Anturigeometrian ja maaperän suolaisuuden vaikutus kapasitiiviseen kosteusmittaukseen

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi:hulib-201511163805
Title: Anturigeometrian ja maaperän suolaisuuden vaikutus kapasitiiviseen kosteusmittaukseen
Author: Raunio, Jussi
Contributor: University of Helsinki, Faculty of Agriculture and Forestry, Department of Agricultural Sciences
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2015
Language: fin
URI: http://urn.fi/URN:NBN:fi:hulib-201511163805
http://hdl.handle.net/10138/158137
Thesis level: master's thesis
Discipline: Agroteknologia
Agrotechnology
Agroteknologi
Abstract: Automaattisella maan ajallisen kosteudenvaihtelun mittauksella voitaisiin saavuttaa hyötyjä niin maataloudessa kuin muissakin kohteissa. Temporaalisen kosteusvaihtelun mittaamiseen soveltuvat pääasiassa vain sähköiset menetelmät niiden helpon automatisoitavuuden vuoksi. Kapasitanssiteknologia on yksi sopivimmista menetelmistä tällaiseen tarkoitukseen. Sähköisessä maaperän kosteuspitoisuuden mittaamisessa ollaan tekemisissä pääasiassa kahden suureen kanssa: maan permittiivisyyden ja maan sähkönjohtavuuden. Kosteusmittaus perustuu pääasiassa permittiivisyyden muutoksiin. Sen sijaan sähkönjohtavuuden muutokset tyypillisesti heikentävät kosteusmittauksen tarkkuutta. Mittauksen tarkkuutta voidaan kuitenkin parantaa mittaustaajuutta nostamalla, jolloin sähkönjohtavuuden merkitys pienenee. Työn tavoitteena oli selvittää kapasitanssitekniikalla toimivan anturin mittausgeometrian ja -taajuuden vaikutusta mittauksen luotettavuuteen. Lisäksi selvitettiin kahden kapasitanssimittaustaajuuden sekä resistanssimittauksen yhdistämisellä mahdollisesti saavutettava mittaustarkkuuden parantuminen. Tutkielma kuului yhtenä osana SAFETOOL-hankkeeseen, jossa tutkimusten tavoitteena oli seurata ja kehittää erilaisia mittaus- ja havainnointimenetelmiä ympäristön tilan seuraamiseen peltokasvituotannossa. Antureiden mittausavaruutta selvitettiin sekä pellolla että laboratoriossa. Kosteusmittaukset suoritettiin laboratorio-olosuhteissa, jolloin olosuhteet voitiin vakioida. Mittaukset suoritettiin kahdessa osassa: esikokeessa ja varsinaisessa kokeessa. Lopullisessa kokeessa oli mukana viisi eri geometriaa ja resistanssimittaus. Kapasitanssimittauksessa käytettiin 5,5, 70 ja 95 MHz taajuuksia. Lisäksi verrokkianturina käytettiin kaupallista EC-5 anturia (Decagon Devices, Pullman, WA, USA). Mittaukset suoritettiin hietamaalla noin 3 litran astioissa. Kosteusmittaukset suoritettiin 5 %, 15 %, 25 % ja 35 % tilavuuskosteuksissa, maan johtolukujen vaihdellessa 2 ja 24 välillä. Tuloksien mukaan anturin fyysisellä geometrialla ei ollut suurta merkitystä mittaustarkkuuteen. Eri geometrioiden mittausavaruudet olivat myös pääasiassa samankaltaiset. Maan sähkönjohtavuuden eli suolaisuuden vaihtelun vaikutus oli sen sijaan merkittävää. Resistanssimittauksella saavutettiin pääasiassa luotettavammat kosteusmittaustulokset kuin kapasitanssimittauksilla. Syy tähän saattoi kuitenkin olla maan korkeahkot johtoluvut. Normaaleissa pelto-olosuhteissa ja oikealla kalibroinnilla kapasitanssianturilla päästään varsin luotettaviin kosteusmittaustuloksiin.Automatic measurement of temporally varying soil moisture content could result in benefits both in agriculture and other applications. Mainly due to the ease of automation only electrical methods are suitable for measuring the variability of temporal moisture content. Capacitance technology is one of the most suitable methods for this kind of purpose. When determining soil moisture content by dielectricity means one will face two main properties: soil permittivity and soil electrical conductivity. Moisture measurement is based mainly on the changes of soil permittivity. Instead, changes in the soil electrical conductivity typically hamper the accuracy of moisture measurements. The measurement accuracy can be improved, however, by increasing the measurement frequency. The aim of this study was to determine the impact of sensor’s physical geometry and measuring frequency to the reliability of measurement. Combination of two measurement frequencies and an additional measurement of soil resistance were also determined for improving the accuracy. This study was carried out as part of the SAFETOOL project which aims were to monitor and to develop measurement tools for measuring and monitoring the status of the environment in field conditions. The sampling volume of capacitive sensors was examined in both field and laboratory conditions. To stabilize the weather moisture measurements were done only in laboratory conditions. The study was divided into two parts: pre-study and main-study. During the main-study five different capacitive geometries and the measurement of soil resistance were examined. Capacitance was measured using three frequencies: 5,5, 70 and 95 MHz. A commercial EC-5 capacitance sensor (Decagon Devices, Pullman, WA, USA) was used as control. Measurements were carried out in containers of volume about 3 litres filled with fine sand. Moisture measurements were conducted with volumetric water contents of 5 %, 15 %, 25 % and 35 % while the electrical conductivity varied between 2 and 24. Changes in the physical geometry did not result in remarkable differences of accuracy. The measurement volumes were also similar within the variable geometries. The impact of changes in the electrical conductivity, or salinity, however, was significant. Measuring the resistance of the soil lead typically to better results. However, this could be due to relatively high soil electrical conductivity. While working within the framework of normal field conditions and the right calibration one might expect to get reliable moisture measurements with a capacitance moisture sensor.
Subject: kosteus
sähkönjohtavuus
polarisaatio
permittiivisyys
mittausavaruus
kapasitanssi


Files in this item

Files Size Format View

There are no files associated with this item.

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record