Способ определения влажности почвы и устройство для его реализации
METHOD AND DEVICE FOR DETERMINING SOIL MOISTURE CONTENT

Предлагаемое изобретение относится к области техники для сельского хозяйства и может быть использовано для оперативного определения влажности почвы с высокой чувствительностью в любом встречающемся на практике диапазоне изменения влажности или концентрации соли и учетом мешающих точному определению влажности эффектов, связанных со стеканием влаги по стенкам скважины или вдоль введенного в землю зонда для известных устройств.
Известен электрический датчик [1] для измерения распределения влажности почвы по глубине, в котором использован способ измерения, базирующийся на зависимости диэлектрической проницаемости почвы от ее влажности. Изменение последней отражается на емкости между электродами в почве и частоте генератора, элементом которого служит упомянутая емкость. Однако недостаток датчика заключается в том, что информация о влажности получается с малой точностью и неконтролируемой погрешностью. Это объясняется зависимостью емкости между электродами в почве не только от влажности, но и от почвенной структуры и процессов взаимодействия почвы с электродами, приводящих к поляризации электродов. Последнее используется для мониторинга структуры почвы.
Известен дистанционный радиофизический способ определения влажности [2], который базируется на зондировании поверхности почвы в диапазоне СВЧ и использовании предварительно полученных радиационно-влажностных зависимостей в лабораторных условиях. Недостаток способа состоит в необходимости применять достаточно сложную методику и дорогостоящую аппаратуру.
Известен метод и аппаратура для измерения влажности почвы [3], в которой используются два электрода, электрическая емкость между которыми считается пропорциональной содержанию влаги в почве между электродами. Однако недостаток этого способа также состоит в наличии погрешности, обусловленной влиянием почвенной структуры и поляризации электродов, которые никак не учитываются.
Известен способ определения влажности почвы [4], взятый за прототип для заявленного способа. Способ заключается в отборе образцов почвы по горизонтам (глубине) на поле, где запланировано наблюдение за влажностью, их взвешивании, однократном определении плотности почвы в начале периода наблюдения, определение влажности стандартным термостатно-весовым способом, включающим однократное высушивание образцов, построении калибровочной кривой зависимости влажности от плотности почвы, при дальнейшем наблюдении взвешивании образцов почвы прямо в поле и определении влажности по калибровочной кривой. Этот способ позволяет избавиться от сушки образца почвы при каждом определении ее влажности, направлен на уменьшение трудоемкости при измерениях.
Недостатком известного способа является недостаточно высокая точность определения влажности, поскольку в процессе роста растений изменяется не только влажность почвы, но и ее состав. Изменение состава почвы отражается на весе образцов почвы вне зависимости от влажности, что в прототипе не учитывается.
Техническим результатом заявленного способа является повышение точности определения влажности почвы за счет использования при калибровке и измерениях такого электрического параметра почвы, который более адекватно отражает изменение ее влажности в процессе роста растений. Таким параметром выбрана диэлектрическая проницаемость почвы, значение которой для свободной воды, наиболее доступной корням растений, на порядок больше значений для других компонентов почвы.
Указанный технический результат для способа достигается тем, что при определении влажности почвы, включающем отбор образцов почвы по горизонтам на поле, однократное высушивание образцов с одновременной калибровкой влажности почвы, согласно изобретению, при калибровке используют зависимость диэлектрической проницаемости почвы от ее влажности в любом встречающемся на практике диапазоне изменения влажности и определяют влажность почвы по калибровочной кривой, построенной на основе этой зависимости. Измерения показывают, что влажность почвы может изменяться от 0 до 45%. Верхний предел ограничен стеканием влаги вниз.
Для реализации заявленного способа определения влажности почвы необходимо устройство, которое способно с достаточной точностью отслеживать изменение диэлектрической проницаемости почвы при изменении ее влажности.
Из уровня техники известно устройство для измерения влажности почвы [5], основными элементами которого являются измеритель амплитудно-частотныххарактеристик 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 [6]. Недостаток устройства состоит в невозможности его использования для почвы произвольного состава, так как указанные зависимости получены только для песчаной и глинистой почв.
Известно устройство, имеющее в качестве чувствительного к влажности элемента резонатор в виде отрезка длинной линии и используемое при реализации способа определения влагосодержания вещества [7]. В длинной линии 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 недостатком этого способа, а также устройства.
Наиболее близким по конструктивному исполнению к заявленному устройству является радиоволновый датчик для определения диэлектрической проницаемости и содержания воздуха в топливе самолета или автомашины, который выбран в качестве прототипа [8]. 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 в электронный блок для наблюдения частотной характеристики и измерения резонансной частоты. Эта частота является измеряемым параметром и после калибровки позволяет определить названные выше параметры топлива.
Недостатком известного устройства является невысокая точность получаемого значения диэлектрической проницаемости при наличии значительных потерь энергии электромагнитного поля в топливе.
Указанный недостаток объясняется невозможностью измерить с достаточной точностью резонансную частоту при изменении диэлектрической проницаемости топлива, имеющего значительные потери, так как добротность резонатора становится низкой.
Техническим результатом заявленного устройства является повышение точности определения влажности почвы за счет более точного измерения ее диэлектрической проницаемости, в том числе при наличии значительных потерь энергии для больших значениях влажности.
Технический результат для устройства достигается тем, что в известном устройстве, содержащем корпус, спиральный резонатор и электронный блок, 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 симметричной формы, внешний и внутренний, 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 заявленного устройства для определения влажности почвы показана на Фиг. 1 (а и б). На Фиг. 1а приведена общая конструкция, а на Фиг. 1б более наглядно показана форма контейнеров. В корпусе 1 спиральный резонатор 2 установлен на внутренней диэлектрической трубе 3, которая с помощью дисков 4 закреплена внутри внешней диэлектрической трубы 5, два контейнера из диэлектрика 6 и 7 симметричной формы, внешний и внутренний, 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 электронного блока, которых в общем случае две. Изменяя ориентацию зондов, можно получить одну резонансную кривую с максимальной добротностью. Этим самым устраняется влияние так называемого эффекта поляризационного вырождения в азимутально-симметричных колебательных системах.
Расположение проводника с замкнутыми концами показано на Фиг. 2 (а и б). Укладка проводника выполняется на отрезке полого диэлектрического цилиндра (Фиг. 2а). Форма уложенного проводника изображена на Фиг. 2б, для большей наглядности диэлектрический цилиндр не показан, а число витков выбрано небольшим. Реально используемый в устройстве спиральный резонатор содержит большее количество витков. Пример конкретного выполнения такого резонатора показан на Фиг. 3.
Устройство для определения влажности почвы используется по предложенному способу следующим образом.
1) При калибровке 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 в устройство. 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 предложенного устройства, отмечается значение резонансной частоты по электронному блоку и определяется влажность почвы по калибровочной кривой.
Отличие состоит в том, что вместо взвешивания образца почвы осуществляют отсчет резонансной частоты по электронному блоку, т.е. используют зависимость диэлектрической проницаемости почвы от ее влажности, на основе этой зависимости строят калибровочную кривую, по которой определяют влажность, что дает существенное повышение точности определение влажности почвы, а это имеет большое значение при решении многих задач в сельском хозяйстве, в частности для определения времени посева, агрохимии и при решении многих других актуальных проблем при решении задач импортозамещающей продукции и технологии.
Пример выполнения заявленного устройства, на котором были выполнены приведенные ниже измерения, представлен на Фиг. 4, на которой представлены: 1 - корпус, 2 - спиральный резонатор, 14 - измерительный блок, 15 - электронный блок, 16 - контейнер с образцом почвы, 17 - возбуждающий зонд, 18 - приемный зонд, 19 - синтезатор, 21 - усилитель, 21 - синхронный детектор, 22 - аналого-цифровой преобразователь, 23 - преобразователь данных, 24 - канал передачи данных, 25 - компьютер.
Апробирование заявленного изобретения проведены в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета и Публичного акционерного общества «Техприбор» г. Санкт-Петербург. Устройство имеет измерительный блок 14 и электронный блок 15, который является стандартным для измерения резонансной частоты и добротности резонатора в лабораторных условиях. Один из контейнеров с образцом почвы 16 располагается в корпусе 1 рядом со спиральным резонатором 2, так что образец почвы находится в поле резонатора при возбуждении последнего. Пустой контейнер при измерениях не используется и на фиг. 4 не показан. 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. 1). 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.
При проектировании заявленного устройства возможна приблизительная теоретическая оценка зависимости резонансной частоты спирального резонатора от относительной диэлектрической проницаемости внешней среды по аналогии с расчетом, выполненным в [8]. На Фиг. 5 представлен пример такой зависимости при использовании резонатора, показанного на Фиг. 3, имеющего средний диаметр полого диэлектрического цилиндра, на котором уложен медный провод, 40 мм, толщину диэлектрика 3 мм, диаметр провода 0.5 мм и высоту 20 мм. Указанный диапазон изменения относительной диэлектрической проницаемости внешней среды соответствует рассчитанному изменению влажности почвы от 0 до 10%. Методика такого расчета взята из работы [9].
При изготовлении предложенного устройства в заводских условиях для проведения работ по определению влажности почвы в поле электронный блок выполняется на основе известных электронных компонентов в виде компактного прибора с небольшим монитором без компьютера.
Были выполнены измерения, показавшие работоспособность предложенного устройства при его использовании для реализации предложенного способа. Диаметр внешней диэлектрической трубы равен 50 мм, высота корпуса 100 мм, его диаметр 200 мм.
Пример 1. Внешний контейнер заполнялся высушенной землей с дальнейшим добавлением воды для изменения влажности. Результаты измерений показаны на Фиг. 6 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. 7. 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.
Заявленное устройство свободно от недостатков устройства, принятого в качестве прототипа. Технико-экономическая эффективность изобретения 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 горизонта 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, 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.
Литература
1. Долгопятов P.M., Кац Р.И., Белнкоев В.В. Электрический датчик для измерения распределения влажности почвы по глубине. АС СССР №573743, 1977.
2. Комаров С.А., Миронов В.Л., Романов А.Н. и др. Дистанционный радиофизический способ определения влажности почвы. Патент РФ №2010219, 1994.
3. WILLS ROBERT H. Method and apparatus for measuring soil salinity. Заявка США №4646000, 1984.
4. Ясониди O.E., Путрина М.В., Сережников Д.И., Ясониди А.О. Способ определения влажности почвы. Патент РФ №2439559, 2010 (прототип для н.п. способа).
5. Ахобадзе Г.Н. Устройство для измерения влажности почвы. Патент РФ №2433393, 2010.
6. 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, T. XIV, №4, с. 562-569.
7. Совлуков А.С. Способ определения влажности вещества. Патент РФ №2468358, 2012.
8. 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 для н.п. устройства).
9. Lichtenecker К., Rother К. Die herleitung des logarithmischen mischungsgesetzes des allgemeinen prinzipien der stationaren stromung // Physikalishe zeitschrift. - 1931. - Bd 32, №6. - S. 255-260.