為何土壤水分傳感器在水中輸出不是100%？

使用我們(men) 的CS650/CS655或者TDR200係統測量土壤水分的用戶經常會(hui) 提出這樣一個(ge) 問題：將傳(chuan) 感器放在水中，為(wei) 何體(ti) 積含水量（Volumetric Water Content, VWC）的輸出值不是100%（或者1.0 cm³/cm³，單位表示為(wei) 體(ti) 積含水量）？這是由於(yu) 此類傳(chuan) 感器直接測量的是介質的（相對）介電常數，進而通過Topp經驗公式等介電模型來計算土壤體(ti) 積含水量。如下圖所示，Topp經驗模型其適用條件為(wei) 非飽和礦物質土壤（下圖左半部分）。將常溫下水的介電常數（≈80）代入模型中得到此時VWC 約為(wei) 0.96 cm³/cm³，並非100%。

此外，水的介電常數並非定值，不同溫度下水的介電常數可由下圖中的多項式表示，在20℃和25℃下水的介電常數分別為(wei) 80.36和78.54。如果進行上述測試時水溫為(wei) 25℃，那麽(me) 代入Topp公式中可得到VWC約為(wei) 0.93 cm³/cm³，相去100%更遠。

因此，在檢驗CS655等土壤水分傳(chuan) 感器工作是否正常時，查看傳(chuan) 感器置於(yu) 水中的介電常數而非體(ti) 積含水量更為(wei) 合理。如果條件允許，可以同時測量水體(ti) 溫度，計算在當前溫度下水的介電常數作為(wei) 參考值，與(yu) 傳(chuan) 感器輸出進行對比。我們(men) 的不同傳(chuan) 感器其測量誤差稍有差異，在電導率未超出範圍時，介電常數測量誤差通常保持在±2個(ge) 單位之內(nei) 。

還需要特別說明的是，在測試時傳(chuan) 感器探針應當全部浸沒在水中。此外，由於(yu) 水分傳(chuan) 感器探針上傳(chuan) 導的高頻電磁波會(hui) 有一定程度的邊緣場效應，因此測試時探針距離盛水容器內(nei) 壁和底部應保持一定間距，以3至5cm為(wei) 宜，否則會(hui) 導致傳(chuan) 感器感應到容器材料或者空氣，造成介電常數測量結果偏小。基於(yu) 同樣原因，試驗容器應選用塑料或玻璃等非金屬材質。

參考文獻：

●Lide, D.R., 1992. Handbook of chemistry and physics. 73rd ed. CRC Press, Boca Raton, FL, USA.

●Topp, G.C., Davis, J.L., Annan, A.P., 1980. Electromagnetic determination of soil water content: Measurements in coaxial transmission lines. Water Resour. Res. 16:574–582.