Датчик влажности почвы Советский патент 1981 года по МПК G01N27/22 

(54) ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ

Изобретение относится к измерител ной технике, в частности, к бипараме рическим датчикам,предназ наченным для измерения влажности почвы. Известен датчик влажности, реагирующий на Bjjary, сконцентрированную на листе электроизоляционного матери ла, например, стекла. Датчик содержит пару вилкообразных, входящих друг в друга электродов, напечатанных на стекле. Электроды выполнены из вязкой проводящей смеси стекловатого шлака и золота, палладия, платины или окиси металла, например, рутения. Датчик сохраняет постоянным свое сопротивление в течении долгого срока работы и мдркет быть использован в устройстве, которое препятствует запотеванию стекол, или в вентиляторе 1 . Однако устройство сложно в изготовлении. Ближайшим техническим решением к предлагаемому является датчик влаж ности почвы сорбционного типа, содер жащий чувствительный элемент в виде многовитковой спирали, подключенной к автогенератору и формирователь выходного сигнала 2 . Недостатками данного датчика яв|ляется сложность схемы и конструкции . Кроме того, существование ряда факторов неравномерное распределение ananf в контролируемой .среде, наличие поверхностной влаги на чувствительном элементе и др,) сильно затрудняют или даже делают невозможным применение этих влагомеров для измерения среднего значения влажности почвы. Цель изобретения - увеличение чувствительности и точности измерения. Для этого чувствительный элемент выполнен в виде печатной многовитковой спирали, гальванически изолированной от контролируемой среды тонким слоем диэлектрика с диэлектрической проницаемостью близкой или равной к диэлектрической проницаемости почвы с низким содержанием влаги и обладаюсцим большим tgcf. На чертеже приведена схема датчика влажности почвы. Устройство содержит бипараметрический чувствительный элемент (ЧЭ) в виде ассиметричной относительного горизонтальной оси плоской многовитковой однослойной спирали (например, с грушевидной конфигурацией) 1,изолированной от контролируемой среды тонким слоем диэлектрика (основанием 2 (например, фторопласта или стеклолакоткани толщиной 0,1 мм), автогенератор 3, генератор пилообразного напряжения 4, усилитель 5 и формирователь б выходных импульсов. Принцип работы ЧЭ основан на использовании суммарного эффекта от реакции наводимых в контролируемой среде токов смещения и вихревых тоkOB. Это обусловлено тем, что изменение влажности почвы приводит к изм нению как ее электропроводности так и диэлектрической проницаемости.При этом емкость между витками ЧЭ и границей раздела основание ЧЭ почва, определяются разностью диэлектрических проницаемостей почвы .и основания.ЧЭ. В связи с тем, что диэлектрическая проницаемость подложки ЧЭ выбрана близкой или равной к диэлектрической проницаемости почвы с малым содержанием влаги, величина этой емкости при малой величине влажности контролируемой почвы, полу чается минимальной и межвитковая емкость определяется собственной емкостью ЧЭ, Кроме того, так как удельная электропроводность сухой почвы минимальна, то потери на вихревые токи тоже незначительны. Всле ствие указанных причин добротность ЧЭ в этом максимальна. При увеличении влажности почвы увеличивается его диэлектрическая проницаемость и удельная электропроводность, что приводит к увеличению межвитковой емкости ЧЭ и активных потерь. В результате добротность ЧЭ уменьшает ся. При этом с увеличением тангенса угла потерь (tgCf) подложки изменение добротности ЧЭ от воздействия т ков смещения наводимых в контролируемой среде, увеличивается. Поэтому для увеличения чувствительности датчика выбор материала подложки ЧЭ осуществлен с учетом этого фактора, т.е. .с большим tgtf. Добротность ЧЭ получается обратн пропорциональной величине влажности почвы. Влажность почвы распределена неравномерно (с увеличением глубины влажность растет). Причем эта закономерность сохраняется для всег продуктивного слоя почвы (до 1 м). и определяется структурным составом и другими свойствами почвы. Для отдельных массивов закономерность рас пределения влажности стабильна.. С другой стороны зависимость доброт ности ЧЭ от влажности почвы имеет также нелинейный характер. Для обес печения однозначной зависимости доб ротности ЧЭ от среднего значения влажности в пределах контролируемой глубины конфигурация витков Ч выпо нена ассиметричной .(например, грушевидной ) , ЧЭ включен в колебательный контур автогенератора 3, построенного на операционном усилителе интегрального исполнения. При этом в цепь отрицательной обратной связи усилителя,с целью функционального изменения его коэффициента усиления, включен резистивный оптрон, управляемый генератором 4 пилообразного напряжения. Параметры элементов схемы автогенератора 3 выбраны такими, что при начальном положении (максимальном выходном напряжении) .генератора 4 пилообразного напряжения и даже при максимальной добротности ЧЭ, условия его .самовозбуждения не обеспечиваются.- На выходе формирователя, состоящего из детектора-усилителя и триггера с одним устойчивым состоянием, сигнал отсутствует. С уменьшением выходного напряжения генератора 4 величина отрицательной обратной связи операционного усилителя автогенератора 3 уменьшается, т.е. коэффициент усиления операционного усилителя увеличивается и условия самовозбуждения автогенератора обеспечиваются при соответствующих (меньших) величинах добротности ЧЭ. Таким образом, с уменьшением влажности почвы, т.е. с увеличением добротности ЧЭ, самовозбуждение автогенератора 3 происходит при больших величинах выходного напряжения генератора 4. С увеличением же влажности почвы его самовозбуждение происходит при малых значениях выходного напряжения генератора 4. Время нахождения автогенератора 3 в режиме отсутствия колебаний в течение.каждого периода генератора пилообразного напряжения 4 (длительность выходного импульса формирователя б) получается пропорциональной средней величине влажности почвы. Включение в цепь отрицательной обратной связи ОУ автогенератора 3 оптрона (управляемого сопротивления) позволяет линеаризировать зависимость между длительностью выходных импульсов и влажностью почвы. Формула изобретения Датчик влажности почвы, содержащий чувствительный элемент в виде многовитковой спирали, подключенной к автогенератору и формирователь выходного сигнала, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности и точности измерения,. многовитковая спираль выполнена ассиметричной относитель,но горизонтальной оси и тонким слоем

диэлектрика с диэлектрическими свс5йствами, равными диэлектрическим свойством контролируемой среды.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

2.Авторское свидетельство CCXJP № 449290, кл. G 01 N 27/22, 1972 (прототип).