CN102621194B

CN102621194B - 多孔性物质含水率测定模型及其构建方法与应用

Info

Publication number: CN102621194B
Application number: CN201110347467.XA
Authority: CN
Inventors: 段铁城; 胡建东; 胡小宁; 吴建中; 贾芳; 衡丽沙
Original assignee: HENAN NONGDA XUNJIE TEST TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: HENAN NONGDA XUNJIE TEST TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-11-07
Filing date: 2011-11-07
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2031-11-07
Also published as: CN102621194A

Abstract

本发明涉及一种多孔性物质的含水率测定模型及其构建方法与应用。该模型的建立是基于人为地改变一定体积内待测样的虚密度，测量其改变前后的重量和输出电压，然后进行容重和电压的差减，使各种相同的影响因素的影响在差减中对消掉，从而消除了近十种干扰因素的影响，只留水分形态与容重的变化，据电压测定和容重测定测算出多孔性物质的含水率。该模型在基本消除了电导对水分测定的影响的条件下，无需标定、修正，适用于各种多孔性由液固气三相(如土壤等)组成物质的含水率测定及计算，通用性强；应用本发明模型进行含水率测定，其测定精度只决定于传感器和电路精度，不受被测对象成分、结构和测试环境的影响，例如测土壤时其准确率误差可小于1％。

Description

多孔性物质含水率测定模型及其构建方法与应用

技术领域

本发明涉及水分含量检测领域，具体涉及一种基于电容或重量变化的多孔性物质的含水率测定模型及其构建方法与应用。

背景技术

多孔物质的水分测定中研究最多的是土壤水分测定。它是农田水分监测的基本手段。目前各国开发的水分仪有多种，其中用于便携式测量的主要有电导式、高频电容式、频域反射仪和时域反射仪等，前两种技术在土壤水分领域已经基本淘汰、很少应用，后两种则得到了较广泛的应用。一般认为时域反射仪(TDR)是最先进的，性能最好的，而频域反射仪则较便宜：现以时域反射仪为例，看水分测定技术的发展水平。

时域反射仪(TDR)：是依靠电磁波在波导棒中传导遇到不同介电常数的界面反射，影响其传播往返时间来测定含水率的。据称其测定值不受土壤质地的影响，但有报道认为土壤粘粒含量47％时其测值增加12.4％。对土壤成分的变化尤其不能适应，例如水稻土、栗钙土、红壤都需要建立单独的模型，不同的含水量也要有不同的关系式。土壤容重变化的适应范围是1.1～1.7g/cm³，但即便在此范围内也会引起1.9％的误差，即便把容重因素扣除，含水量的绝对误差也只能减少到0.05～0.15cm³/cm³(即体积含水率5～15％)，不同的TDR仪之间的系统误差还有0.9％[中国农大曹巧红：土壤因子对时域反射仪测试的影响]。

土壤水分测试技术面对复杂多变的土壤性质已经进行了数十年的探索，Topp(1980)，Ldieu(1986)，Herkelrath(1991)，Malicki等都分别提出过各自的计算模型，但也都只能适应一定的范围。土壤水分测试技术仍处只能原位校准原位测试的水平，至今没有找到简便有效的普适的水分测定方法，其障碍主要有3个方面：

(1)是必须针对既定的土壤类型(或在一定范围土类内)建立计算模型，当土壤类型变化时就需要重新建立模型，或重新标定。然而我国土壤类型很多(据研究我国有土类60个、亚类133个，土属、土种成千个)，其成分、质地变化都很大，因此仪器的测试精度难以保证，更难以使仪器具有通用性。

(2)即便同一土壤，在不同耕作后状态不同、虚密度(容重)不同也造成极大的测量误差，因此同一含水量的农田，即使成分完全相同，在不同地块测值也会有很大甚至成倍的差异。这便是便携式的土壤水分仪至今不能很好应用的关键。这是一个世界性难题。

(3)水分含量自身的变化引起其存在形态(自由水、束缚水等)的和介电常数变化，而这种变化又紧密地与土壤成分、质地、温度等交织在一起。这就使依靠介电常数测定水分技术，即使建立多元多阶方程也很难保证其精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种精度高、通用性强、无需标定的基于电容和重量变化的多孔性物质含水率测定模型，构建方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

人为地改变放置于电容式传感器的容器中的待测多孔性物质的虚密度或容重，测量其改变前后的重量和输出电压/电容，然后进行重量和电压/电容的差减，使各种相同的影响因素的影响在差减中对消掉，只留有重量/容重和输出电压/电容的变化，且二者构成线性函数关系。

一种多孔性物质含水率测定模型，包括以下方程式：

ΔU＝A+BΔK I，

W＝[(1-Q2)M-K2]/K2[(M/ρ)-1]II；

W＝[(1-Q1)M-K1]/K1[(M/ρ)-1]III；

Q2-Q1＝A/JV εIV；

上述式中，式I中ΔK为置于电容传感器容器内的待测多孔性物质的虚密度或容重变化量，ΔU为对应于该ΔK的电压/电容的变化量ΔU；W为含水率；K1、K2分别为电容传感器的容器内的待测多孔性物质的虚密度改变前后的容重；M为电容传感器的容器内的待测多孔性物质的相对于水的比重；ρ为水的密度；Q1、Q2为与式I中的系数A或/和常数B有关的参数；J为电容传感器常数；V为电容传感器容器的容积；ε为标准物质介电常数；

上述式I、式II、式III、式IV联立求解参数Q1、Q2，再代入式II或式III即得待测多孔物质的含水率。

上述多孔性物质含水率测定模型的构建方法，包括以下步骤：

(1)取待测多孔性物质放置一电容传感器的容器中，改变该容器内的待测多孔性物质的虚密度或容重，测量或计算其虚密度或容重改变前后的容重和输出的电压/电容，差减获得容重变化量ΔK以及电压/电容的变化量ΔU；

(2)该电容传感器的容器内的待测多孔性物质的容重变化量ΔK和电压/电容的变化量ΔU具有如下的线性函数关系：

ΔU＝A+BΔK I，

根据改变该电容传感器的容器内的待测多孔性物质的虚密度或容重所获得的一系列的ΔU值和ΔK值进行线性回归、试验验证或数学计算等的方法求解出A、B；

(3)将上述线性方程式与下述方程联立即构成多孔性物质含水率的计算模型：

W＝[(1-Q2)M-K2]/K2[(M/ρ)-1]II；

W＝[(1-Q1)M-K1]/K1[(M/ρ)-1]III；

Q2-Q1＝A/JV εIV；

式中，W为含水率；K1、K2分别为电容传感器的容器内的待测多孔性物质的虚密度改变前后的容重；M为电容传感器的容器内的待测多孔性物质的比重；ρ为水的密度；Q1、Q2为与式I中的系数A或/和常数B有关的参数；J为电容传感器常数；V为电容传感器容器的容积；ε为标准物质介电常数；对于特定的电容传感器(如电容式水分测定仪等)来说，J、V均为已知，ε、ρ均为常数。

在所述步骤(1)中，改变待测多孔性物质的虚密度或容重的方式为振动、压缩、充气、抽气中的任意一种。

在所述步骤(1)中，ΔU为改变容重前后的电容或电压的差值，即ΔU＝U₂-U₁，其中U₂取经下式修正的值：

U₂＝U₂’-(U₁’-U₁)K₂/K₁，

式中U₂’、U₁’分别为U₂填补待测多孔性物质至电容传感器容器装满时和压缩后未填补待测多孔性物质时的实测电压或电容，K₁、K₂分别是虚密度改变前后的容重。

上述多孔性物质含水率测定模型在多孔性物质含水率测定中的应用。

上述多孔性物质含水率测定模型在多孔性物质含水率测定装置中的应用。

本发明具有积极有益的效果：

(1)本发明模型是在重量/容重与电容/电压信号的基础上所构建而成的含水率测定模型，完成建模后无需任何标定，即可用于多孔性物质含水率的测定。

(2)该模型通用性强，适用于各种多孔性由液固气三相(如土壤等)组成物质的含水率测定及计算；

(3)在基本消除了电导对水分测定的影响的条件下，模型建立后用实测的ΔU和ΔK数据通过计算得到含水率，无需因被测对象不同而修正模型；

(4)应用本发明模型进行含水率测定，其测定精度只决定于电路和传感器精度，不受被测对象成分、结构和测试环境的影响，例如测土壤时其准确率误差可小于1％。

附图说明

图1为一种土壤的电容变化量和容重变化量的线性关系图，横轴代表容重变化量，纵轴代表电容变化量；

图2为一种土壤的含水率与ΔU＝A+BΔK系数B线性关系图。

具体实施方式

以下结合具体实施例进一步阐述本发明。下述实施例中无特别说明或阐述的方法或步骤，均为常规方法或步骤；所用设备无特别说明，均为市售。

实施例1：已知土壤含水率条件下的土壤的电容变化量和容重变化量的线性关系验证

取校园中某种土壤按常规方法配制成不同含水率(5％、8％、11％、14％、17％、20％)的土壤作为待测样品，通过多次压缩改变其密实度，以电容传感器及电子天平测定其容重变化量及对应的电容变化量，分别以横轴(x)代表容重变化量，纵轴(y)代表电容变化量，作出散点分布图，如图1所示。并根据这些数据拟合出以下曲线方程(以5％，8％含水率为例)：

5％含量沙土的拟合曲线为Y＝1.84406+0.0154X，拟合系数r为0.99823，A的标准误差为0.08899；B的标准误差为2.89665×10-4；

8％含量沙土的拟合曲线为Y＝-0.1441+0.02596X，拟合系数r为0.98128，A的标准误差为0.46154；B的标准误差为0.0016；

实验证明在一定的含水率条件下，电容变化量和容重变化量之间的线性关系的存在。

实施例2：某种土壤的含水率与ΔU＝A+BΔK中方程系数B的相关性

表1不同土壤含水率的及其对应的线性方程ΔU＝A+BΔK的斜率B

含水率(％)	2.86	4.76	9.35	11.85	15.97	17.45	20.26
								均值(斜率B)	0.0157	0.0162	0.0166	0.0178	0.0194	0.0174	0.0166

以x轴代表含水率、y轴代表ΔU＝A+BΔK的斜率，做出如图2所示的相关性图，从上图可以看出含水率和系数B的关系可以分为两段。

实施例3：校园中某种土壤的含水率测定模型的构建及含水率测定

①已知电容传感器的容积V、传感器常数J；

②以松散状态将土样装满电容传感器的容器V，测量其重量G1和输出电压U1计算容重K1；

③压缩传感器中土样为密实态，其容重为K2测量其输出电压U1′；

④填充土样使压缩至体积为V后容重为K₂、和测量其输出电压U2′；

⑤用式U₂＝U₂’-(U₁’-U₁)K₂/K₁，计算U2；

⑥进行差减计算ΔU₂₁＝A+BΔK₂₁求取系数A、B；-----(1)

⑦利用式(1)、(2)(3)(4)和M、K₂、K₁、A、ρ求解含水率W，

W＝[(1-Q₂)M-K₂]/K₂[(M/ρ)-1]----(2)

W＝[(1-Q₁)M-K₁]/K₁[(M/ρ)-1]----(3)

Q2-Q1＝A/JV ε------------------------(4)

式中，W为含水率；K1、K2分别为虚密度改变前后的容重；M为多孔物质比重；ρ为水的密度；Q2、Q1为与式(1)中的系数A或常数B有关的参数；J为传感器常数；V为传感器容积；ε为标准物质介电常数；有关常识及计算数据见下表2：

表2各计算参数及结果

K₁

K₂

M

ρ

Q₂

Q₁

本例计算结果：W

烘干法测定值

1.1

1.5

2.6

1.0

0.3

0.394

13.3％

12.6％

本发明方法的误差决定于差减后差值的大小。实验表明本测定结果可精确到1％。这一精度水平与现有就地标定就地检测的精度相当。而当便携应用时可比现有水分仪的误差减少5～10倍。

改变上述实施例中的各个具体的参数，或者方法的等同替换，可形成多个具体的实施例，均为本发明的常见变化范围，在此不再一一详述。

Claims

1.一种多孔性物质含水率测定模型的构建方法，包括以下步骤：

(1)取待测多孔性物质放置一电容传感器的容器中，改变该容器内的待测多孔性物质的虚密度或容重，测量或计算其虚密度或容重改变前后的容重和输出的电压／电容，差减获得容重变化量△K以及电压／电容的变化量△U；

(2)该电容传感器的容器内的待测多孔性物质的容重变化量△K和电压／电容的变化量△U具有如下的线性函数关系：

△U=A+B△K I，

根据改变该电容传感器的容器内的待测多孔性物质的虚密度或容重所获得的一系列的△U值和△K值进行线性回归、试验验证或数学计算的方法求解出A、B;

(3)将式I与下述方程联立即构成多孔性物质含水率的测定模型：

W=[(1-Q2)M-K2]／K2[(M／ρ)-1] II;

W=[(1-Q1)M-K1]／K1[(M／ρ)-1] III；

Q2-Q1=A/JVε IV；

式中，W为含水率；K1、K2分别为电容传感器的容器内的待测多孔性物质的虚密度改变前后的容重；M为电容传感器的容器内的待测多孔性物质的比重ρ为水的密度Q1、Q2为与式I中的系数A有关的参数；J为电容传感器常数；V为电容传感器容器的容积；ε为标准物质介电常数。

2.根据权利要求1所述的多孔性物质含水率测定模型的构建方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，改变待测多孔性物质的虚密度或容重的方式为振动、压缩或充气／抽气中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的多孔性物质含水率测定模型的构建方法，其特征在于，在所述步骤(1)中，△U为改变容重前后的电容或电压的差值，即△U=U₂-U₁，其中U₂为经下式修正的值：

U₂=U₂’-(U₁’-U₁)K₂／K₁，

式中U₂’、U₁’分别为填补待测多孔性物质至电容传感器容器装满时和压缩后未填补待测多孔性物质时的实测电压或电容，K₁、K₂分别是虚密度改变前后的容重。

4.按照权利要求1所述构建方法构建的多孔性物质含水率测定模型在多孔性物质含水率测定中的应用。

5.按照权利要求1所述构建方法构建的多孔性物质含水率测定模型在多孔性物质含水率测定装置中的应用。