CN1071011A - 土壤水分电容监测器 - Google Patents

Abstract

本电容监测器的圆柱形电容传感器本体(下称 “本体”)和管状手柄装在检测管中，测量土壤电容以 测定土壤水分含量。本体具有由绝缘垫隔开的电极， 两组位于本体两端的周向隔开的弹簧偏动柱从本体 径向外伸，接合检测管侧壁，使本体在检测管中定 心。电容监测器还有装在检测管最上端的顶盖组件， 盖板有斜侧壁接合弹簧偏动柱迫其径向内缩使本体 易插入检测管。顶盖组件还有止动组件装置接合手 柄的周向槽以控制本体在检测管中预定深度上可再 现的定位。

Description

本发明涉及一种测定土壤水分含量的电容监测器，其中，一电容传感器插入一根嵌入土壤中的检测管以便测定土壤中的水分含量。更具体来说，本发明涉及的传感器在检测管中的定心有所改进。

大家知道，电容监测器用于测定土壤水分含量，并具有多种用途。电容监测器用于优化灌溉计划以节约宝贵的水资源，并用于研究水通过土壤的运动。例如，使用电容监测器测定水分在路基下或在有害废料场周围的渗透。

美国专利4，929，885号描述了用于土壤中的水分传感器的一个实例。该专利的传感器与土壤直接接触，并且有一锥形传感器本体，它改善了周围土壤和传感器电极之间的接触状况。

《水文学杂志》（Journal    of    Hydrology）93期（1987）刊载的“用改进的电容技术测定土壤水分”一文的第Ⅰ，Ⅱ部分，第67-78，79-90页公开了另一种电容监测器，其中，将电容传感器插入一根嵌土壤中的检测管内。在该系统中，可以将许多检测管装设在一片土地中，可以将电容传感器相继地插入各检测管，以测定整片土地的水分分布状况。水分分布测量的精度取决于检测管装设准确性，也取决于传感器本体在检测管中位置再现的准确性。

所公开的传感器本体与同传感器直径相同的一根聚氯乙烯延伸管相配合。装配在检测管顶部的一安装块固定有一弹簧负载的键，据说，该键通过接合一系列沿着延伸管间隔分布的齿而提供了可再现的深度定位。传感器在检测管内轴向运动时，沿检测管间隔分布的织物定心环与传感器相接合从而使传感器在检测管中定心。

但是，传感器在检测管中准确和可再现的径向定位在测定土壤水分含量时是取得精确结果的关键。织物定心环并不能总是使传感器本体能准确的定心，也没有考虑到检测管制造公差引起的检测管直径的变化以及织物定心环本身公差的变化。

因此，本发明的目的是克服上述现有电容监测器的局限性，提供一种检测土壤水分含量的电容监测器，其中，将电容传感器以准确的和可以再现的径向及轴向定位插入嵌进土壤中的检测管内以提供对土壤水分的更精确的测定。

按照本发明，已经实现了本发明的上述及其它目的，按照本发明的电容监测器可以保证传感器本体在检测管中准确的和可以再现的径向及轴向定位。按照本发明，一根检测管嵌入土壤中，一电容传感器插入检测管中，用来测定土壤的水分含量。更具体来说，电容传感器具有一个基本为圆柱形的传感器本体，传感器本体具有至少一对绝缘垫隔开的电极。电极为基本刚性的构件，构成传感器本体的一部分，在至少一个上述构件内的内腔中具有一电子电路。传感器本体也具有两组周向间隔开的多个从传感器主体径向向外伸出并与检测管壁接触的装置，用来使传感器本体在检测管中定心，这两组装置沿传感器本体纵向间隔开来，这种接合检测管侧壁的装置可保证传感器本体在检测管中的准确定心，尽管检测管内径会有小的变化。

在一更为具体的实施例中，接合检测管侧壁的装置具有突出的表面，例如至少三个等距的，周向间隔开的弹簧偏动柱。在一个更具体和优选的实施例中，上述弹簧偏动柱可以由不锈钢圆柱构成，其外端倒圆，从传感器本体径向向外突出，一压缩弹簧接合不锈钢圆柱的内端径向向外压迫圆柱。两组这种周向间隔开的，弹簧偏动柱位于检测管相对的两端。

在一个更为具体的实施例中，本发明的电容传感器也具有直径小于传感器本体的管状长手柄，它可由聚氯乙烯管组成。手柄可以用许多种装置安装在传感器本体上，它便于在检测管中轴向移动传感器本体。一种推荐的装置是将手柄拧在传感器本体一端上的螺纹端帽上。

更具体地说，本发明的电容监测器除电容传感器还具有安装在检测管开口上的顶盖组件，顶盖组件设有一个止动组件装置，可接合传感器上的管状手柄，以便控制传感器本体在检测管中预定深度的再现性定位，顶盖组件也设有一个孔，以便于传感器本体插入检测管。这个孔具有斜的侧壁用于接合传感器本体上第一和第二组柱装置，并迫使其径向向内，使传感器本体可以插入检测管。

上面已经描述了本发明的某些特征和优点，下面对照以下附图对本发明进行详细描述，可清楚了解本发明的其它特征和优点。

图1是本发明的电容监测器一推荐实施例的立体图;

图2是本发明电容传感器的本体及管状手柄的立体图;

图3所述立体图表示本发明的顶盖组件的细节;

图4是本发明电容监测器的横截面图;

图5是图4所示电容监测器一部分的放大横截面图。

现在对照附图，结合用于土壤灌溉的电容监测器的具体实施例，对本发明作更详细的描述。然而也用于其它方面，通过电容测定来测量试样的水分含量。因此，本说明书对具体实施例的描述显然只是本发明应用的说明，本发明显然并不局限于所描述的具体实施例。

图1示出用于监测土壤灌溉情况的电容监测器10。一检测管12（图4更清楚的画出）可使电容传感器16置于土壤14中，电容传感器16则更清楚地示于图2中。检测管12最好用聚氯乙烯管制成，因此，这种检测管更容易制成，耐用，耐腐蚀，同时不干扰电容测定。检测管12如图所示在土面下延伸，限定了电容传感器16可以插入的整个深度。

检测管12应该准确地安装以避免在检测管和土壤之间留有间隙。这一点在本说明书用作参考文献的“用改进的电容技术测定土壤水分”第Ⅰ，Ⅱ部分（见水文学杂志93期（1987）67-78，79-90）中有所描述。

电容传感器16具有两个主要零件：（1）用于测定土壤水分的圆柱形传感器本体18（下文将详述）和（2）的管状长手柄20，管状长手柄利于在检测管12中轴向移动传感器本体18，并具有许多周向槽22，周向槽22以下文将要描述的方式与顶盖组件24配合工作以控制传感器本体18在检测管12中预定深度上的可再现的定位。手柄20最好由聚氯乙烯管的螺纹部分构成，其螺纹端部26可以接合，以构成变化长度且直径小于传感器本体18的手柄。

为了控制传感器本体18在预定深度上的可再现的定位，顶盖组件44具有一个装在盖板30上的止动组件装置28，止动组件装置28装有一弹簧偏动止动销32，用于与管状手柄20上的许多周向槽22相接合，在盖板30上安装止动组件装置28，盖板30又固定地安装于顶盖组件套筒33上，套筒33装配在检测管12的端部，顶盖组件套管33借助周向间隔开的装置，如径向可调螺钉34，接合检测管壁，从而安装在检测管12上。

传感器本体18和管状手柄20通过盖板30上的孔36进入检测管，盖板30则装在检测管12的开口上。孔36的尺寸适于将传感器本体18装入检测管12中，孔36上有斜缘38以便于将传感器本体插入检测管，这一点下文将详述。当管状手柄的直径小于孔径时，盖板则具有铰接板40，铰接板40可铰接式安装于盖板30上以便当传感器本体18处于检测管12中，且较小直径的手柄20穿过孔36以接合止动装置28时减小孔36的尺寸。

电容信号由同轴电缆42输送，同轴电缆42从管状手柄20中穿出。同轴电缆42一端连接于传感器本体18（如图2中所示），另一端连接于控制箱44，控制箱44放置于地面上方（如图4中所示）。

图2示出本发明的电容传感器16的外部细节。电容传感器16具有传感器本体18和管状长手柄20。管状长手柄20具有内螺纹部分46，用于接合传感器本体18的端帽50的螺纹部分48。如图所示，传感器本体18具有构件52和54，这两个构件又具有导电的电容传感电极。电极是直立圆柱体，最好由铝制成以提供良好的导电性，又能耐腐蚀。最好由聚丙烯制成的绝缘垫56固定于电极52和54，因此，两电极间是绝缘的，纵向上相隔于绝缘垫56的两端。传感器本体18在端帽50和电极52之间最好也具有一绝缘材料的套管58以便于搬运传感器本体。

同轴电缆42通过端帽50穿出传感器本体18并输送由土壤和电极互相作用而产生的电信号。同轴电缆42具有一铁素体屏蔽60从而大大减少了不利的信号干扰，如同轴电缆的外导体和电极54之间的电容耦合。

电极54具有周向间隔开的从传感器本体径向向外伸出的许多装置62，用于接合检测管12的侧壁（如图4所示）并使传感器本体18在检测管中定心。端帽50也具有类似的周向间隔开的许多从传感器本体18径向向外伸出的装置64，用于接合检测管12的侧壁，并使传感器本体18在检测管12中定心。装置62和64位于传感器本体18相对的两端。每组装置62和64最好具有弹簧偏动的柱，由不锈钢的圆柱体构成，其从传感器本体径向向外伸出的端部部被倒圆。

现对照图3，图3示出顶盖组件24的细节，部分剖开的图中可见止动组件24的弹簧偏动销32与管状手柄的周向槽22接合，以便传感器本体18在检测管中在预定的深度上可再现地定位。铰接板40如虚线所示，处于闭合位置，形成一较小的孔以便抵接管状手柄20，支持手柄抵抗与弹簧偏动止动销32的接合。

孔36的斜侧壁提供了接合传感器本体18上的柱62，64的装置，径向向内压迫它们，因此，传感器本体18可以容易地插入检测管12。

现对照图4，图4以纵截面示出本发明的电容监测器10的内部细节，并表示出传感器本体18内的内腔，其中充填有绝缘充填物66以防止水分损坏内腔中的电路68，电路68通过导线70和72分别与电极52和54电气连接。在此图示实施例中，由套管58形成的传感器的上部借助粘接剂或其它装置固定于电极52的上端，套管58是与电极52和54一样的，具有相同直径的直立圆柱体。套管58最好由弹性绝缘材料如玻璃纤维制成。端帽50用粘接剂或其它装置固定在传感器本体18的端部，即套管58的上端。端帽具有一螺纹部分48，螺纹部分48以是端帽50的整体部分，或由任何普通的装置固定，如图所示，手柄20拧在端帽50的螺纹部分48上。

按照本发明的推荐实施例，土壤水分含量是通过测量土壤的电容而测定的。大多数土壤的介电常数是在2和4之间。但是取决于温度，水的介电常数为大约78-81。因此，土壤的电容是土地壤水分含量的很好的指示。

电容监测器10毅有一个电感-电容（LC）电路，它包括电极52，电导线70和72，控制箱44和第二电极54。电路板68包括一振荡器，其特定的共振频率在50MHz的范围内。在电极附近的土壤电容的变化使上述共振频率飘移，可由控制箱44容易地测出，传感器的电极52和54，借助电路板68上的开关电路，被周期性地短暂地从电路中断开，在此期间测出一基准频率，测定出相对于这个基准频率的频率飘移。控制箱44通过土壤电容与土壤水分含量的对应关系而向用户指示土壤水分的含量，上述对应关系是连续测定各种已知试样并记录所测出的电容而形成的。然后将这些数据与任何已知的方法关联起来，例如一种数学公式或一种简单的数据的阵列，记录相互对应的电容和水分含量。

传感器本体18内形成的内腔的不透水性是特别重要的。为了密封此内腔，垫56借助螺纹紧密地连接于电极52和54，密封地阻止水的渗入。套管58在延伸的肩部72上的密封于第二电极52，端帽50密封于套管58，为了进一步保证对内腔的密封，内腔回填绝缘的填充物66。绝缘的填充物66也将电路板68和导线70和72固定在位，并形成进一步的防水障以避免腐蚀和损坏电路板68。

现对照图5。图5的局部面放大地示出图4的一部分，表示圆柱形的不锈钢柱64从传感器本体18径向向外伸出的倒圆的外端部接合于检测管12的侧壁而使传感器定心。如图所示，圆柱体64嵌在端帽50上的一个孔中，具有密封装置74挡住圆柱体的直径稍大的后部76以防圆柱体从孔中脱出，弹簧78位于圆柱体的端帽的径向之内抵住端帽50径向向外将圆柱体64压在检测管12的侧壁上，在电极54上的孔中的圆柱体情况相似。如图4所示。

在按照本发明的另一个替代实施例中，传感器具有一薄的保护涂层。例如，传感器可以具有陶瓷的，塑料的或其它非导电体材料的薄涂层以提供光滑的表面，防止传感器的刮伤和磨损，以免影响测量精度。

显然，上述说明只是描述性的，而不是对本发明的限定，那些落入本申请权利要求书的含义和等同概念之内的修改属于本发明的范围之内。

Claims (27)

1、一种电容传感器，用于通过嵌在土壤中的检测管测定土壤的水分含量，所述电容传感器具有基本呈圆柱形适于装入检测管中的传感器本体，所述传感器本体具有：

基本为刚性的第一和第二构件，分别形成第一和第二导电的电容传感电极；

固定于所述第一和第二构件的绝缘垫，使所述两构件纵向隔开于所述绝缘垫之相对两端；

在所述构件之中的至少一个内形成的一个内腔；

位于所述内腔中并与第一和第二电极电气相连的一个电子电路；

第一组周向间隔开的，从所述传感器本体径向向外伸出的多个装置，用于接合检测管的侧壁并使所述传感器本体在检测管中定心；以及

第二组周向间隔开的，从所述传感器本体径向向外伸出的多个装置，用于接合检测管的侧壁并使所述传感器本体在检测管中定心，所述第二组装置与第一组装置在纵向上是间隔开的。

2、按照权利要求1所述的电容传感器，其特征在于：所述第一和第二组使传感器本体在检测管中定心的装置具有突出表面用来接合检测管的内壁。

3、按照权利要求2所述的电容传感器，其特征在于：每个所述第一组和第二组装置的突出表面具有至少三个周向间隔开的柱，以及相应的压缩弹簧，用于将所述柱从所述传感器本体径向向外偏动以便接合检测管的侧壁。

4、按照权利要求3所述的电容传感器，其特征在于：所述弹簧偏动柱是不锈钢圆柱体构成的，所述圆柱体外端倒圆从传感器本体径向向外伸出去，其内端接合所述压缩弹簧，所述压缩弹簧从所述传感器本体径向向外压所述圆柱体。

5、按照权利要求1所述的电容传感器，其特征在于：所述第一组和第二组用于使所述基本呈圆柱形的传感器本体在检测管中定心的装置位于所述传感器本体相对的两端。

6、按照权利要求1所述的电容传感器，其特征在于：还具有一管状长手柄，以及将所述手柄安装于所述圆柱形传感器本体一端的装置，以便于在检测管中轴向移动所述传感器本体。

7、按照权利要求6所述的电容传感器，其特征在于：所述将手柄安装于所述传感器本体的装置具有在所述传感器本体一端的带有螺纹的端帽和在所述管状手柄上相应的螺纹端部。

8、按照权利要求7所述的电容传感器，其特征在于：所述手柄直径小于所述传感器本体，所述手柄是由聚氯乙烯管制成的。

9、按照权利要求6所述的电容传感器，其特征在于：所述手柄由许多用螺纹相互连接的部分构成。

10、按照权利要求1所述的电容传感器，其特征在于：所述电子电路具有：

一块电路板;

连接所述第一电极和所述电路板的第一电导线;

连接所述第二电极和所述电路板的第二电导线。

11、按照权利要求10所述的电容传感器，其特征在于：还具有一同轴电缆，连接于所述电路板并伸出所述内腔至所述传感器本体的外部;以及由相邻于所述传感器本体的所述同轴电缆承载的铁素体屏蔽以大大减少有害的信号干扰。

12、按照权利要求1所述的电容传感器，其特征在于：所述第一和第二电极是直立圆柱体，是由铝制成的，所述绝缘垫也是直立圆柱体，是由聚丙烯制成的。

13、按照权利要求1所述的电容传感器，其特征在于：所述内腔用绝缘填充物回填以防水分损坏所述电路。

14、按照权利要求1所述的电容传感器，其特征在于：所述基本为刚性的第一和第二构件为直立圆柱体形，并分别形成第一和第二导电电容传感电极，所述第一电极位于所述基本呈圆柱体的传感器本体的第一端;

所述绝缘垫具有直立圆柱体形状，固定于第一和第二电极，使所述第一和第二电极相互绝缘并纵向相隔于所述绝缘垫相对的两端;

所述传感器还包括：

安装在所述传感器本体的第二端的一个带螺纹的端帽，其直径小于所述传感器本体的直径;

一个直立圆柱体形的绝缘物插放在所述带螺纹的端帽和所述第二电极之间;以及

一个管状长手柄，其一端具有相应于所述传感器本体的带螺纹的端帽的螺纹部分，所述手柄通过螺纹与所述端帽相接合以便于在检测管中轴向移动所述传感器本体。

15、一种用于监测土壤水分的电容监测器，它具有一个伸入土壤中的检测管和一个电容传感器，电容传感器具有基本呈圆柱形的传感器本体，适于装入检测管中以测定土壤水分含量，所述电容传感器也具有一安装在所述传感器本体上的管状长手柄以便于在所述检测管中轴向移动所述传感器本体，所述基本呈圆柱形的传感器本体具有：

基本为刚性的第一和第二构件，分别形成第一和第二导电电容传感电极;

一绝缘垫固定于所述第一和第二构件，使两构件相互绝缘，并纵向相隔于所述绝缘垫的相对两端;

在所述构件中的至少一个中形成的一个内腔;

位于所述内腔中且电气连接于所述第一和第二电极的一电子电路;

周向间隔开的，从所述传感器本体径向向外伸出的第一组装置，用于接合所述检测管的侧壁并使所述传感器本体在所述检测管中定心;以及

周向间隔开的，从所述传感器本体径向向外伸出的第二组装置，用于接合所述检测管的侧壁并使所述传感器本体在所述检测管中定心;所述第二组装置纵向与所述第一组装置间隔开来。

16、按照权利要求15所述的电容监测器，其特征在于：所述检测管具有伸出土壤表面的上端，所述电容监视器还具有安装在所述检测管最上端的一顶盖组件。

17、按照权利要求16所述的电容监测器，其特征在于所述顶盖组件具有：

装配在所述检测管最上端的一套管，所述套管具有周向间隔开的装置以便将所述套管固定于所述检测管;

固定于所述套管的一盖板，限定了一个孔，用来装入所述电容传感器，所述孔具有斜侧壁，用来接合所述第一组和第二组装置并迫使其径向向内，以便于传感器本体插入所述检测管，以及

安装在所述盖板上的止动组件装置，用于接合所述管状手柄以控制所述传感器本体在所述检测管中在一预定深度上的可再现的定位。

18、按照权利要求17所述的电容监测器，其特征在于：所述管状手柄具有用于沿其长度以预定间隔接合所述止动组件装置的表面。

19、按照权利要求18所述的电容监测器，其特征在于：所述管状手柄具有小于所述传感器本体的直径，所述顶盖组件装置还具有铰接式安装在所述盖板上的铰接板以便当所述传感器本体位于所述检测孔中时减小所述孔的直径，所述直径较小的手柄穿过所述孔以便同所述止动装置接合。

20、按照权利要求16所述的电容监测器，其特征在于：所述传感器本体还具有一个带螺纹的端帽，所述管状手柄通过一相应的带螺纹的端部装在所述的带螺纹的端帽上。

21、按照权利要求20所述的电容监测器，其特征在于：所述传感器本体还具有插入于所述带螺纹端帽和所述电极之一的直立圆柱形绝缘材料。

22、按照权利要求15所述的电容监测器，其特征在于：所述电子电路还具有：

一块电路板;

连接所述第一电极和所述电路板的电导线;以及

连接所述第二电极和所述电路板的电导线;

所述电容监测器还具有：

具有第一端和相对的第二端的同轴电缆，其第一端连接于所述电路板，其第二端从所述内腔穿至所述传感器本体之外;以及

在所述同轴电缆的第二端连接于所述同轴电缆的一控制箱，所述控制箱使土壤电容对土壤水分含量形成对应关系。

23、按照权利要求22所述的电容监测器，其特征在于：接近于所述传感器本体的同轴电缆上载有铁素体屏蔽以大大减少有害的信号干扰。

24、按照权利要求15所述的电容监测器，其特征在于：所述第一和第二电极为直立圆柱形，由铝制成，所述绝缘垫也是直立圆柱形，由聚丙烯制成。

25、按照权利要求15所述的电容监测器，其特征在于：用绝缘填充物回填所述内腔以防水分损坏所述电路。

26、按照权利要求17所述的电容监测器，其特征在于：所述止动组件还具有一弹簧偏动止动销，用来以预定间隔接合所述管状手柄，以便控制所述传感器本体在所述检测管中在预定深度上的可再现的定位。

27、一种用于监测土壤水分的电容监测器，它具有：

嵌在土壤中的一检测管;

适于插入所述检测管中的电容传感器，它具有：

一基本呈圆柱形的传感器本体，带有第一端和相对的第二端适于装入所述检测管，所述基本圆柱形的传感器本体具有：

基本为刚性的第一和第二构件，它们呈直立圆柱形并分别形成第一和第二导电电容传感电极，所述第一电极位于所述基本圆柱形传感器本体的第一端;

一绝缘垫，具有直立圆柱形并固定地连接于所述第一和第二电极，使所述两电极相互绝缘并在纵向上相隔于所述绝缘垫相对的两端;

至少在所述两电极中的第二个中形成的一内腔;

位于所述内腔中且电连接于所述第一和第二电极的一电子电路;

回填于所述内腔的绝缘填充物以防水分损坏所述电路;

安装于所述传感器本体的第二端的一个带螺纹的端帽;

直立圆柱形的，插放在所述带螺纹端帽和所述第二电极之间的绝缘材料;

至少三个周向间隔开的，位于所述传感器本体第一端附近的弹簧偏动柱，从所述传感器本体径向向外伸出以便和所述检测管的侧壁接合，并使所述传感器本体在所述检测管中定心;以及

至少三个周向间隔开的，位于所述传感器本体的第二端附近的弹簧偏动柱，从所述传感器本体径向向外伸出以便和所述检测管的测壁接合并使所述传感器本体在所述检测管中定心;

所述电容传感器还具有：

一管状长手柄，其一端具有与所述带螺纹的端帽相应的螺纹部分，所述手柄通过螺纹与所述端帽接合，以便于在所述检测管中轴向移动所述传感器本体;以及

所述电容监测器还具有：

安装于所述检测管的最上端的一个顶盖组件，它具有：

一个配合在所述检测管最上端的套管，所述套管具有周向间隔开的用于将套管接合在所述检测管上的装置;

一固定于所述套管的盖板，限定了一个用于装入所述电容传感器的孔，所述孔具有斜侧壁用于接合所述传感器本体上的第一组和第二组装置并径向向内压这二组装置，使所述传感器本体可以插入所述检测管;以及

安装于所述盖板的止动组件装置，用于接合所述管状手柄以便于在所述检测管中在预定深度上控制所述传感器本体的可再现的定位。

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