قياس المياه في التربة بالكهرباء: ثابت العزل الكهربائي، الماء وتقنية TDR
يكمن أساس اتخاذ قرارات الري الصحيحة في الزراعة في معرفة كمية المياه الموجودة في التربة . ومع ذلك، ليس من الممكن رؤية الماء في التربة مباشرة. وبالمقابل، فإن تفاعل الماء مع المجالات الكهربائية قوي للغاية. وهنا يأتي دور مستشعرات رطوبة التربة الحديثة تماماً عند هذه النقطة.
في هذا المقال؛
- لماذا يعتبر الماء مادة "خاصة"،
- مفهوم ثابت العزل الكهربائي (النفاذية النسبية)،
- كيف أصبحت هذه الخاصية الفيزيائية قابلة للقياس باستخدام تقنية TDR (Time Domain Reflectometry)
وسنتناول كيف تحولت كل هذه الأمور إلى حل مع مستشعر رطوبة التربة ESULAR Smart-soil TDR.
الماء ليس عازلاً كهربائياً (ولكن له ثابت عزل كهربائي)
لنبدأ بخطأ مفاهيمي شائع:
الماء ليس "عازلاً كهربائياً".
ومع ذلك، للماء ثابت عزل كهربائي. على الرغم من أن المصطلح الصحيح تقنياً وحالياً هو "النفاذية النسبية (relative permittivity, εr)"، إلا أننا سنستخدم تعبير "ثابت العزل الكهربائي" في هذا المقال بسبب استخدامه الشائع. ثابت العزل الكهربائي هو رقم عديم الأبعاد يوضح مدى قابلية كل مادة للاستقطاب تحت مجال كهربائي. مرجع المقارنة هو الفراغ (εr = 1).
ما هو ثابت العزل الكهربائي؟
تخيل مكثفاً يتكون من لوحين معدنيين متوازيين. سعة هذا المكثف هي نسبة كمية الشحنة المخزنة على الألواح إلى الجهد المطبق:
السعة = Q / E
تعتمد هذه السعة على المادة الموضوعة بين الألواح:
- الفراغ ← المرجع
- الهواء ← زيادة طفيفة جداً
- PTFE (تيفلون) ← ε ≈ 2,1
- الماء النقي ← ε ≈ 80
ماذا يعني هذا؟
تحت نفس المجال الكهربائي:
- PTFE، يمكنه تخزين طاقة كهربائية أكثر من الفراغ بمرتين،
- أما الماء النقي فيمكنه تخزين طاقة كهربائية أكثر بحوالي 80 مرة.
وبالتالي، يتفاعل الماء بقوة شديدة مع المجالات الكهربائية.
لماذا يمتلك الماء ثابت عزل كهربائي مرتفعاً جداً؟
تكمن الإجابة في بنية جزيء الماء.
جزيء الماء (H₂O):
- الأكسجين (O): δ– (شحنة سالبة جزئية)
- الهيدروجين (H): δ+ (شحنة موجبة جزئية)
كهروسلبية الأكسجين أعلى من الهيدروجين. لهذا السبب يسحب إلكترونات الرابطة نحوه ويصبح الجزيء قطبياً.
وبفضل هذه البنية، الماء:
- جزيء قطبي
- يشكل روابط هيدروجينية
- يستقطب بقوة شديدة تحت المجال الكهربائي
- يمتلك ثابت عزل كهربائي مرتفعاً
- يذيب العديد من المواد الأيونية بسهولة
وهذا هو سبب ذوبان الأيونات بسهولة في الماء: تنجذب الجسيمات المشحونة لبعضها البعض في الماء بقوة أقل بحوالي 1/80 مقارنة بالفراغ.
ثابت العزل الكهربائي ليس ثابتاً: تأثير درجة الحرارة والتردد
تتغير النفاذية النسبية للماء بناءً على كل من درجة الحرارة و التردد.
القيم الستاتيكية (التردد المنخفض):
- 0 °C ← εr ≈ 88
- 20 °C ← εr ≈ 80
- 25 °C ← εr ≈ 78
- 100 °C ← εr ≈ 55–57
الاعتماد على التردد (تقريبي):
- DC – MHz ← القيم الستاتيكية صالحة
- 2,45 GHz (ميكروويف) ← εr ≈ 70–78
- حوالي 10 GHz ← εr ≈ 60–70
- الأشعة تحت الحمراء / الضوء المرئي ← εr ≈ 1,77
لهذا السبب:
- في التطبيقات الكهروستاتيكية ومنخفضة التردد تُستخدم القيم الستاتيكية
- في تطبيقات RF والميكروويف والبصريات يلزم وجود نماذج عازلة خاصة بالتردد
الموصلية وخصائص العزل الكهربائي ليست نفس الشيء
مغالطة شائعة أخرى:
"الماء يوصل الكهرباء."
في الواقع:
- الماء النقي جداً عازل تقريباً
- يمكن أن تصل مقاومته إلى مستوى 18.000.000 Ohm·cm
تعتمد موصلية الماء على الشوائب مثل الأملاح والمعادن وحتى CO₂ المذاب من الهواء.
أما في قياس رطوبة التربة، فإن ما يتم قياسه هو:
- ليس التيار
- بل هو تفاعل المجال الكهربائي مع الوسط
أي أن خصائص العزل الكهربائي هي الأساس، وليس الموصلية.
ما هو TDR (Time Domain Reflectometry)؟
TDR هي طريقة تُستخدم منذ عقود كـ معيار ذهبي في قياس محتوى ماء التربة.
المبدأ الأساسي هو:
- تُرسل نبضات كهرومغناطيسية على طول قضبان معدنية (أدلة موجية)
- تتباطأ النبضات بناءً على الخصائص الكهربائية للوسط
- يتم قياس وقت سفر الإشارات المنعكسة
كلما تقدمت النبضة ببطء، كان الوسط المحيط بها ذا نفاذية أعلى (أي يحتوي على ماء).
العلاقة بين النفاذية ووقت سفر النبضة
نفاذية الوسط المحيط بأدلة الموجات لها تأثير مباشر على وقت سفر النبضة.
نفاذية الماء ≈ 80
معادن التربة ≈ 3–7
الهواء ≈ 1
بسبب هذا الفرق الكبير، يتم اكتشاف حتى التغييرات الصغيرة في كمية الماء في التربة بوضوح في قياسات TDR.
تُعرف نسبة وقت سفر النبضة إلى الوقت الذي كانت ستستغرقه لو كانت أدلة الموجات في الهواء باسم النفاذية الظاهرية (Ka). هناك العديد من النماذج العلمية التي تحسب محتوى الماء من هذه القيمة.
كيف يتم قياس رطوبة التربة باستخدام TDR؟
تقيس طريقة TDR وقت سفر النبضات الكهرومغناطيسية المرسلة إلى التربة. ونظراً لثابت العزل الكهربائي العالي للماء، تتباطأ النبضة كلما زادت كمية الماء في التربة. وباستخدام فرق الوقت هذا، يتم حساب رطوبة التربة بدقة عالية.
تحديات أنظمة TDR الحقيقية
أنظمة TDR الكلاسيكية:
- معقدة ومكلفة
- تتطلب خوارزميات معالجة إشارات متقدمة
- حساسة للضوضاء
- الكشف الدقيق عن نقاط البداية والنهاية أمر بالغ الأهمية
لهذا السبب تم استخدامها لفترة طويلة فقط في الأبحاث والتطبيقات المختبرية.
ESULAR Smart-soil TDR: الحل الذي ينقل العلم إلى الميدان
مستشعر رطوبة التربة ESULAR Smart-soil TDR، تم تطويره للتخلص من هذه التحديات.
- معلمات محسنة بمعايرة المصنع
- تحليل وقت سفر نبضي نظيف ومتسق
- قياس الرطوبة من أعماق متعددة
- تصميم ميكانيكي مبتكر
- بنية تحتية إلكترونية قوية
تم تصميم النظام بالكامل لإنتاج قياس دقيق وقابل للتكرار دون توقع إعدادات معقدة من المستخدم.
الخلاصة: الطريقة العلمية لقياس رطوبة التربة
يتفاعل الماء بقوة مع المجالات الكهربائية بفضل ثابت العزل الكهربائي العالي. تصبح هذه الخاصية قابلة للقياس باستخدام تقنية TDR. أما TDR فتشكل أساس الري الصحيح وزيادة الإنتاجية والزراعة المستدامة. ESULAR Smart-soil TDR، يحول هذه الحقيقة الفيزيائية إلى قياس موثوق في الميدان.
لمزيد من المعلومات
يمكنك زيارة صفحة منتج Smart-soil الخاصة بنا ورؤية كيف تصنع مستشعرات رطوبة التربة من esular فرقاً في الزراعة.
Esularsa yapar.
Yorumlar