Wyznaczenie parametrów funkcjonalnych prototypowych sensorów potencjału matrycowego wody w glebie

W. Skierucha, A. SzypłowskaInstytut Agrofizyki im. Bohdana Dobrzańskiego PAN w Lublinie,

ul. Doświadczalna 4, 20-290 Lublin E-Test Sp. z o.o., Stasin 90, 21-030 Motycz

Motywacja i cel pracy Problem badawczy Opis badanego tensjometru glebowego Wykonane prace badawcze Wnioski

Motywacja i cel pracy

Zapotrzebowanie na tani i niezawodny przyrząd do pomiaru statusu wody w glebie, generowane przez:

• środowisko naukowe,• rolnictwo,• ogrodnictwo,• służby komunalne.

Celem prac jest określenie przydatności prototypu sensora potencjału matrycowego

wody w glebie opracowanego i dostarczonego przez przedsiębiorcę, do wykorzystania

w pomiarach laboratoryjnych i polowych gleb różniących się składem mechanicznym,

gęstością oraz wilgotnością.

Problem badawczy

Woda w glebie nienasyconej utrzymywana jest poprzez adsorpcję oraz siły kapilarne, które są składnikami potencjału matrycowego Fm wody w glebie (Hillel, 2004)

[kPa]

₋ R = 461,5 J/(kg K) jest stałą gazową dla pary wodnej, ₋ T jest temperaturą w stopniach Kelvina, ₋ p/p0 jest wilgotnością względną (tzn. stosunkiem

prężności pary wodnej będącej w stanie równowagi z glebą nienasyconą do prężności nasyconej pary wodnej będącej w równowadze z czystą wodą)

Efekt tekstury gleby na retencję wody w glebie.

Efekt struktury gleby na retencję wody w glebie

Pomiar potencjału matrycowego wody w glebie

Tensjometr glebowy z elektronicznym przetwornikiem ciśnienia i mechanicznym wakuometrem połączone z ceramicznym sączkiem porowatym umieszczonym w glebie (Or i Wraith, 2002)

Opis badanego tensjometru glebowego

Kształt i wymiary badanego tensjometru glebowego

Elementy składowe prototypowego miniaturowego tensjometru glebowego:1) sączek porowaty o długości 17 mm, zamocowany do metalowej rurki, 2) przetwornik ciśnienia umieszczony w prostopadłościennej obudowie z poliwęglanu

o szerokości 27 mm, 3) kabel koncentryczny łączący czujnik tensjometryczny z urządzeniem pomiarowym

(miernik typu TDR/MUX/mpts opracowany wcześniej w IA PAN w Lublinie)

Wykonane prace badawcze

Podstawowym narzędziem badawczym był eksperyment, mający na celu: selekcję optymalnych sączków porowatych do wmontowania w

prototypowym tensometrze glebowym, ocenę trwałości i niezawodności zastosowanego elektronicznego

przetwornika ciśnienia (transducera), ocenę skuteczności opracowanej procedury odpowietrzania części

sensorycznej prototypowego tensometru glebowego, ocenę skuteczności zastosowanego złącza typu Luer.

Dane uzyskane z eksperymentu poddano obróbce z wykorzystaniem podstawowych narzędzi statystycznych i graficznych dostępnych w pakiecie Microsoft Excel.

Dobór ceramiki porowatej Zakład Inżynierii Ceramicznej (IEn Oddział Ceramiki CEREL, ul. Techniczna 1, 36-040 Boguchwała, Wyznaczenie ciśnienia wejścia powietrza (ang. air entry pressure) - opracowanie stanowiska do

pomiaru ciśnienia wejścia powietrza dla prototypowych sączków porowatych o różnych temperaturach spieku.Wartości ciśnienia wejścia powietrza wynosiły 1,15 bara (odch. std. 0,12 bara) i 1,23 bara (odch. std. 0,11 bara) odpowiednio dla temperatury wypieku 1280°C i 1310°C.

Stanowisko do pomiaru ciśnienia wejścia powietrza dla prototypowych sączków porowatych

Dobór i testowanie szczelnego łącza typu Luer

Łącze typu Luer w prototypowym tensjometrze glebowym

Interfejs elektroniczny łączący prototypowy tensjometr do miernika TDR/MUX/mpts

Testowanie dynamiki oraz zakresu pomiarowego

porowatki ceramiczne wypiekane w temperaturze 1280°C i 1310°C, badania na glebie piaszczystej, temperatura otoczenia nie była stabilizowana i wynosiła 20 ±5°C, pomiary dokonywane były z okresem 10 minutowym i trwały przez okres ok. 1 miesiąca.

Przykładowy wykres zmienności potencjału matrycowego wody z glebie piaszczystej w dwóch cyklach nawadniania i osuszania próbki

Wartości potencjału matrycowego wody w glebie piaszczystej dla pięciu serii pomiarowych

Testowanie dynamiki oraz zakresu pomiarowego, cd.

Wnioski i rekomendacje

1. Zakres pomiarowy odnoszący się do stanu nasycenia gleby wodą oraz całkowitego osuszenia wynosi od ok. -50 mbar do ok. -850 mbar. Obserwowany zakres pomiarowy w pełni zaspokaja potrzeby użytkowników. Zatem zastosowany czujnik barometryczny spełnił swoje zadanie pod względem zakresu pomiarowego.

2. Eksperyment symulujący gwałtowny opad deszczu po długotrwałej suszy, polegający na gwałtownej zmianie potencjału matrycowe poprzez szybkie nasycenie badanej gleby wykazuje, że dla ceramiki porowatej wypiekanej w temperaturze 1310°C, czas potrzebny na jej nasycenie wynosił ok. 60 minut.

3. Po kilku cyklach napełniania czujnika wodą destylowaną i jego odpowietrzenie zaobserwowano uszkodzenie czujnika. Prawdopodobną przyczyną jest rozpuszczenie przez wodę warstwy zabezpieczającej membranę czujnika. Zatem zastosowany czujnik może wymagać wymiany na inny, który będzie wytrzymały na substancje rozpuszczone w wodzie (rozpuszczone sole).

4. Procedura napełniania elementów czujnika wodą destylowaną oraz odpowietrzania czujnika są łatwe do wykonania i nie powinny sprawić trudności potencjalnym użytkownikom.

5. Opracowana poliwęglanowa obudowa prototypowego czujnika oraz zastosowane łącze typu Luer w sposób istotny zmniejszą koszty produkcji czujnika, nie powinny wpłynąć negatywnie na jego niezawodność oraz znacznie poprawią funkcjonalność i prostotę obsługi czujnika.

6. Zaleca się zastosowanie nowego czujnika ciśnienia, którego część sensoryczna nie ulegnie uszkodzeniu podczas kontaktu z wodą zawierającą rozpuszczone sole (woda w glebie) oraz jest odporna mechanicznie.

Prace wykonano w ramach projektu systemowego

„Wsparcie Regionalnej Sieci Współpracy”

Programu Operacyjny Kapitał Ludzki 2007-2013,

Priorytet VIII - Regionalne kadry gospodarki,

Działanie 8.2 - Transfer wiedzy,

Poddziałanie 8.2.2 - Regionalne strategie innowacji.