Устройство для измерения влажности почво-грунтов

 

ж И Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Зависимое от авт. свидетельства №

Заявлено 15.XI I.1970 (№ 1601707 26-25) с присоединением заявки №

Приоритет

Опубл иковано 2О,IV.1973. Бюллетень ¹ 20

Дата опубл икован ия оп исания 2З.VI I.1973

М, Кл. б 01п 27/02

Комитет по делам иаобретений и открытиЯ при Совете Министров

СССР

УДК 53.082.722.56 (088.8) Авторы изобретения

1О. М. Романенко и В. А, Емельянов

Заявитель

Всесоюзный научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации им. А. Н. Костякова

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВО-ГРУНТОВ

Изобретение относится к области физикохимического анализа, в частности влагометрии.

Известны устройства для дистанционного определения влажности почво-грунтов. Однако такого рода устройства позволяют определять влажность в ограниченном объеме почвы, определяемом зоной действия их датчиков, в то время как обычно необходимо иметь данные об осредненной влажности значительных земельных массивов, особенно на автоматизированных гидромелиоративных системах. В этих случаях прибегают к использованию большого количества датчиков, что заметно усложняет обработку результатов измерений.

Цель изобретения — увеличение точности и упрощение измерений в условиях засоленных почв.

Цель достигается тем, что предлагаемое устройство выполнено в виде закладываемой в контролируемую почву длинной электрической линии, между электродами которой включены отрицательные сопротивления, расположенные в зонах, соответствующих экстремальным значениям режима работы линии.

В случае необходимости увеличения контролируемой площади при данной рабочей частоте датчик устройства выполняют в виде открытой длинной линии.

В тех случаях, когда из-за зависимости диэлектрических параметров контролируемой почвы от частоты необходимо обеспечить работу устройства в моночастотном режиме, к нему подключают калиброванный регулируемый реактивный элемент, например конденсатор, с помощью которого восстанавливается изменение рабочей частоты в процессе измерений, причем этот элемент снабжают со10 ответствующей шкалой; тот же элемент служит для перестройки частотных характеристик датчика при определении засоленности почв.

Для повышения чувствительности измере15 ний при одновременном измерении как влажности почвы, так и засоленности насыщающей ее воды, один или оба электрода датчика устройства покрывают диэлектриком.

При необходимости измерения осредненной

20 температуры почвы, а также повышения точности измерения влажности в сложных температурных условиях один или оба электрода датчика устройства выполняют в виде диэлектрических датчиков температуры, вклю25 чаемых в систему измерения и компенсации температурной нестабильности датчика.

Повышение точности определения засоленности почвы путем измерения частотных характеристик датчика достигается выполнени30 ем регулируемого реактивного элемента ви379864 де встречно изменяемых параллельно соединенных индуктивности и емкости, что обеспечивает значительное изменение характеристического сопротивления резонансной системы, в которую включен датчик, при минимальном изменении ее резонансной частоты, Если датчик устройства закладывают в почву на умеренную глубину, сравнимую с его поперечными размерами, то снижение влияния на точность измерений краевого эффекта достигается выполнением одного из электродов датчика в виде влагопроницаемого электрического экрана для второго электрода.

На чертеже схематически изображено предлагаемое устройство.

Устройство работает на частоте порядка

1 Мгц, длина электродов его датчика около

100 м.

Датчик содержит электрод 1, покрытый слоем диэлектрика 2, и электрод 3. Эти электроды образуют открытую электрическую длинную линию. Внутри электрода 3 в эталонном веществе 4 размещен вспомогательный электрод 5, включенный в схему температурной компенсации результатов измерений, состоящей из возбудителя б и смесителя 7, второй вход которого соединен с датчиком. К выходу смесителя подключен тарированный ана.логовый частотомер 8. К входу датчика подключен диффузионный транзистор 9, работающий в лавинном режиме, а к его середине— туннельный диод 10. Напряжение питания на диод подается от источника 11 через выключатель 12 и делитель на резисторах 13 и 14.

Для обеспечения автоколебательного режима датчика в широком диапазоне изменения резистивной проводимости контролируемой почвы датчик зашунтирован дросселем 15, активное сопротивление которого меньше, чем модуль отрицательного сопротивления туннельного диода. Для обеспечения работы датчика в моночастотном режиме к нему подключен тарированный конденсатор 15, что позволяет повысить точность измерений в случае наличия частотной зависимости диэлектрических параметров контролируемой почвы, а также при значительном изменении влажности почвы путем соответстгующего изменения емкости этого конденсатора. Конденсатор служит также и для изменения частотных характеристик датчика при определении засоленности насыщающей почву. воды или при устранении влияния изменения резистивной проводимости почвы на точность измерений. При работе устройства в моночастотном режиме частотомер 8 служит индикатором настройки устройства на заданную частоту, осуществляемой путем изменения емкости конденсатора.

В случае существенно неоднородного распределения влажности по контролируемой площади земельного массива датчик возбуждается на высших относительно его основной частоты гармониках; это достигается, в част5

65 ности, соответствующим выбором параметров

L, С-контура. Для обеспечения работы датчика в резонансном режиме при больших значениях резистивной праводимости почвы его волновое сопротивление р должно быть минимальным или диэлектрик, покрывающий электроды датчика, должен иметь пониженное значение диэлектрической постоянной.

Датчик закладывают непосредственно в контролируемую почву, после чего устройство тарируют с помощью эталонных приборов, например нейтронных влагомеров, по всей длине.

Работа устройства основана на явлении изменения входного сопротивления длинной линии, приводящего к изменению его резонансной частоты, в зависимости от параметров остальных элементов колебательной системы и диэлектрических параметров контролируемой почвы. При включении выключателя 12 на транзистор 9 и туннельный диод 10, имеющие отрицательные сопротивления, подается напряжение. питания, и в датчике возникают электрические колебания, частота которых определяется, в частности, электрическими параметрами датчика. Так как последние существенно зависят от влажности почвы, то частота сигнала датчика является ее функцией.

Возникающие температурные погрешности измерений, связанные с зависимостью диэлектрических параметров почвы от степени ее нагрева, компенсируются в смесителе 7, па входы которого одновременно подаются сигнал от датчика и сигнал от вспомогательной емкостной системы, состоящей из электрода 3 датчика и вспомогательного электрода 5, размещенного в эталонном веществе, электрические параметры которого выбирают из условий оптимальной компенсации температурной погрешности датчика. С помощью возбудителя 6, выход которого связан со смесителем 7, возбуждают сигнал на резонансной частоте вспомогательной электродной системы.

При необходимости измерения осредненной температуры почвы в зоне заложения датчика частотомер при помощи переключателя 17 подключают непосредственно к выходу возбудителя б, частота сигнала которого является однозначной функцией температуры эталонного вещества 4, а следовательно, прилегающей к нему почвы.

Частотный метод измерений характеризуется высокой чувствительностью, однако при существенной зависимости диэлектрических параметров почв от частоты, что характерно, например, для суглинков, однозначная тарировка датчика обеспечивается проведением измерений в моночастотном режиме. Данный режим обеспечивается соответствующим изменением емкости конденсатора, шкала которого оттарирована непосредственно в единицах влажности. В этом случае частотомер

379864 служит для контроля постоянства рабочей частоты устройства.

Компенсация изменения резистивных параметров контролируемой почвы может быть обеспечена, например, путем перевода. транзистора 9 и туннельного диода l0 в существенно нелинейный режим их работы, в частности, выбором соответствующего напряжения питания.

Если же необходимо измерить засоленность насыщающей почву воды, являющейся функцией резистивных параметров датчика, то изменением емкости конденсатора или индуктивности дросселя или совместным изменением этих параметров изменяют характеристическое сопротивление колебательной системы, в которую входит датчик, и по изменению частот судят как о влажности, так и о засоленности. Наличие на электроде 1 изолятора 2 повышает при этом чувствительность измерений.

Длина датчика в зависимости от выбранного оабочего пияпяяоня частот. количества примененных устройств с отрицательным сопротивлением и режима его работы, контролируемого высокочастотным вольтметром, может колебаться от единиц до сотен метров.

Предмет изобретения

1. Устройство для измерения влажности то почво-грунтов, содержащее реактивно-резистивный датчик и измерительную схему, отличающееся тем, что, с целью увеличения точности и упрощения измерений в условиях засоленных почв, датчик выполнен в виде длин15 ной электрической линии, между электродами которой включены отрицательные сопротивления.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений

20 за счет уменьшения влияния краевого эффекта, один из электродов датчика выполнен в виде влагопроницаемого электрического экрана второго электрода.

379864

Редактор Э. Мельниченко

Заказ 1919/5 Изд №. 1485 Тираж 755 Подписное

ЦНИИПИ Комитета по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР

Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Типография, пр. Сапунова, 2

Составитель В. Гусева

Техред Л, Богданова

Корректоры: Е. Миронова и

T. Гревцова