Tak działa pomiar wilgotności gleby

Woda – wyjątkowa substancja

Woda jest najpowszechniejszym i bardzo specyficznym związkiem chemicznym na Ziemi. 70% powierzchni Ziemi pokrywa woda, a ciało ludzkie składa się w 60% z wody. 97% wody znajduje się w oceanach, a tylko 0,001% w chmurach, powietrzu i opadach. Jednakże woda atmosferyczna jest wymieniana 37 razy w roku, co daje średnio na świecie ogromne 1 m opadów rocznie.

Woda jest podstawą wszelkiego życia na Ziemi i od czasów starożytnych ludzie zajmują się technologiami umożliwiającymi korzystanie z wody.

Zajmując się pomiarem wilgotności gleby, szybko pojawia się pytanie o wielkość mierzoną. Wilgotność gleby można bowiem określić zarówno przez udział objętościowy, jak i wagowy wody.

Wilgotność objętościowa (θᵥ) jest definiowana jako objętość wody podzielona przez całkowitą objętość gleby.

Przykład:
1 litr ziemi ogrodowej z 400 ml wody → θᵥ = 0,4 lub 40 %

Wilgotność grawimetryczna (θg) jest definiowana jako stosunek masy wody do masy całkowitej.

Przykład:
1 litr ziemi ogrodowej z powyższego przykładu waży na sucho np. 1.200 g. Gdy dodamy 400 g wody, całkowita masa wynosi 1.600 g, a θg=400/1.600=25%

To znaczy, że litr tej samej ziemi ogrodowej z 400 ml wody ma wilgotność objętościową 40%, ale grawimetryczną 25%.

W szerokim zakresie wilgotności objętość gleby pozostaje w dużej mierze stała, ponieważ woda wypełnia pory i przestrzenie międzycząsteczkowe. Dopiero gdy bardzo dużo wody zniknie, a struktura gleby się załamie, objętość zaczyna się zmniejszać. Wtedy pojawiają się spękania suszowe. Kiedy i w jakim stopniu to następuje, zależy w dużym stopniu od rodzaju gleby. W glebach piaszczystych objętość zmienia się bardzo niewiele nawet w całkowicie suchym stanie, ponieważ cząstki są tak duże. Dlatego wilgotność objętościowa i grawimetryczna zmieniają się również bardzo różnie.

Kontynuacja przykładu: dodając kolejne 100 ml wody, wilgotność objętościowa wzrasta z 40% do 50%. Wilgotność grawimetryczna wynosi teraz 500/1.700=ok. 30%, czyli wzrosła tylko o 5 punktów procentowych. Różnica liczbowo między wartościami wilgotności objętościowej i grawimetrycznej tej samej próbki gleby może być więc znaczna.

Następujące obrazy schematycznie pokazują, jak woda wypełnia wolne przestrzenie w ziemi, nie zmieniając istotnie całkowitej objętości gleby.

1. Grawimetria (Określanie masy)

Metoda jest prosta i dokładna, ale jednocześnie pracochłonna. Potrzebna jest tylko waga, odporne na ciepło naczynie (co najmniej 1/2 litra), narzędzia ogrodnicze i cierpliwość.

Przeprowadzenie: Ważyć naczynie, włożyć próbkę gleby do naczynia i zważyć. Następnie wysuszyć próbkę gleby, np. na słońcu (2-3 dni) lub w piekarniku (2-3 godziny w 110°) albo w mikrofalówce. Określić wagę po wysuszeniu.

Pomiary są interesujące do jednorazowego określenia właściwości gleby, takich jak pojemność polowa, ale do stałego praktycznego zastosowania w ogrodzie są zbyt pracochłonne i czasochłonne.

2. Rezystancyjny pomiar wilgotności gleby

Rezystancyjne czujniki wilgotności gleby mierzą opór elektryczny między dwiema elektrodami, a tym samym jak dobrze otoczenie przewodzi prąd elektryczny. Problem polega na tym, że czysta woda jest bardzo słabym przewodnikiem. To rozpuszczone sole w glebie sprawiają, że woda przewodzi prąd. Pomiar koreluje w pewnym stopniu z ilością wody w danym ogrodzie, ale jest bardzo zależny od rodzaju gleby. Pomiar mówi dużo więcej o ilości rozpuszczonych minerałów i soli w roztworze niż o absolutnej zawartości wody.

Przez to płyną też małe prądy, co zwiększa zużycie energii i długoterminowo uszkadza elektrody przez osady. W niewielkim stopniu metale są również uwalniane do gleby.

Podsumowując, rezystancyjny pomiar wilgotności gleby ma wiele wad i jest tylko częściowo zalecany.

3. Pojemnościowy pomiar wilgotności gleby

Aby zrozumieć metody pomiaru pojemnościowego, konieczna jest krótka wycieczka do chemii wody.

Cząsteczki wody są małe i składają się z jednego atomu tlenu oraz dwóch atomów wodoru. Elektrony cząsteczki są silnie przyciągane przez atom tlenu. Dlatego cząsteczka z zewnątrz posiada ujemnie naładowany obszar wokół atomu tlenu oraz dodatnio naładowany obszar wokół atomów wodoru. Woda jest zatem doskonałym przykładem dipola elektrycznego. Moment dipolowy wody odpowiada za wiele jej unikalnych i niezbędnych właściwości, takich jak na przykład:

• Jego zdolność do rozpuszczania innych polarnych substancji i soli jako rozpuszczalnik.
• Tworzenie się struktury przypominającej kryształ, co prowadzi do wysokiej temperatury wrzenia, napięcia powierzchniowego i działania kapilarnego.

Gdy cząsteczki wody zostaną umieszczone w elektrycznie naładowanym środowisku, na przykład pomiędzy dodatnio a ujemnie naładowaną płytą (elektrodą), ustawiają się one przeciwnie do ładunku płyty. Tłumi to ładunek i wymaga energii. Widać to na poniższym schemacie:

Właściwość do gromadzenia ładunku jest specyficzna dla materiału i nazywana jest przenikalnością elektryczną, mierzona za pomocą liczby przenikalności. Dla wody wynosi ona 80 i jest znacznie wyższa niż dla większości innych substancji. Dla porównania, liczba przenikalności powietrza wynosi 1, a suchej ziemi od 3 do 10. Woda przechowuje więc ładunek w bardzo niewielkim stopniu, podobnie jak bateria. Oczywiście wody nie można używać jako baterii, ale efekty wynikające z przenikalności można zmierzyć za pomocą wielu metod. Do efektów tych należą opóźnienie sygnału, tłumienie amplitudy, odbicia i inne. Na tym opierają się metody pomiarowe pojemnościowe. Istnieje wiele możliwości technicznego wykonania, które można podzielić na 2 grupy.

3.1 Reflektometria w dziedzinie czasu

Czujniki z pierwszej grupy wysyłają krótki impuls sygnału i mierzą czasy przejścia sygnału lub odbić. Wymagane są do tego bardzo precyzyjne pomiary czasu. Ogólnie używa się angielskiej nazwy TDR (Time Domain Reflectometry). Czujniki TDR są zazwyczaj duże, oferują dobrą dokładność pomiaru, są skomplikowane w instalacji, muszą być skalibrowane do gleby i są drogie.

3.2 Reflektometria w dziedzinie częstotliwości

Druga grupa czujników pojemnościowych wykorzystuje sygnał o wysokiej częstotliwości i mierzy zmiany częstotliwości w kontakcie z próbką gleby. Najczęściej używana angielska nazwa to FDR (Frequency Domain Reflectometry). Czujniki FDR oferują dobrą dokładność, mają mniej skomplikowaną elektronikę i są łatwiejsze w obsłudze niż TDR, wymagają kalibracji do gleby dla najlepszych wyników i są tańsze niż TDR.

Pomiary objętościowe: kapacytne czujniki mierzą pojemność elektryczną i przenikalność otaczającej gleby.
Są one ściśle skorelowane z objętościową zawartością wody, czyli stosunkiem objętości wody do objętości całkowitej. Czujniki "widzą" całe pole elektryczne – czyli powietrze, wodę i substancje stałe – jako mieszaninę. Dlatego wszystkie wyniki pomiarów zależą od rodzaju gleby. Na przykład sole, nawozy i próchnica zwiększają podstawową pojemność suchej gleby. Gleby ciężkie mają również wyższą podstawową pojemność. Oznacza to, że bez kalibracji nie można uzyskać absolutnie poprawnego pomiaru wilgotności, ponieważ wpływ gleby jest istotny.

Kalibracja: wszystkie kapacytne czujniki powinny być skalibrowane do gleby, jeśli chce się uzyskać poprawne, absolutne wartości wilgotności objętościowej. W praktyce jednak zazwyczaj nie jest to konieczne, ponieważ wartości pomiarowe czujnika są stale przesunięte "o czynnik gleby". Należy to uwzględnić tylko przy interpretacji wyników, a szczególnie przy sterowaniu nawadnianiem.

Głębokość penetracji i zakres pomiarowy kapacytnych czujników ograniczone są do obszaru między elektrodami. Oznacza to, że jeśli chce się przeprowadzić pomiary na dużą skalę, czujniki szybko stają się duże i nieporęczne. Zasięg przestrzenny jest bardzo mały, ponieważ obszary oddalone o kilka centymetrów od czujnika nie mają już istotnego wpływu.

Kontakt z glebą: do wiarygodnych pomiarów powierzchnia czujnika musi mieć kontakt z glebą.

Wpływ czujnika: montaż czujnika zmienia również przepływ wody w glebie. Im większy czujnik, tym większy efekt.

Zależność od temperatury: Przenikalność wody jest zależna od temperatury – np. przy 20 °C wynosi około 80, przy 0 °C wzrasta do około 88, a przy 40 °C spada do około 72. Oznacza to, że cieplejsza gleba wydaje się suchsza. Ten efekt jest niezależny od wpływu temperatury na elektronikę i wpływa na dokładność pomiaru.

Czujniki MIYO wykorzystują autorską technologię FDR do pomiaru wilgotności gleby. Nie generuje się stałej częstotliwości, lecz jedynie wzbudza obwód rezonansowy. Gleba jest częścią tego obwodu i w zależności od pojemności otoczenia ustawia się częstotliwość, która jest mierzona. Pomiar trwa 30 milisekund, a im niższa częstotliwość, tym więcej wilgoci znajduje się w ziemi.

Kluczowa dla precyzji pomiaru jest prawidłowa instalacja. Powierzchnia czujnika u podstawy musi mieć kontakt z ziemią, ale bez nadmiernego nacisku, ponieważ w przeciwnym razie wartości pomiarowe będą zbyt wysokie.

Tak postępujesz:

Wykop dziurę o głębokości co najmniej 13 cm. W razie potrzeby nie ma problemu, aby zakopać czujnik głębiej. Górne 3 cm powinny wystawać z ziemi, ponieważ tam znajduje się antena. Usuń grube zanieczyszczenia, takie jak drewno czy kamienie, i luźno nasyp garść ziemi do wykopanej dziury. Umieść czujnik. Powierzchnia czujnika powinna mieć kontakt z ziemią bez nadmiernego nacisku. Zasyp dziurę i ugnieć ziemię. Podlej dziurę, aby ziemia się dalej zagęściła. Gotowe. W aplikacji widzisz już aktualną wilgotność gleby.