УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ

Предлагаемая полезная модель относится к области техники для сельского хозяйства, и может быть использована для оперативного измерения влажности почвы.
Заявленная полезная модель направлена на совершенствование существующих влагомеров, для которых измеряемой величиной является электрический сигнал, дающий информацию о диэлектрической проницаемости почвы, по которому судят о ее влажности.
Известен электрический датчик [1] для измерения распределения влажности почвы по глубине, в котором при измерениях используется зависимость диэлектрической проницаемости от влажности. Изменение последней отражается на емкости между электродами в почве и частоте генератора, конструктивными элементами которого служат упомянутые электроды. Недостаток датчика заключается в наличии погрешности при измерении, которая возникает по причине, связанной с зависимостью емкости между электродами в почве не только от влажности, но и от почвенной структуры и от процессов около электродов, приводящих к их поляризации. Более подробно об этом сказано в приложении.
Известно устройство для измерения влажности почвы [2], основными элементами которого являются измеритель амплитудно-частотных характеристик и чувствительный элемент в виде круглого волноводного резонатора, куда помещается контролируемый образец почвы. Влажность почвы рассчитывается по измеренному значению резонансной частоты и известной зависимости диэлектрической проницаемости почвы от влажности, которая получена в [3]. Недостаток устройства состоит в невозможности его использования для почвы произвольного состава, так как указанные зависимости получены только для песчаной и глинистой почв.
Способ определения влагосодержания вещества [4] реализован при использовании в качестве чувствительного к влажности элемента отрезка длинной линии, в котором возбуждают электромагнитные колебания, а в качестве информативного параметра используют одну из резонансных частот, в частности, основную резонансную частоту, по которой судят о значении влагосодержания. Применение такого чувствительного элемента ориентировано только на некоторые строительные материалы с известной диэлектрической проницаемостью сухого материала, что является его недостатком.
Прототипом предложенного влагомера выбран радиоволновый датчик [5], основанный на определении диэлектрической проницаемости. Чувствительным элементом датчика служит резонатор в виде закороченного с торцов металлическими пластинами отрезка спирального волновода. Измерительное устройство датчика содержит резонатор, подключенный к электронному блоку. Последний в своем составе имеет аналоговый или цифровой измеритель амплитудно-частотной характеристики и компьютер, соединенные по стандартной схеме для наблюдения частотной характеристики и измерения резонансной частоты. Эта частота является измеряемым параметром и после калибровки позволяет определить названные выше параметры топлива. Применение такого резонатора удобно при сочленения его с топливопроводом для проведения измерений в реальном масштабе времени.
Недостатком известного датчика является невысокая точность получаемого значения диэлектрической проницаемости при наличии значительных потерь энергии электромагнитного поля в топливе. Указанный недостаток объясняется невозможностью измерить с достаточной точностью изменение резонансной частоты при изменении диэлектрической проницаемости топлива, имеющего значительные потери, так как добротность резонатора становится низкой.
Техническим результатом использования предложенной полезной модели является повышение точности определения влажности почвы за счет более точного измерения ее диэлектрической проницаемости, в том числе при наличии значительных потерь энергии для больших значений влажности.
Технический результат достигается тем, что в известном устройстве, содержащем корпус, спиральный резонатор и электронный блок для измерения резонансной частоты спирального резонатора, согласно изобретению, спиральный резонатор выполнен в виде полого диэлектрического цилиндра с расположенным на нем в продольном направлении проводником, концы которого замкнуты, спиральный резонатор размещен на внутренней диэлектрической трубе, которая с помощью дисков закреплена внутри внешней диэлектрической трубы, два контейнера азимутально-симметричной формы вставлены в корпус на разном удалении от спирального резонатора, к которому по стенке внутренней диэлектрической трубы подведены два коаксиальных кабеля, концы которых имеют электрические зонды, а противоположные концы кабелей подведены к коаксиальным разъемам на крышке внутренней диэлектрической трубы для соединения с электронным блоком.
Схема заявленной полезной модели показана на Фиг. 1 (а и б). На Фиг. 1а приведена общая конструкция, а на Фиг. 2, более наглядно показана форма контейнеров. В корпусе 1 установлен спиральный резонатор 2 на внутренней диэлектрической трубе 3, которая с помощью дисков 4 закреплена внутри внешней диэлектрической трубы 5, два контейнера из диэлектрика 6 и 7 азимутально-симметричной формы вставлены в корпус 1 на разном удалении от спирального резонатора, к которому по стенке внутренней диэлектрической трубы 3 подведены два коаксиальных кабеля 8, концы которых имеют электрические зонды, а противоположные концы кабелей подведены к коаксиальным разъемам 9 на крышке 10 внешней диэлектрической трубы 5 для соединения с электронным блоком. Контейнеры имеют ручки 11 и 12, толщина диэлектрических стенок влияет на чувствительность и выбирается минимально возможной для обеспечения прочности. Отличие внутреннего контейнера 6 от внешнего контейнера 7 только в радиальных размерах. Корпус снабжен ручками 13 и изготовляется из металла для устранения влияния на результаты измерений внешних предметов.
Электрические зонды (возбуждающий и приемный) расположены диаметрально противоположно. Их азимутальная ориентация изменяется поворотом крышки 10 внутренней диэлектрической трубы 3 и фиксируется по форме резонансных кривых на экране монитора электронного блока, которых в общем случае две. Выбирая ориентацию зондов, можно получить одну кривую с максимальной добротностью. Этим самым устраняется искажающее влияние так называемого эффекта поляризационного вырождения в азимутально-симметричных колебательных системах.
Укладка проводника с замкнутыми концами показана на Фиг. 2 (а и б). Укладка выполняется на отрезке полого диэлектрического цилиндра (Фиг. 2а). Расположение проводника изображено на Фиг. 2б, для большей наглядности диэлектрик не показан, а число витков выбрано небольшим. Реально используемый во влагомере спиральный резонатор содержит большее количество витков. Пример конкретного выполнения такого резонатора показан на Фиг. 3.
Заявленная полезная модель работает следующим образом.
1) При калибровке устройства для определения влажности почвы выбранного поля и определенной глубины образец влажной почвы помещается в один из контейнеров, вынутых из корпуса. В процессе высушивания влажного образца почвы определяется его влажность термостатно-весовым методом и одновременно отмечается резонансная частота по электронному блоку при помещении контейнера с образцом во влагомер. При большой начальной влажности используется контейнер большего размера. При малой начальной влажности - меньшего размера. Последнее обусловлено необходимостью иметь более высокую чувствительность к изменению влажности более сухой песчаной почвы. Под чувствительностью понимается модуль отношения изменения резонансной частоты к малому изменению влажности в Мгц. Строится калибровочная кривая в виде зависимости резонансной частоты от влажности почвы. Эта зависимость обусловлена уменьшением диэлектрической проницаемости в процессе высушивания.
2) Для определения влажности в процессе роста растений образец почвы помещается в соответствующий контейнер, который использовался при калибровке, контейнер вставляется в корпус влагомера, отмечается значение резонансной частоты по электронному блоку и определяется влажность почвы по калибровочной кривой.
Блок-схема конкретного выполнения макета заявленного устройства, на котором были выполнены приведенные ниже измерения, представлена на Фиг. 4. Измерения проведены в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета и Публичного акционерного общества «Техприбор» г. Санкт-Петербург. Полезная модель состоит из измерительного блока 14 и электронного блока 15, который является стандартным для измерения резонансной частоты резонатора в лабораторных условиях. Контейнер с образцом почвы 16 помещается в корпус 1 (Фиг. 1а) около спирального резонатора 2. Образец почвы находится в электромагнитном поле резонатора при возбуждении последнего. На возбуждающий зонд 17 подается сигнал от синтезатора 19 через усилитель 20. С приемного зонда 18 сигнал поступает на синхронный детектор 21 и после детектирования - на аналого-цифровой преобразователь 22. Связь блоков осуществляется через разъемы 9 (Фиг. 1а). Подготовка данных для программного модуля, который имеется в компьютере 25, реализуется в преобразователе данных 23 и передается по каналу Ethernet 24 в компьютер 25. Наблюдаемая на экране компьютера амплитудно-частотная характеристика позволяет отрегулировать усиление для устранения нелинейных искажений и определить оптимальную ориентацию зондов, о которой было сказано выше. Запуск программного модуля позволяет получить значение резонансной частоты спирального резонатора. При этом прошедший через резонатор сигнал усиливается и используется для накопления цифровой информации об амплитудно-частотной характеристике, которая отражается на экране компьютера. По накопленной информации за один такт развертки определяется резонансная частота с помощью соответствующего программного обеспечения.
Примеры конкретной апробации заявленной полезной модели приведены ниже.
Пример 1. Внешний контейнер заполнялся высушенной землей с дальнейшим добавлением воды для изменения влажности. Результаты измерений показаны на Фиг. 5 в виде калибровочной кривой. При диаметре d внешнего контейнера 120 мм наблюдаются четкие резонансные кривые при добротности, превышающей 85. Зависимость добротности от влажности показана на Фиг. 6. С ростом влажности в области больших ее значений наблюдается некоторое повышение добротности. Анализ показал, что эта область соответствует режиму перенасыщения почвы влагой, при котором имеет место стекание влаги вниз, и не относится к калибровочной кривой. Поэтому в процессе проведения калибровки полезно следить за добротностью и предусмотреть такую возможность при создании электронного блока. Зависимость резонансной частоты от влажности должна быть монотонной, Приведенные численные значения можно считать ориентировочными при проектировании предложенного устройства.
Пример 2. Были проведены измерения с почвой, содержащей песок. Проводимость такой почвы ниже, чем в примере 1. Образцы песчаной почвы лучше помещать во внутренний контейнер. При этом увеличивается чувствительность для малых значений влажности, что существенно для песчаных почв, но не происходит значительного уменьшается добротности резонансной кривой.
Приведенные примеры подтвердили получение заявленного технического результата - повышение точности определения влажности почвы за счет более точного измерения ее диэлектрической проницаемости, в том числе при наличии значительных потерь энергии для больших значений влажности.
Результаты измерений позволили сделать вывод о достаточной чувствительности спирального резонатора, который может быть назван кольцевым спиральным резонатором, к изменению влажности почвы в предложенном влагомере. Практическая привлекательность заявленной полезной модели состоит в возможности проведения измерений при значительной влажности почвы или большой концентрации соли. Образцы почвы в этом случае надо помещать во внешний контейнер как при измерениях, так и при калибровке. Такое расширение пределов измерений достигается за счет эффекта затухания возбуждаемого поля при удалении от внешней диэлектрической трубы. Чувствительность при этом падает, но влияние проводимости почвы на добротность резонансной кривой также падает.
Предложенное техническое решение учитывает достижения, заложенные в известных устройствах аналогичного назначения, и устраняет их недостатки. Технико-экономическая эффективность определяется следующими характеристиками:
- достаточная чувствительность к изменению именно влажности почвы в процессе роста растений и внесения подкормок, обусловленная большим значением относительной диэлектрической проницаемости свободной воды, наиболее доступной корням растений, по сравнению со значениями для других компонентов почвы,
- необходимость высушивания образца почвы для выбранного поля и глубины только при калибровке,
- получение информации о влажности образца почвы прямо в поле,
- слабая зависимость результатов измерений от концентрации соли в воде, обусловленная слабой зависимостью диэлектрической проницаемости воды от концентрации соли,
- удобство работы с образцами почвы небольшого объема, помещаемыми при измерениях в отдельный контейнер,
- возможность проведения измерений в любом встречающемся на практике диапазоне изменения влажности или концентрации соли,
- отсутствие мешающих эффектов, связанных со стеканием влаги по стенкам скважины или вдоль введенного в землю зонда для известных устройств.
Использованная литература
1. Долгопятов P.M., Кац Р.И., Белнкоев В.В. Электрический датчик для АС СССР №573743,1977.
2. Ахобадзе Г.Н. Устройство для измерения влажности почвы. Патент РФ №2433393, 2010.
3. Лещинский Ю.И., Лебедев Г.Н., Шумилин В.Д. Электрические параметры песчаного и глинистого грунта в диапазоне сантиметровых, дециметровых и метровых волн. - Известия вузов, Радиофизика, 1971, Т. XIV, №4, с. 562-569.
4. Совлуков А.С. Способ определения влажности вещества. Патент РФ №2468358, 2012.
5. Столяров О.И., Новиков А.Ю., Латышев Е.Е., Наумов Д.И. Исследование спирального резонатора как чувствительного элемента радиоволнового датчика. Региональная XIX конференция по распространению радиоволн. Сборник трудов конференции. Санкт-Петербург, 2013, с. 123-126 (прототип).