Ecco come funziona la misurazione dell'umidità del terreno

Acqua - una sostanza speciale

L'acqua è la sostanza chimica più comune e molto speciale sulla Terra. Il 70% della superficie terrestre è coperto d'acqua, anche il corpo umano è composto per il 60% da acqua. Il 97% dell'acqua si trova negli oceani e solo lo 0,001% nelle nuvole, nell'aria e nelle precipitazioni. Poiché l'acqua atmosferica viene riciclata 37 volte all'anno, in media a livello mondiale cadono ogni anno enormi 1 m di precipitazioni.

L'acqua è la base di tutta la vita sulla Terra e fin dall'antichità gli esseri umani si occupano di tecnologie per utilizzare l'acqua.

Quando si misura l'umidità del terreno, sorge rapidamente la questione della grandezza da misurare. L'umidità del terreno può infatti essere determinata sia in base alla frazione volumetrica sia a quella ponderale dell'acqua.

L'umidità volumetrica (θᵥ) è definita come il volume d'acqua diviso per il volume totale del terreno.

Esempio:
1 litro di terreno da giardino con 400 ml di acqua → θᵥ = 0,4 o 40 %

L'umidità gravimetrica (θg) è definita come il rapporto tra la massa d'acqua e la massa totale.

Esempio:
1 litro del terreno da giardino dell'esempio sopra pesa a secco ad es. 1.200 g. Se si aggiungono 400 g di acqua, il peso totale è 1.600 g e θg=400/1.600=25%

Cioè un litro dello stesso terreno da giardino con 400 ml di acqua ha un'umidità volumetrica del 40%, ma una gravimetrica del 25%.

In un ampio intervallo di umidità, il volume del suolo rimane sostanzialmente costante perché l'acqua riempie i pori e gli spazi vuoti. Solo quando una grande quantità d'acqua è scomparsa e la struttura del suolo crolla, il volume diminuisce. A quel punto si formano crepe da siccità. Quando e in che misura ciò accade dipende molto dal tipo di suolo. Nei terreni sabbiosi, il volume cambia poco anche in condizioni completamente asciutte, perché le particelle sono così grandi. Perciò l'umidità volumetrica e gravimetrica cambiano anche in modo molto diverso.

Continuazione esempio: se si aggiungono altri 100 ml di acqua, l'umidità volumetrica aumenta dal 40% al 50%. L'umidità gravimetrica è ora 500/1.700=circa 30%, quindi è cresciuta solo di 5 punti percentuali. La differenza numerica tra i valori volumetrici e gravimetrici della stessa campione di terreno può quindi essere considerevole.

Le seguenti immagini mostrano schematicamente come l'acqua riempie gli spazi vuoti nel terreno senza modificare sostanzialmente il volume totale del suolo.

1. Gravimetria (Determinazione del peso)

Il metodo è semplice e preciso, ma comunque laborioso. Serve solo una bilancia, un contenitore resistente al calore (almeno 1/2 litro), attrezzi da giardino e pazienza.

Esecuzione: pesare il contenitore, riempire il campione di terreno nel contenitore e pesare. Quindi asciugare il campione di terreno, ad esempio al sole (2-3 giorni) o nel forno (2-3 ore a 110°) o nel microonde. Determinare il peso dopo l'asciugatura.

La misurazione è interessante per determinare una volta sola le proprietà del terreno come la capacità di campo, ma per l'uso pratico continuo in giardino è troppo laboriosa e lunga.

2. Misurazione resistiva dell'umidità del terreno

I sensori resistivi di umidità del terreno misurano la resistenza elettrica tra due elettrodi e quindi quanto bene l'ambiente conduce la corrente elettrica. Il problema è che l'acqua pura è un conduttore molto scarso. Solo i sali disciolti nel terreno rendono l'acqua conduttiva. La misurazione correla abbastanza con la quantità d'acqua in un giardino specifico, ma dipende estremamente dal tipo di terreno. La misurazione dice molto di più sulla quantità di minerali e sali disciolti nella soluzione che sul contenuto assoluto di acqua.

Inoltre scorrono piccole correnti, che aumentano il consumo energetico e a lungo termine danneggiano gli elettrodi a causa di depositi. In misura limitata vengono anche rilasciati metalli nel terreno.

In sintesi, la misurazione resistiva dell'umidità del terreno presenta molte debolezze ed è raccomandata solo con riserve.

3. Misurazione capacitiva dell'umidità del suolo

Per comprendere i metodi di misurazione capacitiva è necessaria una breve introduzione alla chimica dell'acqua.

Le molecole d'acqua sono piccole e sono composte da un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno. Gli elettroni della molecola sono fortemente attratti dall'atomo di ossigeno. Pertanto, la molecola presenta, osservata dall'esterno, una zona carica negativamente attorno all'atomo di ossigeno e una zona carica positivamente attorno agli atomi di idrogeno. L'acqua è quindi l'esempio perfetto di un dipolo elettrico. Il momento dipolare dell'acqua è responsabile di molte delle sue proprietà uniche e vitali, come ad esempio:

• La sua capacità di agire come solvente per altre sostanze polari e sali.
• La formazione di una struttura simile a un cristallo, che porta al suo alto punto di ebollizione, alla tensione superficiale e all'effetto capillare.

Quando le molecole d'acqua vengono portate in un ambiente carico elettricamente, come ad esempio tra una piastra caricata positivamente e una caricata negativamente (elettrodi), esse si orientano in direzione opposta alla carica della piastra. Questo attenua la carica e richiede energia. Ciò è evidente nel seguente diagramma:

La proprietà di accumulo di carica è specifica del materiale ed è chiamata permittività, misurata tramite il numero di permittività. Questo valore è 80 per l'acqua ed è significativamente più alto rispetto alla maggior parte degli altri materiali. Per confronto, il numero di permittività dell'aria è 1 e quello della terra secca varia tra 3 e 10. Quindi, l'acqua immagazzina carica in misura molto limitata, come una batteria. Naturalmente, l'acqua non può essere utilizzata come batteria, ma gli effetti derivanti dalla permittività possono essere misurati con numerosi metodi. Tra gli effetti vi sono il ritardo del segnale, l'attenuazione dell'ampiezza, le riflessioni e altri ancora. Su questi si basano i metodi di misura capacitivi. Per la realizzazione tecnica concreta esiste una vasta gamma di possibilità, suddivise in 2 gruppi.

3.1 Riflettometria nel dominio del tempo

I sensori del primo gruppo inviano un breve impulso di segnale e misurano i tempi di percorrenza del segnale o delle riflessioni. Per questo sono necessarie misurazioni temporali ad alta precisione. Generalmente si usa la denominazione inglese TDR (Time Domain Reflectometry). I sensori TDR sono di solito grandi, offrono buona precisione di misura, sono complessi da installare, devono essere calibrati per il terreno e sono costosi.

3.2 Riflettometria nel dominio della frequenza

Il secondo gruppo di sensori capacitivi utilizza un segnale ad alta frequenza e misura le variazioni di frequenza al contatto con il campione di terreno. La denominazione inglese più usata è FDR (Frequency Domain Reflectometry). I sensori FDR offrono buona precisione, hanno un'elettronica meno complessa e sono più semplici da usare rispetto ai TDR, necessitano per i migliori risultati di una calibrazione sul terreno e sono meno costosi dei TDR.

Misurazione volumetrica: i sensori capacitivi misurano la capacità elettrica e la permissività del terreno circostante.
Questa è strettamente correlata al contenuto volumetrico di acqua, cioè al rapporto tra volume d'acqua e volume totale. I sensori "vedono" l'intero campo elettrico – quindi aria, acqua e solidi – come una miscela. Pertanto, tutti i risultati delle misurazioni dipendono anche dal tipo di terreno. Ad esempio, sali, fertilizzanti e humus aumentano la capacità di base del terreno asciutto. I terreni pesanti hanno anche una capacità di base più elevata. Ciò significa che senza calibrazione non può esserci una misurazione assolutamente corretta dell'umidità, perché l'influenza del terreno non è trascurabile.

Calibrazione: tutti i sensori capacitivi dovrebbero essere calibrati sul terreno se si vogliono ottenere valori assoluti corretti dell'umidità volumetrica. In pratica, però, ciò di solito non è necessario, perché i valori misurati da un sensore sono costantemente "spostati dal fattore terreno". Questo va considerato solo nell'interpretazione dei risultati e in particolare nel controllo dell'irrigazione.

Profondità di penetrazione e campo di misura dei sensori capacitivi sono limitati all'area tra gli elettrodi. Quindi, se si vogliono effettuare misurazioni su grandi volumi, i sensori diventano rapidamente grandi e ingombranti. L'estensione spaziale è molto ridotta, poiché le aree a pochi centimetri dal sensore non contribuiscono più in modo rilevante.

Contatto con il terreno: per misurazioni affidabili la superficie del sensore deve essere a contatto con il terreno.

Influenza del sensore: l'installazione del sensore modifica anche il flusso d'acqua nel terreno. Più grande è il sensore, maggiore è l'effetto.

Dipendenza dalla temperatura: la permissività dell'acqua è dipendente dalla temperatura – ad esempio, a 20 °C è circa 80, a 0 °C sale a circa 88 e a 40 °C scende a circa 72. Ciò significa che i terreni più caldi appaiono più secchi. Questo effetto è indipendente dagli effetti della temperatura sull'elettronica e influenza la precisione della misurazione.

I sensori MIYO utilizzano una tecnologia FDR sviluppata internamente per la misurazione dell'umidità del terreno. Non viene generata una frequenza fissa, ma viene solo eccitato un circuito oscillante. Il terreno fa parte del circuito oscillante e, a seconda della capacità ambientale, si stabilisce una frequenza che viene misurata. Una misurazione dura 30 millisecondi e più bassa è la frequenza, maggiore è l'umidità presente nel terreno.

Determinante per la precisione della misurazione è il montaggio corretto. La superficie del sensore alla base necessita di contatto con la terra, ma non con pressione eccessiva, altrimenti i valori misurati risulterebbero troppo alti.

Ecco come procedere:

Scava un buco di almeno 13 cm di profondità. Se necessario, non è un problema interrare il sensore più in profondità. I primi 3 cm devono comunque sporgere dal terreno, poiché lì si trova l'antenna. Rimuovi le impurità grossolane come legno o pietre e spargi liberamente una manciata di terra nel buco scavato. Inserisci il sensore. La superficie del sensore deve avere contatto con la terra senza pressione eccessiva. Riempi di nuovo il buco e compatta il terreno. Annaffia il buco affinché la terra si compatti ulteriormente. Fatto. Nell'app puoi già vedere l'umidità attuale del terreno.