ความชื้นในดินคืออะไร ในมุมมองการตรวจวัดด้วยเซ็นเซอร์ #2

จากตอนที่ 1 [ความชื้นในดินคืออะไร ในมุมมองการตรวจวัดด้วยเซ็นเซอร์ #1] เราได้ทราบถึงน้ำว่า อยู่ในดินลักษณะใด, คุณลักษณะของดินมีผลต่อน้ำในดินอย่างไร, ศักย์ของน้ำคืออะไร และส่งผลต่อพืชอย่างไรกันไปแล้ว ในตอนที่สองนี้ เราจะพูดถึงบริบทการตรวจวัดความชื้นในดินด้วยเซ็นเซอร์ตลอดจนปัจจัยที่เกี่ยวข้องครับ... เริ่ม!!!

โครงสร้างของดิน???

ภาพประกอบเกี่ยวกับการกำเนิดชั้นดิน https://www.wikiwand.com/en/Soil_structure

โครงสร้างของดิน คือ รูปแบบการคงตัวของดินในสภาวะหนึ่งๆ ถูกแบ่งเป็นชั้นๆ ได้แก่ ชั้นผิวดิน ชั้นดินกลาง และชั้นดินลึก โดยมากการเพาะปลูกหากพืชรากสั้นก็จะอยู่ในชั้นผิวดิน(ประมาณ 30 cm จากผิวดิน) หากเป็นไม้ยืนต้นรากพืชจะอยู่ในชั้นดินกลาง และชั้นดินลึก (มากกว่า 1.5 เมตร)

ในแต่ละชั้นดิน การก่อโครงสร้างของดินจะแตกต่างกันไปตามวัตถุกำเนิดดิน สภาพอากาศ และบริบทการเกษตร นั่นก็คือกิจกรรมการจัดการเพาะปลูก ได้แก่

• พฤติกรรมและรอบการให้น้ำ: น้ำเป็นตัวทำละลายชั้นดีที่พัดพาและเติมเต็มช่องว่างของดินก่อนชั้นสสาร นำสารอาหารมาให้จุลินทรีย์ซึ่งจะมีผลต่อสภาพดิน …
• การไถพรวน: สามารถทำลายโครงสร้างดินได้โดยตรง (ตามวัตถุประสงค์และเทคนิคการปรับปรุงดิน) บริเวณที่เครื่องจักรวิ่งผ่านดินจะแน่นกว่าปกติ …
• การคลุมดิน: ช่วยป้องกันการสูญเสียน้ำโดยการระเหย เสริมกำลังจุลินทรีย์ให้ย่อยสลายอินทรีย์วัตถุพร้อมหลั่งสารที่เป็นส่วนสำคัญต่อการสร้างตัวของโครงสร้างดิน …
• การใส่ปุ๋ย: สารอาหารหลากหลายมีผลต่อกิจกรรมของจุลินทรีย์และคุณสมบัติของสารละลาย ส่งผลต่อการยึดเกาะกันของโครงสร้างดิน …
• ฯลฯ

โครงสร้างและกลไกการสร้างตัวของชั้นดินนั้นก่อเกิดรูปไม่มีที่สิ้นสุด บางพื้นที่มีสัตว์ขนาดเล็กอย่างไส้เดือนมาก ช่องว่ารูพรุนในดินมาก ดินก็จะมีลักษณะโปร่ง หรือบางพื้นที่เป็นดินร่วนแต่ขาดสารอาหาร ไม่มีกิจกรรมของจุลินทรีย์ ดินก็อาจมีรูพรุนหรือช่องอากาศน้อยกว่า ฯลฯ

จากปัจจัยอันหลากหลายและซับซ้อนข้างต้น ดินจึงมีโครงสร้างเฉพาะตัวแตกต่างกันในแต่ละพื้นที่ และความเฉพาะตัวเหล่านี้เองที่ส่งผลโดนตรงต่อการซึมน้ำ รวมถึงการกักเก็บน้ำของดิน

การตรวจวัดด้วยเซ็นเซอร์

จากที่ได้กล่าวไปเบื้องต้นแล้วว่า ชนิดของดิน และโครงสร้างของดินมีผลกระทบต่อการไหลและการสะสมตัวของน้ำ เพื่อให้สามารถเข้าใจข้อมูลการตรวจวัดได้ เราจำเป็นต้องแบ่งแนวคิดกระบวนการตรวจวัดออกเป็นสองส่วนครับ

1. หลักการตรวจวัดและศักยภาพของเซ็นเซอร์

ผมจะพยายามไม่ลงลึกมากเกินไปนะครับ แต่อยากให้ตั้งสติกันก่อนเริ่มอ่านตรงนี้ หายใจเข้าลึกๆ หนึ่งทีครับ

.

มาเริ่มกันเลยครับ… เซ็นเซอร์ที่เราใช้ จะตรวจวัดค่า Capacitance หรือเรียกง่ายๆ ว่า ค่า C

หลักการเบื้องต้น

ภาพเปรียบเทียบ สนามไฟฟ้ารอบอุปกรณ์

1. เซ็นเซอร์สร้างสนามไฟฟ้าระหว่างตัวนำสองฝั่ง
2. ในเนื้อโมเลกุลของเนื้อวัสดุที่อยู่ในสนามไฟฟ้าจะเกิดปรากฏการณ์ dipole (ประจุแบ่งฝั่งขั้วบวกกับฝั่งขั้วลบ)
3. ในทุกเนื้อวัสดุจะมีค่าความต้านทานการถูกกระทำให้เกิด dipole จากสนามไฟฟ้า เรียกว่า Permittivity ขณะเดียวกันก็สะสมพลังงาน (ยกตัวอย่าง เปรียบเทียบกับสปริงหรือยางยืดครับ เมื่อใส่พลังงานวัสดุจะต้านการยืด เมื่อหยุดให้พลังงานวัสดุจะกลับสู่รูปเดิม แต่ปลดปล่อยพลังงานออกมาด้วย) วัสดุแต่ละชนิดมีค่านี้ไม่เท่ากัน

*** หมายเหตุประเด็นแรก ด้วยพื้นที่ตรวจวัดของเซ็นเซอร์ทำให้การตีความข้อมูลของอุปกรณ์ในดินต้องเป็น “จุด” หรือ “ตำแหน่ง” เป็นการตรวจวัดที่เฉพาะเจาะจงเช่น ระยะทาง และความลึก

จากตารางว่า Permittivity ในวัสดุ จะพบว่าค่า Permittivity ของของแข็งหรือเนื้อดินชนิดใดๆ ก็ตามมีค่าน้อยมาก ส่วนน้ำกลับมีค่า Permittivity สูงมาก และมีความต่างอย่างมีนัยสำคัญ

กล่าวให้ชัดเจนอีกครั้งหนึ่ง เมื่อเราฝังเซ็นเซอร์ลงไปในดิน แล้วทำการตรวจวัดน้ำในดิน รอบๆ ผิวสัมผัสของอุปกรณ์จะเต็มไปด้วยดินรูปแบบต่างๆ ช่องว่างของดิน และเศษวัสดุธรรมชาติมากมายหลากหลายรูปแบบ แต่สสารที่มีนัยสำคัญต่อสนามไฟฟ้ามากที่สุดในดินก็คือ น้ำ!!!

แล้วการตรวจวัด Capacitance เกี่ยวข้องอะไรกับ Permittivity ในเมื่ออุปกรณ์เป็นอุปกรณ์ตรวจวัด C ??? มาลองพิจารณาตารางต่อไปนี้ดูครับ…

4. จากตารางสูตรการคำนวณค่า Capacitance ในวัสดุรูปทรงต่างๆ จะเห็นได้ว่ามีค่าตัวแปร ε หรือค่า Permittivity สัมพันธ์กันในทางตรงเสมอ (สมการค่า C จะมีตัวแปร ε คูณอยู่เสมอ) ฉะนั้น อุปกรณ์ที่เราพัฒนาขึ้นเลยอาศัยหลักการนี้ในการตรวจัดความชื้นในดิน ซึ่งจริงๆ เราตรวจวัด Capacitance ผ่านคุณสมบัติ Permittivity ของน้ำ เพราะน้ำมีค่า Permittivity สูงกว่าของแข็งอื่นๆ โดยรอบในดิน (ตามบริบทการตรวจวัดในดิน) เมื่อน้ำมีการเปลี่ยนแปลง ค่า C จึงมีการเปลี่ยนแปลงตามไปด้วย และอุปกรณ์ก็จะทำการตรวจวัดจากตรงนั้น

จากภาพ แม้จะเรียกได้ว่าเป็นน้ำเหมือนกัน แต่เมื่อน้ำเปลี่ยนไปอยู่ในรูป “น้ำแข็ง” หรือของแข็ง ค่า Permittivity จะแสดงผลน้อยเหมือนกัน อย่างไรก็ตาม การทำงานของอุปกรณ์นี้จะแปรผันตาม “น้ำ” เป็นหลัก เมื่อทำการทดสอบกับน้ำโดยตรงมันจะให้ค่าสูงสุด และจะให้ค่าน้อยสุดเมื่อทดสอบกับอากาศแห้ง ฉะนั้น การตรวจวัดในพื้นที่จริง หากดินยังมีความชื้นตามธรรมชาติ ค่าการตรวจวัดก็จะแสดงออกมา แต่ต่อให้ดินมีความชุ่มน้ำมากแค่ไหน ก็เป็นไปไม่ได้ที่จะได้ค่าสูงสุด เพราะในดินไม่ได้มีน้ำ 100% ตามปริมาตร

“สรุปว่า สิ่งที่เซ็นเซอร์ตรวจวัด คือค่า Capacitance ที่ผ่านความสัมพันธ์ของค่า Permittivity ของวัสดุ ซึ่งในที่นี้ น้ำมีค่าสูงจนถือเป็นสิ่งแทนนัยสำคัญ สามารถใช้ประเมินน้ำในดินได้”

**ทิ้งท้ายส่วนนี้ อย่างไรก็ตาม ยังมีช่องว่างอยู่ว่า การทดสอบตรวจวัดดังกล่าวนี้จะต้องทำเพื่อหาค่าแนวโน้มที่ Linear มากเพียงพอต่อการเปลี่ยนแปลงของน้ำ จำเป็นต้องอาศัยการออกแบบอุปกรณ์อย่างเข้าใจ เพราะการเปลี่ยนรูปทรง ขนาด ความยาว และหลักการตรวจวัดแม้เพียงเล็กน้อย ก็จะส่งผลต่อกระบวนการตรวจวัดและตีความทั้งหมดทันที

2. การติดตั้งอย่างเข้าใจ และข้อที่ควรพิจารณา

เปรียบเทียบปริมาณน้ำโดยปริมาตร กับศักย์ของน้ำ จากดิน 3 ชนิด

ความหลากหลายของดิน: อย่างที่ได้เล่าไปในบทความตอนแรก เมื่อชนิดของดินมีความเชื่อมโยงกับโครงสร้างของดิน ชนิดและโครงสร้างของดินมีความเชื่อมโยงกับคุณลักษณะและพฤติกรรมของน้ำในดิน ดังนี้น หากเราทราบชนิดของดิน ตลอดจนสัดส่วนชนิดของดินก็จะช่วยให้การติดตั้งและการอ่านความหมายของค่าการตรวจวัดเป็นไปอย่างเหมาะสมและได้ข้อมูลที่มีคุณภาพ

หน้าสัมผัสของเซ็นเซอร์: จำเป็นต้องสัมผัสกับดินทั้งหมดไม่ว่าหัววัดจะเป็นแบบแบนหรือกลม เนื่องจากการอ่านค่าการตรวจวัด จะเป็นการเฉลี่ยตลอดทั้งหน้าสัมผัส การฝังในดินไม่เต็มหน้าสัมผัสอาจก่อให้เกิดการตีความข้อมูลผิดพลาด ค่าความชื้นอาจออกมาน้อยกว่าที่ควรเป็น หรือการขังตัวของน้ำอาจทำให้ได้ค่าที่มากกว่าความเป็นจริง เป็นต้น

การหดตัวของดินเกิดเป็นร่องลึก

การยืดตัว-หดตัวของดิน: ประเด็นนี้เกิดขึ้นกับดินที่มีการยืด-หดตัวสูง เช่นดินนาบางพื้นที่ เมื่ออยู่ในสภาพแห้งแล้งติดต่อกัน เนื้อดินมักเกาะกลุ่มและหดตัวอย่างรุนแรง ไม่เพียงแตกระแหง ผิวเปลือกดินยังกระเทาะเป็นแผ่นๆ แตกออกเป็นร่องลึกด้วย

มีการทดสอบติดตั้งเซ็นเซอร์ในดินนาที่ผ่านการให้น้ำ-ปล่อยให้แห้ง หลายรอบวนไป พบว่า ข้อมูลการตรวจวัดมีความแปลกประหลาด เมื่อไปลงพื้นที่สำรวจจริง ก็ได้พบว่า ร่องดินที่เกิดขึ้นยามดินแห้งนั้น พอได้รับน้ำ น้ำก็เข้าไปเติมเต็มร่องโดยทำให้บริเวณดังกล่าวมีความชื้นพุ่งสูงกว่าบริเวณอื่นๆ ซึ่งค่าตรวจวัดแปลกประหลาดนั้นก็อยู่ใกล้แนวร่องแตกนี้พอดี

การขุดดินและโครงสร้างของดิน: ส่วนสำคัญที่สุดอันเป็นรากฐานสำคัญของการตรวจวัดความชื้นในดิน คือ การขุดดินเพื่อติดตั้งอุปกรณ์

มีประเด็นที่ต้องพิจารณาดังนี้

• การขุดดิน หมายถึงการทำลายโครงสร้างดินโดยตรง ซึ่งโครงสร้างดินที่แตกต่างกันย่อมส่งผลถึงพฤติกรรมของน้ำด้วย จึงมักนิยมแก้ปัญหาด้วยการขุดดินให้มีพื้นที่หน้าตัดตรงและตั้งฉาก ก่อนจะทำการฝัง/ปักอุปกรณ์ในแนวระดับ
• การรบกวนโครงสร้างดิน พยายามให้เป็นไปอย่างน้อยที่สุด หรือขุดหลุมให้เล็กที่สุดเท่าที่จะทำได้ เพราะหากหลุมกว้าง นั่นหมายความว่า เมื่อมีการให้น้ำหรือฝนตก น้ำจะสามารถซึมผ่านดินทางแนวระดับ และสุดท้ายค่าการตรวจวัดจะไม่เป็นไปตามที่คิด
• เทคนิคการขุดดิน เราจะขุดด้วยสว่านดิน ก่อนจะแยกดินที่ขุดขึ้นมาตามลำดับความลึก โดยจัดการให้ก้อนดินแตกตัวน้อยที่สุด ก่อนจะฝังกลบตามลำดับเดิมเมื่อปักอุปกรณ์เสร็จสิ้นแล้ว

เขตรากพืช: รากพืชเป็นส่วนสำคัญในการดึงน้ำในดินไปใช้ประโยชน์ หากขุดดินเพื่อฝังอุปกรณ์ในบริเวณรากพืชและทำลายรากพืชบริเวณนั้น อาจส่งผลให้ค่าการตรวจวัดความชื้นในดินมีแนวโน้มลดลง เนื่องจากไม่มีรากพืชอยู่เลย ทั้งนี้ ขึ้นกับวัตถุประสงค์ของการติดตั้งว่าต้องการได้ข้อมูลลักษณะใด

การซึมลึกอย่างรวดเร็ว: เป็นลักษณะหนึ่งของความสัมพันธ์ระหว่างการไหลของน้ำกับโครงสร้างของดิน การซึมน้ำของดินที่เหมาะสมต่อการเพาะปลูก จะเป็นการซึมทั้งแนวระดับและแนวดิ่ง ในลักษณะค่อยๆ แผ่ขยายออกไป ซึ่งน้ำในดินจะถูกกักเก็บไว้ให้พืชสามารถนำไปใช้ประโยชน์ได้

อย่างไรก็ตาม โครงสร้างดินบางชนิดเกิดการซึมลึกอย่างรวดเร็วลงสู่ชั้นดินลึก ทำให้กระบวนการตรวจวัดได้รับผลกระทบตามมา คือ หนึ่ง. หากอุปกรณ์อยู่ในเส้นทางการซึมลึกจะได้ค่าที่มีความชื้น/น้ำในดินสูงตลอดเวลา สอง. หากอุปกรณ์ไม่ได้อยู่ในเส้นทางการซึมลึกจะได้ค่าบ่งชี้ว่าดินค่อนข้างแห้ง แม้จะให้น้ำแล้วก็ตาม กรณีแบบนี้เกษตรกรที่เฝ้าสังเกตการให้น้ำมักสามารถประเมินได้เป็นพื้นฐานอยู่แล้ว

ตำแหน่งการวัด กับผังการให้น้ำ: การติดตั้งอุปกรณ์จะต้องพิจารณาตามวัตถุประสงค์เป็นหลัก เลือกตำแหน่งการติดตั้งให้สอดคล้องกับระบบการให้น้ำ โดยทั่วไปมักมีการให้น้ำบริเวณโคนต้นเพื่อให้เกิดโปรไฟล์น้ำบริเวณรากมากที่สุด ฉะนั้นการซึมของน้ำจะเป็นไปในลักษณะที่แผ่ออกมารอบๆ จุดให้น้ำ ตรงนี้ เราสามารถสังเกตค่าต่างๆ ได้ เช่น ดูความเร็วในการแผ่ขยายแนวระดับ ความเร็วในการซึมแนวดิ่ง หรือระยะของน้ำที่ซึมออกมา ฯลฯ

บริบทของวัตถุประสงค์

ในท้ายที่สุด การตรวจวัดความชื้นในดินด้วยเซ็นเซอร์ โดยพื้นฐานแล้วก็เพื่อ “เป็นตัวแทน” ของดินในบริเวณกว้าง (ภายใต้เงื่อนไขการจัดการดินเดียวกัน) และเพื่อดูพฤติกรรมของน้ำในดินตามแต่วัตถุประสงค์ เช่น หากปลูกผักซึ่งมีรากสั้น ปลูกอยู่บนดินที่ไม่ลึก มีการพรวนดินตลอดเวลา ก็ไม่จำเป็นจะต้องฝังอุปกรณ์ให้ลึกมากนัก อีกทั้งยังมีการให้น้ำบ่อย เรียกได้ว่า ดินแทบจะไม่แห้งเลยในแต่ละวัน เป็นต้น

ย้ำกันอีกครั้งครับว่า อุปกรณ์มีศักยภาพในการช่วยสร้างข้อมูลได้ แต่เราในฐานะผู้ใช้งาน จำเป็นต้องเข้าใจการทำงานของอุปกรณ์และสิ่งที่ข้อมูลสื่อออกมา ผ่านกระบวนการทำงานให้ได้ก่อน จากนั้นผสานเข้ากับองค์ความรู้เฉพาะทางซึ่งในที่นี้คือ ดิน-น้ำ-น้ำในดิน จึงจะเป็นแนวทางให้เราสามารถรับและตีความข้อมูลได้อย่างมีคุณภาพ

สำหรับตอนที่สองนี้ หวังว่าจะเป็นประโยชน์แก่ผู้ที่กำลังสนใจนำระบบตรวจวัดความชื้นในดินไปใช้งานไม่มากก็น้อยนะครับ หากผู้อ่านท่านใดมีข้อสงสัย ก็มาพูดคุยแลกเปลี่ยนกันได้ ด้วยความยินดีครับ

ติดตามการทำงานและทดลองอื่นๆ ของเราได้ที่ เกษตรไทยIoT

ติดตามการเดินทางของเราด้านอื่นๆ ได้ที่ Discovery