A mezőgazdasági méréstechnika szenzorai, érzékelői

Az intelligens gazdálkodás nem nélkülözheti a mezőgazdasági szenzorok, érzékelők alkalmazását. A mérés, az adatgyűjtés, az adatfeldolgozás és az adathasznosítása nélkül nincs fejlett precíziós mezőgazdaság. Az utóbbi időben jelentős mértékben terjed a mezőgazdasági érzékelők felhasználása a legkülönbözőbb területeken és környezetben.

Mezőgazdasági szenzorok

A mezőgazdasági szenzor egy olyan eszköz vagy berendezés, amely képes érzékelni és mérni egy dolog, tárgy, anyag, növény, állat, természeti jelenség stb. fizikai, kémiai, biológiai stb. változó jellemzőit, majd ezeket villamos mennyiség formájában megjeleníteni. A nem villamos mennyiségek és változásuk villamos mérése a szenzor segítségével elektromos jellemzővé alakítható ellenállás, induktivitás, feszültség, áramerősség formában, amelyek mérhetők. A mérendő tulajdonság és a szenzor által szolgáltatott elektromos jellemző szükségszerűen egymásnak függvényei kell hogy legyenek. A szenzor legfontosabb jellemzője, hogy milyen kapcsolat jön létre a mérendő tulajdonság és a szolgáltatott jel között.

Mezőgazdasági érzékelők

Az érzékelő olyan eszköz, amely érzékeli és reagál a környezetből érkező jellemzőkre (bemenetekre), mint például páratartalom, hőmérséklet, eső, növény színe, nagysága stb., az érzékelők kimenetén pedig általában olyan adatok jelennek meg, amelyeket átalakítottak és feldolgoztak a felhasználás elősegítése érdekében.

Az érzékelők kimenetelén megjelenő – a mérendő tulajdonsággal függvénykapcsolatban levő – jellemzőket, amelyek általában elektromos feszültség, illetve áramerősség formájában jönnek létre, analóg vagy digitális számértékkel, vezetéken vagy telemetrikus úton, illetve internetkapcsolaton keresztül el lehet juttatni a felhasználóhoz, egy másik eszközhöz vagy rendszerhez, illetve adatrögzítőn (a „felhőben”) lehet tárolni.

Azokat az érzékelőket, amelyeket a precíziós, intelligens mezőgazdaságban alkalmaznak, mezőgazdasági érzékelőknek nevezik. Az utóbbi időben exponenciálisan elterjedtek a mezőgazdasági érzékelők különböző területen és környezetben, beleértve az időjárási állomásokat, a drónokat, a szárazföldi robotokat, a talajnedvesség-szondákat, helyet és környezetet érzékelő eszközöket stb. A méréstechnikában használt műszaki közbeszéd a szenzor és az érzékelő szavak között sok esetben nem tesz különbséget.

Mérőeszköz, mérőműszer

A mérőeszköz, illetve a mérőműszer önmagában vagy kiegészítő eszközökkel együtt egy anyag, egy tárgy, dolog, akár egy természeti jelenség stb. adott tulajdonságának mérésére készített eszköz.

Metrológia

A metrológia vagy méréstan a mérés tudományos ismeretköre, amely magában foglalja a méréseknek mind az elméleti, mind a gyakorlati szempontjait, függetlenül a pontossági szinttől és a tudományban vagy a műszaki életben való alkalmazástól. A méréstudomány tárgykörébe minden beletartozik, ami a méréssel kapcsolatos, legyen az a mérési eljárás megtervezése, lefolytatása vagy az eredmények elemzése.

A precíziós mezőgazdaságban és az intelligens gazdálkodásban használt leggyakoribb mezőgazdasági érzékelők típusainak rövid ismertetése az alábbiakban olvasható.

Helymeghatározó érzékelők

A helymeghatározó érzékelők lehetővé teszik a gazdálkodók számára, hogy nyomon kövessék a gépek, berendezések, állatok mozgását. A földeken dolgozó traktorok, mezőgazdasági robotok, repülő drónok, a kihelyezett és a mobil érzékelők, mérőműszerek helyének, mozgásának (sebességének) valós idejű ismerete alapvető szükségletnek számít.

A helymeghatározó érzékelők GPS-t használnak (RTK-bővítéssel) a pozíció centiméter pontossággal való meghatározásához, de lehetővé teszik a szántóföldek feltérképezését, a határok kijelölését, a topográfiai eltérések azonosítását stb. is.

Dielektromos talajnedvesség-érzékelők

A dielektromos talajnedvességérzékelők a dielektromos permittivitásváltozás elvén működnek, amelyet a jelenlévő víz mennyisége befolyásol.

Ezek az érzékelők valós idejű adatokat szolgáltatnak a talaj nedvességtartalmáról, lehetővé téve a pontos öntözéskezelést, a talaj állapotának nyomon követését.
Az optimális nedvességtartalom fenntartásával a gazdálkodók csökkenthetik a növénybetegségek és a gyökérrothadás kockázatát, elősegíthetik az egészséges növény növekedését, és növelhetik a terméshozamot.

Optikai érzékelők

A terméshozam maximalizálásához elengedhetetlen a növények optimális egészségének fenntartása. Az optikai érzékelők fényhullámok segítségével szolgáltatnak információt a növény élettani állapotáról. Az egyik elsődleges alkalmazás a levelek klorofilljának mérése – a fotoszintetikus aktivitás és a tápanyagfelvétel létfontosságú mérőszáma. Az optikai érzékelők kvantitatív adatokat szolgáltatnak a növény klorofillszintjéről, a fény visszaverődési és abszorpciós mintáinak elemzésével. Az optikai érzékelők azonosíthatják a különböző biotikus és abiotikus stresszeket is, amelyek befolyásolhatják a növények növekedését, a kártevőfertőzéseket.

Bioszenzorok

Az optikai érzékelőkhöz hasonlóan a bioszenzorok is betekintést nyújtanak a gazdálkodóknak terményeik, állataik és a környezet élettani állapotába.

A bioszenzorok kimutatják a növényekben vagy a talajban levő biológiai összetevőket, például enzimeket vagy antitesteket, a jelen lévő specifikus biológiai molekulákat vagy kórokozókat. Ezek az érzékelők valós idejű adatokat szolgáltatnak a növények és állatok egészségéről, a betegségek, a fertőzések megjelenéséről.

Elektrokémiai érzékelők

Az elektrokémiai érzékelők úgy működnek, hogy a kémiai reakciókat mérhető elektromos jelekké alakítják át, lehetővé téve a gazdálkodók számára a talajminőség értékelését, a környezeti szennyezőanyagok észlelését és a tápanyagszintek nyomon követését. Ez magában foglalja a pH-érték, a tápanyag-koncentráció, a sótartalom és a káros szennyezőanyagok, például a nehézfémek jelenlétének értékelését. Az elektrokémiai érzékelők segítségével például optimalizálni lehet a műtrágya mennyiségi és minőségi kijuttatását.

Hőmérséklet-, páratartalom- és levegőmozgás-érzékelők

A növények és az állatok egészséges fejlődésében a hőmérséklet, a páratartalom és a levegő mozgása döntő szereppel bír. Az ezeknek a környezeti tényezőknek a megfigyelésére tervezett érzékelők kritikus eszközök a termesztési feltételek optimalizálásában és az éghajlati ingadozások hatásainak enyhítésében.

Fizikai mennyiségeket mérő érzékelők

A hosszúság-, az erő-, a nyomaték-, a nyomás- és a rezgésváltozásokat stb. mérő érzékelők a gépek, a növények, az állatok, a talaj és egyéb berendezések, anyagok fizikai jellemzőit mérik. Ezek a mechanikus vagy elektronikus érzékelők valós idejű adatokat szolgáltatnak, segítségükkel a vizsgált dolgok állapotáról lehet számszerű adatot nyerni, amellyel például a gyümölcs szedési ideje, a gépi berendezés proaktív (megelőző) karbantartásának optimális időpontja is kijelölhető.

A mérés, az adatgyűjtés, az adatfeldolgozás, az adathasznosítás nélkül nincs fejlett precíziós mezőgazdaság. A fejlett mezőgazdaság megvalósításához elsősorban tudás szükséges, amelyet az alaptudományi ismeretek elsajátítása mellett a gyakorlati alkalmazástechnikai készségek fejlesztésével lehet megszerezni.

Dr. Varga Vilmos
ny. okl. gépész- és villamosmérnök

Felhasznált források: https://www.mdpi.com/journal/sensors/special_issues/Agriculture_Farming; https://www.escatec.com/blog/7-types-of-agricultural-sensors-driving-the-smart-farming-revolution