Емкостный датчик для систем мониторинга электрических свойств почв Российский патент 2024 года по МПК G01N27/22 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах для мониторинга температуры, влажности и солесодержания в различных слоях почвы.

Уровень техники

В источнике [Позднякова А. Д., Поздняков Л. А., Анциферова О. Н. Универсальный прибор для измерений электрических свойств почв // Бюллетень науки и практики. 2018. Т. 4. №4. С. 232- 245. Режим доступа: http://www.bulletennauki.com/pozdnyakova-1.] приводятся портативные геофизические приборы LandMapper модификаций ERM-03 и ERM-04, которые используются для измерения удельного электрического сопротивления в почвах. Приборы могут быть использованы для измерений с поверхности земли, по стенке почвенного разреза или карьера, а также в образцах почвы или других средах в лаборатории. Для этих целей используется четырех электродная установка, которая помещается на исследуемую поверхность, значение электрического сопротивления или электропроводности считывается и отображается на дисплее прибора. Изменяя расстояние между электродами, можно проводить измерения на различной глубине.

Недостатки известного решения – ограничены функциональные возможности, прибор не позволяет измерять комплексное сопротивление (импеданс) почв, что ограничивает область его использования в системах мониторинга влажности и засоленности почвы.

Известен емкостный датчик влажности грунта, выполненный в виде гребенчатого конденсатора, состоящего из чередующих проводящих полос с зазорами между ними, расположенного с двух сторон диэлектрической подложки с диэлектрическим покрытием, выполненным по технологии многослойных печатных плат. (см. пат. РФ №186702, кл. G01N 33/24; G01N 27/22).

Недостаток известного решения — ограничены функциональные возможности, датчик не может быть использован для измерения импеданса почвы, так как отсутствует электрический контакт с почвой вследствие высокого электрического сопротивления диэлектрического покрытия, выполненного по технологии многослойных печатных плат.

Из источника [Егоров Ю. В., Бобков А. В., Кириченко А. В., Есафова Е. Н. Свойства и возможности датчиков влажности для управления поливом // Вестник АГАУ. 2017. №1 (147). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/svoystva-i-vozmozhnosti-datchikov-vlazhnosti-dlya-upravleniya-polivom] известен усредняющий емкостный датчик влажности, выполненный в виде длинного жгута из изолированных проводов. Одна часть проводов образует один полюс датчика, другая – второй полюс (или электрод) конденсатора – датчика. Жгут проводов закладывается через щель в почву, рядом с датчиком установлены высокочастотный генератор и измеритель емкостного тока. Они связаны 4-жильным сигнальным кабелем с наблюдательным пунктом, где установлено командно-измерительное устройство. В нем имеется уставка заданной влажности, компаратор, сравнивающий сигнал датчика с заданной уставкой, индикатор текущей влажности и регулятор гистерезиса.

Недостаток известного решения — ограничены функциональные возможности, датчик не может быть использован для измерения импеданса почвы, так как отсутствует электрический контакт с почвой вследствие высокого электрического сопротивления изоляции проводов образующих обкладки емкостного датчика.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятое авторами за прототип является беспроводное устройство для контроля микроклимата почвы, содержащее корпус выполненный из коаксиально установленных внешней и внутренней труб, при этом на каждом из торцов внешней трубы установлены заглушки, одна из них выполнена в виде остроконечного конуса, а вторая закрывает верхнюю часть устройства. Вдоль внутренней полости внутренней трубы размещены, измерительная и радиопередающая системы, автономный источник питания, датчик температуры и емкостные датчики влажности почвы (см. пат. РФ №2664680, кл. G01N 27/00).

Недостаток известного решения — ограничены функциональные возможности, датчик не может быть использован для измерения импеданса почвы, так как отсутствует электрический контакт с почвой вследствие высокого электрического сопротивления изоляции стенок трубы между обкладками емкостного датчика и почвой.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к расширению функциональных возможностей емкостного датчика, а именно, предлагаемый датчик позволяет измерять составляющие импеданса почвы, что дает информацию о диэлектрических свойствах и электрическом сопротивлении почвы, которые необходимо для более точного измерения влажности и солесодержания почвы.

Технический результат достигается тем, что в емкостный датчик для систем мониторинга электрических свойств почв, содержащий: измерительную и радиопередающую системы, источник питания, датчик температуры, подключенные посредством линии связи, трубу, в торцах которой установлены верхняя и нижняя заглушки, нижняя – выполнена в форме остроконечного конуса дополнительно введены: n – электродов круглой формы и разной длины, выполненных из нержавеющей стали; n – термоусадочных трубок; n – датчиков температуры; пластмассовый фланец, имеющий n – крепежных отверстий, причем труба и ее нижняя заглушка выполнены из нержавеющей стали, вдоль внутренней полости трубы размещены датчики температуры, подключенные к измерительной системе посредством линии связи проходящей через верхнюю заглушку, термоусадочные трубки закреплены на электродах, закрепленных в крепежных отверстиях фланца, фланец закреплен внутренним диаметром на внешнем диаметре в верхней части трубы, верхние концы каждого электрода подключены к соответствующим входам измерительной системы, труба подключена к общему проводу измерительной системы, электроды в нижней части выполнены в форме остроконечных конусов не покрытых термоусадочными трубками.

Краткое описание чертежей

На фиг. представлена структурная схема емкостного датчика для систем мониторинга электрических свойств почв.

Осуществление изобретения

Емкостный датчик для систем мониторинга электрических свойств почв содержит (фиг.): измерительную систему 1; радиопередающую систему 2; трубу 3 из нержавеющей стали и снабженной верхней и нижней заглушками, нижняя заглушка выполнена из нержавеющей стали в форме остроконечного конуса; фланец 4, выполнен из пластмассы; n электродов 5, круглой формы и разной длины, выполненных из нержавеющей стали; n датчиков температуры 6; n термоусадочных трубок 7, причем, фланец 4 внутренней полостью закреплен на внешней полости трубы 3 в ее верхней части, электроды 5 закреплены в крепежных отверстиях фланца 4 таким образом, что расположены параллельно трубе 3 на некотором от нее расстоянии, электроды 5 в верхней части подключены каждый к соответствующим входам измерительной системы 1, труба 3 в верхней части подключена к общему проводу измерительной системы 1, вдоль внутренней полости трубы 3 размещены датчики температуры 6, соединенные с измерительной системой 1 посредством линии связи проходящей через верхнюю заглушку трубы 3, термоусадочные трубки 7 закреплены на электродах 5, которые в нижней части выполнены в форме остроконечных конусов, не покрытых термоусадочными трубками и образуют электрический контакт с почвой.

Емкостный датчик для систем мониторинга электрических свойств почв работает следующим образом.

Рассматриваемый емкостный датчик является комбинацией n емкостных датчиков, количество которых равно количеству n электродов 5. Труба 3 является общей обкладкой для всех n емкостных датчиков. Измерительная и радиопередающая системы работают под управлением микроконтроллера, который имеет в своем составе многоканальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Микроконтроллер по программе опрашивает тот канал АЦП, который требуется для снятия измерительной информации с датчика, подключенного к соответствующему каналу. Измерительная система опрашивает каждый емкостный датчик, начиная с датчика, расположенного на минимальной глубине от поверхности почвы и отправляет результат измерения комплексного сопротивления в радиопередающую систему. Радиопринимающая система получает результат и отправляет его на компьютер, который обрабатывает полученные данные и выводит результаты обработки на монитор (на фиг. радиопринимающая система и компьютер не показаны). Аналогичным образом измерительная система производит измерения импеданса почвы, опрашивая последовательно остальные емкостные датчики. Так как неизолированные термоусадочными трубками 7 нижние части электродов 5 расположены на разных глубинах почвы, то импеданс почвы измеряется, в основном на той глубине, на которой электрод 5 контактирует с почвой. Начальную емкость между трубой 3 и каждым электродом 5 можно подбирать путем подбора толщины стенок термоусадочных трубок 7. Площадь электрического контакта электродов 5 с почвой можно подбирать путем изменения длины термоусадочных трубок 7. Интервал (шаг) измерения электрических свойств почв на различных глубинах изменяется путем подбора количества и длины электродов 5. Длина трубы 3 должна превышать самый длинный электрод 5 на половину интервала измерения.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными решениями имеет преимущество: расширены функциональные возможности, а именно, позволяет измерять импеданс почвы в нескольких ее точках, что повышает точность измерения ее влажности и солесодержания.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах для мониторинга температуры, влажности и солесодержания в различных слоях почвы. Емкостный датчик для систем мониторинга электрических свойств почв содержит измерительную систему 1, радиопередающую систему 2, трубу 3 из нержавеющей стали, снабженную заглушками, фланец 4, выполненный из пластмассы, n круглых, разной длины, электродов 5, выполненных из нержавеющей стали, n датчиков температуры 6, n термоусадочных трубок 7, причем фланец 4 внутренней полостью закреплен на внешней полости трубы 3 в ее верхней части, электроды 5 закреплены в крепежных отверстиях фланца 4 и подключены, каждый, к соответствующим входам измерительной системы 1, труба 3 в верхней части подключена к общему проводу измерительной системы 1, вдоль внутренней полости трубы 3 размещены датчики температуры 6, соединенные с измерительной системой 1 посредством линии связи, проходящей через верхнюю заглушку трубы 3, термоусадочные трубки 7 закреплены на электродах 5, которые в нижней части выполнены в форме остроконечных конусов, не покрытых термоусадочными трубками 7. Техническим результатом при реализации заявленного решения является расширение функциональных возможностей емкостного датчика, а именно: предлагаемый датчик позволяет измерять составляющие импеданса почвы, что дает информацию о диэлектрических свойствах и электрическом сопротивлении почвы, которые необходимо для более точного измерения влажности и солесодержания почвы. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Емкостный датчик для систем мониторинга электрических свойств почв, содержащий: измерительную и радиопередающую системы, источник питания, датчик температуры, подключенные посредством линии связи, трубу, в торцах которой установлены верхняя и нижняя заглушки, нижняя – выполнена в форме остроконечного конуса, отличающийся тем, что в него введены: n электродов круглой формы и разной длины, выполненных из нержавеющей стали; n термоусадочных трубок; n датчиков температуры; пластмассовый фланец, имеющий n крепежных отверстий, причем труба и ее нижняя заглушка выполнены из нержавеющей стали, вдоль внутренней полости трубы размещены датчики температуры, подключенные к измерительной системе посредством линии связи, проходящей через верхнюю заглушку, трубки термоусадочные закреплены на электродах, закрепленных в крепежных отверстиях фланца, фланец закреплен внутренним диаметром на внешнем диаметре в верхней части трубы, верхние концы каждого электрода подключены к соответствующим входам измерительной системы, труба подключена к общему проводу измерительной системы.

2. Емкостный датчик для систем мониторинга электрических свойств почв по п.1, отличающийся тем, что электроды в нижней части выполнены в форме остроконечных конусов, не покрытых термоусадочными трубками.