土壤电导率测量专题【预告篇】

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已有 154 次阅读 2021-7-11 21:02 |个人分类:科学问题初探|系统分类:科研笔记

        上回发表了《关于土壤水分测量技术的一些点评》后，有一些反馈，现在我简单给出一些回答，接着我打算开始关于土壤电导率测量的入门讨论做一个预告篇。

Q1：有效分辨率评估土壤水分传感器实际上更没有工程意义。

A1：文章提出的有效分辨率，是基于我们设计的稳定性实验给出传感器本身在均匀度和短期时间上变化很小的介质上测量得到的有效分辨率参数，是用于表征单个传感器的短期稳定性或批量多个传感器的批量间短期稳定性。在这种检测条件下符合要求的传感器才可以进一步的做温度补偿、电导率补偿或者精度测试。否则笔者认为无法推动行业传感器源头电信号的高性能产品的生产，对大部分朝着这方面有技术追求的公司是不公平的。

而关于工程应用，其基础是产品应用，笔者认为不能混淆逼着做产品的工程师去了解具体工程应用中的参数，举例，比如我们开展灌溉工程的应用，系统工程师设计控制系统要求对水分进行精准控制，那么这时数据源这头关于土壤水分数据，我认为不管是谁在负责这个系统，需要学习了解传感器的基本原理，更不能拿所谓的精度（当前热衷并已被流行的参数，其实误导了工程师）这一技术参数相信它而进行直接控制应用，所以我们不推荐对土壤水分传感器用精度作为关键技术参数。上回的文章简单说明了土壤水分的测量精度和率定方法有很大关系，所以不要拿说明书上现在流行的精度去迷信它而进行免率定来进行设计控制系统。这说明了精度参数对工程应用毫无意义，只会误导集成工程师。

当然我了解到大部分这方面的工程师对这种在泥土的水分校准头脑中往往会出现脏，复杂等一系列的印象，其实这一点恰恰非常重要，建议假设要做好一个灌溉精准项目，这方面暂时不能避开而弯道超车。其实我觉得这种苦比工程师设计一套控制系统的苦小多了，这种活对于普通的工程师应该要去面对，当前偷懒不得。

Q2：关于文中的腐蚀因子可能比较多，如果同一个传感器，有的探针被腐蚀，有的没有，那就一定是传感器工作不正常或者电路设计问题导致的。

A2：这个观点很好，提出的工程师有较高的水平和经验。上文说分析的腐蚀现象，我们并未统计同一个传感器不同探针腐蚀的现象，我们后期再进一步统计。

文中所说的腐蚀现象是我们多次在客户现场看到进口的传感器受腐蚀的现场，目前我们自己生产的传感器探针受腐蚀的现象主要发生在TDR原理的探头上，也因此当前我公司的TDR产品至今未对用户公开销售过。

Q3：虽然你的文中将评估指标从精度指向了一致性和稳定性的转变，但主流的市场不明白这一切，相关的高级干部和领导也不会认可，更不可能认可这些参数。

A3：这是当前一个普遍现象，所以笔者认为当前还只是土壤水分普及初始阶段，我可以感受到提问者对行业有一些悲观失望。也反映的确中国在这一圈子内的底层工程师还是很有耐心和坚持的。

我认为，不管谁（哪怕是高级官员）他如果违背客观规律，或者拿伪科学作为科学去指导新的农业生产，都终将得到自然的惩罚。这里面新的农业生产发展需要明确一个是具体目标和方向，另外一个是基于这个方向的方法论。这里面方向应该设定很简单，不要太臃肿复杂，什么大数据，智慧这些词语当前是完全没有力量的。笔者经常说如果一开始对农业的新发展方向定的太大，就一定是一个典型的自己把自己忽悠的案例，最后所谓的智慧农业都是弱智农业。

        欢迎进一步的留言，我一定认真回答！

        我整理了下，列出这个土壤电导率测量专题，我大约要分为3个篇章花时间给大家分享，希望和圈内的学者一起讨论。他们分别为《从悠湖到沿海多个水体的电导率测量实践》、《从土壤饱和导水率到土壤饱和电导率》及《土壤电导率应用实践》。

        这方面实验室内的研究已经不能满足实际生产需求，做做概念或者教学还可以，所以就不屑拿实验室的数据进行讨论。笔者提倡土壤学应用研究需要建立系统的《实验土壤学》，这和《实验水文学》的提出是类似的。有对《实验水文学》不明白的读者应该了解下其含义。

        尤其在原位监测领域（原位监测就是现场在线监测），一些通过各种传感器获得的土壤信息由于信号中电特性的属性，和实验室一些精密仪器获得的值本身存在待测对象分布式网络阻抗不一致。这方面就得依赖土壤电导率这个参数来去解释。但是电导率在实验室往往电导池几何形状固定，电导和电导率关系线性关系较好。但是当前时髦的探针结构测量土壤电导率，让大部分用户甚至大部分制造厂家也忘了电导率和电导之间的的一个参数，及电极常数。预热篇我们就普及下1）使用意义，并定一下2）基本概念，进一步在后面3篇文章进行详细跟着我们踏上海域和盐碱地的实测数据一起讨论。读者可以先预热下，甚至拿一些自己的测量数据试着对此纠正一下。

        虽然土壤电导率被农学家用来解释盐度、营养盐类，但是更由于1）原位观测中土壤是一个连续体，我这里区别于水量平衡的连续体，这里指土壤在地球表面是一个连续的导体，也就是我们常说的土壤是地球的皮肤，所以它是一张很大很大的电阻网络；2）采集土样到实验室的测量是从连续导体上隔断后进行测量的，所以原位测量和实验室取土测量两者的测量近视相等（这里面我们只对电信号相关的）一定有一个假设条件，即测量的空间灵敏性接近。因此，土壤电导率参数不仅仅是农业应用，在只要有电信号的应用方面都将可以使用它进行一些参数描述，属于固态电子和液体电子在实践应用中的桥梁。

        我们先解释下基本概念：

（1）电导

电解质溶液的导电能力服从欧姆定律。电导常以电阻R 的倒数L 来表示，可得下式：

                               （1）

电导的单位是西门子（S），简称西，即欧姆的倒数，以前叫姆欧；是一个仅与导体材料有关的物理量，叫做该导体的电阻率，数值上等于把该材料做成一个长l 为1cm, 截面积A 为1cm²直柱体，合电流沿着它的轴线方向通过时的电阻。

（2）电导率

当用电导电极测得介质的电导（L）后，依据式（1）可求算电导率：

                                                 （2）  

式中K 为电导池常数（cm^-1）。

对于水体中的电导率传感器出厂时我们很重要的必须检验其电导池常数线性适用范围。

而关于土壤传感器测量圈内对当前流行的土壤电导率传感器（多针式），大部分人都相信他们的数据，甚至有些生产厂家混淆电导和电导率是一样的概念，还不明白电导池常数的意义。

对于并行的两根或者多根不锈钢棒来说，在田间土壤的实际电导测量中，待测介质是个无限大的体系，流经土体的电流线的影响范围是相当大的，电导池常数必须正确测定。所以我们设计了几种方法评估了一个针式的电导池常数在自然条件下（从悠湖到沿海）的测量值，以下图中为（1）D实验室法 （2）A原位大水体近似法，参考基准为梅特勒手持式电导率仪（SG3仪表+737电导率电极）校准后测量值，横坐标为针式结构测量获得的电导值，纵坐标为实测电导池常数值。

可见，使用D实验室法或A原位大水体近似法进行测量电导池常数，都显示该针形结构电极常数随电导测量变化而变化，理论的导致变化原因今天这里不做说明。而且通过实验室法进行校准后的电导池常数是整体高于我们设计的A原位大水体近似法的测量值的，我们有理由认为通过实验法进行校准针形电极会导致高估电导池常数值，当然也就导致电导率测量值偏高于实际值。

具体的我们下回《从悠湖到沿海多个水体的电导率测量实践》见。

王亮亮

2021.7.11

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