طراحی، ساخت و ارزیابی حسگر رطوبت‌سنج دی‌الکتریک قابل نصب روی فروسنج افقی چندنوکی

STUDENT

DEGREE

YEAR

Soil water content (WC) has a significant effect on soil mechanical resistance; such that reporting of mechanical resistance and WC of thr soil is useful for researchers. The dielectric constant of the soil is an important characteristic for measuring its WC. The sensors based on the dielectric constant of the soils (capacitive-type) are inexpensive and high-response which make them suitable for online measurements. They have the ability to be used in variety of sizes and dimensions with different geometric shapes. This study was set out to design a dielectric sensor to measure soil WC in a way that it could be used in combination with a horizontally tip-based penetrometer. First, the configuration of the horizontal penetrometer was designed in Catia software, and then a series of finite element simulations were carried out in Abaqus software in order to be assured from its strength. The results of the simulations showed that the selected sizes and the materials which were used in the design of the horizontal penetrometer were right. In the next stage, the design parameters of the dielectric sensor combined with the horizontal penetrometer were studied and a two-ring configuration was chosen. A series of finite element simulations were also conducted to achieve the optimal dimensions and operating frequency for the sensor. Also the soil volume which could be affected by electrical field of the sensor was estimated using COMSOL software. The results of these simulations showed that for the dielectric sensor, by increasing the distance between the electrodes (rings), the amount of Voltage Standing Wave Ratio (VSWR) was reduced and the size of the soil volume affected by the sensor was increased. On the other hand, by increasing the width of the rings, the VSWR value was reduced while there was no significant effect on the volume of the soil affected by the electrical field the sensor induced into the soil. Therefore, a two-ring dielectric sensor with the lowest possible electrode width and the largest possible distance between the electrodes was chosen. The dimensions of cylindrical soil volume as affected by the sensor, based on the results of simulations, were 57.67 mm in diameter and 30 mm in height. An electronic circuit for the sensor was designed in a way that it could convert the sensor impedance changes into changes in the values of a Direct Current (DC) Voltage. Evaluation of the circuit showed a linear change in output per change in the capacitance. For the static evaluation of the developed dielectric sensor, a factorial experimental design with two factors including soil gravitational WC and bulk density was considered. The results showed that a significant quadratic relationship between the sensor output values and soil volumetric WCs were obtained. Keywords : Precision agriculture, Soil compaction, Dielectric sensor, FE Simulation.

چالش اصلی در استفاده از فروسنج‌ها‌ی افقی به‌عنوان ابزاری بلادرنگ برای اندازه‌گیری مقاومت مکانیکی خاک و ارزیابی کمّی تراکم خاک در کشاورزی دقیق، دخیل‌بودن همزمان چندین ویژگی خاک در مقاومت است که در بین این ویژگی‌ها، محتوای رطوبتی خاک تاثیر معنی‌داری بر مقاومت مکانیکی خاک دارد به‌طوری‌که برخی محققین اندازه‌گیری مقاومت مکانیکی خاک بدون اندازه‌گیری محتوای رطوبتی آن را کاربردی نمی‌دانند. ثابت دی‌الکتریک توده خاک یک مشخصه مهم برای اندازه‌گیری محتوای رطوبت آن است و حسگرهایی که از ثابت دی‌الکتریک خاک و روش خازنی برای اندازه‌گیری رطوبت آن استفاده می‌کنند دارای قیمت ارزان، پاسخ‌دهی سریع و مناسب برای اندازه‌گیری‌های برخط و قابلیت استفاده از انواع ابعاد و اندازه‌ها و با اشکال هندسی متفاوت هستند. در این پژوهش اقدام به طراحی یک حسگر خازنی برای اندازه‌گیری رطوبت خاک به نحوی که قابل استفاده در ترکیب با یک فروسنج افقی نوک‌مبنا باشد، در نرم‌افزار Catia شد. ابتدا با انتخاب پیکربندی فروسنج افقی و سپس طراحی آن، یک سری شبیه‌سازی‌های المان محدود در نرم‌افزار Abaqus، با درنظرگرفتن آزمون همگرایی مِش، برای مطالعه تنش‌های وارد به آن انجام شد. نتایج این شبیه‌سازی‌ها نشان از طراحی درست و انتخاب جنس مناسب برای ساخت فروسنج افقی بود. در مرحله بعدی، با مطالعه پارامترهای طراحی حسگر خازنی در ترکیب با فروسنج افقی و انتخاب پیکربندی دوحلقه‌ای برای آن، یک سری شبیه‌سازی‌های المان محدود با هدف دستیابی به ابعاد و فرکانس کاری بهینه برای حسگر و تخمین شکل و اندازه ناحیه تحت تأثیر حسگر در نرم‌افزار کامسول انجام شد. نتایج این شبیه‌سازی‌ها نشان داد که برای حسگر خازنی، افزایش فاصله بین الکترودها موجب کاهش مقدار ولتاژ نسبت موج ایستا VSWR و افزایش عمق نفوذ حسگر می‌گردد. ازطرفی، افزایش پهنای الکترودها هرچند تأثیر معنی‌داری بر افزایش عمق نفوذ حسگر ندارد اما موجب کاهش مقدار VSWR می‌گردد. بنابراین می‌توان استنباط نمود که برای یک حسگر خازنی دوحلقه‌ای، پهنای کمتر الکترودها و فاصله بیشتر بین آن‌ها یک هندسه مناسب به‌نظر می‌رسد. همچنین شبیه‌سازی‌ها نشان داد مادامی که حجم خاک اطراف حسگر به‌صورت همگن و فاقد هدایت الکتریکی و تراوایی مغناطیسی درنظر گرفته شود تغییر فرکانس کاری اثر معنی‌داری بر رفتار حسگر خازنی نداشته و با افزایش ثابت دی‌الکتریک خاک اطراف حسگر خازنی از 5 تا 30، اندازه ناحیه تحت تأثیر حسگر یا به عبارت دیگر عمق نفوذ حسگر نیز از 11/15 به 56/17 میلی‌مترافزایش پیدا می‌کند. لذا ناحیه تحت تاثیر حسگر با توجه به نتایج شبیه‌سازی‌ها به‌صورت یک استوانه به قطر میانگین 67/57 میلی‌متر و ارتفاع 30 میلی‌متر است. یک مدار الکترونیکی برای حسگر طراحی و ساخته شد که قادر به تبدیل تغییرات امپدانس حسگر به تغییر در مقادیر ولتاژ ثابت بود. برای ارزیابی مدار، به‌دست‌آوردن مشخصه‌های استاتیکی آن و اطمینان از همخوانی آن با سامانه جمع‌آوری اطلاعات مورد استفاده، تغییرات ولتاژ خروجی آن به‌ازای تغییر در مقادیر یک مقاومت متغیر ثبت شد. نتایج حاکی از تغییر خطی خروجی مدار (98/0=R 2 ) به‌ازای تغییر در ظرفیت خازنی بود. حساسیت استاتیکی مدار برابر با 18/0 میلی‌وُلت‌برپیکوفاراد و صحت و دقت آن به‌ترتیب برابر با %9/7 و %8 به‌دست آمد. همچنین، مشخص شد که استفاده از سامانه جمع‌آوری اطلاعات، عملکرد حسگر را تحت تأثیر قرار نمی‌دهد. برای ارزیابی استاتیکی حسگر خازنی ساخته‌شده یک طرح آزمایشی به‌صورت فاکتوریل در قالب طرح کاملاً تصادفی که دارای دو فاکتور رطوبت وزنی (در پنج سطح PL 2/0، PL 4/0، PL 6/0، PL 8/0 و PL 0/1، PL: حد خمیری) و چگالی‌ظاهری (در سه سطح 2/1، 4/1 و g/cm 3 6/1) است، ترتیب داده شد. نتایج نشان داد که مقادیر خروجی حسگر به‌صورت یک معادله درجه دوم (91/0=R 2 ) با افزایش مقادیر رطوبت حجمی، کاهش می‌یابد. همچنین، روابط معنی‌داری بین مقادیر خروجی حسگر و درصد اشباع (92/0=R 2 ) و مقادیر خروجی حسگر با کس حجمی هوا (73/0=R 2 ) وجود دارد. تحلیل نمودارهای نیرو برحسب عمق نفوذ سطح مخروطی‌شکل فروسنج افقی حاکی از وجود رابطه معنی‌دار بین مقادیر نیروهای وارد به سطح مخروطی‌شکل با چگالی ظاهری، کسر حجمی ذرات جامد، درصد پوکی و درصد تخلخل (68/0=R 2 ) بود. تحلیل آماری داده‌های حاصل از ارزیابی استاتیکی حسگر خازنی حاکی از وجود تفاوت معنی‌دار بین سطوح مختلف رطوبت وزنی و چگالی ظاهری و همچنین معنی‌دار بودن اثر متقابل بین فاکتورهای رطوبت وزنی و چگالی ظاهری در سطح معنی‌داری 1/0 درصد است. نتایج این پژوهش نشان داد که حسگر خازنی ساخته‌شده یک ابزار مناسب برای اندازه‌گیری محتوای رطوبت حجمی خاک بوده و قابلیت بکارگیری به‌صورت ترکیبی با یک فروسنج افقی را دارد. لذا، می‌توان از آن برای اندازه‌گیری همزمان مقاومت و رطوبت خاک درحین حرکت استفاده نمود. واژگان کلیدی: کشاورزی دقیق، تراکم خاک، حسگر خازنی، شبیه‌سازی المان محدود