シンプルで安価な土壌表面温度と重力水分センサの製造

1. 製造用センサ 適切なケーブル長をカットします。 データ ロガーの位置から目的のセンサーの配置までの最大距離を決定します。ケーブルのベンド、障害物、およびデータ ロガーへのアタッチに必要な追加のケーブル長を考慮します。 すべての熱電対と土壌の水分ケーブルをこの最大所望の長さにカットします。ケーブルの長さの違いは、センサ間の可変抵抗につながる可能性があります。この問題は、すべてのセンサー ケーブルの長さを同じに保つことで回避できます。 熱電対ケーブルを準備します。 ケーブル ジャケットをケーブルの端から 4~5 cm 取り外します。 ワイヤーの端から新たに露出した小径シース5mmを取り除きます。 アーク溶接は、ワイヤの露出した先端を一緒に溶接し、それらが分離していないことを確認するために、ワイヤに穏やかに引っ張ることによって、新しい溶接の強度をテストします。注意: 溶接ヘルメットまたはフェイス シールドは、アーク溶接時に発生する放射から保護するために使用する必要があります。潜在的なショックを避けるために、作業環境のすべてを乾燥させておいてください。換気の良い場所で作業し、呼吸領域から煙やガスを保ちます。 熱電対ケーブルのアーク溶接先端を液体電気テープに浸して、露出したワイヤーを保護します。液体電気テープは、ワイヤーの露出金属と小径ワイヤーシースの少なくとも3ミリメートルをカバーする必要があります。注意:液体電気テープには、気道を刺激する可燃性の蒸気があります。オープン炎から離れた換気の良い場所で使用してください。刺激を引き起こす可能性があるため、目や皮膚への直接暴露は避けてください。 液体電気テープを約4時間、またはメーカーの指示に従って乾かします。 0.13インチ(〜3.3mm)の水分シール熱収縮チューブをカットし、小径シースの液体電気テープを覆うのに十分な長さ、熱電対ケーブルジャケットの少なくとも1cm(長さ約6cm)をカットします。ワイヤーを熱収縮チューブに挿入し、ケーブルジャケットの上にチューブを戻します。後のステップまで熱を加えるまで待ちます(ステップ1.5.3)。 土壌水分ケーブルを準備します。 ケーブルジャケットをケーブルの端から5cm取り外します。 ケーブルジャケットでアースワイヤー(シースなし)を切り落とし、ジャケットの向こうに露出しないようにします。 土壌水分線の端から内側の小径シースの1cmをストリップ。 各ワイヤーの露出した金属をねじって、小さなストランドを統合します。 各ワイヤー端部の露出した金属にはんだを加えることによって、小さなねじれたストランドをスズ。注意:はんだ付けに必要な非常に熱い器具を使用する場合は注意が必要です。換気の良い場所ではんだ、適切な目と皮膚の保護を着用します。 ケーブルジャケットがティンドワイヤーの端まで取り除かれた場所から1cm長い0.38インチ(〜10mm)の熱収縮チューブをカットします。このチューブを両方のワイヤの上に置き、ケーブルジャケットの上にスライドして後のステップで所定の位置に固定します。 0.13インチ(〜3.3mm)インチの1.5cm個を2本切り、各ワイヤーに1本ずつ入れます。ワイヤーを 2 本のソケット ストリップにはんだ付けするまで加熱しないでください。 はんだフラックスを 2 本のソケット ストリップのプロングに適用します。 ワイヤーのティンドの端を 2 本のソケット ストリップの端まではんだ付けします。両端が触れないように注意してください。 0.13の2つの部分を(〜3.3mm)の水分シール熱収縮チューブを2本のベースソケットストリップのベースに移動して、すべての金属部品が覆われるようにします。ヒートガンを使用して熱収縮チューブを付着させ、過熱や管の下のはんだを溶かないように注意してください。 0.38 インチ(~10 mm)の水分シール熱収縮チューブを、ソケットストリップ、小径ワイヤー、ケーブルジャケットの一部を覆う 2 本のソケット ストリップの端から 1 mm に移動します。ヒートガンを使用して、この熱収縮チューブを所定の場所に固定します。 センサーヘッドの端子台を変更します。 8 本の長所の端子台を変更するには、上部のプロングが視界から離れて曲がるようにストリップの向きを決めます。ワイヤー・スニップを使用して、黒いプラスチックコンタクト・ストリップのすぐ下の左から2番目、4番目、および7番目のプロングをカットします(図2)。 黒いプラスチックコンタクトストリップの下に5ミリメートルを測定し、5ミリメートルのマークでこれらのプロングを5ミリメートルで左から3番目、5番目、および6番目のプロングをマークします。この長さは、異なる研究の質問に合わせて変更することができます。 センサーヘッドを組み立てます。 0.5インチ(〜13mm)の水分シール熱収縮チューブを2本切り、熱電対と土壌の水分ケーブルの上に1本ずつスライドさせます。 熱電対の先端がクリップされたプロングの先端に向かるように、3 番目のクリップされたプロングの上部に熱電対ワイヤのアーク溶接された端点を移動します。ワイヤを曲げて、プロングの上部カーブに従うようにします。 0.13インチ(約3.3mm)の水分シール熱収縮チューブ(ステップ1.2.6から)を、プロングと熱電対線の湾曲部分の上にスライドさせます。熱収縮チューブが熱電対ケーブルジャケットの一部も覆っていることを確認し、ヒートガンを使用して熱収縮チューブを所定の位置に付着させます。熱収縮チューブの一部を指で指で絞り、それを固定します。 プロング5と6の上の曲線の端を2つのソケットストリップに挿入します(図2)。 上部 0.5 インチ(~13 mm)の水分シール熱収縮チューブをセンサーヘッドに向かって動かして、頭部から約1cmの位置に配置します。ヒートガンを使用して所定の位置に固定し、ソケットストリップをプロング5と6にしっかりと接続し、プロング3の熱電対線にしっかりと接続するように注意してください。 ヒートガンを使用して、前の熱収縮チューブの数センチメートル後ろに水分シール熱収縮チューブの他の0.5インチ(〜13ミリメートル)部分を付着させます。 熱電対ワイヤーとプロング3のすべての側面に液体電気テープを適用します。 ソケットストリップ接続のすべての側面に液体電気テープを塗布し、露出したすべての金属が覆われていることを確認します。ただし、この接続に関連付けられている 5 mm のクリップされたプロングをカバーしないでください (図 3)。 2. データロガーとマルチプレクサへのセンサーの接続 メモ:これらのセンサは、データロガーに接続されたマルチプレクサで使用する必要があります。このプロトコルのすべてのステップは、材料の表にリストされているデータロガーとマルチプレクサで使用するためのものです(他のデータロガーも動作します)。測定時のたびに、データロガーはマルチプレクサへの通信を開き、リレーとして機能し、抵抗センサに電流を流すことを可能にします。 オーディオワイヤを使用して、マルチプレクサをデータロガーに接続します。データ ロガーの COM ポートをマルチプレクサの RES ポートに接続します。データ ロガーの別の COM ポートをマルチプレクサの CLK ポートに接続します。データロガーのGポートと12 VポートをマルチプレクサのGNDポートと12 Vポートにそれぞれ接続します。 データロガー上のVXポートとH DIFFポートの間にスルーホール1 kΩ ± 0.1%の抵抗を接続して、データロガーに電圧ディバイダを作成します。 この電圧ディバイダーからマルチプレクサに2本のオーディオワイヤをグラウンドで接続します。データロガー上の電圧ディバイダが接続されているのと同じH DIFFポートからマルチプレクサのCOM ODD Lポートにワイヤを接続します。もう一方のワイヤがデータ ロガーのアース ポートをマルチプレクサの COM ODD H ポートに接続していることを確認します。接地線がデータ ロガーからマルチプレクサ上のグラウンドにグラウンドを接続していることを確認します。 タイプE熱電対線をデータロガーとマルチプレクサに接続します。紫色のワイヤは、データ ロガーの DIFF 1 H ポートをマルチプレクサの COM EVEN H ポートに接続します。赤いワイヤは、データ ロガーの DIFF 1 L ポートをマルチプレクサの COM EVEN L ポートに接続します。接地線がデータロガーとマルチプレクサの両方の地面に接続されていることを確認します。 マルチプレクサを 4 x 16 モードに変更します。 センサーをマルチプレクサに接続します。土壌水分オーディオケーブルは、Hに黒いワイヤーでODDポートに接続し、L.熱電対線に赤いワイヤは、Hに紫色のワイヤとLに赤いワイヤでEVENポートに接続します。熱電対線の順序は、適切な測定のために重要です。 3. センサーのテスト フィルム抵抗の端部を、鉛はんだおよびはんだフラックスを使用して2本のソケットコネクタのプロングにはんだ付けします。 テストするすべてのセンサーをマルチプレクサに接続します。 データ ログ プログラムを調整して、30 s ごとにスキャンするか、複数のセンサーをスキャンするための推奨周波数にします。 水分センサーの場合は、フィルム抵抗付きのソケットコネクタをセンサーのプロング5と6に配置し、データロガーからデータを記録します。 各センサーに抵抗器を置き、すべてが同じ読み取り値を与えることを確認します。 熱電対データを監視して、同様の温度を感知していることを確認します。 温度センサーの場合は、熱電対の端を 2 本の指の間に置き、温度がそれに応じて変化することを確認します。 4. センサーのキャリブレーション 注:このセクションでは、センサー出力を土壌水分に関連付けるプロセスについて説明します。 キャリブレーションセンサーヘッドを製造します。 土壌水分ケーブルからジャケットの12センチメートルをストリップ。 ワイヤからホイルシールドを取り外します。 両内側の小径土水分線の長さ10cmをカットします。 各ワイヤーの両端から約1cmのシースを取り除きます。 両端の小さなワイヤーをひねり、はんだ付けアイロンですり込む。 8 プロング端子台を手順 1.4.1 および 1.4.2 と同じ仕様に変更します。 はんだフラックスをプロング5と6の上部カーブに適用します。 8本の端子台のプロング5と6の上部カーブにワイヤをはんだ付けします。 8本の端子台の外側の2本の突起を5mmにクリップします。 2 cm の 0.13 個を(〜3.3 mm)の水分シール熱収縮チューブを両方のワイヤーに取り付けします。 熱収縮片を可能な限り変更されたセンサーヘッドの近くに付着させます。 2 cm 個の 0.13 個(~3.3 mm)の水分シール熱収縮チューブを両方のワイヤーに 1 つずつ配置します。後の手順で、それらを所定の場所に付着させるのを待ちます。 4本の端子台の長い中央の2本のプロングを1cmにカットします。 はんだフラックスを 4 本の端子台の中央のプロングの上部の曲線の端に適用します。 上部 4 本の曲がったプロングが修正されたセンサー ヘッドから離れて向くように、両方のワイヤのフリー エンドを 4 本の端子台のカット プロングにはんだ付けします (図 4)。 以前に配置した水分シール熱収縮を4本の端子台のベースまで動かして、所定の位置に加熱します。 キャリブレーションのために土壌水分ケーブルを準備します。 現場で使用されているセンサーと同じ長さの土壌水分ケーブルを切断します。 ケーブルのジャケットを端から5cmにストリップします。 ケーブルジャケットでアースワイヤー(シースなし)を切り落とし、ジャケットの向こうに露出しないようにします。 土壌の水分線の端から小径ワイヤーシースの1センチメートルをストリップ。 各ワイヤーの露出した金属をねじって、小さなストランドを統合します。 各ワイヤー端部の露出した金属にはんだを加えることによって、小さなねじれたストランドをスズ。 6 cm の 0.38 個を 0.38 インチ(~10 mm)の水分シール熱収縮チューブでカットし、両方のワイヤーの上に置き、ケーブルジャケットの上にスライドして後のステップで付着させます。 0.13インチ(約3.3mm)の1.5cm個を2本切り、各ワイヤーに1本ずつ入れます。ワイヤーが2本のソケットストリップにはんだ付けされるまで熱を加えないでください。 はんだフラックスを 2 本のソケット ストリップのプロングに適用します。 ワイヤーのティンドの端を 2 本のソケット ストリップの端まではんだ付けします。両端が触れないように注意してください。 0.13の2つの部分を(〜3.3mm)の水分シール熱収縮チューブを2本のベースソケットストリップのベースに移動して、すべての金属部品が覆われるようにします。ヒートガンを使用して熱収縮チューブを所定の場所に付着させ、過熱やはんだを溶かないように注意してください。 0.38 インチ(~10 mm)の水分シール熱収縮チューブ(ステップ 4.2.7 から)を 2 本のソケット ストリップの端から 1 mm に移動して、ソケット ストリップ、小径ワイヤー、およびケーブル ジャケットの一部をカバーするようにします。ヒートガンを使用して、熱収縮チューブを所定の場所に付着させます。 キャリブレーション土壌コンテナを作成します(図5)。 蓋の上から50mLポリプロピレン使い捨て遠心分離管4cmを切ります。これは、一方の端に開口部と他方の取り外し可能な蓋を持つチューブを作成します。 ドリルビットを使用して、蓋の中央に2.5cmの穴を開けます。ステップドリルビットは使いやすく、効果的です。 チューブの開いた端から、蓋の底まで伸びる2つの垂直スリット6mmを切ります。蓋の底面に垂直なカットを使用して 2 つのスリットを接続し、プラスチック ストリップを取り外します (図 5)。これにより、センサーヘッドのワイヤを挿入するのに十分な大きなギャップが作成されます。 ポリプロピレンメッシュクロスの直径6cmの円形片をカットします。蓋とチューブの間にメッシュを置き、蓋をねじ込みます。 キャリブレーションセンサーヘッドの8本の端子台をチューブに挿入し、ワイヤがステップ4.3.3で作成したギャップを滑り落ちるようにします。 上部のプロングがチューブから離れて向いていて、キャリブレーションケーブルの2本のソケットストリップに簡単に接続できるように、チューブの開いた端の側面に4本の端子台の長いプロングをテープで貼ります(図5)。 センサーヘッドを付けた容器を60°C乾燥オーブンに48時間置き、水分を除去します。 センサーと土壌を校正します。空のオーブン乾燥キャリブレーションコンテナとキャリブレーションセンサーヘッドを0.0001 gの精度で計量します。この測定は、後のステップで重力水分量(GWC)を計算するために使用されます。 一定の温度を維持できる環境でキャリブレーションを行います。 キャリブレーションのためにバイオクラスト土壌を準備します。 キャリブレーションチューブのふたを取り外し、ねじ端を金型として使用して、同じ直径のバイオクラストを切り取ります。バイオクラストは、引き上げられたときにチューブ内にとどまるべきであるが、チューブ内にそれを保つためにいくつかの助けを必要とするかもしれません。 指を使用して、バイオクラストの上部の3〜5ミリメートルがチューブに残るように、チューブのカット端からバイオクラストサンプルを押します。バイオクラストの底部がチューブの底部で洗い流されるように、チューブのねじ込み端から押し出された余分な土壌を削り取ります。 直径6cmのポリプロピレンメッシュをねじ付き端のバイオクラストの下に置き、蓋をしっかりとねじ込みます。 バイオクラストサンプルを湿らせ、センサーヘッドを基板上部にそっと固定して、プロングが完全に埋まるようにします。センサーヘッドが所定の場所にとどまり、キャリブレーション中に動かないように、ワイヤを曲げる必要がある場合があります。 キャリブレーションのために鉱物土壌を準備します。 センサーが配置される領域で上部5ミリメートルから土壌を収集します。 土壌から大きな岩や有機材料を除去するために2ミリメートルのふるいを使用してください。 蓋とチューブの間に固定された直径6cmのポリプロピレンメッシュで、蓋がしっかりとねじ込まれていることを確認します。 ふるいにかけた土をキャリブレーション容器に入れ、容器の底部を6mmの深さに覆るようにします。 土壌サンプルを湿らせ、センサーヘッドを基板上部にそっと固定して、プロングが完全に埋もれになるようにします。センサーヘッドが所定の場所にとどまり、キャリブレーション中に動かないように、ワイヤを曲げる必要がある場合があります。 表面に光沢のある水層が見えるまで、脱イオン水で基板(バイオクラストまたは土壌)を飽和させます。 飽和基板を一晩乾燥させます。 測定を開始する前に、センサーヘッドがまだ所定の位置にあり、プロングがすべて基板に完全に埋まっていることを確認してください。 表面に光沢のある層が見えるまで、脱イオン水で基板を飽和させます。 基板を15分間乾かします。 キャリブレーション土壌水分ケーブルの2本のソケットストリップを、4本の端子台の内側の2つのプロングに接続します。 データロガーをプログラムして、1 分ごとに測定値を記録します。 データロガーをオンにして、抵抗測定値の収集を開始します。 乾燥を促進するために重量が記録されていない場合は、キャリブレーション容器の上に空気を軽く吹くようにファンを配置します。 表面に光沢が見えるまで、基板を脱イオン水で濡らします。 紙タオルの上に濡れた土を入れたキャリブレーション容器を置き、滴下水を吸収します。 キャリブレーション土壌水分線を4本の端子台から取り外します。 容器を軽くたたんで滴下水を排出します。 キャリブレーションコンテナをバランスに入れる前に、ファンの電源を切ります。 バランスの上に容器を置き、重量と測定時間を記録します。 土壌水分線を4本の端子台に再接続します。 キャリブレーションコンテナをペーパータオルに戻します。 乾燥を早めるためにファンの電源を入れます。 基板が完全に空気乾燥するまで15分ごとに重量を記録します。完全な乾燥は測定間の口径測定容器の重量のほとんどまたは全く変化によって示される。 キャリブレーション容器、キャリブレーションセンサーヘッド、基板を60°C乾燥オーブンに48時間置きます。 オーブン乾燥基板、容器、センサーヘッドの重さを量ります。 センサーキャリブレーションデータ解析。 ステップ4.4.34で決定した基板を用いてドライキャリブレーション容器の重量からステップ4.4.1で決定したドライキャリブレーション容器重量を差し引いてドライ基板重量を算出する。 15分ごとに記録された重量から基板(ステップ4.4.34)で乾燥キャリブレーション容器の重量を差し引いて、各15分のタイムポイントまたはキャリブレーションの水重量を計算します。 水の重量(ステップ4.5.2)を乾燥土壌重量(4.5.1)で割って、15分のタイムポイントごとにGWCを計算します。 ステップ4.5.3で決定した各15分のタイムポイントのGWCに抵抗測定時間を一致させます。 GWC を従属変数として、シーメンスを独立変数として回帰分析からキャリブレーション曲線を決定する (図 6)。異なる曲線タイプ(線形、電力、対数)は、異なる基板の較正に最も適している場合があります。