حسگر خاک خازنی: یک «مانیتور روند رطوبت» مقرون‌به‌صرفه

حسگرهای خازنی خاک یکی از رایج‌ترین تکنیک‌ها در اندازه‌گیری رطوبت خاک مدرن هستند (که معمولاً متعلق به نوعی بازتاب‌سنجی حوزه فرکانس (FDR) هستند). اصل اساسی، بدست آوردن غیرمستقیم رطوبت حجمی خاک با اندازه‌گیری ثابت دی‌الکتریک آن است. از آنجایی که ثابت دی‌الکتریک آب (حدود 80) بسیار بالاتر از سایر اجزای خاک است (حدود 1 برای هوا و حدود 3-5 برای ماتریس خاک)، تغییر کلی در ثابت دی‌الکتریک خاک عمدتاً به میزان رطوبت بستگی دارد.

موارد زیر از ویژگی‌های اصلی آن هستند:
۱. نقاط قوت و مزایای اصلی
۱. کم‌هزینه و آسان برای عمومی‌سازی
در مقایسه با حسگرهای بازتاب‌سنجی حوزه زمان (TDR) با دقت بالا، حسگرهای خازنی قطعات الکترونیکی و هزینه‌های تولید کمتری دارند که آنها را قادر می‌سازد تا به طور گسترده در سناریوهایی که نیاز به استقرار در مقیاس بزرگ دارند، مانند کشاورزی هوشمند و آبیاری باغ، مورد استفاده قرار گیرند.

۲. مصرف برق بسیار کم
مدارهای اندازه‌گیری خازنی خودشان مصرف برق بسیار کمی دارند و برای نظارت میدانی طولانی‌مدت و کاربردهای اینترنت اشیا که با باتری‌ها و پنل‌های خورشیدی تغذیه می‌شوند، بسیار مناسب هستند. آن‌ها می‌توانند ماه‌ها یا حتی سال‌ها به‌طور مداوم کار کنند.

۳. می‌توان آن را به طور مداوم برای مدت طولانی تحت نظر داشت
در مقایسه با روش خشک کردن که نیاز به عملیات دستی دارد، حسگرهای خازنی می‌توانند در خاک دفن شوند تا جمع‌آوری داده‌ها را به صورت خودکار، پیوسته و بدون نیاز به مراقبت انجام دهند و می‌توانند فرآیند تغییر پویای رطوبت خاک، مانند تأثیر آبیاری، بارندگی و تبخیر را ثبت کنند.

۴. اندازه جمع و جور و نصب آسان
سنسورها معمولاً به صورت کاوشگر طراحی می‌شوند. فقط کافی است در محل اندازه‌گیری سوراخی ایجاد کنید و کاوشگر را به صورت عمودی در خاک قرار دهید، که آسیب کمی به ساختار خاک وارد می‌کند.

5. پایداری خوب و عدم وجود رادیواکتیویته
برخلاف نوترون‌مترها، حسگرهای خازنی هیچ منبع رادیواکتیوی را درگیر نمی‌کنند، استفاده از آنها بی‌خطر است و نیازی به مجوز یا حفاظت ویژه ندارند.

۶. یکپارچه و هوشمند
ادغام آن با جمع‌آوری‌کننده‌های داده و ماژول‌های انتقال بی‌سیم (مانند 4G/LoRa/NB-IoT) برای تشکیل یک شبکه کامل نظارت بر رطوبت خاک بسیار آسان است. کاربران می‌توانند از راه دور داده‌ها را از طریق تلفن همراه یا پلتفرم‌های رایانه‌ای به صورت بلادرنگ مشاهده کنند.

دوم. محدودیت‌ها و چالش‌ها
دقت اندازه‌گیری تحت تأثیر عوامل متعددی است
تأثیر بافت خاک: منحنی‌های کالیبراسیون برای خاک رس، لوم و شنی متفاوت است. حسگرها معمولاً هنگام خروج از کارخانه با شن و خاک استاندارد کالیبره می‌شوند. استفاده مستقیم در خاک‌هایی با بافت‌های مختلف باعث ایجاد خطا می‌شود.
تأثیر رسانایی الکتریکی خاک (شوری): این یکی از منابع اصلی خطا برای حسگرهای خازنی است. یون‌های نمک موجود در خاک می‌توانند با میدان‌های الکترومغناطیسی تداخل داشته باشند و باعث شوند مقادیر اندازه‌گیری شده بالاتر باشند. در خاک شور، دقت اندازه‌گیری به طور قابل توجهی کاهش می‌یابد.
تأثیر تراکم و تخلخل خاک: اینکه آیا پروب در تماس نزدیک با خاک است و اینکه آیا منافذ بزرگ یا سنگ در خاک وجود دارد یا خیر، همگی بر دقت نتایج اندازه‌گیری تأثیر می‌گذارند.
تأثیر دما: ثابت دی‌الکتریک با دما تغییر می‌کند. سنسورهای با کیفیت بالا دارای حسگرهای دمای داخلی برای جبران هستند، اما اثر جبران محدود است.

۲. کالیبراسیون در محل مورد نیاز است
برای دستیابی به نتایج اندازه‌گیری با دقت بالا، به ویژه در انواع خاص خاک، معمولاً کالیبراسیون در محل مورد نیاز است. به این معنی که نمونه‌های خاک جمع‌آوری می‌شوند، میزان رطوبت واقعی با روش خشک کردن استاندارد اندازه‌گیری می‌شود و سپس با مقادیر خوانده شده توسط حسگر مقایسه می‌شود تا یک معادله کالیبراسیون محلی ایجاد شود. این یک گام بسیار مهم برای اطمینان از دقت داده‌ها است، اما هزینه استفاده و آستانه فنی را نیز افزایش می‌دهد.

۳. محدوده اندازه‌گیری نسبتاً محلی است
محدوده اندازه‌گیری حسگر به حجم محدود خاک اطراف کاوشگر (یعنی «ناحیه حساس» حسگر) محدود می‌شود. این ناحیه معمولاً بسیار کوچک است (چند سانتی‌متر مکعب)، بنابراین نتیجه اندازه‌گیری نشان‌دهنده اطلاعات یک «نقطه» است. برای درک شرایط رطوبت خاک کل مزرعه، باید چندین نقطه تنظیم شود.

۴. پایداری و رانش درازمدت
اگر برای مدت طولانی در خاک دفن شود، فلز پروب ممکن است به دلیل خوردگی الکترولیتی یا واکنش شیمیایی فرسوده شود و باعث تغییر مقادیر اندازه‌گیری شود. بازرسی و کالیبراسیون مجدد منظم مورد نیاز است.

III. سناریوهای قابل اجرا و پیشنهادهای انتخابی
سناریوهای بسیار مناسب
کشاورزی هوشمند و آبیاری دقیق: نظارت بر دینامیک رطوبت خاک، راهنمایی در مورد زمان و میزان آبیاری، دستیابی به صرفه‌جویی در مصرف آب و افزایش تولید.
فضای سبز و نگهداری زمین گلف: حسگرهای اصلی سیستم‌های آبیاری خودکار
تحقیقات علمی: تحقیقات در زمینه‌هایی مانند بوم‌شناسی، هیدرولوژی و هواشناسی که نیاز به پایش طولانی‌مدت و مداوم رطوبت خاک دارند.
هشدار زودهنگام بلایای زمین‌شناسی: رطوبت خاک را در دامنه‌ها و بستر جاده‌ها رصد کنید تا از خطرات رانش زمین مطلع شوید.

سناریوهایی که نیاز به استفاده محتاطانه دارند:
در مناطقی با خاک‌های شور و قلیایی بالا: مگر اینکه از مدل‌های طراحی و کالیبره شده ویژه استفاده شود، قابلیت اطمینان داده‌ها پایین است.
در سناریوهای صدور گواهینامه مترولوژیکی با الزامات بسیار بالا برای دقت مطلق: در این زمان، ممکن است لازم باشد سنسورهای TDR گران‌تر را در نظر بگیرید یا مستقیماً از روش خشک کردن استفاده کنید.

به عبارت ساده، حسگرهای خاک خازنی یک گزینه "مقرون به صرفه" هستند. اگرچه ممکن است مقادیر کاملاً دقیقی را در سطح آزمایشگاهی ارائه ندهند، اما می‌توانند به خوبی روند تغییرات نسبی و الگوی رطوبت خاک را از خشک به مرطوب منعکس کنند. برای اکثر قریب به اتفاق تصمیمات تولید و مدیریت، این امر از قبل ارزش زیادی دارد. درک صحیح ویژگی‌های آن و انجام کالیبراسیون خوب، کلیدهای استفاده خوب از آن هستند.

برای اطلاعات بیشتر در مورد حسگر خاک، لطفا با Honde Technology Co., LTD تماس بگیرید.

واتس‌اپ: +86-15210548582

Email: info@hondetech.com

وب‌سایت شرکت:www.hondetechco.com