بخشی از مقاله
چکیده
مقاومت به نفوذ یا نیروی برش یک ابزار درگیر با خاک از ﲨله شاخص های اندازه گیری فشردگی خاک می باشد که مورد توجه بسیاری از ﳏققین حوزه کشاورزی دقیق قرار گرفته است. این در حالی است که مقاومت به نفوذ یک معیار ترکیبی است که ﲢت تاثیر ﳘزمان چندین ویژگی فیزیکی خاک نظیر چگالی ظاهری - فشردگی - ، رطوبت و ﳏتوای رس - بافت خاک - می باشد. توسعه حسگرهای ترکیبی برای اندازه گیری ﳘزمان خصوصیات فوق از ﲨله راهکارهای عملی پیاده سازی سامانه های خاک ورزی دقیق می باشد.
در این ﲢقیق یک فروسنج افقی ترکیبی برای اندازه گیری ﳘزمان رطوبت - با روش دی الکﱰیک و میدان الکﱰیکی پراکندگی - و مقاومت مکانیکی خاک توسعه و در مزرعه ارزیابی شد. شبیه سازی اثر متقابل الکﱰیکی خاک و حسگر دی الکﱰیک با استفاده از روش اجزاء ﳏدود نشان داد که با افزایش رطوبت - افزایش ضریب دی الکﱰیک خاک - نفوذ خطوط شار پراکندگی در خاک کاهش یافته به ﳓوی که برای ضریب دی الکﱰیک 30 - ﲣمینی از خاک خیس - شعاع نفوذ میدان 40mm از مرکز حسگر بود در حالی که برای ضریب دی الکﱰیک 5 - خاک خشک - این شعاع به 70 mm افزایش یافت.
نتایج واسنجی آزمایشگاهی حسگر رابطه درجه 2 با ضریب تبیین 0/96 بین خروجی حسگر و ﳏتوای رطوبت حجمی خاک را نشان داد. آزمون مزرعه ای در دامنه تغییرات cm3 0/3- 0/4 cm-3 رطوبت حجمی، رابطه خطی با ضریب تببین 0/563 را نشان داد که به خوبی با رابطه واسنجی آزمایشگاهی توافق داشت. به هم خوردگی خاک و در نتیجه تغییر چگالی ظاهری اولیه و ایجاد فضا برای نفوذ هوا در اطراف حسگر از ﲨله عوامل ایجاد پراکندگی نقاط اندازه گیری شده در اطراف رابطه واسنجی مزرعه ای تشخیص داده شد.
مقدمه
مقاومت ظاهری الکﱰیکی1 یک خازن که خاک اطراف آن ﳏی دی الکﱰیک واقع در شار پراکندگی میدان آن را تشکیل می دهد با ﳏتوای رطوبت خاک تغییر کرده چرا که ضریب دی الکﱰیک آب - تقریباً - 80 به طور معنی داری بزرگﱰ از ضریب دی الکﱰیک سایر اجزاء تشکیل دهنده خاک - 3-5 - می باشد. زمانی که این خازن قسمتی از مدار یک اسیلاتور قرار گیرد، تغییرات رطوبت خاک باعث تغییر دامنه ولتاژ بازگشتی از نقطه اتصال خازن و کابل هم ﳏور2 واس شده که این تغییرات را می توان با تغییرات رطوبت خاک مرتب ساخت. این روش اولین بار توس کازکین و میلر [Gaskin and Miller, 1996] برای توسعه یک حسگر رطوبت خاک در جا3 مورد استفاده قرار گرفت.
نادری بلداجی و ﳘکاران [Naderi-Boldaji et al., 2011and 2012] حسگر ترکیبی را با استفاده از روش مذکور برای اندازه گیری در حال حرکت رطوبت و مقاومت مکانیکی خاک توسعه داده و در ﳐزن خاک ارزیابی کردند. نتایج نشان داد که استفاده از اسیلوسکوپ به منظور اندازه گیری تغییرات دامنه ولتاژ سینوسی برگشتی از حسگر دقت کافی نداشته و لذا نیاز به طراحی مداری الکﱰیکی بدین منظور می باشد. لذا هدف از ﲢقیق حاضر طراحی و ساخت مدار الکﱰیکی مناسب جهت اندازه گیری هر چه دقیق تر تغییرات ولتاژ خروجی حسگر، شبیه سازی اثر متقابل الکﱰیکی حسگر خازنی و ﳏی دی الکﱰیک خاک ﲟنظور بررسی اثر تغییرات ضریب دی الکﱰیک خاک بر دامنه نفوذ شار - ناحیه ﲢت تاثیر حسگر - و در ﳖایت ارزیابی مزرعه ای حسگر ترکیبی برای اندازه گیری ﳘزمان رطوبت و مقاومت مکانیکی خاک می باشد.
مواد و روشها
حسگر خازنی، میدان پراکندگی الکﱰیکی و ﲠم خوردگی خاک در اطراف حسگر
شکل 1 ابعاد و اندازه های حسگر ترکیبی ساخته شده در این ﲢقیق را نشان می دهد. حسگر خازنی در پشت ﳐروط فولادی با شعاع 30mm و زاویه 45 درجه نصب شده و کابل هم ﳏور از مرکز شافت عبور کرده و به الکﱰودهای حسگر متصل می شود. انتهای دیگر کابل بهmm مدارmm 36الکﱰیکی25mm10 اسیلاتور5040MHzmm 5 mm متصل می شود90.mm
شکل -1 ابعاد و اندازه های حسگر ترکیبی ساخته شده [Naderi-Boldaji et al., 2012]، -1 عایق تفلون، -2 الکﱰود و -3 کابل هم ﳏور
زمانی که حسگر در خاک به صورت افقی حرکت می کند، خاک اطراف آن در اثر ﲤاس با حسگر فشرده شده و چگالی ظاهری آن افزایش می یابد که متعاقباً منجر به افزایش ﳏتوای رطوبت حجمی خاک می گردد. از آﳒا که دامنه نفوذ شار پراکندگی میدان الکﱰیکی اطراف حسگر تا حدودی کوچک می باشد - شکل -2 الف - ، این عامل باعث ایجاد خطا در واسنجی در حال حرکت حسگر رطوبت شده چرا که ﳕونه های حجمی که از خاک به هم ﳔورده یک نقطه در مزرعه به عنوان اندازه گیری معیار برداشت می شوند ﳏتوای رطوبت حجمی متفاوتی نسبت به خاک در ﲤاس با حسگر در ﳊظه اندازه گیری می تواند داشته باشد.
این عامل در ﳖایت باعث ایجاد پراکندگی نقاط داده ها در اطراف رایطه واسنجی حسگر خواهد شد. عامل دیگری که می تواند منجر به ﲠم خوردگی خاک در اطراف حسگر شود مربوط به تیغه ای است که حسگر را به صورت افقی ﲪل می کند. ﳘانطور که در شکل -2ب نشان داده شده، خاک جلوی یک تیغه باریک در دو حالت هلالی4 - برشی - و افقی - فشاری - گسیخته شده که عمق جدایی این دو نوع گسیختگی عمق ﲝرانی5 نامیده می شود. هر دو شکل گسیختگی در جلوی تیغه باعث ﲠم خوردگی خاک و در نتیجه تغییر ﳏتوای رطوبت حجمی خاک می شود. لذا نکته حائز اﳘیت در طراحی و به کار گیری چنین حسگری فاصله مناسب بین حسگر خازنی و پیشانی جلوی تیغه بوده به ﳓوی که کمﱰین به هم خوردگی خاک در اطراف حسگر و در ﳊظه اندازه گیری ایجاد شود.
