KursyPoradnikiInspirujące DIYForum

Czujniki wilgotności gleby – dlaczego są tak problematyczne?

Czujniki wilgotności gleby – dlaczego są tak problematyczne?

Czujniki wilgotności gleby mogą być powodem wielu problemów, szczególnie jeśli w projekcie użyte zostaną te najpopularniejsze, tanie moduły.

Najbardziej popularne są rezystancyjne czujniki wilgotności gleby. Warto jednak zainteresować się innymi, zdecydowanie lepszymi czujnikami.

Czego dowiesz się z tego artykułu?

Tekst ten przedstawia lub przynajmniej sygnalizuje kluczowe informacje związane z czujnikami wilgotności gleby. Tylko na pozór zagadnienie to wydaje się proste. Wielu hobbystów na własnej skórze przekonało się, jak złudne są wyobrażenia na temat kontrolowania wilgotności gleby.

Artykuł omawia między innymi specyfikę najtańszych i najpopularniejszych czujników rezystancyjnych. Przedstawia też nieco lepsze, pojemnościowe czujniki wilgotności gleby oraz jeszcze inne, bardziej zaawansowane rozwiązania. 

Rezystancyjne czujniki wilgotności gleby

Osobom niezorientowanym wydaje się, że wilgotność gleby można mierzyć na następującej prostej zasadzie: woda przewodzi prąd elektryczny, więc im większa zawartość wody w glebie, czyli im większa wilgotność, tym mniejsza jest rezystancja gleby. Tego typu przekonania utwierdzają producenci prostych i tanich czujników.

Firmy te oferują nie tylko same czujniki z kawałka PCB. Dostępne są również współpracujące moduły elektroniczne, w których za pomocą potencjometru można łatwo ustawić próg zadziałania czujnika – może on albo włączyć sygnalizację alarmową, albo otworzyć elektrozawór, który umożliwi podlanie roślin. Dostępne są też wersje z wyświetlaczem, które „na oko” prezentują się bardzo dobrze.

Rozbudowana wersja modułu m.in. z wyświetlaczem i przekaźnikiem (zdjęcie: Aliexpress)

Rozbudowana wersja modułu m.in. z wyświetlaczem i przekaźnikiem (zdjęcie: Aliexpress)

Inni nie chcą wydawać pieniędzy na takie czujniki i w roli elektrod stosują cokolwiek przewodzącego, najczęściej dwa wbite w glebę gwoździe. Realizują do tego jakiś prosty układ, np. według poniższego schematu, na którym w miejscu oznaczonym S1 podłączana jest „sonda pomiarowa” (czyli dwa gwoździe). Taki czujnik można podpiąć np. prosto do wejścia Arduino UNO.

Schemat prostego układu monitorującego wilgotność gleby

Schemat prostego układu monitorującego wilgotność gleby

Układ taki pozwala mierzyć rezystancję gleby i może zasygnalizować jej nadmierny wzrost, czyli nadmierne wysuszenie gleby (przynajmniej w teorii). Wszystkie tego typu rozwiązania rezystancyjne mają jednak dwie podstawowe wady: wcale nie dają nam informacji o wilgotności gleby, a do tego z czasem ulegają całkowitego zniszczeniu.

Elektroliza rezystancyjnych czujników wilgotności gleby

Między dwiema elektrodami czujnika płynie prąd. Co prawda ma on niewielką wartość, ale w tym przypadku bardzo ważne jest to, że to prąd stały. I to jest przyczyną problemu. Otóż w takiej sytuacji gleba zachowuje się jak wodny roztwór wielu najróżniejszych substancji, w tym różnych soli mineralnych. I tu trzeba przypomnieć sobie szkolne lekcje chemii: prąd stały, dwie elektrody i wodny roztwór soli to przecież demonstracja zjawiska elektrolizy.

Taki rezystancyjny czujnik wilgotności gleby podczas pracy jest przykładem zjawiska elektrolizy, w którym uczestniczy wodny roztwór mnóstwa najrozmaitszych substancji wchodzących w skład gleby. Natężenie prądu jest małe, więc proces elektrolizy jest powolny, ale zachodzi ciągle, gdy tylko gleba jest wilgotna. Jego efektem jest powolne niszczenie metalowej, miedzianej powierzchni elektrod.

Przykład destrukcyjnego działania elektrolizy (zdjęcie: stackexchange)

Przykład destrukcyjnego działania elektrolizy (zdjęcie: stackexchange)

Zapewne w związku z tym pojawiły się wersje czujnika rzekomo złocone, jednak to wiele nie zmienia. Dla porządku trzeba dodać, że problemu można byłoby uniknąć w prosty sposób – czujnik powinien być zasilany przebiegiem przemiennym, którego średnie napięcie będzie równe zeru.

W sumie realizacja takiego układu wykorzystującego przebieg zmienny, a raczej impulsy dodatnie i ujemne, wcale nie byłaby ani trudna, ani kosztowna. Jednak należałoby to zrobić we własnym zakresie, bo znajdujące się w handlu moduły wykorzystują prąd stały. Samodzielne wykonanie odpowiedniego sterownika z przebiegiem zmiennym miałoby sens, ale raczej nie do czujnika wilgotności gleby, tylko ewentualnie do czujnika poziomu wody w zbiorniku. Wszystko ze względu na drugą wadę tej metody.

Wpływ nawożenia na pomiar czujnikiem rezystancyjnym

Wykorzystując rezystancyjny czujnik wilgotności gleby, przyjmujemy, że woda bardzo dobrze przewodzi prąd elektryczny. A to nieprawda! Idealnie czysta woda (destylowana, dejonizowana) bardzo, bardzo słabo przewodzi prąd!

Wracamy tu do elektrolizy. Różne substancje, w tym sole, kwasy i zasady, po zetknięciu z wodą ulegają dysocjacji elektrolitycznej. Najprościej rzecz ujmując, dopiero wtedy w wodzie pojawia się znacząca, wręcz bardzo duża liczba jonów. I to właśnie jony powodują, że prąd może płynąć.

Odczyty z rezystancyjnego czujnika wilgotności będą zależne mocno m.in. od składu gleby

Odczyty z rezystancyjnego czujnika wilgotności będą zależne mocno m.in. od składu gleby

Dla nas ważny jest fakt, że przewodność elektryczna wody bardzo silnie zależy od zawartości w niej różnych substancji, które w wodzie rozpadają się na jony. Na jony na pewno nie rozpada się zawarty w glebie piasek, ale dysocjacji, czyli rozpadowi na jony, ulega mnóstwo różnych substancji zawartych w glebie, w szczególności sole mineralne. A nawozy, zwłaszcza mineralne, zawierają sole.

Rezystancyjny czujnik wilgotności gleby dodatkowo mierzy zawartość nawozów w glebie. Mierzy więc wilgotność gleby w sposób, powiedzmy, niekontrolowany, z dużym błędem, zależnym od zawartości nawozów w glebie. Ten fakt powoduje, że czujnik rezystancyjny jest mało użyteczny.

Dobrą wiadomością jest to, że ogólnie biorąc, rośliny są tolerancyjne, więc nawet taki prymitywny, bardzo niedokładny czujnik może zapobiec całkowitemu wysuszeniu gleby i zniszczeniu roślin. Niemniej we wszystkich takich przypadkach jest problem z tym, jaki ustawić próg zadziałania. Nie ma tu dobrej recepty – najczęściej dobór następuje metodą prób i błędów.

Nawet rezystancyjne czujniki wilgotności są pomocne, gdy chcemy zapobiec uschnięciu roślin

Nawet rezystancyjne czujniki wilgotności są pomocne, gdy chcemy zapobiec uschnięciu roślin

A na marginesie warto wspomnieć, że pomiar rezystancji gleby nie jest bezwartościowy! Ma wartość wtedy, gdy jednocześnie wilgotność, czyli zawartość wody, zostanie zmierzona jakąś inną metodą. Wówczas porównanie rezystancji gleby i jej wilgotności daje informację o zawartości nawozów.

Pojemnościowe czujniki wilgotności gleby

Rezystancja gleby nie daje wiarygodnej informacji o jej wilgotności. Lepiej mierzyć pojemność. Trudno mówić o pojemności gleby – chodzi raczej o pomiar pojemności między elektrodami, pomiędzy którymi umieszczona jest gleba. Pojemność zależy od wielkości, powierzchni i odległości elektrod, ale to są czynniki stałe dla konkretnego czujnika. Pojemność zależy też od przenikalności dielektrycznej materiału znajdującego się między elektrodami, czyli od przenikalności dielektrycznej gleby.

Kluczowe znaczenie ma fakt, że powietrze, piasek i wiele różnych innych substancji zawartych w glebie mają przenikalność dielektryczną względną około 1. Natomiast woda ma przenikalność dielektryczną wynoszącą około 80, więc już niewielkie zmiany zawartości wody spowodują znaczące zmiany pojemności między elektrodami umieszczonymi w glebie.

Na rynku są dostępne tanie czujniki pojemnościowe, ale większość z nich jest praktycznie bezużyteczna. Chińscy producenci wiedzą, że czujniki pojemnościowe z zasady są lepsze, więc produkują i reklamują tanie wersje pojemnościowych czujników wilgotności gleby.

Teoretycznie lepszy czujnik wilgotności gleby (zdjęcie: Aliexpress)

Teoretycznie lepszy czujnik wilgotności gleby (zdjęcie: Aliexpress)

Podstawowa zasada działania rokuje dobrze, ale większość takich czujników ma prosty układ elektroniczny i sygnałem wyjściowym jest dziwnie uzyskiwane napięcie stałe. Według opisów napięcie to trzeba podać na wejście analogowe Arduino. W sieci można znaleźć opinie, że często zmiany napięcia są niestety za małe i że tego typu czujniki też są nieprzydatne w praktyce.

Zależy to od konkretnego rozwiązania układowego – należałoby mierzyć nie napięcie stałe, tylko zmiany częstotliwości generatora, którego częstotliwość pracy ustala właśnie pojemność czujnika wetkniętego w glebę. Pojemność ta jest mała, jej zmiany – jeszcze mniejsze, a dodatkowo w grę wchodzą inne czynniki, więc praktyka nie jest taka prosta, jak się na początku wydaje.

W każdym razie jeżeli ktoś chciałby przeprowadzić eksperymenty z pojemnościowymi czujnikami wilgotności gleby, niech się nie zraża, tylko niech bada zmiany częstotliwości generatora. A to można robić choćby z wykorzystaniem Arduino. Jednak ogólnie rzecz biorąc, pomiar wilgotności gleby okazuje się zaskakująco zawiłym tematem.

Prawdziwe czujniki wilgotności gleby

Pomiar pojemności między elektrodami umieszczonymi w glebie to dobra koncepcja, ale trzeba uwzględnić szereg dodatkowych czynników. Dlatego dobre pojemnościowe czujniki wilgotności gleby albo zawierają generator o częstotliwości około 100 MHz (FDR), albo wykorzystują inne, pokrewne metody związane z wysokimi częstotliwościami i szybkimi przebiegami impulsowymi (np. tzw. TDR).

Każdy może kupić gotowy, dobry pojemnościowy czujnik gleby. Tylko jest to wydatek około 200 zł – nieporównanie więcej od ceny chińskich, hobbystycznych modułów. Przykład sensownego czujnika widoczny jest na poniższej fotografii. Zaskakująco dokładnie podaje on w procentach objętościową zawartość wody w glebie w zakresie 0–100%.

Bardziej wiarygodny czujnik wilgotności gleby (zdjęcie: Aliexpress)

Bardziej wiarygodny czujnik wilgotności gleby (zdjęcie: Aliexpress)

Dostępne są wersje z różnym sygnałem wyjściowym: analogowym (napięcie stałe od 0–2 V do 0–10 V), z pętlą prądową 4–20 mA, rzadziej z wyjściem impulsowym (informację niesie wypełnienie impulsów PWM), częściej ze standardowym cyfrowym (w standardzie RS485 z protokołem MODBUS lub podobnym). Niektóre z takich czujników mierzą trzy parametry: temperaturę gleby (T) oraz jej wilgotność objętościową w procentach (H) i przewodność w simensach na metr (EC).

Szczerze mówiąc, jeśli ktoś chce zrealizować pomiary wilgotności nie dla zabawy, tylko np. na trawniku w ogródku lub szklarni, to powinien zainteresować się takimi właśnie fabrycznymi czujnikami, a resztę dobudować, co wcale nie jest łatwym zadaniem.

Istnieją też inne czujniki wilgotności gleby, przeznaczone dla celów profesjonalnych. Niektóre są rezystancyjne, ale nie mierzą rezystancji gleby, tylko rezystancję gipsowego bloku, która zależy od wilgotności otoczenia, czyli w sumie od wilgotności gleby.

Nieelektroniczne czujniki wilgotności gleby

Wydawałoby się, że profesjonalne elektroniczne czujniki rozwiązują problem pomiaru wilgotności gleby. Otóż generalnie tak, ale nie do końca. Czujniki elektronicznie mogą precyzyjnie zmierzyć objętościową zawartość wody w glebie i dokładnie podać ją w procentach, jednak nie znaczy to, że rośliny posadzone w tej glebie mogą wykorzystać całą tę wodę. Najprościej ujmując, są bardzo różne rodzaje gleby i niektóre z nich niejako nie chcą oddać roślinom zawartej w nich wody (wilgoci).

Przykładowy tensjometr (zdjęcie: Aliexpress)

Przykładowy tensjometr (zdjęcie: Aliexpress)

Dlatego do praktycznych pomiarów związanych z nawadnianiem od dawna stosuje się przyrządy nieelektroniczne, tzw. tensjometry (nie mylić z tensometrami). Dla hobbystów nie ma to znaczenia, ale w profesjonalnych systemach nawadniania trzeba uwzględnić nie tylko faktyczną zawartość wody, ale także takie czynniki jak dostępność tej wody dla roślin.

Czujniki innych parametrów gleby

Warto wspomnieć, że dla uprawy wielu roślin duże znaczenie ma nie tylko wilgotność, ale też odczyn chemiczny (kwasowy, neutralny, zasadowy) gleby, wyrażony w jednostkach pH. Na rynku pojawiło się mnóstwo tanich elektronicznych „pehametrów”, które jednak na pewno nie mierzą odczynu pH, czyli zawartości jonów wodorowych (hydroniowych). Coś mierzą i coś pokazują, ale nikt nie wie, co mierzą i czym jest wynik pomiaru. Przykład „wszechmierzącego czujnika rolnego” widoczny jest na poniżej.

Przykładowy zaawansowany czujnik wilgotności gleby (i nie tylko)

Przykładowy zaawansowany czujnik wilgotności gleby (i nie tylko)

Tego rodzaju czujniki mają też rzekomo mierzyć zawartość podstawowych składników mineralnych NPK – nawozów azotowych, fosforowych i potasowych. Jednak to jest praktycznie niemożliwe z różnych powodów, ale nie będziemy się tym tutaj zajmować.

Podsumowanie – co warto zapamiętać?

Pomiar wilgotności gleby tylko na pozór jest bardzo prosty. Metody rezystancyjne są bardzo niepewne, choć mogą spełnić podstawową rolę zapobiegania nadmiernemu wysuszeniu gleby oraz śmierci roślin. Lepsze są metody pojemnościowe, lecz w praktyce też niełatwo je wykorzystać.

Czy wpis był pomocny? Oceń go:

Średnia ocena 4.7 / 5. Głosów łącznie: 60

Nikt jeszcze nie głosował, bądź pierwszy!

Artykuł nie był pomocny? Jak możemy go poprawić? Wpisz swoje sugestie poniżej. Jeśli masz pytanie to zadaj je w komentarzu - ten formularz jest anonimowy, nie będziemy mogli Ci odpowiedzieć!

Choć najprostsze i najtańsze rozwiązania są zawodne, warto poznawać elektroniczne sposoby kontroli wilgotności gleby i innych parametrów związanych z uprawą roślin. To są nowe, słabo jeszcze znane zagadnienia, z którymi jednak coraz częściej będziemy mieć do czynienia w praktyce.

Piotr Górecki

Taśmy LED. Jak dobrać oświetlenie do kuchni lub warsztatu?
Taśmy LED. Jak dobrać oświetlenie do kuchni lub warsztatu?

Taśmy LED to popularny sposób oświetlenia blatu kuchennego lub np. stołu warsztatowego. Z tego poradnika dowiesz się, jaką taśmę LED…... Czytaj dalej »

O autorze: Piotr Górecki

PG
Popularyzator elektroniki, konstruktor z ponad 30-letnim doświadczeniem, autor książek i tysięcy artykułów omawiających różne aspekty elektroniki.

arduino, czujnik, IoT

Trwa ładowanie komentarzy...