Takto funguje meranie vlhkosti pôdy

Voda – zvláštna látka

Voda je najbežnejšou a veľmi špecifickou chemickou zlúčeninou na Zemi. 70 % povrchu Zeme je pokrytých vodou, ľudské telo sa skladá z 60 % z vody. 97 % vody sa nachádza v oceánoch a iba 0,001 % v oblakoch, vzduchu a zrážkach. Keďže sa atmosférická voda však ročne vymení 37-krát, priemerné ročné zrážky na svete dosahujú obrovský 1 m.

Voda je základom všetkého života na Zemi a ľudia sa od staroveku zaoberajú technológiami na využívanie vody.

Ak sa zaoberáme meraním vlhkosti pôdy, rýchlo sa objaví otázka, čo merať. Vlhkosť pôdy sa totiž dá určiť ako podľa objemového podielu, tak aj podľa hmotnostného podielu vody.

Objemová vlhkosť (θᵥ) je definovaná ako objem vody vydelený celkovým objemom pôdy.

Príklad:
1 liter záhradnej pôdy s 400 ml vody → θᵥ = 0,4 alebo 40 %

Gravimetrická vlhkosť (θg) je definovaná ako pomer hmotnosti vody k celkovej hmotnosti.

Príklad:
1 liter záhradnej pôdy z vyššie uvedeného príkladu váži suchý napr. 1.200 g. Ak sa pridá 400 g vody, celková hmotnosť je 1.600 g a θg=400/1.600=25 %

Teda jeden liter tej istej záhradnej pôdy s 400 ml vody má objemovú vlhkosť 40 %, ale gravimetrickú 25 %.

Vďaka širokému rozsahu vlhkosti zostáva objem pôdy do značnej miery konštantný, pretože voda vyplňuje póry a medzery. Až keď zmizne veľmi veľa vody a štruktúra pôdy sa zrúti, objem klesá. Potom sa objavia suché trhliny. Kedy a do akej miery sa to prejaví, závisí výrazne od typu pôdy. Pri piesčitých pôdach sa objem takmer nemení ani v úplne suchom stave, pretože častice sú také veľké. Preto sa objemová a gravimetrická vlhkosť menia aj veľmi odlišne.

Pokračovanie príkladu: ak sa pridá ďalších 100 ml vody, objemová vlhkosť stúpne z 40 % na 50 %. Gravimetrická vlhkosť je teraz 500/1.700=cca 30 %, teda narástla len o 5 percentuálnych bodov. Číselný rozdiel medzi objemovými a gravimetrickými meraniami tej istej vzorky pôdy môže byť teda značný.

Nasledujúce obrázky schematicky ukazujú, ako voda vyplňuje voľné priestory v pôde bez podstatnej zmeny celkového objemu pôdy.

1. Gravimetria (určenie hmotnosti)

Metóda je jednoduchá a presná, ale zároveň náročná. Potrebujete iba váhu, tepelne odolnú nádobu (minimálne 1/2 litra), záhradné náradie a trpezlivosť.

Postup: Odvážte nádobu, naplňte ju vzorkou pôdy a znovu odvážte. Potom vzorku pôdy vysušte, napr. na slnku (2-3 dni) alebo v rúre (2-3 hodiny pri 110°) alebo v mikrovlnke. Určte hmotnosť po vysušení.

Meranie je zaujímavé na jednorazové určenie vlastností pôdy, ako je poľná kapacita, ale pre trvalé praktické použitie v záhrade je príliš náročné a zdĺhavé.

2. Rezistívne meranie vlhkosti pôdy

Rezistívne senzory vlhkosti pôdy merajú elektrický odpor medzi dvoma elektródami a tým, ako dobre okolie vedie elektrický prúd. Problém je v tom, že čistá voda je veľmi zlý vodič. Až rozpustené soli v pôde robia vodu vodivou. Meranie síce do určitej miery koreluje s množstvom vody v konkrétnej záhrade, ale je extrémne závislé od typu pôdy. Meranie viac vypovedá o množstve rozpustených minerálov a solí v roztoku než o absolútnom obsahu vody.

Pri tom pretekajú aj malé prúdy, čo zvyšuje spotrebu energie a dlhodobo poškodzuje elektródy usadeninami. V menšej miere sa do pôdy uvoľňujú aj kovy.

Celkovo má rezistívne meranie vlhkosti pôdy mnoho slabých stránok a je len obmedzene odporúčané.

3. Kapacitné meranie vlhkosti pôdy

Pre pochopenie kapacitných meracích metód je potrebný malý výlet do chémie vody.

Molekuly vody sú malé a skladajú sa z jedného atómu kyslíka a dvoch atómov vodíka. Elektróny molekuly sú silno priťahované atómom kyslíka. Preto má molekula z vonkajšieho pohľadu negatívne nabitú oblasť okolo atómu kyslíka a pozitívne nabitú oblasť okolo atómov vodíka. Voda je tak typickým príkladom elektrického dipólu. Dipólový moment vody je zodpovedný za mnohé jej jedinečné a životne dôležité vlastnosti, ako napríklad:

• Jeho schopnosť rozpúšťať iné polárne látky a soli ako rozpúšťadlo.
• Tvorba kryštalickej štruktúry, ktorá vedie k jeho vysokej teplote varu, povrchovému napätiu a kapilárnemu efektu.

Keď sa molekuly vody dostanú do elektricky nabitého prostredia, napríklad medzi kladne a záporne nabitú platňu (elektrodu), usporiadajú sa opačne k náboju platne. Toto tlmí náboj a vyžaduje energiu. Toto je viditeľné na nasledujúcom schéme:

Vlastnosť schopnosti nabíjania je špecifická pre materiál a nazýva sa permitivita, ktorá sa meria pomocou permitívneho čísla. Pre vodu je táto hodnota 80 a je podstatne vyššia ako u väčšiny ostatných látok. Pre porovnanie, permitívne číslo vzduchu je 1 a suchá zem má hodnoty medzi 3 a 10. Voda teda uchováva náboj len v veľmi malom rozsahu, podobne ako batéria. Voda samozrejme nemôže slúžiť ako batéria, ale efekty vyplývajúce z permitivity je možné merať mnohými metódami. Medzi tieto efekty patria oneskorenie signálu, útlm amplitúdy, odrazy a ďalšie. Na týchto princípoch sú založené kapacitné meracie metódy. Pre konkrétne technické riešenie existuje množstvo možností, ktoré sa delia do 2 skupín.

3.1 Časová doménová reflektometria

Senzory prvej skupiny vysielajú krátky signálový impulz a merajú časy prechodu signálu alebo odrazov. Na to sú potrebné vysoko presné merania času. Všeobecne sa používa anglický názov TDR (Time Domain Reflectometry). TDR senzory sú zvyčajne veľké, ponúkajú dobrú presnosť merania, sú náročné na inštaláciu, musia byť kalibrované na pôdu a sú drahé.

3.2 Frekvenčná doménová reflektometria

Druhá skupina kapacitných senzorov používa vysokofrekvenčný signál a meria zmeny frekvencie pri kontakte so vzorkou pôdy. Najčastejšie používaný anglický názov je FDR (Frequency Domain Reflectometry). FDR senzory ponúkajú dobrú presnosť, majú menej zložitú elektroniku a sú jednoduchšie na obsluhu ako TDR, pre najlepšie výsledky vyžadujú kalibráciu na pôdu a sú lacnejšie ako TDR.

Objemové meranie: kapacitné senzory merajú elektrickú kapacitu a permitivitu okolitých pôd.
Táto úzko koreluje s objemovým obsahom vody, teda pomerom objemu vody k celkovému objemu. Senzory „vidia“ celé elektrické pole – teda vzduch, vodu a pevné látky – ako zmes. Preto sú všetky merania závislé od pôdy. Napríklad soli, hnojivá a humus zvyšujú základnú kapacitu suchej pôdy. Ťažké pôdy majú tiež vyššiu základnú kapacitu. To znamená, že bez kalibrácie nemôže byť absolútne presné meranie vlhkosti, pretože vplyv pôdy nie je zanedbateľný.

Kalibrácia: všetky kapacitné senzory by mali byť kalibrované na pôdu, ak chce človek získať správne absolútne objemové hodnoty vlhkosti. V praxi to však väčšinou nie je potrebné, pretože merania senzora sú konštantne „posunuté o pôdny faktor“. Je to potrebné zohľadniť iba pri interpretácii výsledkov a najmä pri riadení zavlažovania.

Hĺbka prenikania a merací rozsah kapacitných senzorov sú obmedzené na oblasť medzi elektródami. Ak chce človek vykonať merania vo veľkom objeme, senzory rýchlo rastú a stávajú sa nešikovnými. Priestorové rozšírenie je veľmi malé, pretože oblasti vzdialené niekoľko centimetrov od snímača už neprispievajú relevantne.

Kontakt s pôdou: pre spoľahlivé merania je potrebný kontakt plochy senzora s pôdou.

Vplyv senzora: inštaláciou senzora sa mení aj prietok vody v pôde. Čím väčší senzor, tým väčší je tento efekt.

Závislosť od teploty: Permitívita vody je závislá od teploty – napríklad pri 20 °C je približne 80, pri 0 °C stúpa na približne 88 a pri 40 °C klesá na približne 72. To znamená, že teplejšie pôdy sa javia suchšie. Tento efekt je nezávislý od vplyvov teploty na elektroniku a ovplyvňuje presnosť merania.

Senzory MIYO používajú vlastnú FDR technológiu na meranie vlhkosti pôdy. Nevyužíva sa pevne daná frekvencia, ale iba sa vybudí rezonančný obvod. Zem je súčasťou rezonančného obvodu a v závislosti od kapacity okolia sa nastaví frekvencia, ktorá sa meria. Meranie trvá 30 milisekúnd a čím nižšia je frekvencia, tým viac vlhkosti je v pôde.

Pre presnosť merania je rozhodujúca správna montáž. Plocha senzora na spodku potrebuje kontakt so zemou, ale nie s nadmerným tlakom, pretože inak by boli namerané hodnoty príliš vysoké.

Takto postupujte:

Vyhĺbte jamu s hĺbkou aspoň 13 cm. V prípade potreby nie je problém senzor zaliať hlbšie. Horné 3 cm by však mali vyčnievať zo zeme, pretože tam sa nachádza anténa. Odstráňte hrubé nečistoty ako drevo alebo kamene a voľne nasypte hrst zeminy do vyhĺbenej jamy. Vložte senzor. Plocha senzora by mala mať kontakt so zemou bez nadmerného tlaku. Jamku zasypte a zhutnite pôdu. Zalejte jamu, aby sa zem ďalej spevnila. Hotovo. V aplikácii už vidíte aktuálnu vlhkosť pôdy.