ПОЧВЕННЫЙ ВЛАГОМЕР

Полезная модель относится к сельскому хозяйству и может быть использована для определения влажности почвы при назначении поливов сельскохозяйственных культур.
В современном сельском хозяйстве при выращивании сельскохозяйственных культур на орошении используются автоматизированные системы полива, где соблюдение норм полива имеет очень важное значение для получения высокого урожая. Основой этих систем являются датчики влажности почвы, дающие информацию о количестве влаги в корнеобитаемом слое растений, что позволяет принимать обоснованные решения при назначении поливов в нужном количестве и в нужное время.
Зарубежные фирмы для измерения влажности почвы используют различные приборы и системы для контроля влажности почвы сельскохозяйственных растений. Например, фирма Valley для этих целей предлагает систему контроля влажности почвы Base Station 2-5 м, которая считывает данные о влажности почвы с датчиков Watermark и передает эти данные по запросу потребителей (каталог продукции Valley, RUS 10098 9/11).
В России до сих пор такие системы контроля влажности почвы в промышленном масштабе не выпускаются, а зарубежные приборы дороги, поэтому необходима разработка отечественных измерителей влажности почвы, недорогих, простых по конструкции и доступных каждому фермеру.
В качестве прототипа предлагаемой полезной модели выбран влагомер НН2-5М (Watch Dog Watermark Soil Moisture Sensor Product Manual Item # 6450WD) для измерения влажности почвы и грунта.
Прибор состоит из водопрочного корпуса с датчиками в виде игл из нержавеющей стали. С помощью этого прибора можно производить экспресс измерения влажности с точностью ±3% в диапазоне измерений 5-85%.
Недостатком прибора следует признать ограничение измерения влажности почвы по глубине, которая лимитируется длиной игл (датчиков) и возможных искажениях показаний при неплотном соприкосновении датчиков с почвой при экспресс измерениях. Таким прибором затруднительно измерить послойно влажность корнеобитаемого пространства растений, которое распространяется до 1 м и более.
В России для этих целей используется достаточно точный термостатно-весовой метод определения влажности почвы, при котором в корнеобитаемом пространстве растений послойно через каждые 10 см по глубине отбираются с помощью почвенного бура пробы почвы в трехкратной повторности и в лабораторных условиях с помощью известной методики определяется их влажность. Недостатком метода является его трудоемкость и достаточно длительное по времени получение результатов, что особенно затруднительно при определении влажности при больших площадях посевов.
Технической задачей полезной модели является разработка прибора для определения влажности почвы в корнеобитаемом пространстве растений послойно до глубины 1 м, что необходимо для определения запасов влаги в корнеобитаемом слое почвы.
Указанная задача достигается тем, что влагомер состоит из двух частей - датчика и регистрирующего устройства отображения показания уровней датчика по профилю влажности. Обе части соединяются двухжильным кабелем со штепсельными разъемами, поэтому одно регистрирующее устройство может обеспечивать последовательно съем информации о влажности каждого слоя с неограниченного количества стационарно установленных датчиков. Вследствие того, что датчики имеют постоянный контакт с почвой по всей поверхности чувствительной части, это исключает ошибки в показаниях прибора при неполном касании поверхности датчика с почвой.
Почвенный влагомер содержит датчик влажности и регистрирующее устройство. Датчик влажности состоит из пластмассовой трубы, на поверхности которой располагаются кольцевые чувствительные элементы из нержавеющей стали, количество которых определяется количеством уровней почвы, в которых определяется влажность; чувствительные элементы комплектуются по два изолированных промежутком кольца на каждый уровень; многопозиционного переключателя со шкалой; штепсельного разъема; защитной крышки; соединительного кабеля; регистрирующего устройства; при этом все нечетные кольца объединяются общим проводом, другой конец которого подсоединяется к первому контакту штепсельного разъема, а каждое четное кольцо по отдельности подсоединяется к контактным ламелям многопозиционного щеточного переключателя, контактная щетка которого подсоединяется ко второму контакту штепсельного разъема; контакты штепсельного разъема с помощью двухпроводного кабеля соединяются с регистрирующим устройством, состоящим из управляемого мультивибратора и частотомера, проградуированного в единицах влажности почвы.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами.
На фиг. 1 представлен общий вид датчика влажности почвы в разрезе. На фиг. 2 показана принципиальная электрическая схема влагомера.
Конструкция датчика влажности представлена на фиг. 1 и представляет собой пластмассовую трубу 1, на наружной поверхности которой располагаются кольцевые чувствительные элементы (электроды) 2 из нержавеющей стали. Их количество определяется количеством уровней почвы, на которых измеряется влажность. Чувствительные элементы группируются по два на каждый уровень, при этом все нечетные элементы объединяются общим проводом, другой конец которого присоединяется к первому контакту штепсельного разъема 3, а каждый четный элемент по отдельности подсоединяется к ламелям многопозиционного щеточного переключателя 4, щетка которого подсоединяется ко второму контакту штепсельного разъема. На переключателе крепится шкала 5, на которой обозначены положения переключателя, указывающие, какой чувствительный элемент в данный момент подключен к штепсельному разъему. Например, если переключатель стоит в положении 4, то к штепсельному разъему подводится пара чувствительных элементов четвертого уровня, с которой снимается информация о влажности с уровня глубиной 40 см, и так далее. Сверху труба 1 закрыта крышкой 10.
Вследствие того, что датчики имеют очень простое устройство из недорогих материалов и комплектующих, они закапываются на участках поля, где нужно определить профиль влажности почвы возделываемых культур на весь вегетационный период и обслуживаются последовательно одним регистрирующим устройством.
Принципиальная электрическая схема влагомера почвы представлена на фиг. 2 и состоит из датчика влажности фиг. 1, чувствительные элементы которого через многопозиционный переключатель 4 последовательно подсоединяются к штепсельному разъему 3, к которому подсоединяется двухпроводной кабель, последний подсоединяется к входу регистрирующего устройства 6, состоящего из управляемого мультивибратора 7 и частотомера 8, индикатор 9 которого проградуирован в значениях влажности почвы.
а
а
а
Устройство работает следующим образом. Датчик влажности можно представить как набор емкостей (конденсаторов), где в качестве обкладок являются кольцевые чувствительные элементы 2, а окружающая почва является межобкладочной средой с определенной диэлектрической проницаемостью ε. Поскольку диэлектрическая проницаемость почвы ε≤4 и остается постоянной, а диэлектрическая проницаемость воды ε=81, то суммарная диэлектрическая проницаемость почвы с водой будет определяться количеством воды в почве, а ее емкостное сопротивление переменному току определяется соотношением:
с
где Х - емкостное сопротивление, Ом;
ƒ - частота переменного тока, Гц;
С - емкость, Ф.
При включении в цепь обратной связи (к управляемому входу) мультивибратора 7 такого конденсатора такой емкости, на его выходе будут колебания переменного тока с частотой:
где R - активное сопротивление среды, Ом;
С - емкость чувствительных элементов и среды, Ф.
а
Принимая во внимание, что величина R цепи обратной связи постоянна R = const, получим частоту мультивибратора ƒ, изменения которой будут определяться ε, то есть количеством воды в почве. Измеряя эту частоту частотомером 8, проградуированным в единицах влажности, получим искомую величину влажности почвы данного слоя. Градуировка устройства производится с помощью термостатно-весового метода определения влажности почвы.
Таким образом, устанавливая переключатель 4 на то или иное положение, снимается информация о влажности выбранных слоев почвы, а обходя участки посевов сельскохозяйственных культур и подключаясь с помощью штепсельного разъема 3 к установленным датчикам влажности, с помощью регистрирующего устройства 6 снимается информация о влажности на выбранных участках.