calibration of fdr sensor for irrigation automation

--- 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: mousavi@cc.iut.ac.ir

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