Резистивные датчики влажности почвы
Неориентированным людям кажется, что влажность почвы можно измерить по следующему простому принципу: вода проводит электрический ток, поэтому чем больше содержание воды в почве, то есть чем больше влажность, тем меньше сопротивление почвы. Такие убеждения подтверждают производители простых и дешевых датчиков.
Эти компании предлагают не только сами датчики из куска печатной платы. Также доступны сопрягаемые электронные модули, в которых с помощью потенциометра можно легко установить порог срабатывания датчика – он может либо включить сигнализацию тревоги, либо открыть соленоид, который позволит поливать растения. Есть также версии с дисплеем, которые” на глаз " выглядят очень хорошо.
Другие не хотят тратить деньги на такие датчики и в роли электродов используют что-нибудь проводящее, чаще всего два забитых в почву гвоздя. Они реализуют для этого какую-то простую схему, например, по следующей схеме, на которой в месте, обозначенном S 1, подключается „измерительный зонд” (то есть два гвоздя). Такой датчик можно подключить, например, прямо к входу Arduino UNO
Такая система позволяет измерять сопротивление почвы и может сигнализировать о ее чрезмерном росте, то есть о чрезмерном высыхании почвы (по крайней мере, теоретически). Однако у всех резистивных решений такого типа есть два основных недостатка: они вообще не дают нам информации о влажности почвы и, кроме того, со временем полностью разрушаются.
Электролиз резистивных датчиков влажности почвы
Между двумя электродами датчика протекает ток. Правда, он имеет небольшую ценность, но в данном случае очень важно то, что это постоянный ток. И это является причиной проблемы. В такой ситуации почва ведет себя как водный раствор многих самых разных веществ, в том числе различных минеральных солей. И здесь нужно вспомнить школьные уроки химии: постоянный ток, два электрода и водный раствор соли-это ведь демонстрация явления электролиза.
Электролиз связан m.in. с выделением газов и-что нас сейчас больше интересует-с превращением веществ, химических соединений на электродах.
Такой резистивный датчик влажности почвы во время работы является примером явления электролиза, в котором участвует водный раствор множества самых разнообразных веществ, входящих в состав почвы. Сила тока мала, поэтому процесс электролиза медленный, но происходит постоянно, как только почва влажная. Его эффект-медленное разрушение металлической медной поверхности электродов.
Вероятно, в связи с этим появились версии датчика, якобы позолоченные, однако это многое не меняет. Для порядка нужно добавить, что проблемы можно было бы избежать простым способом-датчик должен питаться от переменного тока, среднее напряжение которого будет равно нулю.
Если бы модуль питался от переменного тока, электролиз не возникал бы, и датчик мог бы работать очень долго без каких-либо проблем.
В общем, реализация такой системы, использующей переменную форму волны, а точнее положительные и отрицательные импульсы, вовсе не была бы ни трудной, ни дорогостоящей. Однако это должно быть сделано собственными силами, потому что коммерческие модули используют постоянный ток. Было бы разумно сделать правильный контроллер с переменной формой волны самостоятельно, но скорее не к датчику влажности почвы, а, возможно, к датчику уровня воды в резервуаре. Все из-за второго недостатка этого метода.
Влияние удобрения на измерение резистивным датчиком
Используя резистивный датчик влажности почвы, мы предполагаем, что вода очень хорошо проводит электрический ток. А это неправда! Идеально чистая вода (дистиллированная, деионизированная) очень и очень плохо проводит электричество!
Вернемся к электролизу. Различные вещества, включая соли, кислоты и основания, при контакте с водой подвергаются электролитической диссоциации. Проще говоря, только тогда в воде появляется значительное, даже очень большое количество ионов. И именно ионы заставляют ток течь.
Для нас важен тот факт, что электропроводность воды очень сильно зависит от содержания в ней различных веществ, которые в воде распадаются на ионы. На Ионы, конечно, не распадается содержащийся в почве песок, но диссоциации, то есть распаду на ионы, подвергается множество различных веществ, содержащихся в почве, в частности минеральных солей. А удобрения, особенно минеральные, содержат соли.
И именно поэтому сопротивление почвы между электродами датчика зависит от содержания в почве не только воды, но и в значительной степени минеральных солей – удобрений.
Резистивный датчик влажности почвы дополнительно измеряет содержание удобрений в почве. Таким образом, он измеряет влажность почвы, скажем, неконтролируемым образом, с большой ошибкой, зависящей от содержания удобрений в почве. Этот факт делает резистивный датчик малопригодным для использования.
Хорошей новостью является то, что в целом растения терпимы, поэтому даже такой примитивный, очень неточный датчик может предотвратить полное высыхание почвы и разрушение растений. Однако во всех таких случаях возникает проблема с тем, как установить порог срабатывания. Здесь нет хорошего рецепта-чаще всего выбор происходит методом проб и ошибок.
Даже резистивные датчики влажности полезны, когда мы хотим предотвратить увядание растений
И в качестве примечания стоит упомянуть, что измерение сопротивления почвы не бесполезно! Он имеет значение, когда одновременно влажность, то есть содержание воды, измеряется каким-либо другим методом. Тогда сравнение сопротивления почвы и ее влажности дает информацию о содержании удобрений.
Емкостные датчики влажности почвы
Сопротивление почвы не дает достоверной информации о ее влажности. Лучше измерять емкость. Трудно говорить о емкости почвы-это скорее измерение емкости между электродами, между которыми находится почва. Емкость зависит от размера, площади и расстояния электродов, но это фиксированные факторы для конкретного датчика. Емкость также зависит от диэлектрической проницаемости материала, находящегося между электродами, то есть от диэлектрической проницаемости почвы.
Влажность почвы напрямую влияет на ее диэлектрическую проницаемость.
Решающее значение имеет тот факт, что воздух, песок и многие другие вещества, содержащиеся в почве, имеют относительную диэлектрическую проницаемость около 1. Напротив, вода имеет диэлектрическую проницаемость около 80, поэтому уже небольшие изменения в содержании воды приведут к значительным изменениям емкости между электродами, помещенными в почву.
На рынке есть дешевые емкостные датчики, но большинство из них практически бесполезны. Китайские производители знают, что емкостные датчики в принципе лучше, поэтому они производят и рекламируют дешевые версии емкостных датчиков влажности почвы.
Теоретически лучший датчик влажности почвы (фото: Aliexpress)
Основной принцип работы прогнозируется хорошо, но большинство таких датчиков имеют простую электронную схему, и выходным сигналом является странно получаемое постоянное напряжение. Согласно описаниям, это напряжение необходимо подавать на аналоговый вход Arduino. В сети можно найти мнения, что часто изменения напряжения, к сожалению, слишком малы и что эти типы датчиков также бесполезны на практике.
Это зависит от конкретного системного решения-нужно было бы измерять не постоянное напряжение, а изменения частоты генератора, рабочая частота которого определяется именно емкостью датчика, воткнутого в почву. Эта емкость мала, ее изменения – еще меньше, и, кроме того, в игру вступают другие факторы, поэтому практика не так проста, как кажется на первый взгляд.
В любом случае, если кто-то хочет провести эксперименты с емкостными датчиками влажности почвы, пусть не отчуждается, а исследует изменения частоты генератора. Это можно сделать с помощью Arduino. Однако в целом измерение влажности почвы оказывается удивительно запутанной темой.
Истинные датчики влажности почвы
Измерение емкости между электродами, помещенными в почву, является хорошей концепцией, но необходимо учитывать ряд дополнительных факторов. Поэтому хорошие емкостные датчики влажности почвы либо включают генератор с частотой около 100 МГц (FDR), либо используют другие связанные методы, связанные с высокими частотами и быстрыми импульсными сигналами (например, так называемый TDR).
Любой может купить готовый, хороший емкостный датчик почвы. Только это расходы около 200 зл-несравнимо больше, чем цена китайских, хобби модулей. Пример сенсора можно увидеть на фотографии ниже. Удивительно точно он дает в процентах объемное содержание воды в почве в диапазоне 0-100%.
Более надежный датчик влажности почвы (фото: Aliexpress)
Доступны версии с различным выходным сигналом: аналоговым (постоянное напряжение от 0-2 в до 0-10 В), с токовой петлей 4-20 мА, реже с импульсным выходом (информация несет заполнение импульсов ШИМ), чаще со стандартным цифровым (в стандарте RS485 с протоколом MODBUS или аналогичным). Некоторые из таких датчиков измеряют три параметра: температуру почвы (T) и ее объемную влажность в процентах (H) и проводимость в Сименсах на метр (EC).
Измерение проводимости почвы позволяет оценить степень удобрения, то есть фертилизации почвы.
Честно говоря, если кто-то хочет реализовать измерения влажности не для удовольствия, а, например, на лужайке в саду или теплице, то он должен заинтересоваться именно такими заводскими датчиками, а остальные добавить, что совсем не простая задача.
Существуют и другие датчики влажности почвы, предназначенные для профессиональных целей. Некоторые из них являются резистивными, но не измеряют сопротивление почвы, а просто сопротивление гипсового блока, которое зависит от влажности окружающей среды, то есть от влажности почвы в целом.
Неэлектронные датчики влажности почвы
Казалось бы, профессиональные электронные датчики решают проблему измерения влажности почвы. В общем, да, но не совсем. Датчики в электронном виде могут точно измерить объемное содержание воды в почве и точно указать его в процентах, однако это не означает, что растения, посаженные в эту почву, могут использовать всю эту воду. Проще говоря, есть очень разные типы почв, и некоторые из них как бы не хотят отдавать растениям содержащуюся в них воду (влагу).
Пример тензиометра (фото: Aliexpress)
Поэтому для практических измерений, связанных с орошением, уже давно используются неэлектронные приборы ,так называемые тензиометры (не путать с тензометрами). Для любителей это не имеет значения, но в профессиональных ирригационных системах необходимо учитывать не только фактическое содержание воды, но и такие факторы, как доступность этой воды для растений.
Датчики других параметров почвы
Стоит отметить, что для выращивания многих растений большое значение имеет не только влажность, но и химическая реакция (кислотная, нейтральная, щелочная) почвы, выраженная в единицах pH. На рынке появилось множество дешевых электронных "пехаметров", которые, однако, точно не измеряют pH-реакцию, то есть содержание ионов водорода (гидроксония). Они что-то измеряют и что-то показывают, но никто не знает, что они измеряют и что такое результат измерения. Пример "всесильного сельскохозяйственного датчика" виден на ниже.
Пример усовершенствованного датчика влажности почвы (и не только)
Эти типы датчиков также предназначены для измерения содержания основных минеральных компонентов NPK-азотных, фосфорных и калийных удобрений. Однако это практически невозможно по разным причинам, но мы не будем об этом здесь.
Резюме – что стоит запомнить?
Измерение влажности почвы только на первый взгляд очень просто. Резистивные методы очень неопределенны, хотя они могут выполнять основную роль предотвращения чрезмерного высыхания почвы и гибели растений. Лучше использовать емкостные методы, но на практике их тоже нелегко использовать.
