Измерение воды в почве с помощью электричества: диэлектрическая проницаемость, вода и технология TDR
В основе принятия правильных решений по орошению в сельском хозяйстве лежит знание того, сколько воды находится в почве. Однако увидеть воду в почве напрямую невозможно. С другой стороны, взаимодействие воды с электрическими полями чрезвычайно сильно. Именно здесь в игру вступают современные датчики влажности почвы.
В этой статье мы рассмотрим:
- почему вода является «особенным» веществом,
- понятие диэлектрической проницаемости (относительной диэлектрической проницаемости),
- как это физическое свойство стало измеряемым с помощью технологии TDR (Time Domain Reflectometry)
и как всё это превращается в решение с помощью Датчика влажности почвы ESULAR Smart-soil TDR.
Вода не является диэлектриком (но имеет диэлектрическую проницаемость)
Начнем с распространенной терминологической ошибки:
Вода не является «диэлектриком».
Однако вода имеет диэлектрическую проницаемость. Хотя современным и технически правильным термином является «относительная диэлектрическая проницаемость (relative permittivity, εr)», в этой статье мы будем использовать выражение «диэлектрическая проницаемость» из-за его широкого распространения. Диэлектрическая проницаемость — это безразмерное число, которое показывает, насколько сильно вещество может поляризоваться под воздействием электрического поля. Эталоном для сравнения является вакуум (εr = 1).
Что такое диэлектрическая проницаемость?
Представьте себе конденсатор, состоящий из двух параллельных металлических пластин. Емкость этого конденсатора — это отношение количества заряда, накопленного на пластинах, к приложенному напряжению:
Емкость = Q / E
Эта емкость зависит от материала, помещенного между пластинами:
- Вакуум → Эталон
- Воздух → Очень небольшое увеличение
- PTFE (Тефлон) → ε ≈ 2,1
- Чистая вода → ε ≈ 80
Что это означает?
При одном и том же электрическом поле:
- PTFE может накапливать более чем в 2 раза больше электрической энергии, чем вакуум,
- а чистая вода — примерно в 80 раз больше.
Следовательно, вода чрезвычайно сильно взаимодействует с электрическими полями.
Почему вода имеет такую высокую диэлектрическую проницаемость?
Ответ кроется в структуре молекулы воды.
Молекула воды (H₂O):
- Кислород (O): δ– (частичный отрицательный заряд)
- Водород (H): δ+ (частичный положительный заряд)
Электроотрицательность кислорода выше, чем у водорода. По этой причине он притягивает к себе электроны связи, и молекула становится полярной.
Благодаря этой структуре вода:
- Является полярной молекулой
- Образует водородные связи
- Очень сильно поляризуется под воздействием электрического поля
- Обладает высокой диэлектрической проницаемостью
- Легко растворяет многие ионные вещества
В этом также причина того, почему ионы легко растворяются в воде: заряженные частицы в воде притягиваются друг к другу примерно в 80 раз слабее по сравнению с вакуумом.
Диэлектрическая проницаемость не является постоянной: влияние температуры и частоты
Относительная проницаемость воды изменяется в зависимости как от температуры, так и от частоты.
Статические (низкочастотные) значения:
- 0 °C → εr ≈ 88
- 20 °C → εr ≈ 80
- 25 °C → εr ≈ 78
- 100 °C → εr ≈ 55–57
Частотная зависимость (приблизительно):
- DC – МГц → Применяются статические значения
- 2,45 ГГц (микроволны) → εr ≈ 70–78
- Около 10 ГГц → εr ≈ 60–70
- Инфракрасный / видимый свет → εr ≈ 1,77
По этой причине:
- В электростатических и низкочастотных приложениях используются статические значения
- В приложениях ВЧ, микроволновых и оптических требуются частотно-зависимые диэлектрические модели
Электропроводность и диэлектрические свойства — это не одно и то же
Еще одно распространенное заблуждение:
«Вода проводит электричество».
На самом деле:
- Очень чистая вода является почти изолятором
- Ее сопротивление может достигать уровня ≈ 18 000 000 Ом·см
Проводимость воды зависит от примесей, таких как соли, минералы и даже растворенный из воздуха CO₂ .
При измерении влажности почвы измеряется:
- не ток,
- а взаимодействие электрического поля с окружающей средой.
То есть важна не проводимость, а диэлектрические свойства.
Что такое TDR (Time Domain Reflectometry)?
TDR на протяжении десятилетий используется как золотой стандарт измерения влагосодержания почвы.
Основной принцип таков:
- Электромагнитные импульсы посылаются вдоль металлических стержней (волноводов)
- Импульсы замедляются в зависимости от электрических свойств среды
- Измеряется время прохождения отраженных сигналов
Чем медленнее продвигается импульс, тем выше проницаемость (т.е. содержание воды) окружающей среды.
Связь между проницаемостью и временем прохождения импульса
Проницаемость среды, окружающей волноводы, оказывает прямое влияние на время прохождения импульса.
Проницаемость воды ≈ 80
Минералы почвы ≈ 3–7
Воздух ≈ 1
Благодаря этой большой разнице даже небольшие изменения количества воды в почве четко фиксируются в измерениях TDR.
Отношение времени прохождения импульса к времени, которое потребовалось бы импульсу, если бы волноводы находились в воздухе, выражается как кажущаяся диэлектрическая проницаемость (Ka). Существует множество научных моделей, которые рассчитывают содержание воды на основе этого значения.
Как измеряется влажность почвы с помощью TDR?
Метод TDR измеряет время прохождения электромагнитных импульсов, посылаемых в почву. Из-за высокой диэлектрической проницаемости воды импульс замедляется по мере увеличения количества воды в почве. Используя эту разницу во времени, влажность почвы рассчитывается с высокой точностью.
Трудности реальных систем TDR
Классические системы TDR:
- Являются сложными и дорогими
- Требуют продвинутых алгоритмов обработки сигналов
- Чувствительны к шумам
- Критически важно точное определение начальных и конечных точек
По этой причине в течение длительного времени они использовались только в научных исследованиях и лабораторных приложениях.
ESULAR Smart-soil TDR: Решение, переносящее науку в поле
Датчик влажности почвы ESULAR Smart-soil TDR был разработан для устранения этих трудностей.
- Параметры, оптимизированные заводской калибровкой
- Чистый и последовательный анализ времени прохождения импульса
- Измерение влажности на нескольких глубинах
- Инновационный механический дизайн
- Мощная электронная инфраструктура
Вся система разработана для получения точных и воспроизводимых измерений без необходимости выполнения пользователем сложных настроек.
Заключение: Научный способ измерения влажности почвы
Вода благодаря своей высокой диэлектрической проницаемости сильно взаимодействует с электрическими полями. Это свойство становится измеримым с помощью технологии TDR. TDR же составляет основу правильного орошения, повышения урожайности и устойчивого сельского хозяйства. ESULAR Smart-soil TDR превращает этот физический факт в надежное измерение в полевых условиях.
Для получения дополнительной информации
Вы можете посетить страницу нашего продукта Smart-soil и увидеть, как датчики влажности почвы Esular меняют ситуацию в сельском хозяйстве.
Esular делает.
Yorumlar