Perché il TDR contro la capacità potrebbe non essere chiaro

Why TDR vs. capacitance may be missing the point

Quando si valuta quale sia il sensore di contenuto idrico del suolo più adatto a qualsiasi applicazione, è facile trascurare la domanda più ovvia: cosa si sta misurando?

CONTRIBUENTI

Quando si valuta quale sia il sensore di contenuto idrico del suolo più adatto a qualsiasi applicazione, è facile trascurare una domanda ovvia: cosa si sta misurando? La riflettometria nel dominio del tempo (sensore TDR) rispetto alla tecnologia dei sensori di capacità è la domanda giusta per un ricercatore che sta analizzando la permittività dielettrica in un ampio spettro di frequenze di misurazione (chiamata spettroscopia dielettrica). Questi dati contengono informazioni importanti, come la possibilità di misurare la densità apparente insieme al contenuto d'acqua e alla conducibilità elettrica. Se questa è la misura desiderata, attualmente è sufficiente una sola tecnologia: TDR. La riflettanza dell'impulso elettrico che si muove lungo le aste conduttrici contiene un'ampia gamma di frequenze. Una volta digitalizzate, queste frequenze possono essere separate dalla trasformata rapida di Fourier e analizzate per ottenere ulteriori informazioni.

L'obiettivo della maggior parte degli scienziati, tuttavia, è semplicemente quello di monitorare il contenuto idrico del suolo istantaneamente o nel tempo, con una buona precisione, il che significa che un complesso e costoso sistema di sensori TDR potrebbe non essere necessario.

La teoria alla base di entrambe le tecniche

Le tecniche dei sensori di capacità e deisensori TDR sono spesso raggruppate insieme perché entrambe misurano la permittività dielettrica del mezzo circostante. In effetti, non è raro che le persone confondano le due tecniche, suggerendo che una determinata sonda misuri il contenuto d'acqua in base alla tecnologia del sensore TDR, quando in realtà utilizza la tecnologia del sensore di capacità. Di seguito viene chiarita la differenza tra le due tecniche.

La tecnica del sensore di capacità determina la permittività dielettrica di un mezzo misurando il tempo di carica di un condensatore che utilizza quel mezzo come dielettrico. Si definisce innanzitutto una relazione tra il tempo, t, necessario per caricare un condensatore da una tensione iniziale, Vi a una tensione Vf con una tensione applicata, Vf.

Equation 1
Equazione 1

dove R è la resistenza in serie e C è la capacità. La figura 1 illustra la carica del condensatore:

A graph illustrating the charging of the capacitor
Figura 1. La carica del condensatore

Se la resistenza e il rapporto di tensione sono mantenuti costanti, il tempo di carica del condensatore, t, è correlato alla capacità in base a

Equation 2
Equazione 2

Per un condensatore a piastre parallele, la capacità è una funzione della permittività dielettrica(k) del mezzo tra le piastre del condensatore e può essere calcolata da

Equation 3
Equazione 3

dove A è l'area delle piastre e S è la separazione tra le piastre. Poiché anche A e S sono valori fissi, il tempo di carica sul condensatore è una semplice funzione lineare (idealmente) della permittività dielettrica del mezzo circostante.

Equation 4
Equazione 4

Le sonde per il suolo non sono condensatori a piastre parallele, ma la relazione mostrata nell'Equazione 3 è valida qualunque sia la geometria della piastra. La riflettometria nel dominio del tempo (sensore TDR) determina la permittività dielettrica di un mezzo misurando il tempo di propagazione di un'onda elettromagnetica lungo una linea di trasmissione circondata dal mezzo. Il tempo di transito(t) di un impulso elettromagnetico che percorre la lunghezza di una linea di trasmissione e ritorna indietro è correlato alla permittività dielettrica del mezzo, k, dalla seguente equazione

Equation 5
Equazione 5

dove L è la lunghezza della linea di trasmissione e c è la velocità della luce (3 x 108 m s nel vuoto). Pertanto, la permittività dielettrica si calcola

Equation 6
Equazione 6

Pertanto, il tempo di propagazione dell'onda elettromagnetica lungo il sensore TDR è solo una funzione del quadrato del tempo di transito e di un valore fisso(c/2L). Poiché c e L sono rispettivamente una costante e una lunghezza fissa, le misure del sensore TDR sono teoricamente meno sensibili alle condizioni del terreno e dell'ambiente rispetto ai sensori di capacità. Tuttavia, l'interpretazione dell'output del sensore TDR può essere una notevole fonte di errore quando l'elevata salinità diminuisce la forma d'onda della riflettanza o la temperatura modifica il punto finale.

La frequenza fa la differenza nella precisione

An oscillating voltage must be applied to a TDR sensor or capacitance sensor to measure the reflection or charge time in the medium. The frequency of the oscillation is important because it is widely accepted that low frequencies (<10 MHz) are highly susceptible to changes in salinity and temperature. Because there is no limit on the possible input frequencies for either technique, it is important to verify the frequency of the soil moisture device used.

I sensori di capacità prodotti da METER utilizzano frequenze elevate per minimizzare gli effetti della salinità del terreno sulle letture. Le frequenze utilizzate, tuttavia, sono leggermente inferiori a quelle del TDR, in genere da 50 a 100 MHz. L'alta frequenza delle sonde capacitive "vede" tutta l'acqua presente nel terreno, pur essendo sufficientemente alta da evitare la maggior parte degli errori dovuti alla salinità del terreno presenti nelle sonde capacitive più vecchie. Il circuito di un sensore capacitivo può essere progettato per risolvere variazioni estremamente piccole del contenuto volumetrico di acqua, tanto che la NASA ha utilizzato la tecnologia dei sensori capacitivi per misurare il contenuto di acqua su Marte. I sensori capacitivi hanno un costo inferiore perché non richiedono molti circuiti, consentendo un maggior numero di misurazioni per ogni dollaro.

Come un sensore TDR, un sensore di capacità è ragionevolmente facile da installare. Le punte di misura tendono a essere più corte rispetto a quelle di un sensore TDR, quindi possono essere meno difficili da inserire in un foro. I sensori capacitivi tendono ad avere requisiti energetici inferiori e possono durare per anni sul campo, alimentati da una piccola batteria in un data logger.

Gli errori sono dovuti a metodi di installazione inadeguati

In sintesi, sebbene la teoria alla base delle misurazioni sia leggermente diversa, un sensore TDR e un sensore capacitivo misurano entrambi la permittività dielettrica per ottenere il contenuto volumetrico di acqua. Da un punto di vista storico, sia il TDR che la capacitanza sono stati ampiamente accettati, anche se alcuni potrebbero percepire un valore maggiore nel TDR rispetto alla capacitanza a causa dell'estrema differenza di prezzo. In generale, è possibile ottenere misure ragionevoli del contenuto volumetrico di acqua con entrambe le tecniche e gli errori di misurazione sono spesso dovuti più a metodi di installazione inadeguati che a limitazioni delle tecniche stesse.

Domande?

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Un nuovo strumento a prova di errore per l'installazione dei sensori

Il nuovo TEROS Borehole Installation Tool riduce l'incertezza dei dati rendendo l'installazione dei sensori di umidità del suolo a prova di errore. Guardate il video per vedere come funziona.

Grazie al suo vantaggio meccanico, lo strumento garantisce un'installazione uniforme e impeccabile in qualsiasi tipo di terreno (anche in argilla dura), riducendo al minimo il disturbo del sito. I sensori vengono installati direttamente e perpendicolarmente con una pressione uniforme e poi rilasciati delicatamente per evitare vuoti d'aria e flussi preferenziali. Ciò significa che la linea di sensori di umidità del suolo capacitivi TEROS è in grado di fornire una maggiore precisione con una minore incertezza rispetto a sensori simili presenti sul mercato.

Suggerimenti per l'installazione per una maggiore precisione

Una cattiva installazione è la fonte più comune di errore nei dati sull'umidità del suolo, ma esistono tecniche che garantiscono un'installazione sempre perfetta. L'esperto di installazione di sensori, Chris Chambers, spiega perché è necessaria un'installazione più intelligente dei sensori di umidità del suolo e come ottenerla. Impara:

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  • Come i vari problemi di installazione appaiono nei dati (ad esempio, intercapedini d'aria, sensori allentati, cambiamento del tipo di terreno, attraversamento di profondità).
  • Come garantire un'installazione accurata
  • Come il nuovo TEROS Borehole Installation Tool riduce i vuoti d'aria e le perturbazioni del sito, migliorando al contempo la coerenza
  • Cosa fanno gli altri scienziati per assicurare una corretta installazione

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