ELECTRICA L R ESISTA N CE M ETHOD FO R M EASURIN G M OISTU RE DYNAM ICS IN SANDY S O IL S1
Departm ent of Soil Science, A gricultural College, Lublin Head — Prof. Dr. B. Dobrzański
T h ere is a rich lite ra tu re on m easu rin g m o istu re dynam ics in sandy soils b y th e e lectric resistan ce m eth o ds [4]. In P oland, how ever, th e a ir-o v en m eth o d is com m only used. This m eth o d yields good re su lts b u t is v e ry tim e-co nsum ing in field m ea su rem e n ts [2].
T he need of a ra p id pro ced u re for m ea su rin g m o istu re dynam ics in san d y soils in duced to w o rk o u t a m eth o d based on d e te rm in a tio n of electric resista n c e of soils. T he f irs t tests, re p o rte d e a rlie r [1], w ere successful, an d stim u la te d f u rth e r im p ro v e m e n t of th e in stru m e n ta tio n .
T he proposed m eth o d of m easu rin g m o istu re dynam ics in san d y soils is based on soil resistan ce d e te rm in a tio n w hich is m ea su red w ith a W h e at stone b rid g e fed b y a lte rn a tin g c u rre n t (Fig. 1 a). The use of a lte rn a tin g (instead of d irect) c u rre n t leads to elim in atio n of electro lysis on th e resistan ce m e a su re m e n t re su lts. A lte rn a tin g 30 V c u rre n t is tra n s m itte d to a soil sam ple b y tw o fla t m eta l electro des placed a t th e bo tto m of a c o n d u ctiv ity cell (Fig. 1 d). To th e soil sam ple placed in th is cell is applied a d efin ed am o u n t of p ressu re. B oth th e sam ple q u a n tity and th e p ressu re w hich it is e x e rte d on it do n o t in flu en ce th e re la tio n b e tw e en soil resistan ce an d its m o istu re. It is n ecessary to fix th ese tw o m ag n i tu d es fo r ever. T h e a u th o rs assum ed th e sam ple q u a n tity b eing 20 cm.3 w hich w as sub d u ed a p re s s u re of 3 A tm .
Soil resista n c e is re a d o n th e a p p a ra tu s scale in kiloohm s. Zero in d icato r of th e b rid g e is th e telep h o n e receiver. T u rn in g of th e m ovable a p p a ra tu s scale to th e a c tu a l v a lu e of soil resistan ce is signalized by sound fading in th e receiv er.
1 The investigations w ere financed by the Committee of Soil Science and A gricultural Chemistry, Polish Academ y of Sciences.
16 В. Dobrzański, J. Gliński, M. M alicki
Fig. 1. Apparatus for m easuring electric resistance of soils:
a — W h e a t s t o n e b r i d g e f o r a l t e r n a t i n g c u r r e n t (a . c . g e n e r a t o r is i n s i d e ) , b — p r e s s , с — t e l e p h o n e r e c e i v e r , d — c o n d u c t i v i t y c e l l
RESULTS
The in itia l in v estig ation s w ere p erfo rm ed in the lab o rato ry . Soil sam ple w ere w e tte d in d iffe re n t degree w ith distilled w a te r and th e ir electric resistan ce w as m easu red, th e ir m o istu re being d ete rm in e d by air-o v en m ethod.
T he re su lts o b tain ed can be p lo tted in a d iag ram p rese n tin g soil resistan ce as fu n ction of soil m oistu re: R = f (M). This calib ratio n curv e allow s to d eterm in e m o istu re of th e teste d sam ples from th e electric resistan ce m easu rin g d ata. T he fu n ctio n R(M), exp ressed by m ean s of lo g arithm ic coordinates, form s a s tra ig h t line (Fig. 2), so th a t two points — log R, log M — are a lre ad y su fficien t for d raw ing th e calib ratio n curve.
T he m etho d m en tio n ed above w as used for m easu rin g m o istu re d y n a m ics in sand y soils in th e field. H u n d red s of m ea su rem e n ts of th e rela tio n betw een soil m o istu re and its electric resistan ce w ere c a rrie d out. T hese m ea su rem e n ts com prised th e fu ll m o istu re scale of th e te ste d soil — fro m w a te r logged to a ir-d ry soils. 96 of th ese m easu rem en ts, m ad e w ith th e la te s t press m odel (Fig. 1 b), are given in T able 1. T hese d a ta w ere
11 If u -M 6 0 100 К M - и U -U- V 2 - 1013 °% U0 u . у u _u - V ^ - i o o 0 %■ U0 U - Ы M -41 Л г - 100 *° % 6 % 0 % e “ Uo ° % e % 0 % e Mo % % e 0 % % e о 0.99 0.94 + 0.05 5 .3 2 2.57 2.45 + 0.12 4 .89 4 .5 2 4.73 - 0.21 4.44 5.68 5.68 0.00 0.00 1.00 0.69 + 0.31 44.92 2.66 2.52 + 0.14 5.55 4.66 4.8 7 - 0 .21 4.31 5.76 5.13 + 0.63 12.28 1.03 0.99 + 0.04 4 .0 4 2.66 2.57 + 0.09 3.50 4 .7 9 4 .7 1 + 0.08 1.70 5.96 5.87 + 0.09 1.53 1.07 1.15 - 0.08 6.95 2.82 2.63 + 0.19 7.22 4.84 4.65 + 0.19 4.08 6.10 5.84 + 0.26 4.45 1.12 1.15 - 0.03 2.60 2.99 2.78 + 0.21 7.55 4 .9 0 4 .7 8 + 0 .12 2.51 6.17 7.41 - 1.24 16.75 1.26 1.04 + 0.22 21.15 3.02 2.69 + 0.33 12.26 4.9 0 4.90 0.00 0.00 6.46 6 .80 - 0.34 5.00 1.27 1.29 - 0.02 1.55 3.09 2.78 + 0.31 11.15 4 .95 5.01 - 0.06 1.19 6.64 6.78 - 0.14 2.06 1.35 1.41 - 0.06 4.25 3.09 3.02 + 0.07 2.31 5.01 5.01 0 .00 0.00 6.64 6.80 - 0.16 2.35 1.38 1.30 + 0.08 6 .15 3.13 3.45 - 0.32 9.27 5.02 4.37 + 0.65 14.87 6.64 6.78 - 0.14 2.06 1.41 1.39 + 0.02 1.44 3.17 3.66 - 0.49 13.38 5.13 5.50 - 0.37 6.72 6.64 6.64 0.00 0.00 1.43 1.34 + 0.09 6.71 3.20 3 .40 - 0.20 5.88 5.13 4 .75 + 0.38 8.00 6.64 6.80 - 0.16 2.35 1.62 1.67 - 0.05 2.99 3.27 2.99 + 0 .28 9.36 5.13 5.43 - 0.30 5.52 6.64 6.81 - 0.17 2.49 1.66 1.66 0.00 0 .0 0 3.27 3.77 - 0.50 13.26 5.13 5.43 - 0.30 5.52 7.25 7.33 - 0.08 1.09 1.67 1.77 - 0.10 5.64 3.35 3.47 - 0.12 3.46 5.13 5.43 - 0.30- 5.52 7.33 7.59 - 0.26 3.42 1.82 1.80 + 0.02 1.11 3.89 3.80 + 0.09 2.37 5.13 5.43 - 0 .3 0 5.52 8.08 8.08 0.00 0.00 1.91 1.77 + 0.14 7.91 3.89 3.89 0 .0 0 0 .00 5.19 5 .00 + 0.19 3.80 8.08 8 .0 2 + 0 .06 0.75 1.95 2.19 - 0.24 10.96 3.89 3.89 0 .0 0 0 .0 0 5.25 5.37 - 0 .12 2.23 9.88 9.12 + 0.76 8.33 2.05 2.24 - 0.19 8 .48 3.98 3.80 + 0.18 4.73 5.31 5.08 + 0.23 4.5 2 9.88 9.12 + 0.76 8.33 2.09 1.84 + 0.25 13.58 4.14 4 .8 0 - 0.66 13.75 5.32 5.00 + 0.32 6.40 9.88 9.12 + 0.76 8.33 2.14 1.95 + 0.19 9.74 4.27 4.27 0 .0 0 0.0 0 5.32 S.32 0.00 0.00 9.88 9.12 + 0.76 8.33 2.29 2.19 + 0.10 4 .5 6 4 .32 4.6b - 0.36 7.69 5.32 5.43 - 0 .1 1 2.02 10.00 9.33 + 0.67 7.18 2.37 2.24 + 0.13 5.8 0 4.34 4 . £4 0 .0 0 0 .0 0 5.50 5.50 0.00 0.00 10.00 10.11 - 0.11 10.88 2.43 2.37 + 0.06 2.53 4.34 4 .4 2 - 0.08 1.81 5.63 5.02 + 0 .6 1 12.15 10.00 10.00 0.00 0.00 2.52 1.95 + 0.57 29.23 4 .4 2 4 .4 2 0.00 0.0 0 5.68 5.65 + 0.03 0.53 10.60 10.00 + 0.60 6.00 E le c tr o m e tr ic d et er m in a tio n of so il m oisture in sa n d y so il s
18 В. Dobrzański, J. Gliński, M. Malicki
ta k e n fo r com parison of th e electric resista n c e m eth o d (Me) w ith th e a ir-o v en m eth o d (M0).
T he an alysis of dependence b e tw e en electric resistan ce lo g arith m of soil and its m o istu re lo g arith m allow s to o b tain a sim plified m ath em atic fo rm u la fo r soil electric resistan ce as a fu n ctio n of its m oistu re. The
Fig. 2. Relation b etw een soil m ois ture and its resistance shown in
the logarithm ic coordinates
calib ratio n curve, being a n in stan ce of a s tra ig h t line c u ttin g th e system of coordinates in tw o points (Fig. 3i), can be ex p ressed by th e follow ing equation: log R = b — a log M th e re fo re a log M + log R = Ъ log (MaR) = b Ma R = n b _ n b a n d fin a lly R = —— J Ma w here: M — soil m o isture,
R — soil electric resistance,
a — a n g u la r coefficient eq u al ta n g e n t a,
b — lin e a r coefficient d ete rm in in g th e in te rse c tio n point of th e s tra ig h t line w ith th e log R axis,
n — base of log arith m s.
DISCUSSION AND CONCLUSIONS
T he com parison of m ea n soil m o istu re s o btain ed w ith bo th m ethod s, c a rrie d o u t b y th e S tu d e n t's test, show ed th a t th e y do not d iffe r signifi c a n tly fro m each o th e r (t° = 1,237 t0o! = 2,617). T able 2 con tains sta tistic a l ch a ra c te ristic s of tw o series of soil m o istu re m ea su rem e n ts (Table li) w hich w ere p e rfo rm e d b y th e electric and th e a ir-o v en m ethods.
T a b l e 2 S t a t i s t i c a l c h a r a c te r is tic s of two s e r ie s of s o i l moisture measurements
performed by the e le c t r ic and the air-oven methods
Method o f meas.Number m oist. %Liean d eviationStandard
Mean error of arithxa. means Confidence lim it for mean Ы (p - 0 .99) Z le c tr . 96 4 .5 1 + 2.42 + 0.247 + 0.65 Oven 96 4 .47 + 2.40 + 0.245 + 0.65
In th is tab le we see th a t sam ple ch a ra c te ristic s are alm ost iden tical, i. e. b o th m ethod s g u a ra n te e equal p recision of m ea su rem e n t. The con fidence lim its, d e te rm in in g th o se lim its w ith in w hich th e valu e of m ean m o istu re of both popu lation s could be found, are considerab ly w id e r th a n th e d ifferen ce b e tw e en th em (0.040) o b tain ed from th e sam ple. V arian ce com parison b y F isc h e r’s te s t show ed also th a t th e re is no sig n ifican t d ifference b e tw e en th e re s u lts o b tained by both m eth ods
(F° = 1.02 < F o,oi = 1.59).
The m ea su rem e n ts of th e electric resistan ce of soil w ere ca rrie d o u t a t te m p e ra tu re s fro m 0°C to 30°C. It w as observed th a t te m p e ra tu re v a ria tio n s up to 5°C h ad no sig n ificant influence on th e resu lts of m easu rem en ts.
It is ev id e n t th a t th e described p ro ced u re re q u ire s in d iv id u al calib ratio n for e v e ry soil. N everth eless, th e e le c tro m etric m eth o d is q u ick er an d m o re con ven ient th a n th e a ir-o v en m eth o d and can th e re fo re be recom m en d ed for lo n g -lastin g in v estig atio n s of soil m o istu re dynam ics.
The a u th o rs believe th a t th is m eth od can be used for stu d y of m o istu re dynam ics in o th e r m in e ra l soils too.
20 В. Dobrzański, J. Gliński, M. M alicki
REFERENCES
[1] D o b r z a ń s k i B.: W ilgotnościom ierz elektrom etryczny do pomiaru w ilgot ności gleb w ytw orzonych z piasków. An electric hygrom eter for m easuring m oisture in soils form ed from sands. Roczniki Gleboznawcze, Add. to vol. X, W arszawa 1961.
[2] M u s i e r o w i c z A., Ś w i ę c i c k i С z., K r ó l H., K i e r s n o w a A.: D ynam ika tem peratury i w ilgotności gleb brunatnych i pseudobielicow ych okolic W arszawy z uw zględnieniem nawadniania gleb lekkich. Tem perature and m oisture dynamics in brown and pseudopodsolic soils of the Warsaw environs w ith consideration of irrigation light soils. Roczniki Gleboznawcze, Vol. XIII, 1, W arszawa 1963.
[3] R o d e A. A.: M ietody izuczenia wodnowo reżima poczw. M ethods of in ve stigation of w ater regime in soils. Izw. Akad. Nauk SSSR, Moskwa I960. [4] S h a w M. D., A r b i e W. C.: Bibliography on m ethods for determ ining
soil m oisture. The Pensylvania State U niversity, Eng. Research Bull., В — 78, 1959.
В . D O B R Z A Ń S K I , J . G L I Ń S K I , M . M A L I C K I
EINE ELEKTROMETRISCHE METHODE ZUR MESSUNG DER FEUCHTEDYNAMIK IN BÔDÈN UND SANDEN
L e h r s t u h l f ü r B o d e n k u n d e , L a n d w i r t s c h a f t l i c h e H o c h s c h u l e , L u b l i n
Z u s a m m e n f a s s u n g
Es wurde eine elektrom etrische M ethode zur M essung der Feuchtedynam ik in Sandböden entw ickelt. Sie beruht auf der Bestim m ung des elektrischen B oden widerstandes, der unter A nw endung einer W heatstonebriicke m ittels W echselstrom gem essen wird. D ie Bodenproben w erden in eine G efässelelektrode eingebracht und dort einem bestim m ten Druck unterworfen. D er von der Apparatskala abgelesene elektrische Bodenwiderstand wird m it einer vorgehend für die gegebene Probe angefertigten K alibrierkurve vergleichen und aus letzterer der Feuchtegehalt des Bodens in Prozent abgelesen. Die Methode arbeitet sehr präzise, ihre Ergebnisse stim m en m it jenen des Trockenenenverfahrens überein. Sie kann som it zu M essungen d er B odenfeuchtigkeit in stationären Verhältnissen em pfohlen werden.
A . D O B R Z A Ń S K I , J . G L I Ń S K I , M . M A L I C K I
MÉTHODE ÉLECTOMÉTRIQE DE MESURAGE DE DYNAMIQE DE L’HUMIDITÉ DA NS LES SOLS FORMÉS DE SABLES
C h a i r e d e P é d o l o g i e d e l ’E c o l e S u p é r i e u r e d ’A g r i c u l t u r e à L u b l i n
R é s u m é
Une m éthode électrom étrique de m esurage a été m ise au point et appliquée à la dynam ique de l ’hum idité dans les sols sabloneux. La m éthode est basée sur le m esurage de la résistance du sol m esurée au m oyen d’un ohmm ètre à courant
alternatif, fonctionnant dans le systèm e du pont W heatstone. On place un échan tillon de sol dans l ’électrode en form e de récipient et on le soumet à une pression définia. La résistance exprim ée en kiloohm s et notée à l ’échelle de l ’appareil, est comparée avec la courbe de calibrage (tracés précédem m ent pour l’échantillon donné) sur laquelle on lit le pourcentage cfe l ’hum idité.
La m éthode est caractérisée par sa précision considérable et elle donne des résultats adéquats à ceux de la m éthode de séchoir. Cette m éthode peut donc être recom m andée pour les m esurages in situ de la dynam ique de l’hum idité des sols.
E . D O B R Z A Ń S K I , J . G L I Ń S K I , M . M A L I C K I
ELEKTROMETRYCZNA METODA POM IARU DYNAM IKI WILGOTNOŚCI GLEB WYTWORZONYCH Z PIASKÓW
K a t e d r a G l e b o z n a w s t w a , W S R L u b l i n
S t r e s z c z e n i e
Opracowano elektrom etryczną m etodę pomiaru dynam iki w ilgotności gleb p ia szczystych. Metoda oparta jest na określaniu oporności gleby m ierzonej om om ie rzem prądu zm iennego pracującym w układzie m ostka W heatstone'a. Glebę um iesz cza się w elektrodzie naczyniowej i poddaje określonemu naciskow i. Odczytany ze skali aparatu opór elektryczny gleby porów nuje się z uprzednio w ykreśloną dla danej próbki krzywą kalibracji, z której odczytuje się procent w ilgotności. Metoda charakteryzuje się dużą precyzją oraz daje w yniki zbieżne z m etodą suszarkową. Może ona być zatem polecana do stacjonarnych pomiarów dynam iki w ilgotności gleb. Б . Д О Б Ж А Н Ь С К И , Я . Г Л И Н Ь С К И , М . М А Л И Ц К И ЭЛЕКТРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ ДИНАМИКИ ВЛАЖ НОСТИ ПОЧВ ОБРАЗОВАВШ ИХСЯ ИЗ ПЕСКОВ К а ф е д р а П о ч в о в е д е н и я Л ю б л и н ь с к о й С е л ь с к о х о з я й с т в е н н о й А к а д е м и и Р е з ю м е Разработан электрометрический метод измерения динамики влажности пе счаных почв. Метод основан на определении сопротивления почвы измеряемого омметром переменного тока работающим в системе мостика Уатстона. Почву помещается в сосудном электроде и подвергается определенному нажиму. Вычи сленное по ш кале аппарата электрическое сопротивление в килоомах сопоста вляется с предварительно вычерченной для данного образца кривой калибро вания, из которой производится отсчёт процента влажности. Метод характери зуется большой точностью и дает результаты сходные с результатами получен ными по сушильному методу. Рассматриваемый метод рекомендуется для лабо раторных измерений динамики влажности почв.
