BR112020008165B1

BR112020008165B1 - PROBE SENSOR TO DIRECTLY MEASURE THE ELECTRICAL CONDUCTIVITY OF A SOIL

Info

Publication number: BR112020008165B1
Application number: BR112020008165-5A
Authority: BR
Inventors: Michael Z. Kiss
Original assignee: Tribus, Llc
Priority date: 2017-10-26
Filing date: 2018-10-26
Publication date: 2023-07-11

Abstract

Uma sonda depende de múltiplos sensores, os quais são capazes de medir diretamente a umidade, a temperatura e a condutividade elétrica (CE) do solo. A sonda proposta usa transformadores de radiofrequência (RF) para sensorear mudanças na carga através da primária do transformador, que fará contato direto com o solo. A sonda contemplada aqui, mede precisamente os valores de CE em líquidos, e solos saturados com água, tendo contato direto com o meio no qual as medições são feitas. As medições rendem CE absoluta, em qualquer tipo de solo.A probe depends on multiple sensors, which are capable of directly measuring soil humidity, temperature and electrical conductivity (EC). The proposed probe uses radio frequency (RF) transformers to sense changes in load through the transformer primary, which will make direct contact with the ground. The probe contemplated here precisely measures EC values in liquids and soils saturated with water, having direct contact with the medium in which the measurements are made. Measurements yield absolute EC, in any soil type.

Description

TECHNICAL FIELD

[001] A invenção se refere, de forma geral, à medição direta da condutividade elétrica do solo.[001] The invention generally refers to the direct measurement of the electrical conductivity of the soil.

FUNDAMENTALS

[002] A condutividade elétrica (“CE”) do solo é uma medida da quantidade de sais no solo (salinidade do solo). Este é um indicador importante da saúde do solo. Ele afeta os rendimentos de cultivo, a adequabilidade do cultivo, a disponibilidade de nutrientes da planta e a atividade de microrganismos do solo que influenciam os processos chave de solo, incluindo a emissão de gases de efeito estufa, tais como óxidos de nitrogênio, metano e dióxido de carbono. Sais em excesso impedem o crescimento da planta afetando o equilíbrio de solo e água. Os solos contendo sais em excesso acontecem naturalmente em climas áridos e semiáridos. Os níveis de sal podem aumentar, como resultado do cultivo, da irrigação e da gestão terrestre. A CE tem sido correlacionada com concentrações de nitratos, potássio, sódio, cloreto, sulfato e amônia. Para certos solos não salinos, a determinação da CE pode ser uma maneira conveniente e econômica para estimar a quantidade de nitrogênio (N) disponível para o crescimento de plantas. Quando da irrigação, água adicional além das necessidades de cultivo pode ser usada para descarregar sais em excesso abaixo da zona da raiz e manter um nível de CE com base na tolerância do cultivo.[002] The electrical conductivity (“EC”) of the soil is a measure of the amount of salts in the soil (soil salinity). This is an important indicator of soil health. It affects crop yields, crop suitability, plant nutrient availability and the activity of soil microorganisms that influence key soil processes, including the emission of greenhouse gases such as nitrogen oxides, methane and carbon dioxide. Excess salts impede plant growth by affecting soil and water balance. Soils containing excess salts occur naturally in arid and semi-arid climates. Salt levels can increase as a result of cultivation, irrigation and land management. EC has been correlated with concentrations of nitrate, potassium, sodium, chloride, sulfate and ammonia. For certain non-saline soils, determining EC can be a convenient and economical way to estimate the amount of nitrogen (N) available for plant growth. When irrigating, additional water beyond crop requirements can be used to flush excess salts below the root zone and maintain an EC level based on crop tolerance.

[003] Em vista dos precedentes, os dados de CE rastrearão os nitratos na zona de enraizamento do cultivo, permitindo um melhor gerenciamento de nitrogênio, reduzindo a lixiviação de nitrogênio além da zona de raiz do cultivo e reduzindo a contaminação da água do solo. O monitoramento de umidade do solo e da CE também ajudará a determinar as taxas de aplicação de irrigação por toda a estação de crescimento.[003] In view of the foregoing, EC data will track nitrates in the crop root zone, allowing for better nitrogen management, reducing nitrogen leaching beyond the crop root zone, and reducing soil water contamination. Monitoring soil moisture and EC will also help determine irrigation application rates throughout the growing season.

[004] Infelizmente, as sondas atualmente disponíveis no mercado fazem uso de sensores capacitivos, que não fazem contato direto com o solo. Veja, por exemplo, o Apêndice, compreendendo um manual da TRISCAN apresentando medições de CE usando sondas capacitivas. Neste, as sondas de perfil de solo baseadas em capacitância são instaladas verticalmente no solo, e não fazem contato direto com o solo. Os sensores capacitivos são isolados do solo e instalados dentro dos “tubos de acesso” de plástico, em cada profundidade de interesse. Os valores de CE são derivados a partir das medições do “teor volumétrico de íons” que são usadas para calcular o valor de CE para cada tipo de solo específico.[004] Unfortunately, the probes currently available on the market use capacitive sensors, which do not make direct contact with the ground. See, for example, the Appendix, comprising a TRISCAN manual presenting EC measurements using capacitive probes. In this, the capacitance-based soil profile probes are installed vertically in the ground, and do not make direct contact with the ground. The capacitive sensors are isolated from the soil and installed inside plastic “access tubes”, at each depth of interest. EC values are derived from “volumetric ion content” measurements that are used to calculate the EC value for each specific soil type.

[005] Este método de medição de CE contém falhas, já que os tipos de solo não são homogêneos. O modelo de dados usa um teor de íons volumétrico nominal (VIC) e as unidades do VIC podem estar relacionadas somente com o solo de CE, através de amostragem e análise de solo quantitativamente específica.[005] This EC measurement method contains flaws, as the soil types are not homogeneous. The data model uses a nominal volumetric ion content (VIC) and VIC units can be related only to EC soil through quantitatively specific soil sampling and analysis.

[006] Em vista do precedente, há uma necessidade de um sistema e método para medir a condutividade elétrica do solo de forma mais eficaz. SUMÁRIO[006] In view of the foregoing, there is a need for a system and method to measure soil electrical conductivity more effectively. SUMMARY

[007] A presente invenção, consequentemente, provê uma sonda que conta com múltiplos sensores, que são capazes de medir a umidade, a temperatura e a condutividade elétrica (CE) do solo. A sonda da invenção usará transformadores de radiofrequência (“RF”) para sensorear mudanças na carga através da primária do transformador, que fará contato direto com o solo.[007] The present invention, consequently, provides a probe that has multiple sensors, which are capable of measuring the humidity, temperature and electrical conductivity (EC) of the soil. The inventive probe will use radio frequency (“RF”) transformers to sense changes in load through the transformer primary, which will make direct contact with the ground.

[008] A sonda contemplada aqui mede precisamente os valores de CE em solos saturados de líquidos e água por meio do contato direto com o meio no qual as medições são feitas. As medições rendem CE absoluta em qualquer tipo de solo.[008] The probe contemplated here precisely measures EC values in soils saturated with liquids and water through direct contact with the medium in which the measurements are made. Measurements yield absolute EC in any soil type.

[009] O precedente delineou de forma mais ampla as características e vantagens técnicas da presente invenção a fim de que a descrição detalhada da invenção a seguir possa ser melhor entendida. Características e vantagens adicionais da invenção serão descritas a seguir, as quais formam o objeto das reivindicações da invenção. Deve ser apreciado por aqueles versados na técnica que a concepção e a realização específica apresentada podem ser facilmente usadas como base para modificar ou projetar outras estruturas para a realização das mesmas finalidades da presente invenção. Deve ser também compreendido por aqueles versados na técnica que tais construções equivalentes não se afastam do espírito e escopo da invenção como apresentado nas reivindicações anexas.[009] The foregoing has more broadly outlined the characteristics and technical advantages of the present invention so that the detailed description of the invention below can be better understood. Additional features and advantages of the invention will be described below, which form the object of the claims of the invention. It should be appreciated by those skilled in the art that the specific conception and embodiment presented can easily be used as a basis for modifying or designing other structures for carrying out the same purposes as the present invention. It should also be understood by those skilled in the art that such equivalent constructions do not depart from the spirit and scope of the invention as set forth in the appended claims.

BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0010] Para um entendimento mais completo da presente invenção, e das vantagens da mesma, agora será realizada referência às descrições a seguir tomadas em conjunto com os desenhos anexos, nos quais: a Figura 1 exemplifica uma sonda configurada para medir a umidade, a temperatura e a condutividade elétrica do solo de acordo com uma modalidade da invenção; a Figura 2 é uma seção transversal da sonda da Figura 1, tomada ao longo da linha 2-2 da Figura 1. a Figura 3 exemplifica uma bobina sensora de condutividade elétrica para uso com a sonda da Figura 1. a Figura 4 é um diagrama de blocos que exemplifica um sistema que incorpora as características da presente invenção. a Figura 5 é um desenho esquemático de um circuito que incorpora características da presente invenção.[0010] For a more complete understanding of the present invention, and its advantages, reference will now be made to the following descriptions taken in conjunction with the attached drawings, in which: Figure 1 exemplifies a probe configured to measure humidity, the temperature and electrical conductivity of the soil according to an embodiment of the invention; Figure 2 is a cross-section of the probe of Figure 1, taken along line 2-2 of Figure 1. Figure 3 exemplifies an electrical conductivity sense coil for use with the probe of Figure 1. Figure 4 is a diagram of blocks that exemplifies a system that incorporates the characteristics of the present invention. Figure 5 is a schematic drawing of a circuit incorporating features of the present invention.

DETAILED DESCRIPTION

[0011] Referindo-se agora aos desenhos, nos quais os elementos representados são, para fins de clareza, não necessariamente mostrados em escala e em que elementos similares ou semelhantes são designados pelo mesmo numeral de referência através das diversas vistas. Tendo em vista a concisão, elementos bem conhecidos podem ser ilustrados em forma esquemática ou em diagrama de blocos de modo que não obscureça a presente invenção em detalhes desnecessários e detalhes referentes a vários outros componentes conhecidos na técnica, tais como microprocessadores, sensores de temperatura, sensores de umidade e semelhantes necessários para a operação de muitos dispositivos elétricos, não sejam mostrados ou discutidos em detalhes, visto que esses detalhes não são considerados necessários para obter uma compreensão completa da presente invenção, e são considerados como estando dentro das habilidades de pessoas versadas na técnica relevante. Adicionalmente, como usado aqui, o termo “substancialmente” deve ser interpretado como um termo de aproximação.[0011] Referring now to the drawings, in which the elements represented are, for the sake of clarity, not necessarily shown to scale and in which similar or similar elements are designated by the same reference numeral across the various views. For the sake of brevity, well-known elements may be illustrated in schematic or block diagram form so as not to obscure the present invention in unnecessary detail and details relating to various other components known in the art, such as microprocessors, temperature sensors, humidity sensors and the like necessary for the operation of many electrical devices, are not shown or discussed in detail, as such details are not considered necessary to obtain a complete understanding of the present invention, and are considered to be within the abilities of skilled persons in the relevant technique. Additionally, as used herein, the term “substantially” should be interpreted as a term of approximation.

[0012] Observa-se que, a menos que de outra forma indicado, muitas funções aqui descritas podem ser realizadas por um processador tal como um microprocessador, um controlador, um microcontrolador, um circuito integrado de aplicação específica (ASIC), um processador de dados eletrônicos, um computador ou semelhantes de acordo com o código, tal como código de programa, software, circuitos integrados e/ou semelhantes que são codificados para realizar tais funções. Além disso, é considerado que os detalhes do projeto, do desenvolvimento e de implementação de todos tais códigos seriam evidentes para uma pessoa versada na técnica com base em uma revisão da presente descrição da invenção.[0012] It is noted that, unless otherwise indicated, many functions described herein can be performed by a processor such as a microprocessor, a controller, a microcontroller, an application-specific integrated circuit (ASIC), a electronic data, a computer or the like according to code, such as program code, software, integrated circuits and/or the like that are encoded to perform such functions. Furthermore, it is contemplated that the details of the design, development and implementation of all such codes would be apparent to a person skilled in the art based on a review of the present description of the invention.

[0013] Com referência à Figura 1 dos desenhos, o numeral de referência 100 designa geralmente uma sonda que incorpora características da presente invenção para medir a umidade, a temperatura e a condutividade elétrica (“CE”) do solo. O sistema 100 inclui um tubo 102, preferivelmente de cerca de 2,54 cm de diâmetro externo e fabricado de um material não metálico ou plástico, tal como PVC (cloreto de polivinila), de uma maneira bem conhecida na técnica.[0013] With reference to Figure 1 of the drawings, the reference numeral 100 generally designates a probe that incorporates features of the present invention for measuring soil moisture, temperature and electrical conductivity (“EC”). System 100 includes a tube 102, preferably about 2.54 cm in outer diameter and manufactured from a non-metallic or plastic material, such as PVC (polyvinyl chloride), in a manner well known in the art.

[0014] Em uma modalidade preferida, o tubo 102 inclui quatro luvas de aço inoxidável 104 de cerca de uma a duas polegadas ao longo com uma fenda 104a definida em cada um dos dois lados opostos da luva. A fenda 104a se estende longitudinalmente de maneira substancial ao longo do comprimento da luva, mas curta de todo o comprimento. Embora quatro luvas 104 sejam exemplificadas na Figura 1, mais ou menos luvas podem ser usadas conforme apropriado. As luvas 104 são, preferivelmente, eletricamente acopladas através de um fio 110 para efetuar um aterramento. Conforme discutido em maiores detalhes abaixo, as luvas 104 atuam como uma primária de um transformador de radiofrequência (“RF”) de sensor de CE.[0014] In a preferred embodiment, the tube 102 includes four stainless steel sleeves 104 of about one to two inches along with a slot 104a defined on each of the two opposing sides of the sleeve. The slit 104a extends longitudinally substantially along the length of the sleeve, but short along the entire length. Although four gloves 104 are exemplified in Figure 1, more or fewer gloves may be used as appropriate. The sleeves 104 are preferably electrically coupled via a wire 110 to effect a ground. As discussed in greater detail below, the sleeves 104 act as a primary of a CE sensor radio frequency (“RF”) transformer.

[0015] Um sensor de temperatura convencional 106 e sensor de umidade 108 são interpostos entre e acima de cada luva 104, e entre a parede externa do tubo 102 e a parede interna 114 (Figura 2) da sonda 100. O sensor de umidade 108 é preferivelmente do tipo que usa duas bandas de cobre relativamente largas com uma banda de cobre mais estreita entre as bandas de cobre mais largas. Tais sensores de temperatura e sensores de umidade são considerados bem conhecidos na técnica e, portanto, não serão descritos em maiores detalhes aqui, exceto na medida que for necessário descrever a invenção.[0015] A conventional temperature sensor 106 and humidity sensor 108 are interposed between and above each sleeve 104, and between the outer wall of the tube 102 and the inner wall 114 (Figure 2) of the probe 100. The humidity sensor 108 it is preferably the type that uses two relatively wide copper bands with a narrower copper band between the wider copper bands. Such temperature sensors and humidity sensors are considered well known in the art and therefore will not be described in greater detail here, except to the extent necessary to describe the invention.

[0016] A Figura 2 representa graficamente uma seção transversal da sonda da Figura 1, tomada ao longo da linha 2-2 da Figura 1. Conforme mostrado no seu interior, a sonda 100 inclui um tubo interno ou parede 114. Conforme mostrado, uma secundária do transformador de RF de sensor de CE 116 enrolado em uma bobina não eletricamente condutora substancialmente estável em temperatura de acetal ou similar é posicionado dentro da parede interna em alinhamento com as fendas 104a. Uma secundária distinto 116 é provido correspondente a cada primária 104, e o comprimento de cada secundária 116 se aproxima do comprimento da fenda 104a. A primária 104 do transformador de RF de sensor de CE e a secundária do transformador RF de sensor de CE 116 são coletivamente referidos aqui como sensor de CE 120. Conforme mencionado acima e mostrado mais claramente na Figura 2, múltiplos sensores de temperatura 106 e sensores de umidade 108 são interpostos entre a parede externa do tubo 102 e a parede interna 114 da sonda 100.[0016] Figure 2 graphically represents a cross-section of the probe of Figure 1, taken along line 2-2 of Figure 1. As shown inside, the probe 100 includes an inner tube or wall 114. As shown, a secondary CE sensor RF transformer 116 wound on a substantially temperature-stable non-electrically conductive coil of acetal or similar is positioned within the inner wall in alignment with slots 104a. A distinct secondary 116 is provided corresponding to each primary 104, and the length of each secondary 116 approximates the length of the slit 104a. The primary 104 of the CE sensing RF transformer and the secondary of the CE sensing RF transformer 116 are collectively referred to herein as the CE sensor 120. As mentioned above and shown more clearly in Figure 2, multiple temperature sensors 106 and sensors of moisture 108 are interposed between the outer wall of the tube 102 and the inner wall 114 of the probe 100.

[0017] A Figura 4 é um diagrama de blocos de um sistema para monitorar a temperatura, a umidade e a condutividade elétrica do solo. Conforme mostrado, os sensores de CE 120 são acoplados a uma placa de circuito de CE 112 discutida em maiores detalhes abaixo em relação à Figura 5. A placa de CE 112 gera uma saída para um conversor analógico-para- digital (“A/D”) 113, o qual então converte o sinal analógico em um sinal digital que é transmitido a um microprocessador 130. Adicionalmente ainda, conforme indicado pelas setas em cada sensor de CE 120 e uma seta correspondente ao microprocessador 130, cada sensor de CE 120 gera um sinal diretamente para o conversor A/D 113, o qual converte o sinal analógico em um sinal digital que é transmitido diretamente para o microprocessador 130.[0017] Figure 4 is a block diagram of a system for monitoring soil temperature, humidity and electrical conductivity. As shown, the CE sensors 120 are coupled to a CE circuit board 112 discussed in greater detail below in connection with Figure 5. The CE board 112 generates an output to an analog-to-digital (“A/D” converter). ”) 113, which then converts the analog signal into a digital signal that is transmitted to a microprocessor 130. Additionally, as indicated by the arrows on each EC sensor 120 and an arrow corresponding to the microprocessor 130, each EC sensor 120 generates a signal directly to the A/D converter 113, which converts the analog signal into a digital signal that is transmitted directly to the microprocessor 130.

[0018] Os sensores de temperatura múltipla 106 geram múltiplos sinais, preferivelmente, para um multiplexador 122, que então transmite um único sinal para um conversor de capacitância para digital 124, tal como um AD7745, que converte a capacitância real em um sinal digital compatível com, e transmitido ao microprocessador 130. Múltiplos sensores de umidade 108 geram múltiplos sinais preferivelmente para um multiplexador 126, que então transmite um único sinal para um dispositivo analógico 128, tal como um AD8515, que expande a capacidade do AD7745 para permitir que sejam processados valores de capacitância mais altos, que por sua vez geram um sinal para o conversor 124, o qual, por sua vez, gera um sinal para o microprocessador 130.[0018] Multiple temperature sensors 106 generate multiple signals, preferably to a multiplexer 122, which then transmits a single signal to a capacitance-to-digital converter 124, such as an AD7745, which converts the actual capacitance into a compatible digital signal com, and transmitted to microprocessor 130. Multiple humidity sensors 108 generate multiple signals preferably to a multiplexer 126, which then transmits a single signal to an analog device 128, such as an AD8515, which expands the capacity of the AD7745 to allow them to be processed higher capacitance values, which in turn generate a signal to the converter 124, which, in turn, generates a signal to the microprocessor 130.

[0019] O microprocessador 130 recebe sinais de sensores de CE 120 da placa de CE 112, a partir dos sensores de temperatura 106, e dos sensores de umidade 108, e destes sinais gera um sinal de dados seriais 132 compreendendo informação de condutividade elétrica, de temperatura e de umidade. A título de exemplo, o sinal de dados seriais 132 se conforma com RS-232, RS-485 e/ou SDI-12, e é transmitido, preferivelmente através de um transceptor de rádio 134, para uma instalação de monitoramento central (não mostrada).[0019] The microprocessor 130 receives signals from EC sensors 120 of the EC board 112, from temperature sensors 106, and from humidity sensors 108, and from these signals generates a serial data signal 132 comprising electrical conductivity information, of temperature and humidity. By way of example, the serial data signal 132 conforms to RS-232, RS-485 and/or SDI-12, and is transmitted, preferably via a radio transceiver 134, to a central monitoring facility (not shown ).

[0020] Em uma modalidade preferida, todos os componentes da Figura 4, exceto pelo transceptor de rádio 134, são alojados dentro da sonda 100, preferivelmente próximo da placa de CE 112.[0020] In a preferred embodiment, all components of Figure 4, except for the radio transceiver 134, are housed within the probe 100, preferably close to the CE board 112.

[0021] A Figura 5 exemplifica uma placa de circuito de CE, em que: a saída de um regulador de voltagem (+5 VCC) é provida a todos os elementos do circuito que requerem uma voltagem estável.[0021] Figure 5 exemplifies a CE circuit board, in which: the output of a voltage regulator (+5 VDC) is provided to all circuit elements that require a stable voltage.

[0022] A frequência (Fx) de um ressonador de 4 Mhz, com capacitores de carga embutidos, é usada como a referência para uma das entradas do detector de quadratura (U4). A frequência de oscilador derivada (FQ) do oscilador (Q1) serve como a outra entrada para o detector de quadratura. Ocorre uma condição de travamento quando FQ e Fx estão dentro de uma fase de 90 graus entre si.[0022] The frequency (Fx) of a 4 Mhz resonator, with built-in load capacitors, is used as the reference for one of the inputs of the quadrature detector (U4). The derived oscillator frequency (FQ) of the oscillator (Q1) serves as the other input to the quadrature detector. A latching condition occurs when FQ and Fx are within 90 degrees of each other.

[0023] Uma vez travada, a saída de U3B, uma voltagem de CC positiva, serve como a voltagem de saída de AFC (Controle Automático De Frequência). Esta voltagem é adicionada à voltagem de RF através dos diodos de sintonização de varactor D1 e D5 para manter a “trava” da extremidade do cátodo. A voltagem de AFC de solicitação reversa fará com que os diodos de sintonização mudem sua capacitância inversamente com esta voltagem, o que causará a elevação ou abaixamento sua capacitância, para manter o circuito do tanque de osciladores LC sintonizado em Fx, muito parecido como um servo de cc.[0023] Once latched, the output of U3B, a positive DC voltage, serves as the AFC (Automatic Frequency Control) output voltage. This voltage is added to the RF voltage across varactor tuning diodes D1 and D5 to maintain the cathode end “lock”. The reverse request AFC voltage will cause the tuning diodes to change their capacitance inversely with this voltage, which will cause their capacitance to rise or fall, to keep the LC oscillator tank circuit tuned to Fx, much like a servo of cc.

[0024] Os diodos de sintonização D7 e D8 são usados para definir inicialmente o Fo do circuito do tanque de LC no centro da faixa de bloqueio do AFC. Isto permite a captura automática quando o circuito de CE é ligado.[0024] Tuning diodes D7 and D8 are used to initially set the Fo of the LC tank circuit at the center of the AFC blocking range. This allows automatic capture when the CE circuit is turned on.

[0025] A indutância do circuito do tanque de LC é composta da indutância da bobina primária do transformador de sensor. A capacitância equivalente é a soma da: capacitância de D7 e D8, + C2, + C2a, + a capacitância de D1 e D5, + C4.[0025] The inductance of the LC tank circuit is composed of the inductance of the primary coil of the sensor transformer. The equivalent capacitance is the sum of: the capacitance of D7 and D8, + C2, + C2a, + the capacitance of D1 and D5, + C4.

[0026] O valor da indutância, para cada um dos sensores de CE, é alterado pela carga da condutividade do solo. Isto altera a frequência ressonante da malha. A malha de captura de fase (“PLL”) é “sintonizada” pelos varactores até que a frequência ressonante da malha com o indutor carregado seja a mesma que a frequência da malha com indutores descarregados (em funcionamento).[0026] The inductance value, for each of the EC sensors, is changed by the soil conductivity load. This alters the resonant frequency of the loop. The phase capture loop (“PLL”) is “tuned” by the varactors until the resonant frequency of the loop with the loaded inductor is the same as the frequency of the loop with unloaded (running) inductors.

[0027] O diodo D2 é um detector de pico de alta impedância da voltagem de RF do circuito de tanque do LC. A voltagem de saída do detector de pico derivado é através do resistor de carga R19 e do capacitor de filtro C6.[0027] Diode D2 is a high impedance peak detector of the RF voltage of the LC tank circuit. The output voltage of the shunt peak detector is through load resistor R19 and filter capacitor C6.

[0028] A voltagem de saída do detector de pico derivado e a voltagem de compensação de temperatura que é aplicada ao D3, são usadas para acionar o amplificador regulador U3A, que regula a diferença de erro entre os diodos D2 e D3, e resulta em uma voltagem de saída relativamente constante através da faixa operacional.[0028] The output voltage of the derived peak detector and the temperature compensation voltage that is applied to D3, are used to drive the regulatory amplifier U3A, which regulates the error difference between diodes D2 and D3, and results in a relatively constant output voltage across the operating range.

[0029] O amplificador regulador U3A aciona a fonte de corrente Q2, que por sua vez aciona o oscilador Q1.[0029] The regulator amplifier U3A drives the current source Q2, which in turn drives the oscillator Q1.

[0030] A voltagem inicial na base do Q1 (em funcionamento) deve estar na faixa de 3,80 a 3,83 VCC.[0030] The initial voltage at the base of Q1 (in operation) must be in the range of 3.80 to 3.83 VDC.

[0031] A voltagem de saída do Q1 (Vpo) varia de perto de zero até uma voltagem de pico máximo linear com aumento da voltagem de polarização de base, para qualquer carga de circuito de tanque dentro da faixa de CE. A carga do circuito do tanque é a carga vista por uma secundária dos transformadores de sensor. O diodo Zener D6 é usado para limitar a voltagem de polarização de base de Q1, no caso de uma secundária do transformador de sensor encurtado.[0031] The output voltage of Q1 (Vpo) varies from near zero to a linear maximum peak voltage with increasing base bias voltage, for any tank circuit load within the CE range. The tank circuit load is the load seen by a secondary of the sensor transformers. Zener diode D6 is used to limit the base bias voltage of Q1 in the case of a shorted sensor transformer secondary.

[0032] Qualquer decréscimo na resistência de carga das secundárias de transformadores de sensor (sensoreando uma CE inferior) fará com que o amplificador regulador U3A mantenha a Vpo constante, através do aumento do Vb de Q1, o que resultará no aumento de sua corrente coletora.[0032] Any decrease in the load resistance of the sensor transformer secondaries (sensing a lower EC) will cause the regulator amplifier U3A to maintain a constant Vpo, through an increase in the Vb of Q1, which will result in an increase in its collector current .

ALIGNMENT/CALIBRATION OF THE CE PLATE

[0033] Com o sensor de CE de interesse em funcionamento: prover + 9 VCC para o pino 1, da U1, do regulador de voltagem de + 5 VCC.[0033] With the CE sensor of interest in operation: provide + 9 VDC to pin 1, of U1, of the + 5 VDC voltage regulator.

[0034] O micro de CE determinará a temperatura na placa de CE, através da comparação da voltagem VERSUS temperatura para o sensor de temperatura da placa, contra a voltagem medida real do sensor de temperatura.[0034] The CE micro will determine the temperature on the CE board, by comparing the voltage VERSUS temperature for the board's temperature sensor, against the actual measured voltage of the temperature sensor.

[0035] Uma vez que a temperatura atual na placa for determinada, uma outra tabela de consulta proverá a voltagem de compensação de temperatura que precisa ser medida no pino 3, do U3A.[0035] Once the current temperature on the board is determined, another look-up table will provide the temperature compensation voltage that needs to be measured at pin 3, of U3A.

[0036] Aplicar uma voltagem ao ânodo de D3, a qual é a combinação da voltagem de compensação de temperatura de + 0,6 volts, enquanto que o pino de monitoramento 3 é do U3A. Isto define a voltagem de compensação de temperatura para a temperatura atual de placa.[0036] Apply a voltage to the anode of D3, which is the combination of the temperature compensation voltage of + 0.6 volts, while monitoring pin 3 is from U3A. This sets the temperature compensation voltage for the current board temperature.

[0037] A voltagem inicial na base do Q1 (em funcionamento) deve estar na faixa de 3,80 a 3,83 VCC.[0037] The initial voltage at the base of Q1 (in operation) must be in the range of 3.80 to 3.83 VDC.

[0038] Monitorar a tpl, enquanto a voltagem de sintonização dos diodos D7 e D8 varia, usando-se uma voltagem de partida de 9 VCC (Vbat) no tp2, até que a voltagem no tpl seja 3,80 a 3,83 VCC.[0038] Monitor the tpl, while the tuning voltage of diodes D7 and D8 varies, using a starting voltage of 9 VDC (Vbat) on tp2, until the voltage at tpl is 3.80 to 3.83 VDC .

[0039] Usar a tabela de consulta para ajustar DPP1 ao valor de resistência “limpador” associado com 100% de água.[0039] Use the look-up table to adjust DPP1 to the “wiper” resistance value associated with 100% water.

[0040] Monitorar a tp3, enquanto a voltagem na tp4 varia, até que a voltagem na tp3 (pino 5 do amplificador somador balanceado) seja de 4,00 volts.[0040] Monitor tp3, while the voltage at tp4 varies, until the voltage at tp3 (pin 5 of the balanced summing amplifier) is 4.00 volts.

[0041] Verificar que a voltagem no cátodo de D4 é de 0,379 volts.[0041] Check that the voltage at the D4 cathode is 0.379 volts.

[0042] Com o sensor de CE de interesse na solução de CE padrão de extremidade inferior (por exemplo, 300 uS): note que: os valores padrão de CE VERSUS a voltagem no cátodo de D4 devem ser preferivelmente em incrementos de 20 uS (150 uS a 1800 uS).[0042] With the CE sensor of interest in the lower end standard CE solution (e.g. 300 uS): note that: default CE VERSUS values the voltage at the cathode of D4 should preferably be in 20 uS increments ( 150 uS to 1800 uS).

[0043] Ajustar a voltagem no pino 5 do U2B até que a voltagem no cátodo de D4 meça o valor correspondente de uma tabela de consulta da solução de CE de extremidade inferior padrão. A voltagem correspondente no cátodo de D4 é escalonada até que seja compatível com a voltagem de entrada do microprocessador.[0043] Adjust the voltage at pin 5 of U2B until the voltage at the cathode of D4 measures the corresponding value from a standard low-end CE solution look-up table. The corresponding voltage at the cathode of D4 is scaled until it is compatible with the input voltage of the microprocessor.

[0044] Com o sensor de CE de interesse em uma solução de CE padrão de extremidade superior (1800 uS):[0044] With the CE sensor of interest in a standard high-end CE solution (1800 uS):

[0045] Usar um valor de solução de CE padrão de extremidade superior, por exemplo, 1800 uS, medir a voltagem no cátodo de D4, e comparar a tabela de consulta de soluções de CE VERSUS a voltagem no cátodo de D4.[0045] Use a higher end standard CE solution value, for example, 1800 uS, measure the voltage at the cathode of D4, and compare the CE solution lookup table VERSUS the voltage at the cathode of D4.

ESTABLISHMENT OF A LOCAL CE STANDARD

[0046] Antes da instalação da sonda no solo, pode-se fazer calibração inicial, usando irrigação local ou água de torneira, com uma CE conhecida.[0046] Before installing the probe in the soil, initial calibration can be carried out, using local irrigation or tap water, with a known EC.

[0047] Em funcionamento, R100, um potenciômetro digital, é ajustado até que o cátodo de D4 leia 0,0.[0047] In operation, R100, a digital potentiometer, is adjusted until the cathode of D4 reads 0.0.

[0048] Com o sensor de CE mais baixo da água na CE conhecida, ajustar R100, o recipiente digital, para o valor de salinidade conhecido.[0048] With the lowest EC sensor of the water at the known EC, adjust R100, the digital container, to the known salinity value.

[0049] Este valor de CAL será transferido para todas as outras seções de CE.[0049] This CAL value will be transferred to all other CE sections.

INSTALLED AUTOMATIC MEASUREMENTS (ON GROUND)

[0050] O micro comunicar-se-á com o chip do monitor de sensor de temperatura/conversor digital, usando um enlace de comunicação serial, e o circuito de medição do sensor de CE.[0050] The micro will communicate with the temperature sensor/digital converter monitor chip, using a serial communication link, and the EC sensor measurement circuit.

[0051] A placa de M/T/CE (umidade/temperatura/CE) será normalmente desenergizada até que o micro proveja uma voltagem de bateria de + 3,6VCC para o conversor de cc para cc, que proverá +9 VCC e +5 VCC para o circuito da placa.[0051] The M/T/CE (humidity/temperature/CE) board will normally be de-energized until the micro provides a battery voltage of + 3.6VDC to the dc to dc converter, which will provide +9 VDC and + 5 Vdc to the board circuit.

[0052] O micro irá então permitir medições de temperatura e umidade e usar estas medições para produzir medição de CE de temperatura compensada no nível (n), onde n = 1 a 15.[0052] The micro will then allow temperature and humidity measurements and use these measurements to produce temperature compensated EC measurement at level (n), where n = 1 to 15.

[0053] O micro proverá um valor em % de umidade para cada nível no qual uma medição de CE deve ser feita (em formato digital).[0053] The micro will provide a value in % humidity for each level at which an EC measurement must be made (in digital format).

[0054] O micro aplicará uma voltagem de temperatura para ambos os circuitos de medição de umidade e de CE e usará a temperatura medida em cada nível. O sensor de temperatura interno do chip compensará automaticamente as mudanças de temperatura do chip.[0054] The micro will apply a temperature voltage to both the humidity and EC measurement circuits and will use the temperature measured at each level. The chip's internal temperature sensor will automatically compensate for chip temperature changes.

[0055] As voltagens do sensor de temperatura externa serão usadas com uma tabela de consulta para determinar a temperatura de medição necessária para ser aplicada no pino 3, de U3A.[0055] The external temperature sensor voltages will be used with a look-up table to determine the measurement temperature required to be applied to pin 3 of U3A.

[0056] O micro verificará que o valor da % de umidade é de pelo menos 85%, ou a medição de CE não será feita, e um erro será enviado.[0056] The micro will verify that the % humidity value is at least 85%, or the EC measurement will not be done, and an error will be sent.

[0057] Uma tabela de consulta será usada para ajustar o DPP1 ao valor de resistência do “limpador” associado com o valor de umidade percentual.[0057] A look-up table will be used to adjust DPP1 to the “wiper” resistance value associated with the percentage humidity value.

[0058] As voltagens medidas no cátodo de D4, estas são as voltagens equivalentes de voltagem da CE nos solos no nível do sensor especificado.[0058] The voltages measured at the cathode of D4, these are the equivalent voltages of the EC voltage in the soils at the specified sensor level.

[0059] O procedimento será repetido para cada sensor de CE especificado adicional, e usando a % de umidade no sensor, provida pelo chip do monitor de sensor de temperatura/conversor digital.[0059] The procedure will be repeated for each additional specified EC sensor, and using the % humidity in the sensor, provided by the temperature sensor/digital converter monitor chip.

[0060] Quando as medições são completadas, o micro indicará o fim das medições, e desenergizará a placa.[0060] When the measurements are completed, the micro will indicate the end of the measurements, and de-energize the board.

[0061] Há várias vantagens associadas à invenção. A título de exemplo, mas não de limitação: a sonda pode fazer medições diretas de valores de CE absolutos, sem a necessidade de interpolar dados medidos.[0061] There are several advantages associated with the invention. By way of example, but not limitation: the probe can make direct measurements of absolute EC values, without the need to interpolate measured data.

[0062] As medições de CE relatadas são lineares.[0062] The reported EC measurements are linear.

[0063] As medições de CE relatadas são lineares para cada sensor.[0063] The reported CE measurements are linear for each sensor.

[0064] As medições de CE podem ser feitas em qualquer tipo de solo, ou combinações de solos não homogêneos.[0064] EC measurements can be made on any type of soil, or inhomogeneous soil combinations.

[0065] As medições de CE podem ser feitas em diversas profundidades de solo, simultaneamente, com cada sensor de solo estando em uma composição de solo única.[0065] EC measurements can be made at various soil depths simultaneously, with each soil sensor being in a unique soil composition.

[0066] As medições de CE podem ser realizadas continuamente, ou em intervalos de tempo fixos.[0066] EC measurements can be performed continuously, or at fixed time intervals.

[0067] Uma ampla faixa de medição de CE pode ser feita, de 20 microsiemens a 20.000 microsiemens.[0067] A wide range of EC measurements can be made, from 20 microsiemens to 20,000 microsiemens.

[0068] Os sensores de sonda e circuito são compensados em temperatura para ambas as funções de umidade e de CE.[0068] The probe and circuit sensors are temperature compensated for both humidity and EC functions.

[0069] Tendo assim descrito a presente invenção com referência a determinadas modalidades preferidas da mesma, nota-se que as modalidades descritas são de natureza ilustrativa, e não limitadora, e que uma ampla faixa de variações, modificações, mudanças e substituições é contemplada na descrição acima e, em alguns casos, algumas características da presente invenção podem ser empregadas sem o uso correspondente das demais características. Muitas das tais variações e modificações podem ser consideradas óbvias e desejáveis por aqueles versados na técnica com base em uma revisão da descrição de modalidades preferidas anterior. Consequentemente, é apropriado que as reivindicações anexas sejam interpretadas amplamente e de uma maneira consistente com o escopo da invenção.[0069] Having thus described the present invention with reference to certain preferred embodiments thereof, it is noted that the described embodiments are illustrative in nature, and not limiting, and that a wide range of variations, modifications, changes and substitutions are contemplated in the description above and, in some cases, some features of the present invention may be employed without corresponding use of the other features. Many of such variations and modifications may be considered obvious and desirable by those skilled in the art based on a review of the foregoing description of preferred embodiments. Accordingly, it is appropriate that the appended claims be interpreted broadly and in a manner consistent with the scope of the invention.

Claims

1. Probe sensor (100) for directly measuring the electrical conductivity (“EC”) of a soil, the probe sensor characterized by the fact that: a tube having an outer wall (102) and an inner wall (114) , wherein the tube is manufactured from a non-metallic material; a CE plate (112) mounted on the tube (102); a microprocessor (130) mounted on the CE board; a plurality of radio frequency (“RF”) transformers (104, 116), each comprising a primary (104) and a secondary (116); wherein each primary comprises a stainless steel sleeve (104) positioned outside the outer wall (102) of the tube for direct contact with the ground, wherein each sleeve defines two longitudinal slits (104a) on opposite sides of the tube, and wherein each sleeve (104) is magnetically coupled to the secondary (116) of the RF transformer; wherein the secondary (116) is positioned within the internal wall (114) in alignment with the slots (104a) of the sleeves (104), and is electrically coupled to the CE plate (112); wherein the secondary (116) is configured to sense changes in a load through the primary (104); a plurality of temperature sensors (106) mounted on the tube and interposed between the inner wall (114) and the outer wall (102) of the tube, wherein one of the plurality of temperature sensors (106) is positioned proximate to a corresponding the plurality of gloves (104), wherein each temperature sensor (106) is electrically coupled to the microprocessor (130); and a plurality of humidity sensors (108) mounted on the tube and interposed between the inner wall (114) and the outer wall (102) of the tube, wherein one of the plurality of humidity sensors (108) is positioned proximate to a corresponding to the plurality of gloves (104), wherein each humidity sensor (108) is electrically coupled to the microprocessor (130).

2. Probe sensor (100) according to claim 1, characterized in that it further comprises a radio (134) coupled to the microprocessor (130) for receiving signals from the microprocessor and for transmitting the signals.

3. Probe sensor (100) according to claim 1, characterized by the fact that the non-metallic material is polyvinyl chloride (“PVC”).

4. Probe sensor (100) according to claim 1, characterized by the fact that the CE board (112) includes temperature compensated phase capture loop ("PLL") circuits for measuring soil CE values .

5. Probe sensor (100) according to claim 1, characterized by the fact that the RF transformer (104, 116) is operative at a frequency of 4 Mhz.

6. Probe sensor (100) according to claim 1, characterized in that the non-metallic material is plastic.