Электрический датчик для измерения распределения влажности почвы по глубине

Электрический датчик для измерения распределения влажности почвы по глубине

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Своа Советскмн

Соцналнстммескнн тнеспублик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

И АВТОРСКОМУ СВЙДВЯДЬСТВУ (6l) Дополнительное к авт. сеид-ву(22) Заявлено 04.01.76(2е) 2309380/25 с присоединением заявки № (23) Приоритет— (и) 573743 (5)) М. Кл.

G 01N 27/22

Гасударстееннмй накнтет

Соната Мнннстраа СССР на делам нзобретеннй н атнрмтнй (43) Ооубллковавоаб.09.77.6ккллеаееь № 35 (45) Дата опубликования описания 02.11.77 рз удк 820.1Ы..33 (0888 ) (72) Авторы изобретении

Р. М. Долгопятов, Л. И. Кап и В. В. Беликеев

1 а

l в б !

С аратовский филиал Научно-производственного объединения

"Ar p оприбор» (71) Заявитель

J (54) ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДАТЧИК ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ

ПО ГЛУБИНЕ

Изобретение относится к области измерения влажности электрическими методами, о нованными на зависимостн электрическихпараметров (диэлектрической проницаемости, сопротивления и т.п.) яа:следуемого объекта от величины -одержашейся в нем влаги, и может быть использовано для определения влажности почвы в естественных условиях, Известен датчик для измерения влагопроводности влажных сыпучих материалове Йат:. к представляет собой два коаксиальных ,:илиндра, набранных из чередуюшихся контактных и изоляционных колец, расположенных одно против другого и образуюших пары электродов, между которыми помешается спрессованный исследуемый материал.

При помоши такого датчика можно измерять влагопроводность только налабораторных образцах, специально запрессованных в датчик, которые часто не соответствуют по сво >О ей структуре реальному объекту, Кроме того, датчики такого типа неприменимы для измерения распределения влажности по глубинок обладают большой погрел- д ностью и не обеспечивают достаточной воспроизводимости.

Ближайшим к изобретению техническим решением является датчик рассеянного пола.

Его характерной особенностью является односторонний контакт с исследуемым материалом и наличие поля в тонкой приэлектродной области., л акой датчик обычно представляет собой ячейку с плоскими электрически изолированными друг от друга концентрическими колтиевыми электродами, расположенными на дне ячейки, причем ширина электродов приблизительно равна расстоянию между ними.

Этот датчик позволяет измерять суммарный эффект в приэлектродной области практически независимо от уплотнения язмеряемой среды. Однако он не позволяет проводить локальные измерения влажности с доо таточной точностью, так как дает усреднен ную величину измеряемого параметра по плошади датчика.

Мелью изобретения является разработка конструкций датчика для измерения распределения влажности почвы по глубине, кот<

573743 рый обладал бы более высокой точностью локальных измерений.

Эта цель достигается тем, что датчик согласно изобретению выполнен в виде набора соосно расположенных идентичных цилиидрических электродов, разделенных д??эпект риком, причем. где E .длина цилиндрического электрода;

r„- его внешний радиус.

На фиг, Х изображен предлагаемый дат чик, развез; на фиг. 2 - упрощенная электрическая схема датчика„

Датчик включает стержень 3 с конической насадкой 2, играющий роль крепежного элемента, цилиндрические электроды 3, диэлектрические шайбы 4 с отверстиями 5 для электрического соединения с измерительной схемой, рукоятку 6, изоляционное покрытие

7, переключатель 8, Датчик работает следующим образом.

C помощью переключателя 8 s копебательный контур основного генератора включается конденсатор, образованный двумя соседними цилиндрическими электродами датчика. Благодаря укаэанному подбору геометрических размеров электродов поле такого конденсатОра оказывается локализованным в горизонтальной плоскости, проходящей через диэлектрическую шайбу, разделяющую два данны? соседних цилиндра.

Изменение влажности почвы вызывает изменение ее эффективной диэцектрической проницаемости, что приводит к пропорциональному изменению емкости конденсатора. Этот процесс в свою очередь вызывает расстройку контура и появление биений при сложении колебаний данного контура с колебаниями контура гетеродина. Далее проводят расстройку эталонного конденсатора контура ? етеродина до устранения биений и по величине расстройки эталонного конденсатора определяют величину изменения влажности.

Электрическая схема датчика, приведе»ная на фиг. 2, поясняет принцип его работы.

Датчик включен в контур ИЧ -генератора, диапазон которого характеризуется малыми диэлектрическими потерями для почвы. Па датчик подается электромагнитный сигнал высокой частоты, ДиэлеКтрическое покрытие цилиндрических электродов позволяет снизить эф к.кт проводимости и увеличить чисто емкостпый эффект.

Схема работает по методу измерения ?àñтоты биений. Датчик подключается параллельно перестраиваемому эталонному коцдецсатору, Пере?ц?ючатель позволяет подключать х контуру генератора лкЖую пару цилиндрических электродов, что дает воэможность иэ мерять Я1 и ?.-„, соответственно в гориэо?стальных плоскостях Х и Й.

Минимапьнаи СВЯЗЬ междУ соседии?»?и о пастями, т.е. пространственное разделение измеряемых значений влажности почвы (диэлектрической проницаемости) достигается путем соответствующего выбора геометри 0 ческих размеров цилиндрических электродов.

Для расчета взаимного влияния отдельных конденсаторов, образованных двумя пс парно расположенными цилиндрами, рассмот р им п ол я, с оздаваемые рассматриваемыми электродами. Потенциал в любой точке М э ?" ) определится выражением ро Здесьдс - эквивалентный точечный заряд;

p - радиус-вектор рассматриваемой точки.

Полный потенциал, создаваемый в рассматриваемой точке двумя цилиндрами (I и ll), после интегрирования по всей прверхности, 25 на которой сосредоточены заряды, будет иметь вид ц?= ц-р Arsh — -Arsh ) prsh — -Arsh

z-e zi (. Z-e-d z-2 -сб

r r г ?

30 . Для перехода к напряженностям поля воспользуемся соотношением Е= -grad>

В рассматриваемом нами приближении (цилиндрические электроды рассматриваются

35 как точечные заряды) точность полученных соотношений возрастает с увеличением р

Одновременно с этим меняется структура по1 ля.,Деиствительно, так как Er р, то на значительном расстоянии будет существовать

40 только одна компонента поля Е

Взаимное влияние двух соседних конденсаторов будем рассматривать как отношение поля Е, создаваемого одним конденсатором, и поля Eq создаваемого в этой же точке соседним конденсатором, Если иметь в виду, что нас интересует случай слабого взаимного влияния конденсаторов, то указанное соотношение имеет смысл рассматривать в приближении (— „)и (-

50 о

Если обозначить отношение - -= х, то

-?о влияние соседних электродов, выраженное че:Ех реэ соотношение -, будет функцией двух параметров X u

?Ъ

Зададим величину взаимного влияния: пусть

Еz

=0,03, т.е. измерение в данном

<2 горизонтальном слое проводится с точностью

»е хуже 37. Получим в этом случае квадбо ратное уравнение относительно х при выбоан57374Э

5 ном / " как параметре., Это уравнение при

cr выбранной точности будет иметь вид: р,оз z о

Йля каждого значения заданной точйости можно получить свое уравнение, связываюшее рассматриваемые параметры, Естественно, что для локализации поля

Необходимо, чтобы d(<5 . Таким образом, если считать удовлетворительной точность

3-57, то1выбранные размеры датчика оказываются связанными соотношением — )0 о

Расчет отдельной ячейки при -р- = 10 и

0 при измерении диэлектрической проницаемости почвы в пределах 6= 5-20 дает значение емкости в пределах от 100 до 220 пкф.

Так как современные методы измерения емкости по изменению .ухода частоты, поз-. воляют уверенно измерять емкость порядка

1 пкф, то точность измерения влажности почвы в точке;может быть обеспечена в пределах 1%. Это. в 7-8 раз превышает точность измерения влажности с помошью плос ких ячеек с кольцевыми или ленточными электродами .

Таким образом, предложенная конструкция датчика позволяет измерить распределение влажности по глубине с любым заданным интервалом с точностью до 1%.

ig Формула изобретения

Электрический датчик для измерения распределения влажности почвы по глубине, состояший из набора металлических электродов, разделенных диэлектриком, и измерительной 5 схемы, о т л и ч а ю ш и и с я тем, что, с целью повышения точности локальных измерений, он выполнен в виде набора соосно расположенных идентичных цилиндрических электродов, разделенных диэлектриком, причем — 10 °

К о где - длина цилиндрического электрода, а Т, - его внешний радиус,, 25

573743

Составитель А. Волков

Текред В. Куприянов Корректор А, Лакида

Редактор Г. Котельский

Филиал ППП "Патент", r, Ужгород, ул -Проектная, 4

Закаэ 3755/34 Тираж 1101 Подписное

0НИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, 35, Раушская наб„д, 4/5