CN102072925A - 一种基质湿度、电导率原位检测仪及用于盐分测定的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基质湿度、电导率原位检测仪及用于盐分测定的方法，检测仪由集成电极传感器探针(1)、传感器信号调理电路(2)、信号处理控制单元(3)组成，集成电极传感器探针(1)由四个间距为20mm的探针(11)、探针(12)、探针(13)、探针(14)组成；集成电极传感器探针(1)和传感器信号调理电路(2)绝缘封装在壳体(4)内，信号处理控制单元(3)封装在壳体(5)内；壳体(4)和壳体(5)通过一组电缆线(6)连接。本发明结构简单，制作方便，可同时实现多参数测量，测量结果更准确，适应性更强。

Description

一种基质湿度、电导率原位检测仪及用于盐分测定的方法

技术领域

本发明涉及一种基质多参数原位检测仪，尤其涉及基质湿度、电导率参数原位检测技术与基质盐分测定方法，属于测试技术领域，主要用于无土栽培过程中基质理化特性原位检测。

背景技术

基质湿度也即基质中的含水量是基质最重要常用信息；基质电导率包含了基质养分与理化特性的丰富信息，能不同程度地反映基质中的盐分、水分、有机质含量、有机基质质地结构和孔隙率等参数的大小；基质含盐量是基质的一个物理参数，它对于植物生长具有重要的意义，同时基质盐分状况对基质环境有重要的影响。因此有效获取基质湿度、电导率(EC)和盐分对于植物无土栽培过程中合理的灌溉、施肥具有重要的意义。

由于基质在理化性状上与土壤差异较大，且各种基质的理化性状也存在较大差异，目前专用基质水分、EC和盐分原位检测仪器设备缺乏，对基质含水量、电导率(EC)和盐分的原位测量的研究也很少。

目前成熟的土壤含水量测量方法有中子法，时域反射法(TDR)，频域反射法(FD)。利用这些方法研制的土壤水分测量传感器虽已经成功地应用于科研与生产中，但存在一定的局限性。如中子测量土壤水分仪表，由于有放射性源，要求现场测量点预埋好放入探管的铝套管，屏蔽好。否则造成射线泄漏，危害人体健康，污染环境。时域和频域反射法土壤水分测量仪可实现快速实时测量，精度高，由于技术实现难度大，因此价格昂贵。一般低价的土壤含水量测量仪或者测量计，如实用新型专利(CN2339988Y)无源土壤水分速测仪及相关产品，往往功能单一，指针式指示，无数显或者数字接口；测量误差大，稳定性差，测量误差和重复误差均在10％以上，应用受到很大限制。

土壤电导率测量的方法主要有四端法与电磁感应法。目前的四端法有探针电极式和环状电极式，测量原理、数学模型与实际应用已经相对成熟。探针电极式，如实用新型专利(CN2627503)，公开了一种土壤电导率实时检测仪，体积较大，中间两个探针之间的距离L1为150-300mm，外侧两个探针之间的距离L2为450-650mm，便携性差。环状电极式，如实用新型专利(CN200972465Y)，一种四电极土壤盐分测定传感器及其测定仪，产品专用型笔式EC/℃测定仪HI98331等，120mm-150mm钻入式探头设计，可用于土壤电导率的直接测定，体积较小，但是在实际应用中测量准确性、稳定性以及对于不同层次深度土壤测定适应性不佳。基于电磁感应原理的非接触式设计的典型代表产品有加拿大生产的EM38。EM38通过对农田的横向扫描即可完成测量，但也是价格昂贵，无法适应我国广泛农业生产的需要。

发明内容

本发明的目的在于弥补目前基质原位检测仪器缺乏，并克服上述土壤检测仪器存在的功能单一、价格昂贵、适应性差等问题和不足，公开一种体积较小、性价比高的适合我国目前基质栽培现状的便携式基质湿度、电导率原位检测仪；本发明的另一目的在于提供一种测量结果更准确，适应性更强的该原位检测仪用于盐分测定的方法。

为了实现上述目的，本发明提供的一种基质湿度、电导率原位检测仪由集成电极传感器探针、传感器信号调理电路、信号处理控制单元组成，集成电极传感器探针由四个间距为20mm的探针组成；集成电极传感器探针和传感器信号调理电路绝缘封装在壳体内，信号处理控制单元封装在壳体内；壳体和壳体通过一组电缆线连接。

本发明所述集成电极传感器探针由设置在集成电极传感器探针端部的金属探头、套装在金属探头上的金属联接件以及套装在金属联接件上的绝缘环组成。

本发明所述的传感器信号调理电路由电源转换电路、信号提取转换和放大电路、继电器控制四端法测电导率激励电源电路组成，所述的信号处理控制单元由单片机SPCE061A、液晶显示器、4×4键盘和继电器驱动电路组成；电源转换电路将15V干电池一方面转换为信号处理控制单元和信号提取转换放大电路电源，另一方面转换为频率300Hz的三角波交流电，并由继电器控制，提供四端法测电导率的集成电极传感器探针的交流激励电源；信号提取电路通过集成运放芯片LM324检测出精密电阻R的三角波电压信号U0和检测内侧两电极上的三角波电压信号U1，并在同向输入端加入了偏置电压1.24V；信号转换电路最后通过TRMS/DC转换器芯片AD736将提取出来的三角波电压信号转换成真有效值直流电压信号，经过放大电路后进入单片机SPCE061A的模数转换器；信号处理控制单元的单片机为自带10位模数转换器功能模块和32k闪存SPCE061A单片机，其程序包括系统初始化、显示器刷新、键盘扫描处理、功能选择、配方设定、测量和查询显示功能子程序。

本发明基质湿度、电导率原位检测仪用于盐分测定的方法，包括以下三步骤：1)通过试验研究得到不同基质的湿度、盐分与电导率的数学模型；2)检测被测基质的湿度质量含水量和电导率；3)按照基质湿度质量含水量、盐分与电导率关系曲线数学模型，计算得到被测基质的盐分。

在步骤2)中，对试验研究得到的基质湿度的质量含水量与水分探针输出电压关系曲线进行线性回归；按照此曲线关系，对实际测得的电压值进行换算，得到被测基质湿度质量含水量；对试验研究得到的基质电导率与探针实际输出电压比值U0/U1关系曲线进行线性回归；按照此曲线关系，对实际测得的电压比值U0/U1进行换算，得到被测基质电导率。

在步骤3)中，对试验研究得到的基质的湿度质量含水量、盐分含量与电导率之间关系曲面进行多元线性回归；按照此曲面关系，对实际测得的电导率和湿度的质量含水量进行换算，得到被测基质盐分。

本发明提供的基质湿度、电导率原位检测仪及用于盐分测定的方法有益效果在于：水分检测探针结构简单，制作方便，通过试验建立输出电压与湿度的关系；将水分检测探针集成电导率检测四个探针电极上，实现传感器集成，结构紧凑，可同时实现多参数测量；信号处理控制单元存储试验研究得到的基质湿度、盐分和电导率的关系模型，通过计算测定基质盐分；信号处理控制单元可进行配方设定，根据不同基质修改或设定水分和电导率修正系数，使测量结果更准确，适应性更强。

附图说明

图1是本发明的基质湿度、电导率原位检测仪组成结构图

图2是本发明的基质水分检测探针结构图

图3是本发明的基质湿度、电导率原位检测仪电路组成图

图4是测量电导率的电路示意图

图5是本发明的基质湿度、电导率原位检测仪信息处理控制单元的程序流程图

图6是本发明的基质质量含水量与探针输出电压关系曲线

图7是本发明的基质电导率与探针输出电压关系曲线

图8是本发明的基质质量含水量、盐分与电导率关系曲面图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

本发明所述的基质湿度、电导率原位检测仪检测原理是：通过控制继电器，给外面一对探针电极提供交流激励电源，根据基质电导率的差异在基质不同点形成不同的电势，由内部一对探针电极检测出两端的交流电压信号，通过信号提取电路提取出两电极之间的电势差，再通过有效值转化电路变成直流电压信号，经过放大电路，进入信号处理控制单元的模数转换器，将电压值转化成电导率值，实现电导率数据的采集；利用检测电导率信号的四个探针电极其中一个，作为水分检测探针，应用不同金属之间产生的电动势和基质水分含量成正比的原理得到基质湿度信号，经过放大电路，进入信号处理控制单元的模数转换器，将电压值转化成湿度值，实现湿度数据的采集；最后在信号处理控制单元中，分时采集基质湿度、电导率信号，并进行数据处理、显示和保存处理等。

如图1所示，一种基质湿度、电导率原位检测仪，由集成电极传感器探针1、传感器信号调理电路2、信号处理控制单元3组成，集成电极传感器探针1由四个间距为20mm的探针11、探针12、探针13、探针14组成，其中任一根同时作为水分检测探针。集成电极传感器探针1和传感器信号调理电路2绝缘封装在壳体4内。信号处理控制单元3封装在壳体5内。壳体4和壳体5通过一组电缆线6连接。

如图2所示，本发明所述的集成电极传感器探针1由设置在集成电极传感器探针1端部的金属探头111、套装在金属探头111上的金属联接件113以及套装在金属联接件113上的绝缘环112组成。当将探针参入湿基质中，在金属探头111和金属联接件113两种不同金属之间产生的电动势，通过导线115和导线114输出。

如图3所示，本发明所述的传感器信号调理电路2，包括电源转换电路、信号提取转换和放大电路、继电器控制四端法测电导率激励电源电路。如图1和3所示，本发明所述的信号处理控制单元3，包括单片机SPCE061A、液晶显示器7、4×4键盘8和继电器驱动电路。

本发明所述的电源转换电路一方面为信号处理控制单元3和信号提取转换放大电路提供电源和偏置电压，另一方面将15V干电池提供的直流电转换成频率为300Hz的三角波交流电，并由继电器控制，提供四端法测电导率的集成电极传感器探针1的交流激励电源。研究表明，激励电源如果是直流电源，容易造成基质中离子的极化现象，影响基质电导率测量的准确性；激励电源的频率大于100Hz时极化对测量影响不大。

如图4所示，三角波激励交流电源通过精密电阻R加在两个外侧电极11和电极14上，两内侧电极12和电极13检测出电极两端的交流电压信号U1。信号提取电路的功能是检测出精密电阻R的三角波电压信号U0和检测电极12和13上的三角波电压信号U1。信号提取电路通过集成运放芯片LM324实现。由于LM324集成运放输出电压大于0，因此在同向输入端加入了偏置电压1.24V，偏置电压的大小可根据需要设定。信号转换电路功能通过TRMS/DC转换器芯片AD736实现，将提取出来的三角波电压信号转换成真有效值直流电压信号，然后经过放大电路后进入单片机SPCE061A的模数转换器，实现数据的采集。

在本实施例中，信息处理控制单元选用SPCE061A单片机，自带10位模数转换器功能模块和32k闪存，可实现数据采集、处理和存储功能。

如图5所示，本发明所述的基质湿度、电导率原位检测仪信息处理控制单元的程序，包括系统初始化、显示器刷新、键盘扫描处理、功能选择、配方设定、测量和查询显示功能子程序。配方设定功能可以对测量基质的组成成分及比例、以及数据转换需要的参数进行设置。测量功能分为自动测量和手动测量。在自动测量情况下，单片机可以控制继电器，分时采集电导率和湿度数据，并通过处理单元中存有不同基质湿度、盐分与电导率的数学模型，计算得到盐分。手动测量情况下，可单独测量基质湿度或电导率。

如图6所示是本发明实施例，泥炭与蛭石配比为1∶1的基质湿度的质量含水量与水分探针输出电压关系曲线。采用SPSS软件对试验研究得到的数据进行线性回归，以电压为自变量，基质湿度的质量含水量为因变量，建立数学模型：y＝0.485*x+18.830。其中，y为质量含水量(％)，x为电压(mv)。本发明所述的基质湿度、电导率原位检测仪按照此曲线关系，对实际测得的电压值进行换算，得到被测基质的质量含水量。

如图7所示是本发明实施例，泥炭与蛭石配比为1∶1的基质电导率与探针实际输出电压比值关系曲线。采用SPSS软件对试验研究得到的数据进行线性回归，以电压比U0/U1为自变量，基质电导率为因变量，建立数学模型：y＝12.184*x-0.05。其中，y为电导率(ms/cm)，x为电压比U0/U1。本发明所述的基质湿度、电导率原位检测仪按照此曲线关系，对实际测得的电压比值进行换算，得到被测基质电导率。

如图8所示是本发明实施例，泥炭与蛭石配比为1∶1的基质的湿度质量含水量、盐分含量与电导率之间关系曲面。采用SPSS软件对试验研究得到的数据进行多元线性回归，以电导率为因变量，湿度和盐分为自变量，建立数学模型：y＝0.318*x1+0.187*x2-0.061。其中，y为电导率(ms/cm)，x1为盐分(ms/cm)，x2为湿度的质量含水量(％)。本发明所述的基质湿度、电导率原位检测仪按照此曲面关系，对实际测得的电导率(ms/cm)和湿度的质量含水量(％)进行换算，得到被测基质盐分(ms/cm)。

Claims (4)

1.一种基质湿度、电导率原位检测仪，由集成电极传感器探针(1)、传感器信号调理电路(2)、信号处理控制单元(3)组成，其特征在于：集成电极传感器探针(1)由四个间距为20mm的探针(11)、探针(12)、探针(13)、探针(14)组成；集成电极传感器探针(1)和传感器信号调理电路(2)绝缘封装在壳体(4)内，信号处理控制单元(3)封装在壳体(5)内；壳体(4)和壳体(5)通过一组电缆线(6)连接。

2.根据权利要求1所述的基质湿度、电导率原位检测仪，其特征在于所述集成电极传感器探针(1)由设置在集成电极传感器探针(1)端部的金属探头(111)、套装在金属探头(111)上的金属联接件(113)以及套装在金属联接件(113)上的绝缘环(112)组成。

3.根据权利要求1所述的基质湿度、电导率原位检测仪，其特征在于所述的传感器信号调理电路(2)由电源转换电路、信号提取转换和放大电路、继电器控制四端法测电导率激励电源电路组成，所述的信号处理控制单元(3)由单片机SPCE061A、液晶显示器(7)、4×4键盘(8)和继电器驱动电路组成；电源转换电路将15V干电池一方面转换为信号处理控制单元(3)和信号提取转换放大电路电源，另一方面转换为频率300Hz的三角波交流电，并由继电器控制，提供四端法测电导率的集成电极传感器探针(1)的交流激励电源；信号提取电路通过集成运放芯片LM324检测出精密电阻R的三角波电压信号U0和检测电极(12)和(13)上的三角波电压信号U1，并在同向输入端加入了偏置电压1.24V；信号转换电路最后通过TRMS/DC转换器芯片AD736将提取出来的三角波电压信号转换成真有效值直流电压信号，经过放大电路后进入单片机SPCE061A的模数转换器；信号处理控制单元(3)的单片机为自带10位模数转换器功能模块和32k闪存SPCE061A单片机，其程序包括系统初始化、显示器刷新、键盘扫描处理、功能选择、配方设定、测量和查询显示功能子程序。

4.一种基质湿度、电导率原位检测仪用于盐分测定的方法，其特征在于包括以下三步骤：

1)通过试验研究得到不同基质的湿度、盐分与电导率的数学模型；

2)检测被测基质的湿度质量含水量和电导率；

3)按照基质湿度质量含水量、盐分与电导率关系曲线数学模型，计算得到被测基质的盐分。

在步骤2)中，对试验研究得到的基质湿度的质量含水量与水分探针输出电压关系曲线进行线性回归；按照此曲线关系，对实际测得的电压值进行换算，得到被测基质湿度质量含水量；对试验研究得到的基质电导率与探针实际输出电压比值U0/U1关系曲线进行线性回归；按照此曲线关系，对实际测得的电压比值U0/U1进行换算，得到被测基质电导率。

在步骤3)中，对试验研究得到的基质的湿度质量含水量、盐分含量与电导率之间关系曲面进行多元线性回归；按照此曲面关系，对实际测得的电导率和湿度的质量含水量进行换算，得到被测基质盐分。

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