PRZYRZĄDY DO POMIARU WILGOTNOŚCI GLEBY

Co to jest wilgotność gleby?

Wilgotność gleby jest to procentowa zawartość wody w glebie wyrażona w procentach od absolutnie suchej gleby (wilgotność wagowa), od objętości gleby (wilgotność objętościowa) lub od polowej pojemności wodnej (względna wilgotność gleby).

Wilgotność wagowa jest to wilgotność gleby lub gruntu W określa się jako stosunek masy wody zawartej w glebie M_w do masy fazy stałej gleby M_s (masy po wysuszeniu w temp. 105 °C). Wyraża się ją w procentach wagowych.

wzór:

Wg tego wzoru, wilgotność W jest różna od potocznego jej rozumienia jako zawartość wody w gruncie naturalnym i może być nawet znacznie większa niż 100%.

Wilgotność objętościowa jest to stosunek objętościowy wody w glebie V_w do objętości całej próby gleby V.

wzór:

Stopień wilgotności jest to stosunek objętości wody V_w w glebie do całkowitej objętości wolnych przestrzeni w glebie V_p.

Znając wilgotność i porowatość można wyznaczyć stopień wilgotności z następującego wzoru:

gdzie:

ρ_s - gęstość właściwa szkieletu gruntowego

ρ_v (ρ_d) - gęstość objętościowa szkieletu gruntowego (gruntu suchego)

ρ_w - gęstość właściwa wody w porach gruntu

n - porowatość

m_m, m_s - masa gruntu wilgotnego o wilgotności naturalnej (NW), masa gruntu po wysuszeniu

V - objętość badanej próbki, o nienaruszonej strukturze (NNS, np. wyciętej z gruntu pierścieniem tnącym)

Stopień wilgotności przyjmuje wartość od 0 (układ dwufazowy-faza stała i gazowa) do 1 (faza stała i ciekła).

Jakie metody służą do pomiaru wilgotności gleby?

• metoda grawimetryczna nazywana też szuszarkową,

• metody chemiczne:

  • miareczkowanie metodą K. Fischera,

  • metoda karbidowa,

  • chromatografia gazowa

• metody elektryczne i magnetyczne:

  • pomiar wilgotności materiałów w oparciu o ich własności rezystancyjne,

  • pomiar wilgotności materiałów w oparciu i ich własności dielektryczne,

  • spektrometria mikrofalowa – pomiar absorpcji lub odbicia promieniowania z zakresu mikrofal,

  • spektrometria masowa,

• spektroskopia podczerwieni – pomiar absorpcji lub odbicia promieniowania z zakresu podczerwieni,

• metody jądrowe:

  • spektroskopia MRJ – pomiar magnetycznego rezonansu jądrowego,

  • metoda spowalniania neutronów ciężkich,

  • metoda osłabiania promieniowania beta lub gamma.

Opis  miernika wilgotności gleby - EKWITENSJOMETR EQ2.

Ekwitensjometr EQ2 jest pierwszym tak dokładnym, bezobsługowym czujnikiem do pomiaru wilgotności gleby, spełniającym funkcję tensjometru. Ekwitensjometr wykorzystuje elektroniczny czujnik wilgotności ThetaProbe ML2x, co pozwoliło na wyeliminowanie problemów związanych ze standardowymi konstrukcjami tensjometrów napełnianych wodą (w szczególności wyeliminowano: konieczność okresowego uzupełniania wody i możliwość uszkodzenia tensjometru przy temperaturach otoczenia poniżej 0°C). W ekwitensjometrze EQ2 elektrody pomiarowe czujnika ML2x są umieszczone w specjalnym porowatym materiale, a całość jest osłonięta dodatkowym filtrem chroniącym przed zanieczyszczeniami.

Ponieważ czujnik pracuje bezobsługowo, dlatego nadaje się do zastosowania w automatycznych systemach pomiarowych  (np. stacjach agrometeorologicznych).

Czujnik EQ2 osiąga największą dokładność w zakresie od -100 do -1000 kPa, dlatego szczególnie nadaje się do badań suchych gleb. Czas reakcji czujnika EQ2 jest stosunkowo długi, dlatego dokładna kalibracja wymaga kilku dni.

W celu ułatwienia umieszczenia w otworach w glebie, do czujnika EQ2 można dołączyć rury przedłużające.

Odczyt i rejestracja pomiarów:

Czujnik ML2x jest zasilany napięciem 5...15V, pobierając prąd około 20 mA. Wynik pomiaru jest wyprowadzony z miernika w postaci wartości napięcia stałego  z przedziału 0...1V. Sygnał ten może być bezpośrednio mierzony i rejestrowany przez data-logery (rejestratory) przystosowane do pomiaru napięć analogowych.

Opis elektronicznego czujnika wilgotności - ThetaProbe ML2x.

Czujnik ThetaProbe ML2x służy do pomiaru objętościowej wilgotności gleby z dużą dokładnością (rzędu 1%). Zasada działania czujnika oparta jest o pomiar współczynnika fali stojącej sygnału o częstotliwości 100MHz w badanym materiale.  Konstrukcja czujnika ML2x zapewnia mu przewagę nad innymi rozwiązaniami, zapewniając precyzję i wiarygodność pomiarów przy umiarkowanym koszcie. Czujnik jest prosty w użyciu: po dołączeniu do wskaźnika i po włożeniu do gleby pomiar wilgotności jest wykonywany w przeciągu kilku sekund.

Kalibracja

Osiągnięcie pełnej dokładności 1% wymaga przeprowadzenia dokładnej kalibracji czujnika dwupunktową metodą grawimetryczną z użyciem tej samej gleby, w której dokonywane będą późniejsze pomiary. W zastosowaniach konwencjonalnych wielu użytkowników zadowala się mniejszą dokładnością, rzędu 5%. Wówczas wystarczy fabryczna klibracja czujników.

Zastosowania

 Typowe zastosowania czujnika ML2x obejmują nawadnianie, hydrologię, monitorowanie środowiska, leśnictwo itp. Jeżeli wymagane jest badanie profilu wilgotności gleby w funkcji głębokości, to wówczas można zastosować kilka takich czujników rozmieszczonych na różnych głębokościach, tak jak to pokazano na rysunkach obok. Czujniki można zakopać w glebie na głębokości maksymalnie do 5 m albo wsunąć w otwory uprzednio przygotowane przy pomocy odpowiedniego narzędzia (wiertła do gleby). Dla ułatwienia wprowadzenia czujników w długie otwory ich obudowę mżna przedłużyć nakręcanymi rurami o długości 50 albo 100 cm.

W ogrodnictwie  i rolnictwie czujniki ML2x mogą być użyte dla różnych rodzajów gleb, kompostów i innych podłoży. Ponieważ czujniki są bardzo małe, dlatego mogą być używane do pomiaru nawet w donicach lub też mogą być zakopane poziomo w skrzynkach. Do swojego prawidłowego działania wymagają przykrycia ich warstwą gleby o minimalnej grubości 50 mm.

Przy produkcji kompostu czujniki ML2x moga być bezpośrednio umieszczone w przygotowywanym materiale, gdzie są w stanie tolerować temperatury do +70°C. Dokładność pomiaru w zakresie temperatur +40...+70°C jest równa +/-2%, ale gęstość materiału i zanieczyszczenia mogą pogorszyć dokładność pomiarów i wpłynąć niekorzystnie na trwałość czujnika.

Czujniki ML2x można zastosować do kontrolowania zabiegu podlewania (nawadniania) dzięki ich dokładności, łatwości użycia i szybkości uzyskania wyniku pomiaru. Dzięki temu możliwe jest optymalizacja czasu podlewania oraz możliwe jest włączenie czujnika w system automatycznego sterowania nawadnianiem.

Długofalowe programy monitorowania środowiska i badania klimatu wymagają rejestrowania wzajemnych zależności pomiędzy glebą a atmosferą. Wilgotność gleby jest w tych badaniach postrzegana jako coraz ważniejszy element, którego pomiar umożliwiają  między innymi czujniki ThetaProbe ML2x. Większość automatycznych stacji pogodowych może być wzbogacona o jeden lub kilka czujników ML2x.

Odczyt i rejestracja pomiarów

Czujnik ML2x jest zasilany napięciem 5...15V, pobierając prąd około 20 mA. Wynik pomiaru jest wyprowadzony z miernika w postaci wartości napięcia stałego  z przedziału 0...1V. Sygnał ten może być bezpośrednio mierzony i rejestrowany przez data-logery (rejestratory) przystosowane do pomiaru napięć analogowych.

W przypadku używania czujnika ThetaProbe ML2x w wersji przenośnej, do chwilowej kontroli wilgotności gleby, możliwe jest zastosowanie specjalistycznego kieszonkowego panelu odczytowego HH2.

Nowa metoda pomiaru wilgotności gleby przy pomocy GPS

Zespół naukowców z Uniwersytetu w Boulder w stanie Kolorado odkrył nowy ciekawy sposób użycia tradycyjnego systemu odbierania sygnałów z satelity GPS by mierzyć grubość powłoki śnieżnej oraz wilgotność gleby co jest ważne zarówno dla klimatologów jak i rolników.

Naukowcy rozwinęli technikę która wykorzystuje tzw. wielościeżkowe odbicia interferencyjne wytwarzane gdy sygnały GPS które odbijają się od ziemi – i łącza się z sygnałami które docierają do anteny odbiorczej bezpośrednio z satelity. Do tej pory te sygnały wielościeżkowe były traktowane przez naukowców jako bezużyteczny szum.

Podczas jednego z ostatnich pokazów, zespół naukowców był w stanie tak skorelować zmiany w sygnałach wielościeżkowych docierających do odbiorników GPS, że można było zmierzyć grubość pokrywy śnieżnej na polu w Marshall, w stanie Kolorado. Na tym samym polu zmierzono również wilgotność gleby.

Ewelina Chodoń

Ogrodnictwo, gr. Ia