Εργαστηριακή σύγκριση αξιολόγησης αισθητήρων εδαφικής υγρασίας πεδίου.

Abstract

Η επάρκεια εδαφικής υγρασίας είναι απαραίτητη για την ανάπτυξη των φυτών καθώς το νερό έχει το ρόλο του διαλύτη και του μεταφορέα των θρεπτικών στοιχείων προς ρίζες και στους φυτικούς ιστούς μέσω της διαδικασίας της διαπνοής. Όμως, εδάφη και ύδατα με υψηλή περιεκτικότητα σε άλατα είναι προβληματικά, καθώς δυσχεραίνουν την απορρόφηση του εδαφικού νερού και θρεπτικών στοιχείων από τα φυτά, έστω και αν η εδαφική υγρασία βρίσκεται σε ικανοποιητικά επίπεδα. Συνεπώς, ο ακριβής προσδιορισμός της εδαφικής υγρασίας και της ηλεκτρικής αγωγιμότητας του εδαφικού διαλύματος, που αποτελεί δείκτη της περιεκτικότητας του νερού σε άλατα, έχουν μεγάλη σημασία για τον ορθό προσδιορισμό των εκάστοτε αρδευτικών αναγκών. Πέρα από τις εργαστηριακές μεθόδους, για τη μέτρηση της εδαφικής υγρασίας και αγωγιμότητας μπορούν να χρησιμοποιηθούν αισθητήρες πεδίου, δηλαδή συσκευές που ανιχνεύουν ή μετρούν τις φυσικές αυτές ιδιότητες και να τις καταγράφουν ή τις μεταδίδουν και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συνθήκες πεδίου. Με τη βοήθεια αισθητήρων εδαφικής υγρασίας μπορούμε να σχεδιάσουμε ή να βελτιώσουμε συστήματα άρδευσης, με αποτέλεσμα τη μείωση της σπατάλης νερού και αλλά και την εξασφάλιση της βέλτιστης ποσότητας άρδευσης. Σήμερα, η ανάγκη για αποδοτικότερη εφαρμογή του αρδευτικού νερού σε συνδυασμό με την τεχνολογική πρόοδο, έχει οδηγήσει σε αλματώδη ανάπτυξη των συσκευών μέτρησης και παρακολούθησης της υγρασίας του εδάφους. Παρόλη τη χρησιμότητά τους, οι αισθητήρες παρουσιάζουν διάφορα σφάλματα τα οποία θα πρέπει αν είναι γνωστά για την ορθολογική χρήση τους. Στην παρούσα μελέτη γίνονται συγκρίσεις μεταξύ των αισθητήρων GS3 και 5TM του οίκου METER Group, MEC10 του οίκου Dalian Endeavour Technology και μιας υλοποίησης του αισθητήρα Chirp που αποτελεί ανοιχτό υλισμικό. Οι δύο πρώτοι αισθητήρες είναι ιδιαίτερα διαδεδομένοι στη βιβλιογραφία, ενώ οι δύο άλλοι παρουσιάζουν ενδιαφέρον καθώς αποτελούν οικονομικές εναλλακτικές λύσεις. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η συγκριτική αξιολόγηση τεσσάρων αισθητήρων μέτρησης της εδαφικής υγρασίας (5ΤΜ, GS3, MEC10, και Chirp), με βάση την εργαστηριακή τους απόδοση σε σχέση με την μέθοδο προσδιορισμού της εδαφικής υγρασίας και της αγωγιμότητας. Κατά την υλοποίηση της μελέτης, γίνονται δύο διακριτά πειράματα. Το πρώτο αφορά την αξιολόγηση της μέτρησης ηλεκτρικής διαπερατότητας, δηλαδή της ιδιότητας εκείνης του εδάφους που αξιοποιείται από τους αισθητήρες για τον υπολογισμό της εδαφικής υγρασίας. Το πείραμα αυτό γίνεται σε νερό και άλλα υγρά με γνωστές τιμές διαπερατότητας, χρησιμοποιώντας μόνο τους αισθητήρες GS3 και 5TM που παρέχουν αυτή την μέτρηση ως πρωτογενές δεδομένο. Το δεύτερο μέρος αφορά την αξιολόγηση της μέτρησης εδαφικής υγρασίας και ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Το πείραμα αυτό έγινε σε τρία διαφορετικά είδη εδάφους (χαλαζιακή άμμος 0,1–0,4 mm, αμμοαργιλοπηλώδες έδαφος και υδροπονικό υπόστρωμα από μίγμα κόκκου-περλίτη σε αναλογία 1:1) με σταδιακή προσθήκη διαλυμάτων NaCl με αγωγιμότητες από 0,46 mS/cm έως 32,6 mS/cm σε συγκέντρωση στο έδαφος από 2,5% V/V ως 40% (V/V) κατ’ όγκο. Για την καταγραφή των μετρήσεων των αισθητήρων GS3 και 5TM χρησιμοποιήθηκε κατάλληλο καταγραφικό (DataLogger EM50 του οίκου METER) ενώ για τους αισθητήρες MEC10 και Chirp δημιουργήθηκε κατάλληλη ρουτίνα σε περιβάλλον MATLAB. Οι μετρήσεις των αισθητήρων συγκρίνονται με τις γνωστές συγκεντρώσεις υγρασίας και αλατότητας και τα αποτελέσματα αναλύονται στατιστικά. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων αναμένεται να υποδείξουν τους αισθητήρες με τη μεγαλύτερη ακρίβεια και αξιοπιστία στη μέτρηση της εδαφικής υγρασίας και αγωγιμότητας. Τα αποτελέσματα συγκρίνονται με παρόμοιες βιβλιογραφικές μελέτες και ώστε να αξιολογηθεί η εγκυρότητα της παρούσας εργασίας.

In the present study, comparisons are made between the GS3 and 5TM sensors of METER Group, MEC 10 of Dalian Endeavour Technology and an implementation of the Chirp sensors, which is an open hardware. The first two sensors are particularly widespread in the literature, while the other two are of interest as they are economical alternatives. The purpose of this work is the comparative evaluation of four sensors for the measurement of soil moisture (5TM, GS3, MEC 1O, and Chirp!), based on their laboratory performance in relation to the method of determining soil moisture and conductivity. During the implementation of the study, two distinct experiments are performed. The first concerns the evaluation of the measurement of electrical permeability, the property of the soil used by the sensors to calculate soil moisture. This experiment is performed in water and other liquids with known permeability values, using only the GS3 and 5TM sensors that provide this measurement as a primary data. The second part concerns the assessment of the measurement of soil moisture and electrical conductivity. This experiment was carried out on three different soil types (quartz sand 0.1-0.4 mm, sandy clay loam soil and hydroponic substrate from grain-perlite mixture in a ratio of 1:1) with gradual addition of NaCl solutions with conductivity from 0.4mS/cm to 32.6mS/cm at a soil concentration of 2.5 % V/V to 40%V/V. For the recording of the measurements of the GS3 and 5TM sensors was used suitable logger (DataLogger EM50 of METER), while for the MEC 10 and Chirp! sensors was created suitable routine MATLAB environment. The measurements of the sensors are compared with the known concentrations of moisture and salinity and the result are analyzed statically. The results of the experiments are expected to indicate the sensors with the greatest accuracy and reliability in the measurement of soil moisture and conductivity. The results are compared with similar bibiographic studies to evaluate the validity of this paper.