Способ измерения влажности почвы орошаемого массива Советский патент 1992 года по МПК A01G25/16 

Изобретение относится к диагностике мелиоративного состояния сельскохозяйственных угодий и может быть использовано в сельском хозяйстве, мелиорации, дорожном строительстве и при решении задач мониторинга окружающей среды.

Цель изобретения - повышение точности измерений путем повышения помехозащищенности к действию внешних электромагнит- ных полей и устранение неоднородности почвы.

Способ измерения влажности почвы орошаемого массива включает прокладку в массиве ниже пахотного слоя почвы изолированного проводника с включенным в.его разрыв генератором , а также регистрацию изменения электромагнитных параметров вдоль проводника с помощью электромагнитных зондов. При этом изолированный проводник укладывают зигзагообразно с шагом, равным толщине контролируемого слоя почвы, а электромагнитные зонды устанавливают рядом с проводником в его начале и середине.

Съем сигнала осуществляют за счет установки индукционных зондов в непосредственной близости от проводника, что повышает помехоустойчивость по отношению к внешним электромагнитным помехам.

Способ осуществляют с помощью устройства для измерения влажности почвы орошаемого массива.

кэ

4

На фиг. 1 показана общая схема устройства; на фиг. 2 - график силы тока по длине проводника (а - половина длины).

Устройство содержит генератор 1 переменного тока, подключенный к изолирован- ному проводнику 2, уложенному ниже пахотного слоя зигзагообразно, причем шаг укладки проводника 2 равен толщине контролируемого слоя. Индукционные зонды 3 и А расположены в непосредственной близо- сти от изолированного проводника, причем один зонд расположен в начале проводника 2, а другой зонд - в середине проводника 2. Индукционные зонды 3 и 4 подключены к регистрирующему блоку 5.

В качестве генератора может быть использован генератор кабелеискателя, в качестве изолированного проводника-любой изолированный провод. При большой протяженности провода необходимо использо- вать медный или алюминиевый провод. Индукционный зонд может быть выполнен в виде катушек с ферритовыми сердечниками.

Регистрирующее устройство может быть выполнено в виде операционных усилителей.

Устройство работает следующим образом.

При включении генератора 1 перемен- ный ток, протекающий по изолированному проводу, посредством создаваемого им электромагнитного поля взаимодействует с окружающей проводник средой. Фазовая скорость УФ распространения электромаг- нитных волн (3MBJ зависит от диэлектрических свойств почвы Ј и определяется

V0 выражением УФ - , где v0 - скорость

распространения ЭМВ в вакууме. При этом изолированный проводник 2 можно рассматривать как короткозамкнутую длинную линию, в которой могут возникать стоячие волны при определенных соотношениях между длиной волны и длиной проводника. Возникновение стоячей волны приводит к неравномерности распределения тока по длине проводника, причем максимум тока соответствует короткозамкнутому концу двухпроводной линии, а минимум - ее нача- лу. Характер распространения тока в линии показан на фиг. 2,

При зигзагообразной конструкции изолированного проводника короткозамкну- тый конец длинной линии соответствует середине общей длины замкнутого проводника. Для удобства съема сигнала в устройстве используют индукционные зонды, которые располагают в непосредственной

близости (1-2 см) от проводника. В катушках индукционных зондов наводится ЭДС, величина которой зависит от амплитуды тока, протекающего в проводник. Поэтому с зонда 3 снимается ЭДС Ез, а с зонда 4 - ЭДС Ез. Отношение амплитуд Ез/Е4 связано с изменением влагосодержания. При этом изменения величины тока, обусловленные нестабильностью характеристик генератора, не влияют на величину этого соотношения, что также повышает точность измерения.

Для получения однозначных характеристик между величиной соотношения сигналов Ез/Ез и величиной влагосодержания необходимо , чтобы четверть длины волны Я было больше половины длины провода а, то естьЯ /4 а. Например, при е 25 фазовая скорость УФ 300.000/ А/25 - 60.000, а длина волны Я УФ /f, где f - частота колебаний, и при f 20 кГц Я 60000/20000 - 3 км, тогда общая длина проводника 2а должна быть меньше 3 км, то есть а 1,5 км.

Показанное на фиг. 2 соотношение токов в начале н и в конце линии к подчиня- н 2л:а

ется соотношению

и

cos

Из

графика видно, что соотношение токов максимальное при сьеме сигналов в начале и конце линии, что соответствует максимальной чувствительности устройства.

Шаг зигзагообразной укладки проводников определяется толщиной контролируемого слоя почвы, так как основное электромагнитное поле двухпроводной линии сосредоточено в цилиндрическом пространстве между двумя соседними проводниками.

Алгоритм преобразования информации устройства можно пояснить цепочкой преобразования: влажность почвы w определяет ее диэлектрическую проницаемость е :f(w), последняя через приведенные выше зависимости пересчитывается в фазовую скорость УФ и далее в длину волны Я , которая по синусоидальной зависимости определяет величину К 1нЛк(соотношение величины токов в начале и конце).

Для почвы в зоне аэрации зависимость Ј f(w) имеет вид Ј w. -Јпс , где епс - диэлектрическая проницаемость сухой породы почвы.

Таким образом, схемы устройства, работающего по описанному алгоритму, можно представить в виде

ЭК

Asin(AVЈ)/2Ve,

где А In af/v.

При частоте f 20000 Гц и длине 2а

ft К

3000 м получим Цг- 0,16, то есть при

Ос.

изменении диэлектрической проницаемости на единицу соотношение токов изменя- ется на 16%, с учетом того, что в среднем изменение влажности на 1% вызывает изменение диэлектрической проницаемости на 0,5 ед.

Таким образом , чувствительность уст- ройства по влажности составит: 8% изменения соотношения тока на 1% изменения влажности почвы. Это позволяет по сравнению с известным способом измерения влажности почвы с помощью проложенного в почве проводника увеличить соотношение сигнал-шум не менее чем в 10 раз.

Предлагаемый способ и устройство для его реализации позволяют значительно снизить влияние неоднородности почвы на точность измерений . Известно, что для влажности почвы интервал корреляции для слоя почвы 0,5 м составляет 0,6 - 1,2 м, поэтому практически через 1 м идет смена показателей влажности почвы.. Таким обра- зом, если, например, с одной стороны за- земленного проводника влажность выше, чем с другой, то это приводит к увеличению результирующей ЭДС, снимаемой с индукционной рамки, что соответствует измене- нию влажности, хотя средняя влажность

осталась неизменной. Этот недостаток устранен в предлагаемом способе измерения, так как контролируемым является весь объем почвы между проводниками. Другое преимущество предлагаемого способа по сравнению с прототипом в том, что измере нния проводят по соотношению токов -:- ,

что делает способ измерения ;нечувстви- тельным к изменению величин тока, питающего изолированный проводник. Формула изобретения Способ измерения влажности почвы орошаемого массива, включающий прокладку в массиве ниже пахотного слоя почвы изолированного проводника с включенным в его разрыв генератором и регистрацию изменения электромагнитных параметров вдоль проводника с помощью электромагнитных зондов, отличающийся тем, что, с цель.ю повышения точности измерений путем повышения помехозащищенности к действию внешних электромагнитных полей и устранения влияния неоднородности почвы, изолированный проводник укладывают зигзагообразно с шагом, равным толщине контролируемого слоя почвы, а электромагнитные зонды устанавливают рядом с проводником в его начале и середине..

Изобретение относится к сельскому хозяйству, к области мелиоративных исследований состояния сельскохозяйственных угодий. Цель изобретения - повышение точности измерения путем повышения помехозащищенности к действию внешних электромагнитных полей и устранение влияния неоднородности почвы. Способ измерения влажности орошаемого массива включает прокладку в массиве ниже пахотного слоя почвы изолированного проводника. К концам проводника подключают генератор. При изменении влажности почвы меняется ее диэлектрическая проницаемость, а следовательно фазовая скорость и длина волны переменного тока вдоль проводника. Изменение последней приводит к изменению величин тока в начале и конце проводника, по соотношению которых и судят об изменении влажности почвы орошаемого массива. При этом регистрацию изменений элейтромагнитных параметров вдоль проводника проводят с помощью электромагнитных зондов, устанавливаемых рядом с проводником в его начале и середине, а сам изолированный проводник укладывают ниже пахотного слоя почвы зигзагообразно с шагом, равным толщине контролируемого слоя почвы. 2 ил. сл С