Как выбрать лучший датчик содержания воды в почве для вашего применения?
Выбор датчика содержания воды в почве является критическим шагом для многих областей применения, таких как сельское хозяйство, ландшафтный менеджмент, автоматизация полива, исследования или экологический мониторинг. Однако, поскольку на рынке представлено множество типов датчиков, выбор правильного устройства иногда может показаться сложным.
В этой статье мы подробно и на научной основе рассмотрим, что на самом деле измеряет датчик, технические принципы, которые делают хороший датчик качественным, и как следует интерпретировать технические характеристики производителя.
Цель состоит в том, чтобы сделать процесс выбора датчика осознанным и надежным.
Что на самом деле измеряют датчики содержания воды в почве?
Многие пользователи думают, что датчики содержания воды в почве измеряют воду в почве напрямую. Однако ни один из коммерческих датчиков не «отделяет физически» и не измеряет воду.
Вместо этого датчики измеряют другие физические свойства почвы, которые изменяются в зависимости от наличия воды. К основным таким свойствам относятся:
- Диэлектрическая проницаемость
- Теплопроводность
- Плотность потока нейтронов
Эта статья фокусируется на измерении диэлектрической проницаемости — наиболее широко используемом методе в мире.
Что такое диэлектрическая проницаемость?
Диэлектрическая проницаемость (или «диэлектрическая постоянная») — это способность вещества накапливать энергию под воздействием электрического поля.
В составе почвы присутствуют:
- минеральные частицы
- органическое вещество
- воздух
- вода
и каждый из этих компонентов ведет себя по-разному в электрическом поле.
Вода накапливает примерно в 10 раз больше энергии под воздействием электрического поля по сравнению с минеральными и органическими веществами.
Следовательно, чем больше воды в зоне измерения, тем выше диэлектрическая постоянная.
Почему вода накапливает так много энергии?
Потому что вода — это полярная молекула. Что это означает?
Молекула воды (H₂O) из-за угла связи между атомами водорода и кислорода, а также распределения электронов, имеет центры положительного и отрицательного зарядов.
Поэтому при приложении электрического поля:
- молекулы воды пытаются выстроиться в ряд
- они тратят энергию на изменение направления
- эта энергия становится доступной для электрического накопления
Именно благодаря этому поведению датчики могут измерять воду.
Как работают датчики диэлектрической проницаемости?
Датчик посылает электрическое поле в почву и измеряет электрический отклик почвы. При изменении диэлектрической постоянной меняется и электрический отклик. Затем датчик выполняет следующее преобразование:
Электрический сигнал → Диэлектрическая постоянная → Объемное содержание воды
В этом процессе используются разные технологии:
Основные технологии диэлектрических датчиков
TDR (Time Domain Reflectometry — рефлектометрия с временной областью)
- Посылается электромагнитный сигнал
- Измеряется время отражения
- Обеспечивает высокую точность
- Широко применяется в исследованиях
FDR (Frequency Domain Reflectometry — частотная рефлектометрия)
- Сигналы посылаются на разных частотах
- Обладает высокой чувствительностью
- Низкое энергопотребление
Емкостные датчики
- Измеряется изменение емкости между двумя электродами
- Экономичны
- Широко распространены в сельскохозяйственных целях
Коаксиальные методы зондирования
- Используются в промышленных конструкциях
- Устойчивы к помехам
Каждая технология имеет свои преимущества, поэтому выбор должен основываться на конкретном применении.
Почему важны температура, засоленность и структура почвы?
Диэлектрическая проницаемость зависит не только от воды.
На измерение могут влиять следующие факторы:
- изменение температуры
- изменение проводимости (особенно если EC высокий)
- содержание глины
- количество органического вещества
По этой причине значения точности, указанные производителями, получены в лабораторных условиях. В реальных полевых условиях точность обычно ниже. Это обязательно следует учитывать при выборе датчика.
Каким должен быть хороший датчик содержания воды в почве?
Критически важны следующие характеристики:
Точность
- Особенно важна для анализа полевой влагоемкости и точки увядания.
Разрешение
- Минимальное изменение, которое может зафиксировать датчик.
Диапазон
- Способность измерения в диапазоне от сухой до насыщенной почвы.
Долговечность
- Должен быть устойчив к УФ-излучению, влаге, химическому и механическому воздействию.
Калибровка
- Некоторые датчики требуют специальной калибровки под тип почвы.
Цена
- Необходимо искать баланс цена/качество в зависимости от целей применения.
Как интерпретировать технические характеристики производителя?
На точность датчика влияют следующие факторы:
- точность электрических измерений
- температурная компенсация
- функции преобразования
- адаптация к типу почвы
- толерантность к засоленности
Например:
Заявление «точность измерения объемного содержания воды ±1%» в реальных полевых условиях обычно может снижаться до уровня ±3–5%.
Кроме того, большинство датчиков выполняют менее точные измерения при низких уровнях воды.
Что такое разрешение?
Например, если датчик:
имеет разрешение 0.1%, он может зафиксировать изменение содержания воды в почве с 20% до 20.1%. Чем выше разрешение, тем точнее будут данные.
Рабочий диапазон
Некоторые производители указывают диапазон 0% – 100%. Это теоретический показатель. Другие говорят: 0 – 0.5 м³/м³ (что эквивалентно 0–50% воды). В зависимости от типа почвы:
- песчаная почва: 20%–30%
- глинистая почва: 40%–60%
- органическая почва: может достигать 60%–70% содержания воды.
Диапазон датчика обязательно должен соответствовать типу почвы.
Резюме
Идеального датчика не существует. Существует датчик, наиболее подходящий для вашего применения. Чтобы выбрать наиболее точный датчик, необходимо знать:
- технологию измерения
- логику диэлектрика
- влияние окружающей среды
- значения точности
- разрешение
- калибровку.
Понимание этой информации облегчает сравнение датчиков и делает ваши инвестиции более надежными.
Поливайте почву на основе измерений, а не предположений
Каждый тип почвы удерживает воду по-разному. Чтобы принимать правильные решения о поливе, необходимо измерять в режиме реального времени значения полевой влагоемкости и точки увядания.
Датчики влажности почвы Esular постоянно отслеживают значения объемной влажности вашей почвы, предоставляя вам возможность производить полив в нужное время и в нужном количестве.
Yorumlar