Датчики влажности почвы для огорода

Датчик влажности почвы в системах автоматического полива

Многие огородники и садоводы лишены возможности ежедневно ухаживать за посаженными овощами, ягодами, фруктовыми деревьями в силу загруженности по работе или во время отпуска. Тем не менее, растения нуждаются в своевременном поливе. С помощью простых автоматизированных систем можно добиться того, что почва на вашем участке будет сохранять необходимую и стабильную влажность на протяжении всего вашего отсутствия. Для построения огородной системы автополива потребуется основной контрольный элемент – датчик влажности почвы.

Датчик влажности

Датчики влажности также называют иногда влагомерами или сенсорами влажности. Почти все предлагаемые на рынке влагомеры почвы измеряют влажность резистивным способом. Это не совсем точный метод, потому что он не учитывает электролизные свойства измеряемого объекта. Показания прибора могут быть разными при одной и той же влажности грунта, но с разной кислотностью или содержанием солей. Но огородникам-экспериментаторам не столь важны абсолютные показания приборов, как относительные, которые можно настроить для исполнительного устройства подачи воды в определенных условиях.

Суть резистивного метода заключается в том, что прибор измеряет сопротивление между двумя проводниками, помещенными в грунт на расстоянии 2-3 см друг от друга. Это обычный омметр, который входит в любой цифровой или аналоговый тестер. Раньше такие инструменты называли авометрами.

Также существуют приборы со встроенным или выносным индикатором для оперативного контроля над состоянием почвы.

Легко сделать замер разницы проводимости электрического тока перед поливом и после полива на примере горшка с домашним растением алоэ. Показания до полива 101.0 кОм.

Показания после полива через 5 минут 12.65 кОм.

Но обычный тестер лишь покажет сопротивление участка почвы между электродами, но не сможет помочь в автополиве.

Принцип действия автоматики

В системах автополива обычно действует правило «поливай или не поливай». Как правило, никто не нуждается в регулировании силы напора воды. Это связано с использованием дорогостоящих управляемых клапанов и других, ненужных, технологически сложных, устройств.

Почти все предлагаемые на рынке датчики влажности, помимо двух электродов, имеют в своей конструкции компаратор. Это простейший аналого-цифровой прибор, который преобразует входящий сигнал в цифровую форму. То есть при установленном уровне влажности вы получите на его выходе единицу или ноль (0 или 5 вольт). Этот сигнал и станет исходным для последующего исполнительного устройства.

Для автополива наиболее рациональным будет использование в качестве исполнительного устройства электромагнитного клапана. Он включается в разрыв трубы и может также использоваться в системах микро-капельного орошения. Включается подачей напряжения 12 В.

Для простых систем, работающих по принципу « датчик сработал — вода пошла», достаточно использование компаратора LM393. Микросхема представляет собой сдвоенный операционный усилитель с возможностью получения на выходе командного сигнала при регулируемом уровне входного. Чип имеет дополнительный аналоговый выход, который можно подключить к программируемому контроллеру или тестеру. Приблизительный советский аналог сдвоенного компаратора LM393 — микросхема 521СА3.

На рисунке представлено готовое реле влажности вместе с датчиком в китайском исполнении всего за 1$.

Ниже представлен усиленный вариант, с выходным током 10А при переменном напряжении до 250 В, за 3-4$.

Системы автоматизации полива

Если вас интересует полноценная систем автополива, то необходимо задуматься о приобретении программируемого контроллера. Если участок небольшой, то достаточно установить 3-4 датчика влажности для разных типов полива. Например, сад нуждается в меньшем поливе, малина любит влагу, а для бахчи достаточно воды из почвы, за исключением чрезмерно засушливых периодов.

На основании собственных наблюдений и измерений датчиков влажности можно приблизительно рассчитать экономичность и эффективность подачи воды на участках. Процессоры позволяют вносить сезонные корректировки, могут использовать показания измерителей влажности, учитывают выпадение осадков, время года.

Некоторые датчики влажности почвы оснащены интерфейсом RJ-45 для подключения к сети. Прошивка процессора позволяет настроить систему так, что она будет оповещать о необходимости полива через социальные сети или SMS-сообщением. Это удобно в тех случаях, когда невозможно подключить автоматизированную систему полива, например, для комнатных растений.

Для системы автоматизации полива удобно использовать контроллеры с аналоговыми и контактными входами, которые соединяют все датчики и передают их показания по единой шине к компьютеру, планшету или мобильному телефону. Управление исполнительными приборами происходит через WEB-интерфейс. Наиболее распространены универсальные контроллеры:

Это гибкие устройства, позволяющие точно настроить систему автополива и доверить ей полный контроль над садом и огородом.

Простая схема автоматизации полива

Простейшая система автоматизации полива состоит из датчика влажности и управляющего устройства. Можно изготовить датчик влажности почвы своими руками. Понадобится два гвоздя, резистор с сопротивлением 10 кОм и источник питания с выходным напряжением 5 В. Подойдет от мобильного телефона.

В качестве прибора, который выдаст команду к поливу можно использовать микросхему LM393. Можно приобрести готовый узел или собрать его самостоятельно, тогда понадобятся:

• резисторы 10 кОм – 2 шт;
• резисторы 1 кОм – 2 шт;
• резисторы 2 кОм – 3 шт;
• переменный резистор 51-100 кОм – 1 шт;
• светодиоды – 2 шт;
• диод любой, не мощный – 1 шт;
• транзистор, любой средней мощности PNP (например, КТ3107Г) – 1 шт;
• конденсаторы 0.1 мк – 2 шт;
• микросхема LM393 – 1 шт;
• реле с порогом срабатывания 4 В;
• монтажная плата.

Схема для сборки представлена ниже.

После сборки подключите модуль к блоку питания и датчику уровня влажности почвы. На выход компаратора LM393 подсоедините тестер. С помощью построечного резистора установите порог срабатывания. Со временем нужно будет его откорректировать, возможно, не один раз.

Принципиальная схема и распиновка компаратора LM393 представлена ниже.

Простейшая автоматизация готова. Достаточно подключить к замыкающим клеммам исполнительное устройство, например, электромагнитный клапан, включающий и отключающий подачу воды.

Исполнительные устройства автоматизации полива

Основным исполнительным устройством автоматизации полива является электронный клапан с регулировкой потока воды и без. Вторые дешевле, проще в обслуживании и управлении.

Хорошо зарекомендовали себя клапаны производства американской компании Hunter. Для разных целей используются клапаны c проходным диаметром 1, 1.5, и 2 дюйма с наружной или внутренней резьбой.

Существует множество управляемых кранов и других производителей.

Если на вашем участке случаются проблемы с подачей воды, приобретайте электромагнитные клапаны с датчиком потока. Это предотвратит выгорание соленоида при падении давления воды или прекращении водоснабжения.

Недостатки автоматических систем полива

Почва неоднородна и отличается по своему составу, поэтому один датчик влажности может показывать разные данные на соседних участках. Кроме того, некоторые участки затемняются деревьями и более влажные, чем те, которые расположены на солнечных местах. Также значительное влияние оказывает приближенность грунтовых вод, их уровень по отношению к горизонту.

Используя автоматизированную систему полива, следует учитывать ландшафт местности. Участок можно разбить на сектора. В каждом секторе установить один или более датчиков влажности и рассчитать для каждого собственный алгоритм работы. Это значительно усложнит систему и вряд ли удастся обойтись без контроллера, но впоследствии почти полностью избавит вас от траты времени на нелепое стояние со шлангом в руках под знойным солнцем. Почва будет наполняться влагой без вашего участия.

Построение эффективной системы автоматизированного полива не может основываться только на показаниях датчиков влажности почвы. Непременно следует дополнительно использовать температурные и световые сенсоры, учитывать физиологическую потребность в воде растений разных видов. Необходимо также учитывать сезонные изменения. Многие компании производящие комплексы автоматизации полива предлагают гибкое программное обеспечение для разных регионов, площадей и выращиваемых сельскохозяйственных культур.

Приобретая систему с датчиком влажности, не поддавайтесь на глупые маркетинговые слоганы: наши электроды покрыты золотом. Даже если это так, то вы лишь обогатите почву благородным металлом в процессе электролиза пластин и кошельки не очень честных бизнесменов.

Заключение

В данной статье рассказывалось о датчиках влажности почвы, которые являются основным контрольным элементом автоматического полива. А также был рассмотрен принцип действия системы автоматизации полива, которую можно приобрести в готовом виде или собрать самому. Простейшая система состоит из датчика влажности и управляющего устройства, схема сборки которой своими руками также была представлена в этой статье.

Видео по теме

Источник статьи: http://vashumnyidom.ru/komfort/uxod/datchik-vlazhnosti-pochvy.html

Датчики влажности почвы своими руками

Влажность почвы во многом определяет условия всхожести сельскохозяйственных культур. Количество воды, содержащейся в грунте, определяют специальные датчики влажности почвы. Они широко применяются в сельском хозяйстве, при орошении земель, ботаническом садоводстве (см. рис.1).

Устройство детекторов влажности грунта

Для измерения используется объёмный или гравиметрический принцип. Почва состоит из воды, воздуха, минералов, органических веществ, а иногда и льда.

Как компонент, вода составляет определённый процент от общего количества вещества. Чтобы напрямую измерить содержание воды в почве, можно рассчитать процентное отношение по массе (гравиметрическое содержание воды), сравнив количество воды как массы с общей массой всего остального. Однако, поскольку этот метод является трудоемким, большинство исследователей используют датчики влажности почвы. (см. рис. 2).

Наиболее простой по конструкции ёмкостной датчик влажности почвы оценивает диэлектрическую проницаемость окружающей среды, которая является функцией содержания воды в почве. В конструкцию такого устройства входят:

1. Детекторы объёма воды в грунте.
2. Контактные щупы.
3. Потенциометр.
4. Компаратор.
5. Источник питания — аккумуляторный блок.
6. Корпус.

Два электрода позволяют электрическому току проходить через почву и, в соответствии с фактическим значением сопротивления грунта, измеряют уровень его влажности. Третий контакт используется в качестве базы, устанавливающей значение критическое значение данного показателя. Когда воды больше, почва становится более электропроводной, следовательно, её сопротивление будет меньше. Сухая же почва снижает проводимость. Таким образом, выходное напряжение повышается вместе с увеличением уровня влажности почвы.

При объединении датчика влажности, контроллера и GSM-модема можно получить станцию мониторинга, которая не только измеряет необходимые параметры, но и отправляет результаты на сервер или с помощью СМС на телефон — в случае отклонений от нормы или периодически по времени (в зависимости от настроек). Пример такой установки приведен на рис.2.

Измеритель влажности почвы быстро может быть получен с помощью платы Arduino, преобразователя напряжения и щупа FC-28. Для изготовления такого устройства потребуются навыки программирования, так как такой комплект потребует написания программы и прошивки платы (см. рис. 3).

Принцип функционирования прибора

Исходный сигнал передаётся через токопроводящие щупы и усиливается. Потенциометр преобразует значение напряжения в диэлектрическую проницаемость, и усредняет полученные значения по длине щупов. Обычно детекторы имеют зону воздействия длиной 20…40 мм относительно нижней поверхности корпуса. С увеличением длины чувствительность (особенно на крайних участках) возрастает. Для обеспечения необходимой точности измерений датчики подвергают предварительной калибровке.

Датчик влажности почвы позволяет оценивать потери влаги с течением времени из-за её испарения и жизнедеятельности растений. Прибором можно контролировать содержание влаги в почве, управляя орошением в теплицах и других закрытых помещениях (см. рис. 4).

• Рабочее напряжение: 2…5 В;
• Рабочий ток: 20…40 мА;
• Тип интерфейса: аналоговый или цифровой;
• Рабочая температура использования: 10°C … 30°C.

Для работы цифрового детектора его перед применением потребуется оснастить необходимым программным обеспечением.

Порядок применения

В большинстве современных конструкций датчиков предусматриваются и аналоговый, и цифровой выводы, которые следует подключить к щупам. Если выход – аналоговый, то на приборной панели будет указано значение влажности в процентах или относительных единицах. Если вывод – цифровой, то фактическое значение будет соотнесено с заданным. Если оно больше фактического, то на индикаторе высвечивается «1», а, если меньше – то «0».

Для цифровой техники важно установить необходимое программное обеспечение. Программа генерирует значение влажности в качестве выходного сигнала. Для калибровки используют различные типы почвы (минимум две — влажную и сухую), устанавливают требуемые границы влажности, после чего вставляют датчик в почву (см. рис. 5). Для приборов комбинированного типа рекомендуется проводить измерения сначала в аналоговом режиме, а затем в цифровом.

В зависимости от способа измерения щупы подключаются следующим образом:

• К источнику питания;
• К аналоговому выходу;
• К цифровому выходу;
• К заземлению.

Управляющий модуль, в который входит потенциометр, устанавливает пороговое значение, оно потом будет сравниваться компаратором. При достижении порогового значения влажности загорается выходной светодиод. Пользователь может устанавливать различные диапазоны значений влажности.

Как выбрать типоразмер детектора влаги

Прежде всего, устанавливают, какие из нижеследующих характеристик требуется получить:

• Объемное содержание воды в грунте.
• Водный потенциал почвы.
• Кривые выделения влаги.

Для выбора датчика важно верно принять тип почвы и её текстуру. Кроме того, точность показаний устройства ограничивается определённой площадью участка. Например, применительно к датчику влажности почвы для комнатных растений этот показатель несущественен, в то же время фермеру или агроному он весьма важен. Первичные сведения о типе грунта включают степень его засолённости (не более 10 дСм/м) и текстуру — форму и размеры составляющих его частиц, наличие слоёв, трещин и т.п. Точность работы возрастает, если прибор характеризуется минимальной чувствительностью к солям.

Тестирование детектора производят в следующей последовательности:

1. Включают влагомер.
2. Настраивают его на тот тип грунта, который предполагается исследовать на влажность.
3. Щупы вставляют в грунт на рекомендуемую глубину перпендикулярно поверхности до упора нижней плоскости корпуса в почву.
4. Снимают показания дисплея и сравнивают значения с эталонными для данных условий измерения.
5. Повторяют замер для участков почвы, которые располагаются на расстоянии 1,0…1,5 м. Разброс данных не должен превышать 0,5 %. Для неоднородных грунтов расстояния между точками замеров следует уменьшать.

Если грунт – сухой, то для улучшения ввода щупов почву допускается использовать деревянный молоточек, но при этом удары не должны восприниматься корпусом прибора.

Бесконтактные влагомеры: особенности применения

Такие измерители используют для работы электромагнитные колебания. Чувствительные элементы располагаются на задней панели прибора, поэтому для применения эту панель необходимо разместить параллельно поверхности грунта на расстоянии 3…5 мм от неё. Интенсивность создающегося при этом электромагнитного поля пропорционально удельной электропроводности среды, которая, в свою очередь, зависит от её влажности.

Преимущества такого рода измерительной техники заключаются в том, что глубина проникновения электромагнитных воле не зависит от плотности ввода щупов почву, а зона измерения не носит точечного характера (см. рис. 6). За одно измерение влажность определяется для участка объёмом до 100 см3, поэтому потребное количество замеров снижается. Поскольку следов от применения бесконтактного влагомера не остаётся, он может использоваться для определения влажности грунта контролирующей организацией.

Как самостоятельно изготовить датчик влажности

Датчик влажности почвы своими руками может стать экономичной альтернативой аналогичным гаджетам, доступным на рынке.

Его можно собрать из металлических зондов, которые вставляются в блок из гипса. Сопротивление между этими материалами даст уровни влажности, которые будут считываться с помощью аналогового измерительного прибора. Процесс изготовления устройства несложен:

1. В качестве зондов-штырей используются металлические гвозди, вставляемые в соломинки. Верхний конец следует скрепить клеем. Глубина свободного конца должна быть не менее 15 мм.
2. Для изготовления формы разводят гипсовую штукатурку, и при помощи отвёртки вставляют штыри в гипс. При этом рекомендуется слегка простучать по соломинкам, чтобы удалить оттуда воздух.
3. Краем отвёртки на торце штырей выполняется конус, после чего конструкции дают полностью высохнуть (это занимает не менее суток).
4. Форма прикрепляется к любой плоской поверхности, а лишняя часть соломинок обрезается. Ваш детектор влажности готов к тестированию.
5. Для проверки к выступающим гвоздям подключаются провода любого аналогового измерительного устройства. Это даст показания, которые будут стандартными для устройства в сухом состоянии.
6. Вставляют датчик влажности в почву так, чтобы полностью погрузить его верхнюю часть в почву. Разность показаний даст сравнительную оценку относительной влажности грунта.

Все работы необходимо производить в тонких резиновых перчатках (так как кожа человека проводит электричество). Это исключает влияние посторонних факторов на итоговый результат.

Видео по теме

Источник статьи: http://osensorax.ru/klimat/datchik-vlazhnosti-pochvy