Tako funkcionira mjerenje vlage tla

Voda - posebna tvar

Voda je najzastupljenija i vrlo posebna kemijska tvar na Zemlji. 70% Zemljine površine prekriveno je vodom, a ljudsko tijelo se sastoji od 60% vode. 97% vode nalazi se u oceanima, a samo 0,001% u oblacima, zraku i oborinama. Budući da se atmosferska voda izmjenjuje 37 puta godišnje, prosječno godišnje padne ogromnih 1 m oborina širom svijeta.

Voda je temelj svih oblika života na Zemlji i ljudi se od davnina bave tehnologijama za korištenje vode.

Kada se bavi mjerenjem vlažnosti tla, brzo se postavlja pitanje mjerne veličine. Vlažnost tla može se odrediti i kao udio volumena i kao udio mase vode.

Volumetrijska vlažnost (θᵥ) definirana je kao volumen vode podijeljen s ukupnim volumenom tla.

Primjer:
1 litra vrtne zemlje s 400 ml vode → θᵥ = 0,4 ili 40 %

Gravimetrijska vlažnost (θg) definirana je kao omjer mase vode i ukupne mase.

Primjer:
1 litra vrtne zemlje iz prethodnog primjera suha teži npr. 1.200 g. Ako se doda 400 g vode, ukupna masa je 1.600 g i θg=400/1.600=25%

To znači da jedan litra iste vrtne zemlje s 400 ml vode ima volumetrijsku vlažnost od 40%, ali gravimetrijsku od 25%.

U širokom rasponu vlage volumen tla ostaje uglavnom konstantan jer voda ispunjava pore i praznine. Tek kada nestane vrlo mnogo vode i struktura tla se uruši, volumen opada. Tada postaju vidljive suhe pukotine. Kada i u kojoj mjeri se to događa, uvelike ovisi o tlu. Kod pjeskovitih tla volumen se gotovo ne mijenja ni u potpuno suhom stanju jer su čestice velike. Stoga se volumetrijska i gravimetrijska vlaga također znatno razlikuju.

Nastavak primjera: ako se doda još 100 ml vode, volumetrijska vlažnost raste s 40% na 50%. Gravimetrijska vlažnost sada je 500/1.700=oko 30%, što znači da je porasla samo za 5 postotnih bodova. Numerička razlika između volumetrijskih i gravimetrijskih mjerenja iste uzorke tla može biti značajna.

Sljedeće slike shematski prikazuju kako voda ispunjava praznine u tlu bez značajne promjene ukupnog volumena tla.

1. Gravimetrija (određivanje težine)

Metoda je jednostavna i točna, ali ipak zahtjevna. Za to vam je potrebna samo vaga, toplinski otporna posuda (najmanje 1/2 litre), vrtni alat i strpljenje.

Provedba: Izvagajte posudu, stavite uzorak tla u posudu i izvagajte. Zatim osušite uzorak tla, npr. na suncu (2-3 dana) ili u pećnici (2-3 sata na 110°) ili u mikrovalnoj pećnici. Odredite težinu nakon sušenja.

Mjerenje je zanimljivo za jednokratno određivanje svojstava tla poput poljskog kapaciteta, ali za stalnu praktičnu upotrebu u vrtu je previše zahtjevno i dugotrajno.

2. Otporna mjerenje vlage tla

Otporni senzori vlage tla mjere električni otpor između dvije elektrode i time koliko dobro okolina provodi električnu struju. Problem je u tome što je čista voda vrlo loš vodič. Tek otopljene soli u tlu čine vodu provodljivom. Mjerenje donekle korelira s količinom vode u određenom vrtu, ali je iznimno ovisno o tlu. Mjerenje govori puno više o količini otopljenih minerala i soli u otopini nego o apsolutnom sadržaju vode.

Također prolaze male struje, što povećava potrošnju energije i dugoročno oštećuje elektrode zbog taloga. U manjoj mjeri metali se također ispuštaju u tlo.

U cjelini, otporna mjerenje vlage tla ima mnogo nedostataka i samo je ograničeno preporučljivo.

3. Kapacitivno mjerenje vlage tla

Za razumijevanje kapacitivnih metoda mjerenja potreban je mali izlet u kemiju vode.

Molekule vode su male i sastoje se od jednog atoma kisika i dva atoma vodika. Elektroni molekule snažno su privučeni atomom kisika. Stoga molekula izvana ima negativno nabijen područje oko atoma kisika i pozitivno nabijen područje oko atoma vodika. Voda je stoga klasičan primjer električnog dipola. Dipolni moment vode odgovoran je za mnoga njezina jedinstvena i životno važna svojstva, kao što su:

• Njegova sposobnost da kao otapalo prima druge polarne tvari i soli.
• Formiranje kristalno slične strukture koja dovodi do visoke točke vrenja, površinske napetosti i kapilarnog djelovanja.

Kada se molekule vode dovedu u električno nabijeno okruženje, kao što je prostor između pozitivno i negativno nabijenih ploča (elektroda), one se usmjeravaju suprotno od naboja ploča. To prigušuje naboj i zahtijeva energiju. To je vidljivo na sljedećoj shemi:

Svojstvo primanja naboja ovisi o materijalu i naziva se dielektrična konstanta, a mjeri se dielektričnim brojem. Za vodu je ta vrijednost 80 i znatno je veća nego kod većine drugih tvari. Za usporedbu, dielektrični broj zraka je 1, a suhe zemlje između 3 i 10. Voda dakle pohranjuje naboj u vrlo maloj mjeri, poput baterije. Naravno, voda se ne može koristiti kao baterija, ali se učinci koji proizlaze iz dielektrične konstante mogu mjeriti na brojne načine. Ti učinci uključuju kašnjenje signala, prigušenje amplitude, refleksije i druge. Na tome se temelje kapacitivne metode mjerenja. Za konkretnu tehničku izvedbu postoji mnoštvo mogućnosti koje se dijele u 2 skupine.

3.1 Reflektometrija u vremenskom području

Senzori prve skupine šalju kratki signalni impuls i mjere vrijeme prijenosa signala ili refleksija. Za to su potrebna vrlo precizna mjerenja vremena. Općenito se koristi engleski naziv TDR (Time Domain Reflectometry). TDR senzori su obično veliki, nude dobru točnost mjerenja, zahtijevaju složenu instalaciju, moraju se kalibrirati za tlo i skupi su.

3.2 Reflektometrija u frekvencijskom području

Druga skupina kapacitivnih senzora koristi visokofrekventni signal i mjeri promjene frekvencije pri kontaktu s uzorkom tla. Najčešće korišteni engleski naziv je FDR (Frequency Domain Reflectometry). FDR senzori nude dobru točnost, imaju manje složenu elektroniku i jednostavniji su za rukovanje od TDR senzora, za najbolje rezultate zahtijevaju kalibraciju na tlu i jeftiniji su od TDR senzora.

Volumetrijsko mjerenje: kapacitivni senzori mjere električnu kapacitivnost i permitivnost okolnog tla.
Ona je usko povezana s volumetrijskim sadržajem vode, odnosno omjerom volumena vode i ukupnog volumena. Senzori "vide" cijelo električno polje – dakle zrak, vodu i čvrste tvari – kao smjesu. Stoga su svi rezultati mjerenja također ovisni o tlu. Na primjer, soli, gnojiva i humus povećavaju osnovnu kapacitivnost suhog tla. Teška tla također imaju veću osnovnu kapacitivnost. To znači da bez kalibracije ne može postojati apsolutno točno mjerenje vlage jer utjecaj tla nije zanemariv.

Kalibracija: svi kapacitivni senzori trebali bi se kalibrirati na tlo ako se žele dobiti točne apsolutne volumetrijske vrijednosti vlage. U praksi to obično nije potrebno jer su mjerenja senzora konstantno "pomaknuta za faktor tla". To treba uzeti u obzir samo pri tumačenju rezultata i posebno pri upravljanju navodnjavanjem.

Dubina prodiranja i mjerni opseg kapacitivnih senzora ograničeni su na područje između elektroda. Dakle, ako se žele vršiti mjerenja velikog volumena, senzori brzo postaju veliki i nezgrapni. Prostorna ekspanzija je vrlo mala jer područja nekoliko centimetara udaljena od senzora više ne daju relevantan doprinos.

Kontakt s tlom: za pouzdana mjerenja površina senzora mora biti u kontaktu s tlom.

Utjecaj senzora: ugradnjom senzora mijenja se i protok vode u tlu. Što je senzor veći, to je veći učinak.

Ovisnost o temperaturi: Permitivanost vode je ovisna o temperaturi – npr. pri 20 °C iznosi oko 80, pri 0 °C oko 88, a pri 40 °C oko 72. To znači da toplije tlo izgleda sušije. Ovaj učinak je neovisan o temperaturnim utjecajima na elektroniku i utječe na točnost mjerenja.

MIYO senzori koriste vlastitu FDR tehnologiju za mjerenje vlažnosti tla. Ne generira se unaprijed zadana frekvencija, već se samo pobuđuje rezonantni krug. Tlo je dio rezonantnog kruga i ovisno o kapacitetu okoline postavlja se frekvencija koja se mjeri. Mjerenje traje 30 milisekundi, a što je frekvencija niža, to je više vlage u tlu.

Presudno za preciznost mjerenja je pravilna montaža. Površina senzora na nozi treba imati kontakt sa zemljom, ali bez prevelikog pritiska, jer bi inače mjerenja bila previsoka.

Ovako postupate:

Iskopajte rupu dubine najmanje 13 cm. Po potrebi nije problem senzor zakopati dublje. Gornjih 3 cm svakako trebaju viriti iz zemlje jer se tamo nalazi antena. Uklonite grube nečistoće poput drva ili kamenja i lagano pospite šaku zemlje u iskopanu rupu. Postavite senzor. Površina senzora treba imati kontakt sa zemljom bez prevelikog pritiska. Ponovo napunite rupu i učvrstite tlo. Zalijte rupu kako bi se zemlja dodatno učvrstila. Gotovo. U aplikaciji već vidiš trenutnu vlažnost tla.