--- كهرومغنطيسية
رطوبة- --<<<األراضىأستاذ دكتور/ محمد فهمى محمد
حسينجامعة القاهرة
2014 إبريل - 22الثالثاء -
ما العمل فى مسألةندرة المياه العذبة؟
What to do withFresh Water Scarcity?
تطبيقات عديدة
المياه مشكلة فى البلدوالتحكم اآللى فى الرى شبه معدوم حتى فى المزارع
الجديدة
التحكم اآللىى فى الرىحتماK جزء من اإلجابة
Necessarily, Irrigation Controlis Part of the Answer
كل طرق قياس رطوبة األراضىغير مباشرة فيما عدا الطريقة الوزنية
All Soil-Moisture Measurementsare Indirect (Except the Weighing Method)
أحد وسائل القياس والتحكمهو استعمال مجس استشعار متصل بلوحة تحكم
لتشغيل وفصل مصدر رىOne of the Indirect Methods isto Use a Detector to Estimate,
and a Relay to Take Action
أساس أى مجس حساس هو تحويل طاقة
Energy Transformation
مصدر طاقة استخدام مفيد +
فواقد +
A sensor is a converter that measuresa physical quantityand converts it into a signalwhich can be read by an observeror by an (today mostly electronic) instrument.For example, a mercury-in-glass thermometerconverts the measured temperature intoexpansion and contraction of a liquidwhich can be read on a calibrated glass tube.A thermocouple converts temperatureto an output voltage which can be read bya voltmeter.For accuracy, most sensorsare calibrated against known standards.
أساس أى مجس حساس هو تحويل طاقة
اإلسم العام ألى أداة تقوم بتحويلالطاقة من صورة أولى إلى
رترانسدوسصورة ثانية هو Transducer
تحويلمن كلمة Transduction
مصدر طاقة استخدام مفيد +
فواقد +
أحد اختيارينOne of Two Choices
Two concepts for the use of the
Dielectric Constant:
TDR and FDRTime Domain ReflectometryandFrequency Domain Reflectometry
We talk aboutthe FDR concept
عند تسليط الحقل الكهربى لدارة رنين )متذبذبة كهربياK( على التربة يتم االستقطاب على جزئيات مكوناتها
بالمقارنة بغيره من المكوناتمرتفع ىثابت عزل كهربى استقطاب هو المكون الوحيد بالتربة الذى له الماء
سهل ومنخفض السعر حي�ز التردد مجس�FDR Sensor is Affordable
مجس يرصد تردد رنين )بما تشبه التقاط راديو لمحطة( وانخفاض الـڤـولت بزيادة
سعة المكثفConcept: Monitoring Soil Moisture
to Improve Irrigation Decisions: ثابت العزل الكهربى للتربة يتغير الفكرة
مع تغير نسبة الرطوبة ---< فيستخدم مجس لقياسها
Dielectric constant measuring sensor probe - based on FDR
Sensor for Moisture Detection
سم لتوصيل 5فى سم4لوحة مناوبة
المجس ببطارية وصمام رى وشاشة لعرض قيم ملليـڤـولت
DC Latching Relay Board
Sensor for Detection
Relay for VoltageComparison andData Transmission
Valve
or Monitor
لوحات سويتش )التفاصيل تحتاج إلى فنى 4 مجسات بـ 4ربط إليكترونيات(
Dielectric Constant Analog FDR Sensor ---> Volt Outputبطارية
5-ولڤ24ت
دايود لتوجيه التيار باتجاه
واحد 1000مكثف
ميكروفاراد فولت50
ملف )مغنطيس 220كهربى(
ميللى هنرى
47مكثفبيكوفا0
راد
بلوك أمبليفاير )م�ضخـّـم(
ريلاى
مقاوم متغير
)بوتينشيومتر(
– Kمغلق عادةمشترك – مفتوح
Kعادة
or 10مقاوم ثابت
ألف 100آالف وأوم
كاثود )سالب(
كاثود )سالب(
مقاوم ثابت 1200 و3800
أوم
أخف وأسهل منخض الثمن وحي�ز الترددمجس� حي�ز الزمنمن مجس�
FDR Probe is More
Affordable than the TDR Probe
أساسهما النظرى واحد تقريباK وهو للماءالعزل الكهربى االستقطابىWater Dielectric is Basis for Both
بالمقارنة بغيره من المكوناتمرتفع ىثابت عزل كهربى استقطاب هو المكون الوحيد بالتربة الذى له الماء
Probe’s circuit capacity changes in function of soil dielectric constant
عند تسليط الحقل الكهربى لدارة رنين )متذبذبة كهربياK( على التربة يتم االستقطاب على جزئيات مكوناتها
Under probe’scircuit EM field,soil becomes apolarized capacitorwhose capacitancedependon soil moisture
High
Dielectric Constant of
Water is major concept in FDR)Frequency Domain Reflectometry(
Reflectometry is a noninvasive technique that allows the analysis of properties of a medium.This technique is based on the reflection of waves at the interface of interest. Waves propagatesinto a medium (according to the laws of propagation into the medium studied) and when itencounters a discontinuity (impedance break), part of its energy is reflected back to injectionpoint. The analysis of the reflected signal can infer information about the system or the mediumunder consideration.
عند تسليط الحقل الكهربى لدارة رنين )متذبذبة كهربياK( على التربة يتم االستقطاب على جزئيات مكوناتها
بالمقارنة بغيره من المكوناتمرتفع ىثابت عزل كهربى استقطاب هو المكون الوحيد بالتربة الذى له الماء
للتربةالعزل الكهربى االستقطابىحدود Soil Dielectric Limits
عند تسليط الحقل الكهربى لدارة رنين )متذبذبة كهربياK( على التربة يتم االستقطاب على جزئيات مكوناتها
Maximum
Dielectric Constantis about 40 for the
Saturated Soil
Soil works as part of the electric oscillator’s capacitor. The “soilmixture” will show high values for the “dielectric constant”when moisture content increases (higher dielectric constantin case of higher moisture content and vice versa)
بالمقارنة بغيره من المكوناتمرتفع ىثابت عزل كهربى استقطاب هو المكون الوحيد بالتربة الذى له الماء
دارة رنين تذبذبيةمقاوم أو ملف ومكثف)
(وملف ومكثفOscillation Circuit )LC or RLC (
LC & RLCدارة رنين
على اليمين المكثف ي�شحن بتيار عكس عقارب الساعة ---< على اليسار ينعكس االتجاه فيصبح مع عقارب الساعة
ينشأ تيار متردد فى دارة التذبذب حتى وإن بدأنا تغذيتها بتيار مستمر من بطارية )ألن التردد فى الدارة ذاتى(
عند توصيل وفصل تيار متردد أو مستمر تبدأ دارة الرنين فى التذبذب )ينشأ حقلها الكهربى المتردد الذاتى(
Oscillation of magnetic energy )in the inductor( and electric energy )in the capacitor(
LCدارة رنين من نوع
ينشأ التردد فى دارة الرنين بتكرار تبادل الطاقة بين مكثف )به طاقة كهربية( وملف )به طاقة مغناطيسية( باستمرار
Oscillation of the magnetic energy )in inductor( and the electric energy )in capacitor(
دارة الرنين ينشأ بها )بتبادل الطاقة( حقل كهربى مضاد متذبذب )حتى وإن تمت تغذيتها بتيار مستمر من بطارية(
http://en.wikipedia.org/wiki/Capacitive_sensing
العالقة بين تردد مسلط وتردد طبيعى، وما يحدث له من خمود )أو زيادة االرتفاع حتى الوصول إلى التردد الكارثى(
لنسبة التردد )= تردد كدالة الناقلية )= استجابة النظام/الم�دخل المسل�ط(تردد الطبيعى(/مسل�ط
بعض تشابه مع متذبذب توافقى ميكانيكىىSome Similarity with a
Harmonic Mechanical Oscillator
تشابه مع البندول: تحول طاقة وضع )تشبه الـڤـولت( إلى طاقة حركة )تشبه التيار(.
البندول يشبه ملف دارة الرنين. ورغم بساطة البندول وتعقد دارة المجس ففكرة .»التذبذب« تقريباK واحدة
InductorELI
فى دارة الرنين تتحول الطاقة المغنطيسية بالملف إلى طاقة كهربية فى المكثف، وبالعكس،
ويستمر تبادل الطاقة بين الملف والمكثف باستمرار وهذا هو أساس »التذبذب« .)نشوء تيار متردد فى دارة الرنين(
شرط حدوث الرنينResonance Condition
عة )تزداد ينخفض التردد عند زيادة الس�زيادة الحّث� وعند بزيادة رطوبة التربة(
Resonance takes place when XL = XC
XC ،للمكثف المقاومة المركبةf مع Kتتناسب عكسيا
التردد
XL ،للملف المقاومة المركبةf مع Kتتناسب طرديا
التردد
LC شرط حدوث الرنين فىملف ومكثفدارة بها
مكثفينوعند وجود موصلين على
ى تحسب التوالالسعة المكافئة لهما من العالقة
جافا أبلليت لدارة رنينhttp://www.walter-fendt.de/ph14e/osccirc.htm
التوازى على مكثفينوعند التوصيل
Xالتفاعلية الكلية
When XL = XC X = 0, Z = R, and f = 0
ارتفاع الموجة وزاوية الطور )بوجود تيار متردد يتذبذب
كموجة جيبية(
Z الرقم المركب يمثل المقاومة المعقدة
حقل كهربى بتسليط االستقطاب
Polarization under EMF
تتذبذب روابطها بالشد واالسترخاء مثل الزنبرك أيونية على مادة حقل كهربىعند تسليط
1 2
الشكل على اليسار – الشكل على اليسار – الشكل على اليسار – الشكل على اليسار – الشكل على اليسار – الشكل على اليسار – الشكل على اليسار – الشكل على اليسار – الشكل على اليسار – الشكل على اليسار – الشكل على اليسار– - - - - - -
تتذبذب جزيئاتها بالدوران االستقطابى مع اتجاه الحقل الكهربىقطبية على مادة حقل كهربىعند تسليط
ى للماءفيزيد ثابت العزل الكهرب يزيد تأثير الحقل الكهربى على استقطاب الجزيئات القطبية انخفاض درجة الحرارةعند
الشكل على اليسار – الشكل على اليسار – الشكل على اليسار – الشكل على اليسار – الشكل على اليسار – الشكل على اليسار – الشكل على اليسار – الشكل على اليسار – الشكل على اليسار – الشكل على اليسار – الشكل على اليسار – - -
عليهحقل كهربى إال عند تسليط صافى استقطاب الجزيئات فليس له قطبىرغم أن الماء
1 2
حقل كهربى متردد عند تسليط يحدث االستقطاب فى الماءWater Polarization under EMF
ألن عزوم الثنائيات تلغى بعضها )صافى االستقطاب صفر(غير مستقطبة لكنها ثنائية األقطابجزئيات الماء
سوى عند مستقطباKال يصبح الماء عليهحقل كهربىتسليط
1 2
عند تسليط الحقل الكهربى المتردد لدارة المجس يحدث االستقطاب
جزيئات الماء فى اتجاه وعكسه، وباستمرار( )دوران
لدارة المجس عليه( فينخفض الـڤـولتالحقل الكهربى )بعد تسليط مستقطباK الماء قد أصبح 2فى شكل
االستقطاب هو متجه مجموع عزوم ثنائيات األقطاب بوحدة الحجم
صافى االستقطاب للماء = صفر عند عدم وجود ،حقل كهربى مسلط عليه
عليه يحدث له حقل كهربىولكن بمجرد تسليط ، فينخفض فرق الجهد الكلى للنظاماستقطاب .
and the “Sweeping” Conceptعندما تسليط الحقل الكهربى لدارة المجس )وهى متذبذب كهربى متردد التيار( يتغير اتجاه استقطاب الماء باستمرار
بتذبذب الحقل الكهربى، ويعمل الماء كعازل استقطابى )مكثف(، وبتنفيذ تمشيط متدرج، مع عقد مقارنات، يتم
االقتراب من الرنين ثم يتم التعرف على حدوث الرنين فتقوم لوحة المناوبة )ريالى( برصد انخفاض الـڤـولت الخارج من
دارة المجس عند الرنين )وهو يعبر عن المحتوى الرطوبى(، .ثم نجرى معايرة
1 2
ينخفض الـڤـولت فى وجود العازل الكهربى االستقطابى )الماء( بسبب دور االستقطاب فى إنشاء شحن مضاد
سماحية العزل االستقطابىDielectric Permittivity, e
ينخفض الـڤـولت فى وجود العازل الكهربى االستقطابى )الماء( بسبب دور االستقطاب فى إنشاء شحن مضاد
لدارة المجس عليه( فينخفض الـڤـولتالحقل الكهربىفى الشكل السفلى الماء قد أصبح مستقطباK )بعد تسليط
للمادة هو مدى تأثيرهاىثابت العزل الكهربى االستقطابعلى سعة مكثف )زيادة رطوبة التربة تزيد هذا الثابت(.
هذا الثابت هو نسبة بين سعة المكثف عندما يحتوى علىمادة وبين سعة المكثف عندما يكون فارغاK، أى فى حالة التربة
(سماحية نسبية )سماحية الفراغ إلى سماحية التربةنسبة هو فسماحية التربة هى تأثيرها على الحقل الكهربى، )كلما زادت
السماحية كلما انخفض الحقل الكهربى المسل�ط فينخفضالـڤـولت باالستقطاب( فالسماحية هى مدى االستعداد
تزيد السماحيةلالستقطاب كاستجابة للحقل الكهربى المسل�ط. بزيادة الرطوبة، فيشتد انخفاض الـڤـولت المسل�ط ألن التربة جزء
.من سعة مكثف المجس )والرطوبة أهم ما يغير سماحية التربة(ويزداد ثابت العزل للمادة بوجود آليات أكثر لالستقطاب
)أما العكس فيمثله انخفاض ثابت العزل للثلج والتربة الجافة(
kappa is polarizability
e is dielectric permittivity
kappa is “infinity” for metals
kappa is 80 for water, 1 for air
الثابت يزيد --<الرطوبةتزيد تزيد --< االستقطابى للتربة
--<السعة ينخفض --<الترددينخفض
--<الـڤـولتتعرض شاشة متصلة بدارة
المجس انخفاض الـڤـولت عند حدوث الرنين
q increases® e increases® C increases®
f decreases® V decreases®
Device monitor displays V decrease at resonance
معنى انخفاض الـڤـولت عبر المكثف )بدون تغير تواجد مادة قابلة هو أنالشحنة على اللوحين(
لالستقطاب )الماء(يزيد السعة بشكل يعتمد على ثابت العزل
االستقطابى. واألخير ال يزيد فى التربة سوى بزيادة محتواها الرطوبى. فيكون قياس االنخفاض فى
الـڤـولت تعبيراK عن المحتوى الرطوبى فى التربة )نحصل على قراءة انخفاض كبير فى الـڤـولت عند
.تواجد محتوى رطوبى مرتفع، والعكس بالعكس(
Kحين يصبح الماء مستقطبا لدارة المجس عليه(الحقل الكهربى)بعد تسليط
ينخفض الـڤـولت
https://www.youtube.com/watch?v=e0n6xLdwaT0
ينخفض الـڤـولت فى وجود العازل الكهربى االستقطابى )الماء( بسبب دور االستقطاب فى إنشاء شحن مضاد
kappa is polarizability
https://www.youtube.com/watch?v=rkntp3_cZl4
kappa is polarizability
J. Agr. Sci. Tech. (2010) Vol. 12: 339-346Estimation of Leaf Moisture Content by Measuring the CapacitanceA. Afzal1, S. F. Mousavi2*, and M. Khademi2
1 Department of Agricultural Machinery, College of Agriculture, Isfahan University of Technology, Isfahan 84156-83111, Islamic Republic of Iran.2 Department of Water Engineering, College of Agriculture, Isfahan University of Technology, P. O. Box: 84156-83111, Isfahan, Islamic Republic of Iran.* Corresponding author; e-mail: [email protected]
It is expected that when the sensor is made up of 1 plate (not 2 plates that sandwich the dielectric as usual), the capacitance will stay the same (since removal corresponds to theoretically changing A in the nominator and d in the denominator by same factor).
Removing second plate means the increase of A & d by the same factor
and the same results are obtained when using 2 plates sensor or 1 plate sensor
،بتزايد الرطوبة يزيد العزل االستقطابى بالتربةالـڤـولتوينخفض ، فتزيد سعة المكثف
المحتوى الرطوبىيعب�ر عن بمدى
e increaseswith q increase,
C increases & V decreases
Calibration&
Observations
ات حي�ز ترددمعايرة مجس�فيـجـيتـرونـيـكـس – يواتا
Calibration of FDR ProbesV e g e t r o n i x – Utah
القراءات تختلف من مجس إلى آخر حتى من نفس الشركة – أى أن المعايرة هى أهم ما فى الموضوع
المقياس كاملميلليـڤـولت عل المحور الرأسى
1
فيجيترونيكس
المعايرة الحالية لمجسين من فيجيترونيكس
mV = -2.1417*10^3*qv2 + 3.7157*10^3*mV + 1421.0174
mV = -2.0923*10^3*qv2 + 4.1320*10^3*mV + 961.2952
المقياس موسعميلليـڤـولت عل المحور الرأسى
2
المعايرة الحالية لمجسين من فيجيترونيكس
المقياس كاملميلليـڤـولت عل المحور األفقى
3
فيجيترونيكس
المعايرة الحالية لمجسين من فيجيترونيكس
qv = 2.0236*10^-7*mV2 - 3.3777*10^-4*mV + 0.1753
qv = 3.3188*10^-7*mV2 - 8.3151*10^-4*mV + 0.5086
المقياس موسعميلليـڤـولت عل المحور األفقى
4
ديكاجون <---<
Saturation
Wilting Point
المعايرة الحالية لمجسين من فيجيترونيكس
المقياس موسعميلليـڤـولت عل المحور األفقى
5
Saturation
Wilting Point
المعايرة الحالية لمجسين من فيجيترونيكس
المقياس موسعميلليـڤـولت عل المحور األفقى
6
Saturation
Wilting Point
المعايرة الحالية لمجسين من فيجيترونيكس
displacement to adjust for temperature
المقياس موسعميلليـڤـولت عل المحور األفقى
7
Saturation
Wilting Point
المعايرة الحالية لمجسين من فيجيترونيكس
composed with temperature-modified data
معادلة خلط خطية تقريبيةلثابت العزل االستقطابى
)من ديكاجون(
8
معادلة خلط خطية تقريبيةلثابت العزل االستقطابى
)من ديكاجون(
… and a site emphasizing on calibration for each soil type apartand referring to matric potential rather than moisture contenthttp://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0100-73862002000300012
9a paper mentioned initial work on 0.50 for the exponent in the dielectric mixing-modelhttps://www.researchgate.net/profile/Brian_Borchers/publications?page=2&sorting=newest
Power-law dielectric mixing-formula
9
References
http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp?tp=&arnumber=1288372&url=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee.org%2Fxpls%2Fabs_all.jsp%3Farnumber%3D1288372
http://ieeexplore.ieee.org/xpl/login.jsp?tp=&arnumber=4072240&url=http%3A%2F%2Fieeexplore.ieee.org%2Fiel5%2F36%2F4072232%2F04072240.pdf%3Farnumber%3D4072240
The most important reference is the followinghttp://www.piers.org/piersonline/pdf/Vol4No1Page31to35.pdf
المعايرة الحالية لمجسين من فيجيترونيكس
10
المعايرة الحالية لمجسين من فيجيترونيكس
11
المعايرة الحالية لمجسين من فيجيترونيكس
12
المعايرة الحالية لمجسين من فيجيترونيكس
13
المعايرة الحالية لمجسين من فيجيترونيكسعالقة الميلليـڤـولت بثابت العزل المحسوب من الرطوبة
14
المعايرة الحالية لمجسين من فيجيترونيكسعالقة الميلليـڤـولت بثابت العزل المحسوب من الرطوبة
15
المعايرة الحالية لمجسين من فيجيترونيكس
16
displaced to adjust temperature
المعايرة الحالية لمجسين من فيجيترونيكس
17
composed with temperature-modified data
المعايرة الحالية لمجسين من فيجيترونيكستأثير درجة الحرارة على ثابت العزل للماء عند معايرة المجسين
18Cairo, August 2013Cairo, January 2014
من الحقلى حتى المعايرةالتسلسل التشغيل
19
What --->>>--- next ?--- more calibration --- full automation --- field application 20
Thatis
whatwe
are!
Really?
Thatis
whatwe
are!
Really?
Havefun
withoscillation!
Havefun
withoscillation!
http://en.wikipedia.org/wiki/Body_capacitance