मिट्टी की सतह के ऊपरी 5 मिमी के तापमान और पानी की मात्रा को सही मापने से जैविक, रासायनिक और भौतिक प्रक्रियाओं पर पर्यावरणीय नियंत्रण की हमारी समझ में सुधार हो सकता है। यहां हम मिट्टी की सतह के तापमान और नमी सेंसर के साथ विनिर्माण, अंशांकन और माप के संचालन के लिए एक प्रोटोकॉल का वर्णन करते हैं।
मिट्टी की सतह पर तापमान और नमी का परिमाणीकरण यह समझने के लिए आवश्यक है कि मिट्टी की सतह बायोटा पर्यावरण में परिवर्तन का जवाब कैसे देती है। हालांकि, मिट्टी की सतह पर ये चर अत्यधिक गतिशील होते हैं और मानक सेंसर स्पष्ट रूप से मिट्टी प्रोफ़ाइल के ऊपरी कुछ मिलीमीटर में तापमान या नमी को मापते नहीं हैं। यह पेपर सरल, सस्ती सेंसर ों के निर्माण के तरीकों का वर्णन करता है जो मिट्टी की सतह के ऊपरी 5 मिमी के तापमान और नमी को एक साथ मापते हैं। सेंसर निर्माण के अलावा, गुणवत्ता नियंत्रण के लिए कदम, साथ ही विभिन्न सब्सट्रेट्स के लिए अंशांकन के लिए, समझाया जाता है। सेंसर 5 मिमी की गहराई में सेंसर के अंत में दो सोने चढ़ाया धातु जांच के बीच प्रतिरोध को मापने के द्वारा तापमान को मापने और मिट्टी की नमी का आकलन करने के लिए एक प्रकार ई थर्मोकपल को शामिल करते हैं । यहां प्रस्तुत तरीकों को विभिन्न गहराई या सब्सट्रेट्स के लिए जांच को अनुकूलित करने के लिए बदला जा सकता है। इन सेंसरों के वातावरण की एक किस्म में प्रभावी रहा है और उष्णकटिबंधीय जंगलों में भारी बारिश के महीनों सहा है और साथ ही पश्चिमी अमेरिका के परिणामों के रेगिस्तान में तीव्र सौर विकिरण मूल्यांकन के लिए इन सेंसरों की प्रभावशीलता का प्रदर्शन वैश्विक परिवर्तन प्रयोग में मिट्टी की सतह को गर्म करना, सुखाना और ठंड।
पर्यावरण सेंसर पारिस्थितिकी तंत्र की गतिशीलता का आकलन करने, निगरानी करने और समझने के लिए महत्वपूर्ण उपकरण हैं। तापमान और नमी मिट्टी में जैविक प्रक्रियाओं के मौलिक चालक हैं और मिट्टी के जीवों की गतिविधि और सामुदायिक संरचना को प्रभावितकरतेहैं 1,2. इसके अतिरिक्त, तापमान और नमी अंकुर उद्भव और कूड़े अपघटनदर3,4,5के समय को प्रभावित करने के लिए दिखाया गया है । शुष्क भूमि पारिस्थितिकी प्रणालियों में, संवहनी पौधों द्वारा कवर नहीं की गई मिट्टी की सतहों को अक्सर काई, लाइकेन और साइनोबैक्टीरिया के समुदायों के साथ सबसे ऊपर किया जाता है, जिसे जैविक मिट्टी की पपड़ी (बायोक्रस्ट)(चित्रा 1)के रूप में जाना जाता है। ये समुदाय मिट्टी की सतह पर मौजूद हैं और मिट्टी6में कुछ मिलीमीटर से अधिक गहरे प्रवेश करते हैं । जैविक मिट्टी की पपड़ी मिट्टी स्थिरीकरण, पानी की घुसपैठ और वाष्पीकरण दरों, एल्बेडो, तापमान, पोषक तत्वों की साइकिल चालन, और मिट्टी के वायुमंडल सीओ2 एक्सचेंज7,8,9को दृढ़ता से प्रभावित कर सकती है। बदले में, कुछ प्रणालियों के लिए इन सतह समुदायों की गतिविधि समग्र मिट्टी विशेषताओं और विभिन्न प्रक्रियाओं की दरों10पर हावी हो सकती है। उथले गहराई पर स्पष्ट रूप से माप केंद्रित करने वाले सेंसर हमें आगे यह समझने में मदद कर सकते हैं कि सर्फीशियल तापमान और नमी बीज अंकुरण, अपघटन दरों और मिट्टी की सतह बायोटा की प्रतिक्रियाओं के साथ-साथ कई अन्य पारिस्थितिकी तंत्र कार्यों को कैसे प्रभावित करती है।
मृदा संवेदक प्रौद्योगिकी में हाल की घटनाओं ने मिट्टी की सतह11,12पर जैविक प्रक्रियाओं को समझने के लिए स्थानिक रूप से स्पष्ट मापन का महत्व दर्शाया है । मिट्टी की नमी का विश्लेषण करने के लिए पारंपरिक तरीके मिट्टी की सतह के नीचे रखे सेंसर को शामिल करते हैं और अक्सर गहराई में माप को एकीकृत करते हैं। इन जांचों द्वारा दर्ज की गई मिट्टी की नमी मिट्टी के जीवों पर पर्यावरणीय नियंत्रण की हमारी समझ को सूचित करने में मदद कर सकती है, लेकिन संभावना है कि मिट्टी की सतह पर होने वाली कई बारीकियों को याद करें । मिट्टी के शीर्ष कुछ मिलीमीटर की पानी की सामग्री को स्पष्ट रूप से मापने के लिए, वेबर एट अल. हाल ही में बायोक्रस्ट गीलापन जांच (बीडब्ल्यूपी) विकसित किया गया है जो मिट्टी की सतह की विद्युत चालकता के माध्यम से मिट्टी की नमी को 3 मिमी11की गहराई तक निर्धारित करता है। 0 से 5 सेमी एकीकृत नमी जांच के साथ संयोजन के रूप में वेबर के सेंसर का उपयोग करना, टकर एट अल नमी सेंसर के महत्व का प्रदर्शन किया है कि मिट्टी की सतह के शीर्ष कुछ मिलीमीटर पर ध्यान केंद्रित । विशेष रूप से, छोटी वर्षा की घटनाएं, जो बायोक्रस्ट समुदायों की गतिविधि के लिए अत्यधिक प्रासंगिक थीं, ने 0-50 मिमी (यानी, 5 सेमी) एकीकृत जांच के लिए पंजीकरण नहीं किया और केवल बीडब्ल्यूपीएस12द्वारा पता लगाया गया। मिट्टी के शीर्ष कुछ मिलीमीटर पर केंद्रित सेंसर नमी की घटनाओं को मापने के लिए आवश्यक हैं जो सतह के पिछले घुसपैठ करने के लिए पर्याप्त नहीं हैं, लेकिन सतह पर बायोटा से प्रतिक्रियाओं को प्रेरित करने के लिए पर्याप्त हैं।
मिट्टी की सतह का तापमान शारीरिक प्रक्रियाओं को चलाने वाला एक और महत्वपूर्ण पर्यावरणीय कारक है। दैनिक मिट्टी की सतह का तापमान अत्यधिक परिवर्तनीय हो सकता है, विशेष रूप से पौधे के इंटरस्पेस में जहां अनशड मिट्टी की सतह बड़ी मात्रा में सौर विकिरण के संपर्क में आती है। इसके अलावा, मिट्टी की सतह पर तापमान मिट्टी की सतह पर मिट्टी प्रोफ़ाइल13 या हवा14में गहरे से अधिक परिवर्तनशील है। उदाहरण के लिए, टकर एट अल ने केवल 24 घंटे से अधिक होने वाली लगभग 60 डिग्री सेल्सियस (13-72 डिग्री सेल्सियस) की अधिकतम दैनिक मिट्टी की सतह की तापमान सीमा दिखाई। इन तापमानों को मिट्टी की सतह में 3 मिमी डाले गए थर्मोकपल का उपयोग करके मापा गया था। इस बीच, पास के तापमान की जांच ५० मिमी गहरी एक ही दिन12के दौरान केवल 30 डिग्री सेल्सियस (22-52 डिग्री सेल्सियस) की एक सीमा मापा । मिट्टी की सतह पर स्पष्ट रूप से तापमान को मापने वाले थर्मोकपल ने 50 मिमी गहराई में सेंसर की तुलना में बहुत अधिक भिन्नता दिखाई, क्योंकि सतह की मिट्टी रात में 10 डिग्री सेल्सियस ठंडी थी और 50 मिमी गहरे मूल्यों के सापेक्ष दिन की गर्मी के दौरान 20 डिग्री सेल्सियस गर्म थी।
तापमान शारीरिक प्रक्रियाओं पर एक महत्वपूर्ण नियंत्रण का प्रतिनिधित्व करता है। उदाहरण के लिए, प्रयोगशाला की स्थितियों में लगातार मिट्टी की नमी पर, अधिकांश पारिस्थितिकी प्रणालियों में तापमान में वृद्धि के साथ मिट्टी से सीओ2 नुकसान नाटकीय रूप से बढ़ता है2,15,16। इसी तरह, क्षेत्र जलवायु हेरफेर अध्ययन है कि नियंत्रण के सापेक्ष साजिश तापमान बढ़ाने का लक्ष्य से डेटा से पता चला है कि गरम मिट्टी पास के गरम मिट्टी की तुलना में अधिक सीओ2 जारी (उपचार के पहले वर्षों में17,18)और है कि biocrusted मिट्टीवार्मिंग 7,9के लिए एक समान प्रतिक्रिया दिखाते हैं । तापमान और नमी दोनों को महत्वपूर्ण पर्यावरणीय चर और सेंसर के रूप में प्रदर्शित किया गया है जो मिट्टी की सतह जलवायु परिस्थितियों को सही ढंग से कैप्चर कर सकते हैं , यह स्पष्ट कर सकते हैं कि वे मिट्टी की सतह11,12पर जीवों की शारीरिक प्रक्रियाओं को कैसे प्रभावित करते हैं ।
यह पेपर मिट्टी की सतह के नीचे 5 मिमी गहराई तक तापमान और नमी दोनों को मापने के लिए डिज़ाइन किए गए सेंसर प्रस्तुत करता है, यह आकलन करने में महत्वपूर्ण शक्ति प्रदान करता है कि ये चर सर्फिकियल बायोटा से जैविक प्रतिक्रियाओं के साथ कैसे बातचीत करते हैं और ड्राइव करते हैं। टाइप ई थर्मोकपल दो धातुओं (क्रोमल और कॉन्स्टैंटिन) से बना होता है, और धातुओं में तापमान परिवर्तन विभिन्न वोल्टेज बनाते हैं जो डेटा लॉगर द्वारा दर्ज किए जाते हैं। मिट्टी नमी सेंसर दो सोने चढ़ाया धातु शूल के बीच प्रतिरोध उपाय । प्रतिरोध मिट्टी के पानी की सामग्री से प्रभावित होता है, क्योंकि अधिक पानी आचरण को बढ़ाता है और इस प्रकार शूल के बीच प्रतिरोध कम हो जाता है। वेबर एट अल11के डिजाइन के बाद, ये सेंसर मिट्टी की नमी को 5 मिमी की गहराई तक मापते हैं और इसके अतिरिक्त एक ही जांच पर तापमान को मापने के लिए एक थर्मोकपल शामिल करते हैं। ये सेंसर एक परिष्कृत दृश्य की अनुमति देते हैं कि एक ही जांच का उपयोग करके मिट्टी की सतह पर संगीत कार्यक्रम में तापमान और नमी की गतिशीलता कैसे भिन्न होती है। ये जांच यह पता लगाने के लिए असंख्य अवसर प्रदान करती हैं कि सतह पर रहने वाले जीव अपने पर्यावरण में परिवर्तन का जवाब कैसे देते हैं । इन सेंसरों का एक अतिरिक्त लाभ यह है कि वे अपेक्षाकृत सरल और बनाने और जांचना करने के लिए सस्ती हैं, और शोधकर्ताओं को आसानी से उनके उपयोग को अपनाने में सक्षम हो जाएगा ।
निम्नलिखित प्रोटोकॉल सेंसर के निर्माण के लिए सामग्री और तरीकों का विस्तार से वर्णन करता है, जिसमें सेंसर को डेटा संग्रह करने वालों से जोड़ने की रूपरेखा शामिल है। इन सेंसरों का उपयोग व्यावसायिक रूप से उपलब्ध संग्रह करने वालों का किया जाता है, लेकिन किसी भी डेटा लॉगर का उपयोग किया जा सकता है जो मल्टीप्लेक्सर से जुड़ा हो सकता है। सेंसर को ब्याज के सब्सट्रेट्स तक अंशांकन करने के तरीके भी बताए गए हैं ।
मिट्टी की सतह के तापमान और नमी जांच मिट्टी की सतह पर तापमान और पानी की सामग्री का विश्लेषण करने के लिए प्रभावी उपकरण हो सकते हैं। वेबर एट अल द्वारा विकसित बायोक्रस्ट वेटनेस प्रोब्स (बीडब्ल्यूपी) को छोड़कर11,सामान्य मिट्टी का तापमान और नमी सेंसर मिट्टी की सतह के शीर्ष कुछ मिलीमीटर पर इन पर्यावरणीय चरों को स्पष्ट रूप से मापते नहीं हैं। विकास के समय, बीडब्ल्यूपी ने केवल सतह पर मिट्टी की नमी का अनुमान लगाया था न कि तापमान20। एक गाइड के रूप में उपयोग किए जाने वाले मूल बीडब्ल्यूपी डिजाइन के साथ, इस पांडुलिपि में वर्णित जांच को एक साथ तापमान और नमी को मापने के लिए विकसित किया गया था ताकि यह आकलन किया जा सके कि ये पर्यावरणीय चर एक दूसरे के साथ कैसे बातचीत करते हैं, साथ ही मिट्टी की सतह पर जैविक, रासायनिक और भौतिक प्रक्रियाओं के साथ।
इन जांचों का इष्टतम संचालन सुनिश्चित करने के लिए कई विचार हैं । सेंसर का निर्माण करते समय, आंतरिक म्यानों के माध्यम से कटौती न करने और अंतर्निहित धातु तारों को बेनकाब करने का ध्यान रखना महत्वपूर्ण है। इससे तारों के बीच आचरण और क्रॉसटॉक में भिन्नता हो सकती है। यह भी एक ही वातावरण में प्रत्येक जांच के लिए थर्मोजोड़ और प्रतिरोधकता सेंसर दोनों का परीक्षण करने के लिए महत्वपूर्ण है, पुष्टि करने के लिए कि वे ठीक से निर्माण कर रहे है और रीडिंग में बदलाव मिट्टी सब्सट्रेट में भौतिक और रासायनिक मतभेदों के कारण कर रहे है मापा. अंशांकन प्रक्रिया के दौरान, मिट्टी या बायोक्रस्ट सब्सट्रेट्स में भिन्नता के लिए प्रतिरोध और जीडब्ल्यूसी कैलिब्रेशन की एक बड़ी पर्याप्त नमूना संख्या ठीक से खाते में महत्वपूर्ण है। इसके अलावा, गीले से सूखे तक एक ही जांच और सब्सट्रेट संयोजन का परीक्षण करना सबसे अच्छा है, क्योंकि इलेक्ट्रोलिसिस या जंग के कारण समय के साथ इन जांचों के लिए ‘बहाव’ होना आम बात है। इसके अतिरिक्त, अंशांकन के दौरान उथले सब्सट्रेट नमूनों का उपयोग करना महत्वपूर्ण है जो जांच की लंबाई (यानी 6 और 7 मिमी के बीच) को समायोजित करने के लिए पर्याप्त हैं, ताकि मापा गया पानी का वजन मुख्य रूप से आचरण माप के क्षेत्र में पानी से हो (जांच के बीच और चारों ओर)। यह सुनिश्चित करता है कि मिट्टी में जल द्रव्यमान में परिवर्तन सीधे जांच के प्रतिरोध माप में परिवर्तन से संबंधित हैं। अंत में, जब क्षेत्र में इन जांच की तैनाती, यह ठीक से मिट्टी की सतह के लिए जांच सुरक्षित करने के लिए महत्वपूर्ण है (उदाहरण के लिए, nonconductive बगीचे दांव के साथ), जो आचरण माप में हस्तक्षेप को सीमित करेगा, लेकिन यह सुनिश्चित कर सकते है सेंसर स्थिति शिफ्ट नहीं है और दीर्घकालिक माप की गुणवत्ता को कम करें।
इन सेंसरों की कुछ सीमाओं पर ध्यान देना भी महत्वपूर्ण है। क्योंकि प्रतिरोधकता जांच केवल 5 मिमी लंबी होती है, इसलिए उनके माप दृढ़ता से सब्सट्रेट्स में बड़ी हवा से भरे पोर रिक्त स्थान से प्रभावित हो सकते हैं। जांच के साथ बड़े हवा के अंतराल सब्सट्रेट की कनेक्टिविटी को कम करते हैं और आम तौर पर मापा गया चालकता कम हो जाती है और इसलिए अनुमानित जल सामग्री कम होती है, जो बड़े पैमाने पर वास्तविक मिट्टी की नमी को प्रतिबिंबित नहीं कर सकती है। इसी तरह मिट्टी की रासायनिक संरचना मिट्टी की नमी रीडिंग को प्रभावित कर सकती है। अधिक लवणता से चालकता बढ़ेगी और सीमेंस मूल्य21से अधिक होगा . दोनों मुद्दों को उचित सब्सट्रेट-विशिष्ट अंशांकन के साथ हल किया जाना चाहिए । हालांकि, कुछ मिट्टी रासायनिक मतभेदों को बनाए रख सकती है या बड़े ताकना अंतरिक्ष वास्तुकला हो सकती है जो उन्हें इन सेंसरों के लिए खराब वातावरण बना सकती है। तापमान मिट्टी की विद्युत चालकता को भी प्रभावित करता है और इस प्रकार15पर विचार किया जाना चाहिए । भविष्य में, इन सेंसरों के साथ तापमान अंशांकन यह निर्धारित करने के लिए आयोजित किया जाना चाहिए कि तापमान मापा सब्सट्रेट्स के प्रतिरोध को कैसे बदलता है।
वेबर एट अल.11द्वारा विकसित बायोक्रस्ट वेटनेस प्रोब्स की तरह, ये सेंसर कैलिब्रेशन बताते हैं कि मध्यम पानी की सामग्री पर प्रतिरोध माप विश्वसनीय हैं, लेकिन वे बहुत अधिक और कम पानी की सामग्री(चित्र6)में कुछ असामान्यताओं का अनुभव करते हैं। इसके अलावा, ड्राई-डाउन कैलिब्रेशन के दौरान, प्रतिरोध मूल्य कभी-कभी शून्य पढ़ते हैं जब सब्सट्रेट नमूने में अभी भी कुछ पानी मौजूद था। यह अंशांकन कंटेनर में सब्सट्रेट की मात्रा सेंसर द्वारा मापा क्षेत्र से थोड़ा बड़ा होने के कारण हो सकता है। यदि प्रतिरोधकता क्षेत्र के बाहर पानी मौजूद था, तो सेंसर शून्य पढ़ेगा जबकि सब्सट्रेट में अभी भी नमी मौजूद थी। प्रतिरोध माप से समझौता किए बिना सब्सट्रेट आकार को कम करने के लिए देखभाल की गई थी। जैसे-जैसे पानी की मात्रा बढ़ती है, सब्सट्रेट के भीतर प्रतिरोध मान कम हो जाते हैं, जिससे सीमेंस आउटपुट अधिक होता है। हालांकि, उच्चतम पानी की सामग्री पर, पानी की मात्रा बढ़ाने के साथ प्रतिरोध मूल्यों में वृद्धि होती है। यह अंशांकन डेटा में एक “हुक” की ओर जाता है जैसा कि चित्रा 1सीमें देखा जाता है। यह हुक अंशांकन के लिए उपयोग किए जाने वाले प्रत्येक सब्सट्रेट में मौजूद था लेकिन ठीक रेत मिट्टी(चित्रा 6)में सबसे प्रमुख था। वेबर एट अल11 से पता चलता है कि उच्च पानी की मात्रा में असामान्य प्रतिरोध वृद्धि के लिए एक संभावित कारण यह है कि अतिरिक्त पानी संतृप्त मिट्टी में आयनों को पतला करता है, जिससे प्रतिरोध बढ़ जाता है ।
ये सेंसर वर्तमान में मौजूदा मल्टीप्लेक्सर और डेटा लॉगर प्रौद्योगिकियों का उपयोग करने पर निर्भर हैं। मल्टीप्लेक्सर सेंसर को “बंद” करने की अनुमति देता है और केवल एक प्रोग्राम किए गए समय पर सेंसर को एक वर्तमान भेजता है। यह मिट्टी नमी सेंसर टर्मिनलों को जीर्णशीर्ण होने से रोकता है। अन्य इलेक्ट्रॉनिक कंपनियां जांच के लिए डेटा लॉगर और मल्टीप्लेक्सर विकल्प प्रदान करती हैं, और प्रोग्रामेबल सर्किट बोर्ड और कंप्यूटर को मिट्टी के तापमान और नमी सेंसर के वायरलेस डिजाइन के लिए भी शामिल किया जा सकता है, जो एक का प्रतिनिधित्व कर सकता है रोमांचक अग्रिम।
डिजाइनिंग और निर्माण सेंसर शोधकर्ता को जांच को अनुकूलित करने की अनुमति देता है। विभिन्न माध्यमों में या विभिन्न गहराई पर नमी का बेहतर आकलन करने के लिए शूल की लंबाई और दिशा को हेरफेर किया जा सकता है। कस्टम वायरिंग एक ही केबल से निकलने वाले कई सेंसर हेड्स के साथ डिजाइन के लिए अनुमति देने का आदेश दिया जा सकता है। सस्ती डेटा लॉगिंग और मल्टीप्लेक्सर विकल्पों को जोड़ने के साथ, ये सेंसर शोधकर्ताओं के लिए मिट्टी की सतह पर तापमान और मिट्टी की नमी को मापने के लिए एक सस्ता और सुलभ विकल्प प्रदान करते हैं । इसमें ठंढ और ओस गठन(चित्रा 8)और वार्मिंग(चित्रा 7)जैसे प्रयोगात्मक उपचार प्रभावों जैसी घटनाओं को पकड़ने के लिए कड़ी मेहनत करना शामिल है। यह पेपर मिट्टी की सतह सेंसर के निर्माण के लिए एक कदम-दर-कदम गाइड प्रदान करता है जो साथ ही तापमान और नमी को मापता है, जिसका उपयोग बायोक्रस्ट समुदायों के पर्यावरण और कई अन्य मृदा प्रकारों की सर्फिकियल परतों का आकलन करने में रुचि रखने वाले किसी भी व्यक्ति द्वारा किया और परिष्कृत किया जा सकता है।
The authors have nothing to disclose.
हम अंशांकन के दौरान उसकी परिशुद्धता के लिए अपने सावधान चाप-वेल्डिंग और कारा लौरिया के लिए रॉबिन रीबोल्ड का शुक्रिया अदा करते हैं । हम इस पांडुलिपि के पिछले मसौदे पर उनकी सहायक टिप्पणियों के लिए डॉ स्टीव फिक और तीन गुमनाम समीक्षकों के आभारी हैं । इस काम को अमेरिकी भूवैज्ञानिक सर्वेक्षण भूमि परिवर्तन विज्ञान कार्यक्रम और विज्ञान के अमेरिकी ऊर्जा कार्यालय, जैविक और पर्यावरण अनुसंधान स्थलीय पारिस्थितिकी तंत्र विज्ञान कार्यक्रम के कार्यालय (पुरस्कार 89243018SSC000017 और DESC-0008168) द्वारा समर्थित किया गया था । BW के काम जर्मन रिसर्च फाउंडेशन (अनुदान WE2393/2-1, 2-2), मैक्स प्लैंक सोसायटी और Graz विश्वविद्यालय द्वारा समर्थित था । व्यापार, फर्म, या उत्पाद के नाम का कोई भी उपयोग वर्णनात्मक प्रयोजनों के लिए ही है और अमेरिकी सरकार द्वारा समर्थन का मतलब नहीं है ।
Single sensor audio cable | alliedelec.com | Allied Stock #: 70004848 | Cable; 1Pr; 22AWG; 7×30; TC; PP ins; Foil; Black PVC jkt; CMR |
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Thermocouple cable | Omega.com | Part #: TT-E-24-TWSH-SLE-(Desired length) | Type E, 24 ga, PFA (teflon coated), twisted shielded, special limits of error |
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16- or 32-Channel Relay Multiplexer | campbellsci.com | AM16/32B | This relay multiplexer is critical for the sensors to function correctly |
CR1000X Measurement and Control Datalogger | campbellsci.com | CR1000X |