Soil Sensor HydraPobe HP008A

Bezpečnost a ochrana zařízení

VAROVÁNÍ!

• VAROVÁNÍ! ELEKTRICKÁ VÝKON MŮŽE ZPŮSOBIT SMRT, ZRANĚNÍ OSOB NEBO MŮŽE ZPŮSOBIT POŠKOZENÍ ZAŘÍZENÍ. Pokud je přístroj poháněn externím zdrojem napájení, odpojte jej od tohoto zdroje, než se pokusíte o jakoukoli opravu.
• VAROVÁNÍ! BATERIE JSOU NEBEZPEČNÉ. PŘI NESPRÁVNÉM MANIPULACI MŮŽE ZPŮSOBIT SMRT, ZRANĚNÍ OSOB NEBO POŠKOZENÍ ZAŘÍZENÍ. Baterie mohou být nebezpečné při nesprávném použití, nesprávné manipulaci nebo nesprávné likvidaci.
• Baterie obsahují potenciální energii, i když jsou částečně vybité.
• VAROVÁNÍ! ÚRAZ ELEKTRICKÝM PROUDEM MŮŽE ZPŮSOBIT SMRT NEBO ZRANĚNÍ OSOB. Při manipulaci s kabely, konektory nebo svorkami buďte mimořádně opatrní; mohou vytvářet nebezpečné proudy, pokud se nechtěně dostanou do kontaktu s vodivými materiály, včetně vody a lidského těla.
• POZOR! Uvědomte si ochranná opatření proti nárazům elektrického proudu způsobeným životním prostředím a dodržujte předchozí varování a upozornění, pečlivě dodržujte následující bezpečnostní činnosti.
• Děti a dospívající
  NIKDY nedávejte baterie mladým lidem, kteří si nemusí být vědomi nebezpečí spojených s bateriemi a jejich nesprávným použitím nebo likvidací.
• Šperky, hodinky, kov Tags
  Abyste předešli vážným popáleninám, NIKDY nenoste prsteny, náhrdelníky, kovové řemínky k hodinkám, náramky nebo kovové identifikační znaky tags v blízkosti odkrytých svorek baterie.
• Teplo, oheň
  NIKDY nevhazujte baterie do ohně ani je neumisťujte do nadměrně vytápěných prostor. Dodržujte teplotní limity uvedené ve specifikacích přístroje.
• Nabíjení
  • NIKDY nenabíjejte „suché“ články nebo lithiové baterie, které nejsou určeny k nabíjení.
  • NIKDY nenabíjejte dobíjecí baterie proudem vyšším, než jsou doporučené hodnoty.
  • NIKDY nenabíjejte zamrzlou baterii. Před připojením nabíječky jej zcela rozmrazte při pokojové teplotě.
• Nevětraný kontejner
  NIKDY neskladujte ani nenabíjejte baterie v plynotěsných nádobách. Pokud tak učiníte, může dojít ke zvýšení tlaku a explozivní koncentraci vodíku.
• Zkraty
  NIKDY nezkratujte baterie. Vysoký tok proudu může způsobit zahřívání vnitřní baterie a/nebo explozi.
• Poškozené baterie
  Při kontaktu s nebezpečnými materiály z poškozené nebo otevřené baterie může dojít ke zranění osob. NIKDY se nepokoušejte otevřít kryt baterie. Používejte vhodný ochranný oděv a s poškozenými bateriemi zacházejte opatrně.
• Likvidace
  • VŽDY likvidujte baterie odpovědným způsobem. Dodržujte všechny platné federální, státní a místní předpisy pro likvidaci konkrétního typu baterie.
  • UPOZORNĚNÍ Stevens si nečiní žádné nároky na odolnost svého zařízení proti úderu blesku, ať už přímému nebo blízkému.

Federální komise pro komunikace vyžaduje následující prohlášení:

VAROVÁNÍ: Toto zařízení generuje, používá a může vyzařovat vysokofrekvenční energii a pokud není nainstalováno v souladu s návodem k obsluze, může způsobovat rušení rádiové komunikace. Bylo testováno a bylo zjištěno, že vyhovuje limitům pro výpočetní zařízení třídy A podle podčásti J části 15 pravidel FCC, které jsou navrženy tak, aby poskytovaly přiměřenou ochranu proti takovému rušení při provozu v komerčním prostředí. Provoz tohoto zařízení v obytné oblasti pravděpodobně způsobí rušení a v takovém případě bude uživatel muset na vlastní náklady přijmout veškerá opatření, která mohou být vyžadována k nápravě rušení.

INFORMACE PRO UŽIVATELE
Stevens neposkytuje žádnou záruku na informace uvedené v tomto návodu a čtenář přebírá veškerá rizika při jejich použití. Za škody vyplývající z použití tohoto návodu nepřebíráme žádnou odpovědnost. Vyhrazujeme si právo provádět změny produktů a/nebo publikací bez předchozího upozornění.

Regulační

Prohlášení o shodě
Výrobcem produktů, na které se vztahuje toto prohlášení, je:

Water Monitoring Systems, Inc.
12067 NE Glenn Widing Dr. #106
Portland, Oregon 97220 USA
503-445-8000
Směrnice, na kterou se vztahuje toto Prohlášení 2004/108/EC Směrnice o elektromagnetické kompatibilitě Produkt, na který se vztahuje toto Prohlášení
Senzor měření půdy HydraProbe
Základ prohlašování shody Výrobce tímto prohlašuje, že výše uvedené výrobky splňují požadavky na ochranu směrnice EMC pro a následující normy, se kterými je deklarována shoda: EN61326-1:2006 Elektrické požadavky na měření, řízení a laboratoř používejte požadavky EMC Zařízení třídy A – Vedené
Emise a vyzařované emise
1907/2006/ES REACH
Stevens Water Monitoring Systems, Inc. potvrzuje, že Stevens HydraProbe, včetně všech modelů a součástí, jsou v souladu s Nařízením Evropské unie (EC) 1907/2006, kterým se řídí registrace, hodnocení, autorizace a omezování chemikálií (REACH) a nejsou obsahují látky nad 0.1 % hmotnosti látky vzbuzující velmi velké obavy (SVHC) uvedené v příloze XIV od 15. června 2019. Technická dokumentace požadovaná k prokázání, že produkty splňují požadavky směrnice EMC, byla sestavena a je k dispozici pro kontrola ze strany příslušných donucovacích orgánů.

Předmluva
Tato příručka je průvodce půdními daty pro sondu Stevens HydraProbe Soil Sensor. Tato příručka obsahuje teoretickou diskuzi o fyzice půdy, která vysvětluje teorii fungování elektromagnetických půdních senzorů a také diskusi o hydrologii vadózních zón. Odkazy na peer reviewVydané vědecké publikace poskytují uživateli další informace o těchto tématech. Vzhledem k tomu, že monitorování půdní vlhkosti je pro výzkumníky v mnoha oblastech včetně hydrologie, agronomie, půdní fyziky a geotechnického inženýrství stále důležitější, cítíme, že je nutné zahrnout pokročilé teoretické diskuse s odkazy, které vědcům a inženýrům pomohou porozumět technologii měření. způsobem, který je nezaujatý a odkazovaný.

Snadné použití
Navzdory této propracovanosti se Stevens HydraProbe Soil Sensor velmi snadno používá. Informace o instalaci naleznete v příručkách pro rychlý start, v instalační příručce a v příručce.

Podpůrné dokumenty

Číslo dokumentu	Dokument
HP003A	Rychlý start HydraProbe, SDI-12
HP004A	Průvodce daty o půdě
HP005A	Průvodce instalací a odstraňováním problémů HydraProbe
HP006A	Rychlý start HydraProbe, RS-485
HP007A	Informace o předpisech
HP008A	Komplexní příručka HydraProbe
HP009A	Průvodce geomorfologií půdy pro půdní senzory
HP010A	Ochrana před bleskem pro meteorologické stanice
HP011A	Rychlý start HydraProbe, Modbus

Zavedení

Stevens HydraProbe Soil Sensor neboli HydraProbe měří teplotu půdy, vlhkost půdy, elektrickou vodivost půdy (EC) a komplexní dielektrickou permitivitu. HydraProbe, navržený pro mnoho let provozu zakopaný v půdě, používá ve své konstrukci kvalitní materiál. Nerezová ocel námořní třídy, pouzdro z PVC a vysoce kvalitní epoxidové zalévání chrání vnitřní elektrickou součást před korozními a reaktivními vlastnostmi půdy. Většina sond HydraProbes instalovaných před více než deseti lety je stále v provozu dodnes. HydraProbe není jen praktické měřicí zařízení; je to také vědecký nástroj. Použití HydraProbes v zavlažovacím systému, kterému zemědělci důvěřují při maximalizaci výnosů plodin, může zabránit odtoku, který může být škodlivý pro vodní stanoviště, šetřit vodu tam, kde je jí vzácná, a ušetřit peníze za náklady na čerpání. Výzkumníci se mohou spolehnout na to, že HydraProbe poskytne přesná a přesná data po mnoho let provozu. Variabilita mezi senzory je nízká, což umožňuje přímé srovnání dat z více sond v půdním sloupci nebo v povodí. HydraProbe zakládá svá měření na fyzice a chování odražených elektromagnetických rádiových vln v půdě, aby určila dielektrickou permitivitu. Z komplexní dielektrické permitivity může HydraProbe současně měřit vlhkost půdy a elektrickou vodivost. Komplexní dielektrická permitivita souvisí s elektrickou kapacitou a elektrickou vodivostí. HydraProbe využívá patentované algoritmy k převodu odezvy signálu stojatých rádiových vln na dielektrickou permitivitu a tím vlhkost půdy a elektrickou vodivost půdy.

Aplikace
Americké ministerstvo zemědělství Síť pro analýzu klimatu půdy (SCAN) je závislé na HydraProbe ve stovkách stanic po celých Spojených státech a Antarktidě od počátku 1990. let. Síť Agrimet Network Bureau of Reclamation, NOAA a další mezonety a výzkumná povodí po celém světě důvěřují měřením, která poskytuje HydraProbe. Aplikace HydraProbe zahrnují:

• Zemědělství
• Vinařství
• Výzkum
• Modelování vodní kůlny
• Rekultivace půdy
• Smršťovací/bobtnající jíly
• Satelitní pozemní pravda
• Předpovídání počasí
• Zavlažování
• Sportovní trávník
• Půdní fytoremediace
• Evapotranspirační studie
• Studie sesuvů půdy
• Předpovídání povodní
• Vymezení mokřadů
• Precizní zemědělství

Kalibrace
HydraProbe má tři tovární kalibrace, které poskytují vynikající výkon v různých půdách bez ohledu na organický obsah nebo texturu. Tyto tři kalibrace jsou: OBECNÉ (G) dobré pro většinu všech půd složených z písku, bahna a jílu; ORGANICKÉ (O); a ROCKWOOL (R). Tovární OBECNÁ kalibrace půdy je výchozí kalibrací a je vhodná pro většinu všech minerálních půd. (Více informací naleznete v uživatelské příručce)

Dielektrická permitivita
Komplexní dielektrické permitivity jsou poskytovány pro zakázkové kalibrace a další aplikace. (Více informací naleznete v uživatelské příručce)

Konstrukční komponenty
HydraProbe má tři hlavní konstrukční součásti: sestava prstů, tělo a kabel. Sestava hrotů z nerezové oceli námořní třídy je tvořena čtyřmi kovovými tyčemi, které vyčnívají ze základní desky a jsou vlnovodem. Každý hrot je 58 mm dlouhý a 3 mm široký. Základní deska má průměr 25 mm. Elektromagnetické vlny na rádiové frekvenci jsou vysílány a přijímány středovým hrotem. Hlava nebo tělo sondy obsahuje obvodové desky, mikroprocesory a další elektrické komponenty. Vnější plášť je z PVC a vnitřní elektronika je trvale zalita epoxidovou pryskyřicí tvrdou jako skála, což dává sondám robustní konstrukci. Kabel má přímo zapuštěné pouzdro a obsahuje napájecí, zemnící a datové vodiče, které jsou všechny připájeny k vnitřní elektronice.

Přesnost a preciznost
HydraProbe poskytuje přesné a přesné měření. Tabulka 1.1 níže ukazuje přesnost.

Parametr	Přesnost
Skutečná dielektrická permitivita (izolovaná)	Rozsah: 1 až 80, kde 1 = vzduch, 80 = destilovaná voda Přesnost: < +/- 0.5 % Nebo +/- 0.25 dielektrických jednotek
Imaginární svolení	Rozsah: 0 až 80, kde 1 = vzduch, 80 = destilovaná voda Přesnost: +/- 0.1 až 0.25 S/m a +/-7 při nebo vyšší 0.5 S/m
Půdní vlhkost pro anorganické minerální půdy	Rozsah: Od úplného sucha po úplné nasycení (0 % až 100 % nasycení) Přesnost1: +/-0.01 WFV pro většinu půd (q m3,m-3) +/- <0.03 pro jemně strukturovanou půdu
Hromadná elektrická vodivost (EC)	Rozsah: 0 až 1.5 S/m Přesnost2: +/- 2.0 % nebo 0.02 S/m podle toho, která hodnota je větší
Teplota	Rozsah: -40 až 75 °C Přesnost: +/- 0.3o C
Variabilita mezi snímači	+/- 0.012 WFV
Pórová voda EC	Hilhorstova rovnice

Elektromagnetická kompatibilita
Stevens HydraProbe je půdní senzor, který využívá nízkoenergetickou vysokofrekvenční energii. Zamýšlené použití HydraProbe je zakopat do půdy pod zemí do hloubky od 5 cm do 2 metrů. HydraProbe splňuje a vyhovuje kritériu vedené emise specifikovanému v EN 61326-1:2006 a FCC 15.107:2010 v souladu s metodou CISPR 11:2009 a ANSI C63.4:2009 HydraProbe splňuje neúmyslné emise radiátorů, (skupina A) specifikované normami EN 61326-1:2006, FCC 15.109(g) a (CISPR 22:1997):2010 v souladu s metodou CISPR 11:2009 a ANSI C63.4:2009, když sonda NENÍ zakopána, jak je uvedeno. Výsledky testů jsou k dispozici na vyžádání. HydraProbe je RoHS.

Konfigurace a fyzická specifikace
HydraProbe je k dispozici v provedení SDI-12, RS-485 a Modbus se standardními délkami kabelů 7.5, 15 a 30 metrů. Tři digitální formáty, SDI-12, RS-485 a Modbus, obsahují mikroprocesor, který zpracovává informace ze sondy na užitečná data. Tato data jsou poté digitálně přenášena do přijímacího přístroje. SDI-12, RS-485 a Modbus jsou tři různé způsoby přenosu digitálních dat. Ve všech verzích jsou elektrické a protokolové specifikace, které je třeba dodržovat, aby byl zajištěn spolehlivý sběr dat. Všechny konfigurace poskytují stejné parametry měření se stejnou přesností. Základní fyzika za tím, jak HydraProbe funguje, a vnější konstrukce jsou také stejné pro každou konfiguraci.
Tabulka 1.2 poskytuje fyzický popis HydraProbe.

Funkce	Atribut
Délka sondy	12.4 cm (4.9 palců)
Průměr	4.2 cm (1.6 palců)
Snímaný objem (cylindrická oblast měření)	Délka 5.7 cm (2.2 palce) Průměr 3.0 cm (1.2 palce)
Hmotnost	200 g (kabel 80 g/m)
Požadavky na napájení	7 až 16 V DC (typické 12 V DC)
Rozsah skladovacích teplot	-40 až 75 °C

Válcová oblast měření nebo snímaný objem je půda, která se nachází mezi sestavou prstů z nerezové oceli. Sestava hrotů je často označována jako vlnovod a signál sondy průměruje půdu ve snímaném objemu.

Příslušenství pro půdní data a další produkty 

1. Přenosné půdní senzory
   Existují dva přenosné systémy půdních senzorů HydraProbe, HydraGO-FLEX a HydraGO-S. Každý model HydraGO má Bluetooth a lze jej připojit k mobilnímu zařízení. Aplikace HydraGO bude fungovat se zařízeními Android nebo Apple iOS. HydraGO-S poskytuje GPS data z GPS zařízení, která má typickou přesnost 5 až 10 metrů v závislosti na zařízení. HydraGO FLEX má interní GPS průzkumu, který má submetrovou přesnost v závislosti na podmínkách satelitu. HydraGO-S má HydraProbe namontovanou na hřídeli pro rychlé měření půdy. HydraGO-FLEX obsahuje odnímatelnou sondu HydraProbe, která se dodává ve dvou modelech. Jeden model sondy HydraGO má flexibilní kabel vhodný pro bodová měření, hloubkové měření nebo povrchová měření na cestách. Druhý model má kabel přímo zakopatelný, takže sonda může zůstat uložena pod zemí.
2. Tempe Cell
   Stevens Tempe Cell System může využívat různé metody k odstranění nejistot z měření vlhkosti půdy, aby bylo dosaženo nejvyšší úrovně přesnosti. Tento systém využívá vylepšenou gravimetrickou metodu k měření vlhkosti půdy k získání skutečného objemového obsahu vody. Objemový obsah vody stanovený gravimetricky může pomoci vyvinout vlastní rovnici pro kalibraci vlhkosti půdy nebo ověřit hodnotu vlhkosti půdy ze senzoru. Kromě kalibrace a validace specifické pro půdu lze vyvinout algoritmus pro určení potenciálu matrice půdy pomocí HydraProbe až do 2 barů napětí. Stevens Tempe Cell je ideální pro mezonety, klimatické referenční sítě a stanice pro monitorování půdy.

Verze HydraProbe 

• Profesionální – Vědecký nástroj navržený pro dlouhodobé klimatické reference, výzkum a aplikace vyžadující vysokou přesnost a kvantitativní hodnocení dat.
• Certifikát teplotní zkoušky - K dispozici je volitelné dodatečné testování, které zaručí a ukáže, že HydraProbe funguje až do -40o Celsia.

Tabulka 1.3. Parametry HydraProbe

Parametr	Jednotka
Půdní vlhkost	Vodní podíl podle objemu
Hromadná korekce teploty EC	S/m
Teplota	C
Teplota	F
Hromadné EC	S/m
Skutečná dielektrická permitivita	–
Imaginární dielektrická permitivita	–
Pórová voda EC	S/m
Tangenta dielektrické ztráty	–

Tabulka 1.4 Stevensova čísla dílů pro SDI-12 HydraProbes

HydraProbe SDI-12
56012-02	SDI-12, Professional, s kabelem 25 stop
56012-04	SDI-12, Professional, s kabelem 50 stop
56012-06	SDI-12, Professional, s kabelem 100 stop

Tabulka 1.5 Stevensova čísla dílů pro RS485 HydraProbes

HydraProbe RS485
56485-02	RS485, Professional, s kabelem 25 stop
56485-04	RS485, Professional, s kabelem 50 stop
56485-06	RS485, Professional, s kabelem 100 stop

Tabulka 1.6 Stevensova čísla dílů pro Modbus HydraProbes

HydraProbe Modbus
56585-02	Modbus, Professional, s kabelem 25 stop
56585-04	Modbus, Professional, s kabelem 50 stop
56585-06	Modbus, Professional, s kabelem 100 stop

Tabulka 1.7 Čísla dílů Stevens pro příslušenství

Příslušenství HydraProbe
56000-TST	Certifikát teplotní zkoušky
93633-007	Přenosný půdní senzor HydraGO-S
93633-500	Přenosný půdní senzor HydraGO FLEX s GPS
51169-100	Základní sada Tempe Cell
93723	Multiplexer SDI-12 / RS-485, 12 pozic
93539	Kabel, RS-485/Modbus Probe, 5 vodičů (1000′ cívka)
93924	Kabel, sonda SDI-12, 3 vodič (cívka 2500′)

Teorie provozu, dielektrická permitivita a půdní fyzika

Zavedení
Analytická měření vlhkosti půdy zastupuje několik různých technologií na trhu. Protože je obtížné poznat rozdíly mezi technologiemi půdních senzorů; to, co zde popisujeme, je teorie in situ elektromagnetických půdních senzorů. Půdní senzory in situ využívají elektromagnetické vlny v rádiových frekvencích mezi 20 a 1000 MHz (senzory založené na dielektrické permitivitě) k odhadu půdní objemové vlhkosti. Fyzika za tím, jak fungují senzory půdní vlhkosti, je podobná té, jak se elektromagnetické signály pohybují a šíří nahoru a dolů přechodovými čarami, kde vlnovod je kovová část půdní sondy a zátěž obvodu je půda. Jak se rádiový signál šíří a šíří půdou, obsah vody a vlastnosti půdy mění dobu průchodu rádiového signálu, frekvenci, fázový posun a amplitude. Tyto střídání v elektromagnetických vlnách pak charakterizují a měří pro odhad vlhkosti půdy.

Elektromagnetické metody půdní vody a půdní fyzika
Chování elektromagnetických vln od 1 do 1000 MHz v půdě lze využít k měření nebo charakterizaci komplexní dielektrické permitivity. Dielektrická permitivita byla poprvé matematicky kvantifikována Maxwellovými rovnicemi v 1870. letech 1900. století. Na počátku 1950. století vedl výzkum s rádiovými frekvencemi k moderní komunikaci a příchodu televize v 1980. letech 1980. století. V roce XNUMX GC Topp (Topp XNUMX) navrhl metodu a kalibraci k předpovědi vlhkosti půdy na základě elektrických vlastností půdy známé jako Toppova rovnice. Dnes jsou komerčně dostupné desítky různých druhů senzorů půdní vlhkosti, které tak či onak zakládají svůj odhad půdní vlhkosti na dielektrické permitivitě. Mezi všemi komerčně dostupnými elektronickými půdními senzory zůstává měření zahrnující komplexní dielektrickou permitivitu nejpraktičtějším způsobem stanovení obsahu vody v půdě ze senzoru in situ nebo přenosného zařízení. Elektromagnetické půdní senzory využívají oscilující rádiovou frekvenci a výsledný signál souvisí s dielektrickou permitivitou půdy, kde je dielektrikem in situ matrice částice půdy/voda/vzduch. Následné kalibrace pak vezmou nezpracovanou odezvu senzoru na odhad vlhkosti půdy.

• Skutečná, imaginární a komplexní čísla
  Protože rádiové signály jsou vlny elektrických polí, které mají energii, a protože se tyto vlny oddělují a vytvářejí fázové posuny a stojaté vlny; Ke správnému pochopení těchto jevů je třeba použít matematické nástroje. Elektromagnetická pole a vlny jsou matematicky vyjádřeny jako diferenciální rovnice jako Maxwellovy rovnice, které jsou obtížně řešitelné i s počítači. Běžným nástrojem používaným při řešení těchto matematických konstrukcí je imaginární číslo j, kde . Reálné číslo je číslo, které v sobě nemá j, a komplexní číslo má reálnou část a imaginární část obsahující j. Tyto dvě složky komplexního čísla se nemusí nutně míchat dohromady. U senzorů půdní vlhkosti in situ je skutečnou složkou akumulace energie a pomyslná složka představuje energii opouštějící systém.
• Dielektrická teorie
  Komplexní dielektrická permitivita popisuje schopnost materiálu povolit elektrické pole. Při šíření elektromagnetické vlny hmotou je kmitání elektrického pole kolmé na kmitání magnetického pole a tyto kmity jsou kolmé na směr šíření. Dielektrická permitivita materiálu je komplexní číslo obsahující reálné i imaginární složky a je závislé na frekvenci, teplotě a vlastnostech materiálu. To lze vyjádřit tím, kde К* je komplexní dialektická permitivita, εr je skutečná dielektrická permitivita a εi je imaginární dielektrická permitivita (Topp 1980). Jak se rádiová vlna šíří a odráží půdou, vlastnosti a obsah vody v půdě ovlivní vlnu. Obsah vody a v menší míře i vlastnosti půdy mění a modulují elektromagnetický rádiový signál při jeho průchodu půdou změnou frekvence, ampnadmořská výška, impedance a doba cestování. Dielektrickou permitivitu lze určit měřením těchto modulací k rádiové frekvenci, jak se šíří půdou. Obecně reálná složka představuje akumulaci energie ve formě rotační nebo orientační polarizace, která vypovídá o obsahu vody v půdě. Skutečná dielektrická konstanta vody je 78.54 při 25 stupních Celsia a skutečná dielektrická permitivita suché půdy je typicky 2.5 až 4. Změny skutečné dielektrické permitivity přímo souvisí se změnami obsahu vody a všechny elektromagnetické půdní senzory jsou založeny na kalibraci vlhkosti buď na měření nebo odhadu skutečné dielektrické permitivity matrice půdní částice/voda/vzduch. (Jones 2005, Blonquist 2005). Imaginární složka dielektrické permitivity,představuje ztrátu energie, kde εrel je molekulární relaxace, f je frekvence, εv permitivita vakua, která je konstanta, a σdc je stejnosměrná elektrická vodivost. V mnoha půdách je εrel relativně malý a měření imaginární složky poskytuje dobrý odhad elektrické vodivosti od 1 do 75 MHz (Hilhorst 2000). V písčitých půdách může být molekulární relaxace zanedbatelná. HydraProbe odhaduje elektrickou vodivost měřením imaginární a přeskupovací rovnice [2.2] na základě předpokladu, že relaxace jsou blízké nule. Uložení elektrického náboje je kapacita ve Faradech a souvisí s reálnou složkou (nezávislou na frekvenci)Kde g je geometrický faktor a ε je dielektrická konstanta. Pokud elektrické pole kondenzátoru osciluje (tj. elektromagnetická vlna), kapacita se také stává komplexním číslem a lze ji popsat podobným způsobem jako komplexní dielektrickou permitivitu v rovnicích [2.1] a [2.2] (Kelleners 2004). Zdánlivá dielektrická permitivita εa je parametr, který obsahuje skutečnou i obrazovou dielektrickou permitivitu a je parametrem používaným většinou půdních senzorů k odhadu půdní vlhkosti.Z rovnice [2.4] je zdánlivá dielektrická permitivita funkcí reálné i imaginární složky (Logsdon 2005). Vysoké hodnoty εi nafouknou εa, což může způsobit chyby v odhadu obsahu půdní vlhkosti. Ve snaze zmenšit chyby v kalibraci vlhkosti od εi budou některé půdní senzory, jako je reflektometrie v časové oblasti, pracovat na vysokých frekvencích, což dává εa reálnější charakter. V praxi půdy s vysokým obsahem soli nafouknou měření půdní vlhkosti, protože εa se zvýší v důsledku složky stejnosměrné vodivosti εi. Také εi je mnohem citlivější na změny teploty než εr a vytváří denní teplotní posuny v datech o vlhkosti půdy (Blonquist 2005, Seyfried 2007). Senzory půdní vlhkosti, které dokážou nejlépe izolovat skutečnou složku a oddělit ji od imaginární, jako je HydraProbe, budou nejpřesnější a budou mít nižší variabilitu mezi senzory.
• Chování vody a půdy v elektrickém poli
  Voda je polární molekula, což znamená, že jedna část molekuly vody nese záporný náboj, zatímco druhá polovina molekuly nese kladný náboj. Zatímco voda je velmi polární, půdy jsou spíše nepolární. Polarita vody způsobuje rotační dipólový moment v přítomnosti elektromagnetické vlny, zatímco půda zůstává většinou neovlivněna. To znamená, že voda se bude otáčet a přeorientovávat se vzestupem a poklesem oscilujícího elektrického pole, tj. elektromagnetické vlny, zatímco půda zůstává většinou nehybná. Od 1 do 1000 MHz se bude vodní rotační dipólový moment vody vyskytovat při stejné frekvenci elektromagnetické vlny. Je to tento rotační dipólový moment vody, který je zodpovědný za vysokou dielektrickou konstantu vody1 přibližně 80. Suchá půda bude mít dielektrickou konstantu přibližně od 2.5 do 4. Velké změny v dielektrické permitivitě přímo korelují se změnami vlhkosti půdy. Obrázek 2.1 ukazuje polaritu molekuly vody a jak se může přeorientovat v reakci na elektromagnetické oscilace statického elektrického pole.
  1Poznámka k terminologii. Termín „skutečná dielektrická konstanta“ obecně odkazuje na fyzikální vlastnost, která je konstantní za určitých podmínek, jako je čistá voda při určité teplotě. Termín „skutečná dielektrická permitivita“ nebo „skutečná permitivita“ se týká skutečné dielektrické konstanty média, které prochází změnami, má proměnlivost a má složité složky, jako je půda.
• Molekulární relaxace.
  Imaginární permitivita v rovnici [2.2] obsahuje dvě části, frekvenční a elektrickou vodivostní složku a molekulární relaxační složku rel. Molekulární relaxace jsou doby zpoždění. Je to doba, za kterou molekula dosáhne svého dipólového momentu poté, co se setká s elektrickým polem, a doba, za kterou se uvolní do volného náhodného pohybu poté, co elektrické pole odezní. Uvolnění může být v některých půdách významné, protože určitá jílová mineralogie může přilnout k molekule vody, která způsobuje zpoždění. To platí zejména pro smektitové jíly nasycené draslíkem, které mohou způsobit významné chyby v odhadu obsahu vody v jílu. Půdy s vysokou salinitou a vysokými molekulárními relaxacemi mají vysoké energetické ztráty a často se jim říká ztrátové půdy.
• Teplota a přípustnost
  Jak skutečná, tak imaginární permitivita dielektrika bude ovlivněna teplotou. Imaginární složka je mnohem citlivější na změny teploty než složka reálná. (Seyfried 2007).
  Skutečná dielektrická permitivita vody bude mírně záviset na teplotě. Jak se teplota zvyšuje, molekulární vibrace se zvyšují. Tyto molekulární vibrace budou bránit rotačnímu dipólovému momentu kapalné vody v přítomnosti oskulačního elektrického pole; v důsledku toho se skutečná dielektrická permitivita vody bude s rostoucí teplotou snižovat. Empirický vztah k teplotě nalezený v literatuře je znázorněn v rovnici [2.5] (Jones 2005)
  Zatímco HydraProbe má teplotní korekce pro elektrické komponenty na desce plošných spojů, tovární kalibrace neaplikují teplotní korekci na naměřené hodnoty vlhkosti půdy. Voda v kapalné formě bude mít se zvyšující se teplotou svou dielektrickou konstantu klesající, ale v půdě je dielektrická závislost vody na teplotě složitější kvůli vlivům vázané vody. Jak se mění teplota, molekulární vibrace vody a kationtů, které jsou vázány na částice půdy na mikroskopické úrovni, mohou ovlivnit dipólové momenty v přítomnosti rádiové frekvence. Z praktického hlediska je teplotní korekce na kalibraci vlhkosti půdy vysoce závislá na půdě. V některých půdách může skutečné dielektrikum s rostoucí teplotou směřovat dolů, stejně jako v kapalné formě, nebo může s rostoucí teplotou stoupat (Seyfried 2007).
  Imaginární permitivita je vysoce závislá na teplotě a závislost na teplotě je podobná závislosti objemové elektrické vodivosti.

Typy komerčních elektromagnetických půdních senzorů
Komerčně dostupných jsou desítky různých druhů elektronických půdních senzorů a pochopení různých technologií může být matoucí. Tabulka 2.1 shrnuje typy metod snímání.

Metoda	Fyzikální měření	Základ pro půdní vlhkost	Typický Frekvence
TDR	Doba průchodu odražené vlny	Zdánlivá povolení	1000 MHz Or Puls
TDT	Doba cestování po délce trasy	Zdánlivá povolení	150 až 2000 MHz
Kapacita (frekvence)	Posun frekvence (rezonanční frekvence)	Zdánlivá povolení	150 až 200 MHz
Kapacita (nabíjení)	Doba nabíjení kondenzátoru	Kapacita	NA
Zjednodušená impedance	Rozdíl v odrazu ampšířky	Zdánlivá povolení	75 MHz
Poměrové ampLitude Impedance	Poměr odraženého ampšířky pro měření impedance.	Skutečná dielektrická permitivita	50 MHz

• Reflektometrie a přenos v časové oblasti (TDR a TDT)
  TDR byl poprvé použit v polovině dvacátého století k detekci místa přerušení kabelů. Reflektometrie v časové oblasti (TDR) i přenos v časové oblasti (TDT) využívají k měření zdánlivé permitivity čas průchodu rádiových vln (Blonquist 2005-A). Primární rozdíl mezi TDR a TDT je, že TDR charakterizuje odraženou vlnu, zatímco TDT charakterizuje dobu cesty na vlnovodu o nastavené délce dráhy. Na trhu existuje celá řada půdních senzorů TDR. Některé poskytují analýzu tvaru vlny, zatímco jiné zachycují čas zpětného impulsu přes tranzistor.
  Obrázek 2.3 je example křivky TDR. Jde o zápletku zvtage na ose y a čas na ose x. Je-li známa délka vlnovodu, může být doba cesty určena časem, kdy se zvýší zpětný signál VR. Výška VR je úměrná elektrické vodivosti půdy. Průběhy v půdě mohou být často obtížně interpretovatelné, protože může docházet k několika časům příchodu (podtóny) nebo velkému množství šumu. Některé TDR mají algoritmy, které analyzují průběh k určení nejlepšího času příjezdu, zatímco TDT jednoduše měří čas obj.tage spike pro snížení nákladů na obvody a zpracování signálu.
  Jak je vidět na obrázku 2.3, je vyslán puls, který se odráží zpět ke zdroji a měří se doba cesty. Množství vody v půdě zpomalí rádiový signál. Matematický vztah mezi časem cesty t a zdánlivou permitivitou εa je znázorněn v [2.6a] a [2.6b], kde [2.6a] je pro TDR a [2.6b] je pro TDT. V rovnicích [2.6 a&b] je L délka vlnovodu, c je rychlost světla a liší se faktorem 2, protože TDT není odraz.
  Všimněte si, že jak TDR, tak TDT zakládají kalibraci půdní vlhkosti na zdánlivé dielektrické permitivitě, která je směsí jak skutečných, tak imaginárních složek, jak lze ukázat v rovnici [2.4]. Velké imaginární permitivity, jako jsou ty, které se nacházejí ve slaných půdách nebo ztrátových půdách, mohou deformovat tvar vlny a způsobit chyby.
• Toppova rovnice
  V roce 1980 byla publikována Toppova rovnice (Topp 1980), která je empirickým vztahem mezi vlhkostí půdy a zdánlivou permitivitou. Mnoho reflektometrů dnes používá jako kalibraci půdní vlhkosti Toppovu rovnici a je znázorněna v rovnici [2.7]. Toppova rovnice je přiměřeně přesná v široké škále půd za předpokladu, že TDR má interpretovatelný tvar vlny nebo zvukové měření permitivity. V rovnici [2.7] je  půdní vlhkost a A je zdánlivá permitivita z rovnice [4.6] a [4.4 a &b].
• Frekvenční doména a frekvenční kapacitní reflektometrie
  Na trhu je mnoho půdních senzorů, které se nazývají „reflektometry ve frekvenční oblasti“ (FDR); nicméně, toto je poněkud nesprávné pojmenování. Termín „frekvenční doména“ ve fyzice označuje spektrum mnoha frekvencí, kde je přenášeno mnoho různých frekvencí a je měřen široký rozsah frekvencí zpětných signálů. Změna frekvence mezi vysílanou frekvencí a odraženým signálem se nazývá rezonanční frekvence. Pro udržení nízkých nákladů a zjednodušení obvodů většina půdních senzorů, které jsou označeny FDR, vysílá pouze jednu frekvenci od 100 do 200 MHz a měří pouze jednu rezonanční frekvenci.
  Kapacitní vlastnosti půdy lze měřit ze změny frekvence od odražené rádiové vlny nebo rezonanční frekvence (Kelleners 2004). I když je na trhu malý počet FDR, zametací frekvence pro získání lepšího náhledu na dielektrickou permitivitu půdy, nejjednodušeji změřte jednu rezonanční frekvenci pomocí surového obj.tagodezva na desce plošných spojů. Z rezonanční frekvence lze určit kapitativní vlastnosti půdy se vztahem popsaným v rovnici [2.8], který zase souvisí s obsahem vody.
  V rovnici [2.8] F je frekvence odezvy, L je délkový člen a C jsou kapacitní vlastnosti zeminy.
• Další reflektometr In situ půdní senzory
  Kapacita kondenzátoru s paralelními deskami může být měřena od doby potřebné k nabití kondenzátoru. Některé komerčně dostupné půdní senzory mohou měřit kapacitu půdy od okamžiku nabití a poté kalibrovat na vlhkost půdy. Další metodou pro stanovení zdánlivé permitivity je měření rozdílu mezi incidenty ampšíře a odražené amplitude na přenosovém vedení, abyste získali impedanci zátěže. Tato metodologie se nazývá „zjednodušená impedance“ (Gaskin 1996).
• HydraProbe, poměrový koaxiální impedanční dielektrický reflektometr
  Stevens HydraProbe se liší od ostatních metod snímání půdy. Charakterizuje poměr ampšířky odražených rádiových vln na 50 MHz s koaxiálním vlnovodem. Numerické řešení Maxwellových rovnic nejprve vypočítá komplexní impedanci půdy a poté vymezí skutečnou a imaginární dielektrickou permitivitu (Seyfried 2004, Campzvonek 1990). Matematický model, který vymezuje skutečnou a imaginární složku z impedance odraženého signálu, je umístěn v mikroprocesoru uvnitř digitální HydraProbe. Tyto výpočty jsou založeny na práci JE Campzvonek na Dartmouth College (Campzvonek 1988, Campzvonek 1990, Kraft 1988).
  HydraProbe lze z elektrického a matematického hlediska označit jako poměrový koaxiální impedanční dielektrický reflektometr a funguje podobně jako analyzátor vektorové sítě na jedné frekvenci. Termín „poměrový“ označuje proces, při kterém se nejprve vypočítá poměr odraženého signálu k dopadajícímu signálu, což eliminuje jakoukoli variabilitu desek plošných spojů od jedné sondy k další. Tento krok se provádí několikrát na stojaté vlně ve více bodech stojaté vlny. Termín "koaxiální" se vztahuje na cech kovových vln, které se vkládají do půdy. Má tři vnější hroty s jedním hrotem uprostřed, který přijímá i vysílá rádiovou frekvenci 50 MHz. „Impedance“ označuje intenzitu odraženého signálu a „dielektrický reflektometr“ označuje odražený signál, který se používá k měření dielektrika.
  Rovnice [2.9a], [2.9b] a [2.10] shrnují matematický postup HydraProbe pro měření skutečného a imaginárního jako samostatné parametry. Ve stojaté vlně o frekvenci 50 MHz se měří poměr intenzity odraženého a dopadajícího signálu pro několik geometrických bodů podél přenosového vedení, Γ Tento poměrový přístup eliminuje vnitřní variabilitu snímače. Poměry se pak použijí k výpočtu komplexních impedancí na přenosovém vedení, Zp a Zc. Rovnice [2.10] pak vezme impedance a geometrii pro přenosové vedení, abychom získali obě složky komplexní dielektrické permitivity, coth κ∗ které jsou skutečnou složkou pro permitivitu, εra imaginární permitivita, εi, jak je popsáno v rovnici [2.1].
• Advantages použití skutečné dielektrické permitivity nad zdánlivou permitivitou
  Na rozdíl od většiny ostatních půdních senzorů měří HydraProbe reálné i imaginární složky dielektrické permitivity jako samostatné parametry. HydraProbe zakládá kalibraci půdní vlhkosti na skutečné dielektrické permitivitě, zatímco většina ostatních technologií půdní vlhkosti zakládá svůj odhad půdní vlhkosti na zdánlivé permitivitě, která je kombinací reálné a imaginární složky definované v rovnici [2.4] (Logsdon 2010). Založení kalibrace půdní vlhkosti na skutečné dielektrické permitivitě namísto zdánlivé permitivity má mnoho výhodtages. Protože HydraProbe odděluje skutečné a imaginární komponenty, jsou kalibrace vlhkosti půdy HydraProbe méně ovlivněny slaností půdy, teplotou, variabilitou půdy a variabilitou mezi senzory než většina ostatních elektronických půdních senzorů. permitivita má mnoho výhodtages. Protože HydraProbe odděluje skutečné a imaginární komponenty, jsou kalibrace vlhkosti půdy HydraProbe méně ovlivněny slaností půdy, teplotou, variabilitou půdy a variabilitou mezi senzory než většina ostatních elektronických půdních senzorů.
• HydraProbe se snadno používá
  Navzdory složitosti matematiky, kterou HydraProbe provádí, pracovní cyklus včetně doby zahřívání, zpracování signálů a matematických operací prováděných mikroprocesorem trvá méně než dvě sekundy. Uživatel může připojit senzor k záznamníku nebo jinému čtecímu zařízení s jednoduchostí plug-&-play při zachování vysoké úrovně důvěry v data.
  Navzdory složitosti matematiky, kterou HydraProbe provádí, pracovní cyklus včetně doby zahřívání, zpracování signálů a matematických operací prováděných mikroprocesorem trvá méně než dvě sekundy. Uživatel může připojit senzor k záznamníku nebo jinému čtecímu zařízení s jednoduchostí plug-&-play při zachování vysoké úrovně důvěry v data.

Měření, parametry a interpretace dat

Typy půdních senzorů
Existují dvě rodiny senzorů půdní vlhkosti in situ. Existují elektronické senzory půdní vlhkosti, které používají elektromagnetické vlny k odhadu objemového obsahu vody, často vyjádřeného v procentech.tage nebo vodní frakce, jako je HydraProbe, TDR, FDR atd. a existují půdní senzory, které měří potenciál matrice půdy, jako jsou tenzometry, sádrové bloky, teplotní kapacitní sondy a další metody porézních médií. Zatímco vlhkost půdy lze vyjádřit jako gravimetrický podíl vody, objemový podíl vody (θ, m3 m-3) se používá k zohlednění objemové hmotnosti půdy, která se může značně lišit. Potenciál matrice půdy souvisí s půdní vlhkostí. Je to množství podtlaku nebo sání, které je potřeba k vytažení vody z půdy. Záporné znaménko v tlaku je často vynecháno. Půdní vlhkost i matricový potenciál jsou důležité pro pochopení dynamiky půdní vody. Jednoduchý způsob, jak si představit rozdíl, je, že potenciál matrice vám řekne, kdy má rostlina žízeň, a vlhkost půdy vám řekne, kolik vody potřebujete.

Jednotky potenciálu půdní matrice a půdní vlhkosti
Potenciál kapilární matrice někdy označovaný jako tahová nebo tlaková výška (ψ, hPa) je kohezní přitažlivá síla mezi částicí půdy a vodou v pórových prostorech matrice částice půdy/voda/vzduch. Typické rozsahy jsou 0 až -10,000,000 0 10,000,000 hPa, kde XNUMX je blízko nasycení a -XNUMX XNUMX XNUMX hPa je suchost. Čím je půda sušší, tím více energie je potřeba k vytažení vody z ní. Kapilární síly jsou hlavní silou pohybující vodu v půdě a obvykle pohybují vodou do menších pórů a do sušších oblastí půdy. Tento proces se také nazývá knot.

Kvůli širokým tlakovým rozsahům, které lze pozorovat od velmi vlhkých po velmi suché podmínky, je potenciál matrice často vyjádřen jako společný logaritmus tlaku v hPa. Logaritmus tlaku se nazývá pF. Napřample, 1,000,000 6 XNUMX hPa se rovná pF XNUMX.
Matricový potenciál je vysoce závislý na struktuře. Částice jílu mají větší povrch, a proto budou mít vyšší afinitu k vodě než bahno nebo písčité půdy. Nejběžnější metody pro měření nebo odvozování potenciálu matrice zahrnují senzory s granulární matricí, jako jsou sádrové bloky elektrického odporu, a tenzometry, které měří tlak přímo.

Senzory potenciálu matrice typu rozptylu tepla měří potenciál matrice nepřímo měřením tepelné kapacity keramiky, která je v rovnováze s půdou. Pomocí cyklů zahřívání a ochlazování topných prvků v keramice lze vypočítat tepelnou kapacitu, která je zase kalibrována na potenciál matrice. Senzory maticového potenciálu založené na tepelné kapacitě nabízejí výhodytages v přesnosti, dosahu a údržbě oproti jiným technologiím.
Matricový potenciál je důležitý pro plánování zavlažování, protože může představovat půdní vodu, která by byla k dispozici plodině. Mnoho modelů proudění v nenasyceném prostředí vyžaduje křivku zadržování vody v půdě, kde je vynesena objemová frakce vody s potenciálem matrice v řadě vlhkostních podmínek (obrázek 5.1). Křivka zadržování vody v půdě může pomoci pochopit pohyb a distribuci vody, jako je rychlost infiltrace, rychlost odpařování a zadržování vody (Warrick 2003). Tabulka 5.1 ukazuje obecné hodnoty potenciálu matrice za různých hydrologických prahů a textur půdy.

Tabulka 3.1 Křivka zadržování vody v půdě. Potenciál půdní matrice versus půdní vlhkost pro typické půdy.

Stav půdy	Maticový potenciál						Vlhkost půdy %
	Bar	KPa	hPa	PSI	bankomat	pF	Písek	Silt	Jíl
Nasycení	0	0	0	0	0		37 %	45 %	55 %
Kapacita pole*	0.33	33	330	4.7862	0.326	2.52	10–15 %	32 %	44 %
Trvalý bod vadnutí	15	1500	15000	217.55	14.80	4.18	4%	15 %	21 %

*Všimněte si, že kapacita pole písku je obvykle 5 až 20 barů.

Jednotky půdní vlhkosti
HydraProbe poskytuje přesná měření vlhkosti půdy v jednotkách objemových podílů vody (wfv nebo m3m-3) a je symbolizována řeckým písmenem theta „θ“. Vynásobením podílu vody objemem 100 se bude rovnat objemovému procentu vody v půdě. Napřample, obsah vody 0.20 wfv znamená, že 1000 kubických centimetrů půdy sample obsahuje 200 kubických centimetrů vody nebo 20 % objemu. Úplné nasycení (všechny prostory půdních pórů naplněné vodou) nastává typicky mezi 0.35-0.55 wfv u minerální půdy a je dosti závislé na půdě.

K měření vlhkosti půdy se používá několik dalších jednotek: % vody podle hmotnosti, % dostupné (pro plodinu), palce vody k palcům půdy, % nasycení a napětí (nebo tlak). Je důležité pochopit různé způsoby vyjádření vlhkosti půdy a převod mezi jednotkami může být vysoce závislý na půdě. Vzhledem k tomu, že objemová hmotnost půdy je velmi proměnlivá, má půdní vlhkost největší význam jako podíl vody podle objemu nebo objemových procent. Pokud by byla použita hmotnostní procenta, představovalo by to různé množství vody od jedné textury půdy ke druhé a bylo by velmi obtížné provést srovnání.

Úvahy o měření půdní vlhkosti pro zavlažování
Hodnoty vlhkosti půdy jsou zvláště důležité pro optimalizaci zavlažování a pro zdraví plodin. Existují dva různé přístupy pro stanovení plánu zavlažování z údajů o vlhkosti půdy, metoda bodu plnění a metoda hmotnostní bilance. Jiné běžné metody plánování zavlažování, které nezahrnují senzory půdní vlhkosti, využívají evapotranspiraci (ET). ET je rychlost vody opouštějící půdu kombinací přímého odpařování vody z půdy a množství vody transpirované plodinou. ET lze považovat za negativní srážení. ET se určuje z výpočtů založených na metrologických podmínkách, jako je teplota vzduchu, sluneční záření a vítr. Nejběžnější stanovení plánování zavlažování mimozemšťanů se nazývá Penman-Monteithova metoda publikovaná ve FAO-56 1998 Organizace OSN pro výživu a zemědělství. Metoda FAO 56 je také přístupem hmotnostní bilance, kde lze určit množství vody, která opouští půdu, a přizpůsobit jej podle plánu zavlažování. V praxi k zajištění úspěchu plodiny mohou zavlažovači používat metody ET v kombinaci s daty půdních senzorů k nejlepšímu řízení zavlažování.

Plánování zavlažování v místě plnění
Metoda plnicího bodu je kvalitativní v tom, že zavlažovač sleduje změny vlhkosti půdy. Se zkušenostmi a znalostmi o plodině lze vyvinout plán zavlažování, aby se půda naplnila zpět až do bodu naplnění. Plnicí bod je optimální hodnota vlhkosti půdy, která souvisí s polní kapacitou půdy. Bod plnění pro konkrétní senzor je určen na základě údajů o vlhkosti půdy obsahujících několik zavlažovacích událostí. To může být efektivní a jednoduchý způsob optimalizace zavlažování. Protože je kvalitativní, přesnost snímače půdní vlhkosti je méně důležitá, protože bod plnění je určen na základě změn půdní vlhkosti a nikoli vlastní půdní vlhkosti. To může být v některých ohledech efektivnější, protože levnější senzory půdní vlhkosti lze použít bez kalibrace. Zatímco metoda plnicího bodu může být snadno implementována a je široce používána pro mnoho plodin, metoda hmotnostní bilance však může lépe optimalizovat zavlažování, lépe kontrolovat tvorbu slanosti a minimalizovat negativní dopady nadměrného zavlažování.

Plánování zavlažování s vyvážením hmotnosti
Metoda hmotnostní bilance nebo někdy nazývaná vědecké plánování zavlažování je plán zavlažování určený výpočtem, kolik vody je potřeba na základě přesných hodnot vlhkosti půdy a vlastností půdy. Rovnice [3.1], [3.2] a [3.3] mohou pomoci určit, kolik vody použít. Následují termíny běžně používané v půdní hydrologii:

• Saturace půdy (θSAT) označuje situaci, kdy jsou všechny póry půdy naplněny vodou. K tomu dochází pod hladinou podzemní vody a v nenasycené zóně nad hladinou podzemní vody po silném dešti nebo zavlažování. Po dešti se vlhkost půdy (nad hladinou podzemní vody) sníží z nasycení na kapacitu pole. Nasycení se může pohybovat od 35 % do 55 % v závislosti na struktuře, organické hmotě a objemové hustotě.
• Polní kapacita (θFC v rovnicích níže) se vztahuje k množství vody, která zůstane v půdě poté, co gravitace odvede nasycenou půdu. Kapacita pole je důležitým hydrologickým parametrem půdy, protože může pomoci určit směr proudění. Hodnoty půdní vlhkosti nad kapacitou pole budou odtékat dolů a znovu se naplní vodonosná vrstva/voda. Pokud je obsah půdní vlhkosti nad polní kapacitou, může dojít k povrchovému odtoku a erozi. Pokud je půdní vlhkost pod polní kapacitou, voda zůstane viset mezi částicemi půdy z kapilárních sil. Voda bude mít v tomto bodě v podstatě čistý vzestupný pohyb z vypařování nebo evapotranspirace. θFC = 0.33 bar ve většině půd.
• Trvalý bod vadnutí (θPWP v rovnicích níže) označuje množství vody v půdě, které rostlina nemá k dispozici. θPWP = 15 bar ve většině půd.
• Přípustné ochuzení (θAD v rovnicích níže) se vypočítá podle rovnice [5.1]. Přípustné vyčerpání představuje množství půdní vlhkosti, které může plodina z půdy odstranit, než se plodina začne stresovat.
• Dolní mez půdní vlhkosti (θLL z [5.3]) je hodnota půdní vlhkosti, pod kterou se plodina dostane do stresu, protože bude mít nedostatek vody. Po dosažení spodní hranice přichází na řadu závlaha.
• Maximální přípustné vyčerpání (MAD) je část dostupné vody, která je 100% dostupná pro plodinu. MAD může záviset na půdě nebo typu plodiny.
• Dostupná vodní kapacita (θAWC) je množství vody v půdě, které má rostlina k dispozici.

Spodní mez půdní vlhkosti je velmi důležitá hodnota, protože pokles pod tuto hodnotu ovlivní zdraví plodin. Rovnice [3.1], [3.2] a [3.3] a exampNíže ukazuje, jak vypočítat spodní limit vlhkosti půdy a cílovou vlhkost půdy pro optimalizaci zavlažování.

 

Tabulka 3.2 Typické maximální přípustné vyčerpání podle plodiny. Efektivní hloubka kořenové zóny. Převzato ze Smesrud 1998. Upozorňujeme, že tyto hodnoty mohou být specifické pro oblast nebo typ plodiny.

Plodina	Maximální přípustné Vyčerpání (MAD)	Efektivní kořen Hloubka (palce)
Tráva	50 %	7
Stolní řepa	50 %	18
Sladká kukuřice	50 %	24
Jahoda	50 %	12
Zimní squash	60 %	36
Máta peprná	35 %	24
Brambory	35 %	35
Sadová jablka	75 %	36
Listová zelená	40 %	18
Okurka	50 %	24
Zelené fazole	50 %	18
Květák	40 %	18
Mrkev	50 %	18
Borůvky	50 %	18

Tabulka 3.3 Maximální přípustné vyčerpání pro různé textury půdy.

Textura	Jíl	Hloupý Jíl	Jíl Hlína	Hlína	Sandy Hlína	hlinitý Písek	Písek
ŠÍLENÝ	0.3	0.4	0.4	0.5	0.5	0.5	0.6

Example plánování zavlažování na základě hodnot vlhkosti půdy:
Kolik vody je třeba aplikovat? Půda je bahno, MAD je 50% a vlhkost půdy je 16% v celé kořenové zóně, což je až 24 cm. Postřikovač má účinnost 75 %.
Odpověď:
Z tabulek 5.1 a 5.2 je MAD = 0.5, z obrázku 5.3 (nebo průzkum půdy) θPWP = 16 % a kapacita pole je θFC 32 %. Při použití rovnic 5.1 až 5.3 je tedy optimální vlhkost půdy 24 až 32 %. θFC – θ = 32 % – 16 % = 16 %. Pokud je MAD 50 %, pak 8 % by byla polovina dostupné vodní kapacity. Odečtením 8 % od kapacity pole 32 % získáme spodní hranici 24 %. Protože vlhkost půdy je 16 %, je o 8 % nižší než optimálních 24 %. Proto je třeba půdu zavlažovat, aby se zvýšila půdní vlhkost o 8 % až na 24 cm, 8 % X 24 cm = 2 cm vody je potřeba přidat. Pokud má postřikovač účinnost 75 %, pak by se mělo použít přibližně 2 cm/0.75 = 2.66 cm vody. Mějte na paměti, že rychlost vody vytékající z postřikovače by neměla překročit rychlost infiltrace půdy a doba chodu postřikovačů by závisela na specifikaci postřikovače.

Kalibrace půdní vlhkosti
Kalibrace půdní vlhkosti je odhad půdní vlhkosti z matematické rovnice, která obsahuje skutečnou dielektrickou permitivitu (Topp 1980). HydraProbe má na výběr 3 tovární kalibrace a vlastní kalibrační funkce pro případ, že je nutná kalibrace na konkrétním místě. Tovární GENERAL nebo GEN kalibrace je nejlepší dostupná univerzální kalibrace a je výchozí kalibrací HydraProbe. Kalibrace GEN je založena na výzkumu prováděném Ministerstvem zemědělství USA, službou Agricultural Research Service (Seyfried 2005) a je standardní kalibrací pro sítě SNOTEL, SCAN a NOAA Climate Reference Network Ministerstva zemědělství USA. Tovární výchozí kalibrace GEN je rovnice [A2] v příloze D uživatelské příručky HydraProbe, kde A = 0.109, B = -0.179 a εr je hrubá skutečná permitivita dielektrika. Doporučuje se ponechat HydraProbe nastavenou na výchozí kalibraci. Pokud půda vyžaduje vlastní kalibraci nebo pokud je potřeba další validace kalibrace, lze zaznamenat skutečnou dielektrickou permitivitu (parametr 6 na „aM!, aC!), dokud nebude možné vyvinout novou kalibraci. Další informace o validaci a vývoji kalibrace naleznete v příloze D v uživatelské příručce HydraProbe.

Další tovární kalibrace
Kromě standardní tovární kalibrace má HydraProbe kalibraci organické půdy O a kalibraci minerální vlny R. Informace o nastavení kalibrace v uživatelské příručce HydraProbe naleznete v příloze D. Možná budete chtít ověřit tovární kalibraci, abyste se ujistili, že má vhodnou přesnost pro konkrétní půdu. Pokud je tovární kalibrace vypnutá, můžete vyvinout novou kalibraci specifickou pro půdu. Pomocí gravimetrických analýz lze vyvinout novou specifickou kalibraci půdy. Doporučujeme zaznamenat skutečnou dielektrickou permitivitu (parametr 6 na „aM!, aC!). Pokud je vyvinuta nová kalibrace, může být soubor historických dat překalibrován, pokud soubor dat obsahuje nezpracovanou skutečnou hodnotu permitivity dielektrika. Jednotlivé senzory nepotřebují vlastní kalibraci. Protože všechny HydraProbe měří stejným způsobem s extrémně nízkou variabilitou od senzoru k senzoru, stejný kalibrační vzorec lze použít na jakoukoli HydraProbe.

Salinita půdy a parametry EC HydraProbe
Objemová elektrická vodivost půdy (EC) je důležitá pro hodnocení salinity půdy a vody v půdních pórech. Teplotně korigovaný EC je druhý parametr v „aM!,aC!“ a hrubá nekorigovaná elektrická vodivost a je 5. parametrem v „am!, aC!“ v sadách parametrů SDI-12. Elektrická vodivost se také označuje jako specifická vodivost a měří se v Siemens/metr (S/m). Siemens je nepřímo úměrný odporu v Ohmech (Siemens = 1/Ohm) a představuje schopnost materiálu vést elektrický proud. Existuje několik souvisejících jednotek pro EC. Tabulka 5.4 shrnuje převod jednotek. Parametry elektrické vodivosti jsou vypočteny z imaginární dielektrické permitivity přeskupením rovnice [4.2]. Výpočet EC předpokládá, že molekulární relaxace jsou zanedbatelné nebo velmi malé. Tento předpoklad poskytuje dobrou aproximaci EC v písčitých nebo bahnitých půdách, kde jsou molekulární relaxace minimální. Aproximace EC z imaginární permitivity v půdách bohatých na jíl však bude méně přesná kvůli možné přítomnosti molekulárních relaxací. Zatímco přesnost parametrů EC v půdě je vysoce závislá na půdě, měření EC HydraProbe v kejdových extraktech, vodách sampa vodné roztoky budou přesné (<+/- 1 až 5 %) až do 0.3 S/m. Protože EC může být citlivý na změny teploty, poskytuje se teplotní korekce.

Tabulka 5.4 Převeďte jednotky EC vlevo na jednotky EC nahoře vynásobením faktorem. Napřample

Převést na → Převést z ↓	S/m	dS/m	mS/m	μS/m	S/cm	dS/cm	mS/cm	μS/cm
S/m	1	10	1000	1E6	0.01	0.1	10	10000
dS/m	0.1	1	100	1E5	.001	0.01	1	1000
mS/m	0.001	0.01	1	1000	1E-5	0.0001	0.01	10
μS/m	1E-6	1E-5	0.001	1	1E-8	1E-7	0.00001	0.01
S/cm	100	1000	1E5	1E8	1	10	1000	1E6
dS/cm	10	100	10000	1E7	0.1	1	100	1E5
mS/cm	0.1	1	100	100000	0.001	0.01	1	1000
μS/cm	0.0001	0.001	0.1	100	1E-6	1E-5	0.001	1

2 dS/m x 0.1 = 0.2 S/m

Slanost půdy
Slanost půdy je sůl nahromaděná v půdě a může být způsobena špatnou drenáží, špatnou kvalitou zavlažovací vody a pronikáním slané vody v pobřežních oblastech. Sůl nebo konkrétně rozpuštěné ionty v roztoku jsou primární složkou půdní matrice, která vede elektřinu. Zatímco parametr EC je vysoce závislý na úrovni salinity půdy, bude také stoupat a klesat s vlhkostí půdy. Nahromadění slanosti v půdě obvykle není prospěšné pro plodiny, trávy nebo mikrobiální komunitu v půdě. Slanost půdy může ovlivnit hydrologii půdy. V důsledku nadměrného zasolení půdy se mohou objevit choroby rostlin, patogeny, snížené výnosy plodin nebo dokonce neúroda. Monitorování salinity půdy pomůže zajistit zdraví plodin.
Slanost půdy se skládá z rozpuštěných solí, jako je chlorid sodný, chlorid vápenatý a chlorid hořečnatý. Soli mohou být nejen chloridy, ale také uhličitany. Hnojiva, jako jsou dusičnany, nemají silnou vodivost. EC naměřená v půdě bude primárně přisuzována sodíku a vlhkosti půdy.

Bulk EC versus Pore Water EC
EC v půdě je složitější než ve vodáchample a může být obtížné a matoucí na výklad. Objemová elektrická vodivost půdy σb je EC nenarušené matrice půda/voda/vzduch a je to parametr měřený pomocí HydraProbe. Je důležité nezaměňovat objemové EC s půdní pórovou vodou EC, σp. EC půdní pórová voda je elektrická vodivost vody v pórových prostorech půdy. Protože může být obtížné přímo měřit EC pórové vody, lze půdní kal připravit odebráním jednoho dílu suché půdy a dvou dílů destilované vody a měřením EC vodního extraktu z kalu. EC extraktu (ECe nebo σe) je parametr, který se tradičně vyskytuje v literatuře o půdě nebo zemědělství, protože se snadno měří a poskytuje srovnání podmínek slanosti půdy „jablka k jablkům“. HydraProbe lze použít k měření ECe, pokud je správně umístěn ve vodném extraktu.

Hromadné cesty EC a EC v půdě
Půda je matrice, která se v podstatě skládá z pevného materiálu, vody v pórech a vzduchu. Půdní senzory in situ (půdní senzory v zemi) měří stejnosměrnou objemovou elektrickou vodivost (σb), což je kombinovaná elektrická vodivost matrice půda/voda/vzduch. Obrázek [5.6] ukazuje tři cesty, kterými se může elektrická vodivost šířit v půdě. Sypná hustota, pórovitost, tortuozita, obsah vody a koncentrace rozpuštěných iontů pracující v souladu s různými cestami dramaticky ovlivňují objemovou elektrickou vodivost půdy. Cesta 1 je elektrická cesta, která vede z vody do půdy a zpět vodou. Příspěvek elektrické vodivosti dráhy 1 je funkcí vodivosti vody a půdy. Jak se voda zvyšuje, elektrické vedení dráhy 1 se zvyšuje, což může zvýšit elektrickou vodivost půdy. Dráha 2 je dráha, která se připisuje elektrické vodivosti samotné vody v půdních pórech. Zvýšení rozpuštěných solí zvýší vodivost dráhy 2; nicméně, stejně jako u cesty 1, zvýšení obsahu vody v půdě zvětší velikost cesty, čímž se zvýší celková objemová elektrická vodivost. Elektrickou vodivost dráhy 2 ovlivňují dva faktory, a to koncentrace rozpuštěné soli a velikost dráhy přisuzované množství vody v půdě.

Dráha 3 je elektrická vodivost půdních částic. Stejně jako ostatní dráhy je příspěvek dráhy 3 ovlivněn několika faktory, které zahrnují objemovou hustotu, typ půdy, oxidační/redukční reakce a translokaci iontů.

Hromadná EC měření poskytovaná HydraProbe obsahuje elektrickou vodivost dynamické půdní matrice, která je součtem elektrických vodivostí ze všech různých drah. Žádný půdní senzor in situ nedokáže přímo rozlišit rozdíl mezi různými cestami, ani žádný konvenční půdní senzor in situ nedokáže rozlišit rozdíl mezi chloridem sodným a jakýmkoli jiným počtem iontů v roztoku, z nichž všechny mají určitý vliv na elektrickou vodivost půdy/vody /vzduchová matrice.

Aplikace hromadných EC měření
I když je obtížné provádět přímé srovnání s hromadným EC, můžete určit určité referenční hodnoty. Napřample, pokud vlhkost půdy dosáhne prahové hodnoty, jako je polní kapacita, lze pro srovnání zaznamenat objem EC při této prahové hodnotě. To by bylo užitečné v situacích, kdy je slanost půdy problémem a je nutné monitorování. Za určitých okolností lze EC pórové vody odhadnout na základě znalostí o dielektrické permitivitě půdy (Hilhorst 1999). Rovnice [3.4] umožňuje uživateli provést srovnatelné odhady EC pórové vody z hromadného měření EC ve většině půd.

Kde σp je EC pórové vody, εrp je skutečný dielektrický obsah vody (≈80), σb je objem EC naměřený pomocí HydraProbe v půdě a εrb je skutečná dielektrická permitivita půdního měření pomocí HydraProbe. εrb_O je offset a 3.4 lze použít jako offset pro většinu anorganických zemin.

Celkové rozpuštěné pevné látky (TDS)
Celkové množství rozpuštěných pevných látek (v g/l nebo ppm) vody sample lze odhadnout z elektrické vodivosti. K posouzení TDS v půdě musíte nejprve získat EC pórové vody buď z rovnice [3.6], nebo z extraktu suspenzní vody. TDS vypočítaný z EC může být méně významný pro vodu z pórů půdy než voda sample nebo suché analýzy hmotnosti. Mohou existovat také další složky rozpuštěné ve vodě, které nepřispívají k EC vody, jako jsou dusičnany, fosforečnany a další faktory, které existují v půdě, ale nevyskytují se ve vodách.ample. Dalším zdrojem chyb při odhadu TDS z EC je skutečnost, že různé soli mají různé síly EC a rozpustnost. Chlorid vápenatý bude ve výpočtu TDS zastoupen nedostatečně, protože má nižší hodnotu EC a vypadává z roztoku mnohem rychleji než chlorid sodný (McBride 1994). Navzdory problémům spojeným s odhadem TDS z EC lze rovnici [3.5] použít k měření EC HydraProbe k odhadu TDS ve vodním nebo suspenzním extraktu.ample.

Chcete-li ověřit odhad TDS z EC nebo případně opravit rovnici [3.5] pro konkrétní voduample, můžete vysušit vodu sample a získejte hmotnost materiálu ponechaného pro skutečné gravimetrické měření TDS. Pamatujte, že pokud se k odhadu TDS použije měření HydraProbe EC, musí být hroty z nerezové oceli zcela ponořeny do vody.ample nebo vodní extrakt suspenze.

Dodatek

Příloha A – Užitečné odkazy

• Stevens Water Monitoring Systems, Inc.
  www.stevenswater.com
• The Soil Science Society of America
  http://www.soils.org/
• Síť pro analýzu půdního klimatu (SCAN) Ministerstva zemědělství USA NRCS
  http://www.wcc.nrcs.usda.gov/scan/
• Síť Snotel NRCS Ministerstva zemědělství USA
  http://www.wcc.nrcs.usda.gov/snow/
• Americký úřad pro rekultivaci zemědělského počasí (AgriMet)
  http://www.usbr.gov/pn/agrimet/
• Bezplatné informace o celostátním průzkumu půdy!
  https://websoilsurvey.sc.egov.usda.gov/App/HomePage.htm

Příloha B – Reference

• Blonquist, JM, Jr., SB Jones, DA Robinson,. Standardizační charakterizace elektromagnetických snímačů obsahu vody: Část 2. Hodnocení sedmi snímacích systémů. Vadose Zone J. 4: 1059-1069 (2005)
• Birkeland, PW Soils and Geomorphology 3rd Ed. Oxford University Press 1999
• Campbell, JE 1990. Dielektrické vlastnosti a vliv vodivosti v půdách při 54 až 332 MHz. Soil Sci. Soc. Dopoledne. J. 341:XNUMX-XNUMX.
• Corwin, DL, SM Lesch. 2003. Aplikace půdní elektrické vodivosti na přesné zemědělství: Teorie a principy a směrnice. Agron. J. 95:455-471 (2003)
• Plodina a evapotranspirace – směrnice pro výpočet zavlažování a odvodňování vody plodin FAO-56, Organizace OSN pro výživu a zemědělství, (1988).
• Hamed, Y., M. Person a R. Berndton. 2003. Soil Solution Měření elektrické vodivosti pomocí různých dielektrických technik. Soil Sci. Soc. DOPOLEDNE. J. 67 č. 4: 1071-1078
• Jones, SB, JM Blonquist, Jr., DA Robinson, V. Philip Rasmussen a D. Or. Standardizace charakterizace elektromagnetických senzorů obsahu vody: Část 1. Metodika. Vadose Zone J. 4: 1028-1058 (2005)
• Lee, JH, MH Oh, J. Park, SH Lee, KH Ahn, Dielektrické disperzní charakteristiky písku kontaminovaného těžkými kovy, výluhy ze skládek a BTEX (02-104) J. Hazardous Materials B105 (2003) str. 83-102.
• Logsdon, SD, TR Green, M. Seyfried, SR Evett a J. Bonta, Srovnání sond Hydra a Twelve-Wire Probe na kapalinách a jádrech. Soil Sci. Soc. DOPOLEDNE. sv. 74 č. 1, 2010.
• McBride, MB Environmentální chemie půd. Oxford University Press 1994.
• Seyfried, MS a MD Murdock. 2004. Měření obsahu vody v půdě pomocí 50-MHz půdního dielektrického senzoru. Soil Sci. Soc. Dopoledne. J. 68:394-403.
• Seyfried, MS, LE Grant, = E. Du a K. Humes. 2005. Dielektrická ztráta a kalibrace senzoru půdní vody HydraProbe. Vadose Zone Journal 4: 1070-1079 (2005)
• Seyfried, MS a LEGrant. 2007. Vliv teploty na dielektrické vlastnosti půdy měřené při 50 MHz. Vadose Zone J. 6:759-765. (2007)
• Topp, GC, JL Davis a AP Annan. 1980. Elektromagnetické stanovení obsahu vody v půdě: Měření v koaxiálním přenosovém vedení. Vodní zdroje. Res. 16:574-582
• Whalley, WR 1993. Úvahy o použití reflektometrie v časové oblasti (TDR) pro měření obsahu vody v půdě. J. Soil Sci. 44:1-9.

Portland, Oregon, USA | 1 800 452 5272 | 503 445 8000 | www.stevenswater.com

Dokumenty / zdroje

Soil Sensor HydraPobe HP008A [pdfUživatelská příručka HP008A Půdní senzor, HP008A, Půdní senzor, Senzor

Reference

• Uživatelská příručka