Бесконтактный измеритель влажности почвы

Бесконтактный измеритель влажности почвы относится к технике измерения свойств материалов и сред. Бесконтактный измеритель влажности почвы содержит последовательно соединенные: генератор высокой частоты, цепь связи, резонансный измерительный контур, амплитудный детектор, дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, устройство выборки-хранения, вычислительное устройство, и регистратор, модулятор частоты генератора и частотомер, подключенный ко второму входу устройства выборки-хранения. Индуктивный элемент измерительного контура выполнен в виде круглой рамочной антенны, находящейся на поверхности почвы, радиус которой выбран из условия b=0,8h, где h - толщина исследуемого слоя почвы, независящая от влажности почвы. Это позволяет осуществить единую градуировку бесконтактного измерителя влажности почвы в широком диапазоне влажности и определить вертикальный профиль влажности с помощью набора рамочных антенн различного радиуса.

Заявляемая полезная модель относится к технике измерения свойств материалов и сред, в частности влажности почвы, путем определения их электрических параметров, функционально связанных с измеряемыми и может быть использована в агрометеорологии, сельском хозяйстве, строительстве.

Известен электрический датчик для измерения распределения влажности почвы по глубине [1], содержащий ряд вертикально расположенных конденсаторов, заглубленных в почву и схему измерения. Выбором геометрических размеров и формы конденсаторов, заглубленных в почву, обеспечивается локализация электрического поля в горизонтальной плоскости. Емкость конденсатора, включенного в измерительный контур, определяется диэлектрической проницаемостью почвы, а, следовательно, и ее влажностью. Подстройкой конденсатора в контуре гетеродина добиваются равенства резонансных частот обоих контуров, и по изменению емкости этого конденсатора определяют влажность почвы. Недостатком данного устройства является низкая точность измерения. Она обусловлена низкой добротностью измерительного контура из-за большого тангенса потерь вносимой емкости, а также нарушением естественной структуры почвы при заглублении датчика.

Известен диэлькометрический измеритель [2], в котором обеспечивается независимость результатов измерения вносимой емкости от активных потерь в почве. Эта цель достигается путем регулировки двух фазосдвигающих цепей. Недостатком измерителя является сложность схемы обработки сигнала. Измеритель не обеспечивает вертикального профиля влажности почвы.

Прототипом заявляемого устройства является измеритель влажности [3], содержащий СВЧ-генератор, цепь связи в виде направленного ответвителя, СВЧ-генератор, связанный с исследуемым материалом посредством электромагнитного поля, СВЧ-детектор и регистратор. Добротность резонатора определяется потерями, вносимыми со стороны исследуемого материала, зависящими от его влажности. Уровень сигнала на выходе СВЧ-детектора пропорционален добротности резонатора. С помощью модулятора частоты СВЧ-генератора и обработки выходного сигнала СВЧ-детектора обеспечивается независимость результата измерений от ряда неконтролируемых параметров: нестабильности мощности СВЧ-генератора и крутизны детекторной характеристики, непостоянства размещения СВЧ-резонатора над исследуемым материалом.

В прототипе зависимость между регистрируемой величиной-добротностью резонатора Q и влажностью материала, в частности, W имеет сложный многофакторный характер. Добротность резонатора непосредственно зависит от количества влаги, находящегося в исследуемом слое материала заданной толщины. В свою очередь, эффективная глубина проникновения СВЧ-поля в исследуемый материал зависит от его проводимости, а, следовательно, и влажности. Кроме того, измеряемое регистратором напряжение на СВЧ-резонаторе определяется, наряду с его добротностью, смещением резонансной частоты. Это смещение обусловлено вносимой реактивностью, которая также зависит от влажности материала. Наличие сложной зависимости Q(W) приводит к искажению принятой градуировки измерителя влажности при ее использовании в широком диапазоне значений влажности. Таким образом, недостатком прототипа является низкая точность измерения влажности материала, в частности почвы. Кроме того, измеритель влажности не обеспечивает определение вертикального профиля влажности почвы.

Целью заявляемой полезной модели является повышение точности измерения влажности почвы и определения вертикального профиля влажности.

Суть предложения состоит в том, что в измеритель влажности, содержащий последовательно соединенные: генератор высокой частоты, цепь связи, резонансный измерительный контур, амплитудный детектор, модулятор частоты, подключенный к управляющему входу генератора высокой частоты, и регистратор, введены последовательно соединенные: дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, устройство выборки хранения и вычислительное устройство, частотомер, выход которого подключен ко второму входу устройства выборки хранения, при этом, первый и второй выходы амплитудного детектора подключены соответственно к первому и второму входам дифференциального усилителя, выход генератора высокой частоты подключен также ко входу частотомера, а выход вычислительного устройства - ко входу регистратора, причем индуктивный элемент резонансного измерительного контура выполнен в виде круглой многовитковой рамочной антенны, размещенной на поверхности почвы, радиус которой выбран из условия b=1,2h, где h - толщина исследуемого слоя почвы, рамочная антенна подключена симметрично к выходу цепи связи и ко входу амплитудного детектора.

Докажем существенность отличий предложенного технического решения от известных. В известных СВЧ-измерителях влажности, использующих взаимодействие в волновой зоне электромагнитного поля с исследуемым материалом, эффективная глубина проникновения поля в материал определяется его электрическими параметрами: проводимостью и относительной диэлектрической проницаемостью _r, а также рабочей частотой f:

где - толщина скин-слоя, - тангенс угла диэлектрических потерь в материале, - рабочая длина волны. Параметр характеризует эффективную глубину проникновения электромагнитного поля в материал, при которой амплитуда напряженности электрического поля уменьшается в е раз. Это взаимодействие приводит также к смещению резонансной частоты резонатора из-за вносимой реактивности.

Таким образом, зависимость между регистрируемым параметром-добротностью резонатора Q и влажностью материала W имеет сложный многофакторный характер. Во-первых, зависимость Q(W) определяется количеством влаги, находящейся в исследуемом слое материала заданной толщины. Во-вторых, сама толщина исследуемого слоя зависит от влажности через величины и _r формуле (1). В-третьих, смещение резонансной частоты СВЧ-резонатора влияет на результат измерения его добротности и также определяется влажностью материала. В результате, затрудняется градуировка измерителя в широком диапазоне влажностей, что приводит к ошибкам измерения.

Принципиальное отличие заявляемого бесконтактного измерителя влажности почвы заключается в том, что исследуемый материал-почва, находится в зоне индукции излучающей рамочной антенны. В этом случае, как показано в [4], эффективная глубина зондирования h почвы для частот ниже 30 МГц определяется только геометрией антенны, и практически не зависит от проводимости почвы и частоты генератора, но возрастает с высотой подвеса антенны, переходя в пределе в формулу (1). Соотношение h=1,25b справедливо до высоты подвеса рамочной антенны в 5 см., то есть для антенны расположенной практически на поверхности почвы с учетом ее неровностей. При такой высоте подвеса добротность рамочной антенны имеет стационарную точку, соответствующую ее минимуму, за счет действия двух противоположных факторов: вносимые потери уменьшаются с увеличением высоты подвеса антенны, но уменьшается и вносимая реактивность, что несколько увеличивает резонансную частоту контура, а с ней и вносимые активные потери. Эффективная глубина проникновения электрического поля в почву по уровню 90% рассеивания мощности ближнего поля антенны равна h=0,625d, где d=2b - диаметр антенны. Наличие единой зависимости h(d) и стационарность добротности антенного контура позволяют осуществить точную градуировку измерителя в широком диапазоне влажностей почвы. Кроме того, заявляемое устройство позволяет проводить измерение вертикального профиля влажностей почвы за счет использования рамочных антенн различного диаметра. В известных устройствах [1] для измерения вертикального профиля влажности требуется пробурить скважину в почве на заданную глубину.

Другое отличие заявляемого бесконтактного измерителя влажности почвы от прототипа заключается в использовании симметричного подключения рамочной антенны в измерительную цепь. Это позволяет минимизировать величину емкости вносимой в контур антенны. В процессе полевых испытаний вносимая емкость не превосходила 1 пФ. Смещение резонансной частоты контура под действием вносимой реактивности не влияет на результат определения добротности, поскольку измеряется как новая резонансная частота , так и ширина резонансной кривой f'. Добротность контура вычисляется по формуле Q=/2f'. В известных устройствах [5, 6] наличие вносимой емкости вызывает необходимость ее компенсации, а низкая добротность этой емкости приводит к дополнительным потерям в контуре и снижению точности измерений влажности почвы.

Работа бесконтактного измерителя влажности почвы поясняется следующими чертежами:

фиг.1, на которой изображена функциональная схема бесконтактного измерителя влажности почвы;

фиг.2, на которой изображена принципиальная электрическая схема аналоговой части бесконтактного измерителя влажности почвы;

фиг.3, на которой изображена эквивалентная схема резонансного измерительного контура.

Бесконтактный измеритель влажности почвы (фиг.1) содержит последовательно соединенные: генератор высокой частоты 1; цепь связи 2; резонансный измерительный контур 3 с индуктивным элементом в виде круглой рамочной антенны, размещенной на поверхности почвы, радиус b которой выбран из условия b=0,8h, где h - толщина исследуемого верхнего слоя почвы; амплитудный детектор 4; дифференциальный усилитель 5; аналого-цифровой преобразователь 6; устройство выборки-хранения 8; вычислительное устройство 9 и регистратор 10; модулятор частоты 11, выход которого подключен к управляемому выходу генератора 1 высокой частоты; и частотомер 7, выход которого подключен ко второму входу устройства выборки-хранения 8, при этом выход генератора 1 высокой частоты подключен также ко входу частотомера 7, рамочная антенна подключена симметрично к выходу цепи связи 2 и входу амплитудного детектора 4, выходы которого подключены симметрично ко входам дифференциального усилителя 5.

Бесконтактный измеритель влажности почвы работает следующим образом. Синусоидальное напряжение с генератора высокой частоты 1 через цепь связи 2 поступает на резонансный измерительный контур 3. В качестве цепи связи 2 использован трансформатор, два конденсатора С2 и С3 и два резистора R1 и R2 (фиг.2). Таким образом, обеспечивается симметричное питание измерительного контура 3 от генератора 1. Измерительный контур 3 работает вблизи выбранной резонансной частоты . Для обеспечения равенства резонансных частот контуров с рамочными антеннами различного радиуса использованы сменные высокодобротные конденсаторы С4. Для связи измерительного контура 3 с детектором 4 использованы емкости С5 и С6. Начальное значение добротности измерительного контура Q150.

При размещении измерительного контура 3 на поверхности почвы измеряются его резонансная частота и добротность. Для определения нового значения добротности проводится перестройка частоты генератора 1 в соответствии с управляющим сигналом модулятора частоты 11. Управляющее напряжение модулятора изменяет емкость варикапа C1, включенного в колебательный контур генератора 1. Указанная перестройка частоты генератора происходит в пределах, заведомо перекрывающих частотный диапазон , где - резонансная частота контура 3 над почвой с учетом вносимого активного и реактивного сопротивлений, - добротность антенны над почвой, 2f' - ширина резонансной кривой по уровню . При максимальной влажности почвы для антенны b=0,4 м сдвиг резонансной частоты составляет , а добротность Q'5. Требуемый диапазон перестройки частоты генератора составляет 17-22 МГц. В процессе перестройки частоты генератора 1 на входе устройства выборки - хранения 8 поступает в цифровой форме текущее значение частоты генератора 1 через частотомер 7 и соответствующего им значения выпрямленного детектором 4 напряжения на контуре 3 через дифференциальный усилитель 5 и аналоговый преобразователь 6. Дифференциальный усилитель 5 обеспечивает симметричное подключение амплитудного детектора по его выходу. В вычислительном устройстве 9 из полученного массива значений напряжения выбирается максимальное U_max и два значения напряжения . Соответствующие этим напряжениям значения частоты генератора 1 используются для вычисления эквивалентной добротности контура 3: Q'=/2f'. Эквивалентную добротность Q' измерительного контура 3 можно рассчитать с помощью его эквивалентной схемы (фиг.3) [7].

где - волновое сопротивление измерительного контура; R - сопротивление излучения круглой рамки; R_f - омическое активное сопротивление антенного провода с учетом поверхностного эффекта и эффекта близости; R_p - вносимое сопротивление потерь в индуктивность антенного контура со стороны почвы; - приведенное значение сопротивления потерь вносимой емкости; R_i - сопротивление источника напряжения - цепи связи 2; R_d - сопротивление детектора 4 переменному току.

Волновое сопротивление измерительного контура 3 определяется по формуле:

где L₀ - собственная индуктивность рамочной антенны; L_g - вносимая индуктивность со стороны почвы; С₀ - собственная емкость рамочной антенны; С₄ - настроечная высокодобротная емкость; С_р - вносимая емкость со стороны почвы.

При изменении влажности почвы изменяются величины R_p, , R, L_g, C_p. Начальная резонансная частота f₀, конструкция датчика, питание измерительного контура 3 выбраны таким образом, что .

Проводимость почвы связана с величиной вносимых потерь соотношением [4]:

где N - число витков рамочной антенны, а связь проводимости почвы с ее влажностью хорошо апроксимируется зависимостью вида

где С и D - коэффициенты, определяемые типом почвы и внешними условиями [4].

Из (5) с учетом (4) и (2) получим

Известно, что все электромагнитные методы реагируют на начальный уровень влажности почвы, соответствующий максимальной гигроскопичности W_M [8]. Этот уровень определяется в агрометеорологии для конкретного типа почвы. Поэтому, константа D' определяется следующим соотношением , где Q₀ - начальная добротность конкретного датчика влажности.

Таким образом, уравнение связи влажности почвы с измеренным значением добротности измерительного контура имеет вид .

Перед началом измерений, в память вычислительного устройства 9 вводятся параметры C', W_M, Q ₀. Результат определения влажности выводится на регистратор 10.

Устройство питается от автономного источника питания.

Бесконтактный измеритель влажности почвы реализован в виде действующего макета с ручной перестройкой частоты. Генератор 1 высокой частоты (фиг.2) собран на полевом транзисторе VT1 типа КП303. Частотные свойства генератора определяются контуром, состоящим из первичной обмотки трансформатора и варикапа С1 типа КВ121А. Перестройка генератора 1 осуществляется подачей на варикап напряжения от специального источника постоянного напряжения через резистивный делитель. Трансформатор выполняет также функции цепи связи 2 с коэффициентом включения измерительного контура k=1:3. Трансформатор представляет собой ферритовое кольцо К7Х4Х2 типа ВЧ30, первичная и вторичная обмотки содержат по 15 витков медного провода диаметром 0,14 мм.

Резонансный измерительный контур 3 выполнен в виде параллельного соединения круглой рамочной антенны и высокодобротного конденсатора С4. Антенны изготовлены из медной трубки диаметром 2а=8 мм, покрытой полихлорвиниловой изоляцией. Параметры использованных рамочных антенн на воздухе для измерения влажности почвы в слоях 0-20 см, 0-50 см, 0-100 см приведены в табл.1.

Таблица 1
рамки	b, м	N	L0, МкГ	С0, пФ	Rf+R, Ом	, МГц	f 0, МГц	Q 0
1	0,16	1	0,81	9,7	0,054	56,78	20	200
2	0,40	1	2,48	21	0,28	22,05	20	160
3	0,80	1	5,66	37,9	0,322	10,87	10	110

В табл.1 - частота собственного резонанса рамочной антенны.

В процессе полевых испытаний рамочная антенна размещалась на поверхности сильно увлажненной почвы с параметрами _r=20, =10^-1 (Ом·м)^-1. Расчетные значения параметров рамочных антенн и измеренные значения добротности Q' измерительных контуров помещены в табл.2.

Таблица 2
рамки	R p, Ом	Q L	, пФ	, Ом	Q с		, МГц	Q'
1	3,0	80	0,8	1,0	720	72	19,7	68
2	5,2	19	1,0	0,062	1400	19	19,9	20
3	41,5	6,0	0,9	1,2	210	5,8	9,7	5,3

В табл.2 Q_L и Q_с - добротности индуктивного и емкостного элементов контура, - расчетное значение добротности контура над почвой. Значения Q_L и Q_c рассчитывались по формулам:

.

Значение рассчитывалось по формуле (2). Измеренные и расчетные значения добротностей измерительного контура над почвой хорошо совпадают, что позволяет сделать вывод о возможности обратного пересчета значений добротности Q' в проводимость почвы и далее в значение ее влажности W.

Амплитудный детектор выполнен на четырех диодах типа КД514 с симметричным выходом через дифференциальный усилитель 5, собранный на микросхеме 544УД1. Входное сопротивление детектора составляет R_Д =340 кОм. Линейный режим работы детектора обеспечивается во всем диапазоне возможных значений добротности Q'. Аналого-цифровой 6 преобразователь выполнен на микросхеме 572ПВ2. Функциональные блоки: модулятор 11, частотомер 7, устройство выборки-хранения 8, вычислительное устройство 9 выполнены на микропроцессоре 1821 ВМ85. Регистратор 10 выполнен на 4^x-разрядном индикаторе ИЖЦ-5-4/8. Автономное питание осуществляется от шести элементов типа 373. Общее потребление устройства 3 Вт.

Предлагаемый бесконтактный измеритель влажности почвы обеспечивает большую точность измерения, по сравнению с прототипом, за счет стабилизации глубины зондирования почвы. В прототипе глубина зондирования СВЧ-поля в почву определяется ее проводимостью. Вследствие чего, имеет место сложная многофакторная зависимость измеряемого параметра - добротности СВЧ-резонатора от влажности почвы. При этом, затрудняется градуировка измерителя в широком диапазоне влажностей почвы, что снижает точность измерения. Кроме того, вносимая со стороны почвы реактивность, смещает резонансную частоту СВЧ-резонатора, и, также, является причиной изменения выходного напряжения СВЧ-детектора. В результате, возникают ошибки в определении добротности резонатора. В предлагаемом устройстве, взаимодействие электромагнитного поля с почвой происходит в пределах зоны индукции излучателя. В этом случае глубина зондирования жестко связана с размером используемой круглой рамочной антенны измерительного контура и практически не зависит от проводимости почвы и рабочей частоты. Бесконтактный измеритель влажности почвы допускает единую градуировку W(Q') во всем диапазоне возможных значений влажности почвы. Кроме того, в предлагаемом бесконтактном измерителе влажности почвы исключено мешающее влияние вносимой реактивности. Это сделано за счет минимизации влияния величины вносимой емкости при симметричном подключении измерительного контура, а также за счет использования соотношения Q= /2f' при расчете добротности. Стабилизация глубины зондирования почвы позволяет определить вертикальный профиль влажности почвы путем использования рамочных антенн различного радиуса. Для повышения точности измерений влажности рамочная антенна размещается на расстояниях 2-5 см от почвы, т.е. практически на ее поверхности, где добротность измерительного контура стационарна, т.е. имеет минимум. В предлагаемом бесконтактном измерителе влажности почвы обеспечивается вывод результата измерения непосредственно в виде численного значения влажности почвы в объемных процентах за счет использования микропроцессора. Бесконтактный измеритель влажности почвы работает от автономного малогабаритного источника питания, что позволяет использовать его в полевых условиях.

Список используемой литературы

1. А.с СССР 573743, бюлл. 35, 1977;

2. А.с. СССР 1260814, бюлл. 36, 1986;

3. А.с. СССР 1317340, бюлл. 22, 1987;

4. Кузьмин Ю.И. Бесконтактный датчик влажности на основе горизонтальной рамочной антенны. Труды ВНИИСХМ, вып.20, 1986, с.27-40;

5. Патент США 3231814, 1986;

6. А.с. СССР 1056029, бюлл. 43, 1983;

7. Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники/Под редакцией Б.Х.Кривицкого. - М.: Энергия, т.2, 1977;

8. Кузьмин Ю.И., Малахова С.М. О возможности определения продуктивных влагозапасов метрового слоя почвы путем измерения сопротивления потерь. Труды Ленингр. Гидрометеоцентра, вып.2(15), 1985, с.86-91.

Бесконтактный измеритель влажности почвы, содержащий последовательно соединенные: генератор высокой частоты, цепь связи, резонансный измерительный контур с индуктивным элементом и амплитудный детектор, модулятор частоты, подключенный к управляющему входу генератора высокой частоты, и регистратор, отличающийся тем, что в состав измерителя дополнительно введены последовательно соединенные: дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, устройство выборки - хранения, вычислительное устройство и частотомер, выход которого подключен ко второму входу устройства выборки - хранения, при этом первый и второй выходы амплитудного детектора подключены соответственно к первому и второму входам дифференциального усилителя, выход генератора высокой частоты подключен соответственно к первому и второму входам дифференциального усилителя, выход генератора высокой частоты подключен также ко входу частотомера, а выход вычислительного устройства - ко входу регистратора, причем индуктивный элемент резонансного измерительного контура выполнен в виде круглой рамочной антенны, размещенной на поверхности почвы, радиус b которой выбран из условия h=1,25b, где h - толщина исследуемого слоя почвы, рамочная антенна подключена симметрично к выходу цепи связи и ко входу амплитудного детектора.