CN101013097A - 原位土壤盐分含量传感变送器 - Google Patents

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一种原位土壤盐分含量传感变送器，其特征在于传感变送器由四电极土壤盐分测定传感器和信号发生、信号处理装置两部分构成一个整体，且采用交变恒流信号作为测量激励信号，传感器上的4个电极分别构成一对激励电极和一对采集电极，采集电极位于激励电极之间。本发明的输出信号对原位土壤盐分动态变化实时响应，无时间滞后，无测量累积误差；输出模拟量对土壤盐分含量的线性响应优良，能适应宽范围的田间原位土壤盐分测量。

Description

原位土壤盐分含量传感变送器
一、所属技术领域
本发明属电子测量、测试仪器设计制造领域，涉及一种原位土壤盐分含量的传感与变送集成系统。
二、背景技术
土壤盐分含量是影响土壤基本特性、土壤肥力和土地生产力水平的重要指标。在耕地质量评估、盐碱土治理、灌区管理、精准农业管理、工业管线布设、生态环境监测、科学研究等行业，经常需要对土壤盐分含量进行原位测定甚至原位连续动态监测。因此，生产实践中要求土壤盐分含量测定向原位、可靠、方便、精准和能连续动态测定的方向发展。
多孔陶瓷片式土壤盐分传感器测定法对田间土壤盐分变动过程的响应能力差，无法准确测定土壤盐分较快速的变化，且在原位埋设一定周期后，封闭式电导池腔体吸附的盐分积累、难以与土壤保持平衡，会造成较大测定误差。且其输出的阻抗变化信号易受干扰、精度和可靠性较差。其它已有的插入式土壤电导率测量方法基本为一次性调查方式，无法提供对土壤电导率或土壤盐分含量的连续动态测量结果。
现有测量方法存在的另一个普遍问题是，已有的土壤盐分传感器均无法提供标准输出信号，需要另外提供电导率测量激励信号并采用专用复杂测量仪器进行电导率测量，然后进行土壤含盐量的换算。因此，测量过程繁琐，测量仪表成本高，无法适应科学研究和生产实践中原位土壤盐分含量多点连续测量和相应测量网络构建的需要。而且，原有土壤电导率传感器件还存在与不同批次测量仪器的匹配差异，造成仪表更换/更新后测量值存在偏差，影响数据的连续性和精度。
CN 200620126503.4公开了一种四电极土壤盐分测定传感器，但尚不具备信号发生和信号处理的能力。
三、发明内容
本发明的主要目的是在四电极土壤盐分测定传感器的基础上，提供一种能进行土壤盐分含量的可靠原位测量，能直接输出与土壤盐分含量呈线性响应的直流电压信号的原位土壤盐分含量传感变送器，以实现原位土壤盐分含量的可靠、精确、稳定、连续测定和测量值的标准化输出。
本发明的技术解决方案是：一种原位土壤盐分含量传感变送器，其特征在于传感变送器由四电极土壤盐分测定传感器和信号发生、信号处理装置两部分构成一个整体，且：
a.传感器上的4个电极分别构成一对激励电极和一对采集电极；
b.采集电极位于激励电极之间；
c.采用交变恒流信号作为测量激励信号。
本发明的工作原理为，将一个恒定直流电流用恒流源交变切换器将直流恒流源变换为频率固定的交变恒流信号，该交变恒流信号作为测量激励信号，接入四电极传感器上的一对外电极，在被测土壤中形成一个与土壤含盐量相关的电压场；由于该电压场的作用，在四电极传感器的一对内电极(采集电极)上得到一个与土壤盐分含量呈线性响应的直流电压信号，将该采集到的电压信号进行变换、放大输出以后，即可得出土壤的具体含盐量数值。
四、附图说明
附图1为原位土壤盐分含量传感变送器的结构示意图，图中1为变送器体，2为信号发生、信号处理电路板，3为传感器体，4为采集电极，5为激励电极，6为温度传感器，7为数据引出线。
附图2为本发明的电路原理框图，图中1为直流恒流源，2为方波发生器，3为恒流交变电流切换器，4为隔离电源，5为四电极土壤盐分测定传感器，6为电极交变信号放大器，7为量程扩展转换电路，8为精密整流与阻抗变换电路，9为土壤盐分直流电压模拟量输出，10为土壤温度信号放大器，11为土壤温度直流电压模拟量输出；
附图3为交变恒流切换电路原理图，图中从1处输入方波逻辑电平信号，2，3为直流恒流输入端，4、5为交流恒流输出端；
附图4为一个典型实施例的电路原理图，图中P为隔离电源，I为交变恒流激励信号输出，VR为传感器采集电极输入信号，VC为土壤盐分直流电压模拟量输出信号，TR为传感器温度输入信号，TC为传感器温度输出信号；
五、具体实施方式
除了传感器部分以外，全部信号发生、信号处理电路放置在一条双面印制电路板上，并将该双面印制电路板置于变送器体1的内部空腔中。
如附图4所示，采用外接9V电池或9～12V直流供电，由于使用直流电流作为激励源时，存在严重的极化现象干扰测定，造成测量值不稳定。因此，本发明采用交变恒流源作为电导率电极组的激励源，以克服电极极化问题。
使用恒流源器件LM334将外供电源转变为不随负载电阻变化的稳定直流恒定电流，并采用硅二极管温度补偿电路，进行恒流源器件的温度补偿，使其提供变化幅度极小的恒定电流，作为土壤电导率测量的激励电流源；
采用多谐振荡发生器件和电路作为方波发生器，产生占空比为1∶1的方波信号，经电位器调压后作为电子模拟开关的触发逻辑电平信号。本实施例中采用模拟电子开关芯片MAX4519将直流电流转换交变电流。MAX4519芯片为两组单刀双掷模拟开关，其工作原理参见附图2。该模拟开关的转换时间短、工作电压高、导通电阻低，完全满足适合本变送器的要求。分别将两组开关中常开触头端(a0，a1)与另一组开关的常合触头端(b1、b0)相连，两组相连的a0-b1和a1-b0触头引出端分别接直流恒流源的正负极，两组模拟开关的公共端(A、B)作为交变电流信号的输出端。将模拟开关的触发逻辑电平信号连接于模拟开关的逻辑输入端，则随着触发逻辑电平方波信号的电压波峰变换，模拟开关的公共端分别在直流恒流源的正负极之间联动切换。这样，模拟开关的两公共端形成了与触发逻辑电平方波信号频率相同并与直流恒流源的电流相同的交变恒流源。该交变恒流源则作为原位土壤盐分含量传感变送器中电导率传感器的激励信号I。
将该交变恒流激励信号I接入四电极土壤盐分测定传感器(参见附图4)的激励电极3(外侧两电极)，将四电极土壤盐分测定传感器按测量要求插入被测土壤之后，四电极土壤盐分测定传感器的采集电极2(内侧两电极)上即可获得一个测量信号VR，该信号由相关电路进行放大和阻抗变换后，即可得到土壤盐分直流电压模拟量输出信号VC。该直流电压模拟量可经A/D转换后进行数据采集或采用数字电压表测量，也可直接用数码式模拟量电压表测量。
为消除前级激励信号电路与变送信号电路的相互干扰，整个电路使用隔离电源P，将直流供电转变为与原电源隔离的+6V和-6V直流电源，分别用于交变恒流激励信号与信号阻抗变换放大器的直流供电。
由于土壤温度对含盐量测定结果的影响较大，为了校正土壤温度对测量结果的影响，在本传感器头部安装了温度电极。温度电极输出的电压信号TR，经相关电路放大和阻抗变换后，输出一个相应的直流电压模拟量TC，该信号与土壤盐分的模拟电压信号相互独立，除了用于显示土壤温度外，还可应用于土壤电导率的温度校正。
为了有效抑制传感器在测量带电插拔过程中，由于接触电阻异动造成传感器输出电压信号的大幅度上升并造成对后级电路的冲击，在测量信号VR的输入端并接了一个箝位电压为5V的双向瞬态抑制二极管。
试验表明，当交变恒流激励信号在1～10mA、交变频率在100Hz～10kHz的范围内，输出电压信号与土壤盐分含量的线性响应关系良好。
本发明的输出信号对原位土壤盐分动态变化实时响应，无时间滞后，无测量累积误差；输出模拟量对土壤盐分含量的线性响应优良，能适应宽范围的田间原位土壤盐分测量；由于在传感器内集合了电导率和温度两种不同物理量的测量，温度模拟量单独输出，并同时应用于电导率的温度校正；输出信号既可用计算机进行数据采集，也可用普通数码式电压表直接测量。

Claims (2)

1.一种原位土壤盐分含量传感变送器，其特征在于传感变送器由四电极土壤盐分测定传感器和信号发生、信号处理装置两部分构成一个整体，且：
a.传感器上的4个电极分别构成一对激励电极和一对采集电极；
b.采集电极位于激励电极之间；
c.采用交变恒流信号作为测量激励信号。
2.如权利要求1所述的原位土壤盐分含量传感变送器，其特征在于使用模拟电子开关将直流恒流电流转换成交变恒流电流。
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