Výrobní variabilita různých verzí mikroklimatických TMS senzorů a návrh korekce vlhkostního signálu

Jan Dlauhoweský

Bachelor's thesis

Production variability of microclimatic TMS sensors in different versions and design of soil-moisture signal correction

Abstract:

V současné době se často setkáváme s problémy spojenými s hydrologickými extrémy, jako jsou dlouhodobá sucha či přívalové srážky a následné povodně. V rámci ochrany před těmito nepříznivými vlivy jsou realizována opatření podporující zadržování vody v krajině. Za účelem vyhodnocení účinností těchto opatření je třeba mít k dispozici efektivní monitoring zásoby vody v půdě, protože obsah vody v půdě se ukazuje v kontextu klimatické změny jako klíčový. Na trhu je mnoho senzorů měřících půdní vlhkost, které se liší kvalitou a cenou. Tato práce se zabývá laboratorním testováním vlhkostních senzorů TOMST a možnostmi snižování jejich nežádoucí výrobní variability. Senzory byly k dispozici v 5 různých sériích lišících se datem a způsobem výroby. Na TMS byla provedena měření vlhkostního signálu ve čtyřech různých prostředích (vzduch, demineralizovaná voda, suché kuličky, nasycené kuličky), za účelem porovnání rozdílů mezi sériemi. Bylo zjištěno, že největší rozdíly v hodnotách signálu se objevují v prostředí vzduchu. Z hlediska rozkolísanosti jednotlivých sérií byla jako nejspolehlivější zvolena nejnovější série TMS 5. Po analýze výsledků byla vybrána série TMS4 A (rok výroby 2019), jenž vykazovala vysokou rozkolísanost hodnot ve stejném materiálu. U těchto senzorů byl proveden pokus o snížení nežádoucí variability pomocí korekce. Osazení senzorů z této série proběhlo v lesní půdě na lokalitě Amálie. Po čtyřech měsících byla naměřená data stažena. V laboratoři bylo poté navrženo sedm metod korekce signálu na základě rozdílu laboratorně naměřené hodnoty pro každý senzor a referenční hodnoty dlouhodobého standardu výrobce. Nejvyšší nežádoucí variabilitu vykazovaly senzory bez korekce (nejvyšší rozsah hodnot a 2. nejvyšší koeficient variace (CV). Jako nejvhodnější korekční metoda byla zvolena korekce vypočtená na základě poměru signálu suchých kuliček a nasycených kuliček v poměru 50:50, která vykazovala 2. nejnižší CV a současně 3. nejnižší rozsah hodnot. Tato korekce využívající hodnotu signálu z kombinace suchého i nasyceného porézního prostředí se blíží hodnotám signálu reálného částečně půdního prostředí. Celkově všechny navržené metody korekce signálu vedou ke snížení nežádoucí výrobní variability mezi senzory a tím zvyšují kvalitu vlhkostního monitoringu.

Abstract:

Nowadays, we often encounter problems associated with hydrological extremes such as prolonged droughts or heavy rainfall and subsequent flooding. To protect against these adverse effects, measures are implemented to promote water retention in the landscape. To assess the effectiveness of these measures, effective monitoring of soil water storage is needed, as soil water content is proving crucial in the context of climate change. There are many soil moisture sensors on the market, which vary in quality and price. This work deals with laboratory testing of TOMST soil moisture sensors and how to reduce their undesirable manufacturing variability. The sensors were available in 5 different batches differing in date and method of manufacture. Moisture signal measurements were performed on the TMS in four different environments (air, demineralized water, dry beads, and saturated beads) to compare the differences between the batches. It was found that the largest differences in signal values occur in the air environment. In terms of the variability of the different series, the most recent series TMS 5 was chosen as the most reliable. After analyzing the results, the series TMS4 A (year of production 2019) was selected, which showed a high variability of values in the same material. For these sensors, an attempt was made to reduce the unwanted variability through correction. Sensors from this series were deployed in the forest soil at the Amalia site. After four months, the measured data were withdrawn. Seven methods of signal correction were then suggested in the laboratory based on the difference between the laboratory-measured value for each sensor and the reference value of the long-term manufacturer's standard. The sensors without correction showed the highest undesirable variability (highest range of values and the 2nd highest coefficient of variation (CV)). A correction calculated based on a 50:50 ratio of the dry bead signal to the saturated bead signal was selected as the most appropriate correction method, showing the 2nd lowest CV and the 3rd lowest range of values simultaneously. This correction, using the signal value from a combination of dry and saturated porous media, approximates the signal values of the realistic partially soil environment. Overall, all the proposed signal correction methods reduce unwanted production variability between sensors and thus improve the quality of moisture monitoring.

Keywords

mikroklimatická stanice TMS Tomst, korekce signálu, snížení nežádoucí výrobní variability, půdní vlhkost, nepřímé elektrické metody

Keywords

indirect electrical methods, TMS Tomst microclimatic station, signal correction, reduction of unwanted production variability, soil moisture

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 28. 3. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 30. 5. 2024
• Supervisor: Ing. Lukáš Jačka, Ph.D.
• Reader: Martin Vokoun, Ph.D.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Environmental Sciences

Bachelor programme:
Landscaping