СВЧ-устройство для измерения влажности почвы
MICROWAVE DEVICE FOR SOIL MOISTURE MEASURING

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в сельском хозяйстве для исследования физико-механических свойств почвы, в частности влажности почвы.
Традиционные способы измерения влажности материала (в том числе и почвы) высушиванием и взвешиванием проб трудоемки, затратны по времени и не позволяют выполнять массовых измерений.
Например, известно устройство СВЧ-влагомер LMA-200PM [1].
СВЧ-влагомер специально разработан для экспрессного определения влажности жидких, пастообразных веществ, водных и неводных суспензий, с высоким содержанием влаги от 8% до 100%. Данный влагомер применим и для измерения влажности почвы. Принцип действия влагомера основан на обезвоживании (высушивании) объекта измерений под воздействием микроволнового излучения, с автоматическим взвешиванием в процессе высушивания и индикацией результата измерения.
Недостатком данного влагомера является длительность процесса измерения, что делает невозможным массовость измерений для обеспечения картирования влажности почвы на поле.
Также высушивание проб почвы требует высоких затрат энергии, что невозможно обеспечить в полевых условиях.
Также недостатком является и то, что данное устройство не имеет модуля глобального позиционирования систем ГЛОНАСС или GPS, что делает невозможным определение координат точек взятия проб для измерения влажности и картирование влажности почвы на поле.
Таким образом, применение данного влагомера для массового измерения влажности почвы в полевых условиях невозможно.
Известно устройство - СВЧ-влагомер MW 1000 [2].
Мобильный СВЧ-прибор измерения влажности MW 1000 предназначен для использования в лабораториях и на производстве для быстрого определения влажности материалов в области пищевой (в т.ч. производство кормов для животных), химической, деревообрабатывающей, бумажной промышленности и фармацевтике. Прибор MW 1000 находит применение также в производстве строительных материалов. Метод измерения прибором MW 1000 дает возможность провести быстрое и точное измерение влажности простым наложением планарного датчика на материал. При этом прибор MW 1000 определяет общую влажность независимо от плотности материала.
Данный влагомер имеет СВЧ-излучающее устройство и приемный датчик. Устройство может применяться для измерения влажности почвы.
Недостатком данного влагомера является низкая достоверность и точность измерений влажности почвы вследствие особенностей измерительного контура. Измерительный контур устройства выполняется в двух вариантах: либо в виде планарного датчика, либо в виде зонда.
При использовании планарного датчика его невозможно плотно приложить к почве. Также излучающее устройство и приемное в составе планарного датчика представляют собой открытый контур. Часть электромагнитной энергии рассеивается в окружающее пространство, что снижает точность измерения.
Использование измерительного зонда более подходит для измерения влажности почвы. Однако измерительный контур зонда также открыт (в целях ускорения процесса измерения и снижения трудозатрат).
Данное устройство является мобильным и может использоваться в полевых условиях, однако перечисленные недостатки приводят к снижению точности и достоверности результатов измерений.
Недостатком является и то, что данное устройство так же, как предыдущее, не имеет модуля глобального позиционирования, что делает невозможным определение координат точек измерения влажности и картирование влажности почвы на поле.
Наиболее близким по совокупности признаков является известный способ и устройство для непрерывного измерения влажности сыпучего продукта [3].
Способ и устройство позволяют производить измерение содержания влаги в сыпучих продуктах, в частности в компонентах пищевых производств и фуража, в измерительном канале с чувствительным элементом для микроволн. Данный способ и устройство применимы и для измерения влажности почвы.
По данному способу измеряют проводящие свойства наполненного сыпучим продуктом чувствительного элемента (детектора) и по полученным данным, с учетом измеренной температуры и насыпной плотности определяют влажность. В качестве чувствительного элемента используется стержень, расположенный поперек потока сыпучего продукта.
Недостатком данного устройства является не высокая достоверность измерений, т.к. между передающим (излучателем) и чувствительным элементом (антенной) отсутствует герметичный резонаторный канал. Поэтому часть электромагнитной энергии рассеивается в окружающее пространство, а часть поглощается стенками канала, по которому проходит измеряемый материал. Величина этих энергий непостоянна во времени и зависит от рода материала, его свойств и объема. Вследствие этого точность и достоверность результатов измерений существенно снижается.
Недостатком является и то, что чувствительный элемент расположен поперек потока измеряемого материала. В результате данное устройство (с такой конструкцией и расположением элементов) может применяться только для поточного измерения влажности материалов и непригодно для измерения влажности отдельных проб почвы в полевых условиях.
Также недостатком является отсутствие в составе устройства модуля глобального позиционирования, что делает невозможным определение координат точек измерения влажности и картирование влажности почвы на поле.
Задача изобретения: повышение достоверности измерения при обеспечении массовости измерений влажности, универсальности применения устройства к измерению влажности различных типов почв, а также обеспечение возможности определения координат точек взятия проб для измерения влажности почвы.
Задача изобретения решается следующей совокупностью признаков предлагаемого устройства. Предлагаемое устройство, как и прототип, содержит корпус, силовой блок СВЧ-излучателя, СВЧ-излучатель, соединенный с рабочей камерой. На противоположной, относительно СВЧ-излучателя, стороне рабочей камеры расположен чувствительный элемент (детектор СВЧ-излучения), который измеряет уровень СВЧ-излучения, прошедшего сквозь исследуемую пробу, блок обработки данных, посредством которого определяют ее влажность.
В отличие от известного, в предлагаемом устройстве СВЧ-излучатель, чувствительный элемент (детектор СВЧ-излучения) и рабочая камера соединены между собой и совместно образуют герметичный резонаторный волновод. Рабочая камера, встроенная в волновод, имеет окно доступа, через которое в нее устанавливается диэлектрическая емкость с пробой почвы, влажность которой необходимо измерить. При этом СВЧ-излучатель отделен от рабочей камеры посредством диэлектрической мембраны, которая защищает его от механических повреждений частицами исследуемого материала. Также предлагаемое устройство содержит модуль глобального позиционирования для определения координат точек измерения влажности почвы.
Такая совокупность признаков предлагаемого устройства решает поставленную изобретением задачу:
- повышает достоверность и точность измерения влажности почвы при обеспечении массовости измерений. Так как СВЧ-излучатель и чувствительный элемент (детектор СВЧ-излучения) соединены между собой и образуют герметичный (для электромагнитных волн) волновод, содержащий резонаторную и рабочую камеры, разделенные диэлектрической мембраной. Так как волновод является резонаторным, т.е. рассеивание и поглощение электромагнитной энергии в его стенках и в окружающее пространство минимальны. Повышение достоверности измерений осуществляется за счет поддержания стабильной частоты СВЧ-излучения на уровне 2,45 ГГц (частота, при которой электромагнитная энергия поглощается именно молекулами воды). При этом время измерения составляет от 1 до 5 секунд, что позволяет обеспечить высокую скорость проведения измерений и, соответственно, их массовость;
- повышает универсальность применения устройства, т.к. СВЧ-излучение с частотой 2,45 ГГц наиболее эффективно поглощается только водой, а не механическими частицами почвы, и интенсивность поглощения не зависит от вида и концентрации солей, содержащихся в почве, т.е. от концентрации почвенных электролитов;
- обеспечивает возможность координирования точек измерения влажности почвы, т.к. предлагаемое устройство содержит модуль глобального позиционирования, позволяющий фиксировать и сохранять на съемный накопитель координаты точек проведения измерений и маршрута перемещения устройства.
На фиг. 1 изображена схема предлагаемого СВЧ-устройства для измерения влажности почвы, на фиг. 2 - технологическая схема работы предлагаемого устройства.
Предлагаемое устройство содержит корпус 1, в котором расположен силовой блок СВЧ-излучателя 2 (с повышающим трансформатором, умножителем напряжения, высоковольтным предохранителем и др.), СВЧ-излучатель 3 с резонаторным волноводом резонаторной камеры 4, соединенной с рабочей камерой 7 через диэлектрическую мембрану 5. На противоположной, относительно СВЧ-излучателя 3, стороне рабочей камеры 7 расположен детектор СВЧ-излучения 8, который измеряет уровень СВЧ-излучения и посредством блока обработки данных 9 выводит данные на панель индикации 10. В рабочую камеру 7 устанавливается емкость 6, выполненная из диэлектрического материала, в которую засыпается проба почвы, влажность которой необходимо измерить. Диэлектрическая емкость 6 устанавливается в рабочую камеру 7 через окно доступа 11. Управление СВЧ-излучателем 3 производится с помощью панели управления 12. Модуль глобального позиционирования 13 производит определение координат точки измерения влажности и передает сигнал в блок обработки данных 9.
Таким образом, по сути, устройство представляет собой волновод, с одной стороны которого установлен СВЧ-излучатель электромагнитных волн, а с другой детектор, а в волновод устанавливается проба почвы (Фиг. 2).
Устройство работает следующим образом (Фиг. 2).
Проба почвы, влажность которой необходимо измерить, помещается в диэлектрическую емкость 6 и устанавливается в рабочую камеру 7 через окно доступа 11. Предварительно вычисляется масса контролируемой пробы почвы. Далее с помощью панели управления 12 производится запуск СВЧ-излучателя 3 на время около 3 с, необходимое для выполнения замеров интенсивности излучения с помощью детектора СВЧ-излучения 8. Сигнал от детектора СВЧ-излучения 8 поступает в блок обработки данных 9, где он также преобразуется в цифровой код, передается на панель индикации влажности почвы 10 и/или записывается на съемный носитель информации. Таким образом, на панели индикации влажности 10 отображается проанализированный и обработанный сигнал в виде параметра влажности почвы. Затем СВЧ-излучатель 3 отключается, а контролируемая проба почвы удаляется из рабочей камеры 7.
Источники информации
1. СВЧ-влагомер LMA-200PM. [Электронный ресурс]: http://somet.ru/index.php?page=shop.product_details&flypage=flypage.tpl&product_id=42&category_id=8&option=com_virtuemart&Itemid=68&lang=ru (дата обращения: 16.12.2016).
2. СВЧ-влагомер марки MW 1000. [Электронный ресурс]: http://www.europribor.com/component/page,shop.product_details/flypage,shop.flypage/product_id,130/category_id,28/option,com_virtuemart/Itemid,37/ (дата обращения: 16.12.2016).
3. Патент на изобретение РФ №2154816, G01N 22/04. Способ и устройство для непрерывного измерения влажности сыпучего продукта / X. Толбер, Р. Леманн, Р. Мюллер. - Дата публикации 20.08.2000 г.