Per valutare le prestazioni di qualsiasi sensore di contenuto d'acqua, è necessario innanzitutto comprenderne la tecnologia. A tal fine, è necessario capire come si misura il contenuto volumetrico d'acqua (VWC). Il contenuto volumetrico d'acqua è il volume dell'acqua diviso per il volume del terreno (equazione 1), che fornisce la percentuale di acqua in un campione di terreno.
Quindi, ad esempio, se un volume di terreno (Figura 1) è composto dai seguenti elementi: 50% di minerali del suolo, 35% di acqua e 15% di aria, il suolo avrebbe un contenuto volumetrico di acqua del 35%.
La percentuale di acqua in massa(wm) può essere misurata direttamente con il metodo gravimetrico, che prevede la sottrazione della massa del suolo essiccata al forno(md) dalla massa del suolo umido (ottenendo la massa d'acqua, mw) e dividere per md (Equazione 2).
Il contenuto d'acqua gravimetrico risultante può essere convertito in volumetrico moltiplicandolo per la densità apparente secca del terreno(⍴b) (Equazione 3).
Il contenuto volumetrico d'acqua può essere misurato anche indirettamente: ciò significa che si misura un parametro correlato al VWC e si utilizza una calibrazione per convertire tale quantità in VWC. Tutti i sensori di umidità del suolo METER utilizzano un metodo indiretto chiamato tecnologia capacitiva. In parole povere, la tecnologia della capacità utilizza due elettrodi metallici (sonde o aghi) per misurare la capacità di immagazzinare carica (o la permittività dielettrica apparente) di ciò che si trova tra loro.
La Tabella 1 illustra che ogni comune componente del suolo ha una diversa capacità di immagazzinare carica. Nel suolo, il volume della maggior parte di questi costituenti rimane costante nel tempo, mentre il volume dell'aria e dell'acqua fluttua.
| Materiale | Permittività dielettrica apparente |
|---|---|
| Aria | 1 |
| Minerali del suolo | 3 - 16 |
| Materia organica | 2 - 5 |
| Ghiaccio | 5 |
| Acqua | 80 |
Poiché l'aria non immagazzina quasi nessuna carica e l'acqua ne immagazzina una grande, è possibile misurare la variazione della capacità di immagazzinare cariche di un terreno e metterla in relazione con la quantità di acqua (o VWC) presente nel terreno. (Per una spiegazione più dettagliata della tecnologia della capacità, vedere Soil Moisture 201).
Quando negli anni '70 la tecnologia della capacità è stata utilizzata per la prima volta per misurare l'umidità del suolo, gli scienziati si sono presto resi conto che la velocità con cui il campo elettromagnetico veniva caricato e scaricato era fondamentale per il successo. Basse frequenze portavano a grandi effetti di salinità del suolo sulle letture. Nel corso del tempo, questa nuova comprensione, combinata con i progressi nella velocità dell'elettronica, ha permesso di adattare l'approccio capacitivo originale per ottenere il successo. I moderni sensori di capacità, come i sensori METER, utilizzano frequenze elevate (70 MHz) per ridurre al minimo gli effetti della salinità del suolo sulle letture.
I circuiti dei sensori capacitivi possono essere progettati per risolvere variazioni estremamente piccole del contenuto volumetrico di acqua, tanto che la NASA ha utilizzato la tecnologia capacitiva di METER per misurare il contenuto di acqua su Marte. I sensori di umidità del suolo capacitivi sono facili da installare e tendono a richiedere poca energia. Possono durare per anni sul campo, alimentati da una piccola batteria in un data logger.
Entrambi i sensori di umidità del suolo TEROS e ECH2Outilizzano la stessa affidabile tecnologia capacitiva ad alta frequenza (70 MHz), pubblicata in migliaia di pubblicazioni con revisione paritaria. La Figura 3 mostra i dati di calibrazione dei sensori ECH2O5TE e TEROS 12.
La nuova lineaTEROS , tuttavia, sfrutta i progressi nelle tecniche di calibrazione, uno strumento di installazione e migliori materie prime per produrre sensori più durevoli, accurati, più facili e veloci da installare, più coerenti e collegati a un sistema di registrazione e visualizzazione dei dati potente e intuitivo, quasi in tempo reale (Figura 4).
Ecco alcuni dei cambiamenti che vedrete nella nuova linea di sensori del contenuto d'acqua TEROS :
Variabilità minima da sensore a sensore: i sensoriTEROS 11/12 utilizzano una procedura di calibrazione completamente nuova che massimizza l'accuratezza e riduce al minimo la variabilità da sensore a sensore, mantenendo il costo del sensore ragionevole. In questo modo si può essere certi che ogni sensore installato verrà letto esattamente come quello successivo.
Grande volume di influenza: I sensori TEROS 11/12 forniscono un volume di influenza di un litro (rispetto ai 200 mL tipici della maggior parte dei sensori).
Prestazioni affidabili e di lunga durata del sensore: Gli aghi in acciaio inox di alta qualità, affilati e migliorati, scivolano facilmente anche nei terreni più duri, mentre il riempimento epossidico di lunga durata fa sì che il sensore duri fino a 10 anni sul campo. Nel modello TEROS 12, abbiamo posizionato un sensore di temperatura perfettamente all'interno dell'ago centrale, in modo che gli aghi siano robusti ma estremamente sensibili alle variazioni di temperatura del terreno.
Riduzione degli errori di installazione: Il nuovo TEROS Borehole Installation Tool a prova di errore e garantisce un inserimento costante e impeccabile in qualsiasi tipo di terreno (anche in argilla dura), riducendo al minimo il disturbo del sito. I sensori vengono installati perfettamente perpendicolari alla parete laterale con una pressione uniforme e poi rilasciati delicatamente per evitare vuoti d'aria.
Standard di verifica: la ripetibilità del sensore TEROS può essere verificata con uno standard di verifica dell'accuratezza. Nessun altro sensore di umidità del suolo ha questa possibilità. È sufficiente far scorrere la clip di verifica su un sensore e collegarlo a un logger. Se la lettura rientra nell'intervallo corretto, il sensore è pronto per l'uso.
Raccolta dati senza soluzione di continuità: Per una raccolta dati semplice e affidabile, combinate i sensori di TEROS con il nuovo sistema di rilevamento dei dati. ZL6dove tutti i dati vengono trasmessi in tempo quasi reale attraverso il sistema cloud.
Abbiamo creato la nuova linea di sensori TEROS per eliminare le barriere che impediscono una buona precisione, come l'incoerenza dell'installazione, la variabilità da sensore a sensore e la verifica del sensore. I sensori di umidità del suoloTEROS utilizzano la stessa affidabile tecnologia ECH2O, ma vanno oltre la linea ECH2Oper ottimizzare la precisione dell'intero set di dati. Combinano un'installazione coerente e impeccabile, una struttura estremamente robusta, una variabilità minima da sensore a sensore, un ampio volume di influenza e una registrazione avanzata dei dati per offrire le migliori prestazioni, accuratezza, facilità d'uso e affidabilità a un prezzo accessibile.
Volete maggiori dettagli? Nel video qui sotto, l'esperto di umidità del suolo Leo Rivera spiega perché abbiamo impiegato 20 anni per creare la nuova linea di sensori TEROS .
Scoprite come la tecnologia capacitiva e i sensori METER sono migliorati e avanzati nel tempo.
| Anno | Sensore | Storia dello sviluppo |
|---|---|---|
| 2000 | ECH2O20 | Nel 1999 i sistemi di misurazione dell'umidità del suolo erano costosi. Uno studente del WSU immaginò un sensore connesso a basso costo e a bassa potenza che i coltivatori avrebbero potuto utilizzare per gestire l'irrigazione. Chiese al dottor Gaylon S. Campbell di sviluppare la tecnologia e il sensore risultante misurò la capacità del suolo a 6 MHz, dando inizio a una classe completamente nuova di tecnologie di rilevamento dell'umidità del suolo a prezzi accessibili. Il circuito sovrastampato della sonda ECH2Oe gli elettrodi sigillati nel materiale del circuito stampato ne hanno reso economica la produzione e ne hanno consentito l'interramento nel terreno. L'esperienza ha dimostrato che il sensore funzionava bene in terreni naturali con bassa salinità, ma perdeva precisione a livelli di salinità medio-alti. |
| 2002 | ECH2O10 | Abbiamo ricevuto molte richieste di accorciare l'ECH2O, soprattutto da parte dei coltivatori di serre, che volevano un sensore abbastanza corto da poter essere inserito nei loro contenitori per vasi. Il nuovo ECH2O10 si è rivelato utile in queste nuove applicazioni, ma le sfide legate all'acqua di irrigazione ricca di nutrienti utilizzata nelle serre e nei vivai hanno spinto i nostri scienziati a trovare il modo di ridurre al minimo l'influenza della conducibilità elettrica. |
| 2005 | EC-5 | Nel 2003 abbiamo iniziato a sperimentare frequenze di misura più elevate, arrivando infine a 70 MHz, che hanno ridotto al minimo la sensibilità alla salinità e migliorato le prestazioni complessive del sensore, rendendo il nuovo EC-5 accurato in quasi tutti i terreni o substrati privi di suolo. L'installazione del sensore è stata molto più semplice grazie all'utilizzo di punte e la combinazione tra il basso costo del sensore e il minimo consumo di energia lo ha reso ideale per l'utilizzo in reti di grandi dimensioni. È diventato uno dei nostri sensori di contenuto d'acqua più popolari. |
| 2007 | ECH2O TE | Una volta rilasciato EC-5 , siamo stati sommersi da richieste di aggiungere al sensore la temperatura e la conducibilità elettrica (EC) da parte di coltivatori che utilizzano l'EC del loro terreno o dei substrati senza terra come surrogato dei nutrienti disponibili per la pianta. Abbiamo costruito ECH2OTE, che misura l'EC con elettrodi d'oro sulla superficie del materiale del circuito stampato. |
| 2007 | ECH2O TM | Subito dopo il rilascio di ECH2OTE, abbiamo progettato un sensore complementare, ECH2OTM, che misurava solo il contenuto d'acqua e la temperatura. Si trattava di un sensore importante per molte applicazioni di ricerca, in quanto la temperatura del suolo è spesso combinata con il contenuto d'acqua quando si misura un profilo del suolo. |
| 2008 | 10HS | Nonostante la popolarità di EC-5, alcuni clienti non hanno apprezzato la lunghezza dei sensori ECH2O10 e 20, ormai in disuso. Il 10HS è stato introdotto con punte da 10 cm per aumentare la sua sfera di influenza e includere un volume maggiore di terreno nella misurazione del VWC (1,3 litri rispetto al EC-5 che misurava 0,24 litri). |
| 2009 | 5TE | Sebbene l'ECH2OTE misurasse accuratamente l'EC, i piccoli fori nel circuito di misurazione in oro consentivano all'acqua di raggiungere il rame sottostante e di corroderne la superficie. Il 5TE ha sostituito la lunga superficie d'oro con piccoli elettrodi a vite in acciaio inossidabile, impermeabili alla corrosione e in grado di durare per diversi anni nel terreno. |
| 2010 | 5TM | Il 5TM è stato introdotto come compagno del 5TE, in modo che entrambi potessero essere aggiornati al nuovo design più robusto. |
| 2012 | GS3 | Nel 2013 abbiamo combinato gli aghi in acciaio con un processo di sovrastampaggio epossidico, aumentando la durata del sensore. Abbiamo automatizzato il processo di sovrastampaggio epossidico, rendendo il robusto sensore GS3 estremamente conveniente. Gli aghi in acciaio hanno conferito a questo sensore una superficie estesa per ottimizzare le misure di EC, riducendo al minimo il disturbo del substrato durante l'inserimento. La temperatura è stata misurata con un termistore a bordo, mentre la conducibilità elettrica è stata misurata con un array di elettrodi in acciaio inossidabile. |
| 2014 | GS1 | I nostri clienti del settore agricolo commerciale volevano un sensore del contenuto d'acqua senza fronzoli e a prova di bomba, con un grande volume di influenza in grado di misurare in ambienti difficili. Così, dopo aver fatto progressi nel processo di sovrastampaggio epossidico, abbiamo progettato un guscio rigido e lo abbiamo riempito di epossidico, introducendo il nostro sensore volumetrico di contenuto d'acqua più robusto. |
| Oggi | TEROS Serie | La nuova linea di sensori di umidità del suolo TEROS combina la consolidata tecnologia capacitiva ad alta frequenza di METER con una forma ultra-robusta, uno strumento di installazione e una nuova procedura di calibrazione per offrire il nostro sensore più accurato e facile da usare con un eccellente rapporto prezzo-prestazioni (vedi Figura 4). |
Tutto quello che c'è da sapere sulla misurazione dell'umidità del suolo: tutto in un unico posto.
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Sei brevi video vi insegnano tutto quello che c'è da sapere sul contenuto d'acqua del suolo e sul potenziale idrico del suolo, e perché dovreste misurarli insieme. Inoltre, imparate a conoscere le basi della conducibilità idraulica del suolo.
I nostri scienziati hanno decenni di esperienza nell'aiutare ricercatori e coltivatori a misurare il continuum suolo-pianta-atmosfera.
La programmazione dell'irrigazione in agricoltura e nei tappeti erbosi richiede un sensore di umidità del suolo che sia preciso, affidabile e a basso costo. Molti sensori sono limitati perché non riescono a soddisfare una di queste aree. Fino ad oggi.
TEROS I sensori sono più durevoli e precisi, più facili e veloci da installare, più coerenti e collegati a un sistema di registrazione e visualizzazione dei dati potente e intuitivo, quasi in tempo reale.
Tra le migliaia di pubblicazioni peer-reviewed che utilizzano i sensori del suolo METER, nessun tipo emerge come il preferito. La scelta del sensore deve quindi basarsi sulle esigenze e sull'applicazione. Utilizzate queste considerazioni per identificare il sensore perfetto per la vostra ricerca.
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