ما هي أحدث الابتكارات في تكنولوجيا مستشعرات التوتر المائي؟

قائمة المحتوى

● فهم توتر مياه التربة

● مستشعرات التوتر المائي التقليدي

● الابتكارات في تكنولوجيا مستشعر التوتر المائي

● تطبيقات تقنية مستشعر التوتر المائي

● دراسات الحالة

● الاتجاهات المستقبلية

● خاتمة

● التعليمات

>> 1. ما هو توتر مياه التربة؟

>> 2. كيف تعمل أجهزة استشعار توتر الماء؟

>> 3. ما هي فوائد استخدام أجهزة استشعار التوتر المائي؟

>> 4. كيف يمكنني اختيار مستشعر التوتر المائي المناسب لاحتياجاتي؟

>> 5. كيف أقوم بتثبيت أجهزة استشعار التوتر المائية والحفاظ عليها؟

● الاستشهادات:

تعد رطوبة التربة عاملاً حاسماً في الزراعة والمراقبة البيئية والمجالات الأخرى المختلفة. تعد القدرة على قياس وإدارة توتر مياه التربة بدقة ضرورية لتحسين الري ، ومنع نفايات المياه ، وضمان نمو نبات صحي [1] [2]. تلعب أجهزة استشعار توتر المياه ، والمعروفة أيضًا باسم مستشعرات توتر رطوبة التربة ، دورًا حيويًا في توفير بيانات لإدارة المياه الفعالة. شهدت السنوات الأخيرة تطورات كبيرة في تكنولوجيا مستشعرات توتر المياه ، مدفوعة بالحاجة إلى حلول أكثر دقة وموثوقة وسهلة الاستخدام [7]. تستكشف هذه المقالة أحدث الابتكارات في تكنولوجيا مستشعرات توتر المياه ، وتسلط الضوء على التطورات الرئيسية وتأثيرها على مختلف التطبيقات.

فهم توتر مياه التربة

قبل الغوص في الابتكارات ، من المهم أن نفهم ماهية توتر مياه التربة ولماذا يهم. توتر مياه التربة ، الذي يشار إليه أيضًا باسم إمكانات ماتريك التربة أو شفط التربة ، هو القوة التي يتطلبها النبات لاستخراج المياه من التربة [1]. إنه مقياس لنباتات الطاقة يجب أن تنفق للتغلب على القوى التي تحمل المياه في التربة. وتشمل هذه القوى:

- التصاق: الجاذبية بين جزيئات الماء وجزيئات التربة.

- التماسك: الجاذبية بين جزيئات الماء نفسها.

- الجاذبية: القوة تسحب الماء لأسفل من خلال صورة التربة.

عادة ما يتم قياس توتر مياه التربة بالكيلوباسكال (KPA) [2]. تشير قيمة التوتر المنخفض (القريبة من 0 كيلو باسكال) إلى أن التربة مبللة وأن الماء متاح بسهولة للنباتات. مع تجفيف التربة ، يزداد التوتر ، مما يشير إلى أن النباتات بحاجة إلى العمل بجد لاستخراج المياه [2].

مستشعرات التوتر المائي التقليدي

تشمل الطرق التقليدية لقياس توتر مياه التربة أجهزة قياس الصالح وكتل الجبس [7] [8].

- أجهزة قياس الشد: تتكون هذه الأجهزة من كوب من السيراميك المسامي متصل بمقياس فراغ. يتم إدخال الكأس في التربة ، ويتدفق الماء داخل أو خارج الكأس حتى يصل إلى التوازن مع التربة المحيطة. ثم يقيس مقياس الفراغ التوتر المطلوب لسحب الماء من التربة [7].

- كتل الجبس: تحتوي هذه الكتل على اثنين من قطبي مضمنين في الجبس. مع تغير رطوبة التربة ، تختلف المقاومة الكهربائية بين الأقطاب الكهربائية. ثم ترتبط هذه المقاومة بتوتر مياه التربة [8].

في حين تم استخدام هذه الطرق التقليدية لعقود من الزمن ، إلا أنها لها قيود. تتطلب أجهزة قياس الشد صيانة منتظمة ، مثل إعادة التعبئة بالماء المقطر ، وهي الأكثر فعالية في الظروف الجافة إلى المعتدلة إلى الظروف الرطبة [7]. كتل الجبس ، من ناحية أخرى ، لها نطاق محدود وليست دقيقة في التربة الرطبة أو الجافة جدًا [8].

الابتكارات في تكنولوجيا مستشعر التوتر المائي

ركزت الابتكارات الحديثة في تكنولوجيا مستشعرات التوتر المائي على معالجة القيود المفروضة على الأساليب التقليدية وتحسين دقة وموثوقية وسهولة استخدام هذه المستشعرات. بعض الابتكارات الرئيسية تشمل:

1. مستشعرات المصفوفة الحبيبية (GMS)

مستشعرات المصفوفة الحبيبية (GMS) ، مثل مستشعر العلامة المائية ، هي نوع محسّن من مستشعر المقاومة الكهربائية [5]. تتكون هذه المستشعرات من قطبين مضمنين في مصفوفة حبيبية [8]. عادة ما تكون المصفوفة مصنوعة من ملء رمل موحد يحافظ على اتصال ثابت بالتربة المحيطة. مع تغير رطوبة التربة ، تختلف المقاومة الكهربائية بين الأقطاب الكهربائية ، مما يوفر قياسًا غير مباشر لتوتر مياه التربة [5].

مزايا GMS:

- نطاق واسع: يمكن لـ GMS قياس توتر مياه التربة في حدود 0 إلى 200 كيلو باسكال ، مما يجعلها مناسبة لمجموعة متنوعة من أنواع وظروف التربة [2].

-

- بأسعار معقولة: GMs غير مكلفة نسبيًا ، مما يجعلها حلًا فعالًا من حيث التكلفة لمراقبة رطوبة التربة [1].

2. أجهزة القياس الرقمية

تعتمد مقاييس الشد الرقمية على تصميم شد الشد التقليدي من خلال دمج محولات الضغط الإلكترونية [5]. توفر هذه المحولات قراءات رقمية لتوتر مياه التربة ، مما يلغي الحاجة إلى القراءة اليدوية لقياس الفراغ. توفر أجهزة قياس الشد الرقمية أيضًا القدرة على تسجيل البيانات بمرور الوقت ، مما يوفر رؤى قيمة في اتجاهات رطوبة التربة.

مزايا المقاييس الرقمية:

- قراءات دقيقة: توفر محولات الضغط الرقمية قراءات أكثر دقة ودقة مقارنةً بمقاييس الفراغ التقليدية.

- تسجيل البيانات: تتيح القدرة على تسجيل البيانات بمرور الوقت المراقبة المستمرة لرطوبة التربة وتحديد الاتجاهات.

- المراقبة عن بُعد: يمكن توصيل بعض المقاييس الرقمية بشبكات الاتصالات اللاسلكية ، مما يتيح المراقبة عن بُعد لرطوبة التربة.

3. أجهزة استشعار رطوبة التربة اللاسلكية

أحدثت أجهزة استشعار رطوبة التربة اللاسلكية ثورة في طريقة مراقبة رطوبة التربة. تجمع هذه المستشعرات بين GMS أو مقياس الشد الرقمي مع وحدة اتصال لاسلكية [4]. هذا يسمح بمراقبة في الوقت الفعلي لرطوبة التربة من أي مكان مع اتصال بالإنترنت.

مزايا أجهزة استشعار رطوبة التربة اللاسلكية:

- المراقبة عن بُعد: تمكن المستشعرات اللاسلكية من المستخدمين مراقبة رطوبة التربة من أي مكان في العالم.

-البيانات في الوقت الفعلي: يتم إرسال البيانات في الوقت الفعلي ، مما يوفر معلومات محدثة عن ظروف رطوبة التربة.

- الري الآلي: يمكن دمج أجهزة الاستشعار اللاسلكية مع أنظمة الري الآلية ، مما يسمح بالتحكم الدقيق في تطبيق المياه استنادًا إلى مستويات رطوبة التربة [4].

4. تكامل إنترنت الأشياء (IoT)

لقد فتح دمج أجهزة استشعار توتر المياه مع إنترنت الأشياء (IoT) إمكانيات جديدة للزراعة الذكية والمراقبة البيئية [4]. يمكن لأجهزة الاستشعار التي تدعم إنترنت الأشياء نقل البيانات إلى نظام تحكم مركزي ، والذي يمكن استخدامه بعد ذلك لتحسين الري ، واكتشاف التسريبات ، ومراقبة الظروف البيئية [9].

مزايا تكامل إنترنت الأشياء:

- تحسين الكفاءة: يمكن أن تساعد المستشعرات التي تدعم إنترنت الأشياء في تحسين استخدام المياه ، وتقليل النفايات وتحسين الكفاءة.

- أفضل اتخاذ القرارات: توفر البيانات والتحليلات في الوقت الفعلي رؤى قيمة لاتخاذ قرارات مستنيرة بشأن الري وإدارة المياه.

- الاستدامة المعززة: من خلال تحسين استخدام المياه ، يمكن أن تساهم أجهزة الاستشعار التي تدعم إنترنت الأشياء في ممارسات زراعية أكثر استدامة [4].

5. مواد المستشعر المتقدمة

أدت التطورات الحديثة في مواد المستشعر إلى تحسين الأداء ومتانة مستشعرات توتر المياه [9]. على سبيل المثال ، فإن استخدام مواد مقاومة للتآكل مثل الطلاء التيتانيوم أو الطلاء الخزفي قد امتد بشكل كبير عمر هذه المستشعرات [9]. بالإضافة إلى ذلك ، تم تطوير مواد جديدة أكثر حساسية للتغيرات في رطوبة التربة ، مما يؤدي إلى قراءات أكثر دقة.

مزايا مواد المستشعر المتقدمة:

- زيادة المتانة: تمدد المواد المقاومة للتآكل عمر المستشعرات ، مما يقلل من الحاجة إلى استبدال متكرر.

- دقة تحسين: المواد الجديدة أكثر حساسية للتغيرات في رطوبة التربة ، مما يؤدي إلى قراءات أكثر دقة.

- انخفاض الصيانة: تتطلب المواد المتقدمة صيانة أقل وتوفير الوقت والموارد.

تطبيقات تقنية مستشعر التوتر المائي

تُستخدم تقنية مستشعر توتر المياه في مجموعة واسعة من التطبيقات ، بما في ذلك:

- الزراعة: مراقبة رطوبة التربة لتحسين الري وتحسين محاصيل المحاصيل [4].

- المراقبة البيئية: تتبع مستويات رطوبة التربة لتقييم ظروف الجفاف ومنع تآكل التربة.

- البناء: مراقبة رطوبة التربة لضمان استقرار الأسس ومنع الانهيارات الأرضية.

- إدارة العشب الرياضي: الحفاظ على مستويات رطوبة التربة المثلى لنمو العشب الصحي في ملاعب الجولف والمجالات الرياضية.

- البحث: دراسة آثار رطوبة التربة على نمو النبات وعمليات النظام الإيكولوجي [1].

دراسات الحالة

1. الري الدقيق في الزراعة

وجدت دراسة أجراها جامعة كاليفورنيا ، ديفيس ، أن استخدام أجهزة استشعار توتر المياه لتوجيه جدولة الري في بساتين اللوز أدى إلى انخفاض بنسبة 20 ٪ في استخدام المياه دون المساس بالمحصول. قدمت أجهزة الاستشعار بيانات في الوقت الفعلي عن مستويات رطوبة التربة ، مما يسمح للمزارعين بتطبيق المياه فقط عند الحاجة.

2. مراقبة الجفاف في العلوم البيئية

يستخدم المركز الوطني لتخفيف الجفاف أجهزة استشعار توتر المياه كجزء من شبكة مراقبة الجفاف. توفر المستشعرات بيانات قيمة عن ظروف رطوبة التربة ، مما يساعد على تحديد المناطق المعرضة لخطر الجفاف وإبلاغ استراتيجيات إدارة الجفاف.

3. منع الانهيار الأرضي في البناء

يستخدم مكتب الهندسة الجيوتقنية في هونغ كونغ مستشعرات توتر المياه لمراقبة مستويات رطوبة التربة على المنحدرات الحادة. توفر المستشعرات الإنذار المبكر للانهيارات الأرضية المحتملة ، مما يسمح للمهندسين بتخليص التدابير الوقائية لتحقيق الاستقرار في المنحدرات.

الاتجاهات المستقبلية

يتطور مجال استشعار التوتر المائي باستمرار. تشمل بعض الاتجاهات الرئيسية التي يجب مشاهدتها:

- التصغير: أصبحت أجهزة الاستشعار أصغر وأكثر قابلية للحمل ، مما يسهل نشرها في مجموعة متنوعة من الإعدادات [9].

- الذكاء الاصطناعي (AI): يتم استخدام الذكاء الاصطناعي لتحليل البيانات من مستشعرات توتر المياه وتوفير رؤى تنبؤية في ظروف رطوبة التربة.

- التكامل المحسّن: يتم دمج المستشعرات مع أدوات المراقبة البيئية الأخرى ، مثل محطات الطقس ومنصات الاستشعار عن بعد ، لتوفير رؤية أكثر شمولاً للظروف البيئية.

خاتمة

لقد قطعت تقنية مستشعر التوتر المائي شوطًا طويلاً في السنوات الأخيرة. من المقاييس التقليدية وكتل الجبس إلى مستشعرات المصفوفة الحبيبية المتقدمة ، مقاييس الشد الرقمية ، والأجهزة اللاسلكية التي تدعم إنترنت الأشياء ، فإن خيارات مراقبة رطوبة التربة أكثر تنوعًا وتطورًا من أي وقت مضى. تساعد هذه الابتكارات على تحسين الري ، ومنع نفايات المياه ، وضمان نمو مصنع صحي في مجموعة متنوعة من التطبيقات. مع استمرار تطور التكنولوجيا ، يمكننا أن نتوقع أن نرى حلولًا أكثر إبداعًا لمراقبة توتر المياه في السنوات القادمة.

التعليمات

1. ما هو توتر مياه التربة؟

توتر مياه التربة ، المعروف أيضًا باسم إمكانات ماتريك التربة ، هو كمية الطاقة التي يجب أن يستخدمها النبات لاستخراج المياه من التربة [1]. يتم قياسه بالكيلوباسكال (KPA) ، مع وجود قيم منخفضة تشير إلى التربة الرطبة والقيم الأعلى التي تشير إلى التربة الأكثر جفافا [2].

2. كيف تعمل أجهزة استشعار توتر الماء؟

أجهزة استشعار توتر المياه تقيس القوة المطلوبة لإزالة الماء من التربة. تستخدم أنواع مختلفة من المستشعرات طرقًا مختلفة ، مثل قياس المقاومة الكهربائية أو ضغط الفراغ ، لتحديد توتر مياه التربة [5] [7].

3. ما هي فوائد استخدام أجهزة استشعار التوتر المائي؟

يمكن أن يساعد استخدام مستشعرات توتر المياه في تحسين الري ، ومنع نفايات المياه ، وتحسين غلة المحاصيل ، ومراقبة الظروف البيئية [4].

4. كيف يمكنني اختيار مستشعر التوتر المائي المناسب لاحتياجاتي؟

يعتمد اختيار مستشعر التوتر المائي على عدة عوامل ، مثل نوع التربة ، والمحاصيل التي يتم زراعتها ، ومستوى الدقة المطلوبة. تعد مستشعرات المصفوفة الحبيبية خيارًا جيدًا للاستخدام العام ، في حين توفر أجهزة قياس الشد الرقمية قراءات أكثر دقة [5]. أجهزة الاستشعار اللاسلكية مثالية للمراقبة عن بُعد [4].

5. كيف أقوم بتثبيت أجهزة استشعار التوتر المائية والحفاظ عليها؟

تختلف تركيب وصيانة أجهزة استشعار توتر المياه اعتمادًا على نوع المستشعر. بشكل عام ، يجب تثبيت أجهزة الاستشعار في منطقة الجذر للنباتات التي يتم مراقبتها ويجب فحصها بانتظام للعمل المناسب. قد تحتاج أجهزة قياس الشد إلى إعادة تعبئتها بالماء المقطر بشكل دوري [7].

الاستشهادات:

[1] https://www.crodeon.com/products/soil-moisture tensive-sensor

[2] https://www.aces.edu/blog/topics/crop-production/irrigation-scheduling-use-soil-water-tension-sensors/

[3] https://www.voase.cn/words/voase-d.pdf

[4]

[5] https://journals.ashs.org/hortsci/view/journals/hortsci/46/2/article-p178.xml

[6] https://www.cnblogs.com/apachecn/p/18462376

[7] https://soilsense.io/blog/tpost/8vpe49x0i1-soil-moisture-sensor-technologies-an-ove

[8] https://agriculture.vic.gov.au/__data/assets/pdf_file/0016/622231/using-sensive-soil-moisture-monitoring-tools.pdf

[9] https://www.boquinstrument.com/a-news-innovations-in-water-mality-sensor-technology-what-s-next.html

[10] https://eos.com/blog/soil-moisture-sensor/

[11 '

[12]