طراحي، ساخت و ارزيابي حسگرخازنی اندازه گير رطوبت خاك به صورت بلادرنگ

چكيده
تراكم و محتواي رطوبتي خاك، دو خصوصيت فيزيكي تاثير گذار بر روي عملكرد محصول در مزرعه مي باشند. استفاده از حسگرهای خازنی، وسیله ای حساس براي تخمين محتواي رطوبت خاك مي باشد. در این روش، خاك به عنوان بخشي از

دي الكتريك يك خازن محسوب می شود. در این تحقیق، یک حسگر اندازه گير رطوبت مبناء،خازني ساخته و مورد ارزيابي قرار گرفت. اين حسگر از دو بخش تشكيل شده است: ۳ الكترود و يك مدار الكترونيكي. الكترودها تيغه هاي فلزي هستند كه مورد عمليات حرارتي قرا گرفته و سخت شده اند و در نتيجه سطح آنها در برابر سايش بسيار مقاوم است. اين تيغه ها در داخل يك قطعه فيبر استخواني ثابت شده اند. لبه هاي اين فيبر به صورت گوه اي شكل ساخته شده تا حركت آن در خاك، راحت تر انجام گيرد. تيغه ها توسط كابل هاي هم محور به

مدار الكترونيكي متصل شده اند. ولتاژ تحريك مدار برابر ۱۲ ولت مي باشد و خروجي آن فركانس است. حسگر تحت شرايط استاتيكي آزمايشگاه و در خاكي با بافت لوم رسي سيلتي واسنجي شد. با استفاده از نتايج اين آزمون، آزمون مزرعه اي انجام گرفت. تحليل داده ها نشان داد كه رابطه بين محتواي رطوبت خاك و فركانس خروجي حسگر را مي توان به صورت يك رابطه درجه دو نشان داد. نتايج نشان داد كه داده هاي خروجي حسگر علاوه بر محتواي رطوبت خاك، به درجه حرارت محيط نيز بستگي دارند. اگرچه بين مقادير اندازه¬گيري شده توسط حسگر رطوبت و به روش وزني به¬علت تأثير درجه حرارت بر ظرفيت خازني خاك تفاوت وجود داشت، ولي همبستگي معني¬داري (۷۰/۰=۲R) بين مقادير اندازه¬گيري شده با اين دو روش مشاهده شد.

 

کلیدواژه: اندازه گيري بلادرنگ، حسگر اندازه گيري رطوبت، كشاورزي دقيق

۱- مقدمه
يکي از مهمترين عوامل مديريت مزرعه، مديريت آب مي¬باشد. اندازه¬گيري و نمايش محتواي رطوبتي خاک يکي از ضروري¬ترين مباحث مديريت جهت بهبود بازده در کشاورزي است. محتواي رطوبتي خاک را مي-توان بر دو مبناي وزني و حجمي بيان كرد. محتواي رطوبت وزني مي¬تواند با استفاده از تفاوت وزن قبل و بعد از خشک شدن نمونه خاک، تعيين گردد. اين روش مستقيم روش حرارتي- وزني(يا روش ساده-وزني) خوانده مي¬شود. اگرچه روش مستقيم روش ارزاني مي¬باشد، جزء آزمايش¬هاي مخرب و وقت¬گير است و امکان تکرار آزمايش در يک مکان وجود ندارد [۳].

در حال حاضر دامنه وسيعي از حسگرهاي تجاري وجود دارند که با استفاده از اصول فيزيکي مختلف قادر به اندازه¬گيري رطوبت خاک به¬طور مستقيم هستند. براي مثال مي¬توان بلوک گچي ، جستجوگر نوتروني ، باز تاب سنج دامنه زماني (TDR) و تکنيک¬هاي طيف¬سنجي مانند باز تاب¬ سنجی امواج نزدیک مادون¬قرمز (NIR) را نام برد ]۳]. به¬طور معمول اين ابزار¬ها براي اندازه¬گيري نقطه-اي محتواي رطوبتي خاک و به¬طور استاتيک استفاده مي¬شوند.

يکي از مرسوم ترين روش غيرمستقيم تغیین محتواي رطوبتي حجمي خاک با استفاده از حسگرهای خازنی مي¬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 براي اندازه¬گيري پيوسته ظرفيت خازني خاک وجود دارد. يک روش بر اساس تکنيک اندازه¬گيري فرکانس مي¬باشد که فرکانس با مقدار ظرفيت خازني که عمدتاً به خصوصيت دي¬الکتريک خاک برمي-گردد، تغيير مي¬کند [۴]. روش ديگر، تعيين امپدانس خاک در يک فرکانس تحريک داده شده، مي-باشد. در هر دو روش فرکانس بايد به اندازه¬اي بالا باشد که تأثير شوري خاک را کاهش دهد در غير اين¬صورت خروجي اين حسگرها تحت تأثير مقدار نمک خاک نيز مي¬باشد [۵].

ليو و همکاران (۱۹۹۶) يک حسگر رطوبتي دي-الکتريک- مبنا تحت شرايط ديناميکي ساخت و آن را داخل يک بلوک نايلوني قرار داد تا بتواند آن را به ابزار متصل کند. نتايج آنها، سهولت دست¬يابي به داده با استفاده از کاربرد بلادرنگ را نشان داد. به علاوه، آزمون¬هاي تکميلي توسط آندرد و همکاران (۲۰۰۱) انجام شد و نشان داد که اين حسگر رطوبتي نه تنها به رطوبت پاسخ مي¬دهد بلکه به مقدار نمک، درجه حرارت و بافت خاک نيز عکس¬العمل نشان مي¬دهد. رودس و همکاران نيز (۱۹۸۹) به نتايج مشابهي دست يافتند. محاسبه اثر حرارت نسبتاً ساده است زيرا اثر خطي آن بر روي خازن، به سادگي با اندازه¬گيري حرارت جبران مي-شود. علاوه بر آن بافت خاک، يک خاصيت استاتيکي است. اگر نقشه مزرعه از نظر بافت خاک در دسترس باشد، اثرات بافت خاک بر روي اندازه¬گيري¬هاي دي-الکتريک قابل تخمين زدن مي¬باشد. بنابراين، ملاحظات مربوط به حررات و بافت خاک به سادگي بر روي داده¬ها انجام مي¬شود و فقط دو فاکتورمحتواي رطوبتي و نمک بر روي داده¬هاي خازن تأثير¬گذار مي¬باشند [۳]. اهداف

۲- مواد و روش ها
۲-۱- حسگر اندازه گير رطوبت خاک
براي طراحي حسگر اندازه گير رطوبت خاک به-صورت پيوسته، يکسري آزمايش¬هاي اوليه در آزمايشگاه روش¬ها و ابزار اندازه¬گيري دانشکده کشاورزي، دانشگاه صنعتي اصفهان انجام گرفت. هدف از انجام آزمايش¬ها، ساخت نمونه¬هاي اوليه حسگر اندازه¬گيري رطوبت و ارزيابي آن¬ها به¬صورت استاتيکي و مقايسه منحني¬هاي رفتاري مقاومت الکتريکي خاک-¬محتواي رطوبتي خاک و ضريب دي¬الکتريک خاک-محتواي رطوبتي خاک بود.

حسگر مبنا-خازن بر اساس اندازه¬گيري تغييرات فرکانس با تغييرثابت دي¬الکتريک خاک ( ) پايه ريزي شده است. با تغيير رطوبت خاک، به¬دليل تغيير در ثابت دي¬الکتريک خاک، ظرفيت خازني تغيير می كند. حسگر در واقع یک مدار تشدید است که می تواند فركانس تشدید محیط (خاک) را آشکار سازد. یک مدار تشدید به صورت زير مدل مي-شود:
(۱)
كه در آن:
= فركانس (MHz)
L= ضریب القاء ( )
C= ظرفيت خازني ( )
با توجه باینکه ضریب القاء در مدار تشدید دارای مقداری ثابت است، لذا معادله فوق پیشنهاد می کند که فركانس خروجی حسگر فقط با ظرفيت خازني تغییر می کند.
براي ساخت حسگر اندازه¬گير رطوبت، از خواص خازن¬ها استفاده شد. حسگرهاي مبناء-خازني به-دليل هزينه ساخت پايين و حساسيت بالا در برابر تغييرات رطوبت در خاک، نسبت به ساير حسگرها در جايگاه بهتري قرار گرفته¬اند. اساس کار حسگرهاي خازني استاتيکي، همان¬طور که در شکل ۱ مشاهده مي¬شود، معمولاً به اين صورت است که دو يا چند صفحه فلزي با فاصله اي معين از هم (d) بر روي يک پايه ثابت مي¬شوند. اين حسگرها در حالت عادي بسته به طول، عرض و ارتفاعي که دارند، داراي يک ظرفيت خازني مشخص (ماده بين صفحات آن هوا است) مي¬باشند. با فرو کردن حسگر در خاک ( يا قرار دادن خاک بين صفحات خازن)، ثابت دي-الکتريک خازن که قبلاً هوا بود، تغيير مي¬کند و در نتيجه ظرفيت خازني آن نيز تغيير مي¬کند. عدد نشان داده شده در اين حالت به عنوان ظرفيت خازني، بستگي به محتواي رطوبت، بافت و درجه حرارت خاک دارد. با انجام آزمايش در خاکي با بافت همگن و در شرايط يکسان از نظر درجه حرارت، خروجي حسگر فقط وابسته به مقدار رطوبت موجود در خاک مي¬شود و از اين طريق مي¬توان حسگر را واسنجي کرد. نکته حائز اهميت در اينجا آن است که اگر از اين شيوه براي حسگرهاي ديناميکي (در حين حرکت) نيز استفاده شود دو مسئله پيش مي¬آيد؛ اول اينکه حرکت آن در زير خاک به سختي انجام مي¬گيرد ودوم اينکه، ممکن است قرار گرفتن سنگي در بين دو صفحه خازن در حين حرکت، باعث جلوگيري از جايگزين شدن خاک جديد با خاک قبلي در بين صفحات شود. براي رفع اين مشکل، در حسگر ساخته شده، از خازن مسطح استفاده شد.

شکل ۱- شماي کلي از حسگر خازن- مبناء در حالي که خاک در بين صفحات آن قرار گرفته است
براي ساخت صفحات خازن، سه تيغه فلزي به عنوان صفحات الكترود (شكل ۲) از شمش فولاد تهيه شد. سپس اين قطعات با عمليات حرارتي کاملاً مقاوم شدند.

شکل ۲- تصوير واقعي از تيغه¬هاي تشکيل دهنده صفحات خازن ( همان¬طور که مشاهده مي¬شود سطوح اين تيغه¬ها کاملاً صيقلي است).
حسگرهاي تماسي اندازه گير خصوصيت¬هاي مختلف خاك به ¬صورت پيوسته، بايد داراي استحكام بالايي باشند تا بتوانند فشار ناشي از كشيده شدن در خاك را تحمل كنند. بنابراين، جهت ثابت كردن فاصله الكترودها نسبت به هم و همچنين ايجاد ابزارحاملي كه بتواند به راحتي الكترودها را در خاك جابه¬جا كند، از يك قطعه فيبر استخواني استفاده شد. براي سهولت حركت ابزار حامل در زير خاك، لبه¬هاي اين ابزار به¬صورت گوه اي شكل با زاويه ۴۵ درجه درآمد. شكل ۳ تصويري از حسگر اندازه گير رطوبت خاك را نشان مي¬دهد.

شكل ۳- تصويري از سه نماي ابزار حمل كننده الكترودها (صفحات خازن) در حالي كه الكترودها در داخل آن قرار گرفته اند.
براي اتصال حسگر به قاب از يك گيره نگه-دارنده استفاده شد. اين گيره در قسمت پايين داراي يك بست مي¬باشد كه در فواصل هم¬مركز با سوراخ¬هاي قسمت انتهايي ابزار حامل، داراي سوراخ¬هايي مي¬باشد. با قرار دادن ابزار حامل در داخل بست و پيچ كردن آن¬ها، ابزار حامل نسبت به بست كاملاً ثابت مي¬شود. براي سهولت حركت حسگر در خاك، گيره نگه¬دارنده حسگر رطوبت در جلو به يك تيغه مجهز شد. در داخل اين تيغه لوله اي قرار گرفته است كه سيم¬هاي خارج شده از صفحات خازن (الكترودها) را از زير به سطح خاك منتقل مي¬كند. (شکل های ۴ و ۵).

شكل ۴- گيره نگه¬دارنده حسگر اندازه گيره رطوبت براي اتصال به قاب (در سمت راست شكل، حسگر اندازه گير رطوبت در داخل گيره نگه¬دارنده قرار گرفته است).