Устройство для дистанционного контроля влажности и температуры почвы
DEVICE FOR REMOTE CONTROL OF SOIL MOISTURE AND TEMPERATURE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в составе системы контроля состояния почвы на агрономическом объекте.
Известно устройство мониторинга физико-химического состояния почвы и атмосферы (RU 153292 U1, G01W 1/02, G01N 33/24, опубл. 2015), содержащее автономный источник питания, блок датчиков состояния атмосферы, блок датчиков состояния почвы, включая датчики температуры и влажности почвы, и блок управления, включающий контроллер, к которому подключены источник питания, датчики, таймер и запоминающее устройство. При этом блок управления оборудован клавиатурой для выбора режима работы, дисплеем и устройством ввода-вывода для связи с внешней ЭВМ. Для агротехнических целей устройство устанавливают в выбранном месте и закрепляют путем погружения щупа с блоком почвенных датчиков в почву до основания корпуса, например, на глубину 10-15 см. Автономный источник питания обеспечивает элементы устройства электрической энергией для автономного функционирования. Кнопочная клавиатура предназначена для переключения режимов работы устройства и позволяет выбрать следующие режимы: режим установки для ввода или коррекции параметров работы датчиков, режим измерений, режим просмотра информации (индикации результатов). При включении устройства контроллер проверяет работоспособность датчиков, выводит на дисплей отчет о проверке и предлагает оператору на выбор один из трех режимов работы. В режиме измерения оператор выбирает план мониторинга и запускает устройство в работу. Процесс измерения продолжается до окончания энергии источника питания или до переполнения запоминающего устройства. Последующий съем и обработка информации специализированными программами внешней ЭВМ позволяет отслеживать динамику параметров и их взаимосвязь. При этом память ЗУ может быть очищена для дальнейшей работы. Известное устройство является автономным, однако оно является частью переносного комплекта мониторинга, управляется оператором, и его использование для дистанционного контроля влажности и температуры почвы затруднено.
Известно также устройство контроля влажности почвы (RU 134656, G01N 27/22, опубл. 2013), содержащее последовательно соединенные формирователь импульсов, емкостный датчик, амплитудный детектор, дифференциальный усилитель, аналогово-цифровой преобразователь, блок обработки данных и приемо-передающее устройство, первый и второй генераторы тактовых импульсов и источник опорного напряжения, при этом первый генератор тактовых импульсов подключен к блоку обработки данных, второй генератор тактовых импульсов соединен с формирователем импульсов, а источник опорного напряжения подключен ко второму входу дифференциального усилителя и входу второго генератора тактовых импульсов. Устройство позволяет осуществлять непрерывный дистанционный мониторинг состояния влажности почвы, однако имеет не экономичный (непрерывный) режим работы, что определяет время процесса измерения до окончания энергии источника питания и увеличивает энергопотребление.
Наиболее близким к изобретению является устройство мониторинга параметров окружающей среды (RU 127489 U1, G01W 1/02, опубл. 2013), включающее блок питания, блок обработки данных и подключенные к нему измерительный блок (датчики параметров окружающей среды) и приемопередающий блок. Кроме того, устройство сдержит навигационный блок. Блок обработки данных содержит автоматизированный центральный процессор, оперативное запоминающее устройство и постоянное запоминающее устройство. Измерительный блок содержит средства записи видеосигнала и датчики параметров окружающей среды. Навигационный блок содержит антенно-фидерный узел и средства взаимодействия со спутниковой системой позиционирования. Приемопередающий блок включает антенно-фидерный узел и представляет собой оконечный пункт канала связи сети установленного стандарта. Питание всех блоков и устройств комплекса осуществляется за счет блока питания. Устройство при установке погружается в почву. Известное устройство является автономным, обеспечивает дистанционный режим работы, однако является конструктивно сложным.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании простого и экономичного автономного устройства для дистанционного контроля влажности и температуры почвы, имеющего высокую точность, низкое энергопотребление и себестоимость.
Указанный результат достигается тем, что в устройстве для дистанционного контроля влажности и температуры почвы, включающем блок питания, блок обработки данных и подключенные к нему датчики параметров окружающей среды и передающий блок, согласно изобретению, блок обработки данных выполнен в виде главного контроллера с встроенным аналого-цифровым преобразователем, датчики параметров окружающей среды выполнены в виде цифрового датчика температуры и, по меньшей мере, одного емкостного датчика влажности, в устройство введены последовательно соединенные контроллер питания, подключенный к блоку питания, ключ, импульсный преобразователь и линейный преобразователь, выход которого подключен к емкостным датчикам влажности, выход импульсного преобразователя соединен с цифровым датчиком температуры, главным контроллером и передающим блоком, а выход главного контроллера подключен к управляющему входу контроллера питания.
Также, согласно изобретению, емкостный датчик влажности включает высокочастотный генератор, подключенный к измерительной и компенсационной схемам, дифференциальный усилитель и инвертирующий усилитель, при этом измерительная схема содержит измерительный конденсатор, емкость которого зависит от влажности грунта, и первый амплитудный детектор, компенсационная схема содержит подстроечный конденсатор и второй амплитудный детектор, выходы амплитудных детекторов подключены к входам дифференциального усилителя, выход которого через инвертирующий усилитель соединен с входом аналого-цифрового преобразователя главного контроллера.
Использование в схеме датчика компенсационной схемы (опорного плеча), идентичного измерительной схеме (измерительному плечу), позволяет исключить влияние температурной нестабильности на показания и, тем самым, обеспечить точность его показаний.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг. 1 представлена функциональная схема устройства для дистанционного контроля влажности и температуры почвы;
на фиг. 2 представлена функциональная схема датчика влажности.
Устройство (см. фиг. 1) содержит главный контроллер 1 с встроенным АЦП 2, один или несколько емкостных датчиков влажности 3 (далее датчики влажности 3), выходы которых соединены с АЦП 2, цифровой датчик температуры 4 и передающий блок 5 (далее передатчик 5), подключенные к главному контроллеру 1, блок питания 6, выход которого через последовательно соединенные контроллер питания 7, ключ 8, импульсный преобразователь 9 и линейный преобразователь 10 подключен к датчикам влажности 3. Выход импульсного преобразователя 9 соединен с цифровым датчиком температуры 4, главным контроллером 1 и передатчиком 5. Выход контроллера 1 соединен с управляющим входом контроллера питания 7.
Датчик влажности 3 (см. фиг. 2) содержит высокочастотный генератор 11, выход которого подключен к измерительной 12 и компенсационной 13 схемам (измерительному и опорному плечам), дифференциальный усилитель 14 и инвертирующий усилитель 15. Измерительная схема 12 содержит измерительный конденсатор 16, емкость которого зависит от влажности грунта, и первый амплитудный детектор 17, компенсационная схема 13 содержит подстроенный конденсатор 18 и второй амплитудный детектор 19, выходы амплитудных детекторов 18 и 19 подключены к входам дифференциального усилителя 14, выход которого через инвертирующий усилитель 15 соединен с входом аналого-цифрового преобразователя 2 главного контроллера 1.
Устройство для дистанционного контроля влажности и температуры почвы конструктивно выполнено в виде почвенного зонда. Измерение влажности выполняется путем измерения емкости измерительного конденсатора 16, образованного двумя медными кольцами в качестве обкладок и некоторым объемом окружающего грунта в качестве диэлектрика (на фигуре не показано). Датчики влажности 3 могут быть расположены на разных уровнях по длине зонда (на фигуре не показано).
Перед установкой устройства в почву емкость подстроечного конденсатора 18 в компенсационной схеме 13 устанавливается в соответствии с измерительной емкостью конденсатора 16 в середину диапазона сухой грунт - влажный грунт.
Устройство работает следующим образом.
Большую часть времени устройство находится в дежурном режиме с минимальным энергопотреблением. В этом состоянии функционирует только контроллер питания 7, подключенный напрямую к блоку питания 6 (см. фиг. 1). По истечении заданного таймаута контроллер питания 7 включает питание остальной схемы, подавая низкий уровень сигнала питания на ключ 8, и переводит устройство в режим контроля и передачи данных. При этом включается импульсный преобразователь 9 напряжения, обеспечивающий питанием цифровые блоки устройства, и линейный преобразователь 10, обеспечивающий питанием аналоговые датчики влажности 3. Далее устройством управляет главный контроллер 1, который производит опрос цифрового датчика температуры 4 и фиксирует значения напряжений на входах АЦП 2, на которые поступают данные с датчиков влажности 3. По результатам работы главного контроллера 1 формируется пакет с данными, который отправляется через передатчик 5 на базовую станцию (на фигуре не показана). Пакет с данными включает серию устройства (зонда), его номер, напряжение батареи, значение температуры, значение влажности.
По окончании передачи данных главный контроллер 1 выдает на контроллер питания 7 управляющий сигнал «дежурный режим», при получении которого контроллер питания 7 отключает питание остальной схемы, подавая высокий уровень на ключ 8. Далее процесс повторяется после истечения таймаута.
Датчик влажности 3 (см. фиг. 2) работает следующим образом.
При подключении питания сигнал высокочастотного генератора 11 поступает на измерительную схему 12 и компенсационную схему 13. Сигнал, пропорциональный измеренной емкости конденсатора 16, через амплитудный детектор 17 поступает на вход дифференциального усилителя 14, на второй вход которого поступает сигнал, пропорциональный емкости конденсатора 18 компенсационной схемы 13 через амплитудный детектор 19. Разность напряжений с выхода дифференциального усилителя 14 поступает через инвертирующий усилитель 15 на входы АЦП 2 главного контроллера 1.
Предложенное устройство является автономным, отличается простотой, высокой точностью и экономичностью. В состав системы контроля почвы на агрономическом объекте может входить множество таких устройств, они могут быть добавлены и перемещены в любое время, не мешают работе машин и оросительных систем. Выход из строя одного из устройств не влияет на работу остальных. Базовая станция, на которой происходит сбор информации от множества устройств, может быть установлена на большом расстоянии от автономных устройств для предотвращения вандализма.