Toprak nem ölçümü böyle çalışır

Su - özel bir madde

Su, dünyadaki en yaygın ve çok özel bir kimyasal bileşiktir. Dünya yüzeyinin %70'i suyla kaplıdır, insan vücudu da %60 oranında sudan oluşur. Suyun %97'si okyanuslarda bulunur ve sadece %0,001'i bulutlarda, havada ve yağışlarda yer alır. Ancak atmosferik su yılda 37 kez döngüye girdiği için, dünya genelinde yılda ortalama muazzam bir 1 m yağış düşer.

Su, dünyadaki tüm yaşamın temelidir ve antik çağlardan beri insanlar suyu kullanmak için teknolojilerle ilgilenmektedir.

Toprak nemi ölçümüyle ilgilenirken, ölçüm büyüklüğü sorusu hızla ortaya çıkar. Çünkü toprak nemi hem suyun hacim oranı hem de ağırlık oranı üzerinden belirlenebilir.

Hacimsel nem (θᵥ), su hacminin toplam toprak hacmine bölünmesiyle tanımlanır.

Örnek:
İçinde 400 ml su bulunan 1 litre bahçe toprağı → θᵥ = 0,4 veya %40

Kütlesel nem (θg), su kütlesinin toplam kütleye oranı olarak tanımlanır.

Örnek:
Yukarıdaki örnekteki bahçe toprağından 1 litre kuru halde örneğin 1.200 g ağırlığındadır. 400 g su eklendiğinde toplam ağırlık 1.600 g olur ve θg=400/1.600= %25

Yani aynı bahçe toprağından 1 litre, 400 ml su içerdiğinde hacimsel nem %40, ancak kütlesel nem %25'tir.

Geniş bir nem aralığında, su gözenekleri ve boşlukları doldurduğu için toprak hacmi büyük ölçüde sabit kalır. Çok fazla su kaybolduğunda ve toprak yapısı çöktüğünde hacim azalır. O zaman kuruma çatlakları görünür hale gelir. Bunun ne zaman ve ne ölçüde gerçekleşeceği büyük ölçüde toprağa bağlıdır. Kumlu topraklarda, parçacıklar çok büyük olduğu için tamamen kuru durumda bile hacim neredeyse değişmez. Bu nedenle, hacimsel ve gravimetrik nem de oldukça farklı değişir.

Örnek devamı: 100 ml daha su eklendiğinde, hacimsel nem %40'tan %50'ye yükselir. Kütlesel nem şimdi 500/1.700=yaklaşık %30'dur, yani sadece %5 puan artmıştır. Aynı toprak örneğinin hacimsel ve kütlesel ölçüm değerleri arasındaki sayısal fark önemli olabilir.

Aşağıdaki resimler, suyun toprağın içindeki boşlukları nasıl doldurduğunu ve toprağın toplam hacmini önemli ölçüde değiştirmeden şematik olarak göstermektedir.

1. Gravimetrik (Ağırlık Belirleme)

Yöntem basit ve kesin, ancak zahmetlidir. Bunun için sadece bir terazi, ısıya dayanıklı bir kap (en az 1/2 litre), bahçe aletleri ve sabır gereklidir.

Uygulama: Kabı tartın, toprak örneğini kaba koyun ve tartın. Sonra toprak örneğini kurutun, örneğin güneşte (2-3 gün) veya fırında (110°'de 2-3 saat) ya da mikrodalgada. Kurutma sonrası ağırlığı belirleyin.

Ölçüm, toprak özelliklerini, örneğin alan kapasitesini bir kez belirlemek için ilginçtir, ancak bahçede sürekli pratik kullanım için çok zahmetli ve uzun sürer.

2. Dirençli Toprak Nem Ölçümü

Dirençli toprak nem sensörleri, iki elektrot arasındaki elektrik direncini ölçer ve böylece çevrenin elektriği ne kadar iyi ilettiğini belirler. Buradaki sorun, saf suyun çok kötü bir iletken olmasıdır. Topraktaki çözünmüş tuzlar suyu iletken yapar. Ölçüm belirli bir bahçedeki su miktarıyla bir dereceye kadar korelasyon gösterse de, toprak türüne çok bağımlıdır. Ölçüm, mutlak su içeriğinden çok çözünmüş mineral ve tuz miktarı hakkında daha fazla bilgi verir.

Buna küçük akımlar da akar, bu da enerji tüketimini artırır ve uzun vadede elektrotların tortularla zarar görmesine neden olur. Az miktarda metal de toprağa verilir.

Toplamda, dirençli toprak nem ölçümü birçok zayıf noktaya sahiptir ve sadece sınırlı olarak önerilir.

3. Kapasitif toprak nemi ölçümü

Kapasitif ölçüm yöntemlerinin anlaşılması için suyun kimyasına kısa bir bakış gereklidir.

Su molekülleri küçüktür ve bir oksijen atomu ile iki hidrojen atomundan oluşur. Molekülün elektronları oksijen atomu tarafından güçlü bir şekilde çekilir. Bu nedenle, molekül dışarıdan bakıldığında oksijen atomu çevresinde negatif yüklü bir bölge ve hidrojen atomları çevresinde pozitif yüklü bir bölgeye sahiptir. Su, böylece elektriksel bir dipolün en güzel örneğidir. Suyun dipol momenti, benzersiz ve hayati birçok özelliğinden sorumludur, örneğin:

• Çözücü olarak diğer polar maddeleri ve tuzları çözme yeteneği.
• Yüksek kaynama noktası, yüzey gerilimi ve kapiler etkiye yol açan kristal benzeri bir yapının oluşumu.

Su molekülleri, pozitif ve negatif yüklü plakalar (elektrotlar) arasındaki gibi elektrik yüklü bir ortama getirildiğinde, plakaların yüklerine zıt şekilde hizalanırlar. Bu, yükü azaltır ve enerji gerektirir. Bu, aşağıdaki şemada görülebilir:

Yük tutma özelliği malzemeye özgüdür ve permittivite olarak adlandırılır ve permittivite sayısı ile ölçülür. Bu, su için 80'dir ve çoğu diğer maddeden çok daha yüksektir. Karşılaştırma için, havanın permittivite sayısı 1 ve kuru toprağın 3 ile 10 arasındadır. Yani su, çok az bir ölçüde bir pil gibi yük depolar. Su elbette bir pil olarak kullanılamaz, ancak permittiviteden kaynaklanan etkiler birçok yöntemle ölçülebilir. Bu etkiler arasında sinyal gecikmesi, genlik zayıflaması, yansımalar ve diğerleri bulunur. Kapasitif ölçüm yöntemleri bunlara dayanır. Teknik uygulama için ise 2 gruba ayrılan çok sayıda olasılık vardır.

3.1 Zaman Alanı Yansıtma Ölçümü

Birinci grup sensörler kısa bir sinyal darbesi gönderir ve sinyalin veya yansımaların zamanını ölçer. Bunun için yüksek hassasiyetli zaman ölçümleri gereklidir. Genel olarak İngilizce terim TDR (Time Domain Reflectometry) kullanılır. TDR sensörleri genellikle büyüktür, iyi ölçüm doğruluğu sağlar, kurulumu zordur, toprağa kalibre edilmeleri gerekir ve pahalıdır.

3.2 Frekans Alanı Yansıtma Ölçümü

İkinci grup kapasitif sensörler yüksek frekanslı bir sinyal kullanır ve toprak örneği ile temas halinde frekans değişimlerini ölçer. En yaygın kullanılan İngilizce terim FDR (Frequency Domain Reflectometry) olarak adlandırılır. FDR sensörleri iyi doğruluk sunar, daha az karmaşık elektronik içerir ve TDR'den daha kolay kullanılır, en iyi sonuçlar için toprağa kalibrasyon gerektirir ve TDR'den daha ekonomiktir.

Volümetrik Ölçüm: kapasitif sensörler çevredeki toprağın elektriksel kapasitesini ve permitivitesini ölçer.
Bu, volümetrik su içeriği ile yani su hacminin toplam hacme oranı ile yakından ilişkilidir. Sensörler tüm elektrik alanını – yani hava, su ve katı maddeleri – bir karışım olarak "görür". Bu nedenle tüm ölçüm sonuçları toprağa bağlıdır. Örneğin tuzlar, gübreler ve humus kuru toprağın baz kapasitesini artırır. Ağır toprakların da daha yüksek baz kapasitesi vardır. Bu, kalibrasyon olmadan mutlak doğru nem ölçümü yapılamayacağı anlamına gelir çünkü toprağın etkisi göz ardı edilemez.

Kalibrasyon: doğru mutlak volümetrik nem değerleri elde etmek için tüm kapasitif sensörlerin toprağa kalibre edilmesi gerekir. Ancak pratikte bu genellikle gerekli değildir çünkü bir sensörün ölçüm değerleri sürekli olarak "toprak faktörü" kadar kaydırılır. Bu sadece sonuçların yorumlanmasında ve özellikle sulama kontrolünde dikkate alınmalıdır.

Giriş Derinliği ve Ölçüm Aralığı kapasitif sensörler elektrotlar arasındaki alanla sınırlıdır. Yani büyük hacimli ölçümler yapmak istenirse sensörler hızla büyük ve kullanışsız olur. Mekansal yayılım çok azdır çünkü sensörden birkaç santimetre uzaktaki alanlar artık anlamlı bir katkı sağlamaz.

Toprak Teması: güvenilir ölçümler için sensör yüzeyinin toprakla teması gerekir.

Sensörün Etkisi: sensörün yerleştirilmesiyle topraktaki su akışı da değişir. Sensör ne kadar büyükse etki o kadar büyük olur.

Sıcaklık Bağımlılığı: Suyun permitivitesi sıcaklığa bağlıdır – örneğin 20 °C’de yaklaşık 80, 0 °C’de yaklaşık 88 ve 40 °C’de yaklaşık 72’dir. Bu, daha sıcak toprakların daha kuru görünmesi anlamına gelir. Bu etki elektronik üzerindeki sıcaklık etkilerinden bağımsızdır ve ölçüm doğruluğunu etkiler.

MIYO sensörleri, toprak nemini ölçmek için kendi geliştirdikleri FDR teknolojisini kullanır. Burada belirli bir frekans üretilmez, sadece bir rezonans devresi uyarılır. Toprak, rezonans devresinin bir parçasıdır ve çevresel kapasiteye bağlı olarak ölçülen bir frekans oluşur. Bir ölçüm 30 milisaniye sürer ve frekans ne kadar düşükse, toprakta o kadar fazla nem vardır.

Ölçümün hassasiyeti için doğru montaj çok önemlidir. Ayaktaki sensör yüzeyi toprakla temas etmeli, ancak aşırı baskı olmamalıdır, aksi takdirde ölçüm değerleri çok yüksek çıkar.

İşte yapman gerekenler:

En az 13 cm derinliğinde bir delik kaz. Gerekirse sensörü daha derine gömmek de sorun değil. En üstteki 3 cm mutlaka topraktan dışarıda kalmalı, çünkü anten orada bulunuyor. Ahşap veya taş gibi kaba kirleri çıkar ve kazılan deliğe gevşekçe bir avuç toprak serpiştir. Sensörü yerleştir. Sensör yüzeyi, aşırı baskı olmadan toprakla temas etmeli. Deliği tekrar doldur ve toprağı sıkıştır. Toprağın daha da sıkılaşması için deliği sulandır. Hazır. Uygulamada zaten mevcut toprak nemini görebilirsin.