Датчик температуры и влажности почвы

Полезная модель относится к области исследований или анализа материалов путем определения их химических или физических свойств, в частности к измерительной технике, предназначенной для контроля параметров локальных земельных участков различного назначения в экологических, агротехнических и других целях.
Известен влагомер почвы, содержащий клиновидное устройство заглубления, ограничитель, два измерительных электрода, источник постоянного тока, измеритель проводимости, усилитель, аналого-цифровой преобразователь и цифровой индикатор, в котором электроды закреплены на устройстве заглубления с изолятором последовательно по ходу транспортного средства (Патент RU №49270, 02.03.2005).
При проведении измерений устройство заглубления погружается в почву при помощи гидравлических или механических средств до касания поверхности почвы ограничителем, затем производится калибровочное измерение и определение влажности взятого образца почвы при помощи эталонного влагомера; определяется масштабный коэффициент (коэффициент корелляции).
Недостатками данного устройства является то, что для проведения измерений таким устройством необходимо использование транспортного средства, а также возможности измерения только одного параметра почвы - влажности. К тому же устройство не обладает достаточной влагостойкостью, поэтому прибор погружают в почву до касания с ограничителем, закрепленным на устройстве эпоксидным клеем, который одновременно является изолятором.
Ближайшим для заявленного технического решения является устройство, которое представлено в патенте RU 2664680 (приоритет 11.12.2017). Беспроводное устройство для контроля микроклимата почвы, содержит корпус, и установленные в нем и соединенные между собой измерительно-передающие элементы, включающие датчики, источник питания. Устройство выполнено в виде двух установленных коаксиально друг в друга полимерных труб, одна из них которых является внешней, а другая внутренней.
Вдоль внутренней полости внутренней трубы размещены взаимосвязанные автономный источник питания, измерительно-передающая часть в виде печатной платы с размещенными на ней микроконтроллером и радиомодулем, подключенная к антенне, расположенной в верхней части внутренней трубы, на наружной поверхности внутренней трубы в нижней части закреплено не менее одного емкостного датчика, соединенного с измерительно-передающей частью посредством линии связи.
Недостатком такого устройства является громоздкость конструкции, связанная с тем, что для придания необходимой герметичности измерительно-передающей части используют конструкцию из двух труб, расположенных одна в другой.
Задачей при создании заявленного технического решения являлось устранение недостатков ближайшего аналога, а именно создание устройства, обладающего достаточной герметичностью, для получения точных параметров влаги почвы.
Техническим результатом является создание герметичного устройства.
В общем виде заявленное устройство представляет собой датчик влажности почвы, содержащий основание в виде печатной платы, с установленными в нем измерительным элементом, в виде датчика влажности, расположенного в нижней части основания, при этом данные с датчика влажности поступают на электрическую схему обработки сигнала, расположенную над датчиком влажности, которая подавляет высокочастотные помехи от данных датчика влажности, преобразует емкость датчика влажности в напряжение для передачи сигнала к внешним приборам через четырех контактный разъем, расположенный в верхней части основания и подсоединенный к внешним приборам, считывающим показания датчика и обеспечивающим настройку режима работы датчика, причем часть основания, на которой расположен измерительный элемент с электрической схемой обработки сигнала, для защиты от агрессивных воздействий покрыта герметичным слоем водонепроницаемого электроизоляционного лака.
Данные с датчика влажности поступают на электрическую схему обработки сигнала, расположенную над датчиком влажности.
Электрическая схема преобразует емкость датчика влажности в напряжение для передачи данных напряжения, преобразованного от емкости датчика влажности, на модуль аналого-цифрового преобразователя, сигналы от которого поступают к внешним приборам через четырех контактный разъем, расположенный в верхней части основания и подсоединенный к внешним приборам, считывающим показания датчика и обеспечивающим настройку режима работы датчика.
Конструкция заявленного устройства раскрыта на иллюстрациях 1-2.
На фигуре 1 показан общий вид заявленного устройства.
С указанием следующих позиций:
1. Разъем четырех контактный(4Р4С, RJ-9);
2. Электрическая схема обработки сигнала;
3. Датчик влажности.
4. Основание.
5. Указание области покрытия герметичным слоем водонепроницаемого электроизоляционного лака.
На фигуре 2 показан общий вид устройства в объеме.
На фигуре 3 показано расположение основных компонентов устройства на основании.
В таблице 1 указаны технические характеристики устройства.
В таблице 2 указаны параметры основания.
Габаритные размеры устройства следующие: 122.4×16×13 мм.
Особенностью заявленного датчика влажности почвы является емкостной принцип измерения влажности почвы без непосредственного контакта электродов с почвой и растворенных в ней электролитов, которые в обычных резистивных датчиках почвах приводят к нескольким нежелательным эффектам:
- электролиз с последующим окислением электродов;
- появление паразитной ЭДС на электродах;
- загрязнение самой почвы металлами и окислами, из которых сделаны электроды.
На фигуре 4 изображена принципиальная электрическая схема датчика влажности почвы (электрическая схема обработки сигнала).
Узел измерения влажности почвы состоит из таймера IС1 на микросхеме таймера типа 555, работающей в режиме мультивибратора с фиксированной частотой и скважностью импульсов, которые задаются элементами С2, R3 и R4.
Частота мультивибратора определяется по формуле  Конденсаторы С3 и С4 обеспечивают корректную работу микросхемы.
Выходные импульсы подаются через резистор R1 непосредственно на емкостной датчик через контакт V_CAP, второй контакт датчика подключен к минусу питания GND. Емкостной датчик представляет собой медные дорожки на печатной плате, которые покрыты защитной маской самой платы и дополнительно герметичным слоем водонепроницаемого электроизоляционного лака, которые защищают дорожки от непосредственного контакта с почвой.
В переменном токе (импульсы с мультивибратора) емкостной датчик - конденсатор работает как реактивное сопротивление, которое определяется по формуле  где ƒ - частота мультивибратора, а С - емкость конденсатора - емкостного датчика из медных дорожек на печатной плате.
0
-12
Емкость конденсатора - емкостного датчика С определяется по формуле (приблизительно, так как электроды - медные дорожки имеют неправильную форму)  где S - площадь электродов, d - расстояние между электродами, ε - электрическая постоянная 8.854187817⋅10 Ф/м, ε - диэлектрическая проницаемость среды.
Емкость датчика в данном случаем переменная, и зависит от диэлектрической проницаемости среды ε, которая, в свою очередь, зависит от состава среды, то есть почвы, в которую погружен датчик и в основном определяется содержанием воды в почве. Например для сухого воздуха ε≈1, а для воды ε≈81.
Емкостной датчик (которые работает как реактивное сопротивление) включен в схему детектирования и деления напряжения на элементах R2, VD1 и С1. Конденсатор С1 фильтрует высокочастотные импульсы с мультивибратора.
Микросхема стабилизатор напряжения IC2 и конденсаторы С5, С6, С8 и С9 обеспечивают стабильное напряжение питания для мультивибратора и работы датчика.
В результате на выходе MOUT выдается напряжение, которое зависит от емкости датчика и это напряжение далее с датчика можно подавать на вход измерительного прибора или АЦП микроконтроллера.
Принцип работы заявленного устройства следующий.
Изменение электрической емкости от датчика влажности 3, являющегося емкостным измерителем влажности поступают на электрическую схему обработки сигнала 2.
Узел измерения влажности почвы состоит из таймера IC1 на микросхеме таймера типа 555, работающей в режиме мультивибратора с фиксированной частотой и скважностью импульсов.
Выходные импульсы подаются через резистор R1 непосредственно на емкостной датчик через контакт V_CAP, второй контакт датчика подключен к минусу питания GND.
Электрическая схема обработки сигнала придает электрическому сигналу нужный вид и передает сигнал к внешним приборам через разъем 1, являющимся четырехконтактный разъемом 1.
2
Электрическая схема обработки сигнала преобразует емкость датчика в напряжение, используя высокочастотный генератор, схему преобразования частота-напряжение и сглаживающий высокочастотный фильтр. Далее, это напряжение поступает на канал АЦП, который внешние приборы могут настроить, откалибровать и считать по интерфейсу IС.
Немаловажным аспектом является наличие линейного стабилизатора напряжения с низким падением напряжения на выходе и низким уровнем пульсаций, а также наличие встроенного прецизионного источника опорного напряжения внутри АЦП, которые питаю все схемы датчика.
Устройство может иметь свой АЦП, установленный на плате (цифровое исполнение устройства), а может быть без него, тогда данные поступают на внешний АЦП (аналоговое исполнение устройства).
Датчик влажности почвы представляет собой конденсатор с воздушным диэлектриком в виде дорожек на печатной плате, покрытых защитных слоем. При опускании в почву или воду изменяется диэлектрическая проницаемость среды, что влечет к изменению емкости конденсатора. Датчик преобразует емкость в напряжение, измеряемое АЦП микроконтроллера, к которому подключен датчик.
Область покрытия герметичным слоем водонепроницаемого электроизоляционного лака, выполненного их 4 слоев акрилового изоляционного лака, показанная на фигуре 1 позицией 6.
Герметичный слой для печатных плат и электронных компонентов изготовлен на основе акриловой смолы, идеально удовлетворяет требованиям микроэлектроники, образует блестящую и гибкую защитную пленку, которая устойчива к кислоте, соли, плесени, коррозионным испарениям, термическим воздействиям, механическим повреждениям, щелочи, спирту, влаге и агрессивной окружающей среде.