الورقة البحثية

الطريقة الأدق لإستشعار رطوبة التربة

قياسات الرطوبة المستندة إلى المجال الزمني

Time Domain-Based Moisture Measurements

سكوت أندرسون

يُستخدم قياس انعكاس المجال الزمني منذ أكثر من 40 عامًا في قياس المحتوى المائي لمختلف الوسائط المسامية بما في ذلك التربة. وأثبتت هذه التقنية دقتها بسبب دقتها الثابتة في الإبلاغ عن المحتوى المائي على مدى التغيرات الكبيرة في الموصلية الكهربائية للتربة. وقد كان استخدامها محدودًا بسبب التكلفة العالية لمعدات TDR التقليدية واستهلاكها للطاقة وحجمها المرتبط بها. كما هو الحال مع أجهزة الاستشعار الكهرومغناطيسية الأخرى، فإنه يفشل عندما تصبح الموصلية الكهربائية للوسط المقاس عالية جدًا بحيث “تقصر” الموجة الكهرومغناطيسية. تناقش هذه الورقة البحثية المزايا الرئيسية لتقنية المجال الزمني على التقنيات المنافسة لقياس المحتوى المائي وتوضح الاختلافات التكنولوجية التي توسع نطاق تشغيلها ليشمل بيئات عالية جدًا من الموصلية الكهربائية والوسائط غير المتجانسة.

قياس الانعكاس التقليدي للمجال الزمني (Conventional Time Domain Reflectometry )

يشتمل جهاز TDR التقليدي على وحدة تحكم TDR متصلة بدليل موجي من خلال كابل محوري. يوجد داخل وحدة التحكم 3 عناصر أساسية تشكل العناصر الضرورية للحصول على قراءات الرطوبة. الأولى هي مولد دالة الخطوة التي تولد خطوة جهد صاعدة سريعة جدًا. وتنتشر هذه الدالة إلى أسفل الكابل المحوري إلى الدليل الموجي حيث تنعكس من نهاية الدليل الموجي وتعود عبر الكابل إلى وحدة التحكم. يجمع جهاز التحويل الرقمي فائق السرعة صورة رقمية للشكل الموجي العائد. يتم تعيين كل نقطة على الشكل الموجي إلى إحداثي زمني يتم إنشاؤه بواسطة قاعدة زمنية دقيقة. ويشتق تحليل الشكل الموجي بواسطة برنامج زمن انتشار الموجة أثناء انتقالها على طول قضبان الدليل الموجي. من المبادئ الأولى لانتشار الموجة، تكون سماحية الوسط المحيط بالدليل الموجي هي:

ε = t2/4μl2

حيث l هو طول الدليل الموجي، و t هو زمن الانتشار ذهابًا وإيابًا لدالة الخطوة التي تنتقل على الدليل الموجي كما تقاس بواسطة وحدة التحكم TDR، و μ هو نفاذية الوسط و ε هو سماحية الوسط حول الدليل الموجي. تُستمد هذه العلاقة الرائعة من حقيقة أن سرعة الضوء يحكمها ثابتان عامان مرتبطان بالمواد والفضاء الحر، وهما النفاذية والسماحية. نظرًا لأن النفاذية ثابتة لجميع المواد المسامية تقريبًا، فإن المعادلة أعلاه تنص على أن القياس الدقيق لزمن الانتشار سينتج عنه قياس دقيق للسماحية. تكون السماحية المشتقة مستقلة عن جميع المتغيرات الأخرى بما في ذلك كيمياء التربة. وبما أن سماحية الماء أعلى بأكثر من مرتبة من حيث الحجم من سماحية المواد الأخرى، يمكن اشتقاق المحتوى المائي لأي مادة ممزوجة بالماء تقريبًا بدقة من سماحيتها المقاسة.

من عيوب جهاز TDR التقليدي إلى جانب تكلفته وضخامته هو الكابل المحوري. فالكابل له نطاق ترددي محدود ويعمل كمرشح تمرير منخفض للموجة سريعة الارتفاع التي تنتشر عبره. يؤدي هذا إلى إطالة زمن ارتفاع الموجة قبل أن تصل إلى الدليل الموجي. وبالتالي فإن الموجة المنعكسة لها سمات مستديرة تفسد دقة قياس زمن الانتشار. يمكن أن يؤدي التخلص من الكابل المحوري إلى الحصول على ميزات حادة لشكل الموجة وتحسين قدرة نظام TDR على حل ميزات شكل الموجة.

وتضع الطريقة التي طورتها شركة Acclima عناصر وحدة التحكم TDR في نهاية الدليل الموجي مباشرةً – وبالتالي التخلص من الكابل المحوري تمامًا.

القياس الانعكاسي للمجال الزمني المتكامل (Integrated Time Domain Reflectometry )

في مقياس انعكاس المجال الزمني المتكامل الموضح في الشكل 2، تم وضع العناصر الأساسية لوحدة التحكم في TDR مع الدليل الموجي في حزمة مشتركة. ويقع كل من مولد دالة الخطوة(SFG) ومحول رقمي لشكل الموجة(DIG) على بعد بضعة ملليمترات من قضيب الدليل الموجي الأوسط (العنصر النشط). ينتج مولد دالة الخطوة في Acclima TDR315N خطوة بجهد 1 فولت مع وقت ارتفاع 300 بيكو ثانية يطبق مباشرة على الدليل الموجي والتربة. ويسجل جهاز التحويل الرقمي فائق الأداء وقاعدة الدقة الزمنية(PTB) شكل موجة من 4095 نقطة على مدى 20 نانوثانية بدقة 5 بيكو ثانية.

جُمعت الأشكال الموجية في الشكل 3 في الماء بدرجات متفاوتة من التوصيلية الكهربية. تظهر الموجات الساقطة في أقصى اليسار. ويمكن رؤية الموجات المنعكسة بالقرب من مركز الشكل لعدة مستويات مختلفة من الملوحة. وكلما زادت الملوحة تنخفض سعة الموجات بسبب تضاؤل سعة الإشارة المنتشرة. ولكن على الرغم من تضاؤل السعة، فإن دقة المحتوى المائي الحجمي المقاس تكون في حدود 1٪ لجميع العينات باستثناء عينة 5 dS/m التي تكون دقتها في حدود 1.6٪. وهذه إحدى المزايا الرائعة لأجهزة الاستشعار القائمة على المجال الزمني مقارنةً بالتقنيات الأخرى. بعد حوالي 5 dS/m، يصبح شكل الموجة مخففًا لدرجة أن الحافة الصاعدة للموجة المنعكسة غير قابلة للتمييز، ويفشل المستشعر.

عندما تكون المياه المالحة موجودة في التربة، يتم إعاقة المسار الحر المتوسط للأيونات، وتكون الموصلية السائبة المقاسة أقل من الموصلية السائبة للمياه المالحة نفسها. نظرًا لأن الموصلية السائبة هي التي تخفف من شكل الموجة، يمكن لمستشعر TDR المدمج الحصول على قراءات دقيقة في التربة المبللة بقيم EC أعلى بكثير من حد 5 dS/m الموضح في

في كل عينة من العينات التي تم اختبارها لأشكال الموجة أعلاه، تم قياس “الحقيقة” لمحتوى الماء الحجمي (VWC) بواسطة قياس الجاذبية وتظهر في العلامة بجوار كل شكل موجة. كما تظهر قراءات المستشعر أيضًا وهي في حدود 1% من القيم “الحقيقية” باستثناء قياس 16 dS/m الذي كان منخفضًا بنسبة 1.2%. ويمثل الشكل 4 البيئة التي يعمل فيها مستشعر TDR بشكل جيد في مياه ذات تركيز كهربي عالٍ جدًا ولكن حيث يتم خلط الماء مع بعض المواد المسامية الأخرى مما يتسبب في انخفاض إجمالي تركيز EC الكلي عن الماء نفسه.

المعايرة الخاصة بالتربة (Soil-Specific Calibration)

تشكل التربة المختلفة بيئات مجال كهربائي مختلفة للمستشعرات الكهرومغناطيسية. ويرجع ذلك إلى مساحة السطح المحددة للجسيمات، والاختلافات في السماحية المعدنية، والاختلافات في شكل الجسيمات وما إلى ذلك التي تختلف من تربة إلى أخرى. وتؤثر هذه الخصائص “الكهربائية” للتربة على المجال الكهرومغناطيسي وتتسبب في أن تقرأ معظم أجهزة الاستشعار الكهرومغناطيسية قيمًا مختلفة للمحتوى المائي للتربة المختلفة ذات المحتوى المائي نفسه. قد تظهر القراءات في التربة الطينية، على سبيل المثال، خطأ بنسبة 5% بالنسبة للقراءات في التربة متوسطة المدى ذات المحتوى المائي نفسه. وتتمثل الممارسة القياسية في الصناعة للتغلب على هذه الأخطاء في معايرة أجهزة الاستشعار للتربة المحددة التي سيتم استخدامها فيها. وهذا عبء إضافي على المستخدم عند تركيب الحساسات.

فمع مرور الموجة الكهرومغناطيسية عبر التربة تصبح مشوهة بسبب هذه الشذوذات الكهربائية المختلفة في التربة. وتنتج المستشعرات غير ذات النطاق الزمني، التي لا تدرك هذه الحالات الشاذة في اشتقاق قراءاتها، قراءات ذات اختلافات كبيرة من تربة إلى أخرى.

في المجال الزمني، يمثل الشكل الموجي المرقم صورة لتجربة الموجة الكهرومغناطيسية في المرور عبر التربة. يتم عرض السمات “الكهربائية” في التربة التي تسبب الأخطاء في القراءة في الشكل الموجي. لكل نوع من أنواع التربة المختلفة بصمة فريدة من نوعها في شكل الموجة. ويتم تعديل هذا التوقيع من خلال المحتوى المائي والملوحة – ولكن هناك سمات محددة في الأشكال الموجية التي لا تحجبها الموصلية الكهربائية و محتوى الماء الحجمي والتي تكشف عن الانحرافات عن الأشكال الموجية النظرية وبالتالي يمكن استخدامها لاكتشاف الأخطاء وتحديدها وحتى اكتشاف نوع التربة.

وهذه ميزة قوية لتقنية المجال الزمني التي تم استغلالها وتطويرها من قبل شركة أكلايما وتسمى “تقنية التربة الذكية”. Details in the يمكن استخدام التفاصيل في الشكل الموجي الغني بالمعلومات لاستخلاص معلومات أخرى من التربة إلى جانب المحتوى المائي. وتختفي الحاجة إلى المعايرة الخاصة بالتربة عندما يتم قياس هذه المعلومات الإضافية في الشكل الموجي لتقنية TDR واستخدامها. تُظهر الأشكال 5 و6 و7 قياسات TDR في تربة الطمي الرملي والطين باستخدام جهاز استشعار لم تتم معايرته خصيصًا للتربة المختلفة.

ملاحظة: تبلغ دقة القياس في أنواع التربة الثلاثة المختلفة هذه 1% عادةً بدون
معايرة خاصة بالتربة.

قياس الانتقال في المجال الزمني (Time Domain Transmissometry)

تعمل تقنية TDR بشكل جيد للغاية في التربة الزراعية العادية حيث تكون التربة متجانسة والملوحة مناسبة للمحاصيل الحقلية. وتتمثل إحدى السمات الأساسية لتقنية TDR عالية الدقة في أنها “ترى” تفاصيل تكوين الوسط على طول الدليل الموجي بما في ذلك التغيرات في المحتوى المائي. وهو يوفر قراءات عالية الدقة في الوسائط المتجانسة ولكنه يواجه صعوبة في “حساب متوسط” المحتوى المائي في الوسائط ذات التغيرات الحادة والمفاجئة في المحتوى المائي. الوسط الشائع لزراعة النباتات الداخلية هو الصوف الصخري. هذه المادة غير متجانسة وتحتوي على شوائب هوائية ومواقع تعبئة عالية الكثافة في جميع أنحاء هيكلها المضغوط. تتسبب هذه التغيرات الشديدة في الكثافة في أشكال موجية غير منتظمة. عندما تصادف الحافة الأمامية للشكل الموجي شوائب هوائية تتسبب الممانعة الأعلى في حدوث انعكاس إيجابي. وعندما يصادف موقع مائي مملوء بكثافة مائية يسبب انعكاسًا سالبًا نحو المصدر. تضيف الانعكاسات المتعددة بشكل متجه إلى الشكل الموجي الرئيسي وتولد صورة لانقطاعات الممانعة على طول مسار الدليل الموجي. يمكن أن يسبب هذا الحمل الزائد للمعلومات صعوبات في إيجاد زمن الانتشار الكلي الحقيقي. وقد طوّرت شركة أكلايما خوارزميات متطورة للتعامل مع هذه الأشكال الموجية المعقدة، ولكن هناك حل أسهل ومضمون لقراءة متوسط المحتوى المائي في الوسائط غير المتجانسة.

يمكننا تجنب الانعكاسات غير المرغوب فيها من خلال عدم قياس أي انعكاسات على الإطلاق. فبدلاً من تطبيق جهاز التحويل الرقمي على القضيب النشط الرئيسي في الدليل الموجي، يتم توصيله بالطرف البعيد من الدليل الموجي حيث يقوم برقمنة الموجة الساقطة بدلاً من الموجة المنعكسة. ويتطلب ذلك طي الدليل الموجي مرة أخرى إلى جسم TDR بحيث يقوم مولد الدالة المتدرجة بتشغيل أحد طرفي الدليل الموجي، ويعمل جهاز التحويل الرقمي في الطرف البعيد من الموصل المرتد المطوي. ويصبح هذا مقياس انتقال المجال الزمني أو مستشعر TDT.

يتميز مستشعر TDT بميزتين رئيسيتين عن مستشعر TDR وعيب واحد. نظرًا لأنه يقيس الموجة الساقطة المنتشرة لا توجد خسائر في انعكاس الموجة من نهاية الدليل الموجي كما هو الحال في تكوين TDR. تكون نسبة الإشارة إلى الضوضاء للموجة الساقطة المنتشرة في وسائط التوصيلية الكهربائية العالية أعلى بعدة مرات من الموجة المنعكسة في تكوين TDR. وهذا يعني أن مستشعر TDT يمكن أن يعمل بدقة في ظروف توصيل أعلى بكثير من مستشعر TDR.

وتتمثل الميزة الرئيسية الثانية في أن الموجة المنتشرة تحدد متوسط محتوى الماء على طول مسار الدليل الموجي. عندما تصادف بقعة رطبة جدًا تتباطأ الموجة. وعند مصادفة بقعة هوائية تتسارع الموجة. وبحلول الوقت الذي تعود فيه الموجة الساقطة إلى جهاز التحويل إلى المحول، تكون قد جمعت متوسط زمن الانتشار لجميع السمات المتقطعة على طول الدليل الموجي. ثم يُستخدم هذا المتوسط في حساب المحتوى المائي. قد يجادل المرء بأن الانعكاسات من هذه السمات المتقطعة ستعود إلى المصدر ثم تنعكس إلى الأمام مرة أخرى وتؤدي في النهاية إلى تشويش الموجة الساقطة. هذا صحيح بالتأكيد، ولكن هذه الانعكاسات المتعددة ستصل إلى جهاز التحويل الرقمي بعد فترة طويلة من رقمنة الموجة الساقطة الأصلية. وبالتالي، يمكن تجاهل تأثير الانعكاسات غير المرغوب فيها في نظام TDT.

ومن عيوب تقنية TDT مقارنةً بنظام TDR هو أن الدليل الموجي لا يحتوي على نقاط حادة على قضبان الدليل الموجي مما يجعل من السهل إدخال مستشعر TDR في الوسط.
ولكن في مستشعر TDT، يمكن جعل “الركبة” المطوية للخلف كنقطة ضيقة لتقليل صعوبة الإدخال. ويمكن أيضًا قطع “فتحة” تجريبية في الوسط لإنشاء مسار يمكن إدخال مجس TDT فيه. وتعد صعوبة الإدخال هذه غير مهمة بالنسبة إلى مزايا متوسط المحتوى المائي ومناعة الانعكاس المتعدد التي تجعل من مستشعر TDT الجهاز المثالي لقياس المحتوى المائي عند مستويات توصيلية كهربائية عالية جدًا في الصوف الصخري والمواد الأخرى غير المتجانسة.

اقتصاديات المجال الزمني (Time Domain Economics)

معدات قياس انعكاس المجال الزمني التقليدية مكلفة للغاية لدرجة أن استخدامها يقتصر بشكل أساسي على التطبيقات البحثية. ولكن ليس من الضروري أن تكون المكونات الأساسية لتقنية TDR باهظة الثمن. فقد طوّرت شركة Acclima تقنية TDR/TDT المتكاملة منذ 24 عامًا استنادًا إلى مكونات فائقة السرعة تستخدم فقط في الحالات القليلة التي تحتاج إليها ومكونات السيليكون التقليدية في أماكن أخرى. وبعد سنوات عديدة من الخبرة، تم تحسين هذه التقنية وخفض تكلفتها إلى درجة أنها أصبحت قابلة للمقارنة من حيث التكلفة مع أجهزة الاستشعار ذات الأداء المنخفض لمقياس الفولتميتر المتجهية (vector voltmeter) والمستشعرات السعوية (capacitive sensors ) في السوق اليوم.

ونتيجة لخبرة أكلايما الطويلة مع تقنية TDR/TDT المدمجة، استثمرت الشركة بكثافة في تطوير دائرة متكاملة خاصة بالتطبيقات (ASIC) تتضمن مولد دالة الخطوة وقاعدة زمنية دقيقة ومحول رقمي لشكل الموجة ودوائر اتصالات على شريحة سيليكون واحدة بمساحة 2.5 مم مربع. وهذا يسمح ببناء مستشعر TDR كامل أو مستشعر TDT باستخدام شريحتين فقط – معالج عائم عالي السرعة ذو نقطة عائمة عالية السرعة ودائرة Acclima ASIC. وهذا يقلل من التكلفة واستهلاك الطاقة والوقت في إجراء القياسات. كما يسمح أيضًا بدمج تقنية TDR وTDT في المساحات الضيقة مثل جدران أنابيب الوصول لإجراء قياسات المظهر الجانبي للمياه وفي أجهزة استشعار أصغر حجمًا ومنخفضة التكلفة وعالية الدقة لاستخدامها في البيوت الزجاجية(المحمية) والزراعة الرأسية.

بقلم سكوت أندرسون.