为什么对叶片湿度传感器进行喷漆和校准不会奏效?

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

在任何时候,当传感器表面的相对湿度(RHs (相对湿度)高于 90% 时,油漆叶片湿度传感器都会出现误报。

贡献者

叶片湿度和植物病害研究领域的权威人士的大量研究表明,您应该对叶片湿度传感器进行喷漆和校准,以获得准确的测量结果(例如,Gillespie 和 Duan,1987 年;Lau 等人,2000 年;Sentelhas 等人,2004 年)。

使用标准电阻网格叶片湿度传感器时,只有当水滴大到足以弥合网格中两个指头之间的间隙并降低有效电阻时,才能感应到湿度。研究人员很早就认识到了这一事实,并试图设计出一些方法,使传感器能够检测到露水开始时的典型小水滴。这些方法包括在传感器上铺布,以及目前的标准方法:在传感器表面涂上乳胶漆。湿润时,乳胶漆本身的电阻会发生变化,从而导致探头的输出发生变化,而不是水真正桥接在痕迹上。

油漆法会产生误报

不过,这种方法有一个重大缺陷,许多研究人员可能没有意识到。为了让乳胶漆吸水并实现电阻变化,它必须具有吸湿性。与大多数吸湿性材料一样,乳胶漆对水的状态无动于衷,它会像吸收液态水一样吸收水蒸气。Gillespie 和 Duan(1987 年)以及 Sentelhas 等人(2004 年)建议,可以通过烘烤乳胶漆来去除一些吸湿元素,从而降低传感器对水蒸气的敏感度,从而将这种影响降到最低。然而,即使是这种专门的方案也不能完全消除水蒸气的影响。

我们使用涂有乳胶漆并按照 Gillespie 和 Duan(1987 年)进行烘烤的标准电阻网格叶片湿度传感器收集实地数据。我们测量了叶片湿度传感器附近的空气温度和相对湿度(RH),并用细线热电偶测量了叶片湿度传感器本身的温度,以便计算传感器表面的相对湿度(RHs)。图 1 显示了传感器电阻与相对湿度的关系图。对于这种特定的传感器,干电阻约为 7000 kΩ,任何小于该基准值的电阻通常都被认为是湿传感器。从图中可以清楚地看出,即使是经过精心处理和烘烤的传感器,在相对湿度超过 70% 左右时也会开始出现假阳性结果。事实上,从图 1 中可以明显看出,当相对湿度超过 90% 时,涂漆探头都会出现假阳性。

A graph showing grid resistance of a painted, baked resistance type leaf wetness sensor as a function of sensor surface relative humidity (RHs)
图 1.涂漆烘烤电阻式叶片湿度传感器的栅格电阻与传感器表面相对湿度 (RH) 的函数关系。数据收集时间为 2005 年夏季和秋季的 60 天。降雨和露水事件期间和之后的时间段已从数据集中仔细删除,因此任何低于 7000 kΩ 基准水平的电阻值都是虚假的液态水事件。

一些研究人员通过单独校准每个喷漆传感器来消除图 1 中明显的吸湿效应。一种常见的校准方法是将每个传感器密封在水池上的等温容器中,并记录传感器在 100% 相对湿度条件下的平衡电阻。然后将此值作为新的基线值。可以想象,这是一项既繁琐又耗时的工作。

无需喷漆或校准的新方法

最近开发的叶片湿度传感器 (PHYTOS 31, METER) 采用了一种不同的方法来测量表面湿度。该传感器不测量金属栅格指之间的电阻,而是测量传感器表面的介电常数。使用介电方法时,水滴不需要大到足以桥接相邻迹线,因此无论水滴大小如何,探头表面的任何液态水量都能被测量到。这样就无需在传感器上涂漆。

广泛的测试表明,相对湿度低于 98.5% 时不会产生吸湿效应,而相对湿度介于 98.5% 和饱和度之间时,吸湿效应也不足以产生假阳性值。电介质叶片湿度传感器在出厂前也经过单独调试,因此每个传感器的读数完全相同,无需用户校准。图 2 和图 3 分别显示了在典型的夜间露水事件开始时使用涂漆电阻网格传感器和介质叶片湿度传感器收集到的数据。从图 2 中可以明显看出,如果在喷漆后不对传感器进行单独校准,则喷漆传感器的吸湿反应会导致严重高估叶片湿润持续时间(在本例中超过 1.5 小时)。图 3 显示的是使用电介质叶片湿度传感器采集的同一露水事件的数据,用户未对传感器进行喷漆或校准。电介质叶片湿度传感器将叶片湿度持续时间低估了 5 分钟。

A graph showing grid resistance and surface relative humidity of a painted, baked resistance grid leaf wetness sensor over the onset of evening dew
图 2.傍晚露水开始时涂漆烘烤电阻网格叶片湿度传感器的网格电阻和表面相对湿度。水平虚线表示传感器的干电阻,小于该临界值表示表面湿润。垂直实线表示相对湿度为 100%,露水刚刚开始在传感器表面形成的时间。垂直虚线和实线之间的灰色区域表示网格传感器输出液态水存在(表面潮湿)但不存在液态水的持续时间。
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
图 3.开箱即用的电介质叶片湿度传感器在傍晚露水开始时的传感器输出和表面相对湿度。水平虚线表示传感器的干燥基线输出,大于该阈值表示表面湿润。垂直实线表示相对湿度为 100% 时,传感器表面刚刚开始结露。垂直虚线和实线之间的灰色区域表示介电传感器输出液态水存在(表面潮湿)但不存在液态水的持续时间。

上述数据令人信服地表明,新型介电叶片湿度传感器比未涂漆或涂漆后未校准的电阻网格叶片湿度传感器能提供更准确的结果,而且没有涂漆、烘烤或单独校准的麻烦。

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参考资料

Gillespie, T. J., and R-X.Duan."圆柱形和平板式传感器在地表湿度持续时间方面的比较"。农业和森林气象学》40,第 1 期(1987 年):61-70.文章链接

Lau, Yewah F., Mark L. Gleason, Narjess Zriba, S. Elwynn Taylor, and Paul N. Hinz."涂层、展开角度和罗盘方向对露水期电子湿度传感器性能的影响"。植物病害》第 84 期,第 2 号(2000 年):192-197.文章链接(开放存取)

Sentelhas, P. C., J. E. B. A. Monteiro, and T. J. Gillespie."电子叶片湿度持续时间传感器:为什么要涂漆"。International Journal of Biometeorology48, no.4 (2004):202-205.文章链接

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