بخشی از مقاله
چکیده
القای الکترومغناطیسی روشی غیر تماسی و سریع برای گرفتن اطلاعات هدایت الکتریکی ظاهری خاک فراهم میآورد. یکی از مزایای روش الکترومغناطیس این است که فرآیند القا مانند روش های ا لکتریکی، به تماس مستقیم الکترودها با زمین احتیاج ندارد. در این تحقیق که در گروه مهندسی مکانیک ماشینهای کشاورزی و مکانیزاسیون دانشگاه شهیدچمران اهواز انجام گردید، سعی شده ضمن بررسی و تبیین مباحث تئوری ، پارامترهای طراحی و اصول کاری فناوری EMI استخراج و یک نمونه آزمایشگاهی حسگر الکترومغناطیسی توسعه یابد. سامانه حسگر شامل ولتاژ تغذیه 12 ولت، مبدل ولتاژ، مدار نوسان ساز موج سینوسی کولپیتس با فرکانس متغیر در محدوده 15 -13 کیلوهرتز، مدار تقویت کننده ، پیچه های فرستنده و گیرنده، مدار تقویت سیگنال گیرنده و پردازش سی گنال می باشد .
نتایج واسنجی اولیه سامانه همبستگی قابل قبول ی بین ECa و سیگنال خروجی حسگر نشان داد . حسگر شامل یک پیچه فرستنده الکترومغناطیس است که به فاصله یک متر از گیرنده واقع شده است و حلقه های جریان دایره ای شکل در خاک القاء می کند. بزرگی این حلقه ها نسبت مستقیم با هدایت الکتریکی خاک اطراف حلقه دارد. هر حلقه از جریان یک میدان الکترومغناطیسی ثانویه ایجاد می کند که با مقدار جریان عبوری از داخل حلقه متناسب است. بخشی از میدان الکترومغناطیس القاء شده ثانویه از هر حلقه ، به وسیله پیچه گیرنده دریافت شده و نسبت این سیگنال ها پس از تقویت یک ولتاژ خروجی ایجاد می کنند که با میانگین وزنی - بر حسب عمق - با هدایت الکتریکی خاک - ECa - رابطه خطی دارد.
کلمات کلیدی: شوری خاک، هدایت الکتریکی ظاهری ECa، روش الکترومغناطیسEMI ، کشاورزی دقیق
مقدمه
روش های کارآمد و دقیق انداز ه گیری خواص خاک در داخل مزارع برای کشاورزی دقیق بسیار حائز اهمیت است. استفاده از حسگرهای جمع آوری داده در طی حرکت مزایای بسیاری نسبت به روش های اندازه گیری سنتی دارد در حالی که در روشهای سنتی باید نمونه خاک جمع آوری و پس از ارسال به آزمایشگاه، تجزیه و تحلیل گردد. این مزایا می تواند شامل کاهش هزینه ها، افزایش بهره وری و نتیجه گیری به موقع باشد. علاوه بر این، توانایی به دست آوردن اطلاعات در نقاط بسیار با حسگر ها، در مقایسه با روش نمونه گیری، بدان معنی است که حتی در صورتی که دقت اندازه گیری های انفرادی پایین تر بیاید، دقت برآورد کلی می تواند افزایش یابد [Sudduth et .al., 1997]
آشکار سازهای هدایت الکتریکی ظاهری - ECa - خاک، روشهایی حسگر مبنا مبتنی بر اندازه گیری هستند که می توانند از شاخص های غیر مستقیم ، خواص فیزیکی و شیمیایی مهم خاک را بدست آورند . شوری خاک، درصد رس، ظرفیت تبادل کاتیونی - CEC - ، درصد کانی های رس، نحوه توزیع و اندازه منافذ خاک و رطوبت خاک برخی از عواملی هستند که بر ECa تاثیر گذارند .[McNeill, 1992; Rhoades et al., 1999] بیشتر تغییرات شوری ظاهری در خاکهای شور را می توان مرتبط با تجمع نمک دانست Williams and Baker, ] [1982 در حالی که در خاک های غیر شور، تغییرات هدایت الکتریکی ظاهری در درجه اول وابسته به بافت خاک، رطوبت و ظرفیت تبادل کاتیونی است .[Rhoades et al., 1976]
رادولف و همکارانش در سال 1989 یک مبنای تئوری برای ارتباط بین ECa و خصوصیات خاک توسعه دادند .[Rhoades et al., 1989] در این مدل، ECa تابعی از مقدار رطوبت خاک، هدایت الکتریکی آب خاک، جرم مخصوص ظاهری خاک و هدایت الکتریکی ذرات خاک است. به تازگی، تکنیکهایی برای استفاده از این مدل برای پیش بینی همبستگی ساختاری بین داده های ECa و خواص متعدد خاک توسعه یافته است .[Lesch and Corwin, 2003]دو نوع حسگر قابل حمل مزرعه ای به صورت تجاری برای کشاورزی در دسترس است، حسگر نوع الکترودی که برای اندازه گیری نیازمند تماس با خاک است و حسگر غیر تماسی از نوع القای الکترومغناطیسی . - EM - یکی از اولین گزارشات از کاربرد روش چ هار الکترودی است که با استفاده از آن نقشه تغییرات شوری خاک در مزرعه را بدست آوردند. [Halvorson and Rhoades 1976]
بعدها، یک نسخه از این نوع حسگر برای نصب روی تراکتور و اندازه گیری زمین مبنا ECa توسعه یافت Rhoades, 1993] ] .یکی از دستگاه های تجاری موجود که بر اساس رویکرد مبتنی بر الکترود کار می کند Veris 31001 است .[VerisTechnologies, Salina, KS] در این دستگاه از شش دیسک دوار به عنوان الکترود استفاده شده و همزمان دو اندازه گیری برای دو عمق مختلف انجام می دهد .[Lund et al., 1999]رسانایی الکتریکی خاک و به ط ور کلی زمین در رنج وسیعی متغیر است . در حالی که بیشتر مواد دارای محدوده رسانایی مشخصی هستند. القاء الکترومغناطیس - EMI - روش موثری برای اندازه گیری خواص الکتریکی است ولی در کاربرد و تفسیر نتایج از روشهای دیگر پیچیده تر است.
متداول ترین حسگر نوع القای الکترومغ ناطیس EM که اغلب در کشاورزی کاربرد دارد EM38 نام دارد .[Geonics Limited, Mississauga, Ont., Canada] این حسگر در ابتدا برای ارزیابی شوری در محدوده ریشه توسعه یافت. .[Rhoades and Corwin, 1981] جزئیات روش القای الکترومغناطیس توسط [McNeill, 1992] ارائه شده است. EM38 به صورت یک شمش سبک وزن طراحی شده بصورتی که به سادگی در مزرعه قابل حمل باشد. به منظور تهیه نقشه پیوسته توسط این دستگاه به سامانه جمع آوری داده و مکانیزم حمل و نقل و جمع آوری داده نیاز است .e.g., Cannon et al., 1994; Sudduth et al., 2001] ] هر یک از ا ین دو نوع حسگر دارای مزایا و معایب عملیاتی مختص خود است.در صورتی که سهم دیگر خصوصیات موثر خاک بر اندازه گیری ، شناخته شده و قابل تخمین باشد، از شوری ظاهری می توان به طور غیر مستقیم برای برآورد خصوصیات خاک استفاده کرد. در برخی موارد، تغییرات درون مزرعه ای ECa به علت چیرگی یکی از خصوصیات، بیشتر به آن خصوصیت وابسته بوده، در چنین حالتی می توان به صورت مستقیم این فاکتور را کالیبره نمود.
اصول تئوری حسگرهای القایی الکترومغناطیس
در شکل 1 اساس کاربرد هدایت سنج القایی نشان داده شده است. یک سیم پیچ فرستنده الکترومغناطیس که در انتهای دستگاه واقع شده است، حلقه های جریان دایره ای شکل در خاک القاء می کند. بزرگی این حلقه ها نسبت مستقیم با هدایت الکتریکی خاک اطراف حلقه دارد، هر حلقه از جریان، یک میدان الکترومغناطیسی ثانویه ایجاد می کند که با مقدار جریان عبوری از داخل حلقه متناسب است.بخشی از میدان الکترومغناطیس القاء شده ثانویه از هر حلقه ، به وسیله سیم پیچ گیرنده دستگاه دریافت شده و مجموع این سیگنال ها تقویت شده و یک ولتاژ خروجی ایجاد می کنند که با میانگین وزنی - برحسب عمق - هدایت الکتریکی خاک - - ECa رابطه خطی دارد.
می توان با استفاده از حسگر هدایت سنج القایی حجم نسبتا بزرگی از خاک را اندازه گیری نمود هر چند این حجم کمتر از حجم قابل اندازه گیری بوسیله سیستم چهار الکترودی با آرایش ثابت نصب شده بر تراکتور می باشد. حجم و عمق اندازه گیری های شوری سنج تحت تأثیر فاصله سیم پیچ ها، فرکانس جریان و وضعیت قرارگیری محورهای آهن رباها / سیم پیچ ها نسبت به سطح خاک ، قرار دارد. عمق مؤثر اندازه گیری توسط حسگر هدایت سنج القایی در زمانیکه بر روی یا در نزدیکی سطح زمین قرار گرفته به ترتیب 1 و 2 متر برای جاسازی افقی یا عمودی پیچه ها می باشد. پهنای مؤثر اندازه گیری در حدود 0/5 متر از طرفین و دو انتهای واحد به طرف خارج گسترش می یابد.
در حالت کلی برای تولید میدان الکترومغناطیس اولیه که در زیر و بالای زمین منتشر شود از یک پیچه فرستنده استفاده می شود . هنگام عبور شار مغناطیسی از زیر سطح خاک، نسبت به شاری که از هوا عبور می کند، کمی تغییر می کند. اگر محیط رسانا در زیر خاک وجود داشته باشد، مولفه مغناطیسی ناشی از موج تابشی EM جریان های گردابی - متناوب - در داخل رسانا القاء می کند. جریانهای گردابی به نوبه خود میدان ثانویه EM ایجاد می کند که بوسیله گیرنده آشکار می شود. گیرنده میدان اولیه را نیز که از هوا عبور می کند آشکار می کند . بنابراین پاسخ کلی گیرنده ترکیبی از اثر میدان های اولیه و ثانویه است .
در نتیجه پاسخ اندازه گیری شده، هم از نظر فاز و هم از نظر دامنه نسبت به میدان اولیه مدوله نشده متفاوت خواهد بود. درجه تفاوت این مولفه ها اطلاعات مهمی در مورد هندسه، اندازه و خواص الکتریکی رسانای خاک بدست می دهد . اگر زمین تحت بررسی دارای سه مولفه القایی - L - ، مقاومتی - - R و ظرفیتی - C - در نظر گرفته شود، می توان مدار الکتریکی معادل آن را مطابق شکل 2 نشان داد.
