Tako deluje merjenje vlažnosti tal

Voda - posebna snov

Voda je najpogostejša in zelo posebna kemična spojina na Zemlji. 70 % zemeljske površine je pokrite z vodo, tudi človeško telo je sestavljeno iz 60 % vode. 97 % vode je v oceanih, le 0,001 % pa v oblakih, zraku in padavinah. Ker se atmosferska voda letno zamenja 37-krat, povprečno pade na svetu ogromnih 1 m padavin na leto.

Voda je osnova vsega življenja na Zemlji in že od antičnih časov se ljudje ukvarjajo s tehnologijami za uporabo vode.

Ko se ukvarjamo z merjenjem vlažnosti tal, se hitro pojavi vprašanje, katero meritev uporabiti. Vlažnost tal namreč lahko določimo tako po prostorninskem deležu kot po masnem deležu vode.

Volumetrična vlažnost (θᵥ) je definirana kot prostornina vode, deljena s celotno prostornino tal.

Primer:
1 liter vrtne zemlje z 400 ml vode → θᵥ = 0,4 ali 40 %

Gravimetrična vlažnost (θg) je definirana kot razmerje mase vode do skupne mase.

Primer:
1 liter vrtne zemlje iz zgornjega primera tehta na suho npr. 1.200 g. Če dodamo 400 g vode, je skupna teža 1.600 g in θg=400/1.600=25 %

To pomeni, da ima liter iste vrtne zemlje z 400 ml vode volumetrično vlažnost 40 %, medtem ko je gravimetrična 25 %.

V širokem območju vlažnosti ostaja prostornina tal večinoma konstantna, ker voda zapolni pore in medprostore. Šele ko zelo veliko vode izhlapi in se struktura tal zruši, se prostornina zmanjša. Takrat postanejo vidne suhe razpoke. Kdaj in v kolikšni meri se to pojavi, je močno odvisno od tal. Pri peščenih tleh se prostornina tudi v popolnoma suhem stanju skoraj ne spremeni, ker so delci tako veliki. Zato se volumetrična in gravimetrična vlažnost močno razlikujeta.

Nadaljevanje primera: če dodamo še 100 ml vode, se volumetrična vlažnost poveča s 40 % na 50 %. Gravimetrična vlažnost je zdaj 500/1.700=približno 30 %, torej se je povečala le za 5 odstotnih točk. Številčna razlika med volumetričnimi in gravimetričnimi meritvami iste vzorce tal je torej lahko precejšnja.

Naslednje slike shematsko prikazujejo, kako voda zapolni praznine v zemlji, ne da bi bistveno spremenila skupno prostornino tal.

1. Gravimetrija (določanje teže)

Metoda je preprosta in natančna, vendar zamudna. Potrebujete le tehtnico, toplotno odporno posodo (vsaj 1/2 litra), vrtno orodje in potrpljenje.

Izvedba: Posodo stehtajte, v posodo dajte vzorec zemlje in stehtajte. Nato vzorec zemlje posušite, npr. na soncu (2-3 dni) ali v pečici (2-3 ure pri 110°) ali v mikrovalovni pečici. Po sušenju določite težo.

Meritev je zanimiva za enkratno določanje lastnosti tal, kot je poljska kapaciteta, za stalno praktično uporabo na vrtu pa je preveč zamudna in dolgotrajna.

2. Odpornostna meritev vlažnosti tal

Odpornostni senzorji vlažnosti tal merijo električni upor med dvema elektrodama in s tem, kako dobro okolica prevaja električni tok. Težava je, da je čista voda zelo slab prevodnik. Šele raztopljene soli v tleh naredijo vodo prevodno. Meritev sicer nekako korelira z vsebnostjo vode v določenem vrtu, vendar je izjemno odvisna od tal. Meritev pove veliko več o količini raztopljenih mineralov in soli v raztopini kot o absolutni vsebnosti vode.

Pri tem tečejo tudi majhni tokovi, kar povečuje porabo energije in dolgoročno poškoduje elektrode zaradi oblog. V manjšem obsegu se tudi kovine sproščajo v tla.

Skupaj ima odpornostna meritev vlažnosti tal veliko slabosti in je le omejeno priporočljiva.

3. Kapacitivno merjenje vlage v tleh

Za razumevanje kapacitivnih merilnih metod je potreben kratek izlet v kemijo vode.

Molekule vode so majhne in sestavljene iz enega atoma kisika ter dveh atomov vodika. Elektroni molekule so močno privlačeni s strani atoma kisika. Zato ima molekula od zunaj gledano negativno nabito območje okoli atoma kisika in pozitivno nabito območje okoli atomov vodika. Voda je tako vzorčni primer električnega dipola. Dipolni moment vode je odgovoren za mnoge njene edinstvene in življenjsko pomembne lastnosti, kot so na primer:

• Njegova sposobnost, da kot topilo sprejme druge polarne snovi in soli.
• Oblika kristalno podobne strukture, ki vodi do visoke vreliščne temperature, površinske napetosti in kapilarnega učinka.

Ko so molekule vode postavljene v električno nabito okolje, na primer med pozitivno in negativno nabito ploščo (elektrodi), se usmerijo nasproti nabitosti plošč. To duši naboj in zahteva energijo. To je prikazano na naslednjem diagramu:

Lastnost za sprejem naboja je specifična za material in se imenuje permitivnost ter se meri s številom permitivnosti. Pri vodi znaša 80 in je bistveno višja kot pri večini drugih snovi. Za primerjavo, številka permitivnosti zraka je 1, pri suhi zemlji pa med 3 in 10. Voda torej shrani naboj v zelo majhni meri, podobno kot baterija. Voda seveda ne more služiti kot baterija, vendar se učinki, ki izhajajo iz permitivnosti, lahko izmerijo z različnimi metodami. Med učinke spadajo zamik signala, dušenje amplitude, refleksije in drugi. Na teh temeljijo kapacitivne merilne metode. Za konkretno tehnično izvedbo obstaja veliko možnosti, ki jih razdelimo v 2 skupini.

3.1 Reflektometrija v časovnem območju

Senzorji prve skupine oddajajo kratek signalni impulz in merijo časovne intervale signala ali odbojev. Za to so potrebne zelo natančne meritve časa. Splošno se uporablja angleški izraz TDR (Time Domain Reflectometry). TDR senzorji so običajno veliki, nudijo dobro natančnost meritev, so zahtevni za namestitev, jih je treba kalibrirati za tla in so dragi.

3.2 Reflektometrija v frekvenčnem območju

Druga skupina kapacitivnih senzorjev uporablja visokofrekvenčni signal in meri spremembe frekvence ob stiku z vzorcem tal. Najpogosteje uporabljeni angleški izraz je FDR (Frequency Domain Reflectometry). FDR senzorji nudijo dobro natančnost, imajo manj zahtevno elektroniko in so enostavnejši za uporabo kot TDR, za najboljše rezultate pa potrebujejo kalibracijo na tla in so cenejši od TDR.

Volumetrično merjenje: kapacitivni Senzorji merijo električno kapaciteto in permitivnost okoliške zemlje.
To tesno korelira z volumetrično vsebnostjo vode, torej razmerjem med volumnom vode in skupnim volumnom. Senzorji "vidijo" celotno električno polje – torej zrak, vodo in trdne snovi – kot mešanico. Zato so vsi rezultati meritev odvisni tudi od zemlje. Na primer, soli, gnojila in humus povečajo osnovno kapaciteto suhe zemlje. Težke zemlje imajo prav tako višjo osnovno kapaciteto. To pomeni, da brez kalibracije ni mogoče dobiti absolutno pravilne meritve vlage, ker vpliv zemlje ni zanemarljiv.

Kalibracija: vsi kapacitivni Senzorji bi morali biti kalibrirani na zemljo, če želimo dobiti pravilne absolutne volumetrične vrednosti vlage. V praksi to običajno ni potrebno, ker so meritve Senzorja konstantno "premaknjene za faktor zemlje". To je treba upoštevati le pri interpretaciji rezultatov in zlasti pri upravljanju namakanja.

Globina prodiranja in merilno območje kapacitivnih Senzorjev je omejeno na območje med elektrodami. To pomeni, da če želimo opraviti meritve večjih volumnov, postanejo Senzorji hitro veliki in nerodni. Prostorska razširjenost je zelo majhna, saj območja, ki so nekaj centimetrov oddaljena od tipala, ne prispevajo več pomembno.

Stik z zemljo: za zanesljive meritve mora površina Senzorja imeti stik z zemljo.

Vpliv Senzorja: z vgradnjo Senzorja se spremeni tudi pretok vode v zemlji. Večji kot je Senzor, večji je učinek.

Odvisnost od temperature: Permitiviteta vode je odvisna od temperature – npr. pri 20 °C znaša približno 80, pri 0 °C približno 88 in pri 40 °C približno 72. To pomeni, da toplejša tla izgledajo bolj suha. Ta učinek je neodvisen od temperaturnih vplivov na elektroniko in vpliva na natančnost meritev.

MIYO Senzorji uporabljajo lastno FDR-tehnologijo za merjenje vlažnosti tal. Pri tem se ne generira določena frekvenca, ampak se le vzbudi nihajni krog. Zemlja je del nihajnega kroga in glede na kapacitivnost okolice se nastavi frekvenca, ki se meri. Meritev traja 30 milisekund in nižja kot je frekvenca, več vlage je v zemlji.

Za natančnost merjenja je odločilna pravilna montaža. Površina Senzorja na dnu potrebuje stik z zemljo, vendar brez prevelikega pritiska, saj bi bile sicer merilne vrednosti previsoke.

Tako postopajte:

Izkopljite luknjo vsaj 13 cm globoko. Po potrebi ni problem tudi, če Senzor zakopljete globlje. Zgornji 3 cm naj vseeno štrlijo iz zemlje, saj se tam nahaja antena. Odstranite grobe nečistoče, kot so les ali kamni, in v izkopano luknjo rahlo nasujte pest zemlje. Vstavite Senzor. Površina Senzorja naj ima stik z zemljo brez prevelikega pritiska. Luknjo ponovno zasujte in utrdite tla. Zalijte luknjo, da se zemlja dodatno utrdi. Končano. V aplikaciji že vidiš trenutno vlažnost tal.