БЕСКОНТАКТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ

Заявляемая полезная модель относится к технике измерения свойств материалов и сред, в частности влажности почвы, путем определения их электрических параметров, функционально связанных с измеряемыми и может быть использована в агрометеорологии, сельском хозяйстве, строительстве.
Известен электрический датчик для измерения распределения влажности почвы по глубине [1], содержащий ряд вертикально расположенных конденсаторов, заглубленных в почву и схему измерения. Выбором геометрических размеров и формы конденсаторов, заглубленных в почву, обеспечивается локализация электрического поля в горизонтальной плоскости. Емкость конденсатора, включенного в измерительный контур, определяется диэлектрической проницаемостью почвы, а, следовательно, и ее влажностью. Подстройкой конденсатора в контуре гетеродина добиваются равенства резонансных частот обоих контуров, и по изменению емкости этого конденсатора определяют влажность почвы. Недостатком данного устройства является низкая точность измерения. Она обусловлена низкой добротностью измерительного контура из-за большого тангенса потерь вносимой емкости, а также нарушением естественной структуры почвы при заглублении датчика.
Известен диэлькометрический измеритель [2], в котором обеспечивается независимость результатов измерения вносимой емкости от активных потерь в почве. Эта цель достигается путем регулировки двух фазосдвигающих цепей. Недостатком измерителя является сложность схемы обработки сигнала. Измеритель не обеспечивает вертикального профиля влажности почвы.
Прототипом заявляемого устройства является измеритель влажности [3], содержащий СВЧ-генератор, цепь связи в виде направленного ответвителя, СВЧ-генератор, связанный с исследуемым материалом посредством электромагнитного поля, СВЧ-детектор и регистратор. Добротность резонатора определяется потерями, вносимыми со стороны исследуемого материала, зависящими от его влажности. Уровень сигнала на выходе СВЧ-детектора пропорционален добротности резонатора. С помощью модулятора частоты СВЧ-генератора и обработки выходного сигнала СВЧ-детектора обеспечивается независимость результата измерений от ряда неконтролируемых параметров: нестабильности мощности СВЧ-генератора и крутизны детекторной характеристики, непостоянства размещения СВЧ-резонатора над исследуемым материалом.
В прототипе зависимость между регистрируемой величиной-добротностью резонатора Q и влажностью материала, в частности, W имеет сложный многофакторный характер. Добротность резонатора непосредственно зависит от количества влаги, находящегося в исследуемом слое материала заданной толщины. В свою очередь, эффективная глубина проникновения СВЧ-поля в исследуемый материал зависит от его проводимости, а, следовательно, и влажности. Кроме того, измеряемое регистратором напряжение на СВЧ-резонаторе определяется, наряду с его добротностью, смещением резонансной частоты. Это смещение обусловлено вносимой реактивностью, которая также зависит от влажности материала. Наличие сложной зависимости Q(W) приводит к искажению принятой градуировки измерителя влажности при ее использовании в широком диапазоне значений влажности. Таким образом, недостатком прототипа является низкая точность измерения влажности материала, в частности почвы. Кроме того, измеритель влажности не обеспечивает определение вертикального профиля влажности почвы.
Целью заявляемой полезной модели является повышение точности измерения влажности почвы и определения вертикального профиля влажности.
Суть предложения состоит в том, что в измеритель влажности, содержащий последовательно соединенные: генератор высокой частоты, цепь связи, резонансный измерительный контур, амплитудный детектор, модулятор частоты, подключенный к управляющему входу генератора высокой частоты, и регистратор, введены последовательно соединенные: дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, устройство выборки хранения и вычислительное устройство, частотомер, выход которого подключен ко второму входу устройства выборки хранения, при этом, первый и второй выходы амплитудного детектора подключены соответственно к первому и второму входам дифференциального усилителя, выход генератора высокой частоты подключен также ко входу частотомера, а выход вычислительного устройства - ко входу регистратора, причем индуктивный элемент резонансного измерительного контура выполнен в виде круглой многовитковой рамочной антенны, размещенной на поверхности почвы, радиус которой выбран из условия b=1,2h, где h - толщина исследуемого слоя почвы, рамочная антенна подключена симметрично к выходу цепи связи и ко входу амплитудного детектора.
r
Докажем существенность отличий предложенного технического решения от известных. В известных СВЧ-измерителях влажности, использующих взаимодействие в волновой зоне электромагнитного поля с исследуемым материалом, эффективная глубина проникновения поля в материал определяется его электрическими параметрами: проводимостью σ и относительной диэлектрической проницаемостью ε, а также рабочей частотой f:
где Δ - толщина скин-слоя,  - тангенс угла диэлектрических потерь в материале, λ - рабочая длина волны. Параметр Δ характеризует эффективную глубину проникновения электромагнитного поля в материал, при которой амплитуда напряженности электрического поля уменьшается в е раз. Это взаимодействие приводит также к смещению резонансной частоты резонатора из-за вносимой реактивности.
r
Таким образом, зависимость между регистрируемым параметром-добротностью резонатора Q и влажностью материала W имеет сложный многофакторный характер. Во-первых, зависимость Q(W) определяется количеством влаги, находящейся в исследуемом слое материала заданной толщины. Во-вторых, сама толщина исследуемого слоя зависит от влажности через величины σ и ε формуле (1). В-третьих, смещение резонансной частоты СВЧ-резонатора влияет на результат измерения его добротности и также определяется влажностью материала. В результате, затрудняется градуировка измерителя в широком диапазоне влажностей, что приводит к ошибкам измерения.
Принципиальное отличие заявляемого бесконтактного измерителя влажности почвы заключается в том, что исследуемый материал-почва, находится в зоне индукции излучающей рамочной антенны. В этом случае, как показано в [4], эффективная глубина зондирования h почвы для частот ниже 30 МГц определяется только геометрией антенны, и практически не зависит от проводимости почвы и частоты генератора, но возрастает с высотой подвеса антенны, переходя в пределе в формулу (1). Соотношение h=1,25b справедливо до высоты подвеса рамочной антенны в 5 см., то есть для антенны расположенной практически на поверхности почвы с учетом ее неровностей. При такой высоте подвеса добротность рамочной антенны имеет стационарную точку, соответствующую ее минимуму, за счет действия двух противоположных факторов: вносимые потери уменьшаются с увеличением высоты подвеса антенны, но уменьшается и вносимая реактивность, что несколько увеличивает резонансную частоту контура, а с ней и вносимые активные потери. Эффективная глубина проникновения электрического поля в почву по уровню 90% рассеивания мощности ближнего поля антенны равна h=0,625d, где d=2b - диаметр антенны. Наличие единой зависимости h(d) и стационарность добротности антенного контура позволяют осуществить точную градуировку измерителя в широком диапазоне влажностей почвы. Кроме того, заявляемое устройство позволяет проводить измерение вертикального профиля влажностей почвы за счет использования рамочных антенн различного диаметра. В известных устройствах [1] для измерения вертикального профиля влажности требуется пробурить скважину в почве на заданную глубину.
Другое отличие заявляемого бесконтактного измерителя влажности почвы от прототипа заключается в использовании симметричного подключения рамочной антенны в измерительную цепь. Это позволяет минимизировать величину емкости вносимой в контур антенны. В процессе полевых испытаний вносимая емкость не превосходила 1 пФ. Смещение резонансной частоты контура под действием вносимой реактивности не влияет на результат определения добротности, поскольку измеряется как новая резонансная частота , так и ширина резонансной кривой Δf'. Добротность контура вычисляется по формуле Q=/2Δf'. В известных устройствах [5, 6] наличие вносимой емкости вызывает необходимость ее компенсации, а низкая добротность этой емкости приводит к дополнительным потерям в контуре и снижению точности измерений влажности почвы.
Работа бесконтактного измерителя влажности почвы поясняется следующими чертежами:
фиг.1, на которой изображена функциональная схема бесконтактного измерителя влажности почвы;
фиг.2, на которой изображена принципиальная электрическая схема аналоговой части бесконтактного измерителя влажности почвы;
фиг.3, на которой изображена эквивалентная схема резонансного измерительного контура.
Бесконтактный измеритель влажности почвы (фиг.1) содержит последовательно соединенные: генератор высокой частоты 1; цепь связи 2; резонансный измерительный контур 3 с индуктивным элементом в виде круглой рамочной антенны, размещенной на поверхности почвы, радиус b которой выбран из условия b=0,8h, где h - толщина исследуемого верхнего слоя почвы; амплитудный детектор 4; дифференциальный усилитель 5; аналого-цифровой преобразователь 6; устройство выборки-хранения 8; вычислительное устройство 9 и регистратор 10; модулятор частоты 11, выход которого подключен к управляемому выходу генератора 1 высокой частоты; и частотомер 7, выход которого подключен ко второму входу устройства выборки-хранения 8, при этом выход генератора 1 высокой частоты подключен также ко входу частотомера 7, рамочная антенна подключена симметрично к выходу цепи связи 2 и входу амплитудного детектора 4, выходы которого подключены симметрично ко входам дифференциального усилителя 5.
Бесконтактный измеритель влажности почвы работает следующим образом. Синусоидальное напряжение с генератора высокой частоты 1 через цепь связи 2 поступает на резонансный измерительный контур 3. В качестве цепи связи 2 использован трансформатор, два конденсатора С2 и С3 и два резистора R1 и R2 (фиг.2). Таким образом, обеспечивается симметричное питание измерительного контура 3 от генератора 1. Измерительный контур 3 работает вблизи выбранной резонансной частоты . Для обеспечения равенства резонансных частот контуров с рамочными антеннами различного радиуса использованы сменные высокодобротные конденсаторы С4. Для связи измерительного контура 3 с детектором 4 использованы емкости С5 и С6. Начальное значение добротности измерительного контура Q≥150.
max
При размещении измерительного контура 3 на поверхности почвы измеряются его резонансная частота и добротность. Для определения нового значения добротности  проводится перестройка частоты генератора 1 в соответствии с управляющим сигналом модулятора частоты 11. Управляющее напряжение модулятора изменяет емкость варикапа C1, включенного в колебательный контур генератора 1. Указанная перестройка частоты генератора происходит в пределах, заведомо перекрывающих частотный диапазон , где  - резонансная частота контура 3 над почвой с учетом вносимого активного и реактивного сопротивлений,  - добротность антенны над почвой, 2Δf' - ширина резонансной кривой по уровню . При максимальной влажности почвы для антенны b=0,4 м сдвиг резонансной частоты составляет , а добротность Q'≥5. Требуемый диапазон перестройки частоты генератора составляет 17-22 МГц. В процессе перестройки частоты генератора 1 на входе устройства выборки - хранения 8 поступает в цифровой форме текущее значение частоты генератора 1 через частотомер 7 и соответствующего им значения выпрямленного детектором 4 напряжения на контуре 3 через дифференциальный усилитель 5 и аналоговый преобразователь 6. Дифференциальный усилитель 5 обеспечивает симметричное подключение амплитудного детектора по его выходу. В вычислительном устройстве 9 из полученного массива значений напряжения выбирается максимальное U и два значения напряжения . Соответствующие этим напряжениям значения частоты генератора 1 используются для вычисления эквивалентной добротности контура 3: Q'=/2Δf'. Эквивалентную добротность Q' измерительного контура 3 можно рассчитать с помощью его эквивалентной схемы (фиг.3) [7].
Σ
f
p
i
d
где ρ - волновое сопротивление измерительного контура; R - сопротивление излучения круглой рамки; R - омическое активное сопротивление антенного провода с учетом поверхностного эффекта и эффекта близости; R - вносимое сопротивление потерь в индуктивность антенного контура со стороны почвы;  - приведенное значение сопротивления потерь вносимой емкости; R - сопротивление источника напряжения - цепи связи 2; R - сопротивление детектора 4 переменному току.
Волновое сопротивление измерительного контура 3 определяется по формуле:
0
g
0
4
р
где L - собственная индуктивность рамочной антенны; L - вносимая индуктивность со стороны почвы; С - собственная емкость рамочной антенны; С - настроечная высокодобротная емкость; С - вносимая емкость со стороны почвы.
p
Σ
g
p
0
При изменении влажности почвы изменяются величины R, , R, L, C. Начальная резонансная частота f, конструкция датчика, питание измерительного контура 3 выбраны таким образом, что .
Проводимость почвы σ связана с величиной вносимых потерь соотношением [4]:
где N - число витков рамочной антенны, а связь проводимости почвы с ее влажностью хорошо апроксимируется зависимостью вида
где С и D - коэффициенты, определяемые типом почвы и внешними условиями [4].
Из (5) с учетом (4) и (2) получим
M
0
Известно, что все электромагнитные методы реагируют на начальный уровень влажности почвы, соответствующий максимальной гигроскопичности W [8]. Этот уровень определяется в агрометеорологии для конкретного типа почвы. Поэтому, константа D' определяется следующим соотношением , где Q - начальная добротность конкретного датчика влажности.
Таким образом, уравнение связи влажности почвы с измеренным значением добротности измерительного контура имеет вид .
M
0
Перед началом измерений, в память вычислительного устройства 9 вводятся параметры C', W, Q. Результат определения влажности выводится на регистратор 10.
Устройство питается от автономного источника питания.
Бесконтактный измеритель влажности почвы реализован в виде действующего макета с ручной перестройкой частоты. Генератор 1 высокой частоты (фиг.2) собран на полевом транзисторе VT1 типа КП303. Частотные свойства генератора определяются контуром, состоящим из первичной обмотки трансформатора и варикапа С1 типа КВ121А. Перестройка генератора 1 осуществляется подачей на варикап напряжения от специального источника постоянного напряжения через резистивный делитель. Трансформатор выполняет также функции цепи связи 2 с коэффициентом включения измерительного контура k=1:3. Трансформатор представляет собой ферритовое кольцо К7Х4Х2 типа ВЧ30, первичная и вторичная обмотки содержат по 15 витков медного провода диаметром 0,14 мм.
Резонансный измерительный контур 3 выполнен в виде параллельного соединения круглой рамочной антенны и высокодобротного конденсатора С4. Антенны изготовлены из медной трубки диаметром 2а=8 мм, покрытой полихлорвиниловой изоляцией. Параметры использованных рамочных антенн на воздухе для измерения влажности почвы в слоях 0-20 см, 0-50 см, 0-100 см приведены в табл.1.
Таблица 1
№ рамки
b, м
N
L<sub>0</sub>, МкГ
С<sub>0</sub>, пФ
R<sub>f</sub>+R<sub>Σ</sub>, Ом
<img file="00000025.tif" he="6" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" />, МГц
f<sub>0</sub>, МГц
Q<sub>0</sub>
1
0,16
1
0,81
9,7
0,054
56,78
20
200
2
0,40
1
2,48
21
0,28
22,05
20
160
3
0,80
1
5,66
37,9
0,322
10,87
10
110
В табл.1  - частота собственного резонанса рамочной антенны.
r
-1
-1
В процессе полевых испытаний рамочная антенна размещалась на поверхности сильно увлажненной почвы с параметрами ε=20, σ=10 (Ом·м). Расчетные значения параметров рамочных антенн и измеренные значения добротности Q' измерительных контуров помещены в табл.2.
Таблица 2
№ рамки
R<sub>p</sub>, Ом
Q<sub>L</sub>
<img file="00000026.tif" he="5" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />, пФ
<img file="00000016.tif" he="5" wi="6" img-content="undefined" img-format="tif" />, Ом
Q<sub>с</sub>
<img file="00000027.tif" he="5" wi="5" img-content="undefined" img-format="tif" />
<img file="00000028.tif" he="5" wi="4" img-content="undefined" img-format="tif" />, МГц
Q'
1
3,0
80
0,8
1,0
720
72
19,7
68
2
5,2
19
1,0
0,062
1400
19
19,9
20
3
41,5
6,0
0,9
1,2
210
5,8
9,7
5,3
L
с
L
c
В табл.2 Q и Q - добротности индуктивного и емкостного элементов контура,  - расчетное значение добротности контура над почвой. Значения Q и Q рассчитывались по формулам:
.
Значение  рассчитывалось по формуле (2). Измеренные и расчетные значения добротностей измерительного контура над почвой хорошо совпадают, что позволяет сделать вывод о возможности обратного пересчета значений добротности Q' в проводимость почвы σ и далее в значение ее влажности W.
Д
x
Амплитудный детектор выполнен на четырех диодах типа КД514 с симметричным выходом через дифференциальный усилитель 5, собранный на микросхеме 544УД1. Входное сопротивление детектора составляет R=340 кОм. Линейный режим работы детектора обеспечивается во всем диапазоне возможных значений добротности Q'. Аналого-цифровой 6 преобразователь выполнен на микросхеме 572ПВ2. Функциональные блоки: модулятор 11, частотомер 7, устройство выборки-хранения 8, вычислительное устройство 9 выполнены на микропроцессоре 1821 ВМ85. Регистратор 10 выполнен на 4-разрядном индикаторе ИЖЦ-5-4/8. Автономное питание осуществляется от шести элементов типа 373. Общее потребление устройства 3 Вт.
Предлагаемый бесконтактный измеритель влажности почвы обеспечивает большую точность измерения, по сравнению с прототипом, за счет стабилизации глубины зондирования почвы. В прототипе глубина зондирования СВЧ-поля в почву определяется ее проводимостью. Вследствие чего, имеет место сложная многофакторная зависимость измеряемого параметра - добротности СВЧ-резонатора от влажности почвы. При этом, затрудняется градуировка измерителя в широком диапазоне влажностей почвы, что снижает точность измерения. Кроме того, вносимая со стороны почвы реактивность, смещает резонансную частоту СВЧ-резонатора, и, также, является причиной изменения выходного напряжения СВЧ-детектора. В результате, возникают ошибки в определении добротности резонатора. В предлагаемом устройстве, взаимодействие электромагнитного поля с почвой происходит в пределах зоны индукции излучателя. В этом случае глубина зондирования жестко связана с размером используемой круглой рамочной антенны измерительного контура и практически не зависит от проводимости почвы и рабочей частоты. Бесконтактный измеритель влажности почвы допускает единую градуировку W(Q') во всем диапазоне возможных значений влажности почвы. Кроме того, в предлагаемом бесконтактном измерителе влажности почвы исключено мешающее влияние вносимой реактивности. Это сделано за счет минимизации влияния величины вносимой емкости при симметричном подключении измерительного контура, а также за счет использования соотношения Q= /2Δf' при расчете добротности. Стабилизация глубины зондирования почвы позволяет определить вертикальный профиль влажности почвы путем использования рамочных антенн различного радиуса. Для повышения точности измерений влажности рамочная антенна размещается на расстояниях 2-5 см от почвы, т.е. практически на ее поверхности, где добротность измерительного контура стационарна, т.е. имеет минимум. В предлагаемом бесконтактном измерителе влажности почвы обеспечивается вывод результата измерения непосредственно в виде численного значения влажности почвы в объемных процентах за счет использования микропроцессора. Бесконтактный измеритель влажности почвы работает от автономного малогабаритного источника питания, что позволяет использовать его в полевых условиях.
Список используемой литературы
1. А.с СССР №573743, бюлл. №35, 1977;
2. А.с. СССР №1260814, бюлл. №36, 1986;
3. А.с. СССР №1317340, бюлл. №22, 1987;
4. Кузьмин Ю.И. Бесконтактный датчик влажности на основе горизонтальной рамочной антенны. Труды ВНИИСХМ, вып.20, 1986, с.27-40;
5. Патент США №3231814, 1986;
6. А.с. СССР №1056029, бюлл. №43, 1983;
7. Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники/Под редакцией Б.Х.Кривицкого. - М.: Энергия, т.2, 1977;
8. Кузьмин Ю.И., Малахова С.М. О возможности определения продуктивных влагозапасов метрового слоя почвы путем измерения сопротивления потерь. Труды Ленингр. Гидрометеоцентра, вып.2(15), 1985, с.86-91.