Így működik a talajnedvesség-mérés

Víz – egy különleges anyag

A víz a leggyakoribb és egy nagyon különleges kémiai vegyület a Földön. A földfelszín 70%-át víz borítja, az emberi test pedig 60%-ban vízből áll. A víz 97%-a az óceánokban található, és csak 0,001%-a van a felhőkben, a levegőben és a csapadékban. Mivel a légköri víz évente 37-szer megújul, évente világszinten átlagosan hatalmas, 1 méter csapadék hullik.

A víz az élet alapja a Földön, és az ókortól fogva az emberek olyan technológiákkal foglalkoznak, amelyekkel a vizet hasznosítani lehet.

Ha a talajnedvesség mérésével foglalkozunk, gyorsan felmerül a mérési mennyiség kérdése. A talajnedvesség ugyanis meghatározható mind a víz térfogati aránya, mind a víz tömegaránya alapján.

A térfogati nedvességtartalom (θᵥ) a víztérfogat és a teljes talajtérfogat hányadosaként van definiálva.

Példa:
1 liter kerti talaj 400 ml vízzel → θᵥ = 0,4 vagy 40 %

A gravitációs nedvességtartalom (θg) a víztömeg és a teljes tömeg arányaként van definiálva.

Példa:
Az előző példában szereplő 1 liter kerti talaj szárazon például 1.200 g. Ha 400 g víz kerül hozzá, a teljes tömeg 1.600 g lesz, és θg=400/1.600=25%.

Tehát ugyanannak az egy liter kerti talajnak, amely 400 ml vizet tartalmaz, térfogati nedvességtartalma 40%, de gravitációs nedvességtartalma 25%.

A talaj térfogata nagyrészt állandó marad egy széles nedvességtartományban, mert a víz kitölti a pórusokat és a hézagokat. Csak akkor, amikor nagyon sok víz eltűnik és a talajszerkezet összeomlik, csökken a térfogat is. Ekkor száraz repedések válnak láthatóvá. Az, hogy mikor és milyen mértékben jelentkezik ez, erősen függ a talajtól. Homokos talajoknál a térfogat szinte alig változik teljesen száraz állapotban is, mert a részecskék olyan nagyok. Ezért a térfogati és a tömegszázalékos nedvesség is jelentősen eltérően változik.

Példa folytatása: ha további 100 ml vizet adunk hozzá, a térfogati nedvességtartalom 40%-ról 50%-ra nő. A gravitációs nedvességtartalom most 500/1.700=kb. 30%, tehát csak 5%-ponttal nőtt. A térfogati és a gravitációs mérési értékek számszerű különbsége ugyanazon talajminta esetén jelentős lehet.

A következő képek vázlatosan bemutatják, hogyan tölti meg a víz a talajban lévő üres tereket anélkül, hogy lényegesen megváltoztatná a talaj teljes térfogatát.

1. Gravimetria (tömegmeghatározás)

A módszer egyszerű és pontos, de mégis időigényes. Ehhez csak egy mérlegre, egy hőálló edényre (legalább 1/2 liter), kerti szerszámokra és türelemre van szükség.

Végrehajtás: Az edényt megmérni, a talajmintát az edénybe tölteni és megmérni. Ezután a talajmintát megszárítani, pl. a napon (2-3 nap) vagy a sütőben (2-3 óra 110°-on) vagy a mikrohullámú sütőben. A szárítás utáni súlyt meghatározni.

A mérés érdekes, hogy egyszeri alkalommal meghatározza a talaj tulajdonságait, mint például a mezőkapacitást, de a kertben tartós gyakorlati használatra túl időigényes és hosszadalmas.

2. Ellenállásos talajnedvesség-mérés

Ellenállásos talajnedvesség-érzékelők mérik az elektromos ellenállást két elektróda között, és ezáltal azt, hogy a környezet mennyire vezeti az elektromos áramot. A probléma az, hogy a tiszta víz nagyon rossz vezető. Csak a talaj oldott sói teszik a vizet vezetővé. A mérés bár valamennyire korrelál a kert egy adott vízmennyiségével, rendkívül talajfüggő. A mérés sokkal inkább az oldott ásványi anyagok és sók mennyiségéről ad információt, mint a víz abszolút tartalmáról.

Ehhez kis áramok is folynak, ami növeli az energiafogyasztást, és hosszú távon az elektródákat lerakódásokkal károsítja. Kisebb mértékben fémek is kerülnek a talajba.

Összességében az ellenállásos talajnedvesség-mérés sok gyengeséggel rendelkezik, és csak korlátozottan ajánlott.

3. Kapacitív talajnedvesség-mérés

A kapacitív mérési módszerek megértéséhez szükséges egy rövid kitérő a víz kémiájába.

A vízmolekulák kicsik, és egy oxigénatomból és két hidrogénatomból állnak. A molekula elektronjait erősen vonzza az oxigénatom. Ezért a molekula külső szemlélő számára negatív töltésű területet mutat az oxigénatom körül, és pozitív töltésű területet a hidrogénatomok körül. A víz így az elektromos dipólus tipikus példája. A víz dipólusmomentuma felelős sok egyedi és életfontosságú tulajdonságáért, például:

• Képessége, hogy oldószerként más poláris anyagokat és sókat oldjon.
• Kristályszerű szerkezet kialakulása, amely magas forráspontjához, felületi feszültségéhez és kapilláris hatásához vezet.

Ha a vízmolekulákat elektromosan feltöltött környezetbe helyezik, például egy pozitív és egy negatív töltésű lemez (elektróda) közé, akkor ellentétesen rendeződnek a lemeztöltéssel szemben. Ez csillapítja a töltést és energiát igényel. Ez a következő ábrán látható:

A töltésfelvétel tulajdonsága anyagspecifikus, és permittivitásnak nevezik, amelyet a permittivitási számmal mérnek. Víz esetében ez az érték 80, ami lényegesen magasabb, mint a legtöbb más anyagnál. Összehasonlításképpen a levegő permittivitási száma 1, a száraz talajé pedig 3 és 10 között van. A víz tehát nagyon kis mértékben tárol töltést, mint egy akkumulátor. Természetesen víz nem használható akkumulátorként, de a permittivitásból eredő hatások számos módszerrel mérhetők. Ezek közé tartozik a jelkésleltetés, amplitúdócsillapítás, reflexiók és egyéb jelenségek. Ezekre alapozzák a kapacitív mérési eljárásokat. A konkrét műszaki megvalósításra számos lehetőség van, amelyeket 2 csoportra osztanak.

3.1 Időtartomány-reflektometria

Az első csoport érzékelői rövid jelimpulzust bocsátanak ki, és mérik a jel vagy a reflexiók futási idejét. Ehhez nagy pontosságú időmérés szükséges. Általánosan az angol TDR (Time Domain Reflectometry) elnevezést használják. A TDR érzékelők általában nagyok, jó mérési pontosságot kínálnak, bonyolult a telepítésük, kalibrálni kell őket a talajhoz, és drágák.

3.2 Frekvenciatartomány-reflektometria

A második csoport kapacitív érzékelői nagyfrekvenciás jelet használnak, és a talajmintával való érintkezéskor a frekvenciaváltozásokat mérik. A leggyakrabban használt angol elnevezés FDR (Frequency Domain Reflectometry). Az FDR érzékelők jó pontosságot kínálnak, kevésbé bonyolult elektronikával rendelkeznek, és könnyebben kezelhetők, mint a TDR, a legjobb eredmények érdekében azonban kalibrálni kell őket a talajhoz, és olcsóbbak, mint a TDR.

Volumetrikus mérés: kapacitív érzékelők mérik a környező talaj elektromos kapacitását és permittivitását.
Ez szorosan korrelál a volumetrikus víztartalommal, vagyis a víztérfogat és az össztérfogat arányával. Az érzékelők az egész elektromos mezőt „látják” – tehát a levegőt, a vizet és a szilárd anyagokat – keverékként. Ezért minden mérési eredmény talajfüggő. Például a sók, a műtrágyák és a humusz növelik a száraz talaj alapkapacitását. A nehéz talajoknak is magasabb az alapkapacitásuk. Ez azt jelenti, hogy kalibráció nélkül nincs abszolút pontos nedvességmérés, mert a talaj hatása nem elhanyagolható.

Kalibráció: minden kapacitív érzékelőt a talajra kell kalibrálni, ha helyes abszolút volumetrikus nedvességértékeket akarunk kapni. A gyakorlatban ez azonban általában nem szükséges, mert az érzékelő mérési értékei állandóan „a talajtényező körül” eltolódnak. Ezt csak az eredmények értelmezésekor, különösen az öntözésvezérlésnél kell figyelembe venni.

Behatolási mélység és mérési tartomány kapacitív érzékelőknél az elektródák közötti területre korlátozódik. Tehát ha nagy térfogatú méréseket akarunk végezni, az érzékelők gyorsan nagyok és kényelmetlenek lesznek. A térbeli kiterjedés nagyon kicsi, mert a pár centiméterre az érzékelőtől lévő területek már nem járulnak hozzá jelentősen.

Talajkontaktus: megbízható mérésekhez az érzékelő felületének érintkeznie kell a talajjal.

Érzékelő általi befolyásolás: az érzékelő beépítésével a talajban a vízáramlás is megváltozik. Minél nagyobb az érzékelő, annál nagyobb a hatás.

Hőmérsékletfüggőség: A víz permittivitása hőmérsékletfüggő – pl. 20 °C-on kb. 80, 0 °C-on kb. 88, 40 °C-on kb. 72. Ez azt jelenti, hogy a melegebb talajok szárazabbnak tűnnek. Ez a hatás független az elektronikára gyakorolt hőmérsékleti hatásoktól, és befolyásolja a mérési pontosságot.

A MIYO érzékelők saját fejlesztésű FDR-technológiát használnak a talajnedvesség mérésére. Ebben nem egy előre meghatározott frekvenciát generálnak, hanem csak gerjesztenek egy rezgőkört. A talaj a rezgőkör része, és a környezeti kapacitástól függően egy frekvencia áll be, amit mérnek. Egy mérés 30 milliszekundumig tart, és minél alacsonyabb a frekvencia, annál több nedvesség van a földben.

A mérés pontossága szempontjából döntő a helyes felszerelés. Az érzékelő talpán lévő felületnek érintkeznie kell a földdel, de nem túlzott nyomással, mert különben a mért értékek túl magasak lesznek.

Így járj el:

Áss egy legalább 13 cm mély lyukat. Szükség esetén nem probléma az érzékelő mélyebbre ásása sem. A felső 3 cm mindenképpen ki kell, hogy álljon a földből, mivel ott található az antenna. Távolítsd el a durva szennyeződéseket, mint a fa vagy kövek, és lazán szórj egy marék földet az ásott lyukba. Helyezd be az érzékelőt. Az érzékelőfelületnek érintkeznie kell a földdel, de túlzott nyomás nélkül. Töltsd vissza a lyukat és tömörítsd a talajt. Öntözd meg a lyukat, hogy a föld tovább tömörödjön. Kész. Az appban már látod a jelenlegi talajnedvességet.