Takto funguje měření vlhkosti půdy

Voda – zvláštní látka

Voda je nejběžnější a velmi zvláštní chemická sloučenina na Zemi. 70 % povrchu Země je pokryto vodou, lidské tělo se také skládá ze 60 % z vody. 97 % vody se nachází v oceánech a pouze 0,001 % v mracích, vzduchu a srážkách. Atmosférická voda se však za rok vymění 37krát, což znamená, že průměrně spadne na celém světě obrovský 1 m srážek ročně.

Voda je základem veškerého života na Zemi a lidé se od starověku zabývají technologiemi, jak vodu využívat.

Když se zabýváme měřením vlhkosti půdy, rychle se objeví otázka, jakou veličinu měřit. Vlhkost půdy lze totiž určit jak podle objemového podílu, tak podle hmotnostního podílu vody.

Objemová vlhkost (θᵥ) je definována jako objem vody dělený celkovým objemem půdy.

Příklad:
1 litr zahradní půdy s 400 ml vody → θᵥ = 0,4 nebo 40 %

Gravimetrická vlhkost (θg) je definována jako poměr hmotnosti vody k celkové hmotnosti.

Příklad:
1 litr zahradní půdy z výše uvedeného příkladu váží suchý např. 1.200 g. Když přidáme 400 g vody, celková hmotnost je 1.600 g a θg=400/1.600=25 %

To znamená, že jeden litr téže zahradní půdy s 400 ml vody má objemovou vlhkost 40 %, ale gravimetrickou 25 %.

V širokém rozsahu vlhkosti zůstává objem půdy z velké části konstantní, protože voda vyplňuje póry a mezery. Teprve když zmizí velmi mnoho vody a struktura půdy se zhroutí, objem klesá. Pak se objeví suché trhliny. Kdy a do jaké míry k tomu dojde, závisí silně na typu půdy. U písčitých půd se objem téměř nemění ani v úplně suchém stavu, protože částice jsou tak velké. Proto se objemová a gravimetrická vlhkost mění také velmi odlišně.

Pokračování příkladu: je přidáno dalších 100 ml vody, objemová vlhkost stoupne z 40 % na 50 %. Gravimetrická vlhkost je nyní 500/1.700=cca 30 %, tedy vzrostla jen o 5 procentních bodů. Číselný rozdíl mezi objemovými a gravimetrickými hodnotami stejného vzorku půdy může být tedy značný.

Následující obrázky schematicky ukazují, jak voda vyplňuje volné prostory v zemi, aniž by podstatně měnila celkový objem půdy.

1. Gravimetrie (Stanovení hmotnosti)

Metoda je jednoduchá a přesná, ale přesto náročná. Potřebujete pouze váhu, tepelně odolnou nádobu (alespoň 1/2 litru), zahradní nářadí a trpělivost.

Postup: Zvážit nádobu, naplnit ji vzorkem půdy a zvážit. Poté vzorek půdy vysušit, např. na slunci (2-3 dny) nebo v troubě (2-3 hodiny při 110°) nebo v mikrovlnné troubě. Po vysušení určit hmotnost.

Měření je zajímavé pro jednorázové stanovení vlastností půdy, jako je polní kapacita, pro trvalé praktické použití v zahradě je však příliš náročné a zdlouhavé.

2. Rezistivní měření vlhkosti půdy

Rezistivní senzory vlhkosti půdy měří elektrický odpor mezi dvěma elektrodami a tím, jak dobře okolí vede elektrický proud. Problém je v tom, že čistá voda je velmi špatný vodič. Teprve rozpuštěné soli v půdě činí vodu vodivou. Měření sice do určité míry koreluje s množstvím vody v konkrétní zahradě, ale je extrémně závislé na typu půdy. Měření říká mnohem více o množství rozpuštěných minerálů a solí v roztoku než o absolutním obsahu vody.

Procházejí jím také malé proudy, což zvyšuje spotřebu energie a dlouhodobě poškozuje elektrody usazeninami. V menší míře jsou také do půdy uvolňovány kovy.

Celkově má rezistivní měření vlhkosti půdy mnoho slabin a je doporučováno jen omezeně.

3. Kapacitní měření vlhkosti půdy

Pro pochopení kapacitních měřicích metod je nutný malý výlet do chemie vody.

Molekuly vody jsou malé a skládají se z jednoho atomu kyslíku a dvou atomů vodíku. Elektrony molekuly jsou silně přitahovány atomem kyslíku. Proto má molekula z vnějšího pohledu negativně nabitou oblast kolem atomu kyslíku a pozitivně nabitou oblast kolem atomů vodíku. Voda je tak typickým příkladem elektrického dipólu. Dipólový moment vody je zodpovědný za mnoho jejích jedinečných a životně důležitých vlastností, například:

• Jeho schopnost rozpouštět jiné polární látky a soli jako rozpouštědlo.
• Tvorba krystalově podobné struktury, která vede k jeho vysokému bodu varu, povrchovému napětí a kapilárnímu jevu.

Když jsou molekuly vody umístěny do elektricky nabitého prostředí, například mezi kladně a záporně nabitou deskou (elektrodou), orientují se opačně k náboji desky. To tlumí náboj a vyžaduje energii. To je patrné na následujícím schématu:

Schopnost nabíjení je specifická pro materiál a nazývá se permitivita, která se měří pomocí permitivního čísla. U vody je toto číslo 80 a je výrazně vyšší než u většiny ostatních látek. Pro srovnání je permitivní číslo vzduchu 1 a suché zeminy mezi 3 a 10. Voda tedy uchovává náboj velmi omezeně, podobně jako baterie. Voda samozřejmě nemůže sloužit jako baterie, ale efekty vyplývající z permitivity lze měřit mnoha metodami. Mezi tyto efekty patří zpoždění signálu, útlum amplitudy, odrazy a další. Na těchto principech jsou založeny kapacitní měřicí metody. Pro konkrétní technické provedení existuje mnoho možností, které se dělí do 2 skupin.

3.1 Časová doménová reflektometrie

Senzory první skupiny vysílají krátký signálový impuls a měří doby průchodu signálu nebo odrazů. K tomu jsou potřeba vysoce přesná časová měření. Obecně se používá anglický název TDR (Time Domain Reflectometry). TDR senzory jsou obvykle velké, nabízejí dobrou přesnost měření, jsou náročné na instalaci, musí být kalibrovány na půdu a jsou drahé.

3.2 Frekvenční doménová reflektometrie

Druhá skupina kapacitních senzorů používá vysokofrekvenční signál a měří změny frekvence při kontaktu s půdním vzorkem. Nejčastěji používaný anglický název je FDR (Frequency Domain Reflectometry). FDR senzory nabízejí dobrou přesnost, mají méně složitou elektroniku a jsou jednodušší na obsluhu než TDR, pro nejlepší výsledky vyžadují kalibraci na půdu a jsou levnější než TDR.

Objemové měření: kapacitní senzory měří elektrickou kapacitu a permitivitu okolní půdy.
Ta úzce koreluje s objemovým obsahem vody, tedy poměrem objemu vody k celkovému objemu. Senzory „vidí“ celé elektrické pole – tedy vzduch, vodu a pevné látky – jako směs. Proto jsou všechny naměřené hodnoty závislé na půdě. Například soli, hnojiva a humus zvyšují základní kapacitu suché půdy. Těžké půdy mají také vyšší základní kapacitu. To znamená, že bez kalibrace nelze získat absolutně správné měření vlhkosti, protože vliv půdy není zanedbatelný.

Kalibrace: všechny kapacitní senzory by měly být kalibrovány na půdu, pokud chcete získat správné absolutní hodnoty objemové vlhkosti. V praxi to však většinou není nutné, protože naměřené hodnoty senzoru jsou konstantně „posunuty o faktor půdy“. Je to třeba zohlednit pouze při interpretaci výsledků a zejména při řízení zavlažování.

Hloubka průniku a měřicí rozsah kapacitních senzorů je omezen na oblast mezi elektrodami. To znamená, že pokud chcete provádět měření ve velkém objemu, senzory rychle rostou a stávají se nepohodlnými. Prostorové rozšíření je velmi malé, protože oblasti několik centimetrů od čidla již nepřispívají relevantně.

Kontakt s půdou: pro spolehlivá měření je potřeba, aby povrch senzoru měl kontakt s půdou.

Ovlivnění senzorem: instalací senzoru se také mění tok vody v půdě. Čím větší je senzor, tím větší je tento efekt.

Závislost na teplotě: permitivita vody je závislá na teplotě – např. při 20 °C je přibližně 80, při 0 °C stoupá na cca 88 a při 40 °C klesá na cca 72. To znamená, že teplejší půdy se jeví sušší. Tento efekt je nezávislý na vlivu teploty na elektroniku a ovlivňuje přesnost měření.

Senzory MIYO používají vlastní technologii FDR pro měření vlhkosti půdy. Nevyužívá se pevná frekvence, ale pouze se vybuzení rezonanční obvod. Země je součástí rezonančního obvodu a v závislosti na okolní kapacitě se nastaví frekvence, která se měří. Měření trvá 30 milisekund a čím nižší je frekvence, tím více vlhkosti je v půdě.

Pro přesnost měření je rozhodující správná montáž. Plocha senzoru na spodní straně potřebuje kontakt se zemí, ale bez nadměrného tlaku, protože jinak by byly naměřené hodnoty příliš vysoké.

Postupuj takto:

Vykopej díru hlubokou alespoň 13 cm. V případě potřeby není problém senzor zakopat hlouběji. Horní 3 cm by měly určitě vyčnívat ze země, protože tam se nachází anténa. Odstraň hrubé nečistoty jako dřevo nebo kameny a volně nasyp hrst zeminy do vykopané díry. Vlož senzor. Plocha senzoru by měla mít kontakt se zemí bez nadměrného tlaku. Zasyp díru a zpevni půdu. Zalij díru, aby se zem dále zpevnila. Hotovo. V aplikaci už vidíš aktuální vlhkost půdy.