Zastanawiając się, który czujnik zawartości wody w glebie będzie najlepszy do danego zastosowania, łatwo przeoczyć oczywiste pytanie: co jest mierzone? Reflektometria w dziedzinie czasu (czujnik TDR) a technologia czujnika pojemnościowego to właściwe pytanie dla badacza, który bada przenikalność dielektryczną w szerokim spektrum częstotliwości pomiarowych (zwanym spektroskopią dielektryczną). Dane te zawierają ważne informacje, takie jak możliwość pomiaru gęstości nasypowej wraz z zawartością wody i przewodnością elektryczną. Jeśli jest to pożądany pomiar, obecnie wystarczy tylko jedna technologia: TDR. Odbicie impulsu elektrycznego, który przemieszcza się w dół prętów przewodzących, zawiera szeroki zakres częstotliwości. Po zdigitalizowaniu, częstotliwości te mogą być rozdzielone za pomocą szybkiej transformaty Fouriera i analizowane w celu uzyskania dodatkowych informacji.
Celem większości naukowców jest jednak po prostu monitorowanie zawartości wody w glebie natychmiast lub w czasie, z dobrą dokładnością, co oznacza, że złożony i kosztowny system czujników TDR może nie być konieczny.
Techniki czujników pojemnościowych iczujników TDR są często grupowane razem, ponieważ obie mierzą przenikalność dielektryczną otaczającego medium. W rzeczywistości nierzadko zdarza się, że osoby fizyczne mylą te dwie techniki, sugerując, że dana sonda mierzy zawartość wody w oparciu o technologię czujnika TDR, podczas gdy w rzeczywistości wykorzystuje technologię czujnika pojemnościowego. Poniżej znajduje się wyjaśnienie różnicy między tymi dwiema technikami.
Technika czujnika pojemnościowego określa przenikalność dielektryczną ośrodka poprzez pomiar czasu ładowania kondensatora, który wykorzystuje ten ośrodek jako dielektryk. Najpierw definiujemy zależność między czasem, t, potrzebnym do naładowania kondensatora od napięcia początkowego, Vi do napięcia Vf przy przyłożonym napięciu Vf.
gdzie R to rezystancja szeregowa, a C to pojemność. Ładowanie kondensatora zostało zilustrowane na rysunku 1:
Jeśli rezystancja i stosunek napięcia są stałe, to czas ładowania kondensatora, t, jest związany z pojemnością zgodnie z wzorem
W przypadku kondensatora z płytami równoległymi pojemność jest funkcją przenikalności dielektrycznej(k) ośrodka między płytami kondensatora i można ją obliczyć za pomocą wzoru
gdzie A to powierzchnia płytek, a S to odległość między płytkami. Ponieważ A i S są również stałymi wartościami, czas ładowania kondensatora jest prostą liniową funkcją (idealnie) przenikalności dielektrycznej otaczającego ośrodka.
Sondy gruntowe nie są równoległymi kondensatorami płytkowymi, ale zależność pokazana w równaniu 3 jest ważna niezależnie od geometrii płyty. Reflektometria w dziedzinie czasu (czujnik TDR) określa przenikalność dielektryczną ośrodka poprzez pomiar czasu propagacji fali elektromagnetycznej wzdłuż linii transmisyjnej otoczonej ośrodkiem. Czas przejścia(t) impulsu elektromagnetycznego przez linię transmisyjną i jego powrót jest powiązany z przenikalnością die lektryczną ośrodka, k, za pomocą następującego równania
gdzie L to długość linii transmisyjnej, a c to prędkość światła (3 x 108 m/s w próżni). W ten sposób obliczana jest przenikalność dielektryczna
Dlatego czas propagacji fali elektromagnetycznej wzdłuż czujnika TDR jest funkcją kwadratu czasu przejścia i stałej wartości(c/2L). Ponieważ c i L są odpowiednio stałą i stałą długością, pomiary czujnikiem TDR są teoretycznie mniej podatne na warunki glebowe i środowiskowe w porównaniu z czujnikami pojemnościowymi. Jednak interpretacja danych wyjściowych czujnika TDR może być znaczącym źródłem błędów, gdy wysokie zasolenie zmniejsza kształt fali odbicia lub temperatura zmienia punkt końcowy.
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.
Czujniki pojemnościowe produkowane przez METER wykorzystują wysokie częstotliwości, aby zminimalizować wpływ zasolenia gleby na odczyty. Stosowane częstotliwości są jednak nieco niższe niż w przypadku TDR, zazwyczaj od 50 do 100 MHz. Wysoka częstotliwość sond pojemnościowych "widzi" całą wodę w glebie, a jednocześnie jest wystarczająco wysoka, aby uniknąć większości błędów związanych z zasoleniem gleby obecnych w starszych sondach pojemnościowych. Obwód czujnika pojemnościowego można zaprojektować tak, aby wykrywał bardzo małe zmiany objętościowej zawartości wody, do tego stopnia, że NASA wykorzystała technologię czujnika pojemnościowego do pomiaru zawartości wody na Marsie. Czujniki pojemnościowe są tańsze, ponieważ nie wymagają dużej ilości obwodów, co pozwala na większą liczbę pomiarów w przeliczeniu na dolara.
Podobnie jak czujnik TDR, czujnik pojemnościowy jest dość łatwy w instalacji. Końcówki pomiarowe są zwykle krótsze niż w czujnikach TDR, dzięki czemu ich umieszczenie w otworze może być mniej trudne. Czujniki pojemnościowe mają zwykle niższe wymagania energetyczne i mogą działać przez lata w terenie, zasilane przez mały zestaw baterii w rejestratorze danych.
Podsumowując, choć teoria stojąca za pomiarami jest nieco inna, czujnik TDR i czujnik pojemnościowy mierzą przenikalność dielektryczną w celu uzyskania objętościowej zawartości wody. Z historycznego punktu widzenia zarówno TDR, jak i pojemność zyskały powszechną akceptację, chociaż niektórzy mogą postrzegać większą wartość TDR w porównaniu z pojemnością ze względu na ekstremalną różnicę w cenie. Ogólnie rzecz biorąc, rozsądne pomiary objętościowej zawartości wody można uzyskać przy użyciu dowolnej techniki, a błędy w pomiarach są często spowodowane bardziej złymi metodami instalacji niż ograniczeniami w samych technikach.
Nasi naukowcy mają wieloletnie doświadczenie w pomaganiu badaczom i hodowcom w pomiarach kontinuum gleba-roślina-atmosfera.
Nowe rozwiązanie TEROS Borehole Installation Tool zmniejsza niepewność danych poprzez zabezpieczenie przed błędami podczas instalacji czujnika wilgotności gleby. Obejrzyj film, aby zobaczyć, jak to działa.
Ze względu na przewagę mechaniczną, narzędzie zapewnia spójną, bezbłędną instalację w każdym rodzaju gleby (nawet twardej glinie), minimalizując przy tym naruszenie terenu. Czujniki są instalowane prosto i prostopadle z równomiernym naciskiem, a następnie delikatnie zwalniane, aby zapobiec powstawaniu szczelin powietrznych i preferencyjnemu przepływowi. Oznacza to, że linia pojemnościowych czujników wilgotności gleby TEROS jest w stanie zapewnić większą dokładność przy mniejszej niepewności niż podobne czujniki dostępne na rynku.
Niewłaściwa instalacja jest najczęstszym źródłem błędów w danych dotyczących wilgotności gleby, ale istnieją techniki, które zapewnią idealną instalację za każdym razem. Chris Chambers, ekspert w dziedzinie instalacji czujników, wyjaśnia, dlaczego potrzebna jest inteligentniejsza instalacja czujnika wilgotności gleby i jak to osiągnąć. Dowiedz się:
Wszystko, co musisz wiedzieć o pomiarze wilgotności gleby - w jednym miejscu.
Pobierz "Kompletny przewodnik badacza po wilgotności gleby"
Sześć krótkich filmów wideo nauczy Cię wszystkiego, co musisz wiedzieć o zawartości wody w glebie i potencjale wody w glebie (ssaniu gleby) - i dlaczego należy je mierzyć razem. Ponadto opanuj podstawy przewodnictwa hydraulicznego gleby.
Wśród tysięcy recenzowanych publikacji wykorzystujących czujniki gleby METER, żaden typ nie jest faworytem. Dlatego wybór czujnika powinien opierać się na potrzebach i zastosowaniu. Skorzystaj z poniższych wskazówek, aby wybrać idealny czujnik do swoich badań.
Większość ludzi patrzy na wilgotność gleby tylko w kategoriach jednej zmiennej - zawartości wody. Jednak do opisania stanu wody w glebie wymagane są dwa rodzaje zmiennych.
Krzywe uwalniania wilgoci z gleby są potężnymi narzędziami wykorzystywanymi do przewidywania poboru wody przez rośliny, głębokiego drenażu, spływu i nie tylko.
Regularne otrzymywanie najnowszych treści.