Π.1.1 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 1

Transcript

1 Π.1.1 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 1 ΕΡΓΟ ΑΡΙΣΤΕΙΑ 2632 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» ΠΑΡΑΔΟΤΕΟ 1.1 Αξιολόγηση αισθητήρων μέτρησης θερμοκρασίας από απόσταση 1. Εισαγωγή Η έκταση των θερμοκηπιακών καλλιεργειών αυξάνεται συστηματικά τα τελευταία χρόνια και αποτελεί την πλέον παραγωγική μορφή πρωτογενούς αγροτικής παραγωγής. Ο έλεγχος θερμοκρασίας / υγρασίας του περιβάλλοντος του θερμοκηπίου και η άρδευση της καλλιέργειας, αποτελούν τις σημαντικότερες διεργασίες στα θερμοκήπια και οι βασικές πρακτικές που ακολουθούνται μέχρι τώρα, βασίζονται σε αισθητήρες (θερμοκρασίας, υγρασίας, έντασης ακτινοβολίας, υγρασίας υποστρώματος) και μοντέλα (ανάπτυξης, κλιματικά, εξατμισοδιαπνοής), τα οποία όμως, σε πολλές περιπτώσεις, ιδίως στη διαχείριση της άρδευσης, παρουσιάζουν μειονεκτήματα, όπως μεγάλη χρονική υστέρηση στον εντοπισμό της καταπόνησης, έμμεση φύση της μέτρησης, αβεβαιότητα σχετικά με το κατά πόσο είναι αντιπροσωπευτικό το αποτέλεσμα εξαιτίας των σημειακών μετρήσεων, ανάγκη για επαφή των αισθητήρων με κάποιο τμήμα του φυτού, ανάγκη για καταστροφή τμήματος ή συνόλου του φυτού, πολυπλοκότητα της εφαρμογής και την αυτοματοποίηση λήψης δεδομένων. Η προβληματική διαχείριση του ελέγχου του περιβάλλοντος και της άρδευσης, δεν οδηγεί μόνο σε κατασπατάληση ενέργειας και πολύτιμων φυσικών πόρων, αλλά και σε επιβάρυνση των οικοσυστημάτων με λιπάσματα μέσω της απορροής, καθώς και σε μειωμένη οικονομική απόδοση των καλλιεργειών. Ο αποτελεσματικός έλεγχος των περιβαλλοντικών συνθηκών και των αρδεύσεων στις θερμοκηπιακές καλλιέργειες, βελτιστοποιεί την ποσότητα και την ποιότητα της παραγωγής, ενώ μειώνει στο ελάχιστο τις εισροές στο σύστημα καλλιέργειας. Η θερμοκρασία αποτελεί ίσως το σημαντικότερο μετρήσιμο στοιχείο για τη διαχείριση μιας θερμοκηπιακής καλλιέργειας. Βασική χρήση των μετρήσεών της γίνεται κυρίως στον έλεγχο των περιβαλλοντικών συνθηκών του θερμοκηπίου μέσω των συστημάτων θέρμανσης και αερισμού ή πιθανής ψύξης. Μία επίσης σημαντική χρήση των μετρήσεων θερμοκρασίας αφορά τον έλεγχο της

2 Π.1.1 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 2 άρδευσης. Πέρα από τον απλό υπολογιστικό προγραμματισμό των αρδευτικών γεγονότων (όπως ένδειξη τενσιομέτρων ή άλλων αισθητήρων μέτρησης της εδαφικής υγρασίας, χρονικού ολοκληρώματος της ολικής ακτινοβολίας που δέχεται η καλλιέργεια ή της απώλειας νερού από αυτή (εξατμισοδιαπνοή)), εξελιγμένα συστήματα μέτρησης της θερμοκρασίας των φυτών από απόσταση μπορούν να δώσουν μία αρκετά αξιόπιστη ένδειξη σχετικά με το επίπεδο της υδατικής καταπόνησης. Ένας από τους βασικούς στόχους του έργου είναι η ανάπτυξη των μεθόδων αυτών, με τη χρήση αισθητήρων που δε θα έρχονται σε επαφή με το φυτό και δε θα καταστρέφουν την καλλιέργεια, θα είναι οικονομικοί και εύκολοι στη χρήση, θα αντικατοπτρίζουν την υδατική κατάσταση του συνόλου της καλλιέργειας και φυσικά οι μετρήσεις τους θα μετουσιώνονται σε θερμικούς δείκτες που θα εκφράζουν άμεσα την υδατική κατάσταση του φυτού. 2. Θεωρητική Ανάλυση Τα όργανα μέτρησης θερμοκρασιών χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες, ανάλογα με τη χρήση ή μη ηλεκτρικά μεταδιδόμενου σήματος ή αισθητήρα. Αυτά που χρησιμοποιούν ηλεκτρικές μεθόδους, όπως τα θερμοζεύγη, οι θερμογράφοι υπέρυθρης ακτινοβολίας και οι θερμοκάμερες, χρησιμοποιούνται εκτενέστερα στον προσδιορισμό της θερμοκρασίας του φυτού Θερμοζεύγη Τα θερμοζεύγη έχουν τη δυνατότητα να μετατρέπουν τη διαφορά θερμοκρασίας σε ηλεκτρικό ρεύμα. Η αρχή λειτουργίας τους βασίζεται στο θερμοηλεκτρικό φαινόμενο λόγω της διαφοράς δυναμικού που αναπτύσσεται μεταξύ δύο ανόμοιων μετάλλων σε επαφή (φαινόμενο Seebeck). Το μέγεθος και η φορά του ρεύματος εξαρτώνται από τα θερμοηλεκτρικά χαρακτηριστικά των δύο μετάλλων και σχετίζονται με τη θερμοκρασία των επαφών (Burns et al., 1989). Οι αγωγοί σύνδεσης επιτρέπουν το όργανο μέτρησης να βρίσκεται μακριά από το θερμοστοιχείο. Στην Εικόνα 1 φαίνεται μία απλή διάταξη θερμοζεύγους. Το όργανο μέτρησης είναι γραμμικό, όπου η σχέση της εξόδου του αισθητήρα με το μετρούμενο

3 Π.1.1 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 3 μέγεθος είναι γραμμική, οπότε για τη βαθμονόμηση του συστήματος μέτρησης χρειάζονται δύο τιμές εξόδου σε δυο επιβεβαιωμένες τιμές εισόδου. Ένας τρόπος είναι, να τοποθετηθούν τα θερμοζεύγη σε λουτρό πάγου όπου η θερμοκρασία είναι σταθερή στους 0 o C, ενώ ένας άλλος τρόπος είναι με τη χρήση ενός κυτίου σταθερής θερμοκρασίας (zone box), το οποίο βρίσκεται συνήθως στη θερμοκρασία του περιβάλλοντος (~22 o C) (Burns et al., 1993). Η Ένωση Ευρωπαϊκών Ινστιτούτων Μετεωρολογίας (European Association of National Meteorology Institutes) το 2011 εξέδωσε έναν Ευρωπαϊκό οδηγό πρακτικών μέτρησης και βαθμονόμησης των θερμοζευγών, βασισμένο στα πρότυπα EN IEC (1995) και στους θερμοηλεκτρικούς πίνακες ΗΕΔ. Στον οδηγό αυτό, προτείνεται η βαθμονόμηση του αισθητήρα αρχικά στο σημείο αναφοράς 0 o C και στη συνέχεια, είτε με τη μέτρηση μία σειράς σταθερών σημείων θερμοκρασίας, είτε με τη σύγκριση πρότυπων θερμομέτρων. Σε γενικές γραμμές, η βαθμονόμηση του αισθητήρα μέσω σταθερού σημείου θερμοκρασίας μπορεί να δώσει υψηλής ακρίβειας αποτελέσματα, ενώ τα σφάλματα στη μέτρηση είναι περιορισμένα και συνήθως προέρχονται από τη μεταβολή των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των θερμοστοιχείων (σήμα αναλογίας θορύβου). Τα θερμοζεύγη είναι ευαίσθητα, φθηνά όργανα, που η χρήση τους περιορίζεται σε χαμηλές σχετικά θερμοκρασίες, λόγω του χαμηλού σημείου τήξης και της τάσης τους προς οξείδωση σε μεγάλες θερμοκρασίες. Τα θερμόμετρα αυτού του τύπου συνδέονται με καταγραφικά δεδομένων, τα οποία είναι κατάλληλα για αποθήκευση μεγάλου όγκου δεδομένων. Το μειονέκτημά τους είναι ότι πρέπει να έρχονται σε επαφή με το φυτό και να αλλάζουν θέση σε τακτά χρονικά διαστήματα, λόγω δημιουργίας πληγών στην επιφάνεια του φύλλου. Εικόνα 1. Διάγραμμα βασικών χαρακτηριστικών θερμοστοιχείων

4 Π.1.1 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» Θερμογράφοι υπέρυθρης ακτινοβολίας Όλα τα αντικείμενα που έχουν θερμοκρασία επιφανείας υψηλότερη από 0 o K, εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Τα τελευταία χρόνια με την ανάπτυξη κεφαλών ευαίσθητων σε υπέρυθρη ακτινοβολία (CCD ή CMOS), αναπτύχθηκαν αισθητήρες υπέρυθρης ακτινοβολίας με πολύπλευρες δυνατότητες, υλοποιώντας την ανάπτυξη μιας μεθόδου μέτρησης της θερμοκρασίας γνωστή ως υπέρυθρη θερμογραφία. Η υπέρυθρη θερμογραφία είναι μία μη καταστρεπτική τεχνική κατά την οποία μετράται και καταγράφεται η θερμική ακτινοβολία που εκπέμπεται από την επιφάνεια ενός υλικού ή ενός σώματος, στην υπέρυθρη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Η αρχή της υπέρυθρης θερμογραφίας βασίζεται στο νόμο των Planck-Boltzman: λ m =2898/T όπου υπολογίζεται το μέγιστο μήκος κύματος λ m (σε μm) που αντιστοιχεί στη θερμοκρασία Τ (σε Kelvin) για ένα σώμα που ακτινοβολεί. Το μήκος κύματος είναι αυτό που χρησιμοποιείται συνήθως στην ανάλυση της μετάδοσης θερμότητας με ακτινοβολία. Η θερμική ακτινοβολία κυμαίνεται από 0.1 έως 100 μm. Στο διάγραμμα της Εικόνας 2 απεικονίζεται η καμπύλη ροής ακτινοβολίας σε συνάρτηση με το μήκος κύματος. Η θερμοκρασία του σώματος με το μήκος κύματος συνδέεται με το νόμο μετατόπισης του Wien (Μλ=C 1 /λ 5 *[exp(c 2 /λτ)-1]), όπου το μέλαν σώμα εκπέμπει το περισσότερο ποσοστό της ακτινοβολούμενης ισχύος (Maldague, 2001). Οι θερμογράφοι από απόσταση, κατηγοριοποιούνται σε αισθητήρες μέτρησης ή απεικόνισης, σύμφωνα με τον τύπο του ανιχνευτή από τον οποίο αποτελούνται και τη μέθοδο επεξεργασίας της πληροφορίας που χρησιμοποιούν.

5 Π.1.1 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 5 Εικόνα 2. Καμπύλη ροής ακτινοβολίας σε συνάρτηση με το μήκος κύματος Θερμογράφοι μέτρησης Συνήθως, οι θερμογράφοι μέτρησης αποτελούνται από θερμικό ανιχνευτή θερμότητας, όπου η προσπίπτουσα ακτινοβολία επηρεάζει τη θερμική αγωγιμότητα της ευαίσθητης επιφάνειάς του και ταξινομούνται σε παθητικούς και ενεργητικούς, ανάλογα με το αν ανιχνεύουν το στόχο με φυσική ή τεχνητή πηγή φωτός. Επιπλέον, οι θερμοκρασίες που καταγράφει ο αισθητήρας υπέρυθρης θερμογραφίας, εξαρτώνται από την απόσταση στόχευσης, ενώ ένα χαρακτηριστικό αποτελεί ο συντελεστής εκπομπής (ε), ο οποίος ορίζεται ως το πηλίκο της εκπεμπόμενης θερμοροής προς τη θερμοροή που θα εξέπεμπε μία αντίστοιχη μαύρη επιφάνεια στην ίδια θερμοκρασία. Συνήθως η τιμή του, σε συγκεκριμένο μήκος κύματος ακτινοβολίας, είναι ίση με το συντελεστή απορρόφησης στο ίδιο μήκος κύματος. Ο συντελεστής εκπομπής επηρεάζεται από το χρώμα (όσο πιο μαύρο είναι το χρώμα της επιφάνειας, τόσο καλύτερα απορροφά την ακτινοβολία) και την επιφανειακή τραχύτητα (μία ματ ή τραχεία επιφάνεια απορροφά την ακτινοβολία καλύτερα από μία γυαλιστερή επιφάνεια, ανεξάρτητα από το χρώμα) (De Mey, 2002). Οι Chung και Chen (2010) βαθμονόμησαν θερμογράφο υπέρυθρης ακτινοβολίας σε μία ιατρική εφαρμογή, ακολουθώντας τα διεθνή πρότυπα αξιολόγησης των μετρήσεων ISO (International

6 Π.1.1 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 6 Organization for Standardization). Σύμφωνα με τα διεθνή πρότυπα, η βεβαιότητα των μετρήσεων επαληθεύεται με ένα σταθερό σημείο αναφοράς και με τη μέτρηση ενός μέλανος σώματος σταθερής θερμοκρασίας, όπου ο συντελεστής εκπομπής είναι ίσος με τη μονάδα. Οι Chung και Chen (2010) χρησιμοποίησαν για μέλαν σώμα ένα μαύρο χάλκινο κύλινδρο, διατηρώντας τη θερμοκρασία του σταθερή, μέσω ενός υδατόλουτρου από λάδι. Στη συνέχεια, υπολόγισαν το απόλυτο σφάλμα της μεθόδου, με τη διαφορά της μέτρησης του αισθητήρα αξιολόγησης από τη μέτρηση που αποτελεί το σημείο αναφοράς και σχημάτισαν την εξίσωση της καμπύλης διόρθωσης της συσκευής. Οι O Shaughnessy et al. (2011) χρησιμοποίησαν μία μαύρη ορθογώνια αλουμινένια επιφάνεια για να βαθμονομήσουν ένα υπέρυθρο θερμόμετρο για την ασύρματη μέτρηση της θερμοκρασία ενός φύλλου φυτού μεγάλης καλλιέργειας (Sorghum bicolor). Αντίστοιχες μεθοδολογίες περιγράφονται στα Διεθνή Πρωτόκολλα της Αμερικής (American National Standards), όπου για τον υπολογισμό των ελάχιστων σφαλμάτων προτείνεται μία σειρά δοκιμών, που μπορούν να πραγματοποιηθούν τόσο στο εργαστήριο όσο και στο πεδίο εφαρμογής, χρησιμοποιώντας κοινά διαθέσιμα υλικά, όπως η πάνω πλευρά ενός χαρτονιού, ένα κομμάτι μέταλλο (σίδηρο, χαλκό) ή ένα κομμάτι γυαλί, καλυμμένα με μαύρο βερνίκι. Επίσης, το νερό, αν και έχει πολύ χαμηλή εκπεμπτικότητα στο ορατό φάσμα, αποτελεί άριστο μέλαν σώμα στην περιοχή του υπέρυθρου. Θερμογράφοι απεικόνισης Η θερμική απεικόνιση είναι μία μη καταστρεπτική μέθοδος παθητικής θερμογραφίας, που προσδιορίζει τη χρονική εξάρτηση και τη χωρική κατανομή της θερμότητας στα υπό εξέταση αντικείμενα. Το σύστημα που χρησιμοποιείται για αυτό το σκοπό, πρέπει να είναι σε θέση να μετασχηματίσει μία υπέρυθρη εικόνα σε ορατή, δηλαδή να μπορεί να δημιουργεί ορατή εικόνα με κατανομή ακτινοβολίας ανάλογη της υπέρυθρης κατανομής ακτινοβολίας του αντικειμένου και με χωρική κατανομή της θερμοκρασίας Τ ή με κατανομή εκπεμπτικότητας (ε). Η θερμοκάμερα υπέρυθρης ακτινοβολίας, αποτελείται από φωτονικούς ανιχνευτές από τους οποίους, το σήμα λαμβάνεται από την απευθείας μέτρηση της διέγερσης που προκαλείται από την προσπίπτουσα ακτινοβολία. Από το συγκεκριμένο σήμα προκύπτει μία οπτική αναπαράσταση,

7 Π.1.1 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 7 παραγόμενη από μία σειρά σημείων (εικονοστοιχεία) είτε σε μία, είτε σε δύο διαστάσεις. Οι Volmner et al. (2010) αναφέρουν την ευαισθησία της θερμοκρασίας και τη χωρική ανάλυση ως δύο σημαντικές παραμέτρους που επηρεάζουν άμεσα την εικόνα μιας θερµοκάµερας. Η θερμοκρασιακή ανάλυση είναι ανάλογη του αριθμού των χρωμάτων των εικονοστοιχείων, ενώ όσο μεγαλύτερη είναι η ανάλυση τόσο πιο ομαλά παρουσιάζονται οι θερμοκρασιακές μεταβολές. Η χωρική ανάλυση της θερµοκάµερας εξαρτάται από τον αριθμό των εικονοστοιχείων της, με τα μεγαλύτερα εύρη να παράγουν πιο αναλυτική πληροφορία. Η θερμοκάμερα υπέρυθρης ακτινοβολίας εκπέμπει αρκετά υψηλό σήμα θορύβου και η μείωση των ψευδών καταγραφών, με σκοπό την ευκολότερη ερμηνεία μιας θερμικής εικόνας, αποτελεί βασικό σημείο ενδιαφέροντος. Οι διάφοροι παράγοντες που επηρεάζουν την αναλογία σήματος θορύβου (signal-to-noise ratio SNR), είναι η εσωτερική αντίσταση του δέκτη, ο χρόνος απόκρισής του, ο λόγος ισχύος-θορύβου, ο λόγος θερμοκρασιακής διαφοράς θορύβου, η παρατηρησιμότητα, η ελάχιστη ανιχνεύσιμη θερμοκρασιακή διαφορά (γνωστή και ως ευαισθησία), η συνάρτηση γραμμικής εξάπλωσης και η υποβάθμιση του σήματος. Σύμφωνα με τα Αμερικάνικα Πρωτόκολλα (ASTM), η εξάλειψη των σφαλμάτων πραγματοποιείται με τη χρήση ειδικών λογισμικών επεξεργασίας εικόνας και με τη μέτρηση επιφανείας γνωστής επεμπτικότητας (ε) πριν από κάθε λήψη. Με αυτό τον τρόπο, η θερμοκάμερα υπέρυθρης ακτινοβολίας προσφέρει απόλυτο θερμογραφικό έλεγχο και με λεπτομερή μέτρηση των θερμοκρασιών σε διαφορετικά σημεία, με αυτόματη βελτιστοποίηση της φωτεινότητας και της αντίθεσης για τη διαδικασία ανάλυσης των αντικειμένων. Παρόλα αυτά, το υψηλό κόστος του εξοπλισμού και ο μεγάλος όγκος των δεδομένων που προκύπτουν από αυτόν, καθιστούν έντονο τον προβληματισμό για το αν μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε περιπτώσεις όπου απαιτείται συνεχής καταγραφή δεδομένων σε πραγματικό χρόνο, όπως είναι η συνεχής καταγραφή της θερμοκρασίας του φυτού μέσα στο χώρο του θερμοκηπίου. 3. Πειραματική Διαδικασία Στο πλαίσιο της έρευνας, υλοποιήθηκε μία σειρά μετρήσεων και πειραμάτων από διαφορετικούς αισθητήρες, με σκοπό την αξιολόγησή τους. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν στο εσωτερικό του θερμοκηπίου και περιελάμβαναν τη μέτρηση της θερμοκρασίας σε επίπεδο φύλλου ή φυτού με

8 Π.1.1 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 8 τρεις διαφορετικούς αισθητήρες: υπέρυθρο θερμόμετρο, υπέρυθρη θερμοκάμερα και θερμοζεύγη. Με βάση τις μετρήσεις αυτές, περιγράφονται τα ακόλουθα: 1. Σύγκριση μετρήσεων των αισθητήρων θερμοκρασίας από απόσταση με θερμοζεύγη. 2. Αξιολόγηση και προτυποποίηση αισθητήρων θερμοκρασίας, ώστε να επιτευχθεί η επιλογή του κατάλληλου αισθητήρα. 3. Καθορισμός μεθοδολογίας βαθμονόμησης των αισθητήρων και προτάσεις για τη χρήση τους στο θερμοκήπιο. (Περιγράφεται αναλυτικά στο Παραδοτέο 1.3). Ακολουθεί θεωρητική ανάλυση των αισθητήρων θερμοκρασίας και προσδιορίζονται τα μειονεκτήματα και τα πλεονεκτήματά τους. Περιγράφονται οι εγκαταστάσεις, οι καλλιεργητικές συνθήκες, οι μετρήσεις που πραγματοποιήθηκαν και τα πειραματικά πρωτόκολλα που ακολουθήθηκαν. Στη συνέχεια, αξιολογούνται τα αποτελέσματα και βάσει αυτών, προτυποποιούνται οι κατάλληλοι αισθητήρες και καθορίζονται οι μεθοδολογίες βαθμονόμησης και χρήσης τους στο χώρο του θερμοκηπίου Εγκαταστάσεις και καλλιέργεια Στο πλαίσιο της έρευνας υλοποιήθηκε μια σειρά μετρήσεων και πειραμάτων στα θερμοκήπια του Εργαστηρίου Κατασκευών & Ελέγχου Περιβάλλοντος του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας, που βρίσκονται στο αγρόκτημα της Σχολής Γεωπονίας του Πανεπιστημίου Θεσσαλίας στο Βελεστίνο (συντεταγμένες: 39 ο 44 Β, 22 ο 79 Α, υψόμετρο 85 m). Το συμβατικό θερμοκήπιο είναι απλό τροποποιημένο τοξωτό με επιφάνεια 160 m 2 (20m μήκος και 8m πλάτος), με προσανατολισμό Β-Ν, ύψος κορφιά 4.1 m και ύψος υδρορροής 2.9m. Είναι κατασκευασμένο από γαλβανισμένο χάλυβα και έχει κάλυψη από απλό φιλμ πολυαιθυλενίου. Ο φυσικός αερισμός γίνεται μέσω δύο πλαϊνών ανοιγμάτων και ενός ανοίγματος οροφής που διατρέχουν όλο το μήκος του θερμοκηπίου. Υπάρχει εγκατεστημένος αναμικτήρας αέρα. Το θερμοκήπιο είναι προσαρμοσμένο για υδροπονική καλλιέργεια. Το έδαφος είναι πλήρως καλυμμένο με αδιαφανές πλαστικό λευκό-μαύρο με τη λευκή πλευρά προς τα επάνω. Η καλλιέργεια γίνεται σε στενούς πάγκους στηρίγματα μεταβλητού ύψους. Υπάρχουν τέσσερις τέτοιοι πάγκοι κατά μήκος

9 Π.1.1 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 9 του θερμοκηπίου, ο καθένας από τους οποίους φιλοξενεί δύο κανάλια. Στα θερμοκήπια χρησιμοποιείται σύστημα στάγδην με ρυθμιζόμενους σταλάκτες. Κάθε σταλάκτης έχει παροχή 2L/h Υλικά Τα όργανα μέτρησης της θερμοκρασίας του φυτού που χρησιμοποιήθηκαν στο πλαίσιο της έρευνας είναι τα εξής: Θερμογράφος υπέρυθρης ακτινοβολίας (OS550A series Range 2, cm) (Εικόνα 3), με δυνατότητα καταγραφής δεδομένων από απόσταση cm, με οπτικό πεδίο 10:1 (Range 2, Εικόνα 3) και με εύρος θερμοκρασίας από -23 έως 400 o C, έχει τη δυνατότητα να παρέχει δεδομένα προς επεξεργασία, άμεσα. Η ηλεκτρεγερτική δύναμη του αισθητήρα φτάνει τα 5 V, όταν η μέτρηση της ένδειξης φτάσει τη τιμή της θερμοκρασίας (ή 1mV/ o C), ενώ η εξίσωση που μετατρέπει τα volt σε θερμοκρασία είναι y=84.6x-23. Στην Εικόνα 4 φαίνονται τα χαρακτηριστικά του θερμογράφου. Ο αισθητήρας αυτού του τύπου ανήκει στην 2 η κατηγορία, σύμφωνα με την απόσταση του αντικειμένου και έχει τη δυνατότητα να παρέχει δεδομένα προς επεξεργασία, άμεσα. Εικόνα 3. Θερμογράφος υπέρυθρης ακτινοβολίας (OS550A series Range 2)

10 Π.1.1 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 10 Εικόνα 4. Απεικόνιση συσχέτισης οπτικού πεδίου του αισθητήρα με την απόσταση του στόχου Θερμοκάμερα (Flir ThermaCAM TM P65) (Εικόνα 5) υπέρυθρης ακτινοβολίας ( nm), με διακύμανση -40 έως +500 o C και θερμική ευαισθησία 0.1 o C στους 30 o C. Η θερμοκάμερα απεικονίζει το στόχο με ανάλυση 320x240 εικονοστοιχείων, με δυνατότητα λεπτομερούς καταγραφής των θερμοκρασιακών αλλαγών, αρκετές ώρες την ημέρα. Το μέγεθος του φακού είναι 35 mm με οπτικό πεδίο 24 Ο. Η κάμερα ρυθμίζεται από λογισμικό που εμφανίζεται στην ενσωματωμένη οθόνη. Η θερμοκρασία λειτουργίας της κάμερας κυμαίνεται από -15 έως 50 o C και η θερμοκρασία αποθήκευσης κυμαίνεται από -40 έως +70 ο C. Η κάμερα έχει τη δυνατότητα λήψης θερμοκρασίας από 10 διαφορετικά σημεία ή υπολογισμού του μέσου όρου διαφορετικών περιοχών. Εικόνα 5. Θερμοκάμερα υπέρυθρης ακτινοβολίας (Flir ThermaCAM TM P65)

11 Π.1.1 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 11 Θερμοζεύγη τύπου Τ, για τη μέτρηση θερμοκρασιών φύλλου ( ο C) με ζεύγη χαλκού κονσταντάνης, με διάμετρο αισθητήρα 1mm (Omega Engineering) και διακύμανση θερμοκρασίας -250 ο C έως 400 o C με μέτρια ηλεκτρεγερτική δύναμη (ΗΕΔ) (20mV στους 400 ο C). Για τη μέτρηση της θερμοκρασίας του φύλλου, στερεώνονται στο κάτω μέρος του. Οι διαδικασίες λειτουργίας των παραπάνω θερμογράφων μέτρησης και απεικόνισης, περιγράφονται λεπτομερώς στα εγχειρίδιά τους (OS550A/OS550AM/OS550A-BB Series Industrial Infrared Thermometer/Transmitter, ThermaCam Researcher Proffessional), ενώ πραγματοποιήθηκε συγχρονισμός της ώρας πριν από οποιαδήποτε καταγραφή. 4. Μέθοδοι 4.1. Βαθμονόμηση Χρήση των αισθητήρων Η εργαστηριακή βαθμονόμηση των αισθητήρων είναι μία πολύπλοκη διαδικασία που επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τις περιβαλλοντικές συνθήκες, λόγω των αρχών της διάδοσης της ηλιακής ακτινοβολίας που διέπουν το εσωτερικό του θερμοκηπίου και των έντονων διαφοροποιήσεων που προκύπτουν από το σκελετό, το μέγεθος, την αρχιτεκτονική δομή και την πυκνότητα φύτευσης του φυτού, καθώς επίσης από το έδαφος και τις πλαϊνές επιφάνειες. Η βαθμονόμηση των υπό εξέταση αισθητήρων πραγματοποιείται ακολουθώντας τα διεθνή πρότυπα, όπως αυτά περιγράφονται στη θεωρητική ανασκόπηση. Αρχικά, γίνεται ρύθμιση του συντελεστή εκπεμπτικότητας των αισθητήρων υπέρυθρης θερμογραφίας, καταγράφοντας τη θερμική ακτινοβολία που εκπέμπει ένα μέλαν σώμα σταθερής θερμοκρασίας, για διαφορετικά ε. Οι τιμές συγκρίνονται με τις μετρήσεις που καταγράφουν τα θερμοζεύγη, ώστε να προσδιοριστούν τα σφάλματα των μεθόδων, ενώ ως μέλαν σώμα χρησιμοποιείται ένα μαύρο χαρτόνι διάστασης 30x40 cm. Το υλικό αυτό είναι ομοιογενές και χαρακτηρίζεται από υψηλό συντελεστή εκπεμπτικότητας. Οι αισθητήρες υπέρυθρης θερμογραφίας είναι σταθερά τοποθετημένοι σε απόσταση 40cm από την επιφάνεια του μέλανος σώματος, ενώ τα θερμοζεύγη έρχονται σε άμεση επαφή με το υλικό. Οι αισθητήρες συγχρονίζονται και καταγράφουν μία μέτρηση κάθε 1 λεπτό για 30 λεπτά, για 4 διαφορετικούς συντελεστές εκπεμπτικότητας: 1, 0.95, 0.90 και 0.85.

12 Π.1.1 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 12 Στη συνέχεια οι αισθητήρες αξιολογούνται με σταθερό συντελεστή εκπεμπτικότητας, καταγράφοντας τη θερμική ακτινοβολία που εκπέμπει το μέλαν σώμα σε διαφορετικές θερμοκρασίες περιβάλλοντος θερμοκηπίου, μεταβάλλοντας τη θερμοκρασία του μέλανος σώματος από 25 o C έως 13 o C. Επιπλέον, με σταθερό το συντελεστή εκπεμπτικότητας του θερμογράφου, μελετάται η μεταβολή των μετρήσεων της θερμοκρασίας με την απομάκρυνση του αισθητήρα από το μέλαν σώμα. Σε αυτή την περίπτωση, χρησιμοποιείται ως μέλαν σώμα πλαστικό δοχείο (30x20x15 cm) με νερό, λόγω του υψηλού συντελεστή θερμοαγωγιμότητας που το διέπει. Στόχος είναι η αξιολόγηση της απόστασης που πρέπει να τοποθετηθεί ο θερμογράφος από το μέλαν σώμα, ώστε η μέτρηση να πλησιάσει τις τιμές των θερμοζευγών που είναι βυθισμένα μέσα στο νερό. Οι μετρήσεις γίνονται σε πραγματικό χρόνο και οι αποστάσεις του θερμογράφου από το στόχο που επιλέχθηκαν ήταν 20, 40, 70, 90 και 110cm, με κλίση 45 ο προς τα κάτω. Η ίδια διαδικασία ακολουθήθηκε θέτοντας ως στόχο το φυτό. Τα δεδομένα καταγράφονταν κάθε 10 λεπτά σε καταγραφικό δεδομένων, για 24 ώρες, τοποθετώντας κάθε φορά το θερμογράφο στα 20, 40, 70 και 90cm από το κέντρο του φυτού. Τέλος, σε απόσταση 40cm από το φυτό, τοποθετήθηκε θερμοκάμερα η οποία δεν είχε τη δυνατότητα ασύρματης και συνεχούς επικοινωνίας με το δίκτυο. Η λειτουργία της ήταν διαθέσιμη στο χρήστη μόνο κάποιες ώρες, λόγω του μεγάλου όγκου των δεδομένων και της ανάγκης επεξεργασίας τους. Η κάμερα στόχευε στο κέντρο του φυτού και κατέγραφε δεδομένα κάθε 10 λεπτά από μία ορθογώνια περιοχή και δύο σημεία κατά μήκος της μέσης καθέτου του ορθογωνίου (Εικόνα 6) και ένα τρίτο σημείο που προκύπτει κατόπιν επεξεργασίας της εικόνας με το πρόγραμμα Flir ThermaCam Researcher Pro Το πρόγραμμα αυτό (Εικόνα 6), έχει τη δυνατότητα να μετατρέπει το χρώμα της εικόνας σε θερμοκρασία με εύρος ±1 o C, απομακρύνοντας αυτόματα τους θορύβους της συσκευής. Η Εικόνα 7 δείχνει τη θέση των αισθητήρων μέτρησης θερμοκρασίας με υπέρυθρη ακτινοβολία, σε απόσταση 40 εκατοστών από το κέντρο του φυτού.

13 Π.1.1 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 13 Εικόνα 6. Θέση σημείων καταγραφής δεδομένων, όπως φαίνονται από το λογισμικό θερμικής επεξεργασίας της εικόνας (ThermaCAM TM Researcher Professional 2.10) Εικόνα 7. Θέση θερμογράφου και θερμοκάμερας υπέρυθρης ακτινοβολίας στο μέσο του θερμοκηπίου, σε απόσταση 40 cm από το κέντρο του φυτού και ο θερμογράφος με κλίση από επάνω προς τα κάτω

14 Π.1.1 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» Επεξεργασία δεδομένων Οι τιμές που προκύπτουν από τους αισθητήρες (θερμοζεύγη, θερμογράφος) καταγράφονται σε αρχεία δεδομένων για περαιτέρω επεξεργασία. Η επεξεργασία των δεδομένων της θερμοκάμερας πραγματοποιείται με το λογισμικό ThermaCAM Researcher Professional 2.10 (Εικόνα 6). Για να γίνει σύγκριση και αξιολόγηση των αποτελεσμάτων, υπολογίστηκε το απόλυτο και το σχετικό σφάλμα των μετρήσεων που καταγράφηκαν από τους αισθητήρες, ως εξής: Απόλυτο σφάλμα (ΑΣ) = x x m Μέσο Απόλυτο Σφάλμα (ΜΑΣ) = ΑΣ / n Σχετικό σφάλμα (ΣΣ) = ΑΣ / x όπου, x η τιμή των θερμοζευγών ως πραγματική τιμή, x m η μετρούμενη τιμή των αισθητήρων υπέρυθρης ακτινοβολίας και n to πλήθος των μετρήσεων που καταγράφουν οι αισθητήρες. Το απόλυτο και σχετικό σφάλμα είναι βαθμοί κελσίου και καθαρός αριθμός σε ποσοστό, αντίστοιχα. Το σχετικό σφάλμα θεωρείται μικρό αν ΣΣ 5%, ενώ μεγάλο αν ΣΣ > 10%, με την προϋπόθεση ότι το σφάλμα ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις των πειραματικών στόχων και εκτιμάται η ακρίβεια της μεθόδου. Επίσης, προσδιορίστηκε η τυπική απόκλιση των σφαλμάτων των μετρήσεων (σ) των υπό εξέταση αισθητήρων ως προς τη μέτρηση αναφοράς, με τον υπολογισμό της διασποράς των τιμών της μεταβλητής γύρω από την τιμή του μέσου σφάλματος, με την παρακάτω εξίσωση: σ = (x μ) 2 n 1 όπου, μ η μέση τιμή των μετρήσεων του δείγματος. Όσο μικρότερη είναι η τιμή της τυπικής απόκλισης, τόσο ο μέσος όρος αποτελεί αντιπροσωπευτικό στατιστικό μέτρο για την κατανομή της μεταβλητής. Τέλος, προσδιορίστηκε η τετραγωνική ρίζα του μέσου τετραγώνου του σφάλματος (root mean

15 Π.1.1 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 15 square, RMSE) των υπό εξέταση αισθητήρων ως προς τη θερμοκρασία αναφοράς (θερμοζεύγη), με την εξής εξίσωση: RMSE= ( x x m ) 2 n Το RMSE χρησιμοποιείται για να ποσοτικοποιήσει τη διαφορά της μέτρησης του υπό εξέταση αισθητήρα από τον αισθητήρα αναφοράς και οι τιμές του επηρεάζονται από το περιβάλλον που το διαμορφώνει. 5. Αναλύσεις Πειραματικών Αποτελεσμάτων Αρχικά, υπολογίστηκε η ρίζα του μέσου τετραγώνου του σφάλματος (RMSE), το μέσο απόλυτο σφάλμα (MAE) και η τυπική απόκλιση αυτού (σ), καθώς επίσης και το σχετικό σφάλμα (ΣΣ) των μετρήσεων που κατέγραψαν οι αισθητήρες υπέρυθρης θερμογραφίας από το μέλαν σώμα (μαύρο χαρτί), ρυθμίζοντας το συντελεστή εκπεμπτικότητας των συσκευών από το 1 μέχρι το 0.85, ανά 0.5. Το μέσο απόλυτο σφάλμα και η τυπική απόκλιση του θερμογράφου κυμαίνονται από 1.2 μέχρι 0.5 και 0.4 μέχρι 0.3 o C αντίστοιχα, με τη μικρότερη τιμή σφάλματος να εμφανίζεται όταν ο συντελεστής εκπεμπτικότητας ισούται με 1. Το μέσο απόλυτο σφάλμα και η τυπική απόκλιση της θερμοκάμερας, από την άλλη πλευρά, περιορίζονται σε τιμές μικρότερες του 0.8 και 0.3 o C αντίστοιχα (Πίνακας 1), με τη μικρότερη τιμή σφάλματος να εμφανίζεται όταν ο συντελεστής εκπεμπτικότητας ισούται με Ωστόσο, οι τιμές της τυπικής απόκλισης των μετρήσεων των αισθητήρων είναι αρκετά χαμηλές και στις δύο περιπτώσεις, γεγονός που καθιστά τη μέθοδο της βαθμονόμησης αξιόπιστη, με σχετικά σταθερές και μικρές μεταβολές γύρω από τη πραγματική τιμή του μετρούμενου μεγέθους. Στην περίπτωση του θερμογράφου με συντελεστή εκπεμπτικότητας ίσο με 1, όπου x = 0.5±0.3, το μεγαλύτερο ποσοστό των μετρήσεων βρίσκεται στο διάστημα από +0.2 έως +0.8 o C, ενώ στην περίπτωση της θερμοκάμερας με συντελεστή εκπεμπτικότητας ίσο με 0.95, όπου x = 0.2±0.1, το μεγαλύτερο ποσοστό των μετρήσεων βρίσκεται στο διάστημα από 0.1 έως 0.3 o C. Αναμένεται ως εκ τούτου, εάν πραγματοποιηθεί άλλη μία μέτρηση του x τότε αυτή να έχει 68% πιθανότητα να βρίσκεται στο διάστημα ±0.3 και ±0.1 για το θερμογράφο και τη θερμοκάμερα αντίστοιχα (ιδιότητα της κατανομής Gauss).

16 Π.1.1 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 16 Η ρίζα του μέσου τετραγώνου του σφάλματος RMSE κυμαίνεται από 0.3 μέχρι 1.4 o C για το θερμογράφο και από μέχρι 0.6 o C για τη θερμοκάμερα, ανάλογα με τη ρύθμιση του ε. Οι χαμηλές τιμές RMSE υποδεικνύουν υψηλό επίπεδο ακρίβειας ως προς τις προβλέψεις της μέτρησης της θερμοκρασίας του μέλανος σώματος από τον υπό εξέταση αισθητήρα. Σε επιπλέον αξιολόγηση των μετρήσεων θερμοκρασίας των αισθητήρων, η διαφορά της θερμοκρασίας μεταξύ του στόχου και της ανάγνωσης για τους διαφορετικούς συντελεστές εκπεμπτικότητας, παρουσιάζεται στο Διάγραμμα 1. Από το διάγραμμα αυτό φαίνεται ότι η διακύμανση των σφαλμάτων του θερμογράφου είναι μεγαλύτερη από αυτή της θερμοκάμερας, ιδιαίτερα όταν ο συντελεστής εκπεμπτικότητας παίρνει τιμές μικρότερες του Η παρουσία των μικρότερων σχετικών σφαλμάτων (ΣΣ), 2.9% για το θερμογράφο όταν ο συντελεστής εκπεμπτικότητας ρυθμίζεται στο 1 και 0.8% για τη θερμοκάμερα όταν ο συντελεστής εκπεμπτικότητας ρυθμίζεται στο 0.95 (Πίνακας 1), επιβεβαιώνει το παραπάνω συμπέρασμα. Η εκτίμηση αυτή είναι αναμενόμενη, καθώς πρόκειται για μία θερμοκάμερα υψηλής ανάλυσης (Flir P65), η οποία παρέχει υψηλής ποιότητας θερμική εικόνα 640x480 pixels και επιτρέπει μεγαλύτερη ακρίβεια, σε μεγαλύτερες αποστάσεις. Πίνακας 1. Υπολογισμός RMSE, μέσου απόλυτου σφάλματος (ΜΑΣ), τυπικής απόκλισης σφαλμάτων (σ) και σχετικού σφάλματος (ΣΣ) των μετρήσεων της θερμοκρασίας του μέλανος σώματος, από το θερμογράφο και τη θερμοκάμερα, για διαφορετικό συντελεστή εκπεμπτικότητας (0.85, 0.90, 0.95 και 1) Αξιολόγηση Θερμογράφου Αξιολόγηση θερμοκάμερας RMSE MAΣ σ ΣΣ RMSE MAΣ σ ΣΣ ε o C o C o C % o C o C o C %

17 Π.1.1 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 17 Διάγραμμα 1. Κατανομή απόλυτου σφάλματος των μετρήσεων της θερμοκρασίας του μέλανος σώματος (μαύρο χαρτί), από το θερμογράφο και τη θερμοκάμερα σε σχέση με τα θερμοζεύγη, για διαφορετικούς συντελεστές εκπεμπτικότητας (0.85, 0.90, 0.95 και 1) Στο Διάγραμμα 2 φαίνονται οι μετρήσεις που κατέγραψαν οι αισθητήρες, σε σταθερή απόσταση (40 cm) από το μέλαν σώμα μεταβαλλόμενης θερμοκρασίας (13-25 o C), σε σχέση με την ένδειξη των θερμοζεύγων, όπου x είναι η ένδειξη του αισθητήρα και y η ένδειξη αναφοράς. Από το Διάγραμμα 2, προκύπτουν οι γραμμικές εξισώσεις διόρθωσης, y=0.948x (R 2 =0.964) (1) για το θερμογράφο και y=0.981x (R 2 =0.981) (2) για τη θερμοκάμερα, σύμφωνα με τις οποίες μειώνονται τα σφάλματα των μετρήσεων των υπό εξέταση αισθητήρων κατά τη διάρκεια της μέτρησης της θερμοκρασίας του φυτού. Διάγραμμα 2. Ένδειξη μέτρησης του θερμογράφου και της θερμοκάμερας σε σχέση με τη μέτρηση των θερμοζεύγων, για διαφορετικές θερμοκρασίες του μέλανος σώματος (μαύρο χαρτί), με σταθερό συντελεστή εκπεμπτικόητας

18 Π.1.1 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 18 Ακολουθεί σύγκριση των μετρήσεων του θερμογράφου από διαφορετικές αποστάσεις, με μετρήσεις από τα θερμοζεύγη, χρησιμοποιώντας ως μέλαν σώμα το δοχείο με το νερό. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται στον Πίνακα 2. Παρατηρείται ότι το απόλυτο και το σχετικό σφάλμα των μετρήσεων μειώνεται όσο ο αισθητήρας απομακρύνεται από την επιφάνεια του νερού, μέχρι τα 90cm. Στην τελευταία μέτρηση, όπου η απόσταση του αισθητήρα είναι 110cm από την επιφάνεια του νερού, οι τιμές του απόλυτου και σχετικού σφάλματος αυξάνονται. Αυτό πιθανόν να οφείλεται στην αυξομείωση της επιφάνειας του νερού που καταγράφεται, ανάλογα με την απόσταση του θερμογράφου από αυτό, όπως εξετάστηκε στην Εικόνα 4. Σε απόσταση 110cm, η επιφάνεια που καταγράφει ο αισθητήρας είναι πολύ μεγάλη και βγαίνει εκτός πεδίου. Αντιθέτως, στα 20 και 40cm, η επιφάνεια είναι πολύ μικρή, με αποτέλεσμα να καταγράφεται η θερμοκρασία ενός συγκεκριμένου σημείου από το στόχο. Πίνακας 2. Μέση τιμή της θερμοκρασίας του μέλανος σώματος (δοχείο με νερό) όπως καταγράφηκε από τα θερμοζεύγη και το θερμογράφο σε πραγματικό χρόνο, για διαφορετικές αποστάσεις (20, 40, 70, 90, 110 cm) και ο υπολογισμός του απόλυτου ( ο C) και σχετικού σφάλματος (%) Θ/ζεύγη Θερμογράφος Απόσταση Μέση Θ ( o C) Μέση Θ ( o C) ΑΣ ( o C) ΣΣ % 20 cm cm cm cm cm Αντίστοιχα συμπεράσματα προκύπτουν από τον Πίνακα 3, όπου αξιολογείται ο θερμογράφος με σταθερό το συντελεστή εκπεμπτικότητας για διαφορετικές αποστάσεις, έχοντας ως στόχο το φυτό. Στον Πίνακα 3 παρουσιάζονται τα σφάλματα των μετρήσεων του θερμογράφου πριν και μετά τη βελτίωση των τιμών των μετρήσεων της θερμοκρασίας με βάση τις εξισώσεις του Διαγράμματος 2. Παρατηρείται ότι όσο ο αισθητήρας απομακρύνεται από το στόχο, μέχρι τα 90cm, τα RMSE, MAΣ

19 Π.1.1 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 19 και σ των αρχικών μετρήσεων μεταβάλλονται από 8.55 o C έως 0.62 o C, από 3.37 o C έως 0.75 o C και από 2.28 o C έως 0.24 o C, αντίστοιχα. Με την εφαρμογή της εξίσωσης 1 του Διαγράμματος 2 στις αρχικές τιμές των μετρήσεων του θερμογράφου, παρατηρείται ότι τα RMSE, MAΣ και σ μεταβάλλονται από o C έως 0.05 o C, 3.58 o C έως 0.16 o C και από 2.82 o C έως 0.15 o C, αντίστοιχα, ανάλογα με την απόσταση. Η απόσταση των 20cm του θερμογράφου από το φυτό για τη μέτρηση της θερμοκρασίας του δε θεωρείται κατάλληλη και τα δεδομένα που προκύπτουν είναι αναξιόπιστα, καθώς τα παρατηρούμενα σφάλματα είναι υψηλά. Τέτοια σφάλματα είναι ικανά να αυξήσουν κατά πολύ τις φαινομενικές ανάγκες των φυτών σε νερό, λίπασμα και κατανάλωση ενέργειας (θέρμανση και δροσισμός) και να προκαλέσουν προβλήματα στην εξέλιξη της φυτικής τους ανάπτυξης, λόγω της μη αντιπροσωπευτικής εκτίμησης της υδατικής καταπόνησης. Δυστυχώς, η εφαρμογή της εξίσωσης 1 του Διαγράμματος 2 για τη διόρθωση των αρχικών τιμών, αποδεικνύεται πως υπερεκτιμά τις προβλέψεις των μετρήσεων της θερμοκρασίας του αισθητήρα και δίνει μεγαλύτερες τιμές του RMSE, του ΜΑΣ και του σ. Η πιο ενδεδειγμένη απόσταση τοποθέτησης του θερμογράφου από το φυτό είναι αυτή των 90cm, όπου η τυπική απόκλιση των σφαλμάτων είναι πολύ μικρή (μόλις ± 0.24 o C) και το RMSE είναι 0.62, ενώ με την εφαρμογή της εξίσωσης 1, οι τιμές μειώνονται στο ± 0.15 o C και 0.16 αντίστοιχα. Επίσης, στον Πίνακα 3 παρουσιάζονται τα δεδομένα που κατέγραψε η θερμοκάμερα σε σταθερή απόσταση από το φυτό (40cm), κατόπιν επεξεργασίας της εικόνας (Εικόνα 6) και περαιτέρω βελτίωσης των τιμών μέσω της εξίσωσης 2 του Διαγράμματος 2. Παρατηρείται ότι το RMSE, το MAΣ και το σ των μετρήσεων τείνει στους 0.2, 0.4 και 0.2 o C αντίστοιχα πριν τη διόρθωση και στους 0.025, 0.2 και 0.1 o C μετά τη διόρθωση. Οι εξισώσεις διόρθωσης μπορούν να βελτιώσουν τις μετρήσεις των υπό εξέταση αισθητήρων, μόνο σε συνθήκες συννεφιάς, όπου η ένταση της ακτινοβολίας είναι χαμηλή και η διακύμανση των σφαλμάτων παραμένει περιορισμένη. Αντιθέτως, η διακύμανση των σφαλμάτων μεγαλώνει όσο αυξάνεται η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας. Σύμφωνα με το Διάγραμμα 3, το απόλυτο σφάλμα μειώνεται όσο μειώνεται η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας κατά τις απογευματινές ώρες, ενώ αυξάνεται όσο αυξάνεται η ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας κατά τις πρωινές-μεσημβρινές ώρες και αναμένεται να αυξηθεί ακόμη περισσότερο όσο η ένταση της ακτινοβολίας φτάνει τα 1000 W/m 2, κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού. Η αύξηση της τιμής του σφάλματος οφείλεται στη μη σωστή ρύθμιση του συντελεστή εκπεμπτικότητας του αισθητήρα σε σχέση με την ένταση της

20 Π.1.1 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 20 ηλιακής ακτινοβολίας, καθώς ο συντελεστής εκπεμπτικότητας του μέλανος σώματος παίρνει την τιμή 1 για πλήρη συννεφιά και μειώνεται όσο αυξάνεται η ηλιοφάνεια. Με βάση τα παραπάνω, υπάρχει αλληλοσυσχέτιση μεταξύ του συντελεστή εκπεμπτικότητας του φόντου και του φυτού και της ηλιακής ακτινοβολίας και ο ακριβής καθορισμός τους φαίνεται να αποτελεί το κλειδί για τη σωστή μέτρηση της επιφανειακής θερμοκρασίας ενός υλικού. Σημειώνεται δε, ότι στις περισσότερες από τις παραπάνω αναφορές, η θερμογράφηση πραγματοποιήθηκε σε συγκεκριμένες ώρες της μέρας, με όσο το δυνατόν ευνοϊκότερες συνθήκες στο πεδίο, ενώ για τη σταθεροποίηση των συνθηκών και τη συνεχή καταγραφή της θερμοκρασίας του φυτού, απαραίτητη είναι η χρήση λαμπτήρα. Επιπλέον πηγές σφαλμάτων μπορεί να προέλθουν από πληθώρα προβληματικών παραγόντων, συμπεριλαμβανομένης της ανακρίβειας της θερμοκρασίας παράγωγων τσιπ ή προβλημάτων που συνδέονται με την πλακέτα διασύνδεσης. Πιθανά παραδείγματα περιλαμβάνουν τον ηλεκτρονικό θόρυβο που προκαλείται από ατέλειες στο κύκλωμα διεπαφής, από συσσώρευση θερμότητας κατά τη διάρκεια της λειτουργίας του αισθητήρα ή από κακή ευθυγράμμιση με το στόχο μέλανος βαθμονομητή, όταν οι αισθητήρες δοκιμάζονται σε παρτίδες. Πίνακας 3. Υπολογισμός θετικής τετραγωνικής ρίζας της διακύμανσης (RMSE) και μέσου σφάλματος (ΜΣΑ) των μετρήσεων των αισθητήρων δεκάλεπτων καταγραφών του θερμοζεύγους και του θερμογράφου, από απόσταση των 20, 40, 70, 90 cm από το φυτό, ανά 24ωρο και του θερμοζεύγους και της θερμοκάμερας, από απόσταση των 40 cm από το φυτό, για ορισμένες ώρες της μέρας Μετρήσεις σε συμβατικό θερμοκήπιο μη ελεγχόμενων συνθηκών Αρχική μέτρηση Μετά τη διόρθωση της μέτρησης RMSE MAΣ σ RMSE MAΣ σ cm o C o C o C o C o C o C Θερμογράφος υπέρυθρης ακτινοβολίας Θερμοκάμερα υπέρυθρης ακτινοβολίας

21 Π.1.1 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 21 Διάγραμμα 3. Εξέλιξη απόλυτου σφάλματος του θερμογράφου από απόσταση 90 cm από το φυτό, κατά τη διάρκεια 24ώρου Διάγραμμα 4. Διακύμανση των μετρήσεων της θερμοκρασίας ενός φυτού τομάτας κατά τη διάρκεια ενός 24ώρου, με θερμοζεύγη και θερμογράφο σε απόσταση 70cm από το φυτό. Τέλος, όπως παρατηρείται από τα Διαγράμματα 3 και 4, η κορυφή του σφάλματος της μέτρησης του θερμογράφου προηγείται της κορύφωσης της θερμοκρασίας του αέρα, γεγονός το οποίο οφείλεται τόσο στη θέση του ήλιου, όσο και στη θέση του αισθητήρα και τις σκιές γειτονικών αντικειμένων που παρεμβάλλονται.

22 Π.1.1 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 22 Ως εκ τούτου, προσδοκάται υψηλός συντελεστής συσχέτισης μεταξύ της τιμής του σφάλματος της μέτρησης του θερμογράφου από τα θερμοζεύγη και της τιμής της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας, με τη τιμή του σφάλματος να αυξάνεται όσο αυξάνεται η ένταση της ακτινοβολίας. Παρόλα αυτά, από το Διάγραμμα 5, δεν προκύπτει κάποιος υψηλός συντελεστής συσχέτισης μεταξύ των τιμών αυτών, μόλις R 2 =0.144 και αιτιολογείται με τη μειωμένη ένταση της ακτινοβολίας που επικρατεί κατά τη διάρκεια περάτωσης των μετρήσεων (μέγιστη ηλιακή ακτινοβολία 200W/m 2 κατά τις μεσημβρινές ώρες). Επίσης, ο χαμηλός συντελεστής συσχέτισης αιτιολογείται και με το γεγονός ότι ο αισθητήρας μέτρησης της ηλιακής ακτινοβολίας βρίσκεται σε διαφορετικό σημείο από το θερμογράφο μέτρησης υπέρυθρης ακτινοβολίας, ο οποίος αποτελείται από σταθερή οπτική γωνία, με αποτέλεσμα το μέγεθος της μετρούμενης περιοχής του στόχου να επηρεάζεται έντονα από τις σκιάσεις που δημιουργούνται, κυρίως από το σκελετό του θερμοκηπίου και από τις γειτονικές αρχιτεκτονικές δομές των φυτών. Διάγραμμα 5. Ένδειξη της διαφοράς της μέτρησης του θερμογράφου από τα θερμοζεύγη, για διαφορετικές τιμές έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας. Με βάση όλα τα παραπάνω, ο θερμογράφος μπορεί να τοποθετηθεί λαμβάνοντας υπόψη τη θέση και τη γωνία του σε σχέση με τη θέση τού ήλιου, ώστε να βελτιστοποιηθεί η προβολή του στόχου. Θα ήταν προτιμότερο ο θερμογράφος να μην εκτείνεται σε θερμότητα άσκοπα (εκτεθειμένος σε άμεση ηλιακή ακτινοβολία), καθώς επηρεάζεται από την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας που εισέρχεται στο φακό, ενώ προτείνεται οι αναγνώσεις του αισθητήρα να γίνονται με τον ήλιο στο πίσω μέρος.

23 Π.1.1 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» Αξιολόγηση και προτυποποίηση αισθητήρων θερμοκρασίας Τα θερμοζεύγη έχουν ικανοποιητική ακρίβεια, δυνατότητα χρήσης σε μεγάλο εύρος θερμοκρασιών, εύκολη τοποθέτηση και χαμηλό κόστος. Επίσης δεν έχουν υψηλές απαιτήσεις σε τροφοδοσία και παράγουν απευθείας τάση. Παρόλα αυτά, η ανάγκη για καταγραφή θερμοκρασίας του φυτού από απόσταση, λόγω των πληγών που προκαλεί στο φύλλο και της έντονης παραλλακτικότητας της θερμοκρασίας του ανάλογα με την ηλικία του, το μέγεθός του και τη θέση του φυτού στο θερμοκήπιο, σηματοδοτεί την ανάγκη χρήσης θερμομέτρων υπέρυθρης ακτινοβολίας. Από την άλλη πλευρά, η θερμοκάμερα είναι μία μη καταστρεπτική τεχνική, που επιτυγχάνει γρήγορη επιθεώρηση μεγάλης επιφάνειας του φυτού, μειώνοντας την παραλλακτικότητα της θερμοκρασίας του φύλλου. Έχει τη δυνατότητα ρύθμισης του συντελεστή εκπεμπτικότητας ανάλογα με το στόχο και τις περιβαλλοντικές συνθήκες, ενώ μέσω της περαιτέρω επεξεργασίας της εικόνας, μπορεί να μειώνει το απόλυτο και σχετικό σφάλμα. Μειονεκτεί στο ότι δε μπορεί να συνδεθεί ασύρματα σε δίκτυο και η περαιτέρω επεξεργασία της εικόνας δεν ευνοεί το σχηματισμό θερμικών δεικτών σε πραγματικό χρόνο. Ένα ακόμη αρνητικό είναι το υψηλό κόστος εξοπλισμού και ο μεγάλος χώρος αποθήκευσης που απαιτείται. Ο θερμογράφος αντιθέτως, έχει πολύ μικρότερο κόστος από τη θερμοκάμερα, μπορεί να συνδεθεί ασύρματα σε δίκτυο και τα δεδομένα του μπορούν εύκολα να επεξεργαστούν για το σχηματισμό θερμικών δεικτών. Παρόλα αυτά, αν και έχει τη δυνατότητα ρύθμισης του συντελεστή εκπεμπτικότητας, δε μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αξιολόγηση περισσότερων της μίας περιοχής ταυτόχρονα, κάτι που θα συνέβαλε σημαντικά στη βελτίωση της μέτρησης της θερμοκρασίας και τη μείωση του σφάλματος. Για την υλοποίηση της προσέγγισης speaking plant (speaking plant approach - SPA), όπου σκοπός είναι η όσο το δυνατόν πιο ακριβής χαρτογράφηση των περιβαλλοντικών συνθηκών του θερμοκηπίου σε επίπεδο καλλιέργειας και επομένως η καταγραφή της θερμοκρασίας θα πρέπει να γίνεται από απόσταση, προτείνεται η χρήση του υπέρυθρου θερμογράφου ως η πιο κατάλληλη μέθοδος. Πρόκειται για έναν οικονομικό αισθητήρα, εύκολο στη χρήση, με γρήγορη και εύκολη λήψη δεδομένων, τα οποία μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα στο σχηματισμό θερμικών δεικτών, για τη λήψη αποφάσεων σε πραγματικό χρόνο. Ο αισθητήρας, για την καλύτερη λειτουργία του, θα πρέπει να βρίσκεται σε απόσταση cm από το φυτό, ώστε η

24 Π.1.1 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 24 καταγραφόμενη περιοχή να είναι τόσο ευρεία ώστε να μην καταγράφεται ένα μόνο σημείο του στόχου και τόσο περιορισμένη ώστε να μη βγαίνει από το πεδίο και έτσι να προκύπτει μία αξιόπιστη μέτρηση της θερμοκρασίας του φυτού. Ο συντελεστής εκπεμπτικότητας, που επηρεάζεται από την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας και από το φυτό, αποτελεί μία παράμετρο που μπορεί να ρυθμιστεί και ο ακριβής καθορισμός της είναι το κλειδί για τη σωστή μέτρηση της επιφανειακής θερμοκρασίας. Επιπλέον, το σφάλμα του συντελεστή εκπεμπτικότητας βελτιώνεται στην περίπτωση που οι εκτεθειμένες επιφάνειες καλυφθούν με μαύρο ματ ύφασμα. Με βάση αυτά τα δεδομένα, συμπεραίνεται ότι ο θερμογράφος υπέρυθρης ακτινοβολίας θα μπορούσε να χαρακτηριστεί ως μία αξιόπιστη μέθοδος μέτρησης της θερμοκρασίας από απόσταση, σε τέτοιο βαθμό ώστε οι μετρήσεις αυτές να μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διαχείριση του κλίματος του θερμοκηπίου υλοποιώντας το SPA και κατ' επέκταση την αξιόπιστη αξιολόγηση της υδατικής κατάστασης του φυτού από απόσταση, ώστε να χρησιμοποιηθεί σε πρακτικό επίπεδο για τη διαχείριση της άρδευσης. Βιβλιογραφία American National Standard, Standard Test Methods for Measuring and Compensating for Reflected Temperature Using Infrared Imaging Radiometers. E Burns, G. W. and M. G. Scroger, The calibration of thermocouples and thermocouple materials. NIST Measurements Service Burns, G. W., M. G. Scroger, G. F. Strouse, M. C. Croarkin and W. F. Guthrie, Temperature-electromotive force reference functions and tables for the letter-designated thermocouple type based on the ITS-90, NIST Monograph 174, US Dept of Commerce. Chung, W. and C. Chen, Evaluation of Performance and Uncertainty of Infrared Tympanic Thermometers. Sensors 2010, 10, ; doi: /s De Mey, G, A short review of the basic physics of infrared thermography, Gent, Belgium.

25 Π.1.1 «Ευφυής έλεγχος και διαχείριση αειφορικών θερμοκηπίων (GreenSense)» 25 EN IEC : Thermocouples, Part 1, Reference tables. European Association of National Metrology Institutes (EURAMET), Calibration of Thermocouples. Version 2.1 (10/2011) EA-10/08. International Organization for Standardization. Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement. ISO; Geneva, Switzerland: Maldague, Χ., Theory and practice of infrared technology for nondestructive testing, New York, USA. O Shaughnessy, S. A., M. A. Hebel., S. R. Evett and P. D. Colaizzi, Evaluation of wireless infrared thermometer with a narrow field of view. Computer and Electronics in Agriculture 76 (2011) OS550A/OS550AM/OS550A-BB Series Industrial Infrared Thermometer/Transmitter, ThermaCam Researcher Proffessional Manual, Publ. No. T Vollmer, M. and K. P. Mollmann, Infrared Thermal Imaging: Fundamental Research and Applications. Wiley VCH, 2010, ISBN