Исследование приборов измерения влажности почвы зеленых насаждений

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИБОРОВ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ ЗЕЛЕНЫХ НАСАЖДЕНИЙ

Бурцев Андрей Георгиевич, кандидат наук, доцент, доцент

Покусаева Елизавета Вячеславовна, магистр, студент
Волжский политехнический институт (филиал) Волгоградский государственный технический университет

В настоящее время системы автоматического полива зеленых насаждений набирают большую популярность. Для определения содержания воды в почве и регулирования ее поступления к растениям следует контролировать уровень влажности почвы во избежание их затоплений или пересушивания. Для решения данной проблемы произведем исследование приборов измерения влажности почвы зеленых насаждений.

Волгоградская область расположена в степной и полупустынной зонах, климатические условия в данной области для растений не совсем благоприятны, почва особенно в летний период более засушливая, поэтому для рационального питания зеленых насаждений необходимо применять автоматическую погодозависимую систему полива.
При недостатке влаги темп развития растений замедляется, и увеличивается вероятность их гибели. Но недостаточно просто регулярно поливать зеленые насаждения, необходимо также учитывать влажность почвы в зависимости от погодных условий.
В настоящее время система автоматического полива зеленых насаждений оснащаются контроллерами, датчиками, которые позволяют отрегулировать количество поливов, их длительность, а также учитывают влажность почвы. Для определения содержания воды в почве и регулирования ее поступления к растениям следует контролировать уровень влажности почвы во избежание их затоплений или пересушивания. Также чрезмерное орошение, приводит к перерасходу воды, способствует вымыванию минеральных веществ из почвы и ограничивает дыхание корней, что, в свою очередь, может привести к задержке роста растений или их гибели.
Существующие методы определения влажности почвы подразделяются на два типа: прямые и косвенные [3]. В прямых методах производится непосредственное разделение материала на сухое вещество и влагу. В косвенных методах измеряется величина, связанная с влажностью материала. Косвенные методы требуют предварительной калибровки с целью установления зависимости между влажностью материала и измеряемой физической величиной. Ниже рассмотрим различные методы косвенных измерений влажности почвы зеленых насаждений.
Метод тензиометра
Тензиометр включает пластиковую трубу, вакуумный манометр (вакуумметр). После того как он заполняется водой его помещают в почву для определения давления. Вода движется по трубе, что приводит к изменению давления и показания счетчика. После гидратации (или дождя) в почве вода не поступает в трубку, пока не произойдет смещение потенциалов между почвой и тензиометром. Тензиометры — коммерчески доступные трубки различной длины для измерения водного потенциала в почве на различных глубинах [2].
Принцип действия данного устройства заключается в следующем: при высыхания субстрата, в котором находится пористый наконечник тензиометра, небольшое количество воды из полости прибора переходит в субстрат, а в приборе возникает вакуум, величину которого показывает вакуумметр. Если влажность субстрата опять увеличивается, то влага возвращается в полость прибора и вакуум в нем уменьшается
Тензиометры используются в основном для принятия решения о начале и окончании полива. Их лучше устанавливать на разных глубинах (например, 20 см и 40 см). По показаниям тензиометра, можно определить время начала орошения (на основе показаний тензиометра расположенного ближе к поверхности) и время окончания полива (по данным тензиометра размещенного глубже).
Единственным недостатком данного прибора является то, что его необходимо убирать до наступления зимы. В последние годы разработан метод, который позволяет подключать электронные тензиометры, с помощью которых проводятся автоматические учеты и записи данных.
Измерение электрического сопротивления
При этом методе используются датчики (в виде блоков, цилиндров), изготовленные из пористого материала (гипс), в которых размещены два электрода, подключенные к счетчику. Электрическое сопротивление материала зависит от содержания в нем воды, а это, в свою очередь, определяет содержание влаги в почве.
В почве делают отверстия до необходимой глубины и размещают в них датчики. Существенным является тесный контакт между чувствительным элементом и почвой (это относится ко всем влагомерам). Новые типы датчиков (датчики gramilar матрицы) используют материал в виде гранул, который окружает специальную мембрану и перфорированные крышки, изготовленные из стали или ПВХ. Это обеспечивает более длительный срок службы датчиков, более быстрый отклик и более точные измерения. Датчики такого типа могут быть использованы в системах автоматического контроля оросительных систем [2].
Измерения с помощью диэлектрических зондов TDR и EDR (емкостное)
Определение содержания влаги в почве при использовании данного метода происходит путем измерения диэлектрической среды, которая зависит от влажности почвы. Изменения содержания воды в почве вызывает изменения её диэлектрической постоянной, что позволяет определить соотношение между этими параметрами.
С развитием технологий, этот метод становится все более популярным. Датчики этого типа (в частности, «смещение») находят все более широкое использование для мониторинга влажности почвы в поле и чистой влаги в субстратах у культур в защищенном грунте. Они просты в использовании и показываемые ими данные характеризуются высокой степенью точности. Для повышения точности прибора, его необходимо откалибровать к конкретному типу почвы. Влажность почвы определяется портативным измерителем. В последние годы такие датчики нашли широкое применение в системах автоматического контроля полива.
Преимущества этого типа датчика — это возможность передавать измерения без проводов (по радио или на большие расстояния через сети мобильной связи).
Почвы помещают в специальную трубку из ПВХ (диаметром в несколько см). Измерение основано на движение зонда вдоль трубки (вставляется и извлекается). С помощью зонда подключаемого к счетчику, можно прочитать содержание воды в выбранном почвенном профиле (например, 0 — 10 см). Недостатком такого метода является трудоемкость. Чтобы дать правильную оценку состоянию почвы будет недостаточно одной трубки. Чем больше точек измерения, тем достовернее будет информация о содержании воды в почве на выбранном участке.
В результате исследования существующих датчиков влажности почвы можно установить, что для рационального питания и роста зеленых насаждений необходимо использовать целую систему автоматического контроля влажности почвы. Для решения данной проблемы разработана схема лабораторной установки по исследованию свойств различных датчиков влажности почвы.
Полученное на датчиках влажности напряжение легко преобразовать в цифровой вид, пригодный для ввода в микроконтроллер. Преобразование выполняется с помощью аналого-цифрового преобразователя АЦП. После преобразования сигнал поступает в микроконтроллер [1]. К микроконтроллеру также подключаются исполнительные механизмы, входящему в систему автоматизации:

1. 
   Электронно-вычислительная машина (ЭВМ), предназначенная для автоматической обработки информации при помощи устройств и элементов, выполненных на электронных приборах;
   

почва электрический диэлектрический влачность

Рисунок 1. Схема лабораторной установки: ДВ- датчики влажности почвы, АЦП — аналогово-цифровой преобразователь; МК- микроконтроллер; ЭВМ — электронно-вычислительная машина.

1. 
   LCD дисплей, служащий для контроля технологического процесса, управления и повышения эффективности взаимодействия;
   
2. 
   Карта памяти SD, необходимая для хранения измерительной информации;
   
3. 
   Кнопки управления и индикаторы (светодиоды).
   

В качестве микроконтроллера может быть выбран микроконтроллер STM32f103.
Данный стенд предполагается использовать для сравнения двух типов датчиков: резистивного и емкостного. С помощью стенда можно измерить скорость реакции датчиков на изменение влажности почвы, точность замера влажности, диапазон измерения.
Также с помощью стенда предполагается экспериментальное изучение изменения влажности почвы как объекта автоматического управления.
К микроконтроллеру могут быть подключены несколько датчиков (до 8) влажности, установленные в разных точках поливаемой площади. Контроль влажности в нескольких точках позволяет более точно оценить степень влажности почвы и принять решение о поливе. По записи измеряемых данных может быть составлена математическая модель изменения влажности почвы. Оснащение датчиков беспроводными модулями связи позволит сделать систему более гибкой и современной.
Список литературы

1. 
   Старостин, А. А. Технические средства автоматизации и управления: учеб.пособие / А. А. Старостин, А. В. Лаптева. — Екатеринбург: Изд-во Урал.ун-та, 2015. — 168 c.
   
2. 
   Толмачева, Н.И. - Методы и средства гидрометеорологических измерений (для метеорологов): учеб.пособие / Н.И. Толмачева; Перм. ун- т.– Пермь, 2011.– 223 с.
   
3. 
   Фрайден, Дж. - Современные датчики. Справочник. Москва: Техносфера, 2005.-592с.