Das Thema ist von der Sensorik recht anspruchsvoll, weil eine einfache ohmsche Widerstandsmessung mit Gleichstrom ungewollte elektrolytische Nebeneffekte erzeugt, die schnell zu einer Korrosion bis zur Auflösung der Messelektroden führt. Deshalb ist dieses Messverfahren mehr oder weniger ungeeignet!
Deutlich besser ist dagegen eine Messung mit Wechselspannung. Dabei wird der Scheinwiderstand als Maß für die Bodenfeuchte verwendet. Der Aufwand ist zwar größer, aber für die meisten Anwendungsfälle im privaten Umfeld ist dieses Messverfahren die erste Wahl.
Am genauesten sind aufwendige professionelle Messverfahren u.a. mit kleinen Hochfrequenzsendern, deren gedämpfte Ausstrahlung im Erdreich gemessen wird. Für den Hobbyanwender sicher zu aufwendig und zu teuer.
Für mich ist das Wechselstromverfahren in Verbindung mit einem umgebauten HM-Temperatursensor der Favorit, weil mit dem unten beschriebenen Messprinzip keine zusätzliche Stromversorgung (außer den im Temperatursensor vohandenen Batterien) notwendig ist.
Den Eigenbau eines ersten Bodenfeuchtesensors als Modifikation des „normalen“ HM-Temperatursensors wurde bereits hier erläutert: http://homematic-forum.de/forum/viewtopic.php?f=31&t=15240&p=132390&hilit=Bodenfeuchte#p120763
Die praktischen Ergebnisse in den letzten 3 Monaten mit diesem Verfahren haben gezeigt, daß selbst eine modifizierte Gleichstrommessung gut funktioniert, wenn nur sehr kurzzeitig mit kleinem Tastverhältnis gearbeitet wird. Aufgrund der Bauart des HM-Temperatursensors wird nur alle 3 bis 4 Minuten für etwa 15ms der Sensorwiderstand gemessen. Dieses Tastverhältnis führt dementsprechend nur zu einer sehr geringen Korrosion. Das folgende Bild zeigt die als Elektroden verwendeten Edelstahl-Fahrradspeichen nach über 3 Monaten.
Durch die starke Bildvergrösserung scheint die Korrosion stärker zu sein, als sie in Wirklichkeit ist. Damit könnte man einen Bodenfeuchtesensor aufbauen, der sicher einige Jahre hält.
Trotzdem wollte ich unbedingt den Gleichanteil in der Strommessung weghaben. Deshalb habe ich eine modifizierte neue Schaltung mit einem Trennelko aufgebaut.
Durtch geeignete Auslegung der Zeitkonstanten der zusätzlichen 100kOhm-Widerstandes und des NV-Elkos kann eine Messung erfolgen, ohne dass ein Gleichstrom fließt. Dementsprechend erwarte ich auf diese Art und Weise keinerlei Restkorrosion mehr. Während des sehr kurzen 15ms-Messintervalls wirkt der Kondesator wie ein direkter Durchgang und behindert die Widerstandsmessung bzw. die Leitfähigkeitsmessung kaum. Dabei wird der Kondensator geringfügig aufgeladen. Während der dann folgenden langen Pause von etwa 4min bis zum nächsten Zyklus entlädt sich der Kondensator und macht mögliche elektrolytische Wirkungen wieder rückgängig. Dass diese Theorie auch funktioniert, habe ich durch mehrere Versuche erprobt.
Der praktische Aufbau ist simpel, weil nur der kleine Elko und der 100kOhm-Widerstand im Sensorgehäuse untergebracht werden müssen. Die Bilder erklären das sicher. Wichtig ist vorher mit einem Ohmmeter bei der zweipoligen Sensorleitung die Masse herauszumessen.
Man kann auch den Widerstand und den Elko direkt im Bodenfeuchtefühler integrieren, das ist letztlich „Geschmackssache“.
Nun zum Bau des möglichst robusten Bodensensors. Denn er soll ja mechanisch stabil sein und auch möglichst wasserdicht oder zumindest wasserfest. Als Elektroden kommen wieder meine beliebten Edelstahl-Fahrradspeichen zum Einsatz. Ich verwende 2mm-Durchmesser. Als Griff und Halter werden zwei Korken verwendet ( möglichst Kunststoffkorken!). Im Abstand der Elektroden und der verwendeten Lüsterklemme sind entsprechende Bohrungen im Korken einzubringen. Die nachfolgenden Bilder verdeutlichen die Konstruktion
Danach mit Schrumpfschlauch oder einem Rohr den Griff abdichten und fertig ist ein stabiler und hoffentlich wasserfester Bodenfeuchtesensor.
Wer will kann mit dem verfügbaren Differenztemperaturfühler einen 2-fach-Bodenfeuchtesensor aufbauen: einen Fühler ins Beet, einen Fühler in den Balkonkasten.
Dann kann der Sommer kommen 🙂
Ergänzung 20.06.2015
Verwendung des Differenz-Temperatursensors HM-WDS30-OT2_SM
Da ich mehrere Bodenfeuchtesensoren einsetzen wollte, kam der relativ neue und preiswerte Differenz-Temperatursensor gerade richtig. Dieser enthält zwei Temperaturfühler, die im Prinzip genauso verschaltet sind wie beim alten einkanaligen Sensor.
Nachdem der Anschluß des Bodenfühlers nach dem obigen Rezept erfolgt war, funktionierte der Sensor dann nicht mehr, wenn die Elektroden Kurschluss hatten oder der Boden eine hohe Leitfähigkeit (viel zu feucht) hat. In diesem Fall wird der Kanal einfach nicht mehr abgetastet und ist quasi abgeschaltet. Die Ursache ist offensichtlich eine Softwareänderung beim Differenz-Temperatursensor gegenüber dem einkanaligen Sensor, mit der die Temperatursignale auf Plausbilität geprüft werden. Im „Fehlerfall“ geht die Temperatur dann auf 150°C und ist „eingefroren“.
Die Lösung ist relativ einfach, indem man den Kurzschluss der Elektroden elektrisch ausschließt. Mit einem Widerstand von 820Ohm in Reihe mit dem Elektrolytkondensator ist alles wieder gut !!
Hier ein Bild von der Modifikation des Differenz-Temperatursensors:
Man kann damit zwar auch zwei Bodenfeuchtesensoren herstellen, hier wurde aber der zweite Kanal für die wirkliche Temperaturmessung im Blumentopf neben dem Erdfeuchtesensor verwendet. So eröffnen sich dann Möglichkeiten, die stark temperaturabhängige Leitfähigkeit des Bodens ggf. herauszurechnen, um ein genaueres Signal zu erhalten.
Es gibt also noch Verbesserungsmöglichkeiten 😉
Ergänzung 14.09.2017
Sensorkonzeption mit verbessertem 3D-Gehäuse
Mittlerweile haben die Bodenfeuchtesensoren den Dauertest recht ordentlich überstanden. Allerdings kam schon der Wunsch auf, den Sensor etwas besser zu „verpacken“. Entsprechende Gehäuse kann man ja mittlerweile mit einem 3D-Drucker mit ausreichender Qualität selber produzieren. Hier die 3D-Konstruktion eines Gehäuses, das einerseits sehr stabil die rostfreien Speichen führen soll und andererseits aber auch die notwendigen elektronischen Teile aufnehmen und vor Wind und Wetter schützen soll. Eine Modifikation im Gehäuse des Differenz-Temperatursensors ist damit gar nicht mehr notwendig; lediglich ein Temperatursensor (NTC) wird abgeschnitten und an dessen Stelle der Bodenfeuchtesensor mit den im Gehäuse untergebrachten 2 Widerständen und dem Elko. angeschlossen.
Wer einen eigenen 3D-Drucker hat kann das Geäuse leicht selbst ausdrucken. Hier der stl-File dazu: bodenfuehler_8
In meinem Webshop ist ein entsprechender Bausatz erhältlich.
Das Gehäuse besteht aus dem Grundkörper rechts, in dem die Speichen befestigt werden. Darüber wird die Kappe geschoben und von unten mit einer rostfreien M4x16 Senkschraube verschraubt. Das Kabel zum HM-Temperatursensor geht unten ab, damit kein Wasser eindringen kann. Die notwendigen elektronischen Bauteile sind jetzt im Sensorgehäuse untergebracht. Der NTC-Temperatursensor wird am Zuleitungskabel abgeschnitten und an dessen Stelle wird der Bodenfeuchtesensor angeschlossen. Hier einige Bilder dazu:
Hinweise zur richtigen Messung und den Messwerten
Es kommen immer wieder Fragen, welche Werte denn für trocken, normal und nass zu erwarten sind. Dazu kann man leider keine allgemeine Antwort geben, weil die Messwerte individuell sehr verschieden ausfallen. Die chemische Bodenbeschaffenheit ist ein wesentlicher Einflussfaktor, der die Leitfähigkeit und die Kapazität (beides wird mit dem Fühler gemessen) des Bodens stark beeinflusst. Darüberhinaus ist die Temperatur ebenfalls sehr entscheidend für den Messwert. Deshalb muß man sich genau überlegen, wie gemessen wird. Versuche sind dazu auf jeden Fall durchzuführen, damit man seine individuellen Schwellwerte für die Feuchtestufen ermitteln kann.
Gerade im Hochsommer ist auch das Temperaturprofil im Boden tagsüber an der Oberfläche sehr warm und im Untergrund kälter. Gemessen wird mit den Speichen sowohl oben als auch unten. Es entsteht so ein Mittelwert. Ich persönlich bevorzuge die Messwerte in ca. 10cm Tiefe. Deshalb kann es ggf. sinnvoll sein, die Speichen oben mit einem isolierenden 10cm langen Schrumpfschlauch zu versehen.
Also wie geht man messtechnisch am besten vor?
Ich mache es so, daß ich frühmorgens z.B. 5h messe, weil dann der Boden gleichmäßig temperiert ist. Die Höhe des Messwertes wird dann für die Berechnung der Wasserdosis des Tages (Einschaltdauer des Wasserschaltventils) verwendet.
Natürlich muß man die Meßschwellen durch Messwertbeobachtung über mehrere Tage selbst ermitteln. Historian ist dafür ein sehr gutes Werkzeug.
Haftungs- und Sicherheitshinweise
Beim Nachbau müssen natürlich alle wichtigen einschlägigen Sicherheitsvorschriften für den Umgang mit gefährlichen Spannungen eingehalten werden. Fundierte theoretische und praktische Fachkenntnisse der Elektrotechnik und für den Umgang mit gefährlichen Spannungen sind unverzichtbar!!
Durch eine unsachgemäße Installation gefährden Sie ihr Leben und das Leben ihrer Mitmenschen! Darüberhinaus riskieren Sie erhebliche Sachschäden , welche durch Brand etc. hervorgerufen werden können ! Für alle Personen- und Sachschäden durch falsche Installation etc. ist nicht der Hersteller sondern nur der Betreiber verantwortlich.
Ich verweise hier unbedingt auf die „Sicherheitshinweise und Haftungsausschluss„-Seite dieses Blogs.
