كهرومغنطيسية رطوبة الأراضى 1

--- كهرومغنطيسيةاألراضى رطوبة- --<<<

أستاذ 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 فى الرى شبه معدوم حتى فى المزارع

الجديدة

التحكم اآللىى فى الرىحتماC 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 رى

One 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 كهربياC( على التربة يتم االستقطاب على جزئيات مكوناتها

بالمقارنة بغيره من المكوناتمرتفع ىثابت عزل كهربى استقطاب هو المكون الوحيد بالتربة الذى له الماء

yز التردد مجسyسهل ومنخفض السعر حيFDR Sensor is Affordable

مجس يرصد تردد الرنين )بطريقة تشبه التقاط محطة راديو( وانخفاض الفولت

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

لوحة »ريالى« مناوبة )توصل بالمجس لربطه بصمام رى أو شاشة ببطارية تيار

سم5*4مستمر(

DC Latching Relay Board: ثابت العزل الكهربى للتربة يتغير الفكرة

مع تغير نسبة الرطوبة ---< فيستخدم مجس لقياسها

Dielectric constant measuring sensor probe - based on FDR

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 Outputبطار-5ية

24ولتڤ

دايود توجيه تيار باتجاه

واحد 1000مكثف

ميكروفاراد فولت50

ملف )مغنطيس 220كهربى(

ميللى هنرى

مكثف470

بيكوفاراد

بلوك أمبليفاير )م�ضخـّـم(

ريلاى

مقاوم متغير

)بوتينشيومتر(

– Cمغلق عادةمشترك – مفتوح

Cعادة

orمقاوم

ألف أوم 100تيار يتغير

كاثود )سالب(

كاثود )سالب(

yز ترددمجسyأصغر وأسهل منخض السعر، حي yز الزمنمن مجسyحي

FDR Probe is More

Affordable than the TDR Probe

أساسهما النظرى: للماءخاصية كهرومغنطيسية

Water Dielectric is Basis for Both


Under probe’scircuit EM field,soil becomes apolarized capacitorwhose capacitancedependon soil moisture

Probe’s circuit capacity changes in function of soil dielectric constant


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.



للتربةالخاصية الكهرومغنطيسيةحدود Soil Dielectric Limits


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)


دارة رنين تذبذبيةOscillation Circuit LC & 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 واردد طبيعى، وما يحدث له من الخمود )أو زيادة االرتفاع حتى الوصول إلى التردد الكارثى(

م�دخل مسلyط عليه( والمحور األفقى هو /المحور الرأسى هو )استجابة نظامتردد طبيعى(/)تردد مسلyط

بعض تشابه مع متذبذب ميكانيكىSome Similarity with aMechanical Oscillator

التشابه مع البندول: تحول طاقة وضع )تشبه الفولت( إلى طاقة حركة )تشبه التيار(.

البندول يشبه ملف دارة الرنين. ورغم بساطة البندول وتعقد دارة المجس ففكرة .»التذبذب« تقريباC 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 yزيادة السزيادة الحّثy وعند بزيادة رطوبة التربة(

Resonance takes place when XL = XC

XC ،للمكثف المقاومة المركبةf مع Cتتناسب عكسيا

التردد

XL ،للملف المقاومة المركبةf مع Cتتناسب طرديا

التردد

LC شرط حدوث الرنين فىملف ومكثفدارة بها

مكثفينوعند وجود موصلين على التوالى تحسب السعة المكافئة لهما من العالقة

جافا أبلليت لدارة رنينhttp://www.walter-fendt.de/ph14e/osccirc.htm

http://www.walter-fendt.de/ph14e/osccirc.htm

http://www.walter-fendt.de/ph14e/osccirc.htm

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 عند تسليط 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 سوى عند تسليط بـصافى استقطاب فالجزيئات إنه لن يحظى 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 مستقطباCال 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 مستقطباC 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


لدارة المجس عليه( فينخفض الـڤـولتالحقل الكهربىفى الشكل السفلى الماء قد أصبح مستقطباC )بعد تسليط

للمادة هو مدىثابت العزل الكهربى االستقطابىتأثيرها على سعة مكثف )زيادة الرطوبة تزيد هذا الثابت(.هذا الثابت هو نسبة بين سعة المكثف عندما يحتوى على

مادة وبين سعة المكثف عندما يكون فارغاC، أى فى حالة التربة(سماحية نسبية )سماحية الفراغ إلى سماحية التربةنسبة هو

فسماحية التربة هى تأثيرها على الحقل الكهربى، )كلما زادتسماحية التربة انخفض الحقل الكهربى المسلط عليها فينخفض

الـڤـولت باالستقطاب( فسماحية التربة هى مدى استعدادهاوتزيد السماحيةلالستقطاب كاستجابة للحقل الكهربى المسلط.

بزيادة الرطوبة، فيشتد انخفاض الـڤـولت المسلط، ألن التربة جزء.من سعة مكثف المجس )والرطوبة هى أهم ما يغير سماحية التربة(

ويزداد ثابت العزل الكهربى 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

ثابت يزيد --<الرطوبةتزيد تزيد--< ىالعزل االستقطاب

عة yالتردد ينخفض --<الس>-- --< الـڤـولت ينخفض

الجهاز يلتقط انخفاض الـڤـولت عند حدوث الرنين

q increases® e increases® C increases ®

f decreases® V decreases ®

Device reads V decrease at resonance

معنى انخفاض الـڤـولت بين لوحى مكثف )بدون تغير تواجد مادة عازلة هو أنالشحنة على اللوحين(

استقطابية )الماء(عة على ثابت العزل yعة، وتعتمد زيادة الس yيزيد السالكهربى االستقطابى، واألخير ال يزيد فى التربة

سوى بزيادة محتواها الرطوبى، فيكون قياس االنخفاض فى الـڤـولت تعبيراC عن المحتوى الرطوبى

فى التربة )نحصل على قراءة انخفاض كبير فى الـڤـولت عند تواجد محتوى رطوبى مرتفع، والعكس

.بالعكس(

Cحين يصبح الماء مستقطبا لدارة المجس عليه(الحقل الكهربى)بعد تسليط

ينخفض الـڤـولت

https://www.youtube.com/watch?v=e0n6xLdwaT0




https://www.youtube.com/watch?v=rkntp3_cZl4



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 الكهربى بالتربة بمدىوينخفض الـڤـولت، فتزيد سعة المكثفالمحتوى الرطوبىيعبyر عن

e increaseswith q increase,

C increases & V decreases

CurrentCalibration

&Observations

ات2معايرة yز تردد من مجسyحي فيـجـيتـرونـيـكـس – يواتا

Calibration of 2 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

القراءات الحاليةلمعايرة مجسين من فيجيترونيكس

المقياس موسعميلليـڤـولت عل المحور الرأسى

2القراءات الحالية

لمعايرة مجسين من فيجيترونيكس

المقياس كاملميلليـڤـولت عل المحور األفقى

3

فيجيترونيكس


المقياس موسعميلليـڤـولت عل المحور األفقى

4

ديكاجون <---<


Saturation

Wilting Point

المقياس موسعميلليـڤـولت عل المحور األفقى



Saturation

Wilting Point

معادلة خلط خطية تقريبيةلثابت العزل االستقطابى

)من ديكاجون(

5

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

6

http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0100-73862002000300012

http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0100-73862002000300012

عالقة الميلليـڤـولت بثابت العزل المحسوب من الرطوبة

y = -35.134x2 + 665.11x - 123.03R² = 0.9913

y = -34.269x2 + 589.28x + 467.43R² = 0.9509

1000

1500

2000

2500

3000

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

mVoltv

e0.5

1st VH400 FDR

2nd VH400 FDR

Voltage limit

Poly. (1st VH400 FDR)

Poly. (2nd VH400 FDR)

First probeAugust 2013

Second probeJanuary 2014

y = 669.84ln(x) + 107.44R² = 0.989

y = 500.14ln(x) + 824.41R² = 0.9599

1000

1500

2000

2500

3000

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80

mVoltv

e

1st VH400 FDR

2nd VH400 FDR

Voltage limit

Log. (1st VH400 FDR)

Log. (2nd VH400 FDR)

First probeAugust 2013

Second probeJanuary 2014



عالقة الميلليـڤـولت بثابت العزل المحسوب من الرطوبة



تأثير درجة الحرارة على ثابت العزل للماء عند معايرة المجسين

14Cairo, August 2013Cairo, January 2014

من حقلى حتى معايرةتسلسل تشغيل

15

Thatis

whatwe

are!

Really?

Thatis

whatwe

are!

Really?

Havefun

withoscillation!

Havefun

withoscillation!

http://en.wikipedia.org/wiki/Body_capacitance

