Έτσι λειτουργεί η μέτρηση υγρασίας εδάφους

Νερό - μια ιδιαίτερη ουσία

Το νερό είναι η πιο συνηθισμένη και μια πολύ ιδιαίτερη χημική ένωση στη Γη. Το 70% της επιφάνειας της Γης καλύπτεται από νερό, ενώ το ανθρώπινο σώμα αποτελείται κατά 60% από νερό. Το 97% του νερού βρίσκεται στους ωκεανούς και μόνο το 0,001% στα σύννεφα, τον αέρα και τις βροχοπτώσεις. Επειδή όμως το ατμοσφαιρικό νερό ανακυκλώνεται 37 φορές το χρόνο, πέφτει κατά μέσο όρο παγκοσμίως τεράστιο 1 μ βροχόπτωση ετησίως.

Το νερό είναι η βάση κάθε ζωής στη Γη και από την αρχαιότητα οι άνθρωποι ασχολούνται με τεχνολογίες για να αξιοποιήσουν το νερό.

Όταν ασχολούμαστε με τη μέτρηση της υγρασίας του εδάφους, προκύπτει γρήγορα το ερώτημα για το μέγεθος μέτρησης. Η υγρασία του εδάφους μπορεί να προσδιοριστεί τόσο με βάση το ποσοστό όγκου όσο και το ποσοστό βάρους του νερού.

Η ογκομετρική υγρασία (θᵥ) ορίζεται ως ο όγκος του νερού διαιρεμένος με τον συνολικό όγκο του εδάφους.

Παράδειγμα:
1 λίτρο χώματος κήπου με 400 ml νερού → θᵥ = 0,4 ή 40 %

Η βαρυμετρική υγρασία (θg) ορίζεται ως η αναλογία της μάζας του νερού προς τη συνολική μάζα.

Παράδειγμα:
1 λίτρο χώματος κήπου από το παραπάνω παράδειγμα ζυγίζει στεγνό π.χ. 1.200 g. Όταν προστεθούν 400 g νερού, το συνολικό βάρος είναι 1.600 g και θg=400/1.600=25%

Δηλαδή, ένα λίτρο του ίδιου χώματος κήπου με 400 ml νερού έχει ογκομετρική υγρασία 40%, αλλά βαρυμετρική 25%.

Σε μια ευρεία περιοχή υγρασίας, ο όγκος του εδάφους παραμένει σε μεγάλο βαθμό σταθερός, επειδή το νερό γεμίζει τους πόρους και τα κενά. Μόνο όταν έχει χαθεί πολύ νερό και η δομή του εδάφους καταρρέει, μειώνεται και ο όγκος. Τότε γίνονται ορατές οι ρωγμές ξηρασίας. Πότε και σε ποιο βαθμό συμβαίνει αυτό εξαρτάται πολύ από το έδαφος. Σε αμμώδη εδάφη, ο όγκος αλλάζει ελάχιστα ακόμη και σε εντελώς ξηρή κατάσταση, επειδή τα σωματίδια είναι τόσο μεγάλα. Επομένως, η ογκομετρική και η βαρυμετρική υγρασία διαφέρουν επίσης σημαντικά.

Συνέχεια παραδείγματος: προστίθενται επιπλέον 100 ml νερού, η ογκομετρική υγρασία αυξάνεται από 40% σε 50%. Η βαρυμετρική υγρασία είναι τώρα 500/1.700=περίπου 30%, δηλαδή αυξήθηκε μόνο κατά 5 ποσοστιαίες μονάδες. Η αριθμητική διαφορά μεταξύ των ογκομετρικών και βαρυμετρικών μετρήσεων του ίδιου δείγματος εδάφους μπορεί επομένως να είναι σημαντική.

Οι ακόλουθες εικόνες δείχνουν σχηματικά πώς το νερό γεμίζει τους ελεύθερους χώρους στο έδαφος χωρίς να αλλάζει ουσιαστικά ο συνολικός όγκος του εδάφους.

1. Βαρυμετρία (Καθορισμός βάρους)

Η μέθοδος είναι απλή και ακριβής, αλλά ταυτόχρονα χρονοβόρα. Απαιτείται μόνο μια ζυγαριά, ένα ανθεκτικό στη θερμότητα δοχείο (τουλάχιστον 1/2 λίτρο), εργαλεία κήπου και υπομονή.

Εκτέλεση: Ζυγίστε το δοχείο, γεμίστε το με δείγμα εδάφους και ζυγίστε ξανά. Στη συνέχεια, στεγνώστε το δείγμα εδάφους, π.χ. στον ήλιο (2-3 ημέρες) ή στο φούρνο (2-3 ώρες στους 110°) ή στο φούρνο μικροκυμάτων. Καθορίστε το βάρος μετά το στέγνωμα.

Η μέτρηση είναι ενδιαφέρουσα για τον καθορισμό ιδιοτήτων του εδάφους όπως η χωρητικότητα πεδίου, αλλά για συνεχή πρακτική χρήση στον κήπο είναι πολύ χρονοβόρα και επίπονη.

2. Αντιστατική μέτρηση υγρασίας εδάφους

Οι αντιστατικοί αισθητήρες υγρασίας εδάφους μετρούν την ηλεκτρική αντίσταση μεταξύ δύο ηλεκτροδίων και έτσι πόσο καλά το περιβάλλον αγωγεί το ηλεκτρικό ρεύμα. Το πρόβλημα είναι ότι το καθαρό νερό είναι πολύ κακός αγωγός. Μόνο τα διαλυμένα άλατα στο έδαφος καθιστούν το νερό αγώγιμο. Η μέτρηση συσχετίζεται κάπως με την ποσότητα νερού σε έναν συγκεκριμένο κήπο, αλλά εξαρτάται έντονα από το έδαφος. Η μέτρηση δείχνει πολύ περισσότερο την ποσότητα διαλυμένων ορυκτών και αλάτων στη λύση παρά την απόλυτη περιεκτικότητα σε νερό.

Επίσης, ρέουν μικρά ρεύματα, που αυξάνουν την κατανάλωση ενέργειας και μακροπρόθεσμα βλάπτουν τα ηλεκτρόδια λόγω αποθέσεων. Σε μικρό βαθμό, επίσης, απελευθερώνονται μέταλλα στο έδαφος.

Συνολικά, η αντιστατική μέτρηση υγρασίας εδάφους έχει πολλές αδυναμίες και συνιστάται μόνο υπό όρους.

3. Χωρητική μέτρηση υγρασίας εδάφους

Για την κατανόηση των μεθόδων χωρητικής μέτρησης απαιτείται μια μικρή εισαγωγή στη χημεία του νερού.

Τα μόρια του νερού είναι μικρά και αποτελούνται από ένα άτομο οξυγόνου και δύο άτομα υδρογόνου. Τα ηλεκτρόνια του μορίου έλκονται έντονα από το άτομο οξυγόνου. Επομένως, το μόριο έχει εξωτερικά μια αρνητικά φορτισμένη περιοχή γύρω από το άτομο οξυγόνου και μια θετικά φορτισμένη περιοχή γύρω από τα άτομα υδρογόνου. Το νερό είναι το κλασικό παράδειγμα ενός ηλεκτρικού διπόλου. Η διπολική ροπή του νερού ευθύνεται για πολλές από τις μοναδικές και ζωτικής σημασίας ιδιότητές του, όπως για παράδειγμα:

• Η ικανότητά του να διαλύει άλλες πολικές ουσίες και άλατα ως διαλύτης.
• Ο σχηματισμός μιας κρυσταλλοειδούς δομής, που οδηγεί στο υψηλό σημείο βρασμού, την επιφανειακή τάση και το φαινόμενο της τριχοειδούς δράσης.

Όταν τα μόρια του νερού τοποθετούνται σε ένα ηλεκτρικά φορτισμένο περιβάλλον, όπως μεταξύ μιας θετικά και μιας αρνητικά φορτισμένης πλάκας (ηλεκτρόδια), ευθυγραμμίζονται αντίθετα προς το φορτίο της πλάκας. Αυτό μειώνει το φορτίο και απαιτεί ενέργεια. Αυτό φαίνεται στο παρακάτω διάγραμμα:

Η ιδιότητα αποθήκευσης φορτίου είναι ειδική για το υλικό και ονομάζεται διηλεκτρική σταθερά και μετριέται με τον αριθμό διηλεκτρικής σταθεράς. Αυτή είναι 80 για το νερό και είναι σημαντικά υψηλότερη από ό,τι στα περισσότερα άλλα υλικά. Για σύγκριση, ο αριθμός διηλεκτρικής σταθεράς του αέρα είναι 1 και της ξηρής γης μεταξύ 3 και 10. Το νερό αποθηκεύει, λοιπόν, φορτίο σε πολύ μικρό βαθμό όπως μια μπαταρία. Φυσικά, το νερό δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μπαταρία, αλλά τα αποτελέσματα που προκύπτουν από τη διηλεκτρική σταθερά μπορούν να μετρηθούν με πολλές μεθόδους. Τα αποτελέσματα περιλαμβάνουν καθυστέρηση σήματος, εξασθένηση πλάτους, ανακλάσεις και άλλα. Βασίζονται στις χωρητικές μεθόδους μέτρησης. Για την συγκεκριμένη τεχνική διαμόρφωση υπάρχουν πολλές δυνατότητες, οι οποίες χωρίζονται σε 2 ομάδες.

3.1 Αντανάκλαση στο πεδίο χρόνου

Οι αισθητήρες της πρώτης ομάδας εκπέμπουν έναν σύντομο παλμό σήματος και μετρούν τους χρόνους διέλευσης του σήματος ή των ανακλάσεων. Για αυτό απαιτούνται εξαιρετικά ακριβείς μετρήσεις χρόνου. Γενικά χρησιμοποιείται ο αγγλικός όρος TDR (Time Domain Reflectometry). Οι αισθητήρες TDR είναι συνήθως μεγάλοι, προσφέρουν καλή ακρίβεια μέτρησης, είναι πολύπλοκοι στην εγκατάσταση, πρέπει να βαθμονομούνται για το έδαφος και είναι ακριβοί.

3.2 Αντανάκλαση στο πεδίο συχνότητας

Η δεύτερη ομάδα χωρητικών αισθητήρων χρησιμοποιεί ένα υψηλής συχνότητας σήμα και μετρά τις αλλαγές στη συχνότητα κατά την επαφή με το δείγμα εδάφους. Ο πιο συχνά χρησιμοποιούμενος αγγλικός όρος είναι FDR (Frequency Domain Reflectometry). Οι αισθητήρες FDR προσφέρουν καλή ακρίβεια, έχουν λιγότερο πολύπλοκη ηλεκτρονική και είναι πιο εύκολοι στη χρήση από τους TDR, απαιτούν βαθμονόμηση στο έδαφος για τα καλύτερα αποτελέσματα και είναι πιο οικονομικοί από τους TDR.

Ογκομετρική μέτρηση: οι χωρητικοί αισθητήρες μετρούν τη ηλεκτρική χωρητικότητα και τη διηλεκτρική σταθερά του περιβάλλοντος εδάφους.
Αυτή συσχετίζεται στενά με την ογκομετρική περιεκτικότητα σε νερό, δηλαδή τη σχέση όγκου νερού προς συνολικό όγκο. Οι αισθητήρες "βλέπουν" ολόκληρο το ηλεκτρικό πεδίο – δηλαδή αέρα, νερό και στερεά – ως μείγμα. Επομένως, όλα τα αποτελέσματα μέτρησης εξαρτώνται από το έδαφος. Για παράδειγμα, τα άλατα, τα λιπάσματα και το χούμος αυξάνουν τη βασική χωρητικότητα του ξηρού εδάφους. Τα βαριά εδάφη έχουν επίσης υψηλότερη βασική χωρητικότητα. Αυτό σημαίνει ότι χωρίς βαθμονόμηση δεν μπορεί να υπάρξει απόλυτα σωστή μέτρηση υγρασίας, επειδή η επίδραση του εδάφους δεν είναι αμελητέα.

Βαθμονόμηση: όλοι οι χωρητικοί αισθητήρες πρέπει να βαθμονομούνται στο έδαφος, αν θέλουμε να λάβουμε σωστές απόλυτες ογκομετρικές τιμές υγρασίας. Στην πράξη όμως αυτό συνήθως δεν είναι απαραίτητο, επειδή οι μετρήσεις ενός αισθητήρα μετατοπίζονται σταθερά "γύρω από τον παράγοντα εδάφους". Πρέπει να λαμβάνεται υπόψη μόνο κατά την ερμηνεία των αποτελεσμάτων και ειδικά στον έλεγχο άρδευσης.

Βάθος διείσδυσης και εύρος μέτρησης των χωρητικών αισθητήρων περιορίζεται στην περιοχή μεταξύ των ηλεκτροδίων. Δηλαδή, αν θέλουμε να κάνουμε μετρήσεις μεγάλου όγκου, οι αισθητήρες γίνονται γρήγορα μεγάλοι και δύσχρηστοι. Η χωρική έκταση είναι πολύ μικρή, καθώς περιοχές λίγων εκατοστών μακριά από τον ανιχνευτή δεν συνεισφέρουν σημαντικά.

Επαφή με το έδαφος: για αξιόπιστες μετρήσεις η επιφάνεια του αισθητήρα πρέπει να έχει επαφή με το έδαφος.

Επίδραση από τον αισθητήρα: η εγκατάσταση του αισθητήρα αλλάζει επίσης τη ροή νερού στο έδαφος. Όσο μεγαλύτερος ο αισθητήρας, τόσο μεγαλύτερη η επίδραση.

Εξάρτηση από τη θερμοκρασία: η διηλεκτρική σταθερά του νερού είναι εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία – π.χ. είναι περίπου 80 στους 20 °C, αυξάνεται στους περίπου 88 στους 0 °C και μειώνεται στους περίπου 72 στους 40 °C. Αυτό σημαίνει ότι τα θερμότερα εδάφη φαίνονται πιο ξηρά. Αυτή η επίδραση είναι ανεξάρτητη από τις επιδράσεις της θερμοκρασίας στην ηλεκτρονική και επηρεάζει την ακρίβεια της μέτρησης.

Οι αισθητήρες MIYO χρησιμοποιούν μια αυτοαναπτυγμένη τεχνολογία FDR για τη μέτρηση της υγρασίας του εδάφους. Δεν παράγεται προκαθορισμένη συχνότητα, αλλά διεγείρεται μόνο ένας ταλαντωτής. Το χώμα αποτελεί μέρος του ταλαντωτή και ανάλογα με τη χωρητικότητα του περιβάλλοντος, ρυθμίζεται μια συχνότητα που μετριέται. Μια μέτρηση διαρκεί 30 χιλιοστά του δευτερολέπτου και όσο χαμηλότερη είναι η συχνότητα, τόσο περισσότερη υγρασία υπάρχει στο χώμα.

Καθοριστικό για την ακρίβεια της μέτρησης είναι η σωστή τοποθέτηση. Η επιφάνεια του αισθητήρα στο πόδι χρειάζεται επαφή με το χώμα, αλλά όχι με υπερβολική πίεση, γιατί αλλιώς οι μετρήσεις θα είναι πολύ υψηλές.

Έτσι προχωράς:

Σκάψε μια τρύπα με βάθος τουλάχιστον 13 εκ. Αν χρειαστεί, δεν υπάρχει πρόβλημα να θάψεις τον αισθητήρα πιο βαθιά. Τα πάνω 3 εκ πρέπει οπωσδήποτε να εξέχουν από το χώμα, καθώς εκεί βρίσκεται η κεραία. Αφαίρεσε χοντρές ακαθαρσίες όπως ξύλα ή πέτρες και ρίξε χαλαρά μια χούφτα χώμα στην τρύπα που έσκαψες. Τοποθέτησε τον αισθητήρα. Η επιφάνεια του αισθητήρα πρέπει να έχει επαφή με το χώμα χωρίς υπερβολική πίεση. Γέμισε ξανά την τρύπα και σφίξε το χώμα. Πότισε την τρύπα ώστε το χώμα να σταθεροποιηθεί περισσότερο. Έτοιμο. Στην εφαρμογή βλέπεις ήδη την τρέχουσα υγρασία του εδάφους.