Terenowe badania optycznego czujnika do dynamicznych pomiarów wilgotnoci gleby

Transkrypt

1 Leszek Piechnik Instytut Inynierii Rolniczej Akademia Rolnicza w Poznaniu Terenowe badania optycznego czujnika do dynamicznych pomiarów wilgotnoci gleby Wstp Streszczenie Sonda z czujnikiem podczerwieni przeznaczona jest do dynamicznych pomiarów wilgotnoci gleby w warstwie uprawnej. Umoliwia ona dokonywanie pomiarów gdy czujnik znajduje si w ruchu. Kierunek ruchu czujnika jest poziomy. Badany czujnik działa w oparciu o metod spektoskopii odbiciowej. Badany element sondy ma kształt stoka. Badania terenowe wykonano na glebie lekkiej piasek gliniasty lekki. Pomiary wykonano na glebie o rónej wilgotnoci na trzech rónych głbokociach przy jednakowej prdkoci jazdy. Słowa kluczowe: czujnik. wilgotno gleby, polowe pomiary, Metoda spektroskopii odbiciowej zastosowana do pomiarów glebowych pokazuje midzy innymi, e absorpcja i odbicie promieni podczerwonych o okrelonych długociach fali zale od zawartoci wody w glebie [Kano i inni 1985, Sudduth, Hummel 1993, Cierniewski J. 1988, Piechnik 2002 a]. W innych pracach wykazano, e istnieje moliwo wykorzystania metody odbiciowej do budowy optycznoelektronicznych systemów pomiaru wilgotnoci gleby [Bowman i inni 1985, Morhad i inni 2001,]. Zalet takich systemów jest midzy innymi to, e umoliwiaj pomiar dynamiczny [Morhad i inni 2002, Piechnik 2002 b,2003]. Pod pojciem pomiar dynamiczny rozumie si wykonywanie pomiarów w ruchu podczas przemieszczania si czujnika w glebie. Pomiar wilgotnoci w ruchu to pozytywna cecha systemów optyczno-elektronicznych, któr mona wykorzystywa w rolnictwie precyzyjnym. Powstaje moliwo zbierania na bieco danych dotyczcych aktualnej wilgotnoci gleby i w ten sposób wykonuje si sterowanie elementami roboczymi maszyn rolniczych [Bowman i inni 1985, Price, Gaultney 1993 ]. Trwaj nadal badaniach nad doskonaleniem optyczno-elektronicznych systemów i zmniejszaniem kosztów wykonywania pomiarów w terenie. Dy si 85

2 do tego aby umoliwi i upowszechni pomiary wilgotnoci w trakcie wykonywania rónych prac agrotechnicznych maszynami i cignikami rolniczymi. W zwizku z tym celem pracy było zaprojektowanie i wykonanie mobilnego modułu funkcjonalnego z sond, wyposaon w czujnik podczerwieni (900nm) do dynamicznych pomiarów wilgotnoci gleby w terenie. Ponadto dokonano wstpnej oceny funkcjonalnoci mobilnego zestawu pomiarowego i pracy sondy na trzech rónych głbokociach spulchniania gleby. Materiał i metody Budow sondy z czujnikiem do dynamicznych pomiarów wilgotnoci gleby w terenie, oparto na wynikach bada spektrofotometrycznych wykonanych dla typowych gleb obszaru Wielkopolski [Piechnik 2002 a] oraz na wynikach pomiarów laboratoryjnych pokazujcych moliwoci dokonywania pomiarów w ruchu przy okrelonych prdkociach agrotechnicznych [Piechnik 2003]. Do przemieszczania i zagłbiania sondy z czujnikiem skonstruowano specjalny mobilny moduł pomiarowy (rys. 1), który do bada zawieszano na trójpunktowym układzie zawieszenia za cignikiem. Pomiary wilgotnoci gleby w warunkach terenowych wykonywano na glebie uprawionej mechanicznie. Badania prowadzono w warstwie ornej gdzie dominowała gleba o składzie granulometrycznym odpowiadajcym piaskom gliniastym lekkim. Zawarto materii organicznej kształtowała si na poziomie 0,9 %, a rednia gsto objtociowa wynosiła 1440 kg. m

3 Rys. 1. Mobilny moduł pomiarowy : 1 miejsce montowania sondy z czujnikiem 2 - układ elektroniczny z wywietlaczem Fig. 1. Mobile measuring trolley: 1 - joining place for the probe with infrared gauge 2 - electronic system with a displayer Na polu badawczym stosowano lokalne sztuczne nawadnianie gleby przy uyciu linii kroplujcych, które rozłoono w odległoci jedna od drugiej co 3m. W ten sposób powierzchni pola nawadniano pasowo. Szeroko pasów nawodnionych wynosiła 0,6 m, a pomidzy nimi pozostawały pasy gleby nienawadnianej o szerokoci ok. 2 m. Pomiary wilgotnoci gleby wykonano po 48 godzinach od zakoczenia nawadniania. Z pasów nawadnianych i nienawadnianych pobierano próbki gleby i okrelano ich wilgotno metod suszarkow. Ponadto dokonywano pomiarów statycznych sond z czujnikiem podczerwieni. W ten sposób dokonano statycznej kalibracji sondy, któr póniej uyto do bada dynamicznych. Wszystkie pomiary wykonywano na trzech głbokociach: hp1 = 5cm, hp2 = 10cm, hp3 = 15cm. Przejazdy wykonywano w poprzek do pasów nawodnionej gleby. Pomiary dynamiczne wykonano przy jednakowej prdkoci jazdy v = 1,1 m. s -1. Rejestracji wyników dokonywano metod filmow. W polu widzenia obiektywu kamery był widoczny wywietlacz miernika sondy i jednoczenie powierzchnia gleby, w której w tym czasie przemieszczała si sonda z czujnikiem. Pomiary wykonano w 6 powtórzeniach. Wyniki W rezultacie prac projektowych i testów laboratoryjnych przygotowano model sondy do pomiarów w płaszczynie poziomej w warstwie ornej gleby w warunkach terenowych (rys. 2). 87

4 Rys. 2. Sonda z czujnikiem podczerwieni przygotowana do bada Fig. 2. The probe with infrared gauge prepared for measurements Element roboczy sondy z czujnikiem ma kształt stoka (rys. 2 zaznaczono strzałk). Stoek przymocowano do trzpienia, który utrzymywany jest w imaku za redliczkowym spulchniaczem. Cało znajduje si na specjalnym wózku pomiarowym. Na platformie wózka porodku znajduje si siłownik hydrauliczny, który słuy do zagłbiania wahliwie zamocowanego w tylniej czci wózka trzonu spulchniacza i sondy z czujnikiem. Sterowanie zagłbianiem i wynurzaniem tego zestawu dokonuje si za pomoc dzwigni hydrauliki zewntrznej cignika. Wózek pomiarowy wyposaono w statyw kamery cyfrowej i uchwyty do obciników. Naley doda, e układ elektronicznego przetwarzania sygnału sondy, umoliwia odczyt wyniku pomiaru wyraany w procentach polowej pojemnoci wodnej gleby (PPW %). Wyniki pomiarów wilgotnoci gleby metod grawimetryczn wykazały, e gleba nienawadniana: w strefie do głbokoci hp1 = 5 cm miała wilgotno 4,4 %, na głbokoci hp2 = 10 cm odpowiednio 5,1%, a na głbokoci hp3 = 15cm 5,6%. Natomiast gleba nawadniana: hp1 =8,5%, a hp3 = 9,1%. Otrzymane wartoci porównano z wynikami pomiarów statycznych i dynamicznych. Dla obydwu poziomów uwilgotnienia gleby obliczono rednie wartoci i odchylenie standardowe. 88

5 PPW [%] ,2 0,6 1,0 1,4 1,8 2,2 2,6 3,0 3,4 3,8 4,2 4,6 5,0 5,4 L [m] Rys. 3. Wartoci wilgotnoci gleby (PPW) zarejestrowane na odcinku pomiarowym (L) na głbokoci hp = 10 cm Fig. 3. The values of soil moisture (PPW field water capacity) obtained at the measuring length (L) for the depth hp = 10 cm. Wyniki pomiarów dynamicznych na najmniejszej głbokoci tj. hp1 = 5cm charakteryzowały si najwikszym rozrzutem otrzymywanych wartoci. Na tej głbokoci pracy sondy wiksze wahania odnotowano na glebie suchej, a mniejsze na glebie nawadnianej. W obydwu przypadkach zauwaono równie tendencj do obniania redniej wartoci wilgotnoci w stosunku do pomiarów statycznych. Ogólnie naley zaznaczy, e ilo i jako składników zakłócajcych pomiar w glebie tj. zakamienienie, resztki rolinne i inne, na wszystkich badanych głbokociach były podobne. Naley zatem sdzi, e due wahania mierzonych wartoci były spowodowane mikroszczelinami powstajcymi w przypowierzchniowej warstwie gleby. Sprzyjała temu mikronierówno powierzchniowa gleby i nisza w tej strefie wilgotno. Wyniki z najpłytszych pomiarów tj. hp1 = 5cm obarczone 89

6 były najwikszym błdem do 12 % w stosunku do pomiarów grawimetrycznych. W zwizku z tak znacznym błdem uznano, i głboko pomiarowa hp1 dla tego rozwizania konstrukcyjnego sondy nie bdzie polecana do dalszych bada. Znacznie lepsz stabilizacje wartoci mierzonych otrzymano na wikszych głbokociach pracy czujnika. Przykłady takich wyników pokazano na rys. 3 i rys. 4. (strefy gleby o wikszej wilgotnoci oznaczono strzałkami). Jak łatwo zauway wahania wartoci wystpuj i w strefach o niszej wilgotnoci jak i w strefach gleby nawodnionej. S one spowodowane zapewne zakłóceniami mechanicznymi. Na obydwu rycinach widoczny jest efekt bezwładnoci pomiarowej. W tym przypadku wynikał on w znacznym stopniu z wielkoci czasu samooczyszczania si czujnika. Mniejsze opónienie odnotowano gdy czujnik przechodzi z gleby suchej do wilgotnej, a wiksze gdy czujnik przemieszcza si z gleby wilgotnej do suchej PPW [%] ,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3,2 3,6 4 4,4 4,8 5,2 5,6 L [m] Rys. 4. Wartoci wilgotnoci gleby (PPW) zarejestrowane na odcinku pomiarowym (L) na głebokoci hp = 15 cm 90

7 Fig. 4. The values of soil moisture (PPW field water capacity) obtained at the measuring length (L) for the depth hp = 15 cm. Podsumowanie 1. Naley podkreli, e zaprojektowany i wykonany mobilny moduł pomiarowy jest uniwersalny i spełnił swoje zadanie. Na podstawie dowiadcze i dokumentacji mona póniej przystpi do budowy prototypu. Jego uniwersalno polega na zapewnieniu płynnej lub skokowej regulacji głbokoci pracy sondy z czujnikiem. Ponadto długo odcinka pomiarowego z zagłbionym czujnikiem moe by regulowana dowolnie przez hydraulik zewntrzn cignika. Istnieje moliwo dociania wózka, a tym samym ujednorodnienia zagszczenia gleby w strefie pracy sondy. Moduł pomiarowy moe pracowa na polu w koleinie jak i obok na glebie spulchnionej. 2. System optyczno-elektroniczny, który składa si z czujnika, uładu przetwarzania sygnału, akumulatorka 9V i wywietlacza pozwala na pomiar wilgotnoci gleby mineralnej (pgl). Pozytywne wyniki otrzymano dla wikszych głbokoci pracy czujnika tj. dla głbokoci hp2 = 10 cm i hp3 = 15 cm. Bibliografia Morhad J., Kleisinger S., Piechnik L., Czaczyk Z., Wojciechowski T A modified opto electronic sensor for quick measurments of humidity in growing media. Proceedings of the 6t h International Symposium held in Potsdam: Morhad J., Henle W. Kleisinger S Mobile Erfassung des Wassergehaltes in Rasentragschichten mittels IR-Remission. Rasen. Turf. Gazon, 4: Kano Y., McClure W. F., Skaggs W A Near Infrared Reflectance Soil Moisure Meter. Trans. ASAE, 1985, Vol. 28, nr 6: Piechnik L a: Parametryzacja gleb metod spektroskopi odbiciowej w zakresie bliskiej podczerwieni. Inynieria Rolnicza, nr 5 (38):

8 Piechnik L b: Próba zastosowania bliskiej podczerwieni do pomiaru wilgotnoci w zerodowanej glebie. Zeszyty Probl. Post. Nauk Rolniczych, z.487 : Piechnik L. 2003: Wpływ prdkoci ruchu czujnika wilgotnoci gleby na warto pomiaru. Problemy Inynierii Rolniczej, nr 3 (41) : Price R. R., Gaultney L. D. 1993: Soil Moisture Sensor For Predicting Seed Planting Depth. Trans. ASAE, Vol. 36, nr 6: Sudduth K. A., Hummel L J. W Portable, near-infrared spectrophotometer for rapid soil analysis. Trans. ASAE, Vol. 36, nr 1: Field studies on optical sensor for dynamic measurments of soil moisture Summary A probe with an infrared sensor was constructed to perform dynamical soil moisture measurements in the topsoil of arable land. It enables to make measurements of soil when the sensor is in motion. The direction of the sensor motion is horizontal. The examined probe works on the basis of near infrared reflectance spectroscopy. The tested element of the probe has the shape of a cone. The field measurements were performed on light soil - light loam sand. Soil of different moisture characteristics was tested at constant motion speed, at 3 various depths Key words: soil moisture content, field measurement, sensor 92