensor herum der Wassergehalt bestimmt. Bei einigen Anwendungen in der Bewässerungstechnik wünscht man sich ein größeres Messvolumen, um über Inhomogenitäten der Wasserverteilung im Boden besser mitteln zu können. Für solche Einsatzfälle ist der AquaFlex besonders geeignet. Das Messvolumen erstreckt sich über die Sensorlänge von 3 m und ermöglicht dadurch eine optimale Mittelung. Bei einem Sensor dieser Art ist es bauartbedingt schwieriger die gleiche Kalibrierung und Bodentypunabhängigkeit wie mit einem Punktsensor zu erreichen. Für die praktische Anwendung in der Bewässerungstechnik ist das große Messvolumen aber der entscheidene Vorteil.

    Bei der Schnittstelle zur Steuerung oder Datenerfassung kann man zwischen analogen und digitalen Varianten unterscheiden. Bei analogen Schnittstellen gibt man meist einen Spannungswert aus. Der Spannungsbereich kann je nach Sensor unterschiedlich sein. So ist der SMT50 für 0 - 3 V Signalausgang ausgelegt. Der analoge SMT100 und der analoge AquaFlex können werksseitig je nach Kundenwunsch konfiguriert werden. 0 - 10 V ist in der Automatisierungstechnik der Standard, andere Spannungsbereiche wie 0 - 1 V, 0 - 3 V oder 0 - 5 V sind auf Anfrage ebenfalls möglich. Bei den digitalen Schnittstellen des SMT100 ist die größte Auswahl, entweder RS-485 mit den Softwareprotokollen TBUS, ASCII und Modbus oder der in der Umweltmesstechnik gerne eingesetzte SDI-12 Standard. Der AquaFlex ist auch mit der digitalen Schnittstelle RS-485 TBUS, ASCII und Modbus verfügbar.

    Der Vorteil der analogen Schnittstelle ist die einfache Anwendung. Der Nachteil ist die etwas geringere Auflösung, die begrenzte Kabellänge und der höhere Hardwareaufwand in der Steuerung bei der Verwendung vieler Sensoren. Mehrere digitale Sensoren lassen sich an ein einziges Kabel (Bus) anschließen und per Software über Adressen ansprechen. Dadurch wird der Hardwareaufwand bei der Verkabelung geringer, die Anforderung an die Steuerung sind aber höher und es entsteht ein gewisser Konfigurationsaufwand. Insbesondere bei RS-485 lassen sich mit der digitalen Übertragung ausgedehnte Systeme mit großen Kabellängen realisieren. Die Übertragungsqualität ist dabei hervorragenden und die höchste Messwertauflösung realisierbar.

    In der Bodenkunde verwendet man sowohl den Begriff Wassergehalt als auch die s.g. Saugspannung. Unter dem volumetrischen Wassergehalt versteht man den Anteil des Wasser bezogen auf ein Einheitsvolumen. 30% volumetrischer Wassergehalt bedeutet also, dass 30% des Bodenvolumens aus Wasser besteht. Die Saugspannung hingegen beschreibt, wie fest das Wasser vom Boden gehalten wird. Das hängt im wesentlichen von den Porengrößen und deren Verteilung ab. In kleinen Bodenporen wird das Wasser wie in einer Kapillare fest gehalten. In wie weit einer Wurzel Wasser aus dem Boden zur Verfügung steht hängt also nicht nur vom volumetrischen Wassergehalt ab, sondern in welchen Poren das Wasser eingelagert ist. Die Saugspannung ist deshalb in der Bodenkunde eine wichtige Größe, da sie beschreibt, wieviel Wasser den Pfanzenwurzeln tatsächlich zur Verfügung steht. Grundsätzlich wäre die Saugspannung der bessere Parameter zur Bewässerungssteuerung als der volumetrische Wassergehalt. Die Bestimmung der Saugspannung ist jedoch problematisch. Das klassische Messverfahren nutzt wassergefüllte Tonkerzen mit Drucksensoren, die jedoch regelmäßig gewartet werden müssen und meist nicht für den Untergrundeinbau und einfache Automatisierung geeignet sind. Alternative wartungsfreie Verfahren zur Saugspannungsmessung leiden oft unter schlechter Messgebauigkeit und Trägheit, d.h. die Reaktion auf Änderungen der Bodenfeuchte dauert sehr lange, insbesondere beim Austrocknen. Aus diesem Grund haben sich die volumetrischen Bodenfeuchtesensoren wie der SMT100, SMT50 oder der AquaFlex in vielen Bereichen der Bewässerungstechnik durchgesetzt.

    Auf der Suche nach kostengünstigen Bodenfeuchtesensoren stößt man unweigerlich auf meist fernöstliche Produkte und Platinenbausätze für Mikrocontroller und Raspberry Pi. Damit wird entweder die elektrische Leitfähigkeit des Bodens oder seine Kapazität bestimmt. Auch auf Youtube finden sich zahlreiche Videos mit diesen low-cost Sensoren, die eine Lösung zum unschlagbaren Preis versprechen. Die Enttäuschung ist damit aber aus mehreren Gründen vorprogrammiert.

    Als erstes ist die fehlende oder mangelhafte Wasserdichtigkeit zu nennen. Vollkommen untauglich sind Platinen mit blanken Elektroden, die innerhalb kürzester Zeit im Boden korrodieren. Aber auch die als besser angepriesenen kapazitiven Platinensensoren sind oft nach kurzer Zeit defekt. Im Magazin Make des Heise Verlags Ausgabe 2/2000 S.40-46 wurde dies im Beitrag "Gewächshaus mit Arduino" von M. Sixt beschrieben und im Bild gezeigt. Der SMT50 wurde dabei mit einem China Sensor "Capacitive Soil Moisture Sensor V1.2" verglichen. Das Ergebnis nach ca. 6 Monaten Dauerbetrieb war: "Der SMT50 weist keinerlei Anzeichen von Korrosion auf, wohingegen der Billigsensor stark angegriffen ist".

    Es ist aber nicht nur die unbedingt notwendige Wasserdichtigkeit, sondern auch die "inneren Werte" der Elektronik spielen eine große Rolle. Häufig wird vereinfachend angenommen, dass sich der Boden elektrisch gesehen bei Wechselstrom wie ein reiner Kondensator verhält. In Wirklichkeit ist es aber viel komplizierter. Neben den kapazitiven Eigenschaften hat auch die elektrische Leitfähigkeit einen Einfluss auf das Wechselstromverhalten und führt zusammen zahlreichen weiteren Effekten zu einer starken Frequenzabhängigkeit der s.g. Impedanz des Bodens.

    Durch die geeignete Wahl der Messfrequenz kann man diese Beeinflussungen erheblich reduzieren und eine stabile Messung erreichen. Dies erfordert jedoch schaltungstechnisch die Erzeugung hochfrequenter Signale mit deutlichen teureren Bauteilen als bei den low cost Produkten. Zudem ist in hochwertigen Sensoren wie dem SMT50, SMT100 oder AquaFlex immer ein Mikrocontroller eingebaut, der z.B. typspezifsche Kalibrierfunktionen oder individuelle Kalibrierparameter enthält. Die Hochfrequenzbauteile, der Mikrocontroller und die Kalibrierung erhöhen natürlich die Herstellkosten, genauso wie der wasserdichte Verguss der Elektronik. Auch das erdverlegungsgeeignete und mikrobenresistente Kabel TrueFlex ist eine Besonderheit. Mit weniger sollte man sich für sorgenfreien Langzeitbetrieb nicht zufrieden geben.

    Ein hochwertiger Bodenfeuchtesensor ist deshalb auch ein Präzisionsprodukt, in dem sowohl viel Know-How als auch Fertigungstechnik und Kalibrierafwand enthalten sind.

    Bodenfeuchtesensoren werden nicht nur in der Bewässerungstechnik eingesetzt, sondern auch in vielen wissenschaftlichen Disziplinen. Besonders wichtig ist die Bodenfeuchtemessung natürlich in der Hydrologie sowie der Agrar- und Pflanzenkunde. Aber auch im Bauingenieurwesen spielt der Wassergehalt eine große Rolle. Wissenschafliche Anwender haben dabei besonders hohe Anforderungen an die Qualität der Sensorik und setzen deshalb seit vielen Jahren insbesondere den SMT100 in zahlreichen Forschungsprojekten ein. Darüber wird in einschlägigen Fachzeitschriften berichtet, die häufig jedoch nur kostenpflichtig eingesehen werden können. In den letzten Jahren verbreiten sich aber auch s.g. Open Access Journale, die einen kostenlosen Zugang zu den Forschungsergebnisse ermöglichen. Einige Veröffentlichungen mit Bezug zum SMT100 sind nachfolgend aufgeführt und zeigen die große Bandbreite an Einsatzmöglichkeiten:

    Hydrologische Forschung im Karstgestein

    A soil moisture monitoring network to characterize karstic recharge and evapotranspiration at five representative sites across the globe.
    Geoscientific Instrumentation, Methods and Data Systems, 9(1), 11–23.
    https://doi.org/https://doi.org/10.5194/gi-9-11-2020

    Untersuchung der Versickerung im Straßenpflaster

    A distributed soil moisture, temperature and infiltrometer dataset for permeable pavements and green spaces.
    Earth System Science Data, 12(1), 501–517.
    https://doi.org/10.5194/essd-12-501-2020

    Biokohle zur Bodenverbesserung

    Impact of Biochar Reapplication on Physical Soil Properties. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 603, 022068.
    https://doi.org/10.1088/1757-899X/603/2/022068

    Fernerkundung von Schnee- und Bodeneigenschaften mit Radiometern

    Snow Density and Ground Permittivity Retrieved from L-Band Radiometry: Melting Effects. Remote Sensing, 10(2), 354.
    https://doi.org/10.3390/rs10020354

    Alpine Forschungsprojekte

    Monitoring soil moisture from middle to high elevation in Switzerland: Set-up and first results from the SOMOMOUNT network.
    Hydrology and Earth System Sciences, 21(6), 3199–3220.
    https://doi.org/10.5194/hess-21-3199-2017