Электрический датчик для измерения распределения влажности почвы по глубине
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