Prin monitorizarea umidității solului, am putea avea o evidență despre starea acestuia, care ne poate ajuta la menținere în parametrii optimi. [311766]

[anonimizat], [anonimizat] (PC), pentru a se putea crea o bază de date ce poate fi folosită de un agricultor.

Alegerea acestui subiect a fost determinată de o proprietate a solului, umiditatea, [anonimizat]. Umiditatea solului reprezintă cantitatea de apă existentă într-o [anonimizat] % față de greutatea solului uscat.

[anonimizat] o [anonimizat].

Lucrarea de Disertație este structurat pe 4 capitole, fiecare capitol abordând noțiuni necesare pentru realizarea sistemului mecatronic. Prima parte a lucrării, respectiv capitolele1, 2, și 3 expune istoricul evoluției aparatelor de măsură a [anonimizat], proprietățile solului și descrierea metodelor de măsurare a umidității.

Partea a doua a acestei lucrări este reprezentată de realizarea practică a [anonimizat], afișarea rezultatelor obținute și tragerea concluziilor.

În cadrul acestei lucrări am avut onoarea să fiu coordonată de doamna Prof. Univ. Dr. Ing. [anonimizat].

[anonimizat], is to monitor and transmit the soil humidity values taken overby a moisture sensor to a computer (PC) in order to create a database that can be used by a farmer.

[anonimizat], [anonimizat]. Soil moisture is the amount of water present in a [anonimizat] a percentage of the dry soil wieght.

[anonimizat], which can help us maintain optimal parameters.

The dissertation thesis is structured in 4 chapters, each chapter approaching the necessary notions for the realization of the mechatronic system. [anonimizat] 1,2, and 3, [anonimizat], soil properties and description of method for measuring humidity.

The second part of this project is the practical realization of a [anonimizat], the display of the results obtained and the drawing of the conclusions.

In this work I had the honor to be coordinated by Prof. Dr. Eng. [anonimizat] I [anonimizat].

LISTA FIGURILOR

Fig. 3.1. Solul

Fig. 3.2. Domeniile în care solul are o funcție reprezentativă

Fig. 3.3. Procesul de transformare

Fig. 3.4. Profilul de sol

Fig. 3.5. Proprietățile profilului de sol

Fig. 3.6. Orizonturi organice

Fig. 3.7. Orizont A molic

Fig. 3.8. Orizont A umbric

Fig. 3.9. Orizont A ocric

Fig. 3.10. Orizont E

Fig. 3.11. Orizont E albic

Fig. 3.12. Orizont E spodic

Fig. 3.13 . Orizont B cambic

Fig. 3.14. Orizont B argic

Fig. 3.15. Orizont B spodic

Fig. 3.16. Realizarea unei secțiuni pentru analizarea profilului de sol

Fig. 3.17. Orizont necoeziv

Fig. 3.18. Orizont masiv

Fig. 3.19. Comparație din punct de vedere al drenajului între un material nisipos și unul argilos

Fig. 3.20. Soluri aflate în diferite stadii de umiditate

Fig. 3.21. Contorul Colman si unitatea Fiberglas

Fig. 3.22. Tensiometre

Fig. 3.23. Echipament utilizat pentru măsurarea umidității în sol cu metoda radioactivă

Fig. 3.24. Metoda de măsurare a umidității prin pipăit

Fig. 3.25. Tensiometru

Fig. 3.26. Tija utilizată pentru măsurarea umidității

Fig. 4.1. Placa Arduino Mega 2560 V3

Fig. 4.2 Schema senzorului de umiditate

Fig. 4.3. Schema electrică a senzorului de umiditate

Fig. 4.4. Senzorul de umiditate

Fig. 4.5. Selectarea plăcii din soft-ul Arduino

Fig. 4.6. Verificarea portului utilizat la placa Arduino

Fig. 4.7. Conectarea cablurilor la placa Arduino

Fig. 4.8. Conectarea senzorului de umiditate la placa Arduino

Fig. 4.9. Codul sursă pentru senzorul de umiditate

Fig. 4.10. Introducerea senzorului de umiditate în pământ

Fig. 4.11. Afișarea umidității pe calculator

Fig. 4.12. Generarea unui grafic în urma măsurătorilor în timp real

Fig. 4.13. Valorile umidității afișate la o plantă care nu este udată

Fig. 4.14. . Planta după ce a fost udată

Fig. 4.15. Valorile măsurate într-un sol ud

CAPITOLUL 1

INTRODUCERE

Această lucrare de disertație își propune să prezinte principalele aspecte teoretice în legătura cu monitorizarea umidității în sol, proprietățile acestuia, având rolul de a furniza informații despre umiditatea solului.

Un aparat de măsură a umidității este de o utilitate foarte mare, mai ales persoanelor care prelucrează pământul. Acest dispozitiv este folosit în domeniul horticulturii), care este un domeniu mai sensibil. Horticultura este un complex de științe biologice, care studiază cultura și ameliorarea pomilor și arbuștilor fructiferi, viței de vie, legumelor și florilor, precum și vinificarea strugurilor și tehnologia prelucrării produselor horticole.

Este foarte important pentru un agricultor să cunoască parametrii de calitate ai solului, respectiv umiditatea acestuia, astfel încât să știe dacă solul pe care urmează să îl prelucreze va aduce roade, ținând cont de investițiile pe care trebuie să le facă. Acest dispozitiv poate fi utilizat și în casă, pentru a ști când trebuie o floare udată, căci trăim în lumea vitezei și uităm să avem grijă de plantele din casa noastră.

Această lucrare a fost dezvoltată pentru a monitoriza și pentru a afișa umiditatea din sol în timp real. Senzorul de umiditate este utilizat pentru a capta sensibilitatea umidității solului. Microcontoller-ul Arduino Mega 2560 V3 a fost folosit ca o platformă pentru a procesa semnalul și de a afișa pe un calculator. Rezultatul arată că acest dispozitiv este capabil de a transmite și de a recepționa umiditatea solului în timp real, ajutând la obținerea informațiilor pentru a cunoaște mai bine pământul prelucrat.

Solul este definit ca stratul de la suprafața scoarței terestre. Este format din particule minerale, materii organice, apă aer și organisme vii. Este un sistem foarte dinamic care îndeplinește multe funcții și este vital pentru activitățile umane și pentru supraviețuirea ecosistemelor.

Obiectivul principal al acestei lucrări este de a proiecta și de a dezvolta un dispozitiv care măsoară umiditatea solului cu funcția de înregistrare a datelor.

Acest sistem a fost dezvoltat pentru monitorizarea umidității solului fără a implica cunoștințe avansate în agricultură și utilizarea acestuia pe diferite tipuri de sol.

Importanța unui astfel de dispozitiv în posesia oricărei persoane este că, aceasta poate măsura și monitoriza umiditatea de unul singur. Costurile elementelor componente acestui dispozitiv sunt reduse și poate fi utilizat în grădinărit, sere, plantele în ghiveci.

CAPITOLUL 2

STADIUL ACTUAL

2.1 Parametrii de calitate ai solului

Știința care se ocupă cu studiul solului este pedologia. Denumirea de pedologie provine din limba greacă, de la pedon = sol și logos = vorbire (știință), altfel spus știința solului. [3]

Știința solului analizează următoarele aspecte:

constituenții;

organizarea și relațiile dintre constituenți;

originea și evoluția solului;

dinamica actuală a proceselor din sol în raport cu factorii de mediu;

proprietățile și funcțiile solului;

utilizarea solurilor. [3]

Primele idei referitoare la sol au apărut la vechii greci, Aristotel considerându-l unul dintre cele 4 elemente componente ale Universului, alături de aer, apă și foc. El dădea și unele însușiri ale pământului spunând că poate fi cald sau rece, umed sau uscat, greu sau ușor, tare sau moale.

Teofrast (371-286 î. Hr.) numește solul edafos pentru a putea fi deosebit de Pământ ca planetă.

În perioada Evului Mediu singurele referiri la sol se găsesc în scrierile arabe.

Precursorii Pedologiei ca știință au fost F.A. Fallou și F.V. Richthofen, primul propunând și denumirea de pedologie.

Întemeietorul pedologiei ca știință este rusul V.V. Dokuceaev, care în anul 1883 a publicat lucrarea ”Cernoziomul rusesc”, în care pune bazele pedologiei.

Un moment important îl reprezintă anul 1924 în car este întemeiată Societatea Internațională de Știința Solului. [3]

Contribuții importante în dezvoltarea au avut și au FAO (Organizația Națiunilor Unite pentru Agricultură și Alimentație) cu sediul la Roma și ISRIC (Centrul Internațional de Informare și Referințe despre Sol) cu sediul la Wageningen în Olanda.

În România, primele informații despre sol apar în lucrările lui Ion Ionescu de la Brad și Matei Drâghiceanu.

Un rol important l-a jucat înființarea în anul 1906 a Secției agrogeologice în cadrul Institutului Geologic, condusă de către Gheorghe Munteanu Murgoci (1872-1925) fondatorul pedologiei românești.

Actul de naștere al pedologiei în România a fost în anul 1911, când Gheorghe Munteanu Murgoci împreună cu colaboratorii săi Emil Protopopescu Pach și Petre Enculescu publică o hartă și o caracterizare a solurilor zonale din România.

În anul 1970 se înființează Institutul de Cercetări pentru Pedologie și Agrochimie din București. [3]

Cercetările privind solurile au început cu agricultura sedentară, dar o mare parte din acestea au fost aplicate si practicate. [8] Doar câteva investigații privind solul sunt documentate din Evul Mediu care coincid cu o represiune a științei și a dominării religiei. În perioada Renașterii au început cercetările asupra solului, iar europenii au redescoperit lucrările anterioare ale grecilor și romanilor. [9] În anii 1800, cercetarea solului s-a concentrat asupra creșterii și nutriției plantelor, evaluării solului pentru impozitare și asupra originii și proprietăților solului. Unele dintre aceste cercetări au fost conduse de o curiozitate pură, dar cea mai mare parte a acesteia a fost percepută ca fiind necesară pentru o creștere a producției agricole, pentru impozitarea terenurilor sau pentru investigații geologice. Cercetarea în anii 1800 a fost efectuată în Germania, SUA, Marea Britanie, Franța, Elveția, Australia, Danemarca, Italia etc.

În anii 1800, s-a pus un accent mai mare pe pedologie, fără prea multe schimburi de experiențe și cooperări internaționale. [10]. Accentul a fost diferit în diferite țări și continente. De exemplu, în zonele de lungă durată din Europa de Vest, agricultorii au învățat să-și gestioneze solurile prin încercări și erori. Posibilitățile de extindere a zonei fermei au fost limitate, deoarece populația a fost relativ densă. Prin urmare, cercetarea s-a axat pe modul de îmbunătățire a condițiilor de sol din domeniile existente și ca și rezultat, chimia agricolă s-a dezvoltat în mare parte în Europa. [11]

În Europa de Vest studierea solului s-a efectuat în laboratoare, pe când în SUA și în Imperiul Rus studierea solului a început pe teren. Amalgamul acestor cercetări de sol au contribuit la stabilirea științei solului ca o disciplină științifică.

Aceste cercetări au facilitat întâlnirile și congresele Societății Internaționale de Științe a Solului, care azi poartă denumirea de Uniunea Internațională a Științelor Solului, care a fost înființată în anul 1924. [11]

Ideile și concepțiile rusești privind formarea și distribuția solului au primit acceptarea internațională în perioada interbelică. Tot în aceea perioadă, au fost dezvoltate mai multe tehnici de analiză a solului, iar baza de cunoaștere a științei solului s-a extins rapid. [12]

Odată cu dezvoltarea unor noi tehnici analitice și a unui schimb de rezultate ale cercetării a apărut nevoia de standardizare metode de analiză, descriere și interpretare a solurilor. Aceasta a fost recunoscută și prioritizată de Societatea Internațională de Științe a Solului, precum și de Societatea Științelor Solului din America. Bazele cunoașterii științei solului s-au extins rapid în prima jumătate a secolului XX cu descoperiri importante în toate domeniile. Știința solului a devenit relevantă în multe domenii, diferite decât agricultura și se ramifică în multe alte discipline științifice.

De la începutul anilor 1990, nu a existat un interes concentrat asupra științei solului care a dus la închiderea sau fuzionarea departamentelor universitare, la reducerea numărului de centre de cercetare și la scăderea numărului de studenți care să studieze solul. În ultimii 10 ani, a avut loc o renaștere în știința solului, iar solurile sunt din nou în atenția globală. [13]

CAPITOLUL 3

CONSIDERAȚII TEORETICE NECESARE ÎNȚELEGRII CONCEPTULUI DE UMIDITATE ÎN SOL

3.1 Solul

Solul este definit ca stratul de la suprafața scoarței terestre. Este format din particule minerale, materii organice, apă aer și organisme vii. Este un sistem foarte dinamic care îndeplinește multe funcții și este vital pentru activitățile umane și pentru supraviețuirea ecosistemelor. [1]

Fig. 3.1. Solul [16]

Ca interfață dintre pământ, aer și apă, solul este o resursă neregenerabilă care îndeplinește mai multe funcții vitale:

producerea de hrană/biomasă;

depozitare, filtrarea și transformarea multor substanțe (incluzând apa, carbonul, azotul);

sursă de biodiversitate, habitate, specii și gene;

servește drept platformă/mediu fizic pentru oameni și activități umane;

sursa de materii prime, bazin carbonifer;

patrimoniu geologic și arheologic. [1]

Noțiunea de sol este indisolubil legată de productivitatea, care depinde de ciclul de conversie, adică de viteza repunerii în circulație a materiei și a energiei din habitatul complex pe care îl formează biocenozele solului care, la rândul lor sunt influențate, printre altele, de chimizarea în exces și unilaterală, ca și de pesticidele ajunse în sol. [2]

Fig. 3.2. Domeniile în care solul are o funcție reprezentativă [2]

Solul reprezintă suprafața fizică utilizată ca loc de așezare a colectivității umane. Solul are ca funcție capitală aceea de suport și de mediu pentru plantele terestre, mijloc principal de producție vegetală – baza existenței omului însuși. [5]

În natură ca și în societatea umană, solul îndeplinește importante funcții globale, care sunt esențiale pentru asigurarea existenței pe Terra, prin acumularea și furnizarea de elemente nutritive și energie organismelor vii si prin asigurarea celorlalte condiții favorabile dezvoltării acestor organisme. [2]

Funcția ecologică:

contribuie la reglarea compoziției atmosferei și a hidrosferei prin participarea solului la circuitul elementelor chimice și respectiv al apei în natură;

contribuie la stabilitatea reliefului, protejând stratele adânci ale scoarței terestre;

prezintă rol de atenuare a variațiilor bruște ale unor caracteristici ale solului, reglând condițiile de dezvoltare ale plantelor;

acționează ca un filtru de protecție, prevenind contaminarea apelor freatice cu diferite substanțe poluante;

asigură condițiile de protecție, funcționare și evoluție normală a biosferei;

determină protecția genetică a unor specii și implicit a biodiversității;

reprezintă habitatul de dezvoltare al organismelor din sol. [3]

Funcția economică:

contribuie la producerea de fitomasă care servește ca materie primă de bază pentru producerea de alimente, îmbrăcăminte, combustibil prin intermediul funcțiilor solului de rezervor și furnizor continuu de apă și nutrienți care-i conferă proprietatea cea mai importantă respectiv fertilitatea solului;

rol în regenerarea capacității de producție a ecosistemelor, prin contribuția esențială la circuitul elementelor chimice în natură. [3]

Funcția energetică:

rol de absorbție a radiației solare și transferul de căldură către atmosferă;

face intermedierea schimbului de energie și substanțe între litosferă și atmosferă. [3]

Funcția industrială:

prezintă un rol important în infrastructură pentru diferite construcții și instalații, drumuri, autostrăzi, aerodromuri, stadioane sau spațiu de instalare de cabluri și conducte subterane;

asigură materii prime pentru diferite ramuri industriale. [3]

Funcția informatică:

semnal pentru declanșarea unor procese biologice sezoniere.

Solul prezintă una din cele mai valoroase resurse naturale, folosită de om pentru a obține produsele vegetale de care are nevoie. Solul, ca și corpurile acvatice, alcătuiesc cele mai importante medii pentru producția de biomasă. [3]

Solul reprezintă un mijloc de producție, principalul mijloc de producție în agricultură și silvicultură, acesta fiind o resursă regenerabilă, atâta timp cât utilizarea sa de către om nu influențează negativ funcționalitatea acestuia.

Rolul principal în formarea învelișului de sol îl au următorii factori: roca, clima, relieful, vegetația și fauna, apa freatică și stagnantă, timpul și activitatea antropică. Toți acești factori au declanșat procesele de pedogeneză care au condus la formarea învelișului de sol. Solul nu se poate forma și nu poate evolua în cazul în care unul din acești factori nu acționează în procesul de pedogeneză. [3]

Componenții solului:

Solurile sunt alcătuite din patru grupe de constituenți: materia minerală, materia organică, apă și aer.

Faza solidă deține 50% din volumul solului, 39% componentul mineral și 11% componentul organic.

Faza lichidă împreună cu cea gazoasă dețin 50% din volumul solului, între 15-35% fiecare, în funcție de umiditatea solului. [4]

Elemente solide:

anorganice:

nealterate: nisip, praf, pietriș;

alterate: săruri minerale, argile, oxizi;

organice:

vii: microorganisme;

moarte: rădăcini, resturi de lemn, humus;

Elemente lichide: apa, substanțele solubile

Elemente gazoase: vapori de apă, aer: O2, H2, CO2;

Glosarul de Științe al Solului din America, a definit solul ca:

Materialul mineral sau organic neconsolidat de pe suprafața imediată a pământului, care servește ca mediu natural pentru creșterea plantelor terestre.

Substanța minerală sau organică neconsolidată de pe suprafața pământului care a fost supusă și prezintă efectele factorilor genetici și de mediu ai: climatului (incluzând efectele de apă și de temperatură), macro și microorganismele condiționate de relief, care acționează asupra materialului părinte după o perioadă de timp. [6]

Solurile reprezintă unul dintre cele mai complexe și dinamice sisteme naturale studiate de oamenii de știință. Cunoașterea proprietăților lor chimice, fizice și biologice este o condiție prealabilă atât pentru susținerea productivității terenurilor, de exemplu agricultura și silvicultura, cât și pentru conservare. [7]

Solul este o parte integrantă a unui ecosistem terestru și îndeplinește numeroase funcții, inclusiv capacitatea de a genera biomasă și activitățile de filtrare sau tamponare dintre atmosferă și apele subterane, în biosferă. [7]

3.2 Proprietățile fizice ale solului

Însușirile fizice influențează regimul aerohidric al solurilor și dezvoltarea sistemului radicular al plantelor. Textura solului reprezintă însușirea cea mai importantă a solului în funcție de aceasta se alege tehnologia de cultură cea mai adecvată, aplicarea irigației și a fertilizării sunt condiționate de textura solului.

Principalele proprietăți fizice ale solului sunt: textura, structura, densitatea, porozitatea, umiditatea. La acestea putem include proprietățile fizic-mecanice: plasticitatea, aderența, gonflarea și contracția, rezistența la penetrare. [15]

Textura solului reprezintă proporția în care particulele de sol de diferite mărimi participă la alcătuirea solului.

Textura reprezintă partea minerală a solului respectiv gradul de fragmentare a părții minerale în componente de diferite mărimi și proporția cu care acesta participă la alcătuirea solului.

Structura solului este dată de totalitate agregatelor structural, întâlnindu-se următoarele tipuri de structură: structura glomerulară, structura grăunțoasă, structura poliedrică angulară, structura poliedrică subangulară, structura senoidală, structura prismatică, structura columnară, structura columnoidă, structura foloasă sau lamelară.

Densitatea reprezintă masa unității de volum din faza solidă și servește la aflarea prin calcul a porozității totale a solului precum și la calculul intervalului în timp și a adâncimii la care trebuie efectuate pipetările la analiza granulometrică a solului. [15]

Porozitatea reprezintă însușirea fizică a solului care cuprinde totalitatea porilor și necapilării din sol. Valori ridicate ale porozității totale indică o capacitate ridicată de reținere a apei, permeabilitatea mare și o aerație bună în sol.

Aplicarea unui management defectuos atrage după sine distrugerea structurii solurilor, creșterea compactității solului cu repercusiuni negative asupra dezvoltării plantelor. [15]

3.2.1 Importanța cunoașterii proprietăților fizice ale solului

Solul este principalul mijloc de protecție în agricultură, care este nereproductiv și inexistibil, de aceea el trebuie gospodărit cu mare grijă. Preocuparea fiecărei țări, a tuturor specialităților din domeniu este ca solul să asigure roade maxime.

O cerință de sporire a producției agricole a fost ridicarea stării de fertilitate a solurilor. Astfel, modernizarea agriculturii a dus la o multitudine de efecte negative asupra mediului înconjurător. Prelucrarea solului cu plugul împreună cu chimizare a condus la o creștere spectaculoasă a producției agricole. Deoarece, s-a efectuat un număr mare de lucrări pe sol și s-au utilizat pe terenuri mașini agricole acestea au avut o influență negativă asupra solurilor: degradarea structurii solului, reducerea activității biologice, compactarea de suprafață și adâncime, scăderea conținutului de humus. Aceste influențe au dus la scăderea fertilității naturale a solului.

Menținerea fertilității naturale a solurilor este promovată de cercetători și specialiști, având în vedere actualele cerințe privind dezvoltarea unei agriculturi durabile. [14]

3.2.2 Profilul de sol

Profilul de sol este rezultatul acțiunii îndelungate a proceselor de dezagregare, alterare și humificare, în urma cărora se formează diferitele componente minerale și organice ale solului. [22]

În formarea profilului de sol intervin procese sub acțiunea cărora componenții minerali și organici ai solului suferă o serie de transformări. totodată, are loc acumularea sau deplasarea unor substanțe pe adâncime, ceea ce determină separarea unor straturi care se numesc orizonturi. Succesiunea naturală a orizonturilor unui sol se numește profil de sol. [22]

Procesele pedogenetice sunt procesele care duc la diferențierea orizonturilor și la dezvoltarea profilului de sol. Aceste procese pot fi: bioacumulare, eluviere – iluviere, alterare specifică, gleizare, stagnogleizare, salinizare și alcalizare. [22]

Procesul pedogenetic de transformare, transformă pe loc componentul mineral și organic. În acest proces este inclus alterarea, bioacumularea, gleizarea și pseudogleizarea. [23]

Fig. 3.3. Procesul de transformare [23]

Determinarea diferențierii profilului de sol, prin deplasarea pe verticală, în interiorul solului a unor componenți poartă denumirea de proces pedogenetic de translocare în acest proces sunt incluse eluvierea, iluvierea, salinizarea și alcalizarea. [23]

Procesele pedogenetice de haploidizare determină uniformizarea profilului de sol,în acest proces sunt incluse procesele vertice, vermice și criogenice. [23]

În cadrul proceselor pedogenetice de adiție și pierdere se adaugă diferite substanțe profilului de sol și se încetinesc solificarea, care determină menținerea solurilor în stadii incipiente de evoluție. [23]

Fig. 3.4. Profilul de sol [23]

Fig. 3.5. Proprietățile profilului de sol [23]

Orizontul de sol este un strat de sol, paralel cu suprafața solului, care se deosebește de stratele de deasupra (supraiacente) și de dedesubt (subiacente), care are o strânsă legatură prin proprietățile sale fizice, chimice, mineralogice. Un orizont de sol este delimitat de cele învecinate prin proprietăți care pot fi determinate pe teren (culoarea, textura, structura solului), dare pentru completarea observațiilor din teren sunt necesare uneori determinări de laborator. [24]

Orizonturile de sol pot fi organice și minerale.

Orizontul O (organic nehidromorf) este un orizont format la suprafața solului în condițiile unui mediu nesaturat cu apă în cea mai mare arte a anului, apare la majoritatea solurilor de sub pădure.

Orizontul T (organic hidromorf) este un orizont organic format într-un mediu saturat în apă în cea mai mare parte a anului.

Fig. 3.6. Orizonturi organice [24]

Orizonturile de bază sunt orizonturile minerale, A, B, E, C, R.

Orizontul A este un orizont mineral care s-a format în partea superioară a profilului de sol, prin acumularea materiei organice humificate cu partea minerală. Orizontul A poate fi orizont A molic, orizont A umbric, orizont A ocric. [24]

Orizontul E este un orizont mineral, sărac în argilă și materie organică, în schimb este bogat în cuarț rezidual. Orizontul E se împarte în: orizont E luvic, orizont E albic și orizont E spodic. [24]

Orizontul B este un orizont mineral format sub un orizont A sau E, prin alterarea materialului parental, care poate fi bogat în argilă și/sau în materie organică. Orizontul B poate fi orizont B cambic, orizont B textural sau orizont B spodic. [24]

Fig. 3.7. Orizont A molic[24] Fig. 3.8. Orizont A umbric [24] Fig. 3.9. Orizont A ocric [24]

Fig. 3.10. Orizont E luvic24] Fig. 3.11. Orizont E albic[24] Fig.3.12. Orizont E spodic[24]

Fig.3.13. Orizont B cambic[24] Fig.3.14. Orizont B argic[24] Fig. 3.15. Orizont B spodic[24]

Profilul de sol se analizează în teren prin realizarea unei secțiuni:

Fig. 3.16. Realizarea unei secțiuni pentru analizarea profilului de sol [24]

3.2.3 Textura solului

Textura solului este cea mai importantă însușire a solului, iar în funcție de aceasta se alege tehnologia de cultură cea mai adecvată, aplicarea irigației și a fertilizării. [17]

Textura solului este un termen folosit pentru a descrie distribuția diferitelor dimensiuni ale particulelor mineral într-un sol. Principala influență a texturii este asupra permeabilității, care în general scade odată cu diminuarea dimensiunii particulelor. [18]

Faza solidă a solului este alcătuită din substanțe organice și minerale. Partea minerală este formată din particule elementare de diferite mărim, care oferă însușiri și funcții specifice solului. Mărimea particulelor elementare ale solului este un important factor în alcătuirea fazei solide a solului, deoarece aceasta este complex din punct de vedere chimic, mineralogic și fizic. [17]

Particula elementară este particula solidă minerală silicatică, care nu se poate împărți în alte particule mai mici chiar dacă se supune unor tratamente fizico-chimice. Această particulă poate fi divizată numai prin sfărâmare sau dispersie. În cadrul părții minerale silicatice se separă o serie de componente după mărimea particulelor elementare numite fracțiuni granulometrice. Acestea sunt reprezentate prin partea fină alcătuită din particule cu dimensiuni mai mici de 2 mm (argilă, praf și nisip) și partea grosieră formată din materiale cu diversiuni mai mari de 2 mm, care reprezintă scheletul solului. [17]

Solurile evoluate sunt alcătuite din fracțiuni granulometrice cu dimensiuni < 2 mm, care determină textura solului. [17]

Nisipul (2-0,02 mm) datorită alcătuirii sale mineralogice, în care predomină cuarțul și minerale primare nealterate, prezintă o suprafață specifică foarte mică, permeabilitate ridicată, capacitate de reținere a apei și a elementelor nutritive foarte redusă, este necoeziv și neplastic. Solurile în care predomină nisipul, sunt sărace în baze și elemente nutritive, nu rețin apa și nu satisfac cerințele de creștere și dezvoltare ale plantelor. [17]

Praful (0,02-0,002) prezintă însușiri intermediare între nisip și argilă, aceste conferă o plasticitate și coeziune moderată și mărește capacitatea de reținere a apei și a elementelor nutritive. O proporție ridicată a prafului determină în sol unele proprietăți nefavorabile în ceea ce privește compactarea solului și contribuie la o slabă structurare a agregatelor, favorizând formarea crustei la suprafața solului cu repercusiuni nefavorabile asupra răsăririi plantelor. [17]

Argila (<0,002 mm) este componenta cea mai importantă a solului, deoarece are un conținut redus în siliciu, ridicat în baze, iar printre minerale predomină silicații secundari hidratați de tipul mineralelor argiloase. Solurile în care predomină argila prezintă plasticitate și aderență ridicată, capacitate mare de reținere a apei și a elementelor nutritive, suprafață specifică foarte mare, favorizând desfășurarea proceselor fizico-chimice și biologice din soluri și îmbunătățirea fertilității solului. [17]

3.2.4 Structura solului

Structura solului este determinată de textura solului care este organizată la nivel superior în formații cu diferite forme și mărimi care poartă denumirea de agregate structurale. [20]

Agregatele structurale pot participa la diferite procese:

coagularea – unde există soluții de săruri cu rol coagulator; caracterizează solurile halomorfe bogate în săruri solubile;

cimentară – prin mijlocirea unui ciment (liant) = humus, argilă, carbonat de calciu, oxizi de fier, secreții ale plantelor;

fragmentarea – crăparea sau ruperea materialului de sol prin acțiunea mecanică a rădăcinilor plantelor, acțiunii faunei din sol. (20)

Orizonturile de sol pot fi nestructurate:

orizonturi necoezive, foarte nisipoase; se formează fie prin eluvierea intensă a elementelor mai fine, fie direct pe depozite nisipoase;

orizonturi masive, cu particulele de sol cimentate între ele într-un strat continuu; masivitatea poate apărea în cazul în care nisipul devine coeziv în stare umedă; (20)

Fig. 3.17. Orizont necoeziv [20] Fig. 3.18. Orizont masiv [20]

Determinarea structurii solului se realizează după trei criterii:

formă;

mărime;

grad de structurare;

Structura solului este importantă pentru că asigură permeabilitatea și capacitatea de reținere a apei. Totodată, aceasta îmbunătățește regimul substanțelor nutritive din sol și diminuează intensitatea eroziunii. [20]

3.2.5 Umiditatea

Umiditatea actuală sau momentană a solului reprezintă cantitatea de apă existentă într-o probă de sol, exprimată în % față de greutatea solului uscat. [21]

Pentru aprecierea orientativ a gradului de umiditate, se poate folosi hârtia de filtru, care stabilește următoarele stări de umiditate:

uscat – eliberează praf, prin umezire se închide la culoare;

reavăn – nu eliberează praf, nu umezește hârtia de filtru, dar lasă o senzație de rece la presarea în palmă;

jilav – proba de sol umezește prin presare hârtia de filtru, prin uscare, se deschide la culoare;

umed – solul strâns în pumn, umezește mâna, apa lucește în palmă, proba de sol umezește hârtia de filtru;

ud – proba de sol strânsă în pumn lasă să curgă picături de apă;

saturat – solul este îmbibat cu apă; [21]

Pentru determinarea umidității solului sunt necesare: probe de sol, creuzet de porțelan, spatulă, balanță, etuvă și clește de laborator. Modul de lucru pentru determinarea umidității constă în: aducerea creuzetului la masa constantă, cântărirea probei de sol umed, uscarea probe de sol până la masa constantă, cântărirea probei de sol și calcului umidității. [17]

Capacitatea totală de apă reprezintă cantitatea maximă de apă dintr-un sol saturat cu apă. Sunt puține situații, când solul este saturat de apă, de exemplu: exces de umiditate, irigări abundente sau ploi abundente. Dacă solul este prea umed, plantele au de suferit din cauza lisei de aer. Plantele nu suportă condiția solului saturat cu apă, excepție este orezul. [21]

Perioada în care stratul fertil este saturat cu apă nu durează mult. După încetarea ploi abundente apa prezentă în porii mari se deplasează gravitațional spre baza profilului de sol și este înlocuită de aer, acest proces poartă denumirea de drenaj. În solurile nisipoase drenajul se finalizează în câteva ore, pe când în solurile argiloase se finalizează în câteva zile.

Fig. 3.19. Comparație din punct de vedere al drenajului între un material nisipos și unul argilos [21]

Capacitatea de apă în câmp reprezintă cantitatea de apă rămasă în sol după o ploaie sau irigare abundentă. Proprietățile care influențează capacitatea de apă în câmp sunt textura și structura solului. [21]

Fig. 3.20. Soluri aflate în diferite stadii de umiditate [21]

Coeficientul de higroscopicitate este cantitatea maximă de apă pe care o probă de sol, uscată la aer, o poate reține la suprafața particulelor, atunci când se află într-o atmosferă saturată cu vapori. [17]

Coeficientul de ofilire este limita minimă de apă din sol la care plantele se ofilesc ireversibil. Este de 2 % la solurile nisipoase și până la 24 % la cele argiloase. Umiditatea la coeficientul de sol este caracterizat de tipul de sol și este independentă de plantă. [17]

Pentru irigare este important să cunoaștem capacitatea de apă utilă care se aplică la o udare. Capacitatea de apă utilă este diferența dintre capacitatea de apă în câmp și coeficientul de ofilire.

Capacitatea de apă utilă este diferită de la un tip de sol la altul în funcție de proprietățile solului care influențează și capacitatea de apă în câmp și coeficientul de ofilire.

3.2.6 Densitatea solului

Densitatea sau greutatea specifică este raportul dintre masa și volumul unui corp, respectiv masa unității de volum:

;

unde: D – densitatea (g/cm3)

M- masa solului uscat (g)

Vs – volumul particulelor solide ale solului (cm3)

Densitatea se determină cu ajutorul compoziției mineralogice și de conținutul în humus aflat în sol. Cu cât conținutul în humus este mai ridicat, cu atât densitatea este mai mică. Densitatea se modifică greu în timp. Pentru determinarea acesteia se recoltează probe de sol cu ajutorul unor cilindri metalici cu volum cunoscut. Această metodă de determinare poartă denumirea metodei picnometrului. De obicei, densitatea solului se află în intervalul 2,5-2,7 g/ cm3. [17]

3.3 Metode de măsurare a umidității în sol

Subiectul umidității solului este un subiect de interes în agricultură. Timp de secole fermierul a luat și a simțit în mână solul pentru a determina cea mai bună perioadă de a prelucra terenurile.

Conținutul de umiditate al solului este un factor major care determină creșterea plantelor, în special în sistemele irigate.

Cantitatea de umiditate în sol este, de asemenea , de mare importanță în ingineria hidrologică, silvicultură și ingineria solului. În consecință, în ultimii 50 de ani, s-au depus multe eforturi pentru dezvoltarea metodelor și echipamentelor pentru măsurarea umidității.

Determinarea umidității solului este una dintre cele mai dificile măsurări necesare în domeniul hidrologiei. Măsurarea umidității solului variază de la metoda de simțire a solului până la utilizarea echipamentelor electronice complicate care utilizează substanțe radioactive. Dezvoltarea echipamentelor a fost îndreptată în principal spre instrumentele care măsoară continuu schimbările în conținutul de umiditate la un singur punct de prelevare. [19]

În prezent, există numeroase și variate metod de determinare a conținutului de apă din sol pe bază de volum (v, m3 m-3) sau pe bază de tensiune (kPa sau bar). [25]

3.3.1 Metoda gravimetrică

Metoda gravimetrică presupune colectarea unui șablon de sol care cântărește eșantionul înainte și după uscare și se calculează conținutul inițial de umiditate. Metoda gravimetrică este cea mai veche (cu excepția metodei antice de a simți solul), dar continuă să fie cea mai răspândită metodă de obținere a datelor privind umiditatea solului. Deoarece, este singurul mod direct de măsurare a umidității solului, este necesar pentru calibrarea echipamentelor utilizate în celelalte metode.[19]

Russeil (H, 1950) și Whitney (A, 1894), descriu unele din primele cercetări științifice privind umiditatea solului folosind metode gravimetrice. Tubul Kirg, pentru colectarea probelo, a fost dezvoltat în 1890 și a fost modificat și îmbunătățit de Veihmeyer (A, 1929). De atunci au fost dezvoltate multe tipuri de echipamente de prelevare a probelor, precum și recipiente și balanțe speciale de uscare pentru utilizarea acestora prin metoda gravimetrică.

Dezavantajul metodei gravimetrice este timpul și efortul necesar pentru obținerea datelor. Este nevoie de mult timp pentru a colecta mostrele, în special de la adâncimi mai mari de câțiva metri, și de asemenea uscarea și cântărirea acestora necesită timp. [19]

Procedura de prelevare a probelor modifică zona experimentului datorită călcării vegetației sau efectuării numeroaselor lucrări.

În aceste condiții, eșantionarea ar putea fi efectuată de pe platforme, iar găurile ar putea fi reumplute. Solurile sunt în mod normal variabile într-o zonă experimentală și, deoarece două probe nu pot fi colectate din același punct, pot fi observate mici variații ale conținutului de umiditate. [19]

Tehnica gravimetrică este exactă, simplă și implică un proces cu costuri reduse. Ca și dezavantaj al acestei metode, putem spune că este o metodă obositoare care implică mai multă muncă distructivă pentru sol și uneori este dificil prelevarea probelor din solurile pietroase. [26]

3.3.2 Metoda de rezistență electrică

Principiul măsurării electrice a umidității solului a fost notat pentru prima dată de Whitney și alții (B, 1897). Au trecut mulți ani, până unitățile electrice au fost dezvoltate cu succes de către Bouyoucos și Mick (B, 1940 a), Colman (B, 1946), Bouyoucos (B, 1949), Youker și Dreibelbis (B, 1951). [19]

Blocurile de rezistență electrică dezvoltate de cei menționați mai sus funcționează pe principiul că rezistența la trecerea unui curent electric dintre doi electrozi îngropați în sol va depinde de conținutul de umiditate al solului. Nailon-ul sau țesătura din fibră de sticlă care înconjoară electrozii permite contactul uniform cu umiditatea solului. Când este îngropat în sol, materialul poros al blocului absoarbe ușor umezeala sau îl dă sus, astfel încât conținutul de umiditate al blocului tinde să rămână în echilibru cu conținutul de umiditate al solului. Aceste modificări ale conținutul de umiditate determină modificări ale rezistenței electrice care sunt măsurate cu ajutorul unui contor la suprafață. Rezistența citită pe contor este convertită la valorile umidității prin intermediul unei diagrame de calibrare. Graficul de calibrare se elaborează prin corelarea, fie pe teren, fie în laborator, a valorilor gravimetrice ale conținutului de umiditate și a valorilor de rezistență pentru sol în care blocurile sunt îngropate. Etalonarea la laborator constă în uscarea și cântărirea intermitentă a miezurilor de sol în care au fost introduse blocuri. Etalonarea câmpului constă în prelevarea de eșantioane gravimetrice cât mai aproape posibil de blocurile care au fost îngropate în câmp și legarea conținutului de umiditate al eșantionului la rezistența măsurată. [19]

Două principale tipuri de module sunt în folosite momentan, modulul din fibră de sticlă dezvoltat de Colman și Hendrix (B, 1949) și modulul de ghips dezvoltat de Bouyoucos și Mick (B, 1940a). Modulul din fibră de sticlă Colman este de asemenea disponibil cu un termistor integrat, astfel încât să se poată măsura temperaturile solului și rezistența poate fi corectată la o temperatură comună. (Corecții pentru temperaturi sunt necesare pentru blocurile de rezistență dacă sunt necesare rezultate precise). Pentru citirea valorilor de rezistență sunt utilizate două tipuri generale de măsurători: contorul Colman și podul Bouyoucos. Modulele pot fi de asemenea conectate la un recorder pentru obținerea unei înregistrări continue (Korty and Kohnke, B, 1953).

Fig. 3.21. Contorul Colman si unitatea Fiberglas [19]

Concentrația de sare în umiditatea solului afectează semnificativ rezultatele obținute prin utilizarea blocurilor de umiditate a solului. O scădere a rezistenței se corelează cu o creștere a concentrației de sare, dar modificările concentrației de sare în orice loc sunt unice, în general, neglijabile în majoritatea condițiilor. Blocurile necesită un efort relativ mic și se pot citi rapid.

Modulele din fibră de sticlă sunt mai ușor de instalat, deoarece sunt mai subțiri și pot fi inserate în sol fără deranj. Viteza de citire este mai mare cu contorul Colman, și în solurile bine drenate, modulele sunt destul de durabile și au o durată de viață de la 3 până la 4 ani. [19]

3.3.3 Difuzia termică

Teoria de bază privind măsurarea umidității utilizând celule de căldură – difuziune a fost implementată de Patten (C, 1909). Shaw și Baver (C, 1939a) au sugerat modificarea design-ului celulei, iar Kersten (C, 1948), Momin (C, 1947), Aldous, Lawton și Mainfort (C, 1952) au testat design-ul sugerat de Shaw și Baver cu o serie de modificări. [19]

Metoda difuziei termice se bazează pe principiul că conductivitatea termică a solului variază în funcție de conținutul său de umiditate. Creșterea temperaturii este cauzată de o sursă de căldură activată electric, care este instalat în sol și măsoară temperatura cu un dispozitiv sensibil care este corelat c conținutul de umiditate. Partea umedă va conduce rapid căldura departe de sursa de căldură din celulă și va avea astfel o creștere mai mică a temperaturii decât solul uscat. [19]

Utilizarea celulelor de difuziune termică a indicat faptul că modulele sunt sensibile la variațiile minore ale construcției. Celulele sunt nesatisfăcătoare atunci când sunt utilizate în soluri la conținuturi de umiditate deasupra capacității câmpului; în solurile de înaltă densitate se pierde contactul între celulă și sol, deoarece conținutul de umiditate scade și se obțin rezultate neregulate până când se atinge limita de contracție.

Celulele cu difuzie termică necesită calibrare pentru diferite tipuri de soluri și densități diferite, dar dezvoltatorii au observat că concentrațiile de sare în anumite limite nu afectează citirile. Celule cu difuziune termică nu pot fi instalate în sol la adâncimi mai mari de 5 metri. Aceste celule nu au fost utilizate pe scară largă și nu sunt disponibile în prezent din surse comerciale. [19]

3.3.4 Absorbție

Livingston și Koketsu (D, 1920) au fost cei care au dezvoltat puncte poroase sau module care ar absorbi umezeala din zona adiacentă când acestea sunt instalate în sol. Umiditatea solului se estimează din variația de greutate a punctelor sau modulelor. Davis și Slater (d, 1942)au folosit un bloc de absorbție constând dintr-o cameră poroasă care avea un dop închis care putea fi îndepărtat pentru cântărire. [19]

Dimbleby (D, 1954) a dezvoltat un bloc de absorbție tip creion care este blocat în sol, iar conținutul de umiditate este estimat din modificările de culoare ale ”creionului”.

Această metodă este mai calitativă decât cantitativă și acesta nu a fost folosit niciodată pe scară largă. [19]

3.3.5 Metoda tensiometrică

Un tensiometru constă dintr-un punct poros sau o cană, de obicei ceramică, conectată printr-un tub la un dispozitiv de măsurare a presiunii. Sistemul este umplut cu apă și apa din cană întră în echilibru cu umiditatea din solul înconjurător. Apa curge cană pe măsură ce solul se usucă și creează o tensiune mai mare sau invers, dacă solul devine mai umed, tensiunea scade. Aceste modificări ale tensiunii sunt indicate pe un dispozitiv de măsurare, în general, un tub Bourdon sau un manometru cu mercur.

Fig. 3.22. Tensiometre [19]

Tensiometrele sunt afectate de temperatură. Gradienții de temperatură dintre punctul poros al tensiometrului și sol poate cauza variații ale citirilor de tensiune. (19)

Concentrația de sare din sol sau din apă poate afecta metodele de măsurare utilizând tensiometrul mai puțin decât metodele de măsurare electrice. S. J, Richards (E, 1938) a precizat că tensiometrele prezintă un efect de histerezis, acestea au tendința de a da o tensiune ,ai mare de umiditate a solului în timpul uscării acestora decât în timpul udării solului. [19]

Tensiometrul este probabil cel mai ușor de instalat și cel mai rapid de citit echipament de măsurare a umidității solului. În prezent, tensiometrele nu sunt adecvate pentru instalare la adâncimi mai mari de aproximativ 6 metri. [19]

Ca și avantaje ale acestei metode putem menționa că această metodă oferă citiri directe și continue; nu este necesară alimentarea la energie electrică. Tensiometrele cu lungime variabilă sunt disponibile pentru a lua orice măsurătoare de umiditate cu adâncime variabilă. Sunt necesare abilități minime pentru citirea rezultatelor și este un sistem ieftin. Dezavantajele acestei metode ar fi timpul de răspuns lent, este necesară o manipulare a echipamentului și este nevoie de o întreținere frecventă. [26]

3.3.6 Înfiltrare

Conținutul de umiditate poate fi estimat prin corelarea cu forța necesară prin împingerea unui instrument în sol. Allyn și Work (F, 1941a) au dezvoltat un instrument care a măsurat forța necesară pentru a împinge o pereche de ace într-un miez de sol. [19]

Echipamentul de penetrare trebuie calibrat pentru fiecare tip de sol pentru a obține relația dintre rezistența la penetrare și conținutul de umiditate. Metoda este foarte rapidă, deși echipamentul este dificil de utilizate în soluri pietroase.

Echipamentul de penetrare a fost proiectat de Waterways Experiment Stations, Corpul Inginerilor și aceasta constă dintr-o conductă cu un punct in partea de jos și un mâner T care conține un dispozitiv de indicare a presiunii în partea superioară. Adâncimea de înfiltrare/penetrare este limitată de cantitatea de forță disponibilă. [19]

3.3.7 Metoda radioactivă

Metoda radioactivă a fost introdusă în măsurarea umidității solului în anii 1950. Această metodă se bazează pe principiul măsurării încetinirii neutronilor emise în sol dintr-o sursă de neutroni rapizi. Pierderea de energie este mult mai mare în cazul coliziunilor cu neutroni cu atomi cu greutate atomică scăzută și este proporțională cu numărul de astfel de atomi prezenți în sol. Efectul unor astfel de coliziuni este acela de a schimba un neutron rapid la un neutron lent. Hidrogenul, care este elementul principal al greutății atomice scăzute găsit în sol, se găsește în mare parte în moleculele apei din sol. Numărul de neutroni lenți detectați de un tub de contor după emisia de neutroni rapizi dintr-un tub de sursă radioactivă este indicat pe un dispozitiv de etanșare. [19]

Metoda radioactivă indică cantitatea de apă pe unitatea de volum a solului.

Fig. 3.23. Echipament utilizat pentru măsurarea umidității în sol cu metoda radioactivă [19]

Majoritatea cercetătorilor au precizat că această metodă este foarte precis. Cu toate acestea, pentru a obține o valoare cât mai precisă, se recomandă ca sonda să fie calibrată în tipul de sol care urmează să fie testat și tipul carcasei în care urmează să se introducă sonda să fie coborât. Concentrația de sare nu influențează măsurătorile utilizând această metodă. [19]

Există riscuri radioactive datorate utilizării acestui echipament. Pericolul expunerii este proporțional cu distanța dintre sursă și operator și cu durata de expunere. Astfel, cea mai mare parte a pericolului poate fi minimizată prin manipularea corectă a echipamentelor.

Această metodă necesită foarte mult timp, mai ales dacă se ia în calcul și timpul calibrării. Echipamentul este greu și sensibil, astfel șansele ca acest echipament să eșueze sunt mari. Se pierde mult timp pentru reparații și pentru recalibrarea necesară după fiecare reparație. Totodată, repararea dispozitivului de etanșare poate necesita serviciile unui specialist în electronică. [19]

3.4 Aparate de măsură utilizate

O metodă de măsurare a umidității este cu ajutorul simțurilor: văz, pipăit, culoare, aspect și se face observând solul și încadrarea acestuia în una din următoarele categorii:

uscat – solul nu lasă senzația de umezeală când este strâns în palmă și nu răcește mâna, ținut la soare nu își schimbă culoarea prin uscare. Solul nisipos curge, iar cel argilos se desface în grăunțe mari;

uscat – reavăn – solul strâns în palmă lasă o ușoară senzație de umezeală;

reavăn – solul strâns în palmă lasă o senzație de umezeală, dar nu umezește mâna o strângere puternică, printr-o strângere în palmă apare senzația de răcoare, se decolorează puțin prin uscare la soare.;

reavăn – jilav – în palmă solul lasă o senzație de umezeală accentuat, iar printr-o strângere puternică pielea se va umezi ușor;

jilav – solul ținut în palmă umezește bine pielea, dar nu lasă să se vadă apa nici atunci când este strâns în mână;

jilav – umed – solul umezește bine mâna la strângere și în urma strângerii puternice în palmă se observă puțină apă;

umed – solul umezește mâna fără strângere, lasă să se vadă bine apa, dar nu picură;

umed – ud – solul prin strângere puternică lasă apa să picure printre degete;

ud – solul lasă să picure apa de la sine sau printr-o strângere ușoară apa picură printre degete. [27]

Fig. 3. 24. Metoda de măsurare a umidității prin pipăit [28]

Ca și avantaje putem menționa, că nu este necesar un senzor electronic, dezavantajul acestei metode de măsurare ar fi dificultatea și costul de obținere a probelor din orizonturile inferioare ale solului. [28]

Tensiometre:

Așa cum sugerează și numele, aceste aparate măsoară tensiunea dintre apa solului și sol. Un tensiometru clasic are un tub plin de apă la instalare și apa este îndepărtată din tub prin orice tensiune din apa din sol, lăsând un vid în tubul care este în echilibru și opoziție față de tensiunea de apă a solului din sol. Dispozitivele de înaltă tehnologie folosesc senzori de presiune electronici și nu au nevoie de reumplere dacă tensiunea de apă a solului golește rezervorul. Un manometru afișează puterea vacuumului. [28]

Tubul are o lungime de aproximativ 1 metru și este capabil să producă aproape 1 bar de tensiune. (100kPa).

Avantajele acestui aparat sunt:

cost scăzut;

metodă precisă;

noile tipuri de tensiometre au module electronice pentru măsurarea continuă;

Dezavantaje:

necesită o instalare atentă;

gamă mică de măsurare a tensiunii (0 până la 1 bar) [28]

Fig. 3.25. Tensiometru [29]

Penetrometre

Mulți fermieri poartă cu ei în mașină un penetrometru de sol, care este cunoscut și sun=b denumirea de ”sondă de împingere”. Este alcătuit dintr-o tijă de oțel care se introduce în sol. O minge sau margine pe capăt are un diametru mai mare decât tija și împiedică interferența prin aspirație pe tijă. De obicei, se ușor de împins acest aparat în solul umed, mai dificil este pe solul uscat. Se presupune că solul este umed la adâncimea de penetrare a sondei. Această metodă a fost folosită și evaluată de cercetători de zeci de ani. A fost promovat de o varietate de departamente de stat din Australia precum și de CSIRO.

Avantaje:

– foarte robust

– măsurători rapide

– independent de salinitate.

Dezavantaje:

interferențe de la compactare

în mod ideal, necesită cunoașterea cantității de mm apă pe cm2 penetrat.

j

Fig. 3.25. Tija utilizată pentru măsurarea umidității [28]

CAPITOLUL 4

PROIECTAREA ȘI REALIZAREA UNUI SISTEM MECATRONIC PENTRU MONIORIZAREA UMIDITĂȚII ÎN SOL

Pentru proba practică am ales să construiesc un dispozitiv experimental, un sistem cu ajutorul căruia să pot realiza o serie de măsurători asupra umidității solului pentru a putea monitoriza mai atent starea solului într-o seră.

Acest sistem este adresat persoanelor care prelucrează solul, de exemplu persoanele care iubesc florile, persoanele care au o seră și astfel pot monitoriza solul pentru a avea roade maxime.

Acest sistem poate fi utilizat de oricine, nu este nevoie de cunoștințe speciale pentru a putea monitoriza umiditatea din sol.

Sistemul este alcătuit dintr-un senzor de umiditate care este conectat la o plăcuță Arduino, ce măsoară umiditatea în sol, iar plăcuța este conectată la un calculator. Astfel, prin rularea programului se poate afișa graficul umidității în sol sau doar valorile obținute după fiecare măsurătoare.

Cu ajutorul acestui dispozitiv se poate pune în evidență dacă solul este ud sau uscat. Scopul acestui sistem este de a monitoriza umiditatea și de a ține la curent agricultorul pentru o mai bună cunoaștere a solului pe care îl prelcrează.

4.1 Placa Arduino Mega 2560 V3

Arduino este una dintre cele mai simplu de utilizat platformă cu microcontroller. Poate fi considerat ca un minicalculator, este capabil să culeagă informații din mediu și să reacționeze la acestea. [30]

O plăcuță Arduino este compusă dintr-un microcontroller Atmel AVR de 8-, 16-, sau 32-biți cu componente complementare care facilitează programarea și incorporarea în alte circuite. Arduino dispune de conectori standard, care permit utilizatorului să conecteze plăcuța cu procesorul la diferite module interschimbabile numite shield-uri. Unele shield-uri comunică cu Arduino direct prin pinii digitali sau analogici, dar altele sunt adresabile individual prin magistrala serială I2C (Inter-Integrated Circuit) permițând utilizarea mai multor module în paralel.

La nivel conceptual, când se folosește mediul de dezvoltare integrat Arduino, programarea tuturor plăcuțelor se face prin conexiune serială. Implementarea acesteia diferă în funcție de versiunea hardware. Unele plăcuțe Arduino au implementate convertoare de nivel logic pentru a realiza conversia între nivelele logice RS-232 și cele TTL. Plăcuțele Arduino din prezent sunt programate prin USB, având integrate cipuri de conversie USB-serial, cum ar fi FTDI FT232. Unele modele UNO, mai noi, folosesc un cip AVR separat programat să funcționeze ca un convertor USB-serial, care poate fi reprogramat printr-un port ICSP dedicat. Alte variante, cum ar fi Arduino Mini și versiunea neoficială Boarduino, folosesc adaptoare detașabile USB-serial, cabluri, Bluetooth sau alte metode. [32]

Plăcuța Arduino are expuși mulți dintre pinii de intrare/ieșire ai microcontrolerului, pentru ca aceștia să fie folosiți de alte circuite. Diecimila, Duemilanove și UNO oferă 14 pini digitali de intrare/ieșire, dintre care 6 pot produce semnale PWM și 6 intrări analogice, care, de asemenea, pot fi folosite ca intrări/ieșiri digitale. Acești pini sunt accesibili prin partea superioară a plăcuței, prin intermediul unor barete mamă cu pasul între pini de 2,54 mm. [32]

Programele Arduino pot fi scrise în orice limbaj de programare cu un compilator capabil să producă un cod mașină binar. Atmel oferă un mediu de dezvoltare pentru microcontrolerele sale, AVR Studio și mai nou, Atmel Studio. [33]

Proiectul Arduino, oferă un mediu integrat de dezvoltare (IDE), care este o aplicație cross – platform, scrisă în Java. Acesta își are originile în mediul de dezvoltare pentru limbajul de programare Processing și în proiectul Wiring. Este proiectat pentru a introduce programarea în lumea artiștilor și a celor nefamiliarizați cu dezvoltarea software. Include un editor de cod cu funcții ca evidențierea sintaxelor, potrivirea acoladelor și spațierea automată, și oferă mecanisme simple cu un singur click, pentru a compila și a încărca programele în plăcuța Arduino. Un program scris în IDE pentru Arduino se numește sketch. [34]

Placa utilizată pentru realizarea părții practice este placa Arduino Mega 2560 v3.

Fig. 4.1. Placa Arduino Mega 2560 V3 [35]

Placa Arduino Mega se conectează la portul USB al calculatorului folosind un cablu de tip USB A – B, de asemenea, poate fi alimentată extern (din priză) folosind un alimentator extern.

Specificații tehnice [36]:

Microcontroler: Atmega 2560

Tensiune de lucru: 5 V

Tensiune de intrare (recmandat): 7 – 12 V

Tensiune de intrare (limite): 6 – 20 V

Pini digitali: 54 (14 PWM output)

Pini analogici: 16

Curent de ieșire 40 mA

Curent de ieșire 3,3 V Pin: 50 mA

Flash Memory: 256 KB, 8 KB pentru bootloader

SRAM: 8KB

EEPROM: 4 KN

Clock: 16 MHz

4.2 Senzorul de umiditate

Senzorul de umiditate este un senzor plug – and – play concepute pentru Arduino. Este un senzor care indica umiditatea în sol. Acest senzor poate fi utilizat de către studenți, dezvoltatori de aplicații care vor să monitorizeze umiditatea în sol. Senzorul este ușor de utilizat, cele două plăcuțe expuse funcționează ca probe pentru senzor, acționând ca un rezistor variabil. Cu cât este mau multă apă în sol cu atât conductivitatea dintre plăcuțe va fi mai mare și rezistența mai mică.

Senzorul de umiditate este format din două părți componente: circuitul PCB ce conține comparatorul și partea care se înfige în pământ. Cea din urmă se conectează la circuit și, mai departe, conexiunea se realizează cu circuitul. Se pot culege date analogice sau digitale, în funcție de preferințe.

Caracteristici tehnice:

Tensiune de alimentare: 3,3 – 5V;

Ieșire analogică sau digitală;

Comparator LM393;

Reglare tensiune de referință prin potențiometru;

Dimensiuni PCB: 32 mm x 14 mm.

Fig. 4.2. Schema senzorului de umiditate[36]

Fig. 4.3. Schema electrică a senzorului de umiditate [36]

Fig. 4.4. Senzorul de umiditate [37]

4.3 Realizarea practică a sistemului mecatronic

În acest subcapitol este prezentat realizarea practică a lucrării de disertație. Este prezentat modul în care s-a conectat placa Arduino la calculator, conectarea și programarea senzorului de umiditate, prezentarea codului sursă utilizat pentru senzor, respectiv afișarea valorilor măsurate obținute.

Primul pas pentru realizarea unui dispozitiv care măsoară umiditatea în sol utilizând placa Arduino și senzorul de umiditate este descărcarea soft-ului Arduino de pe site-ul lor oficial www.arduino.org varianta 1.6.9 și instalarea acestuia. După instalarea soft-ului, aceasta se deschide și este necesar să selectăm denumirea plăcii pe care o folosim în aplicația noastră.

Fig. 4.5. Selectarea plăcii din soft-ul Arduino.

În continuare, este necesar selectarea portului din soft-ul Arduino, care trebuie să coincidă cu portul din Device Manager al calculatorului:

Fig. 4.6. Verificarea portului utilizat la placa Arduino

Pasul următor este conectarea senzorului de umiditate la placa Arduino. Aceasta constă în conectarea a 3 cabluri diferențiate prin trei culori diferite (Fig. 4.7):

Cablul de culoare albastru de la senzor se conectează la portul A0 al plăcii Arduino;

Cablul de culoare roșu se conectează la portul GND;

Cablul de culoare gri se conectează la portul de 5V al plăcii.

După conectarea cablurilor, se conectează placa Arduino la PC prin portul USB.

Fig. 4.7. Conectarea cablurilor la placa Arduino

În figura ce urmează se poate observa că senzorul de umiditate a fost conectat la partea care se înfige în pământ și circuitul a fost conectat la placa Arduino, respectiv conectarea plăcii la PC a fost corectă.

Fig. 4.8. Conectarea senzorului de umiditate la placa Arduino

Următorul pas este scrierea codului de sursă. După ce a fost scris codul în soft-ul Arduino este recomandat să verificăm codul scris apăsând „Verify” sau Ctrl+R. Această comandă ne spune dacă există erori în codul scris, iar dacă există ne dă un mesaj în care ne spune ce nu este precizat în codul respectiv. După ce verificăm codul și această rezultă că, codul nostru este corect urmează comanda „Upload” sau Ctrl+U pentru a încărca programul.

Orice program Arduino are doua secțiuni. Secțiunea "setup", care este rulată doar o singură dată, atunci când placa este alimentată (sau este apăsat butonul "Reset"), și secțiunea "loop", care este rulată în ciclu, atât timp cât este alimentată placa. Astfel, în rutina "setup" vom pune de obicei cod de inițializare, iar în rutina "loop" vom scrie partea principală a programului nostru.

Fig. 4.9. Codul sursă pentru senzorul de umiditate

După încărcarea programului, se ia senzorul de umiditate și se înfige în pământ, după cum se poate vedea în figura de mai jos.

Fig 4.10. Introducerea senzorului de umiditate în pământ

Pentru afișarea rezultatelor măsurării de către senzorul de umiditate în softul Arduino se utilizează comanda „Tools – Serial Monitor” sau Ctrl+Shift+M. Acesta afișează fiecare valoare măsurată la 1200 ms (milisecunde).

Fig.4.11. Afișarea umidității pe calculator

Pentru a genera un grafic se utilizează comanda „Tools – Serial Plotter” sau Ctrl+Shift+L.

Fig. 4.12. Generarea unui grafic în urma măsurătorilor în timp real

Pentru a monitoriza umiditatea în sol am folosit o plantă. Am măsurat umiditatea acestuia fără să fie udată. Rezultatele se pot vedea în figura de mai jos.

Fig. 4.13. Valorile umidității afișate la o plantă care nu este udată

După ce am măsurat valorile umidității la planta care nu este udată, am udat planta și am repetat măsurătoarea

Fig. 4.14. Planta după ce a fost udată

Fig. 4.15. Valorile măsurate într-un sol ud

Cu ajutorul acestor măsurători se poate crea o bază de date pentru a avea o evidență continuă a umidității.

CAPITOLUL 5

CONCLUZII

Tema abordată în cadrul acestei lucrări de disertație ”Sistem Mecatronic pentru monitorizarea umidității în sol” este reprezentativ pentru știința solului. Monitorizarea umidității este un instrument foarte important în multiple domenii, cum ar fi agricultura, construcțiile, creșterea animalelor.

Scopul lucrării este prezentarea tehnicilor ce stau la baza măsurării umidității în sol. Principala idee constă în realizarea sistemului care măsoară și monitorizează în timp real umiditatea în sol.

Acest sistem este ușor de folosit, la îndemâna oricui, ce poate fi folosit oriunde atât la domiciliu, de exemplu într-un ghiveci de floare, cât și pe câmp sau într-o seră. Pentru utilizarea acestui dispozitiv nu sunt necesare cunoștințe avansate în agricultură sau în programare. Asamblarea elementelor componente se realizează conectând senzorul de umiditate la placa Arduino, utilizând cabluri cu pini. Pentru crearea unei baze de date se poate face o conexiune dintre placa Arduino și un dispozitiv Android salvând valorile recepționate.

Acest dispozitiv ajută persoanele cărora le plac florile, dar uită să le udă sau persoanele care cultivă legume într-o seră, dar nu au o evidență concretă când ar fi necesar irigarea acestora. Achiziționarea unui aparat de măsură a umidității este destul de costisitor, dar acest dispozitiv ar putea ajuta oamenii pentru a avea roade bune în urma prelucrării pământului, deoarece costul elementelor componente este redusă.

Direcții viitoare:

Ca și direcții viitoare, am în vedere următoarele:

Avertizarea utilizatorului prin sms, dacă umiditatea iese din intervalul stabilit.

Conectarea unui sistem de irigare.

Miniaturizarea sistemului folosind Arduino Nano sau Arduino Mini.

BIBLIOGRAFIE

1. ANPM – Ministerul Mediului. Agenția Națională pentru Protecția Mediului. [Online] Iulie 31, 2014. http://www.anpm.ro/.

2. Blaga Gh., Filipov F., Rusu I., Udrescu S., Vasile D. Pedologie. Cluj Napoca: Editura Academic Press, 2005.

3. Mihalache M., Ilie L. Pedologie – Solurile României. București: Editura Dominor, 2008.

4. Traian, Demeter. Pedologie generală – Universitatea din București. București: Editura Credis, 2009.

5. Blaga Gh., Rusu I., Udrescu., Vasile D. Pedologia. București: Editura Didactică și Pedagogică, 1996.

6. Soils Overview. Soil Science Society of America. [Online] https://www.soils.org/.

7. Introduction to Soils. The James Hutton Institute. [Online] http://www.hutton.ac.uk/.

8. A., Krupenikov I. History of Soil Science from inception to the present. New Delphi: Oxonian Press, 1992.

9. Brevik E. C., Hartemink A. E. Early soil knowledge and the birth and development of soil science. 2010.

10. E, Hartemink A. On global soil science and regional solutions – Geoderma Region. 2015.

11. Hartemink, Alfred E. The definition of soil since the early 1800s. Article in Advances in Agronomy. Madison: University of Wisconsin, 2016.

12. E., Blanck. Handbuch der Bodenlehre. Verlag von Julius Springer. Berlin: s.n., 1929-1932.

13. E, Hartemink A. Soils are back on the global agenda. 2008.

14. C., Chiriță. Ecopedologia cu baze de pedologie generală. București: Editura Ceres, 1974.

15. M., Mihalache. Pedologia – geneza, proprietățile și taxonomia solurilor. București: Editura Ceres, 2006.

16. Imagine ”Solul”. Lumea Satului. [Online] https://www.lumeasatului.ro/articole-revista/actualitate/3404-5-decembrie-ziua-mondiala-a-solului.html.

17. Udrescu S., Mihalache M., Ilie L. Îndrumător de lucrări practice privind evaluarea calitativă a terenurilor agricole. București: AMC – USAMV, 2006.

18. An introduction to soils and soil terminology. The James Hutton Institute. [Online] http://www.hutton.ac.uk/.

19. Johnson, A. I. Methods of Measuring Soil Moisture in the Field. Washington: United states Government Printing Office, 1962.

20. C, Oprea. Structura solului. București: Universitatea din București.

21. Oprea, C.— Apa și aerul din sol. București : Universitatea din București.

22. Ispas, Conf. Dr. Stefan. Pedologie. Curs pentru studenții de la Facultatea de Ingineria Mediului și Biotehnologii. Târgoviște : Universitatea Valahia din Târgoviște, 2007.

23. C, Oprea. Profilul de sol și orizonturile sale, Universitatea din București.

24. Oprea, C. Orizonturi. București : Universitatea din București.

25. Klute, A. Methods of Soil Analysis – Physical and Mineralogical Methods. Soil Science Society of America. Madison : s.n., 1986.

26. A review of various soil moisture measurement tehniques. Kirandeep Kaur, Rita Mahajan, Deepak Bagai. 4, s.l. : International Journal of Innovative Research in Science, Enginering and Tehnology, 2016, Vol. 5.

27. Umiditatea solului. horticultorul.ro. [Online] Septembrie 29, 2013. http://www.horticultorul.ro/.

28. Robinson, Brett. Devices for measuring soil moisture – University of Southern Queensland.

29. Imagine ”Tensiometru”. Ore-Max. [Online] http://www.ore-max.com/?page=home.

30. Arduino pentru începători. [Online] www.robofun.ro/forum.

31. Arduino. [Online] https://www.arduino.cc/en/Main/ArduinoBoardMega2560.

32. Arduino. [Online] https://ro.wikipedia.org/wiki/Arduino..

33. Tutorial Arduino. [Online] http://www.engblaze.com/tutorial-using-avr-studio-5-with-arduino-projects/.

34. Programming Arduino. [Online] https://www.amazon.com/Programming-Arduino-Getting-Started-Sketches/dp/0071784225/189-4320958-6365028?ie=UTF8&keywords=arduino%20sketches&qid=1364494138&ref_=sr_1_1&s=books&sr=1-1..

35. Imagine ”Arduino Mega 2560”. [Online] http://www.roboutique.ro/cumpara/arduino-mega2560-v3-7736040.

36. Robofun.ro. [Online] https://www.robofun.ro/arduino_mega2560?search=mega%202560.

37. Imagine ”Senzor de umiditate”. [Online] https://www.optimusdigital.ro/ro/senzori-senzori-de-umiditate/73-senzor-de-umiditate-a-solului.html.