УСТРОЙСТВА И СПОСОБЫ АНАЛИЗА ПОЧВЫ IN SITU
APPARATUSES AND METHODS FOR IN SITU SOIL ANALYSIS

Настоящее изобретение относится к области анализа почвы, в частности, без ограничения, к техническому анализу почв, используемых в сельскохозяйственных или садоводческих целях. В частности, настоящее изобретение относится к сенсорному устройству для анализа почвы in situ, способу анализа почвы in situ и устройству, предназначенному для выполнения способа анализа почвы, причем это устройство совместно и во взаимодействии с одним или более указанными сенсорными устройствами составляет систему для анализа почвы in situ.
В области анализа почвы в настоящее время в основном используют лабораторные способы анализа, которые основаны на взятии одного или более образцов почвы для анализа, их транспортировке в подходящую лабораторию, где они обрабатываются и анализируются. После этого составляют соответствующий отчет об анализе и отправляют его получателю или клиенту. Как правило, время между забором образца и уведомлением о результате анализа составляет по меньшей мере нескольких дней, но чаще всего составляет недели, особенно в периоды повышенного спроса, например весной (для Центральной Европы). В типичной стандартной лаборатории для анализа почвы содержание воды, содержание микро- и макроэлементов, электропроводность, тип почвы, значение pH, а также доступные и общие количества или концентрации азота, фосфора и углерода могут быть определены с помощью стандартизированных способов лабораторного анализа. Типичный образец почвы для фермера включает в себя, например, параметры типа почвы, содержания азота, фосфора, калия, магния, бора, меди, цинка, марганца и железа, а также значение pH почвы и, возможно, заявление о ее потребности в извести. Хотя способы, которые используют в таких лабораторных анализах, очень точны, их нельзя использовать «in situ», т. е. не без предварительного отбора образца и не на участке, на почве, подлежащей анализу, например, в местности для сельскохозяйственного или садового использования, либо потому, что техническое оборудование, которое требуется для этой цели, не является мобильным, либо потому, что для анализа требуются стандартизированные условия окружающей среды, которых можно достичь только в лаборатории.
В качестве альтернативы анализу почвы в лаборатории уже сегодня доступны некоторые способы анализа почвы in situ или способы анализа почвы частично in situ. Тем не менее, доступный диапазон анализов ограничивается анализом содержания воды, значения pH, электропроводности и типа почвы из образца почвы. Однако другие параметры, такие как, в частности, параметры, весьма важные для фермеров и садоводов, касающиеся содержания калия, магния, меди, марганца, цинка, брома, железа, доступного фосфора, гумуса, а также общего содержания азота и общего содержания углерода в настоящее время не могут быть проанализированы in situ. Кроме того, сам по себе ни один из известных на сегодняшний день способов анализа in situ не позволяет документировать результаты измерений или результаты анализа надежным с юридической точки зрения способом, как может требоваться во многих странах в качестве основание для проверки и подтверждения правовых норм, таких как законодательные нормы по удобрениям и т. д.
Из заявки на патент США 5,621,669 А известен сенсорный датчик влажности и других свойств вещества в объеме. Он содержит функции выбора, ввода, возбуждения и изоляции для получения сигналов от группы датчиков, для преобразования сигналов в цифровую информацию, для корреляции частей информации и для передачи информации на один или более внешних приводов и удаленных приемников и контроллеров.
Из заявки на патент США 2003/0009286 A1 известны устройство и способ получения характеристик почвы, которые предназначены для эффективного обнаружения высокоточных данных о распределении характеристик почвы на сельскохозяйственном поле и для совместного управления этими данными.
Из заявки на патент США 9,285,501 B2 известна многодатчиковая система для быстрого измерения in situ диффузного отражения от почвы, электропроводности почвы и других свойств почвы в трех измерениях.
Из заявки на патент США 7,944,220 B2 известен датчик влагосодержания для измерения влагосодержания в среде. Датчик содержит зонд, который подает электрический сигнал в среду. Схема полного импеданса, расположенная между зондом и источником электрического сигнала, дает возможность сенсорной электронике генерировать сигнал, который указывает влагосодержание в среде на основании изменений электрической проницаемости среды.
Из заявки на патент США 5,859,536 A известно сенсорное устройство, которое содержит пару чувствительных электродов, которые расположены в среде, и схему, подключенную к чувствительным электродам через схемы согласования импедансов, для создания выходного сигнала, который изменяется в ответ на емкостное изменение среды. Указанная схема содержит первую часть схемы, содержащую чувствительные электроды, и вторую часть схемы, содержащую генератор колебаний. Первая и вторая части схемы настроены таким образом, чтобы соответствовать их импедансу, для обеспечения более точного измерения емкостных изменений.
Из заявки на патент CN 106950183 A известно портативное устройство для обнаружения питательных веществ в почве на основе спектральной технологии.
Из заявки на патент США 2018/0085003 A1 известен переносной спектрометр, который можно использовать для освещения объекта и измерения одного или более спектров. Спектральные данные объекта можно использовать для определения одного или более свойств объекта. В частности, спектрометр может быть соединен с базой данных спектральной информации, которую могут использовать для определения свойств объекта. Система спектрометра может содержать переносное устройство связи, которое соединено со спектрометром и на котором пользователь может вводить данные, относящиеся к измеряемому объекту.
Из заявки на патент США 2016/0033437 A1 известна дистанционная платформа датчиков с недорогим контактным датчиком, который соединен с емкостными пластинами для измерения электрической емкости почвы. Платформа датчиков также может содержать другие датчики для измерения других параметров сада/огорода, таких как, например, сопротивление почвы, значение pH почвы, окружающее освещение, температура почвы или воздуха и влажность воздуха. На основании измерений сопротивления и электрической емкости почвы можно определить влагосодержание почвы.
Из заявки на патент EP 1203955 A1 известен способ измерения почвы, в котором для измерения свойств почвы используют инструмент для измерения почвы. Способ включает в себя получение данных измерений от датчика почвы на основании информации, относящейся по меньшей мере к типу почвы на участке измерения и содержанию воды. Для расчета свойств почвы собранные данные измерений вводят в модель, которую определяют на основании информации, относящейся к этому типу почвы и содержанию воды.
Ввиду такого уровня техники целью настоящего изобретения является обеспечение улучшенных устройств и способов анализа почвы in situ. В частности, целью настоящего изобретения является обеспечение устройств и способов анализа почвы in situ, которые, по сравнению с известными на данный момент решениями, позволяют анализировать дополнительные свойства почвы и/или добиваться более  высокого качества результатов анализа.
Эту цель достигают в соответствии с идеей независимых пунктов формулы изобретения. Различные варианты реализации изобретения и дальнейшие разработки настоящего изобретения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
Первый аспект изобретения относится к сенсорному устройству для анализа почвы in situ.
Сенсорное устройство содержит узел датчика с одним или более датчиками, которые сконфигурированы по отдельности или совокупно для одновременного измерения in situ по меньшей мере двух, предпочтительно по меньшей мере трех, или всех следующих свойств почвы, подлежащей анализу, и для обеспечения соответствующих данных измерений: (a) спектр импеданса, (b) температура, и (c) спектр поглощения в спектральном диапазоне, расположенном от NIR (ближняя инфракрасная область спектра) до UV (ультрафиолетовая область спектра), NIR-VIS-UV и необязательно (d) кислотный или щелочной характер, в частности значение pH. Расстояние между каждыми двумя датчиками узла датчиков, определенное относительно их соответствующих преобразователей измеряемой величины, не превышает значение 10 см, предпочтительно 5 см и особенно предпочтительно 3 см.
Для измерения in situ спектра импеданса узел датчика выполнен с возможностью измерения сопротивления переменному току участка почвы, подлежащего измерению, как функции частоты переменного измерительного напряжения, подаваемого на указанный участок почвы.
В контексте настоящего изобретения выражение «анализ почвы in situ» следует понимать как означающее анализ почвы, в частности почвы в местности, которую используют для сельскохозяйственных или садоводческих целей, в которой измерение требуемых свойств почвы осуществляют на участке непосредственно на самой почве без необходимости отбора из почвы образцов. В частности, анализ почвы in situ может быть выполнен таким образом, чтобы соответствующее сенсорное устройство было расположено на почве, подвергаемой анализу, или над ней или было введено в нее, по меньшей мере частично, так что сенсорные компоненты сенсорного устройства могут измерить соответствующее свойство почвы, при этом почва по меньшей мере по существу остается неизменной на месте. Для целей дальнейшего анализа почвы, помимо простого сбора данных измерений, оценку данных измерений, которые были получены посредством одного или более измерений in situ, также могут выполнять «in situ», т.е. на месте измерения, хотя и не обязательно. В отличие от этого, анализы почвы, основанные на том, что образец сначала отбирают из почвы, подвергаемой анализу, затем в том же или другом месте его измеряют и, если применимо, подвергают дальнейшему анализу, не являются анализами почвы in situ в контексте настоящего изобретения.
Выражение «одновременное» измерение in situ нескольких свойств почвы следует понимать как означающее процесс измерения «in situ», при котором периоды измерения для измерения по меньшей мере двух свойств почвы, подлежащих измерению, по меньшей мере частично перекрываются. В частности, поэтому измерения нескольких свойств почвы, которые фактически происходят абсолютно одновременно, также являются одновременными измерениями в контексте настоящего изобретения, как и измерения, в которых, например, первый период измерения для измерения первого свойства почвы не абсолютно совпадает со вторым периодом измерения для второго свойства почвы, но существует по меньшей мере один временной интервал, в течение которого оба свойства измеряют одновременно. В этом контексте период измерения свойства почвы определен как период времени, в течение которого соответствующие измерительные компоненты активированы для выполнения соответствующего измерения самого свойства почвы или количества, которое используют для косвенного определения этого свойства.
В контексте настоящего изобретения выражение «спектр импеданса» следует понимать как означающее спектр, который представляет сопротивление переменному току (импеданс Z) материала, в данном случае измеряемой части почвы, как функцию частоты (ω) переменного измерительного напряжения, которое прикладывается к участку почвы, например, посредством электродов, что может быть выражено, в частности, с помощью математической функции Z(ω). В этом контексте сопротивление переменному току биполярного сетевого элемента (в настоящем документе участка почвы) определено как отношение электрического напряжения к электрическому току.
В контексте настоящего изобретения под спектром поглощения следует понимать спектр электромагнитного излучения, который содержит «темные» спектральные линии, т. е. надрезы в спектральном диапазоне, которые возникают, когда широкодиапазонное электромагнитное излучение облучает или проходит через вещество, и кванты излучения (фотоны) определенных длин волн или диапазонов длин волн поглощаются веществом. В этом контексте может иметь место один или более различных механизмов поглощения, в основном зависящих от длины волны. В частности, возможны электронные переходы между различными энергетическими уровнями атомов, молекул или кристаллов или других твердых частиц (например, в контексте люминесценции), а также возбуждения других степеней свободы, в частности вращательных или колебательных степеней свободы молекул и в твердых частицах. Путем сравнения полученных спектров поглощения, в частности спектров отражения, с соответствующими эталонными спектрами, можно сделать качественные и/или количественные выводы о вещественном составе измеряемого вещества.
В контексте настоящего изобретения выражение «преобразователь измеряемой величины» или, кратко, «преобразователь» следует понимать как часть измерительного устройства, т. е. датчик, который непосредственно реагирует на измеряемую величину. Таким образом, преобразователь является первым элементом измерительной цепи. В частности, преобразователь, без ограничения, может быть реализован в виде одного или более электродов, оптического приемника или датчика температуры. Под расстоянием между двумя преобразователями следует понимать кратчайшее расстояние между ними.
2
2
2
Сенсорное устройство согласно первому аспекту изобретения отличается тем, что, с одной стороны, оно способно выявлять по меньшей мере два различных свойства почвы способом на основе работы датчика и по меньшей мере по существу способом, являющимся неразрушающим, которые, в дополнение, выбирают таким образом, чтобы между ними существовала четкая корреляция, что позволяет достичь посредством объединения данных повышенной точности измерения на основании данных измерений, полученных посредством измерения, по сравнению с отдельными измерениями, и, следовательно, повышенного качества анализа почвы. Кроме того, преобразователи измеряемой величины датчиков сосредоточены на весьма небольшой площади (например, на площади ≤ 100 см, предпочтительно ≤ 25 см, особенно предпочтительно ≤ 9 см), так что часть почвы, подвергаемую измерению, в хорошем приближении можно считать однородной, что используют для дальнейшего повышения точности измерений, в частности, с учетом того факта, что корреляция между отдельными результатами измерения существенно зависит от расстояния и, как правило, позволяет значительно повысить качество анализа почвы только за счет объединения данных при небольших расстояниях.
Кроме того, измерения проводят одновременно, что позволяет свести к минимуму зависящие от времени погрешности измерения. В противном случае такая погрешность измерения могла бы возникнуть, например, если бы измерение импеданса привело к локальному нагреву почвы, что затем дало бы искаженные показания температуры в случае последующего измерения температуры, выполненного в другой отрезок времени. Кроме того, объединение различных способов измерения, упомянутых выше, позволяет достичь требуемых свойств почвы путем объединения данных измерений отдельных измерений, что превосходит предыдущие возможности для измерений in situ. Также одновременное измерение сокращает общее время, необходимое для процесса измерения, по сравнению с чисто последовательными отдельными измерениями.
Поскольку нет необходимости ни отбирать образцы почвы, ни доставлять их в лабораторию ex situ, результаты анализа почвы могут быть доступны в кратчайшие сроки, в частности, также на месте, непосредственно в ходе измерения, так как не требуется значительная задержка по времени до момента получения результатов анализа.
Далее будут описаны предпочтительные варианты реализации сенсорного устройства, каждый из которых, если это явно не исключено или технически невозможно, можно объединять любым желаемым образом друг с другом, а также с другими аспектами настоящего изобретения, которые описаны в данном документе.
В некоторых вариантах реализации изобретения узел датчика содержит датчик импеданса для обнаружения in situ спектра импеданса почвы, подлежащей анализу. Он содержит (i) первый опорный элемент; (ii) две токопроводящие дорожки, которые расположены на первом опорном элементе, но которые электрически изолированы от него и друг от друга, причем по меньшей мере одна из них содержит электропроводящий, устойчивый к коррозии полимер или композитный материал; (iii) и устройство управления. Устройство управления выполнено с возможностью подачи напряжения переменного тока между двумя токопроводящими дорожками, для изменения его частоты в заданном частотном диапазоне, и во время этого, в процессе работы сенсорного устройства, когда его вводят в почву, подлежащую анализу, таким образом, чтобы токопроводящие дорожки находились в электрическом контакте с почвой, подлежащей анализу, для обнаружения спектра импеданса почвы, подлежащей анализу, в ответ на напряжение переменного тока, приложенное к ней через токопроводящие дорожки, и для получения спектра импеданса в виде соответствующих данных измерений. Таким образом, сенсорное устройство может фиксировать спектр импеданса почвы, подлежащей анализу, с помощью которого, в частности, могут быть определены различные типы почвы, механический состав почвы, электропроводность, содержание воды, концентрации ионов и типы ионов.
Конкретное формирование токопроводящих дорожек на опорном элементе, а также конкретный выбор материала для них, позволяют достичь как особенно надежного электрического контакта с окружающей почвой, так и высокой устойчивости, в частности, устойчивости к истиранию и коррозии, по отношению к почве и, следовательно, долгого срока службы сенсорного устройства.
В частности, токопроводящие дорожки могут быть намотаны на первый опорный элемент, предпочтительно таким образом, чтобы две токопроводящих дорожки проходили параллельно друг другу, что является особенно точным и оптимальным с точки зрения использования пространства решением. В данном документе термин «электропроводность» следует понимать как физическую величину, которая указывает, насколько хорошо вещество способно проводить электрический ток. Соответственно, в контексте настоящего изобретения выражение «электропроводный» следует понимать как означающее электропроводность, которая (при 25°C) составляет по меньшей мере 106 См/м, т.е. имеет значение, которое по меньшей мере равно проводимости металлов.
В некоторых дополнительных вариантах реализации изобретения первый опорный элемент является электропроводным, в частности, металлически проводящим по меньшей мере в области, которая покрыта токопроводящими дорожками, и устройство управления дополнительно выполнено с возможностью приложения потенциала земли к этой по меньшей мере одной области во время обнаружение спектра импеданса почвы, подлежащей анализу. Таким образом можно уменьшить или даже избежать искажения сигнала зафиксированного спектра импеданса из-за воздействия внешней электромагнитной связи. В этом контексте потенциал земли, в частности, может представлять собой потенциал земли (нулевой потенциал) источника питания сенсорного устройства, например аккумуляторной батареи, используемой для этой цели.
В некоторых дополнительных вариантах реализации изобретения заданный частотный диапазон включает в себя диапазон от 100 Гц до 1 МГц, что позволяет определять спектр, который благодаря его ширине и положению в спектре электромагнитного излучения дает возможность делать особенно обоснованные выводы о большом количестве различных свойств почв.
В некоторых дополнительных вариантах реализации изобретения первый опорный элемент выполнен в виде штыря, который по меньшей мере частично является полым для по меньшей мере частичного введения в почву, подлежащую анализу. Кроме того, на поверхность штыря наносят изоляционный слой, на котором, в свою очередь, располагаются две токопроводящие дорожки, которые в частности намотаны. Устройство управления расположено внутри полой части первого опорного элемента. Формирование первого опорного элемента в виде штыря служит для того, чтобы первый опорный элемент можно было по меньшей мере частично ввести (вонзить) в почву, подлежащую анализу, и таким образом привести токопроводящие дорожки, которые служат в качестве преобразователя измеряемой величины датчика импеданса, в контакт с почвой. Посредством изоляции токопроводящие дорожки электрически отсоединены друг от друга и от штыря, который, в частности, как описано выше, может быть соединен с потенциалом земли. К тому же, внутри полой части первого опорного элемента устройство управления защищено от нежелательных воздействий, в частности почвы или других участков окружающей среды, в частности пыли, влаги и веществ, вызывающих коррозию.
В некоторых дополнительных вариантах реализации изобретения узел датчика содержит датчик температуры для определения температуры почвы, подлежащей анализу, причем он вместе с датчиком импеданса выполнен в виде интегрированного узла датчика импеданса/температуры, который выполнен с возможностью определения, одновременно и in situ, спектра импеданса, а также температура почвы, подлежащей анализу, и предоставления этих измерений, соответственно, в виде соответствующих данных измерений. Таким образом, не только определяют по меньшей мере две различные величины измерения, что, как было объяснено выше, позволяет расширить спектр свойств почвы, которые могут быть определены, но и улучшают качество анализа, а также становится возможной особенно высокая плотность компоновки, что позволяет выполнить узел датчика особенно компактным образом.
В частности, датчик температуры (или его части), подобно устройству управления, может быть расположен внутри полой части первого опорного элемента для его защиты, как и устройства управления, от нежелательных воздействий внешней среды.
Первый опорный элемент и/или по меньшей мере одна из токопроводящих дорожек может, в частности, также служить датчиком измерения температуры (т.е. преобразователем измеряемой величины) и для этой цели может быть соединен(а) с датчиком температуры теплопроводным способом. Предпочтительно, первый опорный элемент или, в зависимости от обстоятельств, по меньшей мере одна токопроводящая дорожка, следовательно, изготовлена с использованием материала с хорошей теплопроводностью, в частности металла, такого как, например, алюминий, или полимер, или композитный материал с хорошей теплопроводностью.
В некоторых вариантах реализации изобретения датчик температуры встроен в устройство управления, например, на общей печатной плате или в общей интегральной схеме, что также является преимуществом с точки зрения высокой и, следовательно, компактной интеграции сенсорного устройства, в частности, также ввиду достижения такой компоновки преобразователей измеряемой величины различных датчиков сенсорного устройства, которая, насколько это возможно, оптимизирована с точки зрения ее компактности.
В некоторых вариантах реализации изобретения датчик температуры расположен внутри электропроводной части первого опорного элемента, так что датчик температуры по меньшей мере частично экранирован от любого электромагнитного взаимодействия, генерируемого токопроводящими дорожками при приложении к ним напряжения переменного тока, в результате чего можно повысить точность измерений и противодействовать нежелательным эффектам интерференции.
В некоторых вариантах реализации изобретения узел датчика содержит узел абсорбционного спектрометра для измерения in situ спектра поглощения почвы, подлежащей анализу. Он содержит по меньшей мере два абсорбционных спектрометра микроэлектромеханических систем (MEMS; microelectromechanical systems) (то есть абсорбционные спектрометры, которые по меньшей мере частично изготовлены с помощью технологии MEMS и которые, в частности, содержат компоненты MEMS), в частности, выполненные на основе интерферометра Фабри-Перо, спектральный охват которого отличается по меньшей мере для некоторых участков спектра электромагнитного излучения, в результате чего спектр поглощения почвы, подлежащей анализу, может быть измерен в совокупности всеми MEMS абсорбционными спектрометрами, спектр поглощения которых также охватывает участки в NIR области спектра, в видимой области спектра, так и в UV области спектра. В частности, спектральный охват может проходить от NIR области спектра до UV области спектра без прерывания и может, в частности, включать в себя диапазон от 350 нм до 1700 нм, чтобы сделать возможным особенно высокодифференцирующее измерение в спектральном диапазоне, который, как правило, имеет особое значение для анализа почвы.
В некоторых вариантах реализации изобретения узел абсорбционного спектрометра дополнительно содержит подвижный держатель, в частности, поворотный и/или поступательно передвижной держатель, на котором абсорбционные спектрометры расположены таким образом, что при перемещении держателя относительно виртуальной измерительной поверхности, на которой почва, подлежащая анализу, останавливается во время операции измерения сенсорного устройства, они могут спектрометрически измерять участок почвы, который будет сканироваться абсорбционными спектрометрами, чтобы измерить спектр поглощения, который интегрирован по всей площади, подлежащей сканировано. Таким образом, могут быть получены результаты, которые лучше подходят для использования со статистической точки зрения и которые являются более точными, благодаря чему можно сканировать максимально возможную площадь почвы, в идеале на минимально возможном расстоянии. В случае поворотного держателя измеренный спектр поглощения может быть интегрирован или усреднен, в частности, по углу поворота держателя, а в случае поступательного движения, в частности, по расстоянию этого поступательного движения. Таким образом, неспецифические характеристики почвы, например, мелкие камни или ветки и т.д., в среднем оказывают лишь незначительное влияние, в частности небольшое влияние, на полученные результаты измерений, которые, кроме того, могут быть по меньшей мере в значительной степени исключены, в частности, с помощью целевой фильтрации, например, посредством пороговых значений.
В некоторых вариантах реализации изобретения по меньшей мере один источник электромагнитного излучения также размещен на подвижном держателе, причем этот источник электромагнитного излучения выполнен с возможностью, во время операции измерения, облучения электромагнитным излучением площади почвы, подлежащей сканированию абсорбционными спектрометрами во время перемещения держателя относительно измерительной поверхности для создания измеряемого спектра поглощения. Таким образом, можно, с одной стороны, сканировать увеличенную площадь почвы ввиду перемещения, а, с другой стороны, оставить неизменным относительное расположение источника излучения для абсорбционных спектрометров, что, в частности, может привести к повышенной точности измерений и может помочь уменьшить или избежать необходимости регулирования.
В некоторых вариантах реализации изобретения узел абсорбционного спектрометра дополнительно содержит устройство с подвижной заслонкой. Он предназначен для временного перемещения экрана в пространство, определенное между абсорбционными спектрометрами и измерительной поверхностью, при этом эталон калибровки, такой как, например, Spectralon, в частности, расположен на той стороне экрана, которая обращена к абсорбционным спектрометрам, для калибровки по меньшей мере одного, предпочтительно всех абсорбционных спектрометров. Это позволяет сенсорному устройству автоматически калибровать себя (например, посредством темнового тока и эталонной калибровки), например, после определенного заданного количества процедур измерения, в частности, также в контексте самого анализа почвы in situ.
В некоторых вариантах реализации изобретения узел абсорбционного спектрометра также содержит оптическую систему, которая в диапазоне длин волн, соответствующем спектру поглощения, подлежащему обнаружению, по меньшей мере по существу прозрачна, причем эта оптическая система расположена в пространстве между абсорбционными спектрометрами и измерительной поверхностью, чтобы пространственно отделять их друг от друга. На стороне, обращенной к измерительной поверхности, оптическая система обеспечена гидрофильным нанопокрытием, которое, в частности, также может быть более устойчивым к царапинам по сравнению с материалом, из которого состоит корпус оптической системы. Для достижения максимально возможной устойчивости к царапинам оптическая система может быть, в частности, также изготовлена из сапфирового стекла. Пространственное разделение служит, в частности, для защиты абсорбционных спектрометров, а также, если применимо, устройства с заслонкой от нежелательных внешних воздействий (в частности, от пыли, влаги, механических воздействий), например, со стороны почвы, подлежащей анализу.
В некоторых вариантах реализации изобретения узел датчика содержит узел измерения потенциала для обнаружения in situ кислотного или щелочного характера, в частности значения pH, почвы, подлежащей анализу. Он содержит следующее: (i) второй опорный элемент; (ii) электролитный/металлический контрольный электрод, который расположен в или на втором опорном элементе; (iii) металлоксидный электрод, который расположен на поверхности второго опорного элемента, поверхность которого предназначена для контакта с почвой, подлежащей анализу, во время операции измерения; (iv) ионную диафрагму, которая расположена на втором опорном элементе между металлоксидным электродом и электролитным/металлическим контрольным электродом и которая контактирует с электролитным/металлическим контрольным электродом; (v) устойчивый к коррозии калибровочный электрод, который расположен на поверхности второго опорного элемента, обеспеченного для контакта с почвой, подлежащей анализу, причем устойчивый к коррозии калибровочный электрод электрически изолирован от металлоксидного электрода; и (vi) измерительное устройство. Измерительное устройство выполнено с возможностью: (а) определения состояния тока металлоксидного электрода, измерения электрического сопротивления, возникающего между калибровочным электродом и металлоксидным электродом и/или измерения электрической емкости, возникающей между ними, когда каждый из этих двух электродов контактирует с почвой, подлежащей анализу; и (b) определения кислотного или щелочного характера, в частности значения pH, почвы, подлежащей анализу, для измерения разности электрических потенциалов, возникающей между контрольным электродом и металлоксидным электродом, принимая во внимание калибровку измерения, ранее определенную на основании определенного состояния тока металлоксидного электрода, когда каждый из этих двух электродов контактирует с почвой, подлежащей анализу.
Соответственно, измерение кислотного или щелочного характера почвы посредством узла измерения потенциала может быть выполнено во время операции таким образом, чтобы, в соответствии с приведенным выше дополнительным признаком (b), измерять разность электрических потенциалов, возникающих между контрольным электродом и металлоксидным электродом. Эта разность потенциалов зависит от кислотного или щелочного характера почвы, которая находится в контакте с двумя электродами в процессе измерения, так что разность электрических потенциалов можно использовать для измерения кислотного или щелочного характера почвы. Измеренный потенциал соответствует или по меньшей мере изменяется в соответствии с окислительно-восстановительным потенциалом между двумя электродами, в результате чего соответствующее химическое уравнение окислительно-восстановительного потенциала выглядит следующим образом:
окислительно-восстановительный потенциал
2
x
y
+
-
xMe + yHO ↔ MeO + y2H + y2e
2
3
2
2
2
В данном документе аббревиатура «Me» означает металл. Таким образом, разность потенциалов зависит от конкретных электрохимических характеристик датчиков на основе оксида металла/металла, в частности pH датчиков, причем система оксида металла/металла может, в частности, представлять собой SbO/Sb, IrO/IR, TlO/Tl или RuO/ Ru. Эти материалы проявляют прямую зависимость от окисления или восстановления и в то же время обладают хорошей электропроводностью по отношению к концентрации окружающих ионов водорода (значению pH) в почве. Таким образом, их окислительно-восстановительный потенциал может коррелировать с контрольным электродом, и на основании этого можно определить кислотный или щелочной характер или значение pH почвы. Кроме того, материал металлоксидного электрода предпочтительно выбирают таким образом, чтобы он обладал хорошей стойкостью к истиранию и ударным нагрузкам (по отношению к почве), как в случае с системами материалов, упомянутыми выше.
Разность окислительно-восстановительных потенциалов определяют путем измерения ионных токов, протекающих между двумя электродами через ионную диафрагму, причем предпочтительно, с целью повышения измеримости и точности измерения, дополнительно обеспечен преобразователь или усилитель импеданса для преобразования или усиления токов, которые могут быть очень слабыми, перед их измерением. Размер ионной мембраны также предпочтительно выбирают как можно больше в зависимости от размера (второго) опорного элемента для того, чтобы обеспечить максимально возможную площадь поперечного сечения потока ионного тока через ионную диафрагму.
Однако, как правило, оксиды металлов обладают только ограниченной коррозионной устойчивостью к кислотам или основаниям, поэтому при использовании для анализа почвы металлоксидные электроды нередко со временем разрушаются, что может, в частности, привести к уменьшению толщины слоя металлоксидного электрода с последующим изменением электрического сопротивления, следовательно, силы тока и, в свою очередь, результатов измерения. Следовательно, измерительное устройство дополнительно конфигурируют в соответствии с дополнительным признаком (а) для определения состояния тока, в частности толщины слоя тока, металлоксидного электрода путем измерения электрического сопротивления (или электропроводности), возникающего между калибровочным электродом и металлоксидным электродом, и/или электрической емкости, возникающей между ними, когда они оба находятся в контакте с почвой, подлежащей анализу, которая затем электрически соединяет оба электрода. В частности, измерение могут выполнять циклически. Электропроводность и/или емкость почвы, если она неизвестна априори, может быть определена, в частности, с помощью датчика импеданса вышеупомянутого сенсорного устройства, так что соответственно электропроводность, или электрическое сопротивление, или емкость металлоксидного слоя может быть определена измерительным устройством посредством измерения, упомянутого выше, причем электропроводность или емкость металлоксидного электрода напрямую коррелирует с толщиной его металлоксидного слоя. Таким образом, измерение при необходимости может быть повторно откалибровано, в частности, также профилактическим, циклическим образом, с помощью измерительного устройства на основании измерения состояния металлоксидного электрода, чтобы обеспечить точность измерения даже в течение длительных периодов времени и несмотря на разложение оксида металла.
В некоторых вариантах реализации изобретения калибровочный электрод изготовлен из материала, который содержит электропроводящий и устойчивый к коррозии полимер и/или композитный материал. Эти материалы могут иметь такие преимущества, как, в частности, небольшой вес, высокая коррозионная устойчивость, а также длительный срок службы и стабильность в качестве эталона калибровки.
В некоторых вариантах реализации изобретения второй опорный элемент выполнен в виде штыря для по меньшей мере частичного введения в почву, подлежащую анализу, причем на поверхность штыря наносят изолирующий слой, причем на изолирующем слое расположены металлоксидный электрод, ионная диафрагма и/или калибровочный электрод. Это позволяет получить особенно компактный вариант реализации. Кроме того, электролитный/металлический контрольный электрод предпочтительно может быть расположен внутри (второго) опорного элемента, т.е. штыря, и тем самым будет защищен от нежелательных воздействий внешней среды.
В некоторых вариантах реализации изобретения сенсорное устройство дополнительно содержит устройство связи для передачи полученных данных измерений на ответную часть, которая является внешней по отношению к сенсорному устройству, для оценки. Ответная часть может представлять собой, в частности, отдельное оценочное устройство или удаленную вычислительную платформу, например, в облачной среде, или внутренний сервер, или распределенную компьютерную сеть. Таким образом, дальнейшая обработка данных измерений для определения окончательных результатов анализа почвы может быть передана на внешние устройства посредством сенсорного устройства, что может иметь преимущества, в частности, тогда, когда требуются сложные и трудоемкие вычисления, которые могут быть выполнены центральными или специализированными вычислительными системами быстрее или лучше, чем на месте самим сенсорным устройством.
Тем не менее, в других вариантах реализации изобретения в равной степени возможно обеспечить оборудование, необходимое для оценки результатов измерений, в самом сенсорном устройстве. Но даже в этом случае может быть полезно обеспечить упомянутое выше устройство связи в сенсорном устройстве по меньшей мере для обеспечения возможности удаленных обновлений программного обеспечения, используемого для оценки сенсорного устройства и/или управления им.
В некоторых вариантах реализации изобретения устройство связи выполнено с возможностью беспроводной передачи данных измерений посредством связи на основе радиотехнологии LoRa и/или радиотехнологии узкополосного Интернета вещей (NB-IoT; NarrowBand Internet of Things). В частности, эти технологии особенно полезны, если сенсорное устройство предназначено для использования в местах, где другой охват радиоданными, например, через обычную мобильную радиосвязь, отсутствует или не обеспечивается в достаточной степени. Вышеупомянутые радиотехнологии позволяют осуществлять беспроводную передачу данных на расстояние до 30 км, что примерно вдвое превышает максимальную дальность (от терминала до базовой станции) по сравнению с обычными технологиями мобильной радиосвязи. Энергопотребление обычно очень низкое, поэтому указанные технологии можно с успехом применять, в частности, также в мобильных устройствах с питанием от аккумуляторной батареи. Кроме того, по меньшей мере использование технологии LoRa возможно на безлицензионной основе во многих странах, что соответственно положительно сказывается на эксплуатационных расходах.
Устройство связи может, в частности, также быть выполнено с возможностью приема данных, в частности данных, которые относятся к результату анализа почвы, причем эти данные были определены вне устройства, так что соответствующая информация может быть доступна пользователю in situ, на самом сенсорном устройстве, в подходящем человеко-машинном интерфейсе, например на устройстве отображения или оптическом или акустическом устройстве вывода данных.
В некоторых вариантах реализации изобретения сенсорное устройство дополнительно содержит защищенное запоминающее устройство для хранения, защищенное от несанкционированного доступа, уникальную идентификацию устройства для сенсорного устройства и/или по меньшей мере криптографический ключ для шифрования данных измерений и/или метаданных, передаваемых с помощью устройства связи. В частности, метаданные могут, без этого ограничения, представлять местоположение, момент времени и/или измерительный режим измерения, выполняемого in situ посредством сенсорного устройства, а также идентификацию устройства или идентификацию пользователя. В частности, таким образом может быть реализована связь через устройство связи, в частности такое, которое защищено от атак «через посредника», а также идентификацию устройства, защищенную от несанкционированной модификации.
В некоторых вариантах реализации изобретения устройство связи дополнительно выполнено с возможностью записи блочно-цепочным методом записи и хранения данных, действуя в качестве внешней ответной части, данных измерений и/или метаданных, подлежащих передаче, или побуждения другой внешней ответной части к записи блочно-цепочным методом записи и хранения данных измерений и/или переданных в него метаданных. Эти варианты реализации изобретения имеют преимущество, в частности, в том, что касается документирования результатов измерений надежным с юридической точки зрения способом. Кроме того, эти варианты реализации изобретения также позволяют обеспечить защиту связи, в частности, в отношении защиты от последующей фальсификации результатов измерений или полученных результатов анализа почвы.
В некоторых вариантах реализации изобретения сенсорное устройство выполнено с возможностью выполнения аутентификации пользователя сенсорного устройства и разрешения передачи данных измерений и/или метаданных внешней ответной части только в том случае, если аутентификация была успешной. Эта меру также могут использовать для защиты передачи и документирования результатов измерений от атак, в частности, в отношении фальсификации данных измерений. За счет использования одной или более защитных мер, упомянутых выше, таким образом могут быть выполнены требования к документированию результатов измерений, что является надежным с юридической точки зрения и что, в зависимости от обстоятельств, может требоваться по закону.
В некоторых вариантах реализации изобретения сенсорное устройство дополнительно содержит устройство определения положения для определения текущего положения сенсорного устройства и предоставления соответствующих метаданных, характеризующих положение. В частности, это позволяет также предоставлять вместе с данными измерений данные о местоположении измерения с помощью соответствующих метаданных. Кроме того, таким образом может быть реализован контроль сенсорного устройства в отношении его пространственного положения, что также обеспечивает дополнительную защиту от неправильного использования, в частности, неправильного использования лицами, не имеющими право доступа.
В некоторых вариантах реализации изобретения сенсорное устройство выполнено в виде портативного блока. Это, в частности, означает, что размеры и вес устройства позволяют человеку легко переносить его без излишних проблем, например, в местоположение измерения на сельскохозяйственных угодьях. Таким образом, в идеале размеры сенсорного устройства в каждом направлении должны составлять максимум несколько дециметров, например, < 50 см, и вес должен составлять предпочтительно меньше 25 кг, в идеале менее 10 кг. Таким образом, сенсорное устройство можно использовать очень гибко и без помощи транспортных средств или других маневрирующих устройств.
Второй аспект настоящего изобретения относится к реализуемому на компьютере способу анализа почвы, включающему:
(i) прием данных измерений, относящихся по меньшей мере к двум, предпочтительно по меньшей мере трем, или всем из следующих свойств почвы, подлежащей анализу: (a) спектр импеданса, (b) температура, (c) спектр поглощения в спектральном диапазоне, который расположен от NIR до UV, NIR-VIS-UV, и необязательно (d) кислотный или щелочной характер, в частности значение pH; и (ii) определение по меньшей мере одного из свойств почвы или по меньшей мере одного свойства почвы, полученного на основе указанного, на основе комбинации полученных данных измерений посредством объединения данных, чтобы получить соответствующий результат измерений для по меньшей мере одного свойства почвы, подлежащего определению. Таким образом, с помощью этого способа можно связать результаты измерений в отношении указанных свойств почвы в рамках объединения данных, причем необходимо еще раз отметить, что указанные свойства почвы выбирают таким образом, чтобы по меньшей мере для некоторых комбинаций между ними существовала корреляция, которую можно использовать в рамках объединения данных для получения более точных или дополнительных результатов, касающихся анализа почвы. В частности, объединение данных может быть реализовано на основе нечеткой логики и/или одной или более искусственных нейронных сетей.
В некоторых вариантах реализации изобретения данные измерений собираются сенсорным устройством согласно первому аспекту изобретения, в частности, согласно одному или более из описанных вариантов реализации изобретения. Затем выполнение способа следует за фактическим измерением in situ для сбора данных измерений, причем для этой цели сенсорное устройство может, в частности, как описано выше, передавать данные измерений, а также, если применимо, дополнительные метаданные, посредством своего устройства связи через соответствующий канал связи с центральным или пространственно распределенным устройством, реализующим способ.
В некоторых вариантах реализации изобретения способ выполняют по меньшей мере в одном центральном узле сети, в частности в облачной среде или в распределенной компьютерной сети, причем по меньшей мере один центральный узел для приема соответствующих данных измерений выполнен так, чтобы быть в коммуникационном соединении с совокупностью сенсорных устройств, в частности, в соответствии с первым аспектом настоящего изобретения, для получения соответствующих данных измерений. Это позволяет, в частности, эффективно и разнообразно использовать ресурсы для выполнения способа. Кроме того, изменения, в частности обновления программного обеспечения, используемого для выполнения способа, могут быть соответственно реализованы централизованно без необходимости распределения на каждое из соответствующих сенсорных устройств, так что вся система может быть без труда разработана дальше, а также может обновляться.
Третий аспект настоящего изобретения относится к компьютерной программе, которая, при выполнении на процессорной платформе, выполнена с возможностью осуществления способа согласно второму аспекту настоящего изобретения, в частности, согласно одному или более из описанных вариантов реализации изобретения. Процессорная платформа может содержать один или совокупность процессоров и может быть реализована локально, централизованно, например, на одном компьютере, или, наоборот, также в децентрализованной распределенной компьютерной сети. В частности, процессорная платформа и компьютерная программа также могут присутствовать в самом сенсорном устройстве, чтобы дать ему возможность выполнять способ.
Компьютерная программа может, в частности, храниться на энергонезависимом носителе данных. Предпочтительно, это носитель данных в виде оптического носителя информации или модуля флэш-памяти. Это может иметь преимущество, если компьютерная программа как таковая предназначена для продажи независимо от процессорной платформы, на которой должна выполняться одна или более программ. В другом варианте реализации компьютерная программа может быть предоставлена в виде файла в блоке обработки данных, в частности на сервере, и может быть загружена через соединение для передачи данных, например Интернет, или специальное соединение для передачи данных, такое как фирменная или локальная сеть. Кроме того, компьютерная программа может содержать совокупность взаимодействующих отдельных программных модулей.
Четвертый аспект настоящего изобретения относится к устройству для анализа почвы, причем устройство выполнено с возможностью реализации способа согласно второму аспекту настоящего изобретения, в частности, согласно одному или более из описанных вариантов реализации изобретения. Устройство может, в частности, содержать указанную процессорную платформу и, таким образом, может, в частности, содержать один блок обработки данных, такой как компьютер, или децентрализованную распределенную компьютерную сеть.
В частности, для некоторых вариантов реализации изобретения устройство само может содержать, для сбора данных измерений, сенсорное устройство согласно первому аспекту настоящего изобретения, в частности, согласно одному или более из описанных вариантов реализации изобретения. Это особенно имеет преимущество, если анализ данных измерений для получения дополнительных результатов, касающихся анализа почвы, должен выполняться in situ, т. е. на участке в самом сенсорном устройстве, что, в частности, также делает возможной работу в автономном режиме, а также определение таких результатов, которое не зависит от качества канала связи с внешней процессорной платформой.
Признаки и преимущества, объясненные в отношении второго аспекта настоящего изобретения, аналогично применимы к третьему и четвертому аспектам настоящего изобретения.
Дополнительные преимущества, признаки и возможные варианты применения настоящего изобретения будут понятны из следующего подробного описания в связи с фигурами.
В графических материалах представлено следующее:
фиг. 1
на  схематически показано сенсорное устройство в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения;
фиг. 2
на  схематически показано сенсорное устройство, выполненное по модульному принципу в соответствии с дополнительным вариантом реализации настоящего изобретения, в котором в дополнение к измерительному модулю обеспечен рабочий модуль/радиомодуль;
фиг. 3A
фиг. 3B
на  схематически показан узел интегрированного датчика импеданса/температуры для сенсорного устройства в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения, а на  показана его упрощенная эквивалентная принципиальная схема;
фиг. 4
на  схематически показан узел измерения потенциала, в частности узел pH датчика, для сенсорного устройства в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения;
фиг. 5
на  схематически показан узел абсорбционного спектрометра для сенсорного устройства в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения;
фиг. 6
на  показан схематический вид всей системы для анализа почвы в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения; и
фиг. 7
на  показана в качестве примера общая схема различных корреляций между отдельными измеряемыми величинами, которые могут быть обнаружены датчиками сенсорного устройства в соответствии с фиг. 1 или 2, и с помощью которых можно определить различные свойства почвы в пределах объема объединения данных в соответствии со способом согласно настоящему изобретению.
На фигурах одинаковые ссылочные позиции используются для одинаковых или взаимно соответствующих элементов настоящего изобретения.
фиг. 1
2
Сенсорное устройство 1, показанное на , в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения выполнено как модуль, который, в свою очередь, содержит несколько узлов, в частности узлов датчиков, в общем корпусе 2. Первый из этих узлов представляет собой комбинированный узел 3 датчика импеданса/температуры, который по меньшей мере частично выполнен в виде стержнеобразного или штыреобразного первого опорного элемента и который выполнен с возможностью вонзания в почву, подлежащую анализу. Еще один из узлов представляет собой узел 4 измерения потенциала, в частности, узел рН датчика, образованный с помощью второго опорного элемента, который, как и первый опорный элемент, имеет стержнеобразную или штыреобразную форму и  аналогичным образом выполнен для вонзания в почву, подлежащую анализу. Между этими двумя узлами 3 и 4, а также в непосредственной близости от них, узел 5 абсорбционного спектрометра расположен как дополнительный из узлов, причем узел 5 абсорбционного спектрометра содержит измерительное окно, которое расположено таким образом, что при вонзании в почву, подлежащую анализу,  первого и второго опорных элементов оно оказывается на почве или над почвой. Соответственно, три узла датчиков сосредоточены на небольшой площади, предпочтительно на общей площади менее 100 см, так что влияние неоднородностей почвы, подлежащей анализу, на результаты измерений может быть минимальным и, в частности, может быть сведено к минимуму. Сенсорное устройство 1 выполнено в виде мобильного блока, в частности портативного блока, предпочтительно весом менее 25 кг и максимальной протяженностью менее 1 м, предпочтительно максимум 0,5 м. Кроме того, сенсорное устройство 1 содержит устройство подачи энергии (не показано), которое может быть выполнено, в частности, в виде перезаряжаемого устройства накопления электрохимической энергии, такого как, например, литий-ионный аккумулятор.
Отдельные узлы, в частности каждый из узлов 2, 3 и 4 датчиков сенсорного устройства 1, также может быть выполнен как отдельно съемные или сменные модули, что, в частности, позволяет создавать различные конфигурации датчиков простым и динамичным способом, а также по отдельности для техобслуживания или замены отдельных узлов датчиков в зависимости от их состояния старения или пригодности к эксплуатации.
2
Соответственно, для каждого измерения сенсорное устройство 1 позволяет использовать до четырех различных типов датчиков и их различных принципов измерения для получения соответствующих данных измерений, на основании которых с помощью корреляции или объединения данных определение свойств почвы, выходящих за рамки непосредственного измерения свойств почвы, может быть выполнено in situ с точностью, которая в любом случае достаточно высока для многих вариантов применения. В частности, например, импеданс почвы, подлежащей измерению, температура почвы, ее спектр поглощения во всем спектральном диапазоне UV-VIS-IR, а также ее значение pH могут быть измерены одновременно и в минимально возможном пространстве. Именно такое близкое расположение рядом датчиков измеряемых величин различных узлов 2, 3 и 4 датчиков позволяет осуществлять успешную корреляцию данных измерений для определения свойств почвы с точностью, необходимой для типичных вариантов применения, в частности, агротехнических вариантов применения. Кроме того, плотное расположение преобразователей измеряемой величины также позволяет создавать карты почвы сверхвысокого разрешения, т. е. карты почв с сеткой размером ячеек сетки менее 100 см. Одновременное обнаружение различных величин, подлежащих измерению, также позволяет отображать динамические и истинные зависимости между отдельными значениями измерения. В частности, искажения измерений, таким образом, также могут быть обнаружены и удалены прямо in situ с помощью соответствующего программного обеспечения для оценки, например, на основе искусственного интеллекта, чтобы еще больше повысить качество исходных результатов измерений.
фиг. 2
На  показано сенсорное устройство 1, выполненное по модульному принципу, согласно дополнительному варианту реализации настоящего изобретения, которое в дополнение к модулю 6а датчика также содержит операционный модуль/радиомодуль 6b, который может быть соединен с модулем 6а датчика посредством разъемного соединения. Оба модуля 6a и 6b показаны на фиг. 2, с одной стороны, как отдельные модули (внизу слева), а с другой стороны, в соединенном состоянии (вверху справа). Корпусы обоих модулей 6a и 6b предпочтительно выполнены таким образом, чтобы при соединении обоих модулей друг с другом в области соединения образовывалась ручка 10 для переноски или манипулирования, причем такая ручка 10, за которую можно легко взяться, в частности, протянутой рукой человека, что, в частности, также подходит для извлечения из почвы сенсорного устройства 1, которое ранее вонзили в почву для анализа. Как показано на фиг. 2, ручка может быть выполнена, в частности, в виде уменьшения поперечного сечения сенсорного устройства 1 в области соединения между обоими модулями 6a и 6b. Операционный модуль/радиомодуль 6b оснащен устройством 7 определения положения, с помощью которого можно определять положение сенсорного устройства 1, в частности, в процессе измерения, и генерировать соответствующие данные о положении в виде метаданных, связанных с измерением, например, во взаимодействии со спутниковой системой распознавания местоположения, такой как, например, GPS, GALILEO или GLONASS, или с помощью определения местоположения посредством мобильной радиосвязи.
Кроме того, операционный модуль/радиомодуль 6b оснащен устройством 8 связи, которое, в частности, может быть настроено для обмена данными с внешней ответной частью посредством технологии мобильной радиосвязи (например, 3G, LTE, 5G) или другой радиотехнологии, такой как LoRa и/или NB-IoT, в частности, для отправки данных измерений, полученных с помощью сенсорного устройства 1, во внешний центр обработки данных для дальнейшей оценки, и, в свою очередь, в зависимости от обстоятельств, приема результатов анализа почвы, полученных в результате такой оценки, чтобы вывести их на самом сенсорном устройстве 1 на человеко-машинном интерфейсе 9. Такой человеко-машинный интерфейс 9 может быть обеспечен, в частности, в виде устройства отображения на сенсорном устройстве 1, предпочтительно, в отношении решения, которое экономит как можно больше места, в виде дисплея управления, причем этот дисплей управления позволяет пользователю вводить данные, а также выводить информацию, как, например, в случае сенсорного экрана.
фиг. 3A
фиг. 3B
На  показан интегрированный узел 3 датчика импеданса/температуры для сенсорного устройства в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, причем этот интегрированный узел 3 датчика импеданса/температуры ранее вонзили в почву 11, подлежащую анализу, и, в частности, может быть обеспечен в сенсорном устройстве 1, показанном на фиг. 1 или фиг. 2. В дополнение к этому на  показана упрощенная эквивалентная принципиальная схема для ответвления измерения импеданса узла 3 датчика импеданса/температуры.
Узел 3 датчика, показанный на фиг. 3A, содержит первый опорный элемент 12 в форме штыря, который, в частности, может быть выполнен из металла, предпочтительно из устойчивого к коррозии металла. Штырь может, в частности, иметь по существу цилиндрическую форму и может сходить на конус на своей торцевой поверхности, которая предназначена для вонзания в почву, чтобы облегчить вонзающее действие. Пассивирующий слой 13 наносят на первый опорный элемент 12 на участке поверхности, который обычно входит в контакт с окружающей почвой в вонзенном состоянии, причем этот пассивирующий слой 13 может, в частности, содержать один или более полимерных материалов и действует как электрический изолятор. На пассивирующем слое 13 вокруг первого опорного элемента 12 намотаны две токопроводящие дорожки 14, которые параллельны друг другу и не касаются друг друга. Обе токопроводящие дорожки 14, таким образом, электрически изолированы от опорного элемента 12 посредством пассивирующего слоя 13. На своем конце, противоположном наконечнику, который может быть вонзен в почву, узел 3 датчика импеданса/температуры содержит печатную плату (PCB; printed circuit board) 15, которая расположена во внутренней части опорного элемента 12 и которая защищена с помощью металлического колпачка 16 (металлического корпуса), расположенного над ним, на котором печатная плата (PCB) 15, устройство 15а управления, предварительный усилитель 15b сигнала и датчик 15c температуры обеспечены в виде интегральной схемы или компонента полупроводникового датчика. Металлический колпачок 16 служит не только для механической защиты, но и как электромагнитный защитный экран для датчика 15c температуры, устройства 15a управления и предварительного усилителя 15b сигнала, которые расположены во внутренней части. Помимо управления узлом 3 датчика, устройство 15а управления также предназначено для измерения импеданса и предоставления соответствующих данных измерения, и оно электрически соединено с каждой из двух токопроводящих дорожек 14 через предварительный усилитель 15b сигнала. Датчик 15c температуры также может быть соединен с токопроводящими дорожками 14, причем в этом случае они предназначены, в качестве дополнения или альтернативы первому опорному элементу 12, в качестве преобразователя измеряемой величины для датчика 15с температуры, хотя в любом случае они служат в качестве измерительных электродов для измерения импеданса.
el
CT1
CT2
DL1
DL2
Соответственно, узел 3 датчика импеданса/температуры может быть представлен, что касается его ответвления измерения импеданса, с помощью упрощенной эквивалентной принципиальной схемы, показанной на фиг. 3B. Во время процесса измерения импеданса определенное измерительное напряжение переменного тока прикладывается устройством 15a управления между первой токопроводящей дорожкой 14a и соответствующей второй токопроводящей дорожкой 14b из двух токопроводящих дорожек 14. Поскольку в процессе измерения первый опорный элемент 12 с токопроводящими дорожками 14, расположенными на нем, вонзают в почву 11, подлежащую анализу, обе токопроводящие дорожки 14а, 14b находятся в электрическом контакте с окружающей их почвой 11, так что последняя соединяет обе токопроводящие дорожки 14а, 14b в контексте электрического резистора R. На эквивалентной принципиальное схеме обе токопроводящие дорожки 14a, 14b соответственно сами имеют электрическое сопротивление R и R, а также (паразитную) емкость C и C, соединенную параллельно. Посредством соотношения, приведенного на фиг. 3B, спектр Z(ω) импеданса может быть соответственно определен как функция частоты ω приложенного измерительного напряжения переменного тока. Частотный диапазон, используемый для получения спектра Z(ω) импеданса, может быть выбран в зависимости от применения и обычно включает в себя частотный диапазон от 100 Гц до 1 МГц. Первый опорный элемент 12 идеально соединен с потенциалом земли в процессе измерения импеданса и для этого электрически соединен, например, с нейтральным выводом источника питания сенсорного устройства 1, что противодействует искажению сигнала Z(ω), вызванному внешней электромагнитной связью.
На основании полученного спектра Z(ω) импеданса различие в отношении типа почвы, механического состава почвы, электропроводности, содержания воды, концентрации ионов и типа ионов может быть достигнуто путем дальнейшей оценки, в частности с помощью моделей диэлектрической смеси (например, модель Брюггемана, модель Максвелла Гарнетта). Таким образом также возможны количественные оценки. Одновременно с измерением импеданса можно дополнительно проводить измерение температуры с помощью датчика температуры, при этом, как уже упоминалось, две токопроводящие дорожки 14 и/или первый опорный элемент 12 могут служить в качестве преобразователя измеряемой величины. Узел 3 датчика импеданса/температуры в некоторых вариантах реализации изобретения может представлять, в частности, совокупность датчиков сенсорного устройства 1 или даже само сенсорное устройство 1.
фиг. 4
На  показан узел 4 измерения потенциала, в частности узел pH датчика, в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, который был вонзен в почву 11, подлежащую анализу, и который может быть обеспечен, в частности, в сенсорном устройстве 1 в соответствии с фиг. 1 или фиг. 2. Узел 4 измерения потенциала содержит второй опорный элемент 17 в виде штыря, форма которого может, в частности, по существу соответствовать форме первого опорного элемента 12 узла 3 датчика импеданса/температуры. Пассивирующий слой 18, в частности полимерное пассивирование (например, из HDPE), обеспечен на части поверхности второго опорного элемента 17, причем часть поверхности предназначена для вхождения в контакт с почвой 11, подлежащей анализу, в вонзенном состоянии.
На этом пассивирующем слое 18 металлоксидный электрод 21, с одной стороны, а также калибровочный электрод 22 расположены в виде кольцевых токопроводящих дорожек, с помощью которых, если известно электрическое сопротивление почвы 11, которое может быть определено, в частности, с помощью узла 3 датчика импеданса/температуры, состояние, в частности толщина слоя, металлоксидного электрода 21 может быть определено посредством измерения сопротивления или измерения электропроводности между двумя электродами 21 и 22, которые электрически связаны через почву 11. Затем толщину слоя могут использовать в качестве калибровочной величины для фактического измерения кислотного или щелочного характера, в частности значения pH, почвы 11. В частности, измерение могут выполнять перед каждым измерением pH или циклически через заданные интервалы времени. Таким образом, узел измерения потенциала может независимо выполнять (in situ) автокалибровку.
И металлоксидный электрод 21, и калибровочный электрод 22 электрически изолированы, с помощью пассивирующего слоя 18, от второго опорного элемента 17, который может быть выполнен, в частности, из металла, и они отделены друг от друга. Калибровочный электрод 22 может, в частности, содержать проводящий полимерный материал и/или проводящий композитный материал или может быть полностью выполнен из них. И металлоксидный электрод 21, и калибровочный электрод 22 содержат соответственно электрические контакты 21а и 22а, которые, в частности, могут быть изготовлены из того же материала, что и соответствующие электроды 21 и 22.
Для измерения кислотного или щелочного характера почвы посредством измерения потенциала узел 4 измерения потенциала дополнительно содержит электролитный/металлический контрольный электрод (например, электрод из AgCl/Ag), который содержит, в качестве компонентов, расположенных в металлическом корпусе 23 (металлический колпачок), выполненном как часть, или в качестве дополнения, второй опорный элемент 17, емкость 19b электролита для приема жидкости или пастообразный электролит 19а в качестве электролитного контрольного электрода, а также металлический контрольный электрод 19c, который находится в электропроводящем контакте с емкостью 19b электролита и расположенным в нем электролитом 19a. В частности, надежной механической защиты контрольного электрода 19 достигают за счет металлического корпуса 23.
Комбинация металлоксидного электрода 21, электролитного/металлического контрольного электрода 19, а также ионной диафрагмы 20, которая расположена между ними на поверхности второго опорного элемента 17 и которая находится в ионопроводящем контакте с электролитным/металлическим контрольным электродом 19 и которая также может быть приведена в ионопроводящий контакт с металлоксидным электродом через окружающую почву 11 в процессе измерения, представляет собой измерительное устройство для измерения кислотного или щелочного характера почвы 11 на основании химической окислительно-восстановительной реакции, уже упомянутой выше:
2
x
y
+
-
xMe + yHO ↔ MeO + y2H + y2e
+
+
равновесие реакции которой в значительной степени также определяется концентрацией ионов водорода (H), присутствующих в почве 11, так что концентрация ионов H в почве и, следовательно, ее значение pH могут быть определены с помощью ионных токов, возникающих во время измерения, или разности потенциалов, возникающей между металлоксидным электродом 21 и электролитным/металлическим контрольным электродом 19, с учетом калибровки, которая основана на описанном измерении состояния металлоксидного электрода 21.
фиг. 5
На  схематически показан узел 5 абсорбционного спектрометра для сенсорного устройства согласно настоящему изобретению, которым, в частности, может представлять собой сенсорное устройство 1 в соответствии с фиг. 1 или фиг. 2. В соответствии с этим далее снова приведена ссылка на сенсорное устройство 1. Узел 5 абсорбционного спектрометра содержит по существу дискообразный держатель 24, который может вращаться вокруг оси A и который вставлен в корпус 2 сенсорного устройства 1 между двумя узлами 3 и 4 датчиков, при этом одна дисковая поверхность держателя 24 обращена к отверстию корпуса 2, причем это отверстие служит измерительным отверстием или измерительным окном узла 5 абсорбционного спектрометра. Виртуальная область этого отверстия, расположенная на его внешней геометрической границе, также может называться измерительной поверхностью M, которая в ходе операции измерения обычно располагается по меньшей мере по существу параллельно поверхности почвы 11, подлежащей анализу, или которая совпадает с ней и которая на фиг. 5 показана пунктирной линией. Держатель 24 расположен по отношению к этой измерительной поверхности М таким образом, что он оказывается над поверхностью почвы во время операции измерения, причем минимальное расстояние определяется формой корпуса 2. На стороне держателя 24, обращенной к измерительной поверхности, два (или более) отдельных MEMS абсорбционных спектрометра 26a, 26b расположены на держателе 24, причем каждый из них по меньшей мере частично покрывает разные спектральные диапазоны и причем они в совокупности покрывают спектральный диапазон UV-VIS-NIR, который, в частности, включает в себя спектральный диапазон от 350 нм до 1700 нм. Использование технологии MEMS для изготовления абсорбционных спектрометров делает возможным производство особенно небольших и, следовательно, компактных вариантов реализации.
Кроме того, на той же стороне держателя 24 обеспечен источник 25 электромагнитного излучения, например галогенная лампа, излучение которой покрывает этот спектральный диапазон UV-VIS-NIR. Источник 25 и абсорбционные спектрометры 26a, 26b расположены относительно друг друга или оптически отделены друг от друга экраном, образованным на держателе 24, таким образом, что излучение источника 25 может достигать абсорбционных спектрометров 26а, 26b только косвенным образом в виде отраженного излучения.
Кроме того, узел 5 абсорбционного спектрометра содержит защитную оптическую систему 27, которая может быть выполнена, в частности, в виде диска, состоящего из устойчивого к царапинам материала, который по меньшей мере в значительной степени прозрачен в указанном спектральном диапазоне, например сапфирового стеклянного диска с гидрофильным нанопокрытием, улучшающим защиту от царапин. Нанопокрытие облегчает поддержание чистоты оптической системы, а также это означает, что ее легче чистить, и это повышает механическую прочность оптической системы. Защитная оптическая система 27 расположена между держателем 24 с расположенными на нем оптическими компонентами 25, 26a, 26b и измерительной поверхностью (на некотором расстоянии, например около 3 см, от него), которая может защитить оптические компоненты от вредных внешних воздействий, в частности от почвы 11, подлежащей анализу, например от пыли и влаги, а также от механических повреждений.
Кроме того, узел 5 абсорбционного спектрометра содержит закрывающее или заслоночное устройство 28, по существу представляющее собой дискообразный экран, который может выдвигаться (и снова втягиваться), предпочтительно параллельно защитной оптической системе 27, в пространство, определенное между держателем 24 с оптическими компонентами 25, 26a, 26b и защитной оптической системой 27. На своей стороне, обращенной к оптическим компонентам 25, 26a, 26b, этот экран покрыт калибровочным покрытием 29, например Spectralon. Spectralon представляет собой материал, изготовленный из спеченного PTFE, который имеет чрезвычайно высокую и однородную отражательную способность в ультрафиолетовом (UV) и видимом (VIS) диапазонах, а также в ближнем инфракрасном (NIR) диапазоне электромагнитного спектра. Он имеет характер ламбертовского отражения, т. е. отражается очень диффузно или матово. Калибровочное покрытие 29 служит эталоном калибровки, с помощью которого абсорбционные спектрометры 26a, 26b можно калибровать in situ, когда для этой цели экран выдвинут в пространство между абсорбционными спектрометрами 26a, 26b и защитной оптической системой 27. Однако в процессе измерения для анализа почвы экран втянут, чтобы не нарушать траекторию луча между оптическими компонентами 25, 26a, 26b и почвой 11.
Кроме того, узел 5 абсорбционного спектрометра выполнен таким образом, что во время операции измерения, когда поверхность почвы 11, подлежащей анализу, по меньшей мере по существу совпадает с измерительной поверхностью, держатель 24 вращается вокруг оси вращения A, которая затем по существу перпендикулярна измерительной поверхности, в то время как источник 25 и два абсорбционных спектрометра 26a, 26b активируют, чтобы зарегистрировать спектр поглощения на абсорбционных спектрометрах 26a, 26b в упомянутом спектральном диапазоне на основании излучения источника 25, отраженного на поверхности почвы.
фиг. 6
На  показан схематический вид (в целом) всей системы 30 для анализа почвы в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения. Система 30 содержит одно или обычно несколько сенсорных устройств, в частности сенсорных устройств 1 в соответствии с фиг. 1 или 2 (из которых в данном документе показано только одно), которые предназначены для получения на участке, т.е. in situ, данных измерений, характеризующих свойства почвы, подлежащей анализу. Затем эти данные измерений могут быть переданы из соответствующего сенсорного устройства 1 с помощью устройства 8 связи через канал связи, который может быть выполнен, в частности, как передача блочно-цепочным методом, на внешнюю ответную часть 33 устройства, которая может быть реализована, в частности, в виде одного или более сетевых узлов (например, серверов) в компьютерной сети или в облачной среде.
В приведенном примере передача происходит в несколько этапов, при этом данные измерений, а также, если применимо, любые связанные с ними метаданные для измерения сначала передают через канал беспроводной связи, который может быть реализован, в частности, с помощью радиотехнологий LoRa или NB-IoT, в шлюз 32, который может быть расположен, например, на ферме фермера, использующего систему 30. Из этого шлюза 32 данные измерений и метаданные могут быть далее переданы на ответную часть 33 для оценки, например, классическим способом через беспроводное или проводное Интернет-соединение. Предполагают, что предпочтительно опять использовать передачу блочно-цепочным методом, так что вся связь между сенсорным устройством 1 и ответной частью 33 осуществляется посредством блочно-цепочной технологии. Этот канал связи является двунаправленным, так что его также можно использовать в противоположном направлении, в частности, для передачи соответствующему сенсорному устройству 1 данных анализа, полученных ответной частью 33 на основании переданных ему данных измерений и метаданных. В зависимости от конкретного варианта реализации изобретения, метаданные, полученные соответствующим сенсорным устройством 1, могут содержать, в частности, информацию, касающуюся момента времени и местоположения выполненного измерения почвы, а также уникальную идентификацию устройства и/или идентификацию пользователя.
В качестве дополнительного или альтернативного варианта, дополнительный канал 35 связи может быть обеспечен между ответной частью 33 и одним или более пользовательскими оконечными устройствами 34, причем дополнительный канал 35 связи может быть выполнен, в частности, в виде удаленного доступа, например, через веб-портал, и снова может быть успешно реализован с помощью блочно-цепочной технологии. Все каналы связи в системе предпочтительно зашифрованы с целью поддержания безопасности данных и защиты от манипуляций, например, с помощью известных способов асимметричного или симметричного шифрования. Канал 35 связи предлагает дополнительный способ доступа к полученным данным анализа. Например, фермер или садовод может получить доступ к данным анализа таким образом даже через относительно продолжительный период времени после проведения измерений, например, со своей фермы или даже находясь в пути, через соответствующее оконечное устройство 34, без необходимости иметь при себе сенсорное устройство 1.
фиг. 7
На  в качестве примера показана общая схема различных корреляций между отдельными измеряемыми величинами, которые могут быть обнаружены датчиками сенсорного устройства в соответствии с фиг. 1 или 2, и с помощью которых можно определять различные свойства почвы в пределах объема объединения данных (или в данном документе синонимично: объединения датчиков) в соответствии со способом согласно настоящему изобретению. Корреляции отмечены соответствующими помеченными стрелками, причем метки указывают те физические или химические величины, которые могут использоваться в рамках объединения данных, в частности, для создания корреляций между различными измеряемыми величинами, непосредственно производимыми узлами 3 и 5 датчиков, которые позволяют определить дополнительные производные свойства почвы и/или которые позволяют повысить точность получаемых результатов. В частности, таким образом можно определить ряд важных параметров для сельского хозяйства и садоводства, которые включают в себя, в частности, данные об общем содержании азота, общем содержании гумуса, отношении азота к органическому веществу, количестве имеющегося в наличии фосфата, количестве имеющегося в наличии калия, количестве имеющегося в наличии магния, электропроводности, влажности почвы и значение pH почвы.
Хотя выше был описан по меньшей мере один приведенный в качестве примера вариант реализации изобретения, следует отметить, что существует большое количество его вариаций. Также следует отметить, что приведенные в качестве примера варианты реализации изобретения, которые были описаны, представляют только неограничивающие примеры и не предназначены для ограничения тем самым объема, применимости или конфигурации устройств и способов, описанных в настоящем документе. Скорее, предшествующее описание предоставит специалисту в данной области техники инструкции по реализации по меньшей мере одного приведенного в качестве примера варианта реализации изобретения, причем понятно, что могут быть внесены различные изменения в отношении функциональных возможностей и компоновки элементов, описанных в приведенном в качестве примера варианте реализации изобретения, без отклонения от объекта изобретения, соответственно определенного в прилагаемой формуле изобретения, а также его правовых эквивалентов.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
1
Сенсорное устройство
2
Корпус
3
Узел датчика импеданса/температуры
4
Узел измерения потенциала, в частности узел pH датчика
5
Узел абсорбционного спектрометра
6a
Модуль датчика
6b
Операционный модуль/радиомодуль
7
Устройство определения положения
8
Устройство связи
9
Человеко-машинный интерфейс, в частности рабочий дисплей
10
Ручка для переноски или манипулирования
11
Почва
12
(Первый) опорный элемент в форме штыря
13
Пассивирующий слой, в частности полимерный пассивирующий слой, первого опорного элемента
14
Токопроводящие дорожки
14а
Первая токопроводящая дорожка
14b
Вторая токопроводящая дорожка
15
Интегрированная печатная плата (PCB) с устройством управления и датчиком температуры
15a
Устройство управления
15b
Предварительный усилитель сигнала
15c
Датчик температуры
16
Металлический корпус, в частности металлический колпачок, первого опорного элемента
17
(Второй) опорный элемент в форме штыря
18
Пассивирующий слой, в частности полимерный пассивирующий слой, второго опорного элемента
19
Электролитный/металлический контрольный электрод
19a
Электролитный контрольный электрод (электролит)
19b
Емкость электролита
19c
Металлический контрольный электрод
20
Ионная диафрагма
21
Металлоксидный электрод
21a
Контакт металлоксидного электрода
22
Калибровочный электрод
22a
Контакт калибровочного электрода
23
Металлический корпус, в частности металлический колпачок, второго опорного элемента
24
Поворотный держатель с осью вращения A
25
Источник электромагнитного излучения
26а, b
MEMS абсорбционный спектрометр с измерительной поверхностью M
27
(Защитная) оптическая система, в частности сапфировое стекло с гидрофильным нанопокрытием
28
Заслоночное устройство
29
Эталон калибровки, в частности калибровочное покрытие
30
Система для анализа почвы in situ
31
Канал связи, в частности передача блочно-цепочным методом
32
Шлюз
33
Ответная часть, в частности блочно-цепочная/облачная среда или локальное устройство для оценки
34
Пользовательское оконечное устройство
35
Удаленный доступ