تعریف سنسور رطوبت خاک

سنسور رطوبت خاک چیست؟
در بسیاری از کشورهای پیشرفته، کشاورزان به شدت به سیستم های آبیاری اعتماد می کنند تا در زمان مناسب آب مناسب محصولات خود را تأمین کنند. تنش خشکی گیاهان به راحتی و به سرعت باعث کاهش بازدهی می شود.

با کمک فناوری، سنسورهای رطوبت خاک می توانند تصویر کاملی از سیستم های آبیاری مفید را به تولیدکنندگان ارائه دهند. سنسور رطوبت خاک این امکان را می دهد که وقتی سطح رطوبت به زیر آستانه خاصی رسید، جریان آب برقرار شود و پس از رسیدن به ظرفیت آبداری زمین، قطع شود.

کشاورزان فقط در مواقع نیاز از آب استفاده می کنند و همین امر باعث کاهش مصرف آب می شود. این هم یک دستاورد مالی و هم یک گام مهم زیست محیطی است.

در این صورت نه آب و پول هدر می رود و نه مواد مغذی و سموم شیمیایی در آب های زیرزمینی غرق می شوند. استفاده از سنسور رطوبت خاک ضمن به حداکثر رساندن بازده و سود، هزینه های مدیریت ورودی را کاهش خواهد داد.

انواع سنسور رطوبت خاک:
سه نوع اصلی سنسور رطوبت خاک وجود دارد که هرکدام در نحوه اندازه گیری میدانی و تعیین سطح رطوبت خاک متفاوت هستند.

هر نوع مزایا و معایب خاص خود را دارد و نیازهای خاص بازار را برآورده می کند. در ادامه، با این انواع آشنا می شویم.

سنسور حجمی:
سنسورهای حجمی (Volumetric Sensors) رطوبت خاک، مستقیماً مقدار آب موجود در خاک را اندازه گیری می کنند. این دسته بیشترین سنسورهای بازار را تشکیل می دهند: پراب های رطوبت نوترونی، سنسورهای اتلاف حرارت و سنسورهای معمولی و دی الکتریک. سنسورهای دی الکتریک ثابت دی الکتریک خاک را اندازه گیری می کنند.

ثابت دی الکتریک یک خاصیت الکتریکی وابسته به میزان رطوبت خاک است و می توان آن را در سه نسخه تهیه کرد: سنسورهای رفرکتومتری یا شکست سنجی حوزه زمان (TDR)، سنسورهای عبورسنج حوزه زمان (TDT) و سنسورهای رفرکتومتری حوزه فرکانس (FDR) یا خازنی.

سنسور حجمی رطوبت خاک:
با توجه به فناوری مورد استفاده، سنسورهای حجمی گرانترین سنسورهای رطوبت خاک برای خرید هستند (بیش از 100 دلار برای هر سنسور و 400 تا 1200 دلار برای یک خوانش گر الکترونیکی). هنگام نصب در مزارع، این سنسورها به کالیبراسیون با نوع خاک جداگانه نیز احتیاج دارند و همین امر موج دشوارتر شدن نصب آن ها می شود.

البته در طرف مقابل، سنسورهای حجمی بسیار دقیق هستند و داده ها را بسیار سریع در اختیار کشاورزان قرار می دهند. این سنسورها معمولاً در محیط های پژوهشی و در محصولات با ارزش بالا که سرعت و دقت هزینه بالاتر تجهیزات قابل توجیه است، مورد استفاده قرار می گیرند.

سنسور رطوبت خاک مقاومتی:
سنسور رطوبت خاک مقاومتی با استفاده از رابطه بین مقاومت الکتریکی و مقدار آب برای اندازه گیری سطح رطوبت خاک کار می کند.

این سنسورها را برای داشتن دو پراب در معرض مشاهده که مستقیماً به نمونه خاک وارد می شوند، مشاهده خواهید کرد.

جریان الکتریکی از یک پراب به دیگری برقرار می شود که به سنسور امکان اندازه گیری مقاومت خاک بین آن ها را می دهد.

وقتی مقدار آب موجود در خاک زیاد باشد، رسانایی الکتریکی بیشتری وجود دارد (آب رسانای خوبی برای برق است).

از این رو، میزان مقاومت وجود دارد که نشان دهنده رطوبت بالای خاک است. وقتی محتوای آب در خاک کم باشد، رسانایی الکتریکی ضعیف تری وجود دارد. از این رو، میزان مقاومت بالاتری به دست می آید که نشانگر رطوبت کم خاک است.

سنسور رطوبت خاک خازنی:
یک سنسور رطوبت خاک خازنی با اندازه گیری تغییر ظرفیت کار می کند. به زبان ساده، خازن میزان بار الکتریکی را که می تواند از طریق پتانسیل الکتریکی ذخیره شود اندازه گیری می کند. یک سنسور رطوبت خاک خازنی معمولاً با صفحه مثبت و منفی ساخته می شود که توسط یک ماده دی الکتریک در وسط آن ها جدا می شوند.

سنسور رطوبت خاک خازنی:
در این حالت، خاک محیط دی الکتریک است و ظرفیت آن با محتوای رطوبت تغییر می کند. با جفت شدن سنسور با مدار تایمر، یک ولتاژ آنالوگ به دست می آوریم که با برد آردوینو قابل خواندن است. این ولتاژ به نوبه خود با محتوای رطوبت خاک رابطه مستقیم دارد و دقیقاً همان چیزی است که ما به آن نیاز داریم.

اما سنسور مقاومتی بهتر است یا خازنی؟ هر دو سنسور میزان رطوبت خاک را در درصد حجم (نسبت آب به حجم خاک) ارائه می دهند.

ایراد معمول به سنسورهای رطوبت خاک مقاومتی این است که به مرور زمان مستعد خوردگی هستند، زیرا جریان الکتریکی برقرار شده بین پراب های آن می تواند باعث الکترولیز شود. در مقابل، سنسور رطوبت خاک خازنی الکترودی در معرض ندارد و نسبتاً فاقد خوردگی است. با این حال، سنسور خازنی به طور کلی هزینه بیشتری دارد.

سنسور خازنی در مواردی که نیازمند قرائت مکرر رطوبت خاک هستیم و چرخه های نگهداری و تعویض طولانی تر است، گزینه مناسبی خواهد بود.

اما در مواردی که قرائت کمتری نیاز است و هزینه برایمان مهم است، سنسور مقاومتی گزینه بهتری است.

کشش سنج یا تنسیومتر:
ذرات خاک آب را از طریق کشش یا چسبندگی نگه می دارند. کشش سنج ها (Tensiometers) انواعی از سنسور رطوبت خاک هستند که این کشش بین ذرات خاک و مولکول های آب را اندازه گیری می کنند. برای اینکه گیاهان به این آب دسترسی پیدا کنند باید بر کشش غلبه کنند تا مولکول های آب را از ذرات خاک دور کرده و به سمت ریشه بکشند.

خوانش های پتانسیل ماتریک خاک یا کشش رطوبت خاک بیان می کند که گیاه برای استخراج آب چقدر باید کار کند. تنسیومتر یک لوله عمودی و پر از آب با نوک متخلخل است که در عمق توصیه شده به خاک وارد می شود.

خاک از نوک متخلخل لوله مهر و موم شده آب خارج و خلأ ایجاد می کند. خاک های خشک خلاء قوی تری ایجاد می کنند، زیرا سخت تر است که مولکول های آب ذرات خاک را بکشند.

به طور کلی، کشش سنج ها تجهیزات نسبتاً ساده و ارزانی هستند (سنسورها برای هر واحد حدوداً 80 تا 160 دلار هزینه دارند) که می توانند در سیستم آبیاری قرار گیرند. استفاده از آن ها آسان است، زیرا داده های جمع آوری شده ساده هستند و نیازی به تفسیر ندارند.

این سنسورها نیاز به نگهداری بالاتر در طول فصل رشد دارند. آب لوله های مهر و موم شده باید تعویض و تمیز شود و نمی توانند زمستان را در مناطق سردتر آب و هوایی در مزرعه بمانند.

کشش سنج ها در صورت نصب در زمین هایی که میزان رطوبت نسبتاً کافی دارند، بهترین عملکرد را خواهند داشت. این سنسورها فقط می توانند در سطوح خاصی از مکش کار کنند و در شرایط خشک تر بی فایده می شوند.

سنسورهای حالت جامد:
ارزان ترین گزینه برای اندازه گیری میزان رطوبت خاک، سنسورهای حالت جامد است که هزینه هر واحد سنسور تقریباً 35 تا 60 دلار است. انواع متداول سنسورهای رطوبت خاک حالت جامد، بلوک های گچی و سنسورهای ماتریس گرانول هستند.

آن ها با استفاده از دو الکترود برای اندازه گیری مقاومت الکتریکی در خاک کار می کنند. آب بیشتر در خاک مقاومت الکتریکی را کاهش می دهد، زیرا جریان الکتریکی می تواند راحت تر از آب عبور کند. آب کمتر باعث افزایش مقاومت می شود.

پس از اندازه گیری مقاومت الکتریکی، کشش آب برای تعیین رطوبت خاک موجود در گیاه محاسبه می شود. در بلوک های گچی، الکترودها در یک قطعه گچ متخلخل قرار دارند که باید تماس با خاک را حفظ کند.

سنسورهای ماتریس گرانول دارای یک ماتریس گرانول در داخل یک پوشش فلزی هستند. سنسورهای الکتریکی در ماتریس گرانول بالای ویفر گچ تعبیه شده اند.

سنسورهای حالت جامد ارزان ترین گزینه برای سنسورهای رطوبت خاک هستند و برای بافت خاک نیازی به کالیبراسیون ندارند. با این حال، لازم است که با توجه به از بین رفتن گچ، به درستی نصب شوند و به صورت دوره ای جایگزین شوند.

این سنسورها برای اندازه گیری شرایط مزرعه بسیار کندتر هستند و در خاک های بسیار شنی به دلیل ذرات بزرگ تر خاک دقت کمتری دارند. بزرگ ترین عیب سنسورهای حالت جامد این است که آن ها در خاک های با شوری بالا به درستی کار نمی کنند، زیرا خوانش ها با افزایش نمک خدشه دار می شوند.

به دلیل اشکالاتی که این سنسورها دارند، در شرایط بسیار خشک یا محصولاتی که به تنش آبی حساسیت زیادی دارند، عملکرد خوبی نخواهند داشت.