Bedienungsanleitung

Bedienungsanleitung
Version 2.0
T4
Druckaufnehmer-Tensiometer
© 2001 UMS GmbH, München
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1 Skizze Tensiometer T4 3
2 Allgemeine Beschreibung 4
2.1 Aufbau des Tensiometers 5
2.1.1 Der Tensiometer-Korpus 5
2.1.2 Der Druckaufnehmer 6
2.1.3 Die Tensiometer-Kerze 7
2.1.4 Der Referenzdruck 8
3 Allgemeine Instruktionen 9
3.1 Anschließen der Tensiometers an ein Anzeigegerät oder Datenlogger 9
3.2 Einsetzen 10
3.3 Ausbauen 10
3.4 Befüllung vor Ort 11
3.5 Funktionsüberprüfung 13
3.6 Befüllung im Labor 13
3.7 Kalibrierung 16
3.7.1 Nullpunktskontrolle 16
3.7.2 Kalibrieren der Steigung (Meßbereichsendwert) 17
3.8 Wartung und Lagerung 20
3.9 Vermeidung von Schäden 21
4 Meßprinzip und Grenzen der Tensiometrie 22
4.1 Theorie des Wassers als Meßgröße 22
4.2 Theorie des Wassers als druckübertragendes Medium 24
4.3 Meßbereich und Standzeit 24
4.3.1 Druckaufnehmer 25
4.3.2 Porengröße der verwendeten Keramik 25
4.3.3 Zustand des Tensiometerwassers 26
4.3.4 Umgebungsdruck 27
4.3.5 Umgebungstemperatur 27
5 Technische Daten 28
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Inhaltsverzeichnis
Anhang: Anleitung zur externen Befüllung von Tensiometern T4-e

1 Skizze Tensiometer T4
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2 Allgemeine Beschreibung
Mit dem Kauf Ihres UMS-Tensiometers vom Typ T4 haben Sie einen Meßfühler erwor-
ben, der sich neben seiner vielseitigen Einsatzmöglichkeiten durch seine hohe Zyklen-
häufigkeit (naß-trocken-naß-Messung) und die damit verbundene lange Standzeit aus-
zeichnet.
Welche Schaftlänge und Kabellänge Ihr Tensiometer besitzt, erkennen Sie an der
Bezeichnung auf dem Typenschild (nur bei Tensiometern bis Bj. 2001):
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T4-60
Typ - Schaftlänge
[in cm]
Elektronische Druckaufnehmer-Tensiometer sind hochauflösende Meßfühler zur konti-
nuierlichen Messung der Bodenwasserspannung, die in einem breiten Feld hydrologi-
scher, bodenphysikalischer und ökosystematischer Fragestellungen eingesetzt werden.
Das T4 wird für Bodenwasserspannungsmessungen im ungesättigten Bereich einge-
setzt. Es mißt die Wasserspannung des Bodens und wandelt diese in ein definiertes,
kontinuierliches elektrisches Signal um. Im gesättigten Bereich wirkt es als Piezometer
und mißt den Wasserdruck im Boden. Dieses Signal kann mit einem Voltmeter und
Spannungsversorgung oder INFIELD Handanzeigegerät abgelesen oder mit einem Daten-
logger automatisch erfaßt werden.
Die Größe der Wasserspannung (auch Saugspannung) dient als unmittelbares Maß für
die Wasserverfügbarkeit von Böden für Pflanzen und ist damit ein wichtiger, pflanzen-
physiologischer Parameter.

Im ökosystemaren Bereich werden Tensiometer für hydrologische Untersuchungen, z.B.
Stoffeintrags- und Stofftransportstudien, Sickerwasserstudien oder zur Messung der
Wasserspannung als charakteristischer Kenngröße eingesetzt.
Neben diesen Einsatzmöglichkeiten werden Tensiometer u.a. auch als Steuerfühler für
Bewässerungsanlagen und für die UMS-Bodenwasser-Gewinnungsanlage eingesetzt.
Rückschlüsse aus der Wasserspannung auf den volumetrischen Wassergehalt des
Bodens sind nur bei genauer Kenntnis der Textur des Bodens möglich (siehe z.B.
Scheffer/Schachtschabel).
2.1 Aufbau des Tensiometers
2.1.1 Der Tensiometer-Korpus
Der Tensiometerkorpus stellt den eigentlichen Kern des Tensiometers dar.
In ihm ist der Druckaufnehmer (auch Druckwandler) untergebracht. Er
stellt das Verbindungselement zwischen der Tensiometer-Kerze und
dem Tensiometerschaft dar. Der Korpus wird mit der Kerze wasser-
und luftdicht verschraubt.
Die Wassersäule im Tensiometer geht von der Kerzenspitze bis ca.
zur Mitte des im Korpus eingegossenen Druckaufnehmers. Damit
können T4 Tensiometer auch im Winter betrieben werden, wenn die
Meßtiefe im frostsicheren Bereich liegt.
Vom Korpus führt die Meß- und Versorgungsleitung durch den Schaft
nach oben.
Vermeiden Sie bitte jede Zugbelastung auf das Kabel, wenn Sie den
Schaft abschrauben, da die Zugentlastung erst in der wasserdichten
Schaftverschraubung erfolgt.
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2.1.2 Der Druckaufnehmer
Das Prinzip des Druckaufnehmers (auch Druckwandler) basiert auf dem “piezoresistiven
Effekt” von Siliziumhalbleitern, deren spezifischer elektrischer Widerstand sich bei Verfor-
mung ändert und über eine “Wheatston`sche Brücke” zu einem definierten Signal verarbei-
tet wird. Diese Verformung wird durch den Druck (bzw. die Wasserspannung) auf das sehr
dünne, und daher auf Druckstöße empfindliche Siliziumplättchen erreicht.
Der Druckaufnehmer wird mit einer stabilisierten Gleichspannung (10,6 V) versorgt
(mit stabilisiertem Netzgerät wie Art. TV-BATT).
Das Signal verhält sich direkt proportional zur Versorgungsspannung. Bei 10,6 Vdc erhält
man ein Signal von 0 hPa ≈ 0 mVdc und 1000 hPa ≈ 103 mVdc. Die Signale variieren je nach
Druckaufnehmer in einem Bereich von ± 3 mV:
0hPa = ^ 0 mV ± 3 mV, -1000 hPa = ^ -100 mV ± 3 mV, +1000 hPa = ^ +100 mV ± 3 mV.
Den genauen Zusammenhang zwischen Wasserspannung und Signal entnehmen Sie bitte
dem beiliegenden Kalibrierprotokoll (entfällt bei Tensiometern, die für die Messung mit
INFIELD Handgeräten ausgelegt sind. Die Signale dieser Tensiometer sind alle gleich, da
sie bereits im Stecker abgeglichen wurden).
Da die Wasserspannung gegen den atmosphärischen Luftdruck gemessen wird, wird
dieser über eine semipermeable Membran auf den Druckaufnehmer übertragen werden.
Der Druckaufnehmer ist temperaturkompensiert.
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2.1.3 Die Tensiometer-Kerze
Die Tensiometer-Kerze setzt sich aus der Kera-
mik (Diaphragma), dem Adapter-Schraubstück
und einem Dichtring zusammen. Sie stellt den
hydraulischen Kontakt zwischen Boden und
Druckaufnehmer her.
Die Tensiometerkeramik hat zwei Funktionen. Sie muß zum einen wasserdurchlässig sein,
damit die Wasserspannung des Bodens auf das Tensiometerwasser und über dieses auf
den Druckaufnehmer übertragen werden kann und zum anderen gasundurchlässig, damit
sich im Tensiometerschaft eine “Wasserspannung” (ein Unterdruck) aufbauen kann. Sie
wirkt somit als “semipermeable Membran”. Um das zu erreichen, werden für Tensiometer
selektierte Keramiken mit einem homogenen Porengefüge bei definiertem Porendurch-
messer verwendet.
Trocknet der Boden aus, so wird ab ca. 900 hPa das Tensiometerwasser dampfförmig,
expandiert also um ein Vielfaches. Das Wasser “läuft” aus der Kerze aus. Trocknet der
Boden weiter aus, so reißt ab ca. 3000 hPa der Wasserfilm im Porengefüge der Keramik
ab, sodaß Luft eindringen kann. Spätestens dann muß das Tensiometer frisch befüllt
werden.
Das Tensiometerwasser muß entgast und entionisiert sein, damit es bei differierenden
Drücken die Wasserspannung des Bodens möglichst ohne Volumenveränderung (zu-
nächst gelöste Gase werden bei steigender Wasserspannung gasförmig) auf den Druck-
aufnehmer inkompressibel übertragen kann.
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Das obere Ende der Kerze ist durch ein Gewinde über den Adapter mit dem Korpus
verbunden. Beim Zusammenschrauben muß der Überdruck im Tensiometer mit einem
INFIELD Handanzeigegerät, einem Datenlogger oder Voltmeter verfolgt werden.
Der Druck sollte nicht größer als ca. 2000 hPa und darf keinerfalls größer als 3000 hPa
werden, andernfalls kann der Druckaufnehmer zerstört werden.
2.1.4 Der Referenzdruck
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Der Referenzdruck wird über die luftdurchlässige Mem-
bran (im Kabel) auf den Druckaufnehmer übertragen.
Die Membran nimmt kein Wasser auf und läßt Wasser
nicht in das Kabelinnere. Achten Sie bitte darauf, daß
das Kabel an der offenen Seite nicht im Wasser liegt.
Kondenswasserbildung im Kabel wird durch die dampf-
durchlässige Membran kompensiert.

3 Allgemeine Instruktionen
Ihr Tensiometer wird normalerweise einsatzfertig befüllt von UMS geliefert. Sofern Tensio-
meter per Flugzeug über größere Strecken versandt werden, müssen sie befüllt werden.
3.1 Anschließen des Tensiometers
an ein Anzeigegerät oder Datenlogger
Der Druckaufnehmer arbeitet als asymmetrische Wheatstone‘sche Vollbrücke und ist an
vier Leitungen angeschlossen:
Zwei dieser Leitungen dienen der Stromversorgung (Graues Kabel ohne Stecker*: Braune
Litze für den Minus, weiße Litze für den Plus, schwarzes Kabel mit Stecker s. unten).
Die zwei weiteren Leitungen übertragen das Signal (*Gelbe Litze für Tensiometersignal
minus, grüne Litze für Tensiometersignal plus). Verbinden Sie die gelbe Leitung nicht mit
dem Minus-Signal-Eingang Ihres Anzeigegerätes oder Datenloggers, falls es mit der
Versorgung minus verbunden ist. Signal minus und Signal plus dürfen nicht mit der Ver-
sorgung minus (braune Litze) verbunden werden. Die Signale liegen bei einer Versorgungs-
spannung von 10,6 Vdc zwischen 3,2 und 6,8 V max., normalerweise ca. 5 V von der Ver-
sorgungsmasse entfernt.
Da der Druckaufnehmer als asymmetrische Wheatstone‘sche Vollbrücke arbeitet, muß
dieser auf eine bestimmte Weise angeschlossen werden. Lesen Sie dazu bitte die
Bedienungsanleitung Ihres Anzeigegerätes oder Datenloggers.
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3.2 Einsetzen
Der Außendurchmesser des Tensiometers beträgt ca. 25,3 mm; entsprechend groß muß
der Durchmesser des Bohrstockes (UMS-Zubehör) gewählt werden.
- Bohren Sie am Meßort ein Loch der gewünschten Meßtiefe
- Bei sehr skeletthaltigen (steinigen) Böden muß mit dem Bohrer einige Male nach
gebohrt werden. Sollte die Wandung des Bohrloches überhaupt nicht halten, so
können UMS-Hüllrohre verwendet werden.
- Füllen Sie in das Loch eine dünnflüssige Paste aus Quarzschluffmehl und Wasser;
bei tonigem Boden ca. 20 ml plus ca. 100 ml Wasser; bei schluffigem Boden ca. 30
ml; bei sandigem Boden ca. 100 ml und bei skelettreichem Boden je nach Skelett
anteil.
- Ziehen Sie nun das Kunststoffgefäß langsam im Uhrzeigersinn von der Tensio-
meterkerze ab und setzen Sie gleich darauf das Tensiometer ein.
3.3 Ausbauen
Soll das Tensiometer ausgebaut werden, dann nehmen Sie die folgenden Utensilien mit
ins Gelände:
1. Das PE-Kerzenfläschchen mit ca. 10 ml entionisiertem Wasser
2. Einen ca. 5 Liter-Kanister mit Wasser (Leitungswasser)
3. Tesa-Band und wasserfesten Fettstift (oder Folienstift)
4. Einen Stock je Tensiometer mit 25mm Durchmesser und der entsprechenden Schaft-
länge als Länge, wenn Sie das Tensiometer später wieder an der gleichen Stelle
einsetzen wollen. Der Stock sollte an einem Ende gut abgerundet sein (optimal ist
die Kerzenform des Tensiometers).
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Vorgehensweise:
Nehmen Sie das Tensiometer am Schaft und ziehen diesen, möglichst ohne ihn zu
verkanten (ohne seitliche Belastung) aus dem Boden. Führen Sie nach der Entnahme
das bis etwa zur Hälfte mit Wasser gefüllte PE-Fläschchen durch leichtes Drehen im
Uhrzeigersinn wieder über die Kerze.
Drücken Sie nun den Stock mit leichter Drehbewegung in das leere Bohrloch. Kennzeich-
nen Sie den Bohrstock mit der Tensiometernummer. Ist das Tensiometer an einem
Logger angeschlossen, so sollte auch der Meßkanal auf dem Kabelende notiert werden.
Achtung!
Die Tensiometer sollten beim Einsetzen und Herausziehen nicht gedreht werden.
Müssen sie z.B. nach einer Trockenperiode herausgezogen werden (Tensiometer sitzt
fest), wirkt am Schaft entlanglaufendes Wasser Wunder. Kann das Tensiometer noch
nicht herausgezogen werden, drehen Sie es mit wenig Kraftaufwand im Uhrzeigersinn
heraus.
3.4 Befüllung vor Ort
Das Tensiometer muß dann frisch befüllt werden, wenn:
- es über Trockenperioden eingesetzt war
- die Ansprechgeschwindigkeit (z.B. bei einem Regenereignis) zu langsam ist
- Sie beim Herausziehen des Tensiometers oder anhand des Indikators Luftblasen im
Inneren feststellen
- das Tensiometer langsam reagiert, sobald Sie die Tensiometerkerze mit einem
trockenen Tuch umgeben
- das Tensiometer neu kalibriert werden soll.
Für diese Arbeiten bietet UMS eine Service-Kerze an, die befüllt im PE-Fläschchen
geliefert wird. Diese kann dann bei Bedarf gegen eine trockene Kerze ausgetauscht
werden.
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Sie stellen fest, daß das Tensiometer nicht richtig oder zu langsam reagiert (z.B. nach
Einsatz während einer Trockenperiode):
Zur Überprüfung ziehen Sie das Tensiometer aus dem Boden und überprüfen durch
leichtes Klopfen an den Schaft, ob Blasen aufsteigen oder ob Luft im Tensiometer ist.
Sind keine Blasen erkennbar, legen Sie ein trockenes Tuch um die Keramik und beob-
achten das Ansteigen der Wasserspannung.
Steigt der Wasserspannungswert (Tuch muß wieder durch ein trockenes ersetzt werden)
innerhalb von
- ca. 1 Minute auf über 600 hPa ==> optimal befüllt
- ca. 2 Minuten auf 600 hPa ==> in Ordnung
- ca. 5 Minuten auf 600 hPa ==> sollten die dabei aufsteigenden Gasblasen durch Auf-
schrauben der Kerze (sofern zur Hand) in einer Schüssel mit einer Spritze entfernt
werden. Dann kann die Kerze wieder langsam (je Umdrehung mind. 20 sec.) auf-
geschraubt werden. Kontrollieren Sie dabei den Druck mit Ihrem Anzeigegerät. Er sollte
nicht auf über 1000 hPa ansteigen.
Farbbelegung für graues
Kabel ohne Stecker
Abb.1: Aufschrauben des Tensiometers und Wechseln der Keramik
Anmerkung: Bei UMS-Tensiometern ist zum Wechseln der Kerze keine Wanne erforderlich.
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UMS Ergänzungs-Kit
Art. EK-T

3.5 Funktionsüberprüfung
Die Überprüfung besteht aus der
a, Plausibilitätskontrolle anhand der Meßwerte,
b, der Kontrolle des Befüllzustandes
c, der Kontrolle des angezeigten Wertes.
Zu Punkt a,: Überprüfen Sie entweder anhand des aktuellen Wertes oder (besser)
anhand der aufgezeichneten Daten.
Zu Punkt b, wird im Abschnitt 3.4 beschrieben.
Zu Punkt c,: Ziehen Sie dazu das Tensiometer aus dem Boden und stellen es in ein
3.6 Befüllung im Labor
Gefäß, derart, daß die Krümmung der Keramik im Wasser ist. Der an-
gezeigte Meßwert sollte nach ca. einer Minute Null hPa betragen.
Beachten Sie die folgenden Schritte, wenn...
... sich in der Kerze eine Luftblase gebildet hat oder diese komplett trocken ist
... das Tensiometer zu langsam reagiert
... das Tensiometer während einer Trockenperiode im Einsatz war, bei der
Wasserspannungen über 850 hPa erreicht wurden.
Schrauben Sie die Tensiometerkerze vom Korpus gegen den Uhrzeigersinn ab.
Wenn die Keramik ausgetrocknet ist, stellen Sie die Kerze für mind. 2 Stunden (wenn
möglich sogar über Nacht) in ein Gefäß mit entionisiertem Wasser, damit sich die Keramik
wieder mit Wasser aufsättigen kann. Die Keramik muß dabei mind. 1 cm unter Wasser
stehen! Füllen Sie kein Wasser in die Kerze, da sich sonst Lufteinschlüsse in der Keramik
bilden können.
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Füllen Sie den Korpus und den UMS-Befülladapter mit entionisiertem Wasser und
schließen Sie ihn an die Vakuumpumpe an.
Klopfen Sie ab und zu leicht gegen die Kerze, damit Blasen aufsteigen können. Das Ent-
gasen des Korpus und der Kerze dauert ca. 30 bis 60 Minuten.
Wenn die Keramik nicht ausgetrocknet ist (d.h., wenn sich in der Kerze noch Wasser
befindet, welches in Kontakt mit der Keramik ist), kann die Kerze sofort an die Vakuum-
pumpe angeschlossen werden. Wasser, das sich noch im Tensiometer befindet, braucht
nicht entfernt zu werden.
Die Vakuumpumpe sollte mind. 30 mbar gegen Vakuum pumpen, damit eine ordnungsge-
mäße Befüllung gewährleistet ist. Grundsätzlich sollte so lange befüllt werden, bis sich
keine Blasen mehr bilden. Um die Befüllung zu beschleunigen und die Entgasung zu
verbessern, kann das Tensiometer auf bis zu 40 °C erwärmt werden.
Achtung! Um den empfindlichen Druckaufnehmer nicht zu zerstören, sollten Sie niemals
stärker gegen den Korpus klopfen, während Unterdruck anliegt! Lassen Sie niemals
schlagartig Luft in das Unterdrucksystem, da sich dabei eine Stoßwelle bilden kann, die den
Druckaufnehmer ebenfalls zerstört. Erwärmen Sie den Korpus nie über 60 °C.
Ist das Tensiometer entgast, kann es wieder zusammengeschraubt werden.
Schließen Sie den Korpus an ein Infield-Gerät, einen Logger oder ein Voltmeter + Netzteil
(10,6Vdc) an und kontrollieren den Meßwert. Unverschraubt sollte dieser im Bereich ± 30
hPa ≈ ± 3 mVdc liegen.
Ziehen Sie den Korpus und die Kerze vom Adapter und dem Schlauch vorsichtig ab,damit
kein entgastes Wasser verloren geht (die beiden Teile sollten bis zum Rand mit dem
entgasten Wasser befüllt sein).
Setzen Sie mit der Spritze auf den Korpus und die Kerze jeweils einen Tropfen entionisiertes
Wasser, damit sich keine Luftblasen halten können. Halten Sie die Kerze mit der offenen
Seite senkrecht nach oben. Schrauben Sie vorsichtig und langsam unter ständiger
Kontrolle des sich beim Verschrauben aufbauenden Überdruckes im Tensiometer die
Kerze mit dem Korpus im Uhrzeigersinn (Wasserhahn zu) zusammen.
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Der Druck sollte nicht größer als ca. 2000 hPa (entspricht ca. 200 mVdc) und darf
keinesfalls größer als 3000 hPa (300 mVdc) werden.
Drehen Sie die Kerze soweit ein, bis sich Druck aufbaut (der O-Ring dichtet und das Wasser
kann nur noch über die Keramik entweichen) und drehen Sie die Kerze bis zum Anschlag
handfest ein.
Machen Sie nun den Befüllzustandstest, damit sollte eine Wasserspannung von 850 hPa
erreicht werden können. Der Schaft wird dabei vertikal mit der Kerze nach unten gehalten.
Treten jetzt in der Kerze Blasen auf, so können diese durch leichtes Klopfen aufsteigen.
Ist der Befüllzustand immer noch nicht befriedigend, ist es möglich, daß im Druckauf-
nehmer noch eine Blase ist. Entgasen Sie dann nochmal für ca. 10 Minuten Korpus und
Kerze und erwärmen Sie, wenn möglich, den Korpus auf ca. 40 °C.
Drehen Sie nun das mit ca. 10 ml entionisiertem Wasser gefüllte PE-Fläschchen wieder auf
die Kerze.
Ihr Tensiometer ist jetzt einsatzbereit.
Verhindern Sie, daß jede Art von Schmutz in das Korpusgewinde gelangt, da sonst bei
öfterem Verschrauben der Kerze das Feingewinde beschädigt werden kann.
Abb. 2: Befüllung im Labor
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3.7 Kalibrierung
Die Überprüfung der Druckaufnehmerkalibrierung beschränkt sich im allgemeinen auf die
Nullpunktskontrolle, da dieser Wert sehr viel stärker driftet als die Steigung.
Die Stabilität des Nullpunkts über ein Jahr ist typisch 0,5% FS. Soll eine Genauigkeit von
5 hPa erreicht werden, muß die Kalibrierung nach einem Jahr durchgeführt werden. Soll
auch die Steigung kalibriert werden, so benötigen Sie dazu den UMS-Kalibrierkit.
3.7.1 Nullpunktskontrolle
Zur Durchführung der Nullpunktskontrolle gibt es ein einfaches Verfahren, ohne daß man
hierbei das UMS-Kalibrierkit benötigt:
Schrauben Sie die Kerze ab und legen das Tensiometer horizontal.
Jetzt können Sie an Ihrem Anzeigegerät oder Datenlogger den Meßwert ablesen. Dieser
sollte um nicht mehr als ± 5 hPa (= ca. ± 0,5 mV) von dem 0 hPa-Wert auf Ihrem
Kalibrierprotokoll abweichen. Um den Nullpunkt an Ihrem Anzeigegerät zu korrigieren,
lesen Sie ggf. die Anleitung zum entsprechenden Anzeige- oder Erfassungsgerät.
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3.7.2 Kalibrieren der Steigung (Meßbereichsendwert)
Kunden, die das UMS Befüllkit (Art. BK-T6/T4) besitzen, benötigen zusätzlich:
F Präzisions-Manometer, 0 bis -1 bar, Genauigkeitsklasse 0,6
F Labor-Netzteil, konstant 10,6 V
F Präzisions-Voltmeter, Auflösung 0,1 mV (besser 0,01 mV)
F UMS-Befülladapter
Farbbelegung für graues
Kabel ohne Stecker
Abb.3: Aufbau zum Kalibrieren des Tensiometers (Farbbelegung für graues Kabel ohne Stecker)
Befestigen Sie das Präzisions-Manometer vertikal, verbinden Sie es mit einem Silikon-
schlauch und dessen anderes Ende mit dem Kerzen-Schlauch des UMS-Befüllkits.
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Kalibriervorgang:
F Anschließen des Tensiometers (* Tensiometer mit grauem Kabel ohne Stecker):
- braune (weiße*) Litze an Labornetzteil plus (10,6 Vdc)
- blaue (braune*) Litze an Labornetzteil minus (0 Vdc)
- schwarze (gelbe*) Litze an Voltmeter Meß-Com-Buchse
- weiße (grüne*) Litze an Voltmeter Meß-Buchse, nächster Meßbereich > 100 mVdc
F Drehen Sie die Kerze gegen den Uhrzeigersinn vom Korpus
F Stellen Sie die Kerze (Keramik nach unten) in ein Gefäß mit entionisiertem Wasser
F Halten Sie den Korpus waagrecht und notieren Sie den Nullpunkt ohne Kerze (= n)
F Verbinden Sie den Korpus mit dem UMS Befülladapter
F Schließen Sie die Drossel
F Schalten Sie die Vakuumpumpe ein
F Stellen Sie mit der Drossel einen Unterdruck von 800 hPa ein, dabei ist es hilfreich,
leicht gegen das Vakuumeter zu klopfen.
F Stellen Sie 80 mV am Korpuspotentiometer ein (siehe auch Nullpunktkontrolle 3.7.1)
F Nun können Sie das Tensiometer wieder zusammenschrauben (siehe Punkt 3.4),
indem Sie den Korpus mit der Spritze blasenfrei wiederauffüllen
F Machen Sie nun den einfachen Funktionstest (siehe Punkt 3.2).
Sollte das Tensiometer nicht mehr ordnungsgemäß befüllt sein, muß es für
ca. 5 min entgast werden.
Ihr Tensiometer T4 ist jetzt wieder einsatzbereit.
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Die Steigung wird mit folgender Formel berechnet:
Beispiel:
c = gesucht; x = 800 hPa; y = 82 mV; n = - 0.3 mV, c = 82.3 / 800.
c = 0.103 mV/hPa.
c =
y - n
x
c = Steigung (Umrechnungs-Faktor)
x = Atmosph. Unterdruck [hPa]
y = Spannung, gemessen mit einem Voltmeter
n = Nullpunkt ohne Kerze [mV]
Bei horizontaler Verwendung des Tensiometers muß das hydrostatische Potential der
Wassersäule nicht kompensiert werden. Wollen Sie also das Tensiometer vertikal verwen-
den, müssen Sie den Nullpunkt durch die folgende Formel kompensieren:
a = Abstand Kerzenoberflächenmitte zu
Druckaufnehmer = 6 cm [cm]
z = u · c · a c = Steigung [mV/hPa]
u = Druck pro Länge der hängenden Wassersäule
= 0,981 [hPa/cm]
z ≈ 0,6 mV = ^ 6 hPA
Wenn das Tensiometer vertikal eingebaut werden soll, so muß z vom Nullpunkt des
Kalibrierprotokolls abgezogen werden oder Sie stellen den Wert 0 mV am Korpuspotentiometer
ein!
Da in guter Näherung gilt: u ≈ 1 und c ≈ 0,1
kann man näherungsweise schreiben: 1 cm = 0,1 mV
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3.8 Wartung und Lagerung
3.8.1 Reinigen des Tensiometers
Reinigen Sie das Tensiometer mit einem mit Wasser oder etwas Waschbenzin getränkten
Tuch. Verwenden Sie bitte weder Säuren oder Lösungsmittel, da diese die Klebe-
verbindung oder das Material selbst angreifen können.
3.8.2 Lagerung
Sobald ein T4 aus dem Boden gezogen wird, muß über die Kerze das mit 10 ml entionisierte
Wasser gefüllte PE-Fläschchen gesteckt werden.
Bei der Lagerung im unbefüllten Zustand ist darauf zu achten, daß kein Schmutz in den
Korpus und die Gewinde kommt - lagern Sie den T4 am besten zusammengeschraubt.
Im befüllten Zustand ist unbedingt sicherzustellen, daß die Keramik immer feucht gehalten
wird. Stülpen Sie immer die mitgelieferte Schutzkappe über den Schaft und legen Sie bei
längerer Lagerung die T4-Keramik ins Wasser.
Bei Lagerung im befüllten Zustand ist auch zu beachten, daß sich Algen, vorzugsweise im
Lagerwasser, bilden können. Lagern Sie deshalb befüllte Tensiometer möglichst im
Dunkeln.
Tensiometer müssen immer vor Frost geschützt sein!
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3.9 Vermeidung von Schäden
Der Druckaufnehmer besteht aus einem Kunststoffkorpus, in den ein sehr dünnes Sili-
ciumplättchen eingegossen ist, welches aufgrund des piezoresistiven Effekts über eine
Wheatstone’sche Meßbrücke den im T4 entstehenden Druck mißt.
Dieses Plättchen ist sehr empfindlich gegenüber zu hohen Drücken (und vor allem
Druckstößen) und kann durch solche Einwirkungen zerstört werden.
Den Druckaufnehmer zerstörende Überdrücke können vor allem beim Zusammenschrau-
ben des Korpusses mit der Kerze entstehen, deshalb muß dabei der im T4 entstehende
Überdruck immer kontrolliert werden (z.B. mit einem Multimeter, wenn der T4 an eine
Stromversorgung angeschlossen ist, mit dem Logger oder mit dem INFIELD 5).
Beim Befüllen ist darauf zu achten, daß immer etwas Luft im Befülladapter ist, wenn der T4
aufgesteckt wird, und daß überschüssiges Wasser entweichen kann, damit sich kein Druck
aufbaut.
Druckstöße treten auf, wenn (während am T4 Unterdruck anliegt) zu stark gegen das
Tensiometer geklopft wird oder bei kurzfristigen starken Belastungen auf der Kerze im
befüllten Zustand.
Beim Einbau in den Boden ist besonders darauf zu achten, daß der Druck auf den T4 nicht
schlagartig erhöht wird: Drehungen und radiale Bewegungen sollten vermieden werden.
Wenn der Korpus beim Befüllen am Unterdruck angeschlossen ist, darf keine Luft
schlagartig in das Unterdrucksystem gelassen werden, da auch hierbei ein Druckstoß
entsteht. Am besten sollte ein Hahn angeschlossen werden, über den langsam Luft ins
System gelassen werden kann.
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4 Meßprinzip und Grenzen der Tensiometrie
4.1 Theorie des Wassers als Meßgröße
Mit der Wasserspannungsmessung (Saugspannung) als unmittelbarer Meßgröße der
Wasserverfügbarkeit von Böden für Pflanzen wird die Summe der Wasserhaltekräfte im
Boden (außer osmotischem Potential, Differenzdruck- und Gravitationspotential) gemes-
sen.
Je nach Sättigungszustand des Bodens (bzw. Grundwasserspiegel) wird durch die als
idealisiert semipermeable Membran betrachtete Keramik (Al 2 O 3 Sintermaterial) Wasser
vom ansonsten hermetisch dichten Tensiometer entsprechend der im Boden herrschen-
den Wasserspannung angesaugt. Der sich dadurch im Tensiometer einstellende atmo-
sphärische Unterdruck ist - unter Vernachlässigung der oben genannten Potentiale -
abzüglich der vertikalen Tensiometerlänge gleich dem Wasserspannungswert im Boden.
(Die im Tensiometer stehende Wassersäule wirkt sich aufgrund des hängenden Gewichts
als hydrostatisches Potential p auf den Druckaufnehmer aus, weshalb sie nach der
folgenden Gleichung zu addieren wäre:
p = Dichte x g x h (1hPa (Pascal)= 1N/m 2 )
Dies ist bereits bei den Kalibrierwerten im Kalibrierprotokoll berücksichtigt.
Beispiel: Die Höhendifferenz vom Druckaufnehmer h 1 zur Keramikspitze beträgt h 2 =10 cm,
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p = 1000 kg/m 3 x 9.81 m/s 3 x 0.1 m
= 981 kg/ms 2 (1 N= kgm/s 2 )
= 981 N/m 2 (1 hPa (Hektopascal)= 100 N/m 2
p = 9,81 hPa

Meßprinzip und hydrostatischen Zusammenhang zeigt die folgende schematisierte Abbil-
dung:
Wasserspannung
cmWS pF
10
10
10
10
5
5
4,2
3
300
60
10
1
7
5
4,2
3
2,5
1,8
1
0
PWP
Sand Schluff Tonboden
FK
20 40 60
Wassergehalt [Vol%]
nichtpflanzenverfügbares
Wasser
pflanzenverfügbares
Wasser
Abb.4a: Hydrostatischer Zusammenhang (aus Lehrbuch der Bodenkunde, Scheffer/Schachtschabel
1981)
Abb.4b: Meßprinzip
Ψ = Wasserspannung
m = Masse
g = Erdbeschleunigung
h = Höhe über Grundwasser
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4.2 Theorie des Wassers als druckübertragendes Medium
Da entionisiertes und entgastes Wasser mit einem Kompressionsmodul von nahezu eins
als idealisiert inkompressibel betrachtet werden darf, kann es als druckübertragendes
Medium im Bereich p o = 0 hPa bis p 1 = 950 hPa atmosphärischer Unterdruck (atu) im
Temperaturbereich von > 0°C bis < 30°C ohne Volumenänderung agieren (s. Dampfdruck-
kurve von Wasser).
Das heißt, daß das Tensiometer bei mechanischer Dichtheit im genannten Druckbereich
bei Druckänderungen zur Druckübertragung von der Keramikspitze zum Druckumformer
(Sensor) nur äußerst wenig Wasser über die Keramik austauscht (bei Verwendung von
relativ starren Materialen wie Acrylglas und Druckaufnehmer), was, wie im folgenden
erläutert, die Standzeit des Tensiometers bis zur erneuten Befüllung verlängert.
Das Tensiometer wurde so konstruiert, daß nur geringe Mengen Wasser ausgetauscht
werden müssen, wenn sich die Wasserspannung ändert (0 bis 850 hPa).
Dies stellt sicher, daß das Tensiometer für mehrere Trocken/Naß-Zyklen nicht befüllt
werden muß, vorausgesetzt das Tensiometer wurde sachgerecht befüllt.
4.3 Meßbereich und Standzeit
Die Größe des Meßbereiches ist von den folgenden Parametern abhängig:
1. Druckaufnehmer
2. Porengröße der Keramikkerze
3. Zustand des Tensiometerwassers
4. Umgebungsdruck
5. Umgebungstemperatur
Seite 24

4.3.1 Druckaufnehmer
Der Druckaufnehmer ist geeignet, Drücke im Bereich von +3000 hPa bis -3000 hPa
(theor.Wert) zerstörungsfrei aufzunehmen und im Bereich +1000 hPa bis -1000 hPa linear
(Linearitätsfehler < 0.1%) zu messen.
4.3.2 Porengröße der verwendeten Keramik
Um die Wasserspannung im Boden meßbar zu machen wird ein semipermeables Medium
eingesetzt, das Wasser transmittieren läßt, jedoch gasundurchlässig ist. Nur dadurch kann
sich im Tensiometer ein zum Außendruck relativer Unterdruck aufbauen.
Der Lufteintrittspunkt der Keramik (bubble-point), der u.a. den Meßbereich begrenzt, läßt
sich über die folgende Formel der Kapillarspannung errechnen:
40 · σ
K = D
D = Porendurchmesser [in µm, 10-6 m]
σ = Oberflächenspannung [in dynes/cm]
(Wasser: 0°C:75,6; 20°C:72,7; 50°C:67,8)
K = Kapillarspannung [in hPa]
Luft kann eindringen, wenn die Druckdifferenz von Keramikinnenseite zu Keramikaußenseite
größer wird als die Kapillarspannung, da dann der Wasserfilm in den größten Poren (dem
größten Porengang) reißt.
Da der Lufteintrittspunkt von der größten Porenkette abhängig ist, sollte die Keramik
möglichst homogen sein. Damit der Strömungswiderstand für Wasser nicht zu groß wird,
darf der Porendurchmesser nicht zu klein sein. Die verwendete Keramik besitzt eine
Porengröße von 1 µm bei hoher Homogenität der Porenverteilung, kann Gasstaudrücke
von theoretisch 3000 hPa sperren (nur bei mit Wasser gesättigter Keramik) und ist damit
für den Tensiometereinsatz optimal geeignet. Durch diese feine Porosität kann sich die
Kerze im Laufe der Zeit mit Mikroorganismen zusetzen. Die Kerze muß dann mit Wasch-
benzin längere Zeit gespült werden.
Seite 25

4.3.3 Zustand des Tensiometerwassers
Das Tensiometerwasser stellt die eigentliche Begrenzung des Meßbereiches dar, was sich
aus dem abgebildeten 2-Phasendiagramm für Wasser- und Wasserdampf ergibt.
Druck p [hPa]
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
31,2
0
0 10 20 30 40 50 60 70
Abb.5: 2-Phasendiagramm von Wasser/Wasserdampf.
Sind im Tensiometerwasser Gase gelöst, steigt der Dampfpunkt des Gemisches an, wo-
durch der Meßbereich stark reduziert wird.
Aus diesem Grund ist darauf zu achten, entionisiertes Wasser bestmöglich zu entgasen
(z.B. durch Abkochen).
Sind im Tensiometerwasser keine Gase gelöst, kann (die Diffusion von in Wasser gelösten
Gasen durch die Keramik unberücksichtigt) der Meßbereich beliebig oft durchlaufen
werden.
Seite 26
Vakuum
flüssige Phase
dampfförmige Phase
80 90 100
Temperatur t [˚C]

Befinden sich jedoch gelöste Gase im Tensiometerwasser, die weit vor Erreichen des
Vakuums gasförmig werden, so findet ein erneuter Wasseraustausch durch die Keramik
statt, so daß wiederum gelöste Gase des Bodenwassers in das Tensiometerwasser
gelangen können. Aus dem sich daraus ergebenden exponentiellen Zusammenhang folgt,
daß das Tensiometerwasser also gut entgast sein muß, um eine hohe Standzeit (= die Zeit,
bis das Tensiometer frisch befüllt werden muß) zu erreichen.
Sind die Wasserspannungswerte niedrig muß das Tensiometerwasser entsprechend
seltener regeneriert werden. Dies gilt auch für sich wenig verändernde Wasserspan-
nungswerte.
4.3.4 Umgebungsdruck
Der maximale Meßwert ist unmittelbar vom Umgebungsdruck abhängig.
4.3.5 Umgebungstemperatur
Der maximale Meßwert ist durch den temperaturabhängigen Dampfpunkt von Wasser von
der Umgebungstemperatur abhängig (siehe Abb. 5).
Wir wünschen Ihnen bei Ihren Messungen viel Erfolg.
Für evtl. Fragen stehen wir Ihnen gerne zur Verfügung.
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5 Technische Daten
Keramik Länge: 60 mm
Durchmesser: 24 mm
Schaft Länge: frei wählbar (Schaftmodule: 100, 200, 400, 800, 1600 mm)
Durchmesser: 25 mm
Material: Acrylglas
Kabel Länge: frei wählbar (Standard 5 m)
Meßprinzip Messung des Bodenwasserpotentials
über Diaphragma, Wasser und Druckaufnehmer
Meßbereich -1000 ... 0 ... 850 hPa (≈ pF 2,9)
Signal Kontinuierlich, analog, exakte Werte lt. Kalibrierprotokoll
-1000 hPa = ^ -100 mV ± 3 mV
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0hPa = ^ 0 mV ± 3 mV
8500 hPa = ^ Impedanz
85 mV ± 3 mV
≈ 2,5 kΩ
Temperaturdrift Temperaturkompensiert, typ. Drift: 0,5% FS über 25 K
Stabilität Typ. Drift < 0,5% p.a.
Sensor Piezoresistiver Druckumformer,
zerstörungsfreie Drucklast ± 3 000 hPa
Elektronik Asymm. Wheatstone´sche Vollbrücke
Versorgung 10,6 Vdc (5-15 Vdc), stabilisiert
Stromaufnahme ≈ 1,3 mA (bei 10,6 V)
Vorbehaltlich technischer Änderungen
im Sinne einer Produktverbesserung.
© 2001 UMS GmbH, München.

Befüllanleitung für UMS-Tensiometer T4e
mit externer Befüllung
Lesen Sie bitte die Bedienungsanleitung sorgfältig, bevor Sie die Geräte in Betrieb nehmen.
1. Allgemeine Hinweise
1.1. Wie groß ist der Meßbereich ?
Tensiometer haben einen maximalen Meßbereich von -1000 hPa (Stauwasserbereich) bis
ca. +900 hPa. Die obere Grenze ist vom Siedepunkt (oder auch Dampfpunkt) abhängig.
Der Dampfpunkt liegt bei 20°C bei ca. 23 hPa. Bei einem Luftdruck von 1000 hPa ist der
max. Meßbereich 1000 hPa - 23 hPa = 977 hPa.
Dieser Wert ist wird dann erreicht, wenn
a, das Tensiometer mit entgastem, entionisiertem Wasser befüllt ist. So reduziert z.B.
eine Luftblase von 0,5 ml im Tensiometer bei 0 hPa den Meßbereich um ca. 70 hPa auf
900 hPa (siehe Zeichnung 1).
b, das Tensiometer dicht ist, also die Dichtungen und Verbindungen in Ordnung sind.
Zeichnung 1: Befülltes Tensiometer mit kleiner Luftblase (kein IR-Indikator bei T4)
Weitere Details bzw. die Wasserdampfpunktkurve entnehmen Sie bitte dem
theoretischen Teil der Tensiometer Bedienungsanleitung.
I

1.2. Wann soll nachbefüllt werden ?
Wird der Boden trockener, so kann auch durch Nachbefüllen nicht mehr gemessen
werden! Der Boden saugt das Wasser aus dem Tensiometer - die Wasserspannung kann
über die kompressible Luft nicht mehr übertragen werden (Siehe Zeichnung 2).
Zeichnung 2: Tensiometer muß befüllt werden
Messen Sie daher mit den tiefer eingebauten Tensiometern, wann die oberen
"ausgestiegen" sind, also das Wasser verdampft und in den Boden gelaufen ist.
Wird der Boden wieder feuchter und diese unteren Tensiometer messen niedrigere
Werte als den Wert, bei dem die oberen Tensiometer ausgelaufen sind, macht es wieder
Sinn die oberen Tensiometer zu befüllen.
Nachbefüllt soll dann werden, wenn der Indikator Luftblasen detektiert. Dieser
detektiert Luftblasen ab einer Größe von 0,5 ml. Bei Luftblasen mit einer Größe von 0,5
bis 1,5 ml messen Tensiometer noch richtig, jedoch mit einer kleinen Verzögerung in
Abhängigkeit zur Wasserleitfähigkeit des Bodens und der kapillaren Anbindung des
Bodens an die Tensiometerkerze.
II

2. Wie werden die Tensiometer befüllt ?
Die Befüllung efolgt im eingebauten Zustand, sofern die Kerze noch wassergesättigt ist
(freies Wasser im Tensiometer noch vorhanden ist).
Werkzeuge:
a, Befüllspritze mit Hahn
b, entionisiertes, entgastes Wasser
c, Anzeigeinstrument für das Tensiometer
d, Vakuumpumpe oder Handvakuumpumpe mit 10 hPa gegen Vakuum
e, Wasserausgleichsgefäß
Verbindungsschlauch
Druckausgleichshahn
Vakuumpumpe
Vakuumflasche
Entlüftungsröhrchen
(keine Markierung)
Zeichnung 3: Befüllen des Tensiometers
IR-Indikator: Empfänger
III
Befüllröhrchen (schwarze Markierung)
Markierung am Schaft (muß oben liegen)
keramische Kerze
IR-Indikator: Sender
Wasser

Vorgehensweise:
a, Öffnen Sie die Tygonschlauchkupplung am Befüllröhrchen (blaue oder grüne
Markierung) und ziehen den Verbindungsschlauch ab.
b, Verbinden Sie den Schlauch der Befüllspritze mit dem Befüllröhrchen.
c, Drücken Sie mit der Spritze solange Wasser zügig und unter Kontrolle des
entstehenden Überdruckes in das Tensiometer, bis aus dem Verbindungsschlauch
keine Luftblasen mehr austreten
Achtung: Der Überdruck darf 2000 hPa nicht übersteigen !
d, Entfernen Sie die Befüllspritze. Stecken Sie den Verbindungsschlauch wieder auf das
Befüllröhrchen, wobei beim Zusammenfügen sowohl auf dem Schlauchende wie auf
dem Röhrchenende ein Wassertropfen sitzen muß.
Diese Methode der Befüllung reicht aus, um einen Meßbereich von
0 ... 800 hPa abzudecken. Soll bis 850 hPa gemessen werden, muß aus der zentrischen
Korpusbohrung und dem Druckaufnehmer die Restluft entfernt werden. Übergehen Sie
dazu Punkt d, und verfahren wie folgt:
e, Schließen Sie den Hahn der Befüllspritze dicht ab.
f, Stecken Sie den Verbindungsschlauch auf das ins Wasser getauchte Röhrchen des
Wasserausgleichsgefäßes.
g, Verbinden Sie die Vakuumpumpe mit dem in die Luft ragendem Röhrchen des
Wasserausgleichsgefäßes. Der Druckausgleichshahn ist geschlossen.
h, Nun wird die Vakuumpumpe eingeschaltet. Sobald keine Luftblasen mehr im
Wasserausgleichsgefäß aufsteigen, wird die Vakuumpumpe ausgeschaltet.
i, Öffnen Sie nun langsam den Hahn der Befüllspritze und nach ca. 10 Sekunden den
Druckausgleichshahn am Wasserausgleichsgefäß.
j, Um im Entlüftungsöhrchen verbliebene Bläschen zu entfernen drücken Sie unter
Kontrolle des entstehenden Überdruckes 5 bis 10 ml Wasser in das
Befüllröhrchen.
Achtung: Der Überdruck darf 2000 hPa nicht übersteigen !
k, Schließen Sie den Hahn der Befüllspritze und den Druckausgleichshahn.
l, Wiederholen Sie gegebenenfalls den Vorgang h, i, j, k, noch zweimal.
m, Entfernen Sie das Wasserausgleichsgefäß und die Befüllspritze. Stecken Sie den
Verbindungsschlauch wieder auf das Befüllröhrchen, wobei beim Zusammenfügen
sowohl auf dem Schlauchende wie auf dem Röhrchenende ein Wassertropfen sitzen
muß.
Ihr Tensiometer ist nun wieder vollständig einsatzbereit.
IV

3. Wie werden Tensiometer entleert ?
Benötigte Werkzeuge: Befüllspritze, evtl. Vakuumpumpe
Sofern Tensiometer bei Temperaturen unter 0°C eingesetzt werden, müssen sie
entleert werden.
Es ist zu beachten, daß sich die Frostfronten in der schneefreien Zeit bei
Lufttemperaturen unter Null Grad von der Bodenoberfläche in tiefere Bodenhorizonte
verlagern. Sofern die Befülleitungen eingefroren sind kann das Tensiometer nicht mehr
entleert werden. Die Tensiometerkerze hält dem durch das gefrorene Porenwasser
aufgebauten atm. Überdruck stand, nicht jedoch der Druckaufnehmer. Daher muß das
Tensiometerwasser entnommen werden.
Zeichnung 4: Tensiometer in geleertem Zustand
Vorgehensweise:
a, Öffnen Sie die Tygonschlauchkupplung am Befüllröhrchen (blaue oder grüne
Markierung) und ziehen den Verbindungsschlauch ab.
b, Verbinden Sie den Schlauch der leeren Befüllspritze mit dem Befüllröhrchen.
c, Saugen Sie mit der Spritze das Tensiometerwasser vollständig aus dem Befüllröhrchen
ab.
d, Stecken Sie den Verbindungsschlauch mit der Tygonschlauchkupplung wieder auf das
Befüllröhrchen. Minimale Mengen Restwasser verursachen keine Frostschäden (Siehe
Zeichnung 4).
V
UMS GmbH, München, Autor GE, 2002

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