СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR DETERMINATION OF SOIL MOISTURE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к технике измерения влажности почв на глубину до 1 м.
В настоящее время на сети агрометеостанций влажность почв определяется термостатно-весовым способом. С помощью бура отбираются пробы до глубины 1 м через каждые 10 см. Затем пробы высушиваются и по разности веса влажных и высушенных проб определяют влажность почвы [1]. Данный способ определения влажности почвы является одним из самых трудоемких и энергоемких.
Известен способ определения влажности почв по ее диэлектрической проницаемости ξ [2]. В данном способе используется коаксиальный пробник, с помощью которого измеряется угол диэлектрических потерь tgβ, причем область изменения ξ<20.
Источником ошибок в данном способе является возникновение воздушных подушек между поверхностями пластин пробника и почвой. Замена пластин пробника штырями не устраняет ошибок определения влажности почвы. Кроме того, измерение влажности почвы данным способом можно производить только на поверхности почвы, что во многих случаях не достаточно для решения агрометеорологических задач.
Цель изобретения
Повышение точности определения влажности почвы способом измерения ее диэлектрической проницаемости до глубины 1 м и снижение энергоемкости и трудоемкости измерения.
В настоящее время измерение емкости С и тангенса угла потерь tgβ определяется по величине эквивалентного последовательного сопротивления (ЭПС), с помощью ЭПС-метров.
На рис. 1 приведена графическая схема этих значений и их взаимосвязь.
Значение ЭПС характеризует состояние жидкого диэлектрика в электролитических конденсаторах. Потери в жидком диэлектрике R (рис. 1) обусловлены его поляризацией, которая характеризует ограниченное смещение связанных зарядов в переменном электрическом поле.
Определение состояния конденсатора по величине ЭПС широко используется при ремонте и настройке электронных приборов и устройств. Поэтому разработаны ЭПС-метры для работы с различными требованиями к их точности от простого определения "годен, не годен" до тысячных долей процента отклонения конденсатора от нормы.
Молекулы воды являются диполями, которые под воздействием переменного электрического поля совершают механическое колебание в переменном электрическом поле. Сопротивление среды колеблющимся диполям вызывает трение, которое преобразуется в тепло. Поэтому чем больше молекул воды, тем больше энергии поля преобразуется в тепло и тем больше тангенс угла потерь tgβ.
Определение ЭПС с высокой точностью и схожесть электролита в конденсаторе с влажностью почвы послужили основанием для определения влажности почвы по величине ЭПС.
Особым требованием к определению влажности почв по ее диэлектрическим свойствам заключается в том, чтобы измерения проводились на почве с ненарушенной структурой. Отсюда отбор проб почв с помощью бура или путем выкапывания для определения влажности почвы по ее диэлектрическим свойствам не приемлем.
Для выполнения указанного требования пробуриваются две параллельные скважины, не нарушая структуру почвы между ними. В этом случае, бур должен быть выполнен так, что его боковая поверхность, которая касается почвы, должна быть выполнена в виде шнека, ребра которого должны быть заточены под 30° к вертикальной поверхности
В каждую скважину вставляется цилиндр (рис. 2). Каждый цилиндр представляет собой две деревянные половины распиленного по диаметру цилиндра. На одной половине закреплены металлические пластины размером 90×38 мм. на каждые 100 мм общей длины деревянной половины. Эти пластины служат одной из обкладок конденсаторов. К каждой пластине припаивают электрический проводник.
Рис 2. Поперечный разрез двух частей (цилиндров) устройства: 1 - обкладки конденсатора (металлические пластины), 2 - держатели (изоляторы из дерева), 3 - резиновая камера снабженная ниппелем, 4 - резиновая камера с обкладками конденсаторов, 5 - почва с ненарушенной структурой.
Конструкцию с металлическими пластинами помещают в резиновую камеру. Оба конца резиновой камеры заклеиваются. Через заклеенную камеру с одной стороны пропускают электрические провода от обкладок конденсаторов и подсоединяются к переключателю каналов.
Вторую половину деревянного цилиндра также размещают в резиновую камеру. Оба конца резиновой камеры также заклеиваются. На одном конце этой камеры размещают воздушный клапан (ниппель). Далее две половины соединяют так, чтобы обкладки были обращены наружу цилиндра. Точно также изготавливается второй цилиндр. Оба цилиндра опускают в подготовленные скважины. В скважине оба цилиндра повернуты относительно друг друга так, что каждая пара металлических пластин образует конденсатор. Пространство между пластинами при спуске заполняется почвой с ненарушенной структурой.
Для того чтобы пластины конденсаторов плотно прилегали к почве в каждую половину обоих штанг нагнетается воздух. Изменяя давление в камере, воздух увеличивает давление на обкладки конденсаторов, прижимая их к почве с заданной постоянной силой, которая контролируется манометром.
В процессе бурения отбираются пробы почв для определения влажности термостатно-весовым способом, на каждом уровне. Вставив цилиндры в скважину, производится измерение ЭПС и емкости С.
В итоге получаем зависимость измеряемого значения угла диэлектрических потерь tgB=W% и значения процентной влажности C=W% для каждого десятисантиметрового слоя.
Выводы от 10 конденсаторов подключаются к переключателю на 10 положений, с помощью которого производится подключение их к ЭПС-метру (рис. 3).
Рис. 3. Вид устройства для определения влажности почвы на 10 слоях, при общей глубине почвы до 1 метра.
Способ определения влажности почв включающий термостатно-весовой способ определения влажности и способ определения влажности почв по диэлектрическим свойствам почвы отличается тем, что почва принимается за электролит электролитических конденсаторов, и измеряют эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС) этого электролита, и с целью определения влажности, пробуривается две параллельные скважины, в которые заглубляются два цилиндра на стенках которых закрепляются обкладки конденсаторов, которые изолированы друг от друга и от контролируемой почвы, при этом при спуске их в скважины пространство образованное обкладками конденсатора заполняется почвой с ненарушенной структурой, при этом почву при подготовке скважин отбирают с каждого слоя для определения влажности почвы термостатно-весовым способом.
Устройство для определения влажности почвы, содержащее заглубленное в две параллельные скважины цилиндра, на стенках которых закреплены обкладки конденсаторов, отличается тем, что обкладки снабжены механизмом, которое поджимает их к почве с заданной и постоянной силой, при этом устройство снабжено ЭПС-метром.
Принципиальная схема ЭПС-метра.
Определение емкости конденсатора и ЭПС.
Рис. 4. Графическая схема определения емкости конденсатора и ЭИС.
R
При заряде конденсатора С (рис. 4) от источника постоянного тока, напряжение на нем будет линейно нарастать от значения U по закону:
R
где U - падение напряжения на активном сопротивлении.
В таком случае емкость конденсатора С будет определяться выражением:
1
2
2
1
Подсчитав время заряда для двух фиксированных значений напряжения U и U при котором U=2*U, можно рассчитать значение емкости конденсатора С:
Составив уравнение прямой по точкам 1-2, найдем величину падения напряжения на активном сопротивлении R и значение ЭПС по формуле:
Процесс определения С и ЭПС не требует АЦП. Пороговое значение напряжений для управления таймером устанавливается компаратором с последующей цифровой обработкой и выводом информации на дисплей
Способ и устройство работают следующим образом. Устройство устанавливается на весь период наблюдения за влажностью почвы. В настоящее время пробы отбираются через каждые пять дней, причем отбор проб производят на десяти слоях четырех скважин. Место для установки определяется по наставлению [1].
Бурятся две скважины, в которые заглубляются цилиндры с обкладками конденсаторов. В процессе бурения с каждого уровня отбираются пробы почв для определения влажности термостатно-весовым способом. При заглублении до 1 м получают две градуировочных кривых профиля влажности почв C=W% и tgB=W%.
Затем высушенные образцы почв до постоянного веса размельчают в ступе до размеров частиц диаметр которых не больше 1 мм. Затем отбирают навеску весом 30 г и добавляют 2 г воды. Тщательно перемешивают в неглубокой тарелке и пересыпаю т в алюминиевый стаканчик, который является штатным инструментом при определении влажности почвы термостатно-весовым способом.
Почва в стаканчике распределяется ровным слоем и уплотняется грузом с заданным весом или путем сжатия пружиной до заданной величины.
Алюминиевый стаканчик, в данном случае, является одной из обкладок конденсатора. Второй обкладкой служит круглый плоский алюминиевый электрод диаметром 2/3R, где R радиус алюминиевого стаканчика, который вставляется внутрь стаканчика и прижимается к почве с заданной постоянной силой.
Процесс повторяют, прибавляя по 2 г воды в навеску, и получают зависимость C=W% и tgB=W%.
На рис. 5 представлена зависимость C=W%, где 1 - зависимость емкости от содержания воды, для первого слоя дерново-подзолистой почвы, 2 - четвертый слой почвы одной и той же скважины.
Рис. 5. Зависимость влажности почвы от измеренной емкости образцов почвы
Кривые C=W% и tgB=W%. и C=f(W%) и tgB=f(W%) используются для определения влажности почвы по ее диэлектрическим характеристикам.
Используемые источники
1 Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Выпуск 11, часть 1. Ленинград. Гидрометеоиздат. 1985 г. Под редакцией И.Т. Грингофа
2 U.S. Patent. Dec. 26, 1995. US 5,497,104.