Датчик влажности почвы Советский патент 1980 года по МПК G01N27/22 

(54) ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля влажности почвы и ее регулирования в устройствах управления мелиоративными системами. Известны датчики влажности, основанные на свойстве погруженных в почву пористых тел вступать с ней во влагообмен и в зависимости от влагосодерж ания изменять свои электрические характеристики (проводимость, диэлектрическую проницаемость). Рабочий элемент таких датчиков представляет собой блок из пористого материала (например, из гипса), в который помещена пара электродов. Блок имеет непосредственный контакт с почвой 1 . Недостатками в устройстве этих датчиков являются: отсутствие регулировки рабочих характеристик путем, например, изменения размеров пор блока, рабочей площади электродов и расстояния между ними; отсутствие гарантированного упругого контакта между пористым блоком датчика и почвой; попадание в поры рабочего элемента почвенной влаги с переменным уровнем солесодержания. Последний недостаток устраняется в известных ионитовых датчиках влажности почвы, которые представляют собой пористый керамический сосуд со свободно насыпанной смесью, анионитов и .катионитов, в которую погружена пара электродов 2. Не устраняя остальных недостатков сорбционных датчиков подобные ионитовьге датчики обладают дополнительным недостатком, связанным с нестабильностью электрического контакта электродов с ионообменной смолой в силу ее большой (до 40%) набухаемости и усадке при колебаниях влажности. Ближайшим техническим решением к изобретению является известный датчик влажности почвы, содержащий корпус с электродами и расположенный между ними влагочувствительный элемент из адсорбирующего материала 3. Однако в известном датчике влагочувствительный элемент из твердого вещества на основе карбида кремния имеет нерегулируемую пористость, определяемую пористостью заготовки, из которой вырезается диск. Расстояние между электродами является постоянным и определяется толщиной диска. Регулировка активной площади электродов не может быть осуществлена, поскольку они выполнены в виде покрытия. Контакт датчика с почвой осуществляется жестким торцом влагочувствительного элемента, что не обеспечивает стабильный влагообмен при колебаниях влажности почвы, Возможность устранения колебаний солесодержания почвенной влаги на точность измерений не предусмотрена. Все это снижает точность измерений влажности почвы. Целью изобретения является повыщение точности измерения влажности почвы за счет предварительной настройки датчика на требуемую рабочую характеристику, регулировкой пористости влагочувствительного элемента и изменением активной площади электродов, а также обеспечения стабильных условий поступления к влагочувствительному элементу обессоленной почвенной влаги. Цель достигается тем, что в корпусе расположены цилиндрическая камера, имеющая крыщку с эластичным пористым дном, в которой помещены соосно расположенные установленные с возможностью относительного поворота плоские фигурной формы верхний и нижний электроды, а между эластичным дном и влагочувствительным элементом расположена сыпучая среда из проведенных в активную форму анионитов и катионитов, имеющая с ними непосредственный контакт, и два нажимных устройства, одно из которых расположено в одном блоке с электродами и влагочувствительным слоем, а второе -между корпусом и электродами. Одно нажимное устройство выполнено в виде вставленного в осевые отверстия электродов и влагочувствительного элемента, электрически изолированного от них стяжного болта с пружинной щайбой, а второе нажимное устройство имеет прикрепленную к верхнему электроду и расположенную между корпусом и крыщкой эластичную диафрагму и расположенный соосно с электродами закрепленный в корпусе регулировочный винт и установленную между ним и диафрагмой нажимную пружину. Дно камеры выполнено из перхлорвиниловой ткани. Использование влагочувствительного элемента из пористого деформируемого материала и сжимак)щего электроды нажимного устройства позволяет путем регулировки усилия прижима изменять условный диаметр пор влагочувствительного элемента и согласовывать его характеристики с характеристиками почвы. Примёйенйё соосно расположйных плоских электродов фигурной формь позволяет путем их поворота изменять площадь взаимного перекрь1тия ив щироких пределах изменять чувствительность датчика. Этим достигается настройка группы датчиков измерительной системы на одинаковые выходные параметры. Второе нажимное устройство обеспечивает посредством сыпучей среды из анионитов и катионитов и эластичного пористого дна камеры постоянную упругую связь влагочувствительного элемента с почвой и стабильные условия влагообмеиа.. Ионообменные смолы в активной форме выполняют при этом роль силового звена в системе влагочувствительный элемент- почва, а также среды для влагопереноса в этой системе и обессоливания поступающего в датчик почвенного раствора. Выполнение влагочувствительного элемента и дна крышки камеры из перхлорвиниловой ткани обеспечивает требуемую долговечность этих элементов при работе в почвенной среде. , Использование в качестве устройства, сжимающего электроды, центрального изоли; рованиого болта с пружинной шайбой обеспечивает регулируемую величину деформации, а следовательно и пористости влагочувствительного элемента и относительный поворот электродов. Эластичная диафрагма второго нажимного устройства обеспечивает возможность перемещения вЛагочувствительного элемента при набухании и усадке почвы и среды из анионитов и катионитов, а регулировочный винт с нажимной пружиной -г- стабильный регулируемый гидравлический контакт этого элемента с почвой. Корпус с цилиндрической камерой обеспечивает нормальное взаимодействие элементов датчика и подключение к электродам токоведущих проводов от измерительной схемы. На фиг. 1 показан разрез датчика влажности; на фиг. 2 - сечение А-А фиг. 1. В цилиндрической камере корпуса 1 расположены верхний 2 и нижний 3 плоские крестообразные хромированные электроды, которые сжаты совместно с влагочувствительным элементом 4 из гигроскопичного деформируемого материала, например из перхлорвиниловой ткани, нажимным устройством, состоящим из изготовленного из полимерного материала центрального болта 5 с гайкой и пружинной шайбы 6. К верхнему электроду с помощью того же болта прижата резиновая диафрагма 7 и направляющая 8 с толкателем. Диафрагма зажата между корпусом и крышкой 9, имеющей эластичное пористое дно 10 из той же перхлорвиниловой ткани и жесткие упоры 11. Пространство между диафрагмой и дном заполнено смесью 12 из анионитов АВ-17-18 в ОН форме и катионитов КУ-2-8 в Н форме в объемном соотношении 1:1. Токоведущие провода от электродов выведены через канал 13. В отверстие, расположенное в верхней части корпуса, вставлена цилиндрическая пружина 14, упирающаяся в толкатель направляющей 8 и ввернутый в корпус регулировочный винт 15. Все стыки деталей загерметизированы, а соприкасающиеся с почвенной влагой поверхности защищены методом обре зинивания.

Перед установкой в датчик электроды 2 и 3 совместно с влагочувствительным элементом 4, диафрагмой 7, направляющей 8 и пружинной шайбой 6 стягивают болтом 5 и, изменяя усилие затяжки, настраивают влагочувствительный элемент на требуемую пористость, которая косвенно оценивается объемом поглощенной им обессоленной воды. Затем поворотом электрода 3 по отношению к электроду 2 подбирается площадь их взаимного перекрытия, обеспечивающая требуемую для данной группы датчиков чувст-. вительность. Для описываемой конструкции датчика диапазон регулировок чувствительности составляет 15% от номинального значения. Затем токоведущие провода от электродов пропускают через канал 13 и датчик собирается. Усилие, создаваемое пружиной 14 на диафрагму 7, устанавливается регулиро вочным винтом 15 таким, чтобы эластичное дно датчика, погруженного во влажную почву на требуемую глубину, прогибалось под воздействием почвы до жестких упоров 11. Для данной конструкции это усилие находится в пределах 7...15Н.

Собранный и отрегулированный комплект датчиков закладывается в почву и оставляется там на время эксплуатации измерительной системы. Влагообмен датчика с почвой осуществляется через эластичное пористое дно 10 и промежуточную среду из ионообменных смол, обессоливающих поступающую к влагочувствительному элементу 4 почвенную влагу. При колебании влажности почвы и промежуточной среды их объем изменяется. В этом случае, благодаря подпружиненной диафрагме 7 и направляющей 8 происходит осевое перемещение влагочувствительного элемента вместе с электродами, а следовательно, и компенсация зазоров в системе влагочувствительный элемент - почва при практически стабильном уплотнении промежуточной среды.

Благодаря стабильному гидрав,лическому контакту влажность влагочувствительного элемента находится в функциональной зависимости от влажности почвы. Поскольку электрические характеристики системы электрод-влагочувствительный элемент- электрод (проводимость, составляющие комплексный диэлектрической проницаемости) непосредственно связаны с влажностью влагочувствительного элемента, то эти характеристики и используются для оценки влажности почвы. Измерение указанных характеристик осуществляется при помощи обычных измерительных схем. В простейшем случае, для оценки влажности по проводимости, измерительная схема состоит из последовательно соединенной группы датчиков, источника переменного тока и миллиамперметра.

Наличие в предлагаемом датчике регулировочных устройств позволяет согласовывать его характеристики с характеристиками почвы и в пределах 15% изменять чувствительность датчика, что необходимо при настройке измерительной схемы. Осуществление с помощью нажимного устройства надежного контакта влагочувствительного элемента с почвой через смесь ионообменных смол, приведенных в активную форму, исключает влияние нестабильности условий влагообмена и концентрации солей в почвенном растворе на результаты измерений. Этим достигается возможность эффективного контроля и регулирования влажности почвы.

Формула изобретения

активную форму анионитов и катионитов, имеющая с ними непосредственный контакт, и два нажимных устройства, одно из которых расположено в одном блоке с электродами и влагочувствительным слоем, а второе - между корпусом и электродами.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Орехова И. Г. Кондуктометрические и емкостные сорбционные датчики влажности почвы. Реферативный обзор «Сборник трудов по агрономической физике, Гидрометеоиздат.. Л., 1973, вып. 34, с. 139-147.