Perché dipingere e calibrare il sensore di bagnatura delle foglie non funziona

Why painting and calibrating your leaf wetness sensor won’t work

Quando l'umidità relativa della superficie del sensore è superiore al 90%, i sensori di umidità delle foglie dipinte registrano un falso positivo. (RHs) è superiore al 90%, i sensori di umidità delle foglie dipinte registrano un falso positivo.

CONTRIBUENTI

Una serie significativa di ricerche condotte dai leader della ricerca sulla bagnatura fogliare e sulle malattie delle piante suggerisce di verniciare e calibrare i sensori di bagnatura fogliare per ottenere misurazioni accurate (ad esempio, Gillespie e Duan, 1987; Lau et al., 2000; Sentelhas et al., 2004).

Con il sensore di bagnatura fogliare standard a griglia di resistenza, la bagnatura viene rilevata solo quando le gocce d'acqua sono abbastanza grandi da colmare lo spazio tra due dita della griglia e abbassare la resistenza effettiva. I ricercatori hanno riconosciuto questo fatto già da tempo e hanno cercato di escogitare metodi che permettessero ai sensori di rilevare piccole gocce d'acqua, tipiche dell'inizio della rugiada. I metodi andavano dalla posa di un panno sopra il sensore al metodo standard attuale: dipingere la superficie del sensore con vernice al lattice. Invece di far passare l'acqua sulle tracce, la resistenza della vernice al lattice cambia quando è bagnata, facendo variare l'uscita della sonda.

Il metodo della vernice produce falsi positivi

Tuttavia, questo metodo presenta un grave difetto di cui molti ricercatori potrebbero non essere a conoscenza. Per poter assorbire l'acqua e ottenere una variazione di resistenza, la vernice al lattice deve essere di natura igroscopica. Come la maggior parte dei materiali igroscopici, la vernice al lattice è indifferente allo stato dell'acqua e assorbe il vapore acqueo con la stessa facilità dell'acqua liquida. Gillespie e Duan (1987) e Sentelhas et al. (2004) hanno suggerito che questo effetto può essere minimizzato cuocendo la vernice al lattice per rimuovere alcuni degli elementi igroscopici, rendendo il sensore meno sensibile al vapore acqueo. Tuttavia, anche questo protocollo specializzato non elimina completamente gli effetti del vapore acqueo.

Abbiamo raccolto i dati sul campo con un sensore di bagnatura fogliare a griglia di resistenza standard dipinto con vernice al lattice e cotto secondo Gillespie e Duan (1987). La temperatura dell'aria e l'umidità relativa (RH) sono state misurate in prossimità del sensore di umidità fogliare, mentre la temperatura del sensore stesso è stata misurata con una termocoppia a filo sottile per consentire il calcolo dell'umidità relativa della superficie del sensore (RHs). La Figura 1 mostra il grafico della resistenza del sensore in funzione di RHs. Con questo particolare sensore, la resistenza a secco è di circa 7000 kΩ, e qualsiasi resistenza inferiore a questo valore di base sarebbe generalmente considerata indice di un sensore bagnato. È chiaramente evidente dal grafico che anche il sensore accuratamente trattato e cotto inizia a dare risultati falsi positivi al di sopra del 70% circa di umidità relativa. Infatti, dalla Figura 1 si evince che in ogni momento in cui l'UR è superiore al 90%, la sonda verniciata registra un falso positivo.

A graph showing grid resistance of a painted, baked resistance type leaf wetness sensor as a function of sensor surface relative humidity (RHs)
Figura 1. Resistenza della griglia di un sensore di bagnatura fogliare verniciato, del tipo a resistenza cotta, in funzione dell'umidità relativa (UR) della superficie del sensore. I dati sono stati raccolti in un periodo di 60 giorni nell'estate e nell'autunno del 2005. I periodi durante e dopo gli eventi di pioggia e rugiada sono stati accuratamente rimossi dall'insieme dei dati, per cui ogni resistenza inferiore al livello di base di 7000 kΩ è un falso evento di acqua liquida.

Alcuni ricercatori combattono gli effetti igroscopici evidenti nella Figura 1 calibrando individualmente ogni sensore dipinto. Un metodo di calibrazione comune consiste nel sigillare ogni sensore in un contenitore isotermico su una vasca d'acqua e registrare la resistenza del sensore all'equilibrio nelle condizioni di UR al 100% che ne derivano. Questo valore viene poi considerato come il nuovo valore di riferimento. Come si può immaginare, si tratta di un'attività noiosa e lunga.

Un nuovo metodo elimina la necessità di verniciatura o calibrazione

Un sensore di umidità fogliare di recente sviluppo (PHYTOS 31, METER) utilizza un metodo diverso per misurare l'umidità superficiale. Invece di misurare la resistenza tra le dita della griglia metallica, il sensore misura la costante dielettrica della superficie del sensore. Con il metodo dielettrico, non è necessario che le gocce siano abbastanza grandi da colmare le tracce adiacenti, quindi viene misurata qualsiasi quantità di acqua liquida sulla superficie della sonda, indipendentemente dalle dimensioni delle gocce. Ciò elimina la necessità di verniciare il sensore.

Test approfonditi hanno dimostrato che gli effetti igroscopici non sono presenti al di sotto del 98,5% circa di UR e che quelli tra il 98,5% e la saturazione non sono abbastanza grandi da essere registrati come valori falsi positivi. I sensori di bagnatura dielettrici delle foglie sono inoltre sintonizzati individualmente prima di lasciare la fabbrica, in modo che ogni sensore legga esattamente lo stesso, eliminando così la necessità di calibrazione da parte dell'utente. Le Figure 2 e 3 mostrano i dati raccolti rispettivamente con un sensore a griglia a resistenza dipinta e con un sensore di bagnatura fogliare dielettrico durante l'inizio di un tipico evento di rugiada notturna. Dalla Figura 2, è evidente che la risposta igroscopica del sensore verniciato può portare a una significativa sovrastima della durata della bagnatura fogliare (in questo caso, oltre 1,5 ore) se il sensore non viene calibrato individualmente dopo la verniciatura. La Figura 3 mostra i dati dello stesso evento di rugiada raccolti con un sensore di bagnatura fogliare dielettrico senza verniciatura o calibrazione da parte dell'utente. Il sensore di bagnatura fogliare dielettrico sottostima la durata della bagnatura fogliare di cinque minuti.

A graph showing grid resistance and surface relative humidity of a painted, baked resistance grid leaf wetness sensor over the onset of evening dew
Figura 2. Resistenza della griglia e umidità relativa della superficie di un sensore di umidità fogliare a griglia verniciato e cotto al momento dell'inizio della rugiada serale. La linea orizzontale tratteggiata indica la resistenza a secco del sensore, mentre qualsiasi valore inferiore a tale soglia indica la presenza di umidità superficiale. La linea verticale continua indica il momento in cui è presente il 100% di UR e in cui la rugiada inizia a formarsi sulla superficie del sensore. La zona grigia tra le linee verticali tratteggiate e solide indica il periodo di tempo in cui il sensore a griglia segnala la presenza di acqua liquida (umidità superficiale), ma non è presente.
A graph showing sensor output and surface relative humidity of an out-of-the-box dielectric leaf wetness sensor over the onset of evening dew
Figura 3. Uscita del sensore e umidità relativa della superficie di un sensore di bagnatura fogliare dielettrico fuori dalla scatola all'inizio della rugiada serale. La linea orizzontale tratteggiata indica l'uscita del sensore dalla linea di base asciutta; qualsiasi valore superiore a tale soglia indica la presenza di umidità superficiale. La linea verticale continua indica il momento in cui è presente il 100% di UR e in cui la rugiada inizia a formarsi sulla superficie del sensore. La zona grigia tra le linee verticali tratteggiate e solide indica il periodo di tempo in cui il sensore dielettrico segnala la presenza di acqua liquida (umidità superficiale), ma non è presente.

I dati presentati sopra dimostrano in modo convincente che il nuovo sensore di bagnatura fogliare dielettrico fornirà risultati più accurati rispetto a un sensore di bagnatura fogliare a griglia di resistenza non verniciato o verniciato e non calibrato, senza i problemi di verniciatura e cottura o di calibrazione individuale.

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Riferimenti

Gillespie, T. J. e R-X. Duan. "Un confronto tra sensori cilindrici e a piastra piatta per la durata della bagnatura superficiale". Agricultural and Forest Meteorology 40, no. 1 (1987): 61-70. Link all'articolo.

Lau, Yewah F., Mark L. Gleason, Narjess Zriba, S. Elwynn Taylor e Paul N. Hinz. "Effetti del rivestimento, dell'angolo di distribuzione e dell'orientamento della bussola sulle prestazioni dei sensori elettronici di umidità durante i periodi di rugiada". Plant Disease 84, no. 2 (2000): 192-197. Link all'articolo (accesso libero).

Sentelhas, P. C., J. E. B. A. Monteiro e T. J. Gillespie. "Sensore elettronico di durata della bagnatura fogliare: perché dovrebbe essere dipinto". International Journal of Biometeorology 48, no. 4 (2004): 202-205. Link all'articolo.

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