Способ мониторинга почвенной структуры

Авторы патента:

Кириченко Анатолий Валентинович (RU)

Егоров Юрий Валентинович (RU)

Судницын Иван Иванович (RU)

Бобков Алексей Викторович (RU)

G01N27/22 - путем измерения электрической емкости

Владельцы патента RU 2469302:

Кириченко Анатолий Валентинович (RU)
Судницын Иван Иванович (RU)
Егоров Юрий Валентинович (RU)
Бобков Алексей Викторович (RU)

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано в агрономических целях для наблюдения за состоянием почвенного покрова. Предложен способ мониторинга структуры почвы, при котором периодически измеряют влажность естественной почвы термостатно-весовым методом. Согласно изобретению измеряют емкость почвенного датчика с изолированными электродами на частоте от 50 кГц до 1 МГц и рассчитывают коэффициент пропорциональности (k₁) между относительными изменениями емкости и влажности естественной почвы, определяют величину соответствующего коэффициента (k₂) между относительными изменениями емкости и влажности той же почвы с разрушенной структурой, делят величину k₁ на k₂ и получают показатель структурности естественной почвы. Предлагаемый метод позволяет не только осуществлять мониторинг структуры почвы, но и оценивать ее исходную структурность путем сравнения с такой же почвой разрушенной структуры. 2 ил., 1 табл.

Предлагаемое изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано в агрономических целях для наблюдения за состоянием почвенного покрова.

Агрономически ценными считаются водопрочные структурные агрегаты почвы диаметром 10-0,25 мм, аккумулирующие воду, между которыми содержится воздух, необходимый для дыхания корней.

При использовании тяжелой сельскохозяйственной техники и поливе минерализованной водой структура почвы разрушается. Деструктивные процессы протекают медленно (в течение многих лет), поэтому для сохранения и восстановления структуры почвы необходимо проводить ее мониторинг, т.е. непрерывно наблюдать за ее агрегатным состоянием непосредственно в естественных условиях.

Для оценки качества структуры почвы существуют методы, большинство из которых основано на разрушении агрегатов в лабораторных условиях [4].

1. По методу Н.А.Качинского определяют «фактор дисперсности» по (К): К=(а/б)·100%, где а - содержание ила при микроагрегатном анализе, б - содержание ила при гранулометрическом анализе почв.

2. По методу Фиглера определяют «фактор структурности (К_ф): К_ф=(б-а)/б·100%.

3. По методу А.Ф.Вадюниной на основании результатов гранулометрического анализа почв определяют «гранулометрический показатель структурности» (P): для гумусных почв P_с=(a+b)/c·100%, для малогумусных почв P=a/(b+c)·100%, где a, b и c соответственно содержание в почве (в %) ила, мелкой пыли, средней и крупной пыли.

4. По методу Д.Г.Виленского определяют водоустойчивость отдельных агрегатов путем действия на них капель воды. Водоустойчивость агрегата определяется количеством воды, потребной для его полного размыва. Из данных по 50 агрегатам выводится средняя величина их водоустойчивости.

5. По методу П.И.Андрианова измеряют количество расплывшихся агрегатов в стоячей воде через различные интервалы времени. Показатель водопрочности рассчитывают по формуле: ,

где a, b, n - количество агрегатов, распавшихся в минуту, k₁, k₂, k_n - поправочные коэффициенты.

6. Наиболее распространен метод сухого и мокрого просеивания, предложенный Н.И.Савиновым, который можно принять за прототип [8]. Для «сухого просеивания» образцы, отобранные в поле, сушат до воздушно-сухого состояния и затем последовательно просеивают через набор сит с отверстиями 10, 7, 5, 3, 2, 1, 0,5 и 0,25 мм. Оценку структуры производят по содержанию (P, %) агрономически ценных агрегатов размером 10-0,25 мм при помощи коэффициента структурности (K_стр.): К_стр=∑Р(10-0,25 мм)/∑Р(>10 мм, <0,25 мм).

Для определения водопрочности агрегатов проводят их «мокрое просеивание». Для этого из агрегатов сухого просеивания составляют среднюю пробу, замачивают ее в течение 10 минут в сосуде и затем, закрыв сосуд, 10 раз его переворачивают. После этого почву переносят в набор сит, находящихся в воде и скрепленных друг с другом в порядке убывания размера отверстий (5, 3, 2, 1, 0,5 и 0,25 мм). Набор сит погружают в воду, встряхивают 10 раз и определяют содержание фракций. По суммарному количеству агрегатов >0,25 мм при мокром просеивании оценивают их водоустойчивость: <10% - водоустойчивость отсутствует; 10-20 - неудовлетворительная; 20-30 - недостаточно удовлетворительная; 30-40 - удовлетворительная; 40-60 - хорошая; 60-75 - отличная; >75% - избыточно высокая.

Недостатком известного способа является то, что оценивается структура почвы не в ее естественном состоянии, а при ее разрушении с помощью различных внешних воздействиях. Недостатком является также высокая трудоемкость и длительность анализа.

Известны электрофизические методы для определения различных физико-химических свойств почв и грунтов, основанные на зондировании почвы электрическим током [6]. Однако до сих пор они не применяются для характеристики агрегатного состояния почвенной структуры и ее динамики в природных условиях.

Известны емкостные датчики для определения влажности почвы [1, 2, 7]. Они используются во влагомерах, работающих на частотах f=0,1-11 ГГц. Существует пропорциональность между емкостью датчика и содержанием влаги в почве. В предлагаемом способе электроемкостный метод используют для оценки почвенной структуры. Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что сравнивают коэффициенты пропорциональности между относительными изменениями емкости и влажности для естественной почвы (k₁) и той же почвы с разрушенной структурой (k₂). Измерения емкости датчиков проводят на частоте, лежащей в диапазоне 50 КГц - 1 МГц. Отношение коэффициентов k₁ и k₂ используют как показатель структурности исследуемой почвы. Возможен вариант, когда для получения коэффициента k₂, напротив, используют почву с ненарушенной, эталонной структурой. Сущность предлагаемого способа поясняется следующим. На фиг.1 показана схема прохождения тока в цепи измерительного электрода. Там же приведены удельные сопротивления проводящих сред на частоте 1 мГц [6, 3, 4, 5]. Позиции на фиг.1: 1 - металл электрода, 2 - изоляция, 3 - омическое сопротивление влаги на поверхности агрегата, 4 - емкостное сопротивление влаги, 5 - омическое сопротивление самого агрегата, 6 - его емкостное сопротивление. Самое большое сопротивление сосредоточено в изоляции электрода. Она служит диэлектриком конденсатора. Одной обкладкой этого конденсатора является металл электрода, другую обкладку образуют крупные капилляры и мениски жидкости в зоне контактов почвенных агрегатов с изоляцией. При увлажнении почвы капилляры заполняются влагой, мениски расширяются, увеличивается смоченная поверхность изоляции. Это эквивалентно увеличению площади второй обкладки конденсатора, отчего его емкость возрастает. Зона контактов оказывает наибольшее влияние на величину измеряемой емкости. Сопротивление почвы и воды существенно меньше, они фактически играют роль проводников, подводящих электрический ток к этому конденсатору. Бесструктурная почва, например влажная глина, прилегая к изоляции, занимает всю свободную поверхность. При высыхании глины в ее тончайших капиллярах создается отрицательное давление, стягивающее ее минеральные частицы в плотный конгломерат, облегающий поверхность электрода. Размер второй обкладки конденсатора максимален и почти не меняется в диапазоне доступной влаги. Емкость конденсатора велика, а чувствительность датчика, его коэффициент k₁ минимальны. При изменении влажности меняется лишь омическое сопротивление почвы 5 на фиг.1, но его сопротивление на порядок меньше сопротивления изоляции 2. Поэтому роль сопротивления 5 мала, оно почти не влияет на величину тока в этой схеме и на результат измерения емкости при изменении влажности. Реальные почвы фактически содержат как структурные, так и бесструктурные составляющие и в этом ряду занимают промежуточное положение. На фиг.2 показаны сравнительные изменения емкости датчиков в структурных и бесструктурных почвах при их иссушении. На горизонтальной оси указана объемная влажность почвы (г/см³), на вертикальной - емкость датчика (пФ). Черные индексы относятся к структурным почвам, белые - к бесструктурным. Датчиками служили отрезки изолированного провода ТРП длиной по 2 метра. Испытывались: дерново-подзолистая суглинистая почва, горизонт A (графики под №1-2); пойменная луговая гор. A, B, C (№3-8); перегнойная, суглинок, гор. A (№9-10). Участок почвы делился пополам. В одной половине структура сохранялась, на другой половине датчик помещался в растертую почву. Влажность почвы измеряли темостатно-весовым методом, емкость датчиков - при помощи прибора E7-9, работающего в диапазоне 50 кГц - 1 МГц. Определялись коэффициенты k₁, k₂, их отношение k_]/k₂. Результаты приведены в табл.1.

Таблица 1
Величина отношения k₁/k₂ для разных типов почв
Почва	Дерново-подзолистая	Луговая	Перегнойная
Суглинок
горизонт	A	A	B	C	A
K₁/k₂	2,85	12,3	4,62	3,2	9,3

Сопоставление коэффициентов показывает, что при разрушении значительно изменилась структура горизонта A луговой почвы и перегнойного суглинка, т.е. они исходно были хорошо структурированы. Дерново-подзолистая почва и горизонты B и C луговой почвы в меньшей степени изменили свои свойства, это свидетельствует об их слабой структурности. Таким образом, предлагаемый метод позволяет не только осуществлять мониторинг структуры почвы, но и оценивать ее исходную структурность путем сравнения с такой же почвой разрушенной структуры.

Срок службы датчиков из изолированного провода - несколько лет, что позволяет проводить долговременные наблюдения за состояние структуры почвы. Используемый диапазон частот 50 кГц - 1 МГц дает возможность существенно увеличить длину датчика (до нескольких десятков метров, не опасаясь возникновения резонансных явлений). За счет этого усредняют структурные неоднородности почвенного покрова вдоль протяжения датчика.

ЛИТЕРАТУРА

1. Баталов B.C. Диэлькометрический влагомер. Патент №2.254.569, G01N 27/22, 2005 г.

2. Башилов СМ. и др. Емкостный датчик влажности. Патент №2.167.414, G01N 27/22, 2001 г.

3. Бобров П.П., Мандрина В.Н. Диэлектрическая проницаемость почв лесотундровой зоны Красноярского края. http//WWW//edu/article/vestnik-omgpi.2006.6p

4. А.Ф.Вадюнина, З.А.Корчагина. Методы определения физических свойств почв и грунтов. М.: Высшая школа. 1961. С.68-81.

5. Зайдельман Ф.Р. и др. Практикум по курсу «Мелиорация почв». стр.22. М.: Изд. МГУ 2002 г.

6. Поздняков А.И. Электрофизические методы исследования почв (методическое пособие), стр.26,32. М.: МГУ. 2009 г.

7. Судницын И.И. и др. Устройство для измерения влажности почвы. Авт. свид. СССР №1.458.791, G01N 27/22, 1988 г.

8. Шеин Е.В., Карпачевский Л.О. Теории и методы физики почв. Стр. 97-103. М.: Изд.»Гриф и К». 2007 г. С.97-102.

Способ мониторинга структуры почвы, при котором периодически измеряют влажность естественной почвы термостатно-весовым методом, отличающийся тем, что измеряют емкость почвенного датчика с изолированными электродами на частоте от 50 кГц до 1 МГц и рассчитывают коэффициент пропорциональности (k₁) между относительными изменениями емкости и влажности естественной почвы, определяют величину соответствующего коэффициента (k₂) между относительными изменениями емкости и влажности той же почвы с разрушенной структурой, делят величину k₁ на k₂ и получают показатель структурности естественной почвы.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для оценки качества бензина. .

Способ определения внутренних напряжений // 2456586

Изобретение относится к технологии выполнения клеевых соединений, может использоваться при склеивании различных пород древесины и позволяет непрерывно контролировать внутренние напряжения, возникающие в процессе формирования клеевого соединения при обработке магнитным полем.

Устройство для измерения физических свойств жидкости // 2434229

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для высокоточного определения различных физических свойств (концентрации, смеси веществ, влагосодержания, плотности и др.) жидкостей, находящихся в емкостях (технологических резервуарах, измерительных ячейках и т.п.).

Устройство для измерения влажности почвы // 2433393

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в системах управления технологическими процессами. .

Влагочувствительный элемент датчика влажности // 2433392

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для контроля влажности воздуха и газов. .

Способ и устройство для экспрессного определения влажности и теплопроводности неметаллических материалов // 2431134

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам и устройствам для определения физических свойств веществ путем измерения электрической емкости, и может быть использовано для экспрессного определения теплофизических характеристик неметаллических материалов, например строительных.

Устройство для измерения физических свойств жидкости // 2424508

Нанополупроводниковый газовый датчик // 2422811

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, для регистрации и измерения содержания оксида углерода и других газов. .

Способ диэлькометрического контроля влажности материалов // 2416092

Изобретение относится к электроизмерительной технике и может быть использовано для измерения влажности различных сыпучих материалов, в том числе зерна и почвы. .

Устройство для измерения влажности сыпучих материалов // 2411512

Изобретение относится к области анализа различных материалов и может быть использовано в различных отраслях промышленности для определения влажности сыпучих материалов, например для контроля влажности торфа при его производстве.

Устройство контроля влажности // 2471178

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в системах автоматизированного непрерывного контроля технологических процессов при эксплуатации маслонаполненных механизмов для сигнализации о критическом уровне содержания воды в энергетических маслах

Детектор воды // 2476868

Устройство и способ измерения содержания воды и концентрации соли в потоке многофазного флюида // 2478943

Изобретение относится к оборудованию для подводной добычи нефти

Способ определения водонасыщенности керна // 2484453

Изобретение относится к области нефтехимической промышленности и может быть использовано в промысловых и научно-исследовательских лабораториях для разработки технологий увеличения нефтеотдачи пластов и при отсчете запасов нефти, оперативном контроле за разработкой нефтяных месторождений

Емкостный способ определения неравномерности линейной плотности продуктов прядения // 2496107

Изобретение относится к текстильной промышленности и представляет собой емкостный способ определения неравномерности линейной плотности продуктов прядения. Образец пропускают между двумя пластинами конденсатора, измеряют реактивное сопротивление конденсатора, определяют изменение емкости, которое пропорционально изменениям диэлектрической проницаемости образца и регистрируют их как коэффициент вариации по линейной плотности или коэффициент неровноты по линейной плотности. Измерение реактивного сопротивления конденсатора производят в интервале частот от 1 кГц до 10 мГц, рассчитывают массу влаги в образце, а затем массу «сухого» материала в образце. На основании полученных значений массы сухого продукта производят расчет показателей неравномерности по линейной плотности продукта прядения. Способ позволяет ускорить процесс измерения показателей неравномерности по линейной плотности продуктов прядения путем компенсации влияния влажности материала на результат измерения. 3 табл., 1 ил., 1 пр.

Способ неразрушающего контроля теплотехнических качеств ограждающих конструкций зданий // 2497106

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к способам определения физических свойств материалов путем тепловых и электрических измерений, и может быть использовано для оперативного контроля теплотехнических качеств ограждающих конструкций зданий и сооружений в натурных условиях. Способ неразрущающего контроля теплотехнических качеств ограждающих конструкций зданий заключается в том, что измеряют фактические значения теплопроводности внутреннего и наружного поверхностных слоев конструкции. Затем вычисляют значения сопротивлений теплопередаче этих слоев по формулам: Rв=δв/λв и Rн=δн/λн, где Rв и Rн - значения сопротивлений теплопередаче внутреннего и наружного поверхностных слоев конструкции, соответственно; δв и δн - толщина внутреннего и наружного поверхностных слоев, соответственно; λв и λн - теплопроводность внутреннего и наружного поверхностных слоев, соответственно. Далее вычисляют значение сопротивления теплопередаче теплоизоляционного слоя по формуле: Rт=Rк-1/αв-1/αн-Rв-Rн, где Rт - сопротивление теплопередаче теплоизоляционного слоя; Rk - общее сопротивление теплопередаче конструкции; αв, αн - коэффициенты теплоотдачи внутренней и наружной поверхностей конструкции, соответственно. Затем вычисляют фактическое значение теплопроводности материала теплоизоляционного слоя конструкции по формуле: λт,=δт/Rт, где λт - теплопроводность материала; δт - толщина слоя. После чего определяют фактическое значение влажности материала теплоизоляционного слоя по формуле: Wт=(λт-λ0)/Δλw, где Wt - влажность материала; λ0 теплопроводность материала в сухом состоянии; Δλw - приращение теплопроводности материала на 1% влажности. Техническим результатом изобретения является определение теплофизических характеристик теплоизоляционного слоя многослойных строительных конструкций без нарушения их целостности. 1 з.п. ф-лы.

Способ и система управления компаундированием товарных бензинов // 2498286

Изобретение относится к области нефтехимии. Способ управления компаундированием товарных бензинов включает измерение диэлектрической проницаемости и удельной электропроводности, а также температуры и давления компонентов товарного бензина и готового товарного бензина на различных стадиях технологического процесса, дальнейшее приведение измеренных электрофизических параметров компонентов и товарного бензина к единым условиям с контролем значений октанового числа и выработкой рекомендаций по внесению изменений в технологический процесс. Также предложена система управления компаундированием товарных бензинов, которая включает блоки первичных преобразователей, каждый из которых содержит первичный преобразователь емкостного типа, первичные преобразователи давления и температуры, вторичные преобразователи, соединенные с первичными преобразователями, локальное автоматизированное рабочее место по сбору, обработке и хранению информации и реализует все основные функции описанного способа, а также дополнительные и сервисные. Предложенные согласно изобретению способ и система управления компаундированием товарных бензинов отличаются высокой точностью и обеспечивают возможность принятия оперативных решений по корректировке технологического процесса. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Способ определения количества цемента в грунтоцементном материале конструкции // 2513567

Изобретение относится к технологии строительства и может быть использовано для определения количества цемента в грунтоцементном материале при создании строительных конструкций посредством струйной цементации. Способ определения количества цемента в грунтоцементном материале конструкции при создании строительных конструкций посредством струйной цементации заключается в добавлении в закачиваемый в скважину цементный раствор порошкообразного индикатора. В качестве такого порошкообразного индикатора применяют порошковый графит, тонкость помола которого не ниже тонкости помола цемента. Весовое отношение порошка графита составляет 1-10% веса цемента. При осуществлении способа первоначально замеряют электропроводность закачиваемого цементного раствора, затем замеряют электропроводность выделяемой из скважины грунтоцементной пульпы, а количество цемента в грунтоцементном материале конструкции определяют как разность между количеством цемента в цементном растворе и количеством цемента в пульпе. Количество цемента в пульпе рассчитывают по формуле: где mсп - количество цемента в пульпе; mс - количество цемента в цементном растворе; λn - величина электропроводности пульпы; λс - величина электропроводности цементного раствора.

Анализатор газожидкостного потока // 2518855

Изобретение может быть использовано в химической, нефтехимической, нефтегазовой, пищевой и других отраслях промышленности. Анализатор газожидкостного потока содержит измерительный участок 1 и соединенные с ним газосборную камеру 2 и отстойник 3, основной измерительный датчик 5, дополнительные измерительные датчики 4, блок сравнения 6, подключенный к регистратору 7. Основной измерительный датчик 5 установлен в байпасной линии 9 измерительного участка, количество дополнительных измерительных датчиков 4 равно числу реперных точек n, при этом каждый дополнительный датчик 4 и основной датчик 5 состоит из емкостей, количество которых на один меньше числа реперных точек (n-1) и поверх которых установлены обкладки конденсаторов, причем при нулевой реперной точке, соответствующей нулевому газосодержанию, все емкости заполнены жидкостью, при последней реперной точке, соответствующей 100%-ному газосодержанию, все емкости заполнены газом, а при промежуточных реперных точках емкости заполнены жидкостью или газом, при этом количество газовых емкостей равно порядковому номеру реперной точки, а количество жидкостных емкостей равно (n-1-N), где N - порядковый номер реперной точки, начиная с 0-й, а при нулевой реперной точке, соответствующей 100%-ому газосодержанию, все емкости заполнены газом, при последней реперной точке, соответствующей нулевому газосодержанию, все емкости заполнены жидкостью, а при промежуточных реперных точках емкости заполнены жидкостью или газом, при этом количество жидкостных емкостей равно порядковому номеру реперной точки, а количество газовых емкостей равно (n-1-N), где N - порядковый номер реперной точки, начиная с 0-й, входы газовых емкостей дополнительных измерительных датчиков 4 соединены с выходами газосборной камеры 2, а входы жидкостных емкостей - с выходами отстойника 3, а выходы емкостей снабжены выпускными кранами 8, кроме того электрические выходы основного 5 и дополнительных 4 датчиков подключены ко входам блока сравнения 6. Дополнительные измерительные датчики 4 могут составлять отдельный блок 10. Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении точности измерения.1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Способ и устройство для определения доли адсорбированного вещества в адсорбирующем материале, применение устройства для определения или мониторинга степени насыщения адсорбирующего материала, а также применение устройства в качестве заменяемой вставки для поглощения влаги в технологическом приборе // 2529237

Изобретение относится к методу определения доли адсорбированного вещества, которое содержится в формованном теле, грануляте или порошке из цеолита, цеолитного соединения или силикагеля в качестве адсорбирующего материала, а также к соответствующему устройству и применению устройства для определения или мониторинга степени насыщения адсорбирующего материала, заложенного на хранение в емкость. Изобретение заключается в том, что в случае, когда адсорбирующий материал представлен в форме формованного тела, два электрода с удалением друг от друга размещаются на поверхности формованного тела и/или прочно вставляются в формованное тело, а в случае, когда адсорбирующий материал представлен в форме порошка или гранулята, соответствующее формованное тело из такого же материала и на длительное время вводится в порошок или гранулят, при этом электроды нагружаются переменным током, в результате чего определяется электрическая характеристика и исходя из электрической характеристики определяется степень насыщения адсорбирующего материала. Изобретение обеспечивает эффективное определение степени насыщения адсорбирующего материала. 4 н. и 12 з.п. ф-лы, 11 ил.