CN111954809B - 测量土壤中水分含量的装置 - Google Patents

Abstract

根据本发明的一个方面的用于测量土壤中水分含量的装置包括：导线结构，其能够插入土壤中，包括第一和第二导线，并且形成为具有预定结构，所述第一导线和所述第二导线被绝缘地包覆并且彼此平行且邻近地延伸；电容测量电路，其用于通过使用交流电源来测量所述第一导线与所述第二导线之间的电容；以及水分含量计算单元，其用于通过使用所测得的电容来计算土壤水分含量。

Description

测量土壤中水分含量的装置

技术领域

本发明涉及一种用于测量土壤中水分含量的装置。

背景技术

在植物生长期间管理土壤中水分含量是非常重要的。当根部周围的水分含量高时，根部吸收水分较好，从而较好地进行蒸腾作用。然而，当水分含量过高时，由于根部周围缺乏空气，根部的呼吸变得困难，并且难以增加根部周围土壤中的微生物，从而导致缺乏供应给植物的养分。因此，有必要测量土壤中水分含量并调节水分含量以保持足够的水分含量。而且，即使当植物被浇水时，也必须检查土壤中的精确水分含量，以便供应植物生长和发育状态中所需的足够的水。

由于上述原因，测量土壤中水分含量的方法已经被用于种植植物的领域中，并且存在作为代表性示例的张力计方法和时域反射计(TDR)方法。

张力计方法使用土壤吸引水的力。当多孔石膏杯装满水并被掩埋时，水通过多孔杯进入土壤。这里，当水和土壤中的水含量处于平衡时，通过使用吸力计或汞液压力计测量土壤孔隙的负压来获得水含量。

在TDR方法中，以一定的距离放置被配置为发射和接收高频信号的探针，并且使用土壤的介电常数来测量水含量，所述土壤的介电常数是从所发射的高频信号被反射并返回的时间推断出的。

张力计方法具有诸如复杂的传感器结构、高价格和小的测量范围的缺点。此外，TDR方法根据测量原理测量两个探针的端点之间的水含量，并且具有局限于局部区域测量的缺点。为了克服这个问题，可以在多个点处安装传感器。然而，仍然存在每个传感器的测量区域也限于局部的问题。此外，当安装多个传感器时，不可能避免总成本的增加。

发明内容

技术问题

本发明旨在提供一种用于测量土壤中水分含量的水分含量测量装置，该水分含量测量装置具有简单的结构，价格低廉，并且能够测量比期望的区域更大的区域内的土壤中水分含量。

技术方案

本发明的一个方面提供一种用于测量土壤中水分含量的水分含量测量装置。所述水分含量测量装置包括：导线结构，其可插入土壤中，包括彼此平行且邻近地延伸的绝缘包覆的第一导线和第二导线，并且具有一定的结构；电容测量电路，其被配置为使用交流(AC)电力来测量所述第一导线与所述第二导线之间的电容；以及水分含量计算单元，其被配置为使用所测得的电容来计算土壤中水分含量。

所述水分含量计算单元可以使用土壤中水分含量与所测得的电容成比例的关系来计算土壤中水分含量。

所述导线结构还可以包括接地导线，该接地导线与所述第一导线和所述第二导线平行且邻近地延伸并且接地。这里，所述水分含量计算单元可以使用所测得的电容随着土壤中水分含量的增加而减小的关系来计算土壤中水分含量。

所述水分含量计算单元可以基于先前使用所述电容测量电路测得的与已知的第一水分含量和第二水分含量相对应的第一电容值和第二电容值来计算土壤中水分含量。

所述导线结构可以具有锯齿形状或线圈结构。

本发明的另一方面提供一种用于测量土壤中水分含量的水分含量测量装置。所述水分含量测量装置包括：导线结构，其可插入土壤中，包括彼此平行且邻近地延伸的绝缘包覆的第一导线和第二导线，以及与所述第一导线和所述第二导线平行且邻近地延伸并且接地的接地导线，并且具有一定的结构；泄漏电流测量电路，其被配置为向所述第一导线和所述第二导线施加AC电力并且测量通过所述接地导线泄漏的泄漏电流；以及水分含量计算单元，其被配置为使用所测得的泄漏电流来计算土壤中水分含量。

所述水分含量计算单元可以使用土壤中水分含量与所测得的泄漏电流成比例的关系来计算土壤中水分含量。

所述水分含量计算单元可以基于先前使用所述泄漏电流测量电路测得的与已知的第一水分含量和第二水分含量相对应的第一泄漏电流值和第二泄漏电流值来计算土壤中水分含量。

所述导线结构可以具有锯齿形状或线圈结构。

有益效果

根据本发明，在测量土壤中水分含量时，具有诸如结构简单、成本低、以及比期望面积大的面积的效果。

附图说明

图1示出根据本发明第一实施例的用于测量土壤中水分含量的装置的部件。

图2是示出根据本发明的第一实施例的水分含量与装置中的电容之间关系的曲线图。

图3示出导线结构10的结构的示例。

图4示出导线结构10的结构的另一示例。

图5示出根据本发明的第二实施例的用于测量土壤中水分含量的装置的部件。

图6是示出根据本发明的第一实施例的水分含量与装置中的测量电容值之间关系的曲线图。

图7示出导线结构10′的结构的示例。

图8示出根据本发明第三实施例的用于测量土壤中水分含量的装置的部件。

图9是示出根据本发明的第三实施例的水分含量与装置中的电流泄漏之间关系的曲线图。

具体实施方式

在下文中，将参考附图详细描述本发明的示例性实施方式。在下文中，在整个说明书和附图中，基本上相同的元件将用相同的附图标记表示，并且将省略对其的重复描述。此外，在本发明的实施例的描述中，当认为对现有技术的公知功能或部件的详细描述会模糊对本发明实施例的理解时，将被省略。

图1示出根据本发明的第一实施例的用于测量土壤中水分含量的装置的部件。

根据该实施例的装置可以包括导线结构10、电容测量电路20和水分含量计算单元30。

导线结构10被配置为插入土壤中以测量其中的水分含量，并且包括彼此平行且邻近地延伸地设置的绝缘包覆的第一导线11和第二导线12。

因为在第一导线11与第二导线12之间由于绝缘涂层而存在电介质，所以导线结构10可以是一种电容器，其中第一导线11和第二导线12作为其两个电极。导线结构10的电容(即，第一导线11和第二导线12之间的电容)具有根据导线结构11的结构(尺寸、形状等)的特定值。

当导线结构10与水分接触时，水分存在于第一导电线11和第二导电线12之间及其附近，使得第一导线11与第二导线12之间的电介质的介电常数变化。这里，随着接触中的水分增加，介电常数进一步增加。由于电容与介电常数成比例，因此随着接触中的水分增加，导线结构10的电容增加。

在本发明的实施例中，利用该原理，通过将导线结构10插入土壤中并测量导线结构10的电容来测量土壤中水分含量。即，根据土壤中水分含量，与插入土壤中的导线结构10接触的水分的量根据土壤中水分含量而变化。这里，随着水分含量增加，导线结构10的电容增加。利用这种关系，可以通过测量导线结构10的电容来测量土壤中水分含量。申请人能够看出，作为在改变土壤样品中的水分含量的同时进行测量导线结构10的电容的测试的结果，水分含量和电容彼此成比例。图2是示出土壤中水分含量与电容之间的关系的曲线图。

导线结构10的结构可以根据要测量其土壤中水分含量的面积(范围、深度等)自由地形成。作为最简单的一个示例，导线结构10可以形成为具有线性结构，可以形成为在待测量的区域上具有锯齿形状，或者可以形成为具有线圈形状。随着导线结构10的长度增加，与水分的接触面积增加，从而精度和可靠性可进一步增加。

作为导线结构10的结构的一个示例，图3示出导线结构10在要测量的一定程度和一定深度上以锯齿形状纵向延伸的结构。作为导线结构10的结构的另一示例，图4示出圆柱形线圈结构。

返回参照图1，电容测量电路20使用交流(AC)电源测量导线结构10的电容，即，第一导线11和第二导线12之间的电容。

在本实施例中，虽然例示了使用自动平衡桥的电路作为电容测量电路20的示例，但是可以使用各种其他测量方法进行电容测量，例如，桥接方法、谐振方法、电压/电流(I-V)方法等。

电容测量电路20可以包括AC电源21、第一电压计22、电阻器R、运算放大器23和第二电压计24。AC电源21连接在第一导线11的一端与地之间以提供AC电压，并且第一导线11的另一端开路。第一电压计22连接在第一导线11的一端与地之间，并测量第一导线11的电压V₁。第二导线12的一端开路，并且电阻器R的一端连接到第二导线12的另一端。运算放大器23的反相端子连接到电阻器R的一端，其非反相端子接地，并且输出端子连接到电阻器R的另一端。第二电压计24连接在运算放大器23的输出端子与地之间，并且测量运算放大器22的输出端子的电压V₂。

第一导线11和第二导线12之间的阻抗Z可以根据以下等式使用第一电压计22的电压V₁、第二电压计24的电压V₂和电阻器R来测量。

[等式1]

当阻抗Z已知时，可以知道第一导线11和第二导线12之间的电容。

水分含量计算单元30利用使用电容测量电路20测得的电容来计算导线结构10所插入的土壤中水分含量。水分含量计算单元30可以使用土壤中水分含量与电容成比例的上述原理来计算土壤中水分含量。

为了允许使用水分含量与电容之间的比例关系来计算土壤中水分含量，可以将先前使用电容测量电路20测得的与第一已知水分含量和第二已知水分含量相对应的第一电容值和第二电容值存储在水分含量计算单元30中。参照图2，当已知第一水分含量W₁、与其对应的电容值C₁、第二水分含量W₂和与其对应的电容值C₂时，可以使用比例关系来计算与随机测得的电容值相对应的水分含量。

当导线结构10暴露于空气中时，水分含量可为0％。当导电线结构10浸没在水中时，水分含量可为100％。因此，当在具有特定结构的导线结构10的暴露于空气的状态和浸没于水的状态下测得的相应电容值已被存储，并且在保持该结构的导线结构10插入土壤的同时测得电容时，可以基于与水分含量为0％相对应的电容值和与水分含量为100％相对应的电容值，使用测得的电容值来计算土壤中水分含量。

图5示出根据本发明的第二实施例的用于测量土壤中水分含量的装置的部件。

根据该实施例的装置可以包括导线结构10′、电容测量电路20和水分含量计算单元30′。

在图1中所示的装置中，当由于某种原因在待测量的土壤中形成导电路径，使得土壤接地时，通过土壤中的水分发生电流泄漏现象。这里，泄漏电流的量与土壤中水分含量成比例，并且由电容测量电路20测得的电容不是导线结构10的真实电容，并且被示出为由泄漏电流引起的错误测量值。由电容测量电路20测得的电容不是第一导线11和第二导线12之间的电容的真实电容值。然而，随着水分含量增加，泄漏电流增加，使得电容被测量为减小的值。

在该实施例中，为了引起该现象，在第一导线11和第二导线12附近的土壤中人工形成导电路径，并且该导电路径接地。这里，导线结构10'是通过将接地导线13添加到图1的导线结构10来形成的，该接地导线13与第一导线11和第二导线12邻近地延伸且平行，并且接地。然后，与第一导线11和第二导线12接触的水分也与接地导线13接触，使得泄漏电流流过接地导线13。接地导线13可以不被涂覆，或者可以被涂有对AC具有相对低的电阻的瓷漆等，以便与土壤和土壤中的水分导通。因此，当AC电力被施加到第一导线11和第二导线12时，通过接地导线13出现泄漏电流。随着水分含量增加，泄漏电流增加，并且测得的电容值减小。

作为在改变土壤样品中的水分含量的同时使用电容测量电路20测量导线结构10′的电容的实验结果，申请人检查发现，测得的电容值随着水分含量增加而线性减小。图6是示出土壤中水分含量与测得的电容值之间的关系的曲线图。

水分含量计算单元30′利用使用电容测量电路20测得的电容来计算导线结构10′所插入的土壤中水分含量。与水分含量计算单元30相反，水分含量计算单元30′可以利用测得的电容值随着土壤中水分含量增加而线性减少的关系来计算土壤中水分含量。

为了允许使用水分含量与测得的电容值之间的关系计算土壤中水分含量，可以将先前使用电容测量电路20测量的与第一已知水分含量和第二已知水分含量相对应的第一电容值和第二电容值存储在水分含量计算单元30′中。参照图6，当已知第一水分含量W₁′、与其对应的电容值C₁′、第二水分含量W₂′和与其对应的电容值C₂′时，可以使用水分含量与测得的电容值之间的关系来计算与随机测得的电容值相对应的水分含量。

当导线结构10′暴露于空气中时，水分含量可为0％。当导电线结构10′浸没在水中时，水分含量可为100％。因此，当在具有特定结构的导线结构10′的暴露于空气的状态和浸没于水的状态下测得的相应电容值已被存储，并且在保持该结构的导线结构10′被插入土壤的同时测得电容时，可以基于与水分含量为0％相对应的测量电容值和与水分含量为100％相对应的测量电容值，使用测得的电容值计算土壤中水分含量。

类似于图1的导线结构10，图5的导线结构10′也可以形成为具有各种结构，如线性形状、锯齿形状、线圈形状等。图7示出导线结构10′具有圆柱形线圈结构的示例。

图8示出根据本发明的第三实施例的用于测量土壤中水分含量的装置的部件。

根据该实施例的装置可以包括导线结构10′、泄漏电流测量电路40和水分含量计算单元30″。

如上关于第二实施例描述的，当AC电力被施加到第一导线11和第二导线12时，通过接地导线13发生泄漏电流，并且泄漏电流与水分含量的增加成比例地增加。在该实施例中，使用这一点，使得通过测量流过接地导线13的泄漏电流来测量土壤中水分含量。

泄漏电流测量电路40将AC电力施加到导线结构10′的第一导线11和第二导线12，并且测量通过接地导线13泄漏的泄漏电流。

泄漏电流测量电路40可以包括AC电源41、第一电流计42、第二电流计43和电阻器R。AC电源41连接在第一电流计42的一端与地之间并且提供AC电压。第1电流计42的另一端连接到第一导线11的一端，并且测量供应到第一导电线11的电流I_A1。第二电流计43的一端连接到第二导线12的另一端，并且电阻器R连接在第二电流计43的另一端与地之间，使得第二电流计43测量通过第二导线43输出的电流I_A2。

可以根据以下等式使用第一电流计42的电流I_A1与第二电流计43的电流I_A2之间的差来测量流过接地导线13的泄漏电流I_泄漏的水平。

[等式2]

图9是示出土壤中水分含量与流过接地导线13的泄漏电流之间关系的曲线图。如该图中所示，水分含量与泄漏电流彼此成比例。

水分含量计算单元30″利用使用泄漏电流测量电路40测得的泄漏电流来计算导线结构10′所插入的土壤中水分含量。水分含量计算单元30″可以使用土壤中水分含量与泄漏电流成比例的原理来计算土壤中水分含量。

为了允许使用水分含量与泄漏电流之间的比例关系来计算土壤中水分含量，可以将先前使用泄漏电流测量电路40测得的与第一已知水分含量和第二已知水分含量相对应的第一泄漏电流值和第二泄漏电流值存储在水分含量计算单元30″中。参照图9，当已知第一水分含量W₁″、与其对应的泄漏电流值I_泄漏,1、第二水分含量W₂″和与其对应的泄漏电流值I_泄漏,2时，可以使用该比例关系来计算与随机测得的泄漏电流值相对应的水分含量。

当导线结构10′暴露于空气中时，水分含量可为0％。当导电线结构10′浸没在水中时，水分含量可为100％。因此，当在具有特定结构的导线结构10′的暴露于空气的状态和浸没于水的状态下测得的相应泄漏电流值已被存储，并且在保持该结构的导线结构10′插入土壤的同时测得泄漏电流时，可基于与水分含量为0％相对应的测量泄漏电流值和与水分含量为100％相对应的测量泄漏电流值，使用测得的泄漏电流值来计算土壤中水分含量。

根据本发明的实施例，由于要插入土壤中的导线结构10或10′包括两根或三根导线，因此导线结构10或10′可以形成为具有期望的尺寸和形状，以便根据需要测量在各种区域以及小区域中的土壤水分含量。

当导线结构10或10′形成为具有如图4或图7中所示的线圈结构时，在小的区域中增加了与土壤接触的表面面积。此外，可以减小线圈的长度或直径以在局部区域中进行测量，并且可以增加线圈的长度或直径以在宽阔的区域中进行测量。线圈的尺寸可以根据待测量区域的尺寸而变化。此外，可以通过将导线结构10或10′插入土壤的多个部分来检查水分含量的分布，并且可以通过将导线结构10或10′插入在多个深度处来检查水分含量的深度分布。

当导线结构10或10′形成为具有线圈结构时，将特定的多孔介质插入线圈中，然后形成仅中心入口被暴露而其他部分被与外部阻隔的密封结构，并且将该密封结构掩埋在土壤中，土壤中的水分由于毛细现象流入线圈中的多孔介质中，从而与整个土壤水分处于平衡。由此可以形成能够测量土壤中水分含量而与要测量的介质的类型(岩棉、钴、铁氧体、土壤等)无关的传感器。

本发明的实施例可以被示出为功能块部件和各种处理操作。可以通过实现特定功能的各种数目的硬件和/或软件部件来实现功能块。例如，实施例可以采用能够在一个或多个微处理器或其他控制装置的控制下执行各种功能的集成电路部件，如存储器、处理器、逻辑、查找表等。类似于可使用软件程序或软件元件执行的本发明的部件，实施例可包括数据结构、过程、例程或各种算法，它们通过其他编程部件的组合来实现，并且可被实现为诸如C、C++、Java、汇编程序等的编程和脚本语言。功能方面可以被实现为由一个或多个处理器执行的算法。此外，实施例可以采用用于电子环境设置、信号处理、数据处理等的常规技术。诸如“机构”、“元件”、“装置”和“部件”等术语可以被广泛使用，并且不限于机械和物理部件。这些术语可以包括与处理器等相关的一系列软件例程的含义。

在实施例中描述的特定执行仅是示例，并且实施例的范围不限于任何方法。对于说明的简明，省略了对常规电子部件、控制系统、软件和系统的其他功能方面的描述。而且，图中所示的部件之间的线或连接组件的连接被示例性地示出为功能连接和/或物理或电路连接，并且可以是实际设备中的各种可更换的或附加的功能连接、物理连接或电路连接。此外，除非详细说明，如“必需”、“重要”等，否则部件对于应用本发明可能不是必需的。

上文已经描述了本发明的示例性实施例。本领域普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的基本特征的情况下，本发明可以被实施为修改的形式。因此，所公开的实施例不应被认为是限制性的，而是描述性的。本发明的范围在权利要求中示出，而不是在上述说明书中示出，并且在其等同范围内的所有差异都应当被解释为包括在本发明中。

Claims (4)

1.一种用于测量土壤中水分含量的水分含量测量装置，包括：

导线结构，其可插入土壤中，包括彼此平行且邻近地延伸的绝缘包覆的第一导线和第二导线，以及与所述第一导线和所述第二导线平行且邻近地延伸并且接地的接地导线；

泄漏电流测量电路，其被配置为向所述第一导线和所述第二导线施加AC电力并且测量通过所述接地导线泄漏的泄漏电流；以及

水分含量计算单元，其被配置为使用所测得的泄漏电流来计算所述土壤中水分含量,

其中所述泄漏电流测量电路包括AC电源、第一电流计、第二电流计和电阻器，

其中所述AC电源连接在所述第一电流计的一端与地之间并提供AC电压，所述第一电流计具有连接到所述第一导线的另一端并测量供应到所述第一导线的电流I_A1，所述第二电流计具有连接到所述第二导线的一端，所述电阻器连接在所述第二电流计的另一端和地之间使得所述第二电流计测量通过所述第二导线输出的电流I_A2，

其中流过所述接地导线的泄漏电流I_泄漏通过所述第一电流计的所述电流I_A1和所述第二电流计的所述电流I_A2之间的差来测量。

2.根据权利要求1所述的水分含量测量装置，其中所述水分含量计算单元使用所述土壤中水分含量与所测得的泄漏电流成比例的关系来计算所述土壤中水分含量。

3.根据权利要求2所述的水分含量测量装置，其中所述水分含量计算单元基于先前使用所述泄漏电流测量电路测得的与已知的第一水分含量和第二水分含量相对应的第一泄漏电流值和第二泄漏电流值来计算所述土壤中水分含量。

4.根据权利要求1所述的水分含量测量装置，其中所述导线结构具有锯齿形状或线圈结构。