土壤電導率測量專題【預告篇】
上回發表了《關于土壤水分測量技術的一些點評》后，有一些反饋，現在我簡單給出一些回答，接著我打算開始關于土壤電導率測量的入門討論做一個預告篇。
Q1：有效分辨率評估土壤水分傳感器實際上更沒有工程意義。
A1：文章提出的有效分辨率，是基于我們設計的穩定性實驗給出傳感器本身在均勻度和短期時間上變化很小的介質上測量得到的有效分辨率參數，是用于表征單個傳感器的短期穩定性或批量多個傳感器的批量間短期穩定性。在這種檢測條件下符合要求的傳感器才可以進一步的做溫度補償、電導率補償或者精度測試。否則筆者認為無法推動行業傳感器源頭電信號的高性能產品的生產，對大部分朝著這方面有技術追求的公司是不公平的。
而關于工程應用，其基礎是產品應用，筆者認為不能混淆逼著做產品的工程師去了解具體工程應用中的參數，舉例，比如我們開展灌溉工程的應用，系統工程師設計控制系統要求對水分進行精準控制，那么這時數據源這頭關于土壤水分數據，我認為不管是誰在負責這個系統，需要學習了解傳感器的基本原理，更不能拿所謂的精度（當前熱衷并已被流行的參數，其實誤導了工程師）這一技術參數相信它而進行直接控制應用，所以我們不推薦對土壤水分傳感器用精度作為關鍵技術參數。上回的文章簡單說明了土壤水分的測量精度和率定方法有很大關系，所以不要拿說明書上現在流行的精度去迷信它而進行免率定來進行設計控制系統。這說明了精度參數對工程應用毫無意義，只會誤導集成工程師。
當然我了解到大部分這方面的工程師對這種在泥土的水分校準頭腦中往往會出現臟，復雜等一系列的印象，其實這一點恰恰非常重要，建議假設要做好一個灌溉精準項目，這方面暫時不能避開而彎道超車。其實我覺得這種苦比工程師設計一套控制系統的苦小多了，這種活對于普通的工程師應該要去面對，當前偷懶不得。
Q2：關于文中的腐蝕因子可能比較多，如果同一個傳感器，有的探針被腐蝕，有的沒有，那就一定是傳感器工作不正?；蛘唠娐吩O計問題導致的。
A2：這個觀點很好，提出的工程師有較高的水平和經驗。上文說分析的腐蝕現象，我們并未統計同一個傳感器不同探針腐蝕的現象，我們后期再進一步統計。
文中所說的腐蝕現象是我們多次在客戶現場看到進口的傳感器受腐蝕的現場，目前我們自己生產的傳感器探針受腐蝕的現象主要發生在TDR原理的探頭上，也因此當前我公司的TDR產品至今未對用戶公開銷售過。
Q3：雖然你的文中將評估指標從精度指向了一致性和穩定性的轉變，但主流的市場不明白這一切，相關的高級干部和領導也不會認可，更不可能認可這些參數。
A3：這是當前一個普遍現象，所以筆者認為當前還只是土壤水分普及初始階段，我可以感受到提問者對行業有一些悲觀失望。也反映的確中國在這一圈子內的底層工程師還是很有耐心和堅持的。
我認為，不管誰（哪怕是高級官員）他如果違背客觀規律，或者拿偽科學作為科學去指導新的農業生產，都終將得到自然的懲罰。這里面新的農業生產發展需要明確一個是具體目標和方向，另外一個是基于這個方向的方法論。這里面方向應該設定很簡單，不要太臃腫復雜，什么大數據，智慧這些詞語當前是完全沒有力量的。筆者經常說如果一開始對農業的新發展方向定的太大，就一定是一個典型的自己把自己忽悠的案例，最后所謂的智慧農業都是弱智農業。
歡迎進一步的留言，我一定認真回答！
我整理了下，列出這個土壤電導率測量專題，我大約要分為3個篇章花時間給大家分享，希望和圈內的學者一起討論。他們分別為《從悠湖到沿海多個水體的電導率測量實踐》、《從土壤飽和導水率到土壤飽和電導率》及《土壤電導率應用實踐》。
這方面實驗室內的研究已經不能滿足實際生產需求，做做概念或者教學還可以，所以就不屑拿實驗室的數據進行討論。筆者提倡土壤學應用研究需要建立系統的《實驗土壤學》，這和《實驗水文學》的提出是類似的。有對《實驗水文學》不明白的讀者應該了解下其含義。
尤其在原位監測領域（原位監測就是現場在線監測），一些通過各種傳感器獲得的土壤信息由于信號中電特性的屬性，和實驗室一些精密儀器獲得的值本身存在待測對象分布式網絡阻抗不一致。這方面就得依賴土壤電導率這個參數來去解釋。但是電導率在實驗室往往電導池幾何形狀固定，電導和電導率關系線性關系較好。但是當前時髦的探針結構測量土壤電導率，讓大部分用戶甚至大部分制造廠家也忘了電導率和電導之間的的一個參數，及電極常數。預熱篇我們就普及下1）使用意義，并定一下2）基本概念，進一步在后面3篇文章進行詳細跟著我們踏上海域和鹽堿地的實測數據一起討論。讀者可以先預熱下，甚至拿一些自己的測量數據試著對此糾正一下。
雖然土壤電導率被農學家用來解釋鹽度、營養鹽類，但是更由于1）原位觀測中土壤是一個連續體，我這里區別于水量平衡的連續體，這里指土壤在地球表面是一個連續的導體，也就是我們常說的土壤是地球的皮膚，所以它是一張很大很大的電阻網絡；2）采集土樣到實驗室的測量是從連續導體上隔斷后進行測量的，所以原位測量和實驗室取土測量兩者的測量近視相等（這里面我們只對電信號相關的）一定有一個假設條件，即測量的空間靈敏性接近。因此，土壤電導率參數不僅僅是農業應用，在只要有電信號的應用方面都將可以使用它進行一些參數描述，屬于固態電子和液體電子在實踐應用中的橋梁。
我們先解釋下基本概念：
（1）電導
電解質溶液的導電能力服從歐姆定律。電導常以電阻R 的倒數L 來表示，可得下式：
（1）
電導的單位是西門子（S），簡稱西，即歐姆的倒數，以前叫姆歐；
是一個僅與導體材料有關的物理量，叫做該導體的電阻率，數值上等于把該材料做成一個長l 為1cm, 截面積A 為1cm2直柱體，合電流沿著它的軸線方向通過時的電阻。
（2）電導率
當用電導電極測得介質的電導（L）后，依據式（1）可求算電導率：
（2）
式中K 為電導池常數（cm-1）。
對于水體中的電導率傳感器出廠時我們很重要的必須檢驗其電極池常數線性適用范圍。
而關于土壤傳感器測量圈內對當前流行的土壤電導率傳感器（多針式），大部分人都相信他們的數據，甚至有些生產廠家混淆電導和電導率是一樣的概念，還不明白電極常數的意義。
對于并行的兩根或者多根不銹鋼棒來說，在田間土壤的實際電導測量中，待測介質是個無限大的體系，流經土體的電流線的影響范圍是相當大的，電導池常數必須正確測定。所以我們設計了幾種方法評估了一個針式的電極常數在自然條件下（從悠湖到沿海）的測量值，以下圖中為（1）D實驗室法 （2）A原位大水體近似法，參考基準為梅特勒手持式電導率儀（SG3儀表+737電導率電極）校準后測量值，橫坐標為針式結構測量獲得的電導值，縱坐標為實測電極常數值。
可見，使用D實驗室法或A原位大水體近似法進行測量電極常數，都顯示該針形結構電極常數隨電導測量變化而變化，理論的導致變化原因今天這里不做說明。而且通過實驗室法進行校準后的電極常數是整體高于我們設計的A原位大水體近似法的測量值的，我們有理由認為通過實驗法進行校準針形電極會導致高估電極常數值，當然也就導致電導率測量值偏高于實際值。
具體的我們下回《從悠湖到沿海多個水體的電導率測量實踐》見。
王亮亮
2021.7.11
感謝博主，喝杯咖啡~
還沒有人發表評論