Микроконтроллерный измерительный преобразователь для беспроводного мониторинга электрического сопротивления почвы с использованием метода Веннера Российский патент 2024 года по МПК G01R27/26 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к устройствам для измерения электрического сопротивления и может быть использовано в системах беспроводного мониторинга электрического сопротивления почвы с использованием метода Веннера.

Уровень техники

В последние десять лет методы измерения электрического сопротивления почвы по методу Веннера получили широкое применение в сельском хозяйстве (т.н. точное земледелие). По значению электрического сопротивления или электропроводности можно оценить такие свойства почв, как гранулометрический состав, емкость катионного обмена, гумус, влажность и некоторые другие. Чаще всего, это возможно использовать для общей их оценки, но в ряде случаев, когда большинство других почвенных свойств стабильно и мало влияют на сопротивление, можно оценить какое-либо одно свойство. В почвоведении получили распространения 4-электродные симметричные прямолинейные установки электродов АMNВ и методы измерения сопротивления на их основе Шлюмберже, Веннера, которые отличаются друг от друга расположением электродов.

Известен геофизический портативный прибор LandMapper, который используется для измерения удельного электрического сопротивления или проводимости в почвах, горных породах, растворах и тому подобных средах, а также для измерения естественных электрических потенциалов в почвах и растениях (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).

Недостаток известного прибора ограничены функциональные возможности, прибор (устройство) не позволяет измерять комплексное сопротивление (импеданс) почвы, так как измерения эквивалентны измерениям на постоянном токе, частота которого 1,25 Герц.

Известно устройство - микроконтроллерный измерительный преобразователь (МИП) с уравновешиванием резистивного моста Уитстона методом широтно-импульсной модуляции, содержащий: микроконтроллер, RC-фильтр, шесть резисторов, первые выводы первого и второго резисторов подключены к входу RC-фильтра, выход которого подключен к первому входу аналогового компаратора (АК), встроенного в микроконтроллер, первые выводы третьего и четвертого резисторов подключены ко второму входу АК, первый вывод пятого резистора подключен ко второму выводу второго резистора и к первому выводу шестого резистора, второй вывод пятого резистора подключен к выходу широтно-импульсного модулятора (ШИМ), встроенного в микроконтроллер, вторые выводы первого, третьего, четвертого и шестого резисторов подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому дискретным выходам микроконтроллера, в качестве второго резистора включен резистивный датчик (см. пат. РФ № 2515309, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - ограничены функциональные возможности, устройство не позволяет измерять сопротивление почвы с использованием 4-электродных установок по методу Веннера.

Известно устройство - МИП с управляемым питанием резистивных измерительных цепей методом широтно-импульсной модуляции, содержащий: микроконтроллер, первый RC-фильтр, четыре резистора, причем первый вывод первого резистора подключен к выходу первого ШИМ, встроенного в микроконтроллер, вторые выводы первого и второго резисторов подключены ко входу первого RC-фильтра, выход которого подключен к первому входу АК, встроенного в микроконтроллер, второй RC-фильтр, первые выводы второго, третьего и четвертого резисторов подключены к выходам, соответственно, второго, третьего и четвертого ШИМ, вторые выводы третьего и четвертого резисторов подключены ко входу второго RC-фильтра, выход которого подключен к второму входу АК, в качестве одного из четырех резисторов включен резистивный датчик (см. пат. РФ № 2515309, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - ограничены функциональные возможности, устройство не позволяет измерять сопротивление почвы с использованием 4-электродных установок по методу Веннера.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению и принятое авторами за прототип, является МИП сопротивления резистивных датчиков в двоичный код с функцией самодиагностики, содержащий: микроконтроллер, первый и второй RC-фильтры, пять резисторов, причем первые выводы каждого резистора подключены к выходам соответственно первого, второго, третьего, четвертого и пятого ШИМ, встроенных в микроконтроллер, вторые выводы первого и второго резисторов подключены к входу первого RC-фильтра, выход которого подключен к первому входу АК, встроенного в микроконтроллер, вторые выводы третьего и четвертого резисторов подключены к входу второго RC-фильтра, выход которого подключен к второму входу АК, второй вывод пятого резистора подключен к входу первого RC-фильтра, в качестве одного из пяти резисторов включен резистивный датчик (см. пат. РФ № 2690517, кл. G01R 27/26).

Недостаток известного решения - ограничены функциональные возможности, устройство не позволяет измерять сопротивление почвы с использованием 4-электродных установок по методу Веннера.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к расширению функциональных возможностей устройства, а именно, устройство позволяет измерять активное и комплексное сопротивления почвы с использованием 4-электродных установок по методу Веннера, а также выполнять функцию беспроводного мониторинга измеряемых величин.

Технический результат достигается тем, что в МИП для беспроводного мониторинга электрического сопротивления почвы по методу Веннера, содержащий: микроконтроллер, первый и второй RC-фильтры, первый и второй резисторы, причем первые выводы первого и второго резисторов подключены к выходам соответственно первого и второго ШИМ встроенных в микроконтроллер, вторые выводы первого и второго резисторов подключены к входам, соответственно, первого и второго RC-фильтров, дополнительно введены третий и четвертый RC-фильтры, восемь цифровых датчиков температуры, радиомодуль, четыре электрода, причем, первый, второй, третий и четвертый электроды подключены к входам, соответственно, первого, второго, третьего и четвертого RC-фильтров, выходы которых подключены, соответственно к входам первого, второго, третьего и четвертого каналов аналого-цифрового преобразователя (АЦП), встроенного в микроконтроллер, радиомодуль подключен к микроконтроллеру через последовательный цифровой интерфейс, восемь цифровых датчиков температуры подключены к микроконтроллеру посредством интерфейса 1-Wire и размещены, соответственно, по два в каждом из четырех электродов, выполненных в форме тонкостенных трубок из нержавеющей стали и снабженных в нижних частях заглушками в форме конусов, электроды располагаются линейно друг от друга на определенном расстоянии и погружаются в почву конусами на определенную глубину.

Краткое описание чертежей

На фиг. представлена структурная схема МИП для беспроводного мониторинга электрического сопротивления почвы с использованием метода Виннера.

Осуществление изобретения

МИП для беспроводного мониторинга сопротивления почвы с использованием метода Виннера содержит (фиг.): микроконтроллер 1, первый RC-фильтр 2, второй RC-фильтр 3, третий RC-фильтр 4, четвертый RC-фильтр 5, первый резистор 6, второй резистор 7, радиомодуль 8, электроды - первый 9, второй 10, третий 11, четвертый 12, восемь цифровых датчиков температуры 13-20.

Электроды 9-12 выполнены в форме тонкостенных трубок их нержавеющей стали и снабжены в нижней части остроконечными конусами. Во внутренней полости электродов 9-12 размещены по два цифровых датчика температуры в верхней и нижней части каждого электрода. Первые выводы резисторов 6 и 7 подключены, соответственно к выходам первого и второго ШИМ, встроенных в микроконтроллер 1, вторые выводы резисторов 6 и 7 подключены к входам, соответственно, первого и четвертого RC-фильтров, а также к электродам соответственно, первому 9 и четвертому 12. Электроды - второй 10 и третий 11, подключены к входам, соответственно, второго 3 и третьего 4 RC-фильтров. Выходы всех четырех RC-фильтров подключены, каждый, к соответствующим входам многоканального АЦП, встроенного в микроконтроллер 1. Радиомодуль 8 подключен к микроконтроллеру 1 через последовательный цифровой интерфейс. Восемь цифровых датчиков 13-20 подключены к микроконтроллеру 1 через интерфейсную шину 1-Wire, (встроенные в микроконтроллер 1 ШИМ и АЦП на фиг не показаны).

МИП для беспроводного мониторинга электрического сопротивления почвы с использованием метода Виннера работает следующим образом.

Микроконтроллер 1 выводит на выход первого ШИМ высокий уровень напряжения, т.е. логическую 1, а на выход второго ШИМ низкий уровень напряжения, т.е. логический 0, при этом по цепи: выход первого ШИМ, резистор 6, электрод 9, почва, электрод 12, выход второго ШИМ протекает ток Iп. На выходах первого и четвертого RC-фильтров формируется напряжение пропорциональное протекающему через резисторы 6 и 7 току Iп. Микроконтроллер 1 измеряет эти напряжения с помощью АЦП и рассчитывает ток Iп, так как сопротивления резисторов 6 и 7 и известны. Затем микроконтроллер 1 измеряет напряжение ΔU между вторым 10 и третьим 11 электродами и рассчитывает, в соответствии с законом Ома, электрическое сопротивление почвы между этими электродами Rп = ΔU /Iп.

Затем микроконтроллер 1 меняет на выходах первого и второго ШИМ уровни напряжения на противоположные и выполняет ранее приведенный алгоритм.

Результаты преобразований, выполненные по обоим алгоритмам, усредняются. Благодаря изменению логических уровней первого и второго ШИМ, удается избежать дополнительных погрешностей вносимых, например, разностью потенциалов, возникающей в местах контакта элементов измерительных цепей, а также поляризацией электродов.

Преобразование комплексного сопротивления, т.е. импеданса почвы в двоичный код, микроконтроллер 1 осуществляет следующим образом.

Микроконтроллер 1 увеличивает частоту изменения логических уровней первого и второго ШИМ. В результате, к первому 9 и четвертому 12 электродам прикладывается переменное напряжение формы меандр, под действием которого по цепи, между первым 9 и четвертым 12 электродами протекает переменный ток. На первом резисторе 6 формируется напряжение пропорциональное протекающему через него току. Это пульсирующее напряжение сглаживается первым RC-фильтром 2 и подается на первый канал, встроенного в микроконтроллер АЦП. Микроконтроллер 1 считывает результат преобразования с АЦП и рассчитывает ток, протекающий по указанной цепи. Аналогичный алгоритм микроконтроллер выполняет с использованием второго резистора 7, а затем усредняет результаты измерения тока, протекающего по резисторам 6 и 7, и таким образом получает более точное значение измеряемого тока.

Электроды 9-12 представляют собой обкладки конденсатора, между которыми находится диэлектрик - почва. Так как по цепи, между электродами 9-12 электродами, протекает изменяющийся по направлению ток, то его значение будет зависеть от изменения емкости конденсатора, образуемого этими электродами. Вклад емкостной составляющей в измеряемое комплексное сопротивление будет зависеть от частоты смены логических уровней на выходах первого и второго ШИМ и диэлектрической проницаемости почвы, которая зависит от количества содержания воды в почве. Таким образом, предлагаемое решение позволяет выделить емкостную составляющую, по которой можно определить, влажность почвы при условии, что выполнена соответствующая калибровка для конкретного вида почвы. Микроконтроллер 1 измеряет температуру электродов 13-30 и вносит поправку в результат измерения влажности почвы, так как диэлектрическая проницаемость почвы зависит от температуры.

Результаты измерений сопротивления на постоянном и переменном токах, а также температуры четырех электродов микроконтроллер направляет в радиомодуль, который отправляет данные по радиоканалу нелицензируемого ISM диапазона радиочастоты. Радиоприемник, который принимает результаты измерений, передаваемые от системы мониторинга, передает их на компьютер, к которому подключен через цифровой интерфейс. Компьютер снабжен программой для обработки передаваемых данных и вывода результатов обработки на монитор, а также их архивирования (радиоприемник и компьютер на фиг не показаны).

Предлагаемое решение по сравнению с прототипом и другими известными аналогами имеет преимущество: расширены функциональные возможности, а именно, устройство позволяет измерять активное и комплексное сопротивления почвы с использованием 4-электродных установок по методу Веннера, а также выполнять функцию беспроводного мониторинга измеряемых величин.

Изобретение относится к измерительной технике. Микроконтроллерный измерительный преобразователь для беспроводного мониторинга сопротивления почвы с использованием метода Веннера содержит микроконтроллер 1, четыре RC-фильтра 2-5, два резистора 6 и 7, радиомодуль 8, четыре электрода 9-12, восемь цифровых датчиков температуры 13-20. Первые выводы резисторов 6 и 7 подключены соответственно к выходам первого и второго ШИМ, встроенных в микроконтроллер 1, вторые выводы резисторов 6 и 7 подключены к входам соответственно первого 2 и четвертого 5 RC-фильтров, а также подключены к электродам соответственно первому 9 и четвертому 12. Электроды второй 10 и третий 11 подключены к входам соответственно второго 3 и третьего 4 RC-фильтров. Выходы всех четырех RC-фильтров подключены, каждый, к соответствующим входам многоканального АЦП, встроенного в микроконтроллер 1. Цифровые датчики температуры 13-20 подключены к микроконтроллеру 1 через интерфейсную шину 1-Wire, радиомодуль 8 подключен к микроконтроллеру 1 через последовательный цифровой интерфейс. Технический результат сводится к расширению функциональных возможностей устройства. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Микроконтроллерный измерительный преобразователь для беспроводного мониторинга сопротивления почвы с использованием метода Веннера, содержащий: микроконтроллер, первый и второй RC-фильтры, первый и второй резисторы, причем первые выводы первого и второго резисторов подключены к выходам соответственно первого и второго широтно-импульсных модуляторов, встроенных в микроконтроллер, вторые выводы первого и второго резисторов подключены соответственно к входам первого и второго RC-фильтров, отличающийся тем, что в него введены третий и четвертый RC-фильтры, восемь цифровых датчиков температуры, радиомодуль, четыре электрода, причем каждый из четырех электродов подключен к входам соответственно первого, второго, третьего и четвертого RC-фильтров, выходы которых подключены к входам соответственно первого, второго, третьего и четвертого каналов аналого-цифрового преобразователя, встроенного в микроконтроллер, радиомодуль подключен к микроконтроллеру через последовательный цифровой интерфейс, восемь цифровых датчиков температуры подключены к микроконтроллеру с использованием интерфейса 1-Wire.

2. Микроконтроллерный измерительный преобразователь для беспроводного мониторинга сопротивления почвы с использованием метода Веннера по п. 1, отличающийся тем, что восемь цифровых датчиков температуры размещены по два в каждом из четырех электродов, выполненных в форме тонкостенных трубок из нержавеющей стали и снабженных в нижних частях заглушками в форме конусов, электроды располагаются линейно друг от друга на определенном расстоянии и погружаются в почву конусами на определенную глубину.