Basit ve Ucuz Toprak Yüzey Sıcaklığı ve Gravimetrik Su İçerik Sensörleri İmalatı

Özet

Toprak yüzeyinin üst 5 mm'lik sıcaklığının ve su içeriğinin doğru bir şekilde ölçülmesi, biyolojik, kimyasal ve fiziksel süreçler üzerindeki çevresel kontroller hakkındaki anlayışımızı geliştirebilir. Burada toprak yüzey sıcaklığı ve nem sensörleri ile üretim, kalibrasyon ve ölçümler iletme için bir protokol açıklıyoruz.

Özet

Toprak yüzeyindeki sıcaklık ve nemi ölçmek, toprak yüzeyi biotasının çevredeki değişikliklere nasıl tepki verebildiğini anlamak için gereklidir. Ancak, toprak yüzeyinde bu değişkenler son derece dinamiktir ve standart sensörler toprak profilinin üst birkaç milimetresindeki sıcaklığı veya nemi açıkça ölçmez. Bu makalede, toprak yüzeyinin üst 5 mm'sinin sıcaklığını ve nemini aynı anda ölçen basit ve ucuz sensörler inüretim yöntemleri açıklanmaktadır. Sensör yapısına ek olarak, kalite kontrol ve çeşitli yüzeyleriçin kalibrasyon için adımlar açıklanmıştır. Sensörler, sensörün sonundaki iki altın kaplama metal prob arasındaki direnci 5 mm derinlikte ölçerek sıcaklığı ölçmek ve toprak nemini değerlendirmek için Bir E tipi termokupl içerir. Burada sunulan yöntemler, probları farklı derinlikler veya yüzeyler için özelleştirmek için değiştirilebilir. Bu sensörler çeşitli ortamlarda etkili olmuştur ve tropikal ormanlarda şiddetli yağmurlar ay yanı sıra güneybatı ABD Sonuçları çöllerde yoğun güneş radyasyonu bu sensörlerin etkinliğini değerlendirmek için göstermek dayanmış küresel bir değişim deneyinde toprak yüzeyinin ısınması, kuruması ve dondurulması.

Giriş

Çevre sensörleri ekosistem dinamiklerini değerlendirmek, izlemek ve anlamak için kritik araçlardır. Sıcaklık ve nem, topraklardaki biyolojik süreçlerin temel itici güçlerindir ve toprak organizmalarının aktivitesini ve topluluk kompozisyonunu etkiler^1,2. Ayrıca, sıcaklık ve nem fide ortaya çıkma ve çöp ayrışma oranları^3,4,5zamanlamasını etkilediği gösterilmiştir. Kurak arazi ekosistemlerinde, vasküler bitkilerle kaplanmayan toprak yüzeyleri genellikle biyolojik toprak kabuğu (biocrust) olarak bilinen yosun, liken ve siyanobakteri topluluklarıyla kaplıdır(Şekil 1). Bu topluluklar toprak yüzeyinde bulunur lar ve nadiren toprağa birkaç milimetreden daha derine nüfuz eder^6. Biyolojik toprak kabukları kuvvetle toprak stabilizasyonu etkileyebilir, su infiltrasyon ve buharlaşma oranları, albedo, sıcaklık, besin bisiklet, ve toprak atmosferi CO₂ değişimi^7,8,9. Buna karşılık, bazı sistemler için bu yüzey topluluklarının etkinliği genel toprak öznitelikleri ve çeşitli süreçlerin oranları hakim olabilir¹⁰. Ölçümleri açıkça sığ derinliklere odaklayan sensörler, sörf sıcaklığı ve neminin tohum çimlenme, ayrışma oranları ve toprak yüzeyi biotalarının yanı sıra diğer birçok ekosistem fonksiyonunu nasıl etkilediğini daha iyi anlamamıza yardımcı olabilir.

Toprak sensörü teknolojisindeki son gelişmeler, toprak yüzeyindeki biyolojik süreçlerin anlaşılması için mekansal olarak açık ölçümlerin önemini göstermiştir^11,12. Toprak nemini analiz etmek için kullanılan geleneksel yöntemler, toprak yüzeyinin altına yerleştirilen sensörleri bir leştirir ve genellikle ölçümleri derinlikler arasında entegre eder. Bu sondalar tarafından kaydedilen toprak nemi, toprak organizmaları üzerindeki çevresel kontroller hakkındaki anlayışımızı anlamamıza yardımcı olabilir, ancak büyük olasılıkla toprak yüzeyinde meydana gelen nüansların çoğunu kaçırabilir. Toprağın en üst birkaç milimetresundaki su içeriğini açıkça ölçmek için, Weber ve ark. toprak yüzeyinin elektriksel iletkenliği ile 3 mm¹¹derinliğe kadar toprak nemini belirleyen biyokabuk ıslaklık probları (BWP) geliştirmiştir. Tucker ve ark. 0 ila 5 cm entegre nem probları ile birlikte Weber sensörleri kullanarak toprak yüzeyinin üst birkaç milimetre odaklanmak nem sensörleri önemini gösterdi. Özellikle, biocrust toplulukların aktivitesi ile son derece alakalı olan küçük yağış olayları, 0-50 mm (yani, 5 cm) entegre problar için kayıt olmadı ve sadece BWPs¹²tarafından tespit edildi. Toprağın üst birkaç milimetre sine odaklanan sensörler, yüzeye sızacak kadar büyük olmayan ancak yüzeydeki biyotadan gelen tepkileri tetiklemek için yeterli olan nem olaylarını ölçmek için gereklidir.

Toprak yüzey sıcaklığı fizyolojik süreçleri yönlendiren bir diğer önemli çevresel faktördür. Diurnal toprak yüzey sıcaklıkları son derece değişken olabilir, özellikle gölgesiz toprak yüzeyinin büyük miktarlarda güneş radyasyonuna maruz kaldığı bitki araalanlarında. Ayrıca, sıcaklık toprak profili¹³ veya hava¹⁴daha derin daha toprak yüzeyinde daha değişkendir. Örneğin, Tucker ve ark. sadece 24 saat üzerinde meydana gelen yaklaşık 60 °C (13-72 °C) maksimum diurnal toprak yüzey sıcaklık aralığı gösterdi. Bu sıcaklıklar toprak yüzeyine 3 mm yerleştirilen termokupllar kullanılarak ölçüldü. Bu arada, yakındaki sıcaklık probları 50 mm derinliğinde sadece 30 °C (22-52 °C) aynı gün¹²bir aralık ölçülür. Toprak yüzeyindeki sıcaklığı açıkça ölçen termoçiftler, 50 mm derinlikteki sensörlerden çok daha yüksek bir varyasyon gösterdi, çünkü yüzey toprakları gece 10 °C daha soğuk, günün sıcağında ise 50 mm derinliğindeki değerlere göre 20 °C daha sıcaktı.

Sıcaklık fizyolojik süreçler üzerinde kritik bir kontrol temsil eder. Örneğin, laboratuvar koşullarında sabit toprak nemlerinde, çoğu ekosistemde artan sıcaklıklarla birlikte topraktan kaynaklanan CO₂ kayıpları önemli ölçüde artmaktadır^2,15,16. Benzer şekilde, kontrollere göre arazi sıcaklıkları artırmayı amaçlayan alan iklim manipülasyon çalışmaları verileri ısıtılmış topraklar yakındaki ısıtılmamış topraklara göre daha fazla CO₂ serbest göstermiştir (tedavilerin ilk yıllarında en azından^17,18) ve biyokabuklu topraklar ısınma benzer bir tepki göstermektedir^7,9. Hem sıcaklık hem de nem önemli çevresel değişkenler olduğu gösterilmiştir ve toprak yüzeyi iklim koşullarını doğru bir şekilde yakalayabilen sensörler, toprak yüzeyindeki organizmaların fizyolojik süreçlerini nasıl etkilediğini açıklayabilir^11,12.

Bu kağıt, hem sıcaklığı hem de nemi toprak yüzeyinin 5 mm derinliğinde ölçmek için tasarlanmış sensörler sunarak, bu değişkenlerin sörf biyotalarından gelen biyolojik tepkileri nasıl etkileyip yönlendirdiğini değerlendirmede önemli bir güç sunar. E tipi termokupl iki metalden (krom ve constantan) oluşur ve metallerdeki sıcaklık değişimleri bir veri kaydedici tarafından kaydedilen farklı voltajlar oluşturur. Toprak nem sensörü iki altın kaplama metal uçlu arasındaki direnci ölçer. Daha fazla su iletkenliği artırır ve böylece prongs arasındaki direnci azaltır, çünkü direnç, toprak su içeriği etkilenir. Weber ve ark.^11'intasarımını takiben, bu sensörler toprak nemini 5 mm derinliğe kadar ölçer ve aynı probüzerindeki sıcaklığı ölçmek için bir termokupl içerir. Bu sensörler, tek bir sonda kullanarak sıcaklık ve nem dinamiğinin toprak yüzeyinde nasıl değiştiğini niçin gözden çıkarabilirsiniz. Bu sondalar, yüzeyde yaşayan organizmaların çevrelerindeki değişikliklere nasıl tepki verdiklerine dair sayısız fırsat sunar. Bu sensörlerin bir diğer yararı da, bunların nispeten basit ve ucuz olması ve kalibre edilmesidir ve araştırmacılar kullanımlarını kolayca benimseyebileceklerdir.

Aşağıdaki protokol, sensörleri veri kaydedicilere bağlamak için bir anahat da dahil olmak üzere sensörleri oluşturmak için gerekli malzeme ve yöntemleri ayrıntılı olarak açıklar. Bu sensörler ticari olarak kullanılabilir loggers kullanılan, ancak bir çoklayıcı eklenebilir herhangi bir veri kaydedici kullanılabilir. Sensörleri ilgi nin substratlarına göre ayarlama yöntemleri de açıklanmıştır.

Protokol

1. Üretim sensörleri

1. Uygun kablo uzunluklarını kesin.
   1. Veri kaydedici konumundan istenilen sensör yerleşimine maksimum mesafeyi belirleyin. Kablodaki bükümler, engeller ve veri kaydediciye ek için gereken ek kablo uzunluğunu hesaba katın.
   2. Tüm termokupl ve toprak nem kablolarını istenilen maksimum uzunlukta kesin. Kablo uzunluğundaki farklılıklar sensörler arasında değişken dirençlere yol açabilir. Bu sorun, tüm sensör kablo uzunluklarını aynı tutarak önlenebilir.
2. Termokupl kablosunu hazırlayın.
   1. Kablo ceketini kablonun ucundan 4−5 cm çıkar.
   2. Yeni maruz kalan küçük çaplı kılıfları tellerin ucundan 5 mm sıyırın.
   3. Yay, tellerin maruz kalan uçlarını birbirine bağlayın ve ayrı olmadığından emin olmak için tellere hafifçe çekerek yeni kaynağın gücünü test edin.
      DİkKAT: Ark kaynağı nda oluşan radyasyondan korunmak için bir kaynak kaskı veya yüz kalkanı kullanılmalıdır. Olası şoku önlemek için çalışma ortamındaki her şeyi kuru tutun. Dumanı veya gazları nefes alanDan uzak tutmak için iyi havalandırılan bir alanda çalışın.
   4. Açıkta kalan telleri korumak için termokupl kablosunun ark kaynaklı uçlarını sıvı elektrik bandına batırın. Sıvı elektrik bandı tellerin maruz kalan metalini ve küçük çaplı tel kılıfların en az 3 mm'sini kaplamalıdır.
      DİkKAT: Sıvı elektrik bandı solunum yollarını tahriş edebilir yanıcı buharları vardır. Açık alevleruzak iyi havalandırılan bir alanda kullanın. Bu tahrişe neden olabilir gibi, gözlere ve cilde doğrudan maruz kaçının.
   5. Sıvı elektrik bandının yaklaşık 4 saat veya üretici tarafından yönlendirilen şekilde kurumasını bekleyin.
   6. Küçük çaplı kılıflarda sıvı elektrik bandı ve termokupl kablo ceketinin en az 1 cm 'sini (yaklaşık 6 cm uzunluğunda) kapatacak kadar uzun olan 0,13'lük (~3,3 mm) nem-sızdırmazısı küçültme borusu kesin. Kabloları ısı küçültme tüpüne takın ve tüpü kablo ceketinin üzerine geri taşıyın. Isıyı daha sonraki bir adıma (Adım 1.5.3) kadar uygulamak için bekleyin.
3. Toprak nem kablosunu hazırlayın.
   1. Kablo ceketini kablonun ucundan 5 cm çıkar.
   2. Zemin teli (kılıf sızma) kablo ceketinde kesin, böylece ceketin ötesine maruz kalır.
   3. Toprak nem tellerinin uçlarından iç küçük çaplı kılıfların 1 cm'sini sıyırın.
   4. Küçük iplikçikleri birleştirmek için her telin açığa çıkan metalini bükün.
   5. Her tel ucunda maruz metal lehim uygulayarak küçük bükülmüş iplikçikler.
      DİkKAT: Lehimleme için gerekli olan aşırı sıcak aletler insa edilmesine dikkat edilmelidir. İyi havalandırılan alanlarda lehim ve uygun göz ve cilt koruması giymek.
   6. Kablo ceketinin soyulmuş kabloların sonuna kadar olan mesafeden 1 cm daha uzun olan 0,38'lik (~10 mm) ısı küçültme borusu kesin. Bu tüpü her iki telin üzerine yerleştirin ve daha sonraki bir adımda yerine sabitlemek için kablo ceketinin üzerine geri kaydırın.
   7. 0,13 (~3,3 mm) nem-mühür ısı küçültme borusu iki 1,5 cm adet kesin ve her tel üzerine bir tane yerleştirin. Teli iki uçlu soket şeridine lehimlemeden ısıtmayın.
   8. İki uçlu soket şeridinin uçlarına lehim akısı uygulayın.
   9. Lehim iki uçlu soket şerit sonuna telin renkli uçları. Dokunmamak için iki ucunu ayrı tutmaya dikkat edin.
   10. 0,13'lük iki parçayı (~3,3 mm) nem-sızdırmazlık borusu iki uçlu soket şeridinin tabanına taşıyın, böylece tüm metal parçalar kaplanır. Isı küçültme tüpleri uymak için ısı tabancası kullanın, aşırı ısınmamak ve tüpleraltında lehim eritmek için dikkat.
   11. 0,38 inç (~10 mm) nem-sızdırmazlık ısı küçültme tüpünü iki uçlu soket şeridinin ucundan 1 mm'ye taşıyın, böylece soket şeridini, küçük çaplı telleri ve kablo ceketinin bir kısmını kaplayın. Yerinde bu ısı küçültme tüp düzeltmek için ısı tabancası kullanın.
4. Sensör kafası için terminal şeridini değiştirin.
   1. Sekiz uçlu terminal şeridini değiştirmek için, üst uçların görünümden kıvrılması için şeridi yönlendirin. Siyah plastik temas şeridinin hemen altında soldan ikinci, dördüncü ve yedinci uçları kesmek için tel parçacıkları kullanın(Şekil 2).
   2. Siyah plastik temas şeridinin 5 mm altında ölçün ve 5 mm.'de soldan üçüncü, beşinci ve altıncı uçları işaretleyin. Bu uzunluk farklı araştırma sorularına uyacak şekilde değiştirilebilir.
5. Sensör kafasını birleştirin.
   1. 0,5 (~13 mm) nem-mühür ısı küçültme boru iki 1 cm adet kesin ve termokupl ve toprak nem kabloları her biri üzerinde bir slayt.
   2. Termokupl kablolarının ark kaynaklı ucunu, termometrenin ucunun kırpılmış çıkıntının ucuyla yönlendirilen üçüncü kırpılmış çıkıntının üst kısmından hareket ettirin. Telleri bükün, böylece prong'un üst eğrisini takip edin.
   3. 0,13 inç (~3,3 mm) nem-sızdırmazısı küçültme tüpünü (adım 1,2,6'dan) prong'un ve termokupl tellerin kavisli kısmının üzerine doğru kaydırın. Isı küçültme tüpü de termokupl kablo ceket parçası kapsayan olup olmadığını kontrol edin ve yerine ısı küçültme tüpü yapıştırmak için bir ısı tabancası kullanın. Onu sabitlemek için parmakları ile kavisli prong üzerinde ısı küçültme tüpü parçası sıkın.
   4. 5 ve 6 uçlu üst eğimli uçları iki uçlu soket şeridine takın(Şekil 2).
   5. Üstteki 0,5 inç (~13 mm) nem-sızdırmazlık ısı küçültme tüpünü sensör kafasına doğru hareket ettirin, böylece kafadan yaklaşık 1 cm konumlandırılır. Soket şeridini 5 ve 6 prongs'a ve 3 uçlu termokupl tele sıkıca bağlı tutmaya özen takınarak, yerine yapışması için bir ısı tabancası kullanın.
   6. Diğer 0,5 inç (~13 mm) nem-sızdırmazlık ısı küçültme borusunun önceki ısı küçültme borusunun birkaç santimetre gerisinde kalan bir ısı tabancası kullanın.
   7. Termokupl telin in her tarafına sıvı elektrik bandı uygulayın ve 3.
   8. Soket şerit bağlantısının tüm kenarlarına sıvı elektrik bandı uygulayArak tüm açıkta kalan metallerin kapalı olmasını sağlar. Ancak, bu bağlantıyla ilişkili 5 mm kırpılmış uçları kapamayın(Şekil 3).

2. Sensörleri veri kaydediciye ve çoklayıcıya bağlama

NOT: Bu sensörler bir veri kaydedicibağlı bir multiplexer ile kullanılmalıdır. Bu protokoldeki tüm adımlar, Malzemeler Tablosu'nda listelenen veri kaydedicisi ve çoklayıcıyla birlikte kullanım içindir (diğer veri kaydediciler de çalışır). Her ölçüm anında, veri kaydedici, sırayla bir röle görevi görür ve akımın direnç sensörüne akmasını sağlayan çoklayıcıya iletişimi açar.

1. Ses kablolarını kullanarak çoklayıcıyı veri kaydedicisine bağlayın. Veri kaydedicisindeki COM bağlantı noktasını multiplexer'daki RES bağlantı noktasına bağlayın. Veri kaydedicisindeki ayrı COM bağlantı noktasını multiplexer'daki CLK bağlantı noktasına bağlayın. Veri kaydedicisindeki G ve 12 V bağlantı noktalarını sırasıyla GND'ye ve 12 V bağlantı noktalarına bağlayın.
2. Bir VX bağlantı noktası ile veri kaydediciüzerindeki H DIFF bağlantı noktası arasında delik içi 1 kΩ ± %0,1 direnç bağlayarak veri kaydediciüzerinde bir voltaj bölücü oluşturun.
3. Bu voltaj bölücüden çoklayıcıya bir zemin ile iki ses kablosu bağlayın. Voltaj bölücünün veri kaydedicisindeki bağlı olduğu aynı H DIFF bağlantı noktasından bir kabloyu multipleksteki COM ODD L bağlantı noktasına bağlayın. Diğer kablonun veri kaydedicisindeki bir yer bağlantı noktasını multiplexer üzerindeki COM ODD H bağlantı noktasına bağladığından emin olun. Bir zemin kablosunun veri kaydedicisinden çoklayıcıdaki bir zemine bir zemin ilerler.
4. E tipi termokupl kablosunu veri kaydedicisine ve multipleksörüne bağlayın. Mor tel, veri kaydedicisindeki DIFF 1 H bağlantı noktasını multiplexer üzerindeki COM EVEN H bağlantı noktasına bağlar. Kırmızı kablo, veri kaydedicisindeki DIFF 1 L bağlantı noktasını multipleksteki COM EVEN L bağlantı noktasına bağlar. Zemin kablosunun hem veri kaydedicisi hem de çoklayıcı üzerinde bir zemine bağlandığından emin olun.
5. Çoklayıcıyı 4 x 16 moduna değiştirin.
6. Sensörleri çoklayıcıya bağlayın. Toprak nem ses kabloları ODD bağlantı noktalarına H'ye siyah tel, Kırmızı tel ile L. Termokupl kabloları ise Mor Kablo ile H'ye mor tel, Kırmızı tel ile L'ye bağlanır. Termokupl kablolarının sırası uygun ölçümler için çok önemlidir.

3. Test sensörleri

1. Kurşun lehim ve lehim akısı kullanarak iki uçlu soket konektöründeki uçları bir film rezistansı ile lehimle.
2. Test edilecek tüm sensörleri çoklayıcıya bağlayın.
3. Veri günlüğü programını her 30'da bir taramak için veya birden çok sensörü taramak için tercih edilen frekansa ayarlayın.
4. Nem sensörleri için soket konektörünü film rezistanslı sensörün 5 ve 6'lık uçlarının üzerine yerleştirin ve verileri veri kaydedicisinden kaydedin.
5. Rezistansı her sensöre yerleştirin ve hepsinin aynı okumayı yaptığından emin olun.
6. Benzer sıcaklıkları algıladıklarından emin olmak için termokupl verilerini izleyin.
7. Sıcaklık sensörleri için, sıcaklıkların buna göre değiştiğinden emin olmak için termokupl ucunu iki parmak arasına yerleştirin.

4. Sensörlerin kalibrasyonu

NOT: Bu bölümde sensör çıkışının toprak nemi ile ilişkilendirilmesi işlemi açıklanmaktadır.

1. Kalibrasyon sensörü kafasını üretin.
   1. Ceketin 12 cm'liğini toprak nem kablosundan çıkar.
   2. Folyo kalkanını kablolardan çıkarın.
   3. Her iki iç küçük çaplı toprak nem tellerinin 10 cm uzunluğunda kesin.
   4. Her telin her iki ucundan yaklaşık 1 cm kılıf sıyırın.
   5. Uçların her birinde küçük telleri bükün ve lehim demiri ile tonulayın.
   6. Sekiz uçlu bir terminal şeridini 1.4.1 ve 1.4.2 adımlarını aynı özelliklere göre değiştirin.
   7. 5 ve 6 uçlarının üst kıvrımlarına lehim akısı uygulayın.
   8. Sekiz uçlu terminal şeridinde 5 ve 6 uçlu üst eğrilere tellerle lehimleme.
   9. Sekiz uçlu terminal şeritlerinin iki dış çatalını 5 mm'ye kadar kırpın.
   10. Her iki tel üzerine 0,13 (~3,3 mm) nem-sızdırmazısı küçültme borusu 2 cm'lik bir parça yerleştirin.
   11. Isı küçültme parçalarını modifiye edilmiş sensör başlığına mümkün olduğunca yakın yapıştırın.
   12. 0,13'lük iki adet 2 cm'lik iki adet (~3,3 mm) nem-sızdırmazlık ısı sıkışması borularını her iki telin üzerine, her bir telin üzerine yerleştirin. Daha sonraki bir adımda onları yerinde uymak için bekleyin.
   13. Dört uçlu terminal şeridinin iki uzun orta uçlu kısmını 1 cm'ye kesin.
   14. Dört uçlu terminal şeridinde orta uçların üst kıvrımlı uçlarına lehim akısı uygulayın.
   15. Her iki telin serbest uçlarını dört uçlu terminal şeridinin kesme uçlarına lehimlemek, böylece en üstteki dört eğimli uç değiştirilmiş sensör başlığından uzağa bakacak şekilde(Şekil 4).
   16. Daha önce yerleştirilen nem-mühür ısı dört uçlu terminal şerit tabanına kadar küçültmek ve yerine ısıtın.
2. Kalibrasyon için toprak nem kablosunu hazırlayın.
   1. Tarlada kullanılan sensörlerle aynı uzunlukta bir toprak nem kablosunu kesin.
   2. Kablonun ceketini ucundan 5 cm'ye kadar sıyırın.
   3. Zemin teli (kılıf sızma) kablo ceketinde kesin, böylece ceketin ötesine maruz kalır.
   4. Toprak nem tellerinin uçlarından küçük çaplı tel kılıfların 1 cm'sini sıyırın.
   5. Küçük iplikçikleri birleştirmek için her telin açığa çıkan metalini bükün.
   6. Her tel ucunda maruz metal lehim uygulayarak küçük bükülmüş iplikçikler.
   7. 0,38 'lik (~10 mm) nem-sızdırmazlık ısı küçültme borusu 6 cm'lik bir parçakesin, her iki telin üzerine yerleştirin ve daha sonraki bir adımda yapıştırmak için kablo ceketinin üzerine geri kaydırın.
   8. 0,13 (~3,3 mm) ısı küçültme borusu iki 1,5 cm adet kesin ve her tel üzerinde bir tane yerleştirin. Tel iki uçlu soket şeridine lehimlenene kadar ısı uygulamayın.
   9. İki uçlu soket şeridinin uçlarına lehim akısı uygulayın.
   10. Lehim iki uçlu soket şerit sonuna telin renkli uçları. Dokunmamak için iki ucunu ayrı tutmaya dikkat edin.
   11. 0,13'lük iki parçayı (~3,3 mm) nem-sızdırmazlık borusu iki uçlu soket şeridinin tabanına taşıyın, böylece tüm metal parçalar kaplanır. Isı tabancasını, tüplerin altındaki lehimi aşırı ısınmamaya ve eritmemeye özen görerek, ısı küçültme tüplerine uymak için kullanın.
   12. 0,38 inç (~10 mm) nem-sızdırmazısı küçültme tüpünü (adım 4,2,7'den) iki uçlu soket şeridinin ucundan 1 mm'ye taşıyın, böylece soket şeridini, küçük çaplı telleri ve kablo ceketinin bir kısmını kaplayın. Isı küçültme tüpü yerine yapıştırmak için ısı tabancası kullanın.
3. Kalibrasyon toprak kabı oluşturun (Şekil 5).
   1. Kapağın üst kısmından 4 cm 50 mL polipropilen tek kullanımlık santrifüj tüp kesin. Bu bir ucunda bir açıklık ve diğer çıkarılabilir bir kapak ile bir tüp oluşturacaktır.
   2. Kapağın ortasında 2,5 cm'lik bir delik açmak için matkap ucu kullanın. Bir adım matkap bitkullanımı kolay ve etkili.
   3. Tüpün açık ucundan başlayıp kapağın altına kadar uzanan iki dikey yarık 6 mm'lik bir ara kesin. İki kesiği bağlamak ve plastik şeridi çıkarmak için kapağın altındaki dik bir kesim kullanın(Şekil 5). Bu sensör kafası kabloları eklemek için yeterince büyük bir boşluk yaratacak.
   4. Polipropilen örgü bez 6 cm çapında dairesel bir parça kesin. Kafesi kapak ve tüp arasına yerleştirin ve kapağı vidalayın.
   5. Brifon sensörü kafasının sekiz uçlu terminal şeridini tüpe takın, böylece kablolar adım 4.3.3'te oluşturulan boşluktan aşağı kayıyor.
   6. Üst uçların tüpten uzağa bakacak şekilde ve kalibrasyon kablosunun iki uçlu soket şeridine kolayca bağlanabilmesi için dört uçlu terminal şeridinin uzun uçlu çıkıntılarını tüpün açık ucunun kenarına bantlayın(Şekil 5).
   7. Herhangi bir nemi gidermek için 48 saat boyunca 60 °C'lik bir kurutma fırınına bağlı sensör başlığına sahip kabı yerleştirin.
4. Sensörü ve toprağı kalibre edin.
   1. Boş, fırında kurutulmuş kalibrasyon kaplarını ve 0,0001 g hassasiyetli bir kalibrasyon sensörü kafasını tartın. Bu ölçüm, daha sonraki bir adımda gravimetrik su içeriğini (GWC) hesaplamak için kullanılacaktır.
   2. Sabit sıcaklığı koruyabilen bir ortamda kalibrasyonlar gerçekleştirin.
   3. Kalibrasyon için biocrust toprak hazırlayın.
   4. Kalibrasyon borusu kapağıçıkarın ve aynı çapta biocrust bir parça kesmek için bir kalıp olarak dişli ucu kullanın. Biocrust yukarı çekildiğinde tüp içinde kalmalıdır ama tüp içinde tutmak için bazı yardım gerekebilir.
   5. Bir parmak kullanarak, biyocrust üst 3-5 mm tüp kalır, böylece tüpün kesme ucundan biocrust örnek itin. Biyocrust alt tüpün alt ile floş olacak şekilde tüpün dişli ucundan dışarı itilir herhangi bir fazla toprak kazıyın.
   6. 6 cm çapındaki polipropilen örgüü dişli ucuna, biocrust'un altına yerleştirin ve kapağı sıkıca vidalayın.
   7. Biocrust örneğini nemlendirin ve sensör kafasını substratın üst kısmındanaziyle düzeltin, böylece uçları tamamen gömülecek. Sensör kafasının yerinde kaldığından ve kalibrasyon sırasında hareket etmediğinden emin olmak için tellerin bükülmesi gerekebilir.
   8. Kalibrasyon için mineral toprak hazırlayın.
   9. Sensörlerin yerleştirileceği alandaki 5 mm'nin üst kısmından toprak toplayın.
   10. Topraktan büyük kayalar ve organik malzeme kaldırmak için 2 mm elek kullanın.
   11. Kapağın 6 cm çapında polipropilen örgü ile sıkıca vidalı olduğundan emin olun.
   12. Ellenmiş toprağı kalibrasyon kabına yerleştirin, böylece kabın altını 6 mm derinliğe kadar kaplayın.
   13. Toprak örneğini nemlendirin ve sensör kafasını substratın üst kısmındanazilikle düzeltin, böylece çıkıntılar tamamen gömülecek. Sensör kafasının yerinde kaldığından ve kalibrasyon sırasında hareket etmediğinden emin olmak için tellerin bükülmesi gerekebilir.
   14. Yüzeyde parlak bir su tabakası görünene kadar substratı (biocrust veya toprak) deiyonize suyla doygunlayın.
   15. Doymuş substrat bir gecede kuruolsun.
   16. Herhangi bir ölçüme başlamadan önce, sensör kafasının hala yerinde olup olmadığını ve uçların tamamen substrata gömülü olup olmadığını kontrol edin.
   17. Yüzeyde parlak bir tabaka görünene kadar substratı deiyonize suyla doygunlayın.
   18. 15 dk için substrat kuru.
   19. Kalibrasyon toprak nem kablosunun iki uçlu soket şeridini dört uçlu terminal şeridinin iç iki ucuna bağlayın.
   20. Ölçümleri her dakika kaydetmek için veri kaydedicisini programla.
   21. Direnç ölçümleri toplamaya başlamak için veri kaydedicisini açın.
   22. Ağırlıklar kurutmayı teşvik etmek için kaydedilmezken, bir fanı kalibrasyon kabının üzerine hafifçe hava üflemesi için yerleştirin.
   23. Yüzeyde bir sheen görünene kadar substratı deiyonize suyla ıslayın.
   24. Damlama suyu emmek için bir kağıt havlu üzerine ıslak toprak ile kalibrasyon konteyner yerleştirin.
   25. Kalibrasyon toprak nem telini dört uçlu terminal şeridinden ayırın.
   26. Damlayan suyu atmak için kabı hafifçe dokunun.
   27. Kalibrasyon kabını dengeye yerleştirmeden önce fanı kapatın.
   28. Kabı dengeye yerleştirin ve ağırlığı ve ölçüm süresini kaydedin.
   29. Toprak nem kablosunu dört uçlu terminal şeridine yeniden bağlayın.
   30. Kalibrasyon kabını kağıt havluya geri yerleştirin.
   31. Kurutmayı hızlandırmak için fanı açın.
   32. Substrat tamamen hava yla kuruyana kadar her 15 dakikada bir ağırlıkları kaydedin. Tam kurutma, ölçümler arasında kalibrasyon kabı ağırlıklarında çok az veya hiç değişiklik olmaması ile gösterilir.
   33. Kalibrasyon kabını, kalibrasyon sensörü kafasını ve substratı 60 °C'lik kurutma fırınına 48 saat yerleştirin.
   34. Fırında kurutulmuş substrat, konteyner ve sensör kafası tartın.
5. Sensör kalibrasyon veri analizi.
   1. Adım 4.4.1'de belirlenen kuru kalibrasyon kabı ağırlığını, 4.4.34'te belirlenen substrat ile kuru kalibrasyon kabının ağırlığından çıkararak kuru substrat ağırlığını hesaplayın.
   2. Her 15 dakika zaman noktası veya kalibrasyon için su ağırlığını, her 15 dakikada bir kaydedilen ağırlıklardan kuru kalibrasyon kabı ağırlığını substrat (adım 4.4.34) ile çıkararak hesaplayın.
   3. Su ağırlıklarını (adım 4.5.2) kuru toprak ağırlığına (4,5.1) bölerek her 15 dakikalık zaman noktası için GWC'yi hesaplayın.
   4. 4.5.3 adımda belirlenen her 15 dakikalık zaman noktasının GWC direnç ölçüm sürelerini eşleştirin.
   5. Bağımlı değişkenler olarak GWC'ler ve bağımsız değişkenler olarak Siemens ile regresyon analizinden kalibrasyon eğrisinibelirleyin (Şekil 6). Farklı eğri tipleri (doğrusal, güç, logaritmik) farklı yüzeylerin kalibrasyonu için en uygun olabilir.

Sonuçlar

Toprak yüzeyinin mikroikliminin değerlendirilmesi, burada meydana gelen biyolojik, kimyasal ve fiziksel süreçlerin anlaşılması ve öngörülmesi için gereklidir. Bu problar toprak profilinin çok yüzey tabakasında mikroklima izlemek için güçlü fırsatlar sağlamak ve bu nedenle toprak^11,12üst birkaç milimetre meydana gelen biyolojik aktivite değerlendirmeleri için değerlidir. Biyocrust sıcaklık ve nem fonksiyonu^2,8,10,12,15için kritik olabilir, çünkü bu problar geliştirilmiş ve biyolojik toprak kabuk aktivitesi üzerindeki kontrolleri değerlendirmek için rafine . Ancak, bu problar kuru alanlarda fotosentetik topraklar için geliştirilmiş olsa da, geniş bir sistem yelpazesinde bunları uygulamak için güçlü bir potansiyel vardır, hem de sıcaklık ve nem toprak derinliği profilleri boyunca nasıl değiştiğini değerlendirmek için. Örneğin, bu sensörler, toprak süreçleri, sıcaklık ve nem deki değişimleri belirlemek için ısınma tedavilerinin ve iklimdeki doğal değişimin nasıl etkileştiğini belirlemek için tropikal bir orman ısınma deneyinde konuşlandırılmıştır.

Bununla birlikte, toprak yüzey sensörleri uygulamadan önce bazı önemli hususlar vardır. Örneğin, kalibrasyon eğrileri, GWC gibi daha yaygın olarak kullanılan toprak nem ölçümlerine direnç birimlerini dönüştürmek için geliştirilmelidir. Toprak yüzey sensörü, Siemens'teki (1/Ohm) metal uçları ve çıkışları iletkenliği (direnç tersi) değerleri arasındaki direnci ölçer. Bu nedenle Siemens'ten toprak neme dönüşüm yapılmalıdır. Toprak tabakasının kimyasal ve fiziksel özellikleri bir dizi Siemens sensörün iletkenlik okumaları ve toprak nem arasındaki ilişkiyi etkileyebilir. Bu nedenle, prob okumalarını toprak nem değerlerine dönüştürmek için substrata özgü kalibrasyonlar yapmak çok önemlidir. Bu farklılıkları gösteren üç alt tabakadan kalibrasyon verileri gösterilir.

Şekil 6, her biri kendi sondası olan üç toprak alt tabakalarından ikiörneği için kuru kalibrasyon verilerini göstermektedir. Yüzeylerde az miktarda su görünene kadar substratlar tamamen doymuştu. Tüm numuneler kuruyana kadar sonda dirençleri ve toprak ağırlıkları her 15 dakikada bir ölçüldü. Toprak kütlesi daha sonra GWC hesaplamak için kullanılmıştır. Şekil 6

Tartışma

Toprak yüzey sıcaklığı ve nem probları toprak yüzeyindeki sıcaklık ve su içeriğini analiz etmek için etkili araçlar olabilir. Weber ve ark.¹¹tarafından geliştirilen Biocrust Islak Problar (BWP) dışında, ortak toprak sıcaklığı ve nem sensörleri açıkça toprak yüzeyinin üst birkaç milimetre bu çevresel değişkenleri ölçmek yok. Geliştirme sırasında, BWPs sadece yüzeyde toprak nem değil, sıcaklık²⁰tahmini. Kılavuz olarak kullanılan orijinal BWP tasarımı ile, bu el yazmasında tanımlanan problar aynı anda sıcaklık ve nemi ölçmek için geliştirildi ve bu çevresel değişkenlerin birbirleriyle nasıl etkileştiğini ve toprak yüzeyindeki biyolojik, kimyasal ve fiziksel süreçleri değerlendirdi.

Bu sondaların en iyi şekilde çalışmasını sağlamak için göz önünde bulundurulması gereken birkaç husus vardır. Sensörü yaparken, iç kılıfları kesmemeye ve altta yatan metal telleri açığa çıkarmamaya dikkat etmek önemlidir. Bu kablolar arasında iletkenlik ve çapraz konuşma varyasyona yol açabilir. Aynı ortamda ki her prob için hem termokuplları hem de direnç sensörlerini test etmek, doğru şekilde inşa edildiklerini ve okumalarda ki farklılıkların toprak yüzeyindeki fiziksel ve kimyasal farklılıklardan kaynaklandığını doğrulamak için çok önemlidir. Ölçülen. Kalibrasyon işlemi sırasında, yeterince büyük bir numune sayısı direnci ve GWC kalibrasyonları toprak veya biocrust yüzeylerdeki değişimi doğru bir şekilde hesaba katmak için önemlidir. Ayrıca, aynı prob ve substrat kombinasyonunu ıslaktan kuruya kadar iki kez test etmek en iyisidir, çünkü bu probların zaman içinde elektroliz veya korozyon nedeniyle 'sürüklenmeleri' yaygındır. Ayrıca, kalibrasyon sırasında sadece prob uzunluğunu (yani 6 ila 7 mm arasında) sığ substrat numuneleri kullanmak önemlidir, böylece ölçülen su ağırlıkları öncelikle iletkenlik ölçümleri alanında sudan dır. (problar arasında ve çevresinde). Bu, topraktaki su kütlesindeki değişikliklerin probların direnç ölçümlerinde yapılan değişikliklerle doğrudan ilişkili olmasını sağlar. Son olarak, bu probları tarlaya yerleştirirken, probların toprak yüzeyine (örneğin, iletken olmayan bahçe kazıkları ile) düzgün bir şekilde sabitlemesi önemlidir, bu da iletkenlik ölçümlerinde paraziti sınırlandırabilir ancak sensörlerin konum değiştirmemesini sağlayabilir. ve uzun vadeli ölçümlerin kalitesini azaltır.

Ayrıca bu sensörlerin bazı sınırlamalar dikkat etmek önemlidir. Direnç probları sadece 5 mm uzunluğunda olduğundan, ölçümleri substratlarda büyük hava dolu gözenek boşluklarından güçlü bir şekilde etkilenebilir. Problar boyunca büyük hava boşlukları substrat bağlantısını azaltmak ve genellikle daha düşük ölçülen iletkenlik ve bu nedenle daha düşük tahmini su içeriğine yol açar, hangi büyük ölçekler arasında gerçek toprak nem yansıtıcı olmayabilir. Benzer şekilde, toprağın kimyasal bileşimi toprak nem okumalarını etkileyebilir. Daha yüksek tuzluluk iletkenliği artıracak ve daha yüksek Siemens değerleri^{yol açacaktır 21}. Her iki sorun da uygun substrata özgü kalibrasyonlarla çözülmelidir. Ancak, bazı topraklar kimyasal farklılıkları korumak veya onları bu sensörler için kötü ortamlar yapabilir büyük gözenek alanı mimarisine sahip olabilir. Sıcaklık aynı zamanda toprağın elektriksel iletkenliğini de etkiler ve bu nedenle¹⁵dikkate alınmalıdır. Gelecekte, sıcaklıkların ölçülen yüzeylerin direncini nasıl değiştirdiğini belirlemek için bu sensörlerle sıcaklık kalibrasyonları yapılmalıdır.

Weber ve ark.¹¹tarafından geliştirilen Biocrust IslakLık Probları gibi, bu sensör kalibrasyonları da direnç ölçümlerinin orta su içeriğinde güvenilir olduğunu, ancak çok yüksek ve düşük su içeriğinde bazı anormallikler yaşadıklarını göstermektedir(Şekil 6). Buna ek olarak, kuru-aşağı kalibrasyonlar sırasında, direnç değerleri bazen substrat örneğinde hala biraz su varken sıfır ı okur. Bunun nedeni, kalibrasyon kabındaki substrat miktarının sensör tarafından ölçülen alandan biraz daha büyük olması olabilir. Eğer su direnç alanının dışında olsaydı, sensör sıfır ı okurken, substrat hala nem mevcuttu. Direnç ölçümlerini bozmadan substrat boyutunu n azalmasına özen vuruldu. Su içeriği arttıkça, substrat içindeki direnç değerleri azalır ve bu da daha yüksek Siemens çıkışlarına yol açmaktadır. Ancak, en yüksek su içeriğinde, direnç değerleri artan su içeriği ile artar. Bu şekil 1C'degörüldüğü gibi kalibrasyon verilerinde bir "kanca" yol açar. Bu kanca kalibrasyonlar için kullanılan her bir alt tabakada mevcuttu, ancak en çok ince kum topraklarda göze çarpıyordu(Şekil 6). Weber ve ark.^11, yüksek su içeriğinde anormal direnç artışının olası bir nedeninin, doymuş topraklardaki iyonları seyrelterek direncin artması olduğunu ileri sürmektedir.

Bu sensörler şu anda mevcut multiplexer ve veri kaydedici teknolojilerini kullanmaya bağlıdır. Çoklayıcı, sensörlerin "kapalı" olmasını sağlar ve sensörlere yalnızca programlanmış bir zamanda bir akım gönderir. Bu, toprak nem sensörü terminallerinin korozyona uğramasını önler. Diğer elektronik şirketler problar için veri kaydedici ve çoklayıcı alternatifler sağlar ve programlanabilir devre kartları ve bilgisayarlar da toprak sıcaklığı ve nem sensörleri kablosuz tasarımı için dahil edilebilir, hangi temsil edebilir heyecan verici bir ilerleme.

Sensörleri tasarlamak ve oluşturmak, araştırmacının sondaları özelleştirmesine olanak tanır. Uçların uzunluğu ve yönü, farklı ortamlarda veya farklı derinliklerde nemi daha iyi değerlendirmek için manipüle edilebilir. Aynı kablodan yayılan birden fazla sensör başlığına sahip tasarımlara izin vermek için özel kablolama sipariş edilebilir. Ucuz veri tomruklama ve çoklayıcı seçeneklerinin eklenmesiyle, bu sensörler araştırmacıların toprak yüzeyindeki sıcaklık ve toprak nemini ölçmeleri için ucuz ve erişilebilir bir seçenek sunar. Buna, don ve çiy oluşumu gibi olayları yakalamak için zor ölçüm(Şekil 8),ve ısınma gibi deneysel tedavi etkileri(Şekil 7). Bu kağıt aynı anda sıcaklık ve nem ölçmek toprak yüzey sensörleri oluşturmak için bir adım-adım kılavuz sağlar, hangi kullanılabilir ve biocrust toplulukların çevre ve diğer birçok toprak türlerinin sörf katmanları değerlendirmek isteyen herkes tarafından rafine.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi

Ad	Şirket	Katalog numarası	Yorumlar
Tek sensörlü ses kablosu	alliedelec.com	Müttefik Stok #: 70004848	Kablosu; 1Pr; 22AWG; 7x30; TC; PP içinde; Folyo; Siyah PVC jkt; CMR
Çift sensörlü ses kablosu	alliedelec.com	Müttefik Stok #: 70004635	Kablosu; 2Pr; 22AWG; 7x30; TC; PP içinde; Folyo; Siyah LSZH jkt; CMG-LS
Termokupl kablo	Omega.com	Parça #: TT-E-24-TWSH-SLE-(İstenilen uzunluk)	Tip E, 24 ga, PFA (teflon kaplı), bükümlü korumalı, özel hata sınırları
Sekiz uçlu terminal şeridi	Samtec.com	MTSW-108-21-G-S-1130-RA
Dört uçlu terminal şeridi	Samtec.com	MTSW-104-21-G-S-1130-RA
İki uçlu soket şeridi	Samtec.com	SSW-102-03-GS
0.13" nem yalıtımlı ısıyla daralan makaron	McMaster.com	Parça #: 7861K51
0.25" nem sızdırmaz ısıyla daralan makaron	McMaster.com	Parça #: 7861K53
0.38" nem yalıtımlı ısıyla daralan makaron	McMaster.com	Parça #: 7861K54
0.5" nem yalıtımlı ısıyla daralan makaron	McMaster.com	Parça #: 7861K55
Sıvı elektrik bandı	McMaster.com	Parça #: 76425A23
Metal film direnç	Newark.com	Parça #: RN55C1001BB14
Gerilim bölücü direnç	Newark.com	Parça #: 83F1210
	AM16/32B	campbellsci.com 16 veya 32 Kanallı Röle Çoklayıcı	Bu röle çoklayıcı, sensörlerin doğru çalışması için kritik öneme sahiptir
CR1000X Ölçüm ve Kontrol Datalogger	campbellsci.com	CR1000X