بخشی از مقاله
چکیده
ثبت پیوسته رطوبت جهت ﲥیه نقشه تغییرپذیری آن ضروری است. اندازه گیری سریع رطوبت خاک، یکی از مهمﱰین دغدغه های ﳏققان در سال های اخیر بوده است. روش مرسوم اندازه گیری رطوبت خاک، روش وزنی است که بسیار وقتگیر میباشد. استفاده از حسگرهای خازنی روشی مناسب برای اندازه گیری ﳏتوای رطوبت خاک در مزارع می باشد. در این روش خاک به عنوان ثابت دی الکﱰیک خازن ﳏسوب می شود. در این ﲢقیق، از یک سنسور خازنی برای اندازه گیری رطوبت خاک متشکل از دو الکﱰود مسی و یک عایق تفلونی و یک مدار استفاده شد.
اساس کار این سنسور بر میدان الکﱰیکی ایجاد شده در حاشیه خازن استوار می باشد. در این مدار، سنسور به عنوان یکی از شاخه های پل خازنی عمل میکند که ولتاژ خروجی مدار متناسب با تغییر رطوبت خاک، تغییر میکند. فرکانس ﲢریک مدار سنسور 2/6 مگاهرتز بود. به منظور بررسی تاثیر بافت بر عملکرد سنسور خازنی از 3 نوع بافت، لوم رسی، شن لوم و شن در 5 سطح رطوبت استفاده گردید. نتایج نشان داد که در هر سه نوع بافت یک رابطهی درجه دو با ضریب ﳘبستگی 0/98بین ولتاژ اندازه گیری شده توس سنسور و ﳏتوای حجمی - و وزنی - رطوبت خاک وجود دارد؛ هرچند که ضرایب این رابطه درجه دو متناسب با بافت خاک تغییر می کرد.
مقدمه
ثبت پیوسته رطوبت خاک جهت ﲥییه نقشه تغییر پذیری آن ضروری است. اندازه گیری سریع رطوبت خاک یکی از دغدغه های ﳏققان در ساﳍای اخیر بوده است. روش مرسوم اندازه گیری رطوبت خاک روش وزنی است بسیار گران و وقت گﲑ بوده و نیاز به ﲡهیزات آزمایشگاهی دارد و امکان تکرار آزمایش وجود ندارد. بر این اساس از روش هایی که رطوبت خاک را در مزرعه اندازه گیری میکنند استفاده می شود
درحال حاضر دامنهی وسیعی از حسگر ها به منظور اندازهگیری رطوبت خاک وجود دارد. بعضی از این روش-های غﲑ مستقیم عبارتند از : سامانه های الکﱰو مغناطیس از قبیل بازتاب سنجی حوزهی زمان - TDR - 1 که زمان حرکت یک پالس الکﱰومغناطیس با طول موج معین در امتداد یک موج بر2 را، اندازه می گیرد. سرعت و انتشار این موج متناسب با رطوبت خاک است. قیمت بسیار بالا عامل ﳏدود کننده در استفاده از این سیستم می باشد
تکنیک های طیف سنجی از قبیل قابلیت بازتاب مادون قرمز - NIR - 3 در دامنه700 تا 2500 نانومﱰ هم چنین برای اندازه گیری ﳏتوای رطوبتی استفاده شده است. ولی چگالی و بافت خاک روی فابلیت انعکاس اثر دارند .[Mouazen et al., 2005] رایج ترین حسگر های اندازه گیری رطوبت خاک، حسگر های مقاومتی و ظرفیت خازنی می باشد که تغییرات خواص الکﱰیکی خاک را به منظور تعیین ﳏتوای رطوبتی آن مشخص میکند. درحسگر های اندازه گیری ﳏتوای رطوبتی مبتنی بر خواص دی الکﱰیک، اختلاف بین ثابت دی- الکﱰیک آب و اجزای خاک را به منظورتشخیص ﳏتوای آب خاک بکار گرفته می شود.
رفتار دی الکﱰیک هر ماده، با اندازه گیری قابلیت انتشار - - آن یا اندازه گیری قابلیت انتشارنسبی که ﳘان ثابت دی الکﱰیک - * - می باشد، توضیح داده میشود. در این روش ﳏتوای رطوبتی خاک با استفاده از اندازه گیری ثابت دی الکﱰیک خاک ﲣمین زده میشود که با اندازه گیری سرعت عبور یک موج الکﱰومغناطیس از میان خاک تعیین می گردد. خاک خیس با ثابت دی الکﱰیک - ε* - مشخص می شود وتابعی از فرکانس - f - است.
r قسمت حقیقی ε*که به قطبیت خاک خیس وابسته است. j به اتلاف الکﱰیکی اشاره می کند، که یک ضریب از میزان هدایت الکﱰیکی خاک است. در مواد مرکب مثل خاک مقدار ثابت دی الکﱰیک با توزیع هر یک از اجزا متناسب می باشد. ضریب دی الکﱰیک آب مایع بسیار بزرگﱰ از ضریب دی الکﱰیک سایر اجزای خاک می باشد. در نتیجه ضریب دی الکﱰیک خاک با ﳏتوای رطوبت تغییر میکند
بطور کلی دو روش برای اندازه گیری پیوسته ی ظرفیت خازنی خاک وجود دارد. روش معمول بر پایه اندازه گیری فرکانس تکیه دارد. فرکانس نوسان با مقادیر ظرفیت خازنی تغییر می کند که بدین گونه بر خواص دیالکﱰیک خاک اطراف پروب تکیه دارد .[Dean et al., 1987] روش دوم تشخیص مقاومت الکﱰیکی خاک در فرکانس ﲢریک است. برای هر دوی این روش ها به منظور کاهش اثرات شوریی خاک فرکانس عمل باید به اندازهی کافی بالا باشد.
یک حسگر خازنی را ﲢت شرای دینامیکی و با نصب آن بر روی یک تیغه ارزیابی کردند و گزارش کردند که این حسگر علاوه بر ارزان بودن پاسخ سریعی به تغییرات رطوبت داشت.
آزمون های تکمیلی حسگر آﳖا نشان داد که این حسگر رطوبتی نه تنها به رطوبت پاسخ می دهد بلکه به مقدار ﳕک درجه حرارت و بافت خاک نیز واکنش نشان می دهد.
خورسندی و ﳘکاران - 1388 - یک ﳕونه حسگر خازنی در حال حرکت برای اندازه گیری بلادرنگ رطوبت خاک ساختند که در آن از الکﱰودهای صفحه ای نصب شده بر یک تکه فیﱪ استخوانی استفاده شد. در حسگر آﳖا خاک به عنوان ﲞشی از دی الکﱰیک حسگر خازنی ﳏسوب می شود. نتایج آﳖا نشان داد که خروجی حسگر - بسامد - با ﳏتوای رطوبت خاک رابطه درجه 2 داشته که ضریب تعیین آن 70 درصد گزارش شد.
- 2005 - Sun et al. یک فروسنج افقی ترکیبی برای اندازگیری در حال حرکت و ﳘزمان رطوبت خاک و مقاومت مکانیکی را طراحی کردند. اساس اندازه گیری حسگر ﳏتوای رطوبت بر اندازه گیری میدان الکﱰیکی حاشیه خازن استوار بود. دو تا رینگ فلزی که توس سه رینگ عایق جدا شده اند به عنوان الکﱰود ها ی حسگر ظرفیت خازنی عمل میکنند. رابطه بین ﳏتوای آب و خروجی حسگر ظرفیت خازنی بطور معنی داری ﳘبسته بود. نتایج آزمایش آﳖا نشان داد که حسگر ترکیبی افقی ابزار قابل استفاده ای برای اندازه گیری خواص فیزیکی خاک است چونکه آن می تواند اطلاعات مفیدی از خواص فیزیکی خاک را فراهم کند.
حسگر ترکیبی اندازه گیر رطوبت حجمی خاک و مقاومت مکانیکی خاک به منظور جداسازی اثر رطوبت خاک و درجه تراکم خاک روی مقاومت مکانیکی خاک را ساختند و ارزیابی کردند. اصول اندازه گیری ﳏتوای رطوبتی آن بر مقاومت میدان الکﱰیکی حاشیه مرتب بود. حسگر دی الکﱰیک با دو نیم رینگ مسی و عایق تفلونی پشت نوک ﳐروط در کاوشگر فروسنج مستقر شد. فرکانس ﲢریک برای مینیمم کردن اثر شوری خاک در هنگام اندازه گیری 100 مگا هرتز انتخاب شد و در شرای استاتیکی ارزیابی شد و عملکرد آن بررسیگردید. نتایج حاکی از آن بود که این حسگر در مقابل حسگر TDR بسیار ازرانﱰ و در عمل بسیار قویﱰ بود و می تواند ﳏتوای حجمی آب خاک را به درستی اندازه بگیرد.
هدف از این پژوهش اندازه گیری رطوبت خاک با استفاده از یک حسگر خازنی و بررسی اثر بافت خاک بر عملکرد حسگر خازنی می باشد.
مواد و روشها
طراحی این حسگر برای اندازه گیری رطوبت خاک در حالت استاتیکی است. حسگر خازنی بر اساس تغییرات امپدانس خاک با تغییرات ضریب دی الکﱰیک خاک که متناسب با ﳏتوای رطوبتی خاک می باشد کار میکند. با تغییر در ثابت دی الکﱰیک خاک، ظرفیت خازنی تغییر کرده خروجی حسگر تغییر می کند.
دو رینگ از جنس فلز مس با قطر داخلی 18 میلیمﱰ و قطر خارجی 20 میلیمﱰ به ارتفاع 10 میلیمﱰ به عنوان الکﱰودهای حسگر خازنی رطوبت در نظر گرفته شد.
