ЕМКОСТНОЙ ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ ГРУНТА

Полезная модель относится к исследованию или анализу материалов (грунтов) с помощью электрических, электрохимических или магнитных средств, в частности путем измерения электрической емкости и может быть использована в дешевых системах мониторинга грунта.
Известны [1] различные способы измерения влажности грунта:
- термостатно-весовой;
- радиоактивный - представляет собой измерение излучения радиоактивных веществ, находящихся в грунте;
- электрический - в данном случае производится определение грунтового сопротивления, проводимости, индуктивности, а также емкости;
- тензометрический - метод основывается на разнице напряжения воды между границами фаз;
- оптический - этот способ характеризуется отражаемостью световых потоков;
- экспресс-методы, в частности органолептический.
Наиболее дешевыми, точными и простыми в применении являются электрические способы, которые обычно предполагают использование датчиков сопротивления (резистивные) или емкости.
Резистивные датчики влажности почвы применяются в большинстве малобюджетных, домашних измерителей влажности грунта, но обладают принципиальным недостатком: их показания в существенной степени зависят от кислотности и солевого состава грунтовых вод, поэтому предпочтение следует отдать емкостным датчикам.
Известен [2] емкостной датчик влажности грунта, выполненный по микрополосковой технологии в виде проводящей полосы, образующей первую обкладку, окруженную U образной второй обкладкой, расположенных на плоской диэлектрической подложке с диэлектрическим покрытием.
Недостатками датчика [2] являются низкая точность и эксплуатационные характеристики. Низкая точность обусловлена малой чувствительностью датчика, связанная с его малой емкостью, которую трудно измерить. Низкие эксплуатационные характеристики обусловлены тем, что покрытия датчика подвержены воздействию механических и химических свойств грунта, а датчик [2] использует ненадежное лакокрасочное покрытие.
Известен [3] датчик влажности - емкостный микрополосковый тонкопленочный гигрометр. Он включает в себя диэлектрическую подложку, на которую нанесены два гребенчатых конденсатора. С целью термокомпенсации в датчик дополнительно вводят два термодатчика.
Такой датчик обладает повышенной, по сравнению с [2] чувствительностью, благодаря большей емкости. Очевидно, что в реальных условиях на поверхность гребенчатого конденсатора следует нанести диэлектрическое покрытие.
Недостатками датчика [3] являются низкая точность и неопределенность конструктивного исполнения. Низкая точность связана с односторонним исполнением датчика, что снижает чувствительность.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является емкостной датчик влажности грунта [4], выполненный в виде гребенчатого конденсатора, состоящего из чередующихся проводящих полос шириной Ш1 с шириной зазоров Ш2 между ними, четные и нечетные полосы соединены между собой и образуют первую и вторую обкладки конденсатора соответственно, проводящие полосы расположены с двух сторон диэлектрической подложки толщиной Т1 и имеют диэлектрическое покрытие толщиной Т2. В [5] в качестве подложки предлагается использовать двухсторонний фольгированный текстолит, а в качестве диэлектрического покрытия - грунтовку и краску.
Многочисленные эксперименты с подобными структурами датчиков показали, что:
1. Выбор параметров гребенчатых конденсаторов является сложной проблемой.
2. Простые диэлектрические покрытия (краска, лак и т.п.) не обеспечивают надежную защиту гребенчатого конденсатора от механических (абразивность грунта) и химических (кислотный или щелочной состав влаги) воздействий внешней среды.
Рассмотрим эти проблемы подробнее.
г
г
в
г
г
Между обкладками гребенчатого конденсатора, Фиг. 2, может возникать электрическое поле Е1, которое распространяется через подложку между соседними обкладками 1 и 2 в каждой плоскости, по диагонали между обкладками разных плоскостей - Е2, через покрытие - Е3. Величины указанных полей зависят от геометрических размеров датчика, диэлектрической проницаемости ε используемых материалов подложки и покрытия, образуют постоянную составляющую, но не интересны для измерений. Однако, некоторая часть Е4 электрического поля должна выйти за пределы датчика, пройти через грунт и в определяющей степени повлиять на емкость гребенчатого конденсатора. Указанную емкость следует измерить и оценить по ней влажность грунта. Таким образом, от конструкции датчика следует добиться максимальной зависимости емкости гребенчатого конденсатора от влажности грунта, окружающего датчик. Влажность грунта влияет на его диэлектрическую проницаемость ε. Для сухих грунтов ε типично лежит в пределах 3.2-5, а диэлектрическая проницаемость воды ε равна 81. Относительная массовая влажность грунтов может достигать (12-15)% (для песчаных грунтов) и 30% для глинистых грунтов. Таким образом, заявляемый датчик должен измерять диэлектрическую проницаемость грунта ε в пределах от 1 (воздух, зонд не помещен в грунт) до 30. Для измерения εнеобходимо измерить емкость гребенчатого конденсатора. Однако задача осложнена тем, что измерение переменной диэлектрической проницаемости грунта εг происходит в присутствии нескольких различных сред диэлектрической подложки и изолирующего диэлектрического слоя, свойства которых постоянны. Таким образом, измеренная емкость будет содержать постоянную составляющую, зависящую от свойств конструкции датчика (поля E1, Е2 и Е3), и переменную - (поле Е4), зависящую от влажности грунта. Для достижения высокой разрешающей способности датчика постоянная составляющая емкости должна быть минимизирована, а переменная - получить максимальную зависимость от влажности грунта.
Для решения этой задачи предлагается емкостной датчик влажности грунта, выполненный в виде гребенчатого конденсатора, состоящего из чередующихся проводящих полос шириной Ш1 с шириной зазоров Ш2 между ними, четные и нечетные полосы соединены между собой и образуют первую и вторую обкладки конденсатора соответственно, проводящие полосы расположены с двух сторон диэлектрической подложки толщиной Т1 и имеют диэлектрическое покрытие толщиной Т2, при этом датчик выполнен по технологии многослойных печатных плат, проводящие полосы каждой обкладки расположены зеркально относительно диэлектрической подложки, ширина проводящих полос Ш1 и ширина зазоров Ш2 между ними выбираются по соотношению Ш1=(0,5-1,5)*Ш2, толщины диэлектрического покрытия выбираются по соотношению Т2=(0,1-0,2)*Ш2, а толщина диэлектрической подложки Т1 выбирается из конструкционной прочности датчика много больше толщины диэлектрического покрытия Т1>>Т2.
Заявляемую полезную модель иллюстрируют следующие графические материалы:
Фиг. 1 - гребенчатый конденсатор, где:
1 - первая обкладка гребенчатого конденсатора;
2 - вторая обкладка гребенчатого конденсатора;
Ш1 - ширина проводящих полос;
Ш2 - ширина зазоров;
В1 - высота гребенчатого конденсатора.
Фиг. 2, где:
3 - диэлектрическая подложка;
4 - диэлектрическое покрытие;
5 - грунт;
Е1 - электрическое поле в диэлектрической подложке между разнополярными обкладками гребенчатого конденсатора одной стороны подложки;
Е2 - электрическое поле в диэлектрической подложке между разнополярными обкладками гребенчатого конденсатора разных сторон подложки;
Е3 - электрическое поле в диэлектрическом покрытии между разнополярными обкладками конденсатора одной стороны подложки;
Е4 - электрическое поле между разнополярными обкладками конденсатора одной стороны подложки через грунт 5;
Т1 - толщина диэлектрической подложки;
Т2 - толщина диэлектрического покрытия.
1
Фиг. 3 - зависимость линейной емкости C гребенчатого конденсатора от отношения ширин проводящих полос Ш1 и ширина зазоров Ш2 между ними, при разных диэлектрических проницаемостях грунта εг.
Фиг. 4 - зависимость линейной емкости C1 гребенчатого конденсатора от отношения ширин проводящих полос Ш1 и ширина зазоров Ш2 между ними, при разных диэлектрических проницаемостях грунта εг
Линии раздельного вывода обкладок гребенчатых конденсаторов не показаны с целью упрощения.
Существенные отличия заявляемого емкостного датчика влажности грунта полезной модели состоят в следующем:
Датчик выполнен по технологии многослойных печатных плат, т.е. используются традиционные материалы: стеклотекстолит, гетинакс, керамика и т.п.соответствующих толщин. Гребенчатый конденсатор изготавливается путем травления металлического покрытия подложки с последующим склеиванием слоев. Такие датчики оказываются очень дешевыми, а диэлектрическое покрытие надежно защищает датчик от механических и химических воздействий.
В прототипе используется металлизированная диэлектрическая подложка, на которой с двух сторон вытравлен гребенчатый конденсатор, а в качестве диэлектрического покрытия используются краски, лаки и т.п.с отмеченными выше недостатками.
Проводящие полосы каждой обкладки гребенчатого конденсатора расположены зеркально относительно диэлектрической подложки, Фиг. 1. В результате этого с противоположных сторон подложки - по кратчайшему пути распространения электрического поля располагаются одноименные электроды конденсатора, Фиг. 2 (1 - напротив 1, а 2 - напротив 2), т.е. электрического поля между ними не возникает.
В прототипе расположение проводящих полос не рассматривается.
Толщина диэлектрического покрытия 4 выбирается по соотношению
Такой выбор позволяет увеличить поле Е4 через грунт (чувствительность датчика), сохранив механические и химические свойства покрытия 4.
В прототипе используется лакокрасочное покрытие неопределенной толщины.
Ширина проводящих полос Ш1 и ширина зазоров Ш2 между ними, Фиг. 1, выбираются по соотношению
1
1
1
В [5] Приведены формулы, см. (8-13), стр. 261 для расчета линейной емкости C двух пластин на границе сред с разными диэлектрическими проницаемостями. Указанное соотношение применимо, если пренебречь влиянием тонкого покрытия 4. С использованием указанных соотношений рассчитан график зависимости линейной емкости C гребенчатого конденсатора от отношения ширин проводящих полос Ш1 и зазоров Ш2 между ними, Фиг. 3. На интервале, где отношение К=Ш1/Ш2 выбирается в пределах от 0.5 до 1.5, наблюдается максимальная градиентная зависимость линейной емкости C от К. При этом следует иметь в виду, что дальнейшее увеличение К приводит к неоправданному увеличению размеров датчика влажности. Таким образом, приведенное соотношение (2) представляется оптимальным.
В прототипе ширина проводящих полос Ш1 и ширина зазоров Ш2 между ними не рассматривается.
В [5] приведена формула (8-1), стр. 257 для расчета линейной емкости в зависимости от диэлектрической проницаемости грунта при разных отношениях толщины покрытия Т2 к ширине зазоров Ш2, Фиг. 4. Из графиков видно, что наилучшая зависимость емкости гребенчатого конденсатора от влажности грунта достигается при:
В прототипе отсутствуют рекомендации по конструкции датчика.
При испытаниях заявляемой полезной модели из фольгированного стеклотекстолита были изготовлены датчики влажности почвы с характеристиками:
- толщина диэлектрической подложки 1,5-2 мм;
- толщина диэлектрического покрытия 0,15 мм;
- ширина проводящих полос гребенчатого конденсатора - 2 мм;
- ширина зазоров - 2 мм;
- высота датчика - 75 мм;
- ширина датчика - 26 мм;
- диапазон емкостей датчика при различных влажностях грунта - 40-1100 пФ.
Непосредственное измерение емкости заявляемого датчика влажности грунта связано с существенными проблемами, которые обычно решают созданием генератора, времязадаюшую цепь которого включен измерительный емкостной датчик, например, [6], что позволяет измерять частоту генератора, вместо прямого измерения емкости.
Таким образом, конструкция заявляемого датчика обоснована, обеспечивает пригодную для обработки зависимость его емкости от влажности грунта.
Источники информации:
1. http://www.superda4nik.ru/opredelenie-vlazhnosti-pochvy/.
2. https://ru.aliexpress.com/store/product/DFRobot-Capacitive-Analog-Soil-Moisture-Sensor-3-3-5-5V-Corrosion-Resistant-with-Gravity-3-Pin/1111448_32574020064.html.
3. http://electrik.info/main/automation/1083-datchiki-vlazhnosti-kak-ustroeny-i-rabotayut.html.
4. https://www.youtube.com/watch?v=N1u4u-yKzLs.
5. Ю.Я, Иоссель, Э.С. Кочанов, М.Г. Струнский. Расчет электрической емкости. - Л.: Энергоиздат, 1981. 288 с.
6. Патент RU 2206887.