Bodemvocht Data Analyse

languages: ennl

Data formaat

De data van de prototypes bodemvocht-sensoren wordt in de MeetJeStad database opgeslagen in het 'Extra' veld.

De waarden zijn gescheiden met een comma en staan in de volgorde: Cnc*, Tnc, Cref*, Tref, C1*, T1*, C2*, T2*, C3*, T3, C4*, T4

- De C waarden geven een ruwe waarde voor de gemeten capaciteit van de bodem
- De T waarden zijn om te rekenen naar de temperatuur door Temp (celcius) = Tx / 4 -20

In subscript is aangeveven door welke elektrode de waarde gemeten wordt. De * geeft aan dat het ruwe waarden zijn en nog omgerekend moeten worden naar capaciteit.

- nc = niet aangesloten (capaciteit van het meetcircuit, geen temperatuur-sensor aangesloten)
- ref = Referentie condensator (39.000 femtofarad +/- 1%) en temperatuur-sensor op de printplaat
- 1 = 10cm diep
- 2 = 40 cm diep
- 3 = 80 cm diep
- 4 = 120 cm diep

Om de capaciteit van de bodem-elektroden te krijgen (in femtoFarad), moeten we de gemeten waarden verminderen met de capaciteit van het meetcircuit en vermenigvuldigen met de k-waarde van het circuit. De k-waarde kunnen we berekenen met behulp van de referentie condensator.

k = 39.000 / (Cref*-Cnc*)

De capaciteit van een electrode is dan te berekeken door:

Cx = (Cx* - Cnc*) * k

In deze berekening wordt nog geen rekening gehouden met de temperatuur-afhankelijkheid van de meting.

Analyse


Doel van de bodemvocht pilot is om de sensoren te testen in een buiten-situatie en de data te vergelijken met data van professionele sensoren die op dezelfde locaties geplaatst zijn. Daarbij zullen de sensoren onderzocht moeten worden op betrouwbaarheid van data en gekeken worden hoe deze gekalibreerd kunnen worden.


Sensoren met en zonder coating (26-11-2020)

Om problemen met vocht op de te ondervangen is er bij twee sensoren (op meetkasten 517 en 757) getest met het coaten van de PCBs en elektrodes met een siliconen-coating. Uit de eerste data van deze sensoren lijkt de coating de variabiliteit van de metingen van de capaciteit van het circuit en de referentie condensator, en de daaruit berekende k-waarde aanzienlijk te verbeteren. Op basis van deze data is besloten om reeds geplaatste sensoren te reviseren. Naast de sensoren die reeds gecoat waren, zijn sensoren aan meetkasten 519, 661, 754, en 761 uit elkaar gehaald, voorzien van een coating en teruggeplaatst. 
Soil_moisture_coated.png 

Analyse eerste data (8-11-2020) 


Op moment van schrijven is de data van de professionele sensoren nog niet beschikbaar voor een uitgebreide analyse. Er is daarom eerst gekeken naar
- kalibratie-metingen
- Of de ruwe capaciteitsmetinge onverwachte patronen laten zien die wijzen op een fout in de sensor

Kalibratie-metingen

Elke sensor die gebouwd en geplaatst is ' grof' gekalibreerd door de capaciteit te meten in lucht en vervolgens in water. In het figuur hieronder is te zien uit welke elementen de gemeten capaciteit is opgebouwd. Hierbij is onderscheid gemaakt tussen sensoren waar losse (30AWG) draden zijn getrokken naar de electroden en sesnoren waar flat cable (regenboogdraad) is gebruikt. Het circuit op de PCB (inclusief de multiplexer) heeft gemiddeld een capaciteit van 80pF en 70pF voor de 2 sensortypen. Hiervan is 47pF van de condensator die achter de schmitt trigger is geplaatst om te zorgen dat de frequentie niet te hoog wordt. De andere elektrische componenten dragen dus nog zo'n 23-33pF bij.

De capaciteit van de electroden in lucht loopt van 8-28 pF in de sensoren met losse draden en van 8-39 in sensoren met flat cable. De dikkere draden van de flatcable en het feit dat deze dichter bij elkaar liggen, vergroot dus de basiscapaciteit van met name de dieper gelegen electroden.

Wanneer de sensor is geplaatst zijn op alle 4 dieptes bodemmonsters genomen om het % bodemvocht te bepalen. De toegevoegde capaciteit van de bodem is berekend uit de eerste meting na het plaatsen van de sensor en bodemvochtgehalte van de monsters en ligt gemiddeld op 11 pF.

De toegevoegde capaciteit door water is 14.5 pF, wanneer de electrode volledig door water is omgeven. In realiteit, het maximale volume water dat de bodem kan bevatten afhankelijk van de bodemsoort en maximaal zo'n 50%.

Het meetbereik 50% van 14.5 = 7pF is dus erg klein ten opzichte van de basiscapaciteit van het circuit en de electroden. Ook voegt de bodem opvallend veel capaciteit toe. De electrische permeabiliteit van zand is velen malen kleiner dan dat van water, zie o.a. deze tabel.

Deze ruwe kalibratie houdt nog geen rekening met de temperatuur-afhankelijkheid van de capaciteit van de verschillende onderdelen (circuit, referentie-condensator, electrode, bodem en water). Het kan goed zijn dat de berekende capaciteit door de bodem in werkelijkheid wordt veroorzaakt door het temperatuurverschil op het moment van kalibreren en de temperatuur in de bodem.

Vervolgstap: de temperatuur-afhankelijkheid van de verschillende elementen (Circuit, referentiecondensator, electrodes, bodem en water) analyseren

Bodemvocht-kalibratie.png

Voorbeeld data

Onderstaande grafiek geeft eerste data van de sensor aangesloten op meetkast 517. In de linker grafiek is de ruwe capaciteitswaarde weergegeven van het circuit (groen), de referentiecondensator (oranje 39 pF +/- 1%) en de electrode op 10cm diepte (bruin). De data laat zien dat de ruwe capaciteitswaarde van alle drie de kanalen schommelt gedurende de dag, wat de een temperatuur-afhankelijkheid van de meting weergeeft. Op 22-10 raken de batterijen van de meetkast op en geeft de sensor wat afwijkend waarden. De temperatuurmeting op 10cm geeft een verwacht 'gedempt' patroon ten opzichte van de gemeten luchttemperatuur in de meetkast. 
Example data.png

Onverwacht patroon / sensorfout #1 

Bij sommige sensoren & kanalen schommelt de capaciteitswaarden sterker gedurende de dag dan bij anderen.  In onderstaande grafiek is eerst gekeken naar de ruwe capaciteitswaarde van het  circuit en de referentiecondensator. De k-waarde is voor de sensor aan meetkast 517 stabiel tot vlak voor de sensor uitvalt vanwege te lage voedingsspanning. De temperatuur-afhankelijkheid van zowel het circuit als de referentie-condensator is lineair en negatief. 
Error 1_temp_dependance change.png
Voor de sensor aan meetkast #661 is dit in eerste instantie ook het geval, maar nadat de meetkast is uitgevallen door te lage voedingsspanning veranderd de temperatuur-afhankelijkheid van het circuit naar niet-lineair en positief. Dit gebeurt niet voor de referentiecondensator. De capaciteitswaarde waarde van het circuit wordt gemeten door de capaciteit te meten over een multiplexer kanaal dat niet is aangesloten. Omdat de referentiecondensator wel ‘stabiel’ zit het probleem  dus waarschijnlijk in de multiplexer en niet daarvoor. 
De sensor aan meetkast #753 is een voorbeeld waarbij dit gedrag al vanaf de plaatsing van de sensor zichtbaar is en specifiek voor het circuit-kanaal en niet voor de referentie-condensator of de electrode op 10 cm diepte. 
Error_1_multiplex locations.png

Onverwacht patroon / sensorfout #2

Bij sommige sensoren is de zien dat de waarde naar verloop van tijd met een sprong omhoog gaat, waarna de meting wel de trend blijft volgen maar op een hogere waarde. In onderstaande grafiek is voor de sensor aan meetkast 661 te zien dat op 80cm de bodemvocht meting op 11 oktober een sprongetje maakt, waar op 40 en 120cm de trend doorgezet wordt. 
Error_2_Jump.png

Onverwacht patroon / sensorfout #3

Een tweetal sensoren van de 10 die geplaatst zijn, laten kort na de plaatsing zeer variabele meetwaarden zien. De sensoren vallen ook relatief snel uit (mogelijk lekstromen). 
Error_3_Chaos.png