whatsapp call admin

تحقیق در مورد طراحی، ساخت و ارزیابی حسگرخازنی اندازه گیر رطوبت خاک به صورت بلادرنگ

word قابل ویرایش
19 صفحه
8700 تومان
87,000 ریال – خرید و دانلود

طراحی، ساخت و ارزیابی حسگرخازنی اندازه گیر رطوبت خاک به صورت بلادرنگ

چکیده
تراکم و محتوای رطوبتی خاک، دو خصوصیت فیزیکی تاثیر گذار بر روی عملکرد محصول در مزرعه می باشند. استفاده از حسگرهای خازنی، وسیله ای حساس برای تخمین محتوای رطوبت خاک می باشد. در این روش، خاک به عنوان بخشی از

دی الکتریک یک خازن محسوب می شود. در این تحقیق، یک حسگر اندازه گیر رطوبت مبناء،خازنی ساخته و مورد ارزیابی قرار گرفت. این حسگر از دو بخش تشکیل شده است: ۳ الکترود و یک مدار الکترونیکی. الکترودها تیغه های فلزی هستند که مورد عملیات حرارتی قرا گرفته و سخت شده اند و در نتیجه سطح آنها در برابر سایش بسیار مقاوم است. این تیغه ها در داخل یک قطعه فیبر استخوانی ثابت شده اند. لبه های این فیبر به صورت گوه ای شکل ساخته شده تا حرکت آن در خاک، راحت تر انجام گیرد. تیغه ها توسط کابل های هم محور به

مدار الکترونیکی متصل شده اند. ولتاژ تحریک مدار برابر ۱۲ ولت می باشد و خروجی آن فرکانس است. حسگر تحت شرایط استاتیکی آزمایشگاه و در خاکی با بافت لوم رسی سیلتی واسنجی شد. با استفاده از نتایج این آزمون، آزمون مزرعه ای انجام گرفت. تحلیل داده ها نشان داد که رابطه بین محتوای رطوبت خاک و فرکانس خروجی حسگر را می توان به صورت یک رابطه درجه دو نشان داد. نتایج نشان داد که داده های خروجی حسگر علاوه بر محتوای رطوبت خاک، به درجه حرارت محیط نیز بستگی دارند. اگرچه بین مقادیر اندازه¬گیری شده توسط حسگر رطوبت و به روش وزنی به¬علت تأثیر درجه حرارت بر ظرفیت خازنی خاک تفاوت وجود داشت، ولی همبستگی معنی¬داری (۷۰/۰=۲R) بین مقادیر اندازه¬گیری شده با این دو روش مشاهده شد.

 

کلیدواژه: اندازه گیری بلادرنگ، حسگر اندازه گیری رطوبت، کشاورزی دقیق

۱- مقدمه
یکی از مهمترین عوامل مدیریت مزرعه، مدیریت آب می¬باشد. اندازه¬گیری و نمایش محتوای رطوبتی خاک یکی از ضروری¬ترین مباحث مدیریت جهت بهبود بازده در کشاورزی است. محتوای رطوبتی خاک را می-توان بر دو مبنای وزنی و حجمی بیان کرد. محتوای رطوبت وزنی می¬تواند با استفاده از تفاوت وزن قبل و بعد از خشک شدن نمونه خاک، تعیین گردد. این روش مستقیم روش حرارتی- وزنی(یا روش ساده-وزنی) خوانده می¬شود. اگرچه روش مستقیم روش ارزانی می¬باشد، جزء آزمایش¬های مخرب و وقت¬گیر است و امکان تکرار آزمایش در یک مکان وجود ندارد [۳].

در حال حاضر دامنه وسیعی از حسگرهای تجاری وجود دارند که با استفاده از اصول فیزیکی مختلف قادر به اندازه¬گیری رطوبت خاک به¬طور مستقیم هستند. برای مثال می¬توان بلوک گچی ، جستجوگر نوترونی ، باز تاب سنج دامنه زمانی (TDR) و تکنیک¬های طیف¬سنجی مانند باز تاب¬ سنجی امواج نزدیک مادون¬قرمز (NIR) را نام برد ]۳]. به¬طور معمول این ابزار¬ها برای اندازه¬گیری نقطه-ای محتوای رطوبتی خاک و به¬طور استاتیک استفاده می¬شوند.

یکی از مرسوم ترین روش غیرمستقیم تغیین محتوای رطوبتی حجمی خاک با استفاده از حسگرهای خازنی می¬باشد. اساس کار این نوع حسگرها عبارتند از قرار دادن خاک در یک مدار ارتعاشی و اندازه گیری فرکانس تشدید است. [۳]. دو روش معمول برای اندازه¬گیری پیوسته ظرفیت خازنی خاک وجود دارد. یک روش بر اساس تکنیک اندازه¬گیری فرکانس می¬باشد که فرکانس با مقدار ظرفیت خازنی که عمدتاً به خصوصیت دی¬الکتریک خاک برمی-گردد، تغییر می¬کند [۴]. روش دیگر، تعیین امپدانس خاک در یک فرکانس تحریک داده شده، می-باشد. در هر دو روش فرکانس باید به اندازه¬ای بالا باشد که تأثیر شوری خاک را کاهش دهد در غیر این¬صورت خروجی این حسگرها تحت تأثیر مقدار نمک خاک نیز می¬باشد [۵].

لیو و همکاران (۱۹۹۶) یک حسگر رطوبتی دی-الکتریک- مبنا تحت شرایط دینامیکی ساخت و آن را داخل یک بلوک نایلونی قرار داد تا بتواند آن را به ابزار متصل کند. نتایج آنها، سهولت دست¬یابی به داده با استفاده از کاربرد بلادرنگ را نشان داد. به علاوه، آزمون¬های تکمیلی توسط آندرد و همکاران (۲۰۰۱) انجام شد و نشان داد که این حسگر رطوبتی نه تنها به رطوبت پاسخ می¬دهد بلکه به مقدار نمک، درجه حرارت و بافت خاک نیز عکس¬العمل نشان می¬دهد. رودس و همکاران نیز (۱۹۸۹) به نتایج مشابهی دست یافتند. محاسبه اثر حرارت نسبتاً ساده است زیرا اثر خطی آن بر روی خازن، به سادگی با اندازه¬گیری حرارت جبران می-شود. علاوه بر آن بافت خاک، یک خاصیت استاتیکی است. اگر نقشه مزرعه از نظر بافت خاک در دسترس باشد، اثرات بافت خاک بر روی اندازه¬گیری¬های دی-الکتریک قابل تخمین زدن می¬باشد. بنابراین، ملاحظات مربوط به حررات و بافت خاک به سادگی بر روی داده¬ها انجام می¬شود و فقط دو فاکتورمحتوای رطوبتی و نمک بر روی داده¬های خازن تأثیر¬گذار می¬باشند [۳]. اهداف

۲- مواد و روش ها
۲-۱- حسگر اندازه گیر رطوبت خاک
برای طراحی حسگر اندازه گیر رطوبت خاک به-صورت پیوسته، یکسری آزمایش¬های اولیه در آزمایشگاه روش¬ها و ابزار اندازه¬گیری دانشکده کشاورزی، دانشگاه صنعتی اصفهان انجام گرفت. هدف از انجام آزمایش¬ها، ساخت نمونه¬های اولیه حسگر اندازه¬گیری رطوبت و ارزیابی آن¬ها به¬صورت استاتیکی و مقایسه منحنی¬های رفتاری مقاومت الکتریکی خاک-¬محتوای رطوبتی خاک و ضریب دی¬الکتریک خاک-محتوای رطوبتی خاک بود.

حسگر مبنا-خازن بر اساس اندازه¬گیری تغییرات فرکانس با تغییرثابت دی¬الکتریک خاک ( ) پایه ریزی شده است. با تغییر رطوبت خاک، به¬دلیل تغییر در ثابت دی¬الکتریک خاک، ظرفیت خازنی تغییر می کند. حسگر در واقع یک مدار تشدید است که می تواند فرکانس تشدید محیط (خاک) را آشکار سازد. یک مدار تشدید به صورت زیر مدل می-شود:
(۱)
که در آن:
= فرکانس (MHz)
L= ضریب القاء ( )
C= ظرفیت خازنی ( )
با توجه باینکه ضریب القاء در مدار تشدید دارای مقداری ثابت است، لذا معادله فوق پیشنهاد می کند که فرکانس خروجی حسگر فقط با ظرفیت خازنی تغییر می کند.
برای ساخت حسگر اندازه¬گیر رطوبت، از خواص خازن¬ها استفاده شد. حسگرهای مبناء-خازنی به-دلیل هزینه ساخت پایین و حساسیت بالا در برابر تغییرات رطوبت در خاک، نسبت به سایر حسگرها در جایگاه بهتری قرار گرفته¬اند. اساس کار حسگرهای خازنی استاتیکی، همان¬طور که در شکل ۱ مشاهده می¬شود، معمولاً به این صورت است که دو یا چند صفحه فلزی با فاصله ای معین از هم (d) بر روی یک پایه ثابت می¬شوند. این حسگرها در حالت عادی بسته به طول، عرض و ارتفاعی که دارند، دارای یک ظرفیت خازنی مشخص (ماده بین صفحات آن هوا است) می¬باشند. با فرو کردن حسگر در خاک ( یا قرار دادن خاک بین صفحات خازن)، ثابت دی-الکتریک خازن که قبلاً هوا بود، تغییر می¬کند و در نتیجه ظرفیت خازنی آن نیز تغییر می¬کند. عدد نشان داده شده در این حالت به عنوان ظرفیت خازنی، بستگی به محتوای رطوبت، بافت و درجه حرارت خاک دارد. با انجام آزمایش در خاکی با بافت همگن و در شرایط یکسان از نظر درجه حرارت، خروجی حسگر فقط وابسته به مقدار رطوبت موجود در خاک می¬شود و از این طریق می¬توان حسگر را واسنجی کرد. نکته حائز اهمیت در اینجا آن است که اگر از این شیوه برای حسگرهای دینامیکی (در حین حرکت) نیز استفاده شود دو مسئله پیش می¬آید؛ اول اینکه حرکت آن در زیر خاک به سختی انجام می¬گیرد ودوم اینکه، ممکن است قرار گرفتن سنگی در بین دو صفحه خازن در حین حرکت، باعث جلوگیری از جایگزین شدن خاک جدید با خاک قبلی در بین صفحات شود. برای رفع این مشکل، در حسگر ساخته شده، از خازن مسطح استفاده شد.

شکل ۱- شمای کلی از حسگر خازن- مبناء در حالی که خاک در بین صفحات آن قرار گرفته است
برای ساخت صفحات خازن، سه تیغه فلزی به عنوان صفحات الکترود (شکل ۲) از شمش فولاد تهیه شد. سپس این قطعات با عملیات حرارتی کاملاً مقاوم شدند.

شکل ۲- تصویر واقعی از تیغه¬های تشکیل دهنده صفحات خازن ( همان¬طور که مشاهده می¬شود سطوح این تیغه¬ها کاملاً صیقلی است).
حسگرهای تماسی اندازه گیر خصوصیت¬های مختلف خاک به ¬صورت پیوسته، باید دارای استحکام بالایی باشند تا بتوانند فشار ناشی از کشیده شدن در خاک را تحمل کنند. بنابراین، جهت ثابت کردن فاصله الکترودها نسبت به هم و همچنین ایجاد ابزارحاملی که بتواند به راحتی الکترودها را در خاک جابه¬جا کند، از یک قطعه فیبر استخوانی استفاده شد. برای سهولت حرکت ابزار حامل در زیر خاک، لبه¬های این ابزار به¬صورت گوه ای شکل با زاویه ۴۵ درجه درآمد. شکل ۳ تصویری از حسگر اندازه گیر رطوبت خاک را نشان می¬دهد.

شکل ۳- تصویری از سه نمای ابزار حمل کننده الکترودها (صفحات خازن) در حالی که الکترودها در داخل آن قرار گرفته اند.
برای اتصال حسگر به قاب از یک گیره نگه-دارنده استفاده شد. این گیره در قسمت پایین دارای یک بست می¬باشد که در فواصل هم¬مرکز با سوراخ¬های قسمت انتهایی ابزار حامل، دارای سوراخ¬هایی می¬باشد. با قرار دادن ابزار حامل در داخل بست و پیچ کردن آن¬ها، ابزار حامل نسبت به بست کاملاً ثابت می¬شود. برای سهولت حرکت حسگر در خاک، گیره نگه¬دارنده حسگر رطوبت در جلو به یک تیغه مجهز شد. در داخل این تیغه لوله ای قرار گرفته است که سیم¬های خارج شده از صفحات خازن (الکترودها) را از زیر به سطح خاک منتقل می¬کند. (شکل های ۴ و ۵).

شکل ۴- گیره نگه¬دارنده حسگر اندازه گیره رطوبت برای اتصال به قاب (در سمت راست شکل، حسگر اندازه گیر رطوبت در داخل گیره نگه¬دارنده قرار گرفته است).

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 8700 تومان در 19 صفحه
87,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد