EA040017B1

EA040017B1 - SOIL CONDUCTIVITY MEASUREMENT SYSTEM

Info

Publication number: EA040017B1
Application number: EA202090972
Authority: EA
Inventors: Майкл З. Кисс
Original assignee: Трибус; Ллс
Priority date: 2017-10-26
Filing date: 2018-10-26
Publication date: 2022-04-11

Description

Область техники, к которой относится настоящее изобретениеThe field of technology to which the present invention relates

Настоящее изобретение относится, в общем, к способу прямого измерения электрической проводимости почвы.The present invention relates, in General, to a method for directly measuring the electrical conductivity of the soil.

Предшествующий уровень техники настоящего изобретенияBackground of the Invention

Электрическая проводимость (ЭП) почвы является показателем, который указывает на содержание солей в почве (засоленность почвы). Он служит важным индикатором состояния почвы, отражаясь на урожайности, пригодности почвы, доступности питательных веществ для растений и активности почвенных микроорганизмов, что влияет на основные процессы, происходящие в почве, включая выделение парниковых газов, таких как оксиды азота, метан и углекислый газ. Избыток солей препятствует росту растений, негативно влияя на водно-солевой баланс. Почвы, содержащие избыток солей, встречаются в природе в регионах с засушливым и полузасушливым климатом. Содержание солей в почве может увеличиться в результате культивации, ирригации и землеустройства. Электрическая проводимость находится в прямой зависимости от концентрации азотнокислых солей, калия, натрия, хлоридов, сульфатов и аммиака. Для некоторых незаселенных почв определение величины ЭП может оказаться удобным и экономичным способом оценки содержания азота (N), доступного для обеспечения роста растений. Во время проведения работ по ирригации дополнительные объемы воды, не нужные для выращиваемой культуры, могут быть использованы для вымывания избытка солей из-под корневой зоной и поддержания ЭП на требуемом уровне, который зависит от стрессоустойчивости посевов.The electrical conductivity (EC) of a soil is an indicator that indicates the salt content of the soil (soil salinity). It serves as an important indicator of soil health, affecting yield, soil suitability, plant nutrient availability, and soil microorganism activity, all of which affect key soil processes, including the release of greenhouse gases such as nitrogen oxides, methane, and carbon dioxide. An excess of salts hinders the growth of plants, negatively affecting the water-salt balance. Soils containing excess salts occur naturally in regions with arid and semi-arid climates. Soil salt content may increase as a result of cultivation, irrigation and land management. Electrical conductivity is directly dependent on the concentration of nitrates, potassium, sodium, chlorides, sulfates and ammonia. For some uninhabited soils, determining the value of EC can be a convenient and economical way to estimate the content of nitrogen (N) available for plant growth. During irrigation works, additional volumes of water that are not needed for the cultivated crop can be used to flush out excess salts from under the root zone and maintain the EC at the required level, which depends on the stress tolerance of the crops.

С учетом вышеизложенного данные о ЭП будут отслеживать содержание азотнокислых солей в корневой зоне посевов, обеспечивая возможность улучшения регулируемости содержания азота в почве, снижения степени вымывания азота ниже коревой зоны посевов и уменьшения загрязнения грунтовых вод. Непрерывный контроль содержания влаги и ЭП почвы будет также способствовать определению коэффициентов использования воды при орошении на протяжении всего вегетационного периода.With the above in mind, EP data will track nitrate content in the crop root zone, providing an opportunity to improve the controllability of soil nitrogen, reduce nitrogen leaching below the crop root zone, and reduce groundwater pollution. Continuous monitoring of moisture content and soil EC will also help determine irrigation water use rates throughout the growing season.

К сожалению, в щупах, которые в настоящее время реализуются на рынке, используются ёмкостные датчики, не обеспечивающие прямой контакт с почвой. См., например, приложение с руководством TRISCAN, где представлены результаты измерений, выполненных с использованием ёмкостных щупов. Как там сказано, ёмкостные щупы для определения профиля почвы вводятся вертикально в грунт, но напрямую с ним не контактируют. Ёмкостные датчики изолированы от почвы и располагаются внутри пластиковых трубок доступа на определенной глубине, представляющей интерес. Значения ЭП выводятся по результатам измерений объемного содержания ионов, которые используются для расчета значения ЭП для каждого конкретного типа почвы.Unfortunately, the probes that are currently on the market use capacitive sensors that do not provide direct contact with the soil. See, for example, the TRISCAN manual appendix for measurements made using capacitance probes. As stated there, capacitive soil profiling probes are inserted vertically into the soil, but do not directly contact it. The capacitive sensors are isolated from the soil and placed inside plastic access tubes at a specific depth of interest. EC values are derived from ion volume measurements, which are used to calculate the EC value for each specific soil type.

Этот способ измерения ЭП небезупречен, так как почвы разных типов неоднородны. Модель данных использует такой показатель, как номинальное объемное содержание ионов (VIC), а единицы VIC могут быть соотнесены с ЭП почвы при отборе ее проб и их анализе лишь в определенном объеме и применительно к конкретному месту.This method of measuring EC is not perfect, since soils of different types are heterogeneous. The data model uses the nominal ion volume content (VIC), and VIC units can only be correlated with soil EC when sampling and analyzing soil to a certain extent and in relation to a specific location.

С учетом вышеизложенного существует потребность в системе и способе для более эффективного измерения электрической проводимости почвы.In view of the foregoing, there is a need for a system and method for more efficient measurement of soil electrical conductivity.

Краткое раскрытие настоящего изобретенияBrief summary of the present invention

Соответственно, настоящим изобретением предлагается сенсорный щуп, работа которого обеспечивается множеством датчиков, которые выполнены с возможностью измерения содержания влаги, температуры и электрической проводимости (ЭП) почвы. Щуп согласно настоящему изобретению будет использовать высокочастотные (ВЧ) трансформаторы для регистрации изменений нагрузки первичной обмотки трансформатора, осуществляющего прямой контакт с почвой.Accordingly, the present invention provides a sensor probe that is operated by a plurality of sensors that are configured to measure soil moisture content, temperature, and electrical conductivity (EC). The probe according to the present invention will use high frequency (HF) transformers to detect changes in the load of the primary winding of the transformer in direct contact with the soil.

Щуп, описанный в настоящем документе, точно измеряет значения ЭП в жидкостях и водонасыщенных почвах за счет прямого контакта со средой, в которой проводятся измерения. Результаты измерений дают абсолютный показатель ЭП в почве любого типа.The stylus described in this document accurately measures EC values in liquids and water-saturated soils through direct contact with the measurement medium. The measurement results give an absolute index of EC in soil of any type.

Выше были вкратце раскрыты признаки и технические преимущества заявленного изобретения, чтобы можно было лучше понять его последующее подробное описание. Дополнительные признаки и преимущества настоящего изобретения, составляющие предмет его формулы, будут описаны ниже. Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что идея заявленного изобретения и конкретный вариант его осуществления, раскрытый в настоящем документе, могут быть запросто взяты за основу для модифицирования и проектирования других конструкций для достижения тех же целей, которые заявлены настоящим изобретением. Специалистам в данной области техники должно быть также понятно, что такие эквивалентные конструкции входят в сущность и объем настоящего изобретения согласно прилагаемой формуле.The features and technical advantages of the claimed invention have been briefly disclosed above in order to better understand its subsequent detailed description. Additional features and advantages of the present invention, which are the subject of its claims, will be described below. It should be clear to those skilled in the art that the idea of the claimed invention and the specific embodiment disclosed herein can easily be taken as a basis for modifying and designing other structures to achieve the same goals as claimed by the present invention. Those skilled in the art will also appreciate that such equivalent constructs are within the spirit and scope of the present invention as defined by the appended claims.

Краткое описание фигурBrief description of the figures

Для более полного понимания идеи настоящего изобретения и его преимуществ последующее описание раскрыто в привязке к прилагаемым чертежам, где:For a more complete understanding of the idea of the present invention and its advantages, the following description is disclosed in conjunction with the accompanying drawings, where:

на фиг. 1 приведен один из примеров реализации щупа, выполненного с возможностью измерения содержания влаги, температуры и электрической проводимости почвы, согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения;in fig. 1 shows one embodiment of a probe capable of measuring soil moisture content, temperature, and electrical conductivity, according to one embodiment of the present invention;

на фиг. 2 представлен щуп, показанный на фиг. 1, в поперечном разрезе, который выполнен по ли- 1 040017 нии 2-2, показанной на фиг. 1;in fig. 2 shows the probe shown in Fig. 1 in cross section taken along line 2-2 of FIG. 1;

на фиг. 3 приведен один из примеров реализации катушки датчика электрической проводимости для использования вместе со щупом, показанным на фиг. 1;in fig. 3 shows one embodiment of a conductivity sensor coil for use with the probe shown in FIG. 1;

на фиг. 4 представлена блок-схема, иллюстрирующая один из примеров осуществления системы, реализующей признаки настоящего изобретения; и на фиг. 5 представлено схематическое изображение цепи, реализующей признаки настоящего изобретения.in fig. 4 is a block diagram illustrating one embodiment of a system embodying features of the present invention; and in FIG. 5 is a schematic representation of a circuit embodying the features of the present invention.

Подробное раскрытие настоящего изобретенияDetailed disclosure of the present invention

Обратимся теперь к чертежам, на которых изображенные элементы во избежание двусмысленного толкования не обязательно вычерчены в истинном масштабе и на нескольких видах аналогичные или схожие элементы обозначены одними и теми же номерами позиций. Для краткости изложения хорошо известные элементы могут быть проиллюстрированы в виде схематических изображений или блок-схем, чтобы не перегружать настоящее изобретение ненужными деталями; а детали, относящиеся к различным другим элементам, известным в данной области техники, таким как микропроцессоры, датчики температуры, гигрометры и прочие элементы подобного рода, необходимые для обеспечения функционирования различных электрических устройств, подробно не описаны или не показаны, поскольку такие детали не считаются необходимыми для обеспечения полного понимания настоящего изобретения, а рассматриваются как известные специалистам в данной области техники. Кроме того, в контексте настоящего документа термин по существу не должен рассматриваться в качестве термина, обозначающего приближенное значение.Let us now turn to the drawings, in which the depicted elements, in order to avoid ambiguous interpretation, are not necessarily drawn to true scale and in several views similar or similar elements are indicated by the same reference numbers. For brevity, well-known elements may be illustrated in the form of schematic representations or block diagrams, so as not to overload the present invention with unnecessary details; and details relating to various other elements known in the art, such as microprocessors, temperature sensors, hygrometers and other elements of a similar nature necessary for the operation of various electrical devices, are not described or shown in detail, since such parts are not considered necessary. to provide a thorough understanding of the present invention, but are considered to be known to those skilled in the art. In addition, in the context of this document, the term per se should not be considered as a term denoting an approximate value.

Следует отметить, что если не указано иное, то многие функции, описанные в настоящем документе, могут выполняться процессором, таким как микропроцессор, контроллер, микроконтроллер, специализированная заказная интегральная схема (ASIC), электронный процессор данных, компьютер или иное устройство подобного рода в соответствии с кодом, таким как программный код, программными средствами, интегральными схемами и/или тому подобными элементами, которые кодируются для выполнения таких функций. Более того, считается, что детали конструкции, разработки и реализации всех таких кодов должны стать очевидными специалисту в данной области техники после ознакомления с представленным описанием настоящего изобретения.It should be noted that, unless otherwise noted, many of the functions described herein may be performed by a processor, such as a microprocessor, controller, microcontroller, application specific integrated circuit (ASIC), electronic data processor, computer, or other similar device in accordance with with code, such as program code, software, integrated circuits, and/or the like, which are coded to perform such functions. Moreover, it is believed that the details of the construction, development and implementation of all such codes should become apparent to a person skilled in the art after reading the presented description of the present invention.

Как показано на фиг. 1, ссылочной позицией 100, в общем, обозначен щуп, реализующий признаки настоящего изобретения по измерению содержания влаги, температуры и электрической проводимости (ЭП) почвы. Система 100 включает в себя трубку 102, предпочтительно имеющую наружный диаметр около одного дюйма и выполненную из неметаллического материала или пластика, такого как ПВХ (поливинилхлорид), известным в данной области техники способом.As shown in FIG. 1, reference numeral 100 generally denotes a probe that implements features of the present invention for measuring soil moisture content, temperature, and electrical conductivity (EC). The system 100 includes a tube 102, preferably having an outside diameter of about one inch and made from a non-metallic material or plastic such as PVC (polyvinyl chloride) in a manner known in the art.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения трубка 102 включает в себя четыре гильзы 104 из нержавеющей стали длиной около одного-двух дюймов каждая с пазом 104а, заданным с каждой из двух противоположных сторон гильзы. Паз 104а проходит в продольном направлении по существу по длине гильзы, но не по всей длине в целом. Хотя в примере, приведенном на фиг. 1, показаны четыре гильзы 104, может быть использовано большее или меньшее число гильз 104, исходя из конкретных условий. В предпочтительном варианте гильзы 104 электрически соединены друг с другом проводом 110 для обеспечения заземления. Как будет подробно описано ниже, гильзы 104 выполняют функцию первичной обмотки высокочастотного (ВЧ) трансформатора датчика ЭП.In one preferred embodiment of the present invention, tube 102 includes four stainless steel sleeves 104, each about one to two inches long, with a slot 104a defined on each of two opposite sides of the sleeve. The groove 104a extends in the longitudinal direction substantially along the length of the sleeve, but not along the entire length as a whole. Although in the example shown in FIG. 1, four sleeves 104 are shown, more or fewer sleeves 104 may be used, depending on specific conditions. In the preferred embodiment, sleeves 104 are electrically connected to each other by wire 110 to provide ground. As will be described in detail below, sleeves 104 function as the primary winding of the high frequency (HF) transformer of the EF sensor.

Между гильзами 104 и над каждым из них размещены такие стандартные датчики, как датчик температуры 106 и гигрометр 108, которые располагаются между наружной стенкой 102 и внутренней стенкой 114 трубки (см. фиг. 2) щупа 100. В предпочтительном варианте используется тип гигрометра 108 с двумя относительно широкими медными лентами, между которыми предусмотрена более узкая медная лента. Такие датчики температуры и гигрометры считаются хорошо известными в данной области техники; и, следовательно, они не будут подробно описываться в настоящем документе за исключением случаев, когда это необходимо для раскрытия заявленного изобретения.Placed between and above each of the sleeves 104 are standard sensors, such as a temperature sensor 106 and a hygrometer 108, which are located between the outer wall 102 and the inner wall 114 of the tube (see Fig. 2) of the probe 100. In the preferred embodiment, a type of hygrometer 108 with two relatively wide copper strips, between which a narrower copper strip is provided. Such temperature sensors and hygrometers are considered to be well known in the art; and, therefore, they will not be described in detail herein except as necessary to disclose the claimed invention.

На фиг. 2 представлен поперечный разрез щупа, показанного на фиг. 1, который выполнен по линии 2-2, показанной на фиг. 1. Как показано на этой фигуре, щуп 100 характеризуется наличием внутренней трубки или стенки 114. Как можно видеть, в пределах внутренней стенки и на одной оси с пазами 104а предусмотрена вторичная обмотка 116 ВЧ-трансформатора датчика ЭП, намотанная на катушку из ацеталя или иного по существу термостабильного непроводящего материала (см. фиг. 3). Каждой первичной обмотке 104 соответствует своя собственная вторичная обмотка 116, а длина каждой вторичной обмотки 116 приблизительно равна длине паза 104а. Первичная обмотка 104 ВЧ-трансформатора датчика ЭП и вторичная обмотка 116 ВЧ-трансформатора датчика ЭП вместе называются в настоящем документе датчиком 120 ЭП. Как было указано выше и проиллюстрировано на фиг. 2, между наружной стенкой 102 и внутренней стенкой 114 трубки щупа 100 размещено множество датчиков 106 температуры и гигрометров 108.In FIG. 2 is a cross-sectional view of the stylus shown in FIG. 1, which is taken along line 2-2 shown in FIG. 1. As shown in this figure, the probe 100 is characterized by the presence of an inner tube or wall 114. As you can see, within the inner wall and on the same axis with the grooves 104a, a secondary winding 116 of the EF sensor RF transformer is provided, wound on a coil of acetal or other essentially thermally stable non-conductive material (see Fig. 3). Each primary winding 104 has its own secondary winding 116, and the length of each secondary winding 116 is approximately equal to the length of the slot 104a. The primary winding 104 of the EF sensor RF transformer and the secondary winding 116 of the EF sensor RF transformer are collectively referred to herein as the EF sensor 120. As mentioned above and illustrated in FIG. 2, a plurality of temperature sensors 106 and hygrometers 108 are placed between the outer wall 102 and the inner wall 114 of the probe tube 100.

На фиг. 4 показана блок-схема, иллюстрирующая систему непрерывного контроля температуры, содержания влаги и электрической проводимости почвы. Как можно видеть, датчики 120 ЭП соединены с монтажной платой 112 ЭП, которая подробнее будет описана ниже в привязке к фиг. 5. Плата 112 ЭПIn FIG. 4 is a block diagram illustrating a system for continuously monitoring soil temperature, moisture content, and electrical conductivity. As can be seen, the EA sensors 120 are connected to an EA circuit board 112, which will be described in more detail below in connection with FIG. 5. Payment 112 EP

- 2 040017 генерирует выходной сигнал, подаваемый в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 113, который затем преобразует аналоговый сигнал в цифровой сигнал, передаваемый микроконтроллеру 130. Более того, как обозначено стрелками на каждом датчике 120 ЭП и соответствующей стрелкой на микроконтроллере 130, каждый датчик 120 ЭП выдает сигнал непосредственно в АЦП 113, который преобразует аналоговый сигнал в цифровой сигнал, который передается непосредственно микроконтроллеру 130.- 2 040017 generates an output signal supplied to the analog-to-digital converter (ADC) 113, which then converts the analog signal into a digital signal transmitted to the microcontroller 130. the ED sensor 120 outputs a signal directly to the ADC 113, which converts the analog signal into a digital signal, which is transmitted directly to the microcontroller 130.

Множество датчиков 106 температуры выдает множество сигналов, предпочтительно в мультиплексор 122, который затем передает сигнал в ёмкостно-цифровой преобразователь 124, такой как AD7745, который преобразует фактическую ёмкость в цифровой сигнал, совместимый с микроконтроллером 130 и передаваемый на указанный микроконтроллер. Множество гигрометров 108 выдает множество сигналов, предпочтительно в мультиплексор 126, который затем передает одиночный сигнал в аналоговое устройство 128, такое как AD8515, которое расширяет возможности устройства AD7745 по обработке более высоких значений ёмкости, которое, в свою очередь, выдает сигнал в преобразователь 124, который, в свою очередь, генерирует сигнал, передаваемый микропроцессору 130.The plurality of temperature sensors 106 output a plurality of signals, preferably to a multiplexer 122, which then passes the signal to a capacitive-to-digital converter 124, such as the AD7745, which converts the actual capacitance into a digital signal compatible with the microcontroller 130 and transmitted to said microcontroller. The multiple hygrometers 108 provide multiple signals, preferably to a multiplexer 126, which then provides a single signal to an analog device 128, such as the AD8515, which extends the AD7745's ability to handle higher capacitance values, which in turn provides a signal to the converter 124, which, in turn, generates a signal transmitted to the microprocessor 130.

Микропроцессор 130 принимает сигналы с датчиков 120 ЭП, с платы 112 ЭП, с датчиков 106 температуры и с гигрометров 108 и по этим сигналам генерирует сигнал последовательных данных, содержащий сведения об электрической проводимости, температуре и содержанию влаги. К примеру, сигнал 132 последовательных данных согласуется с RS-232, RS-485 и/или SDI-12 и передается, предпочтительно через радиотрансивер 134, в центральную систему контроля (не показана).Microprocessor 130 receives signals from EA sensors 120, EA board 112, temperature sensors 106, and hygrometers 108 and from these signals generates a serial data signal containing electrical conductivity, temperature, and moisture content. For example, serial data signal 132 is RS-232, RS-485 and/or SDI-12 compliant and transmitted, preferably via radio transceiver 134, to a central control system (not shown).

В одном из предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения все компоненты, показанные на фиг. 4, за исключением радиотрансивера 134, размещены внутри щупа 100, предпочтительно вблизи платы 112 ЭП.In one of the preferred embodiments of the present invention, all components shown in FIG. 4, with the exception of the radio transceiver 134, are placed inside the probe 100, preferably near the EA board 112.

На фиг. 5 приведен один из примеров реализации монтажной платы ЭП, где:In FIG. 5 shows one of the examples of the implementation of the EA circuit board, where:

во все элементы цепи, требующие стабильного напряжения, подается выходной сигнал регулятора напряжения (+5 вольт постоянного тока (VDC));all circuit elements that require a stable voltage are supplied with a voltage regulator output signal (+5 volts direct current (VDC));

частота (Fx) резонатора на 4 МГц со встроенными укорачивающими конденсаторами используется в качестве уставки для входных сигналов одного из квадратичных детекторов (U4). Другим входным сигналом квадратичного детектора служит полученная частота (Fo) генератора (Q1) колебаний. Состояние захвата частоты устанавливается тогда, когда величины Fo и Fx в фазе располагаются под углом 90° по отношению друг к другу.the frequency (Fx) of the 4 MHz resonator with built-in shortening capacitors is used as the setpoint for the input signals of one of the quadratic detectors (U4). Another input signal of the quadratic detector is the received frequency (Fo) of the oscillator (Q1). The frequency lock state is established when Fo and Fx are in phase at 90° to each other.

После захвата частоты выходной сигнал U3B, т.е. положительное напряжение постоянного тока (DC), служит выходным напряжением AFC (автоматической подстройки частоты). Это напряжение прибавляется к ВЧ-напряжению на настроечных диодах D1 и D5 варактора для поддержания захвата со стороны катода. Напряжение обратного смещения AFC инициирует изменение настроечными диодами своей ёмкости обратно пропорционально этому напряжению, что приведет к повышению или понижению их ёмкости с тем, чтобы резонансный LC-контур генераторов колебаний был постоянно настроен на Fx подобно сервоприводу DC (постоянного тока).After frequency capture, the output signal of U3B, i.e. positive direct current (DC) voltage, serves as the AFC (automatic frequency control) output voltage. This voltage is added to the RF voltage across the varactor tuning diodes D1 and D5 to maintain cathode side capture. The reverse bias voltage AFC causes the tuning diodes to change their capacitance in inverse proportion to this voltage, which will increase or decrease their capacitance so that the resonant LC circuit of the oscillators is constantly tuned to Fx, like a DC (direct current) servo.

Настроечные диоды D7 и D8 используются для первоначального задания Fo резонансного LCконтура по центру области захвата частоты AFC. Это обеспечивает возможность автоматического захвата при подаче питания в цепь ЭП.Tuning diodes D7 and D8 are used to initially set Fo the resonant LC circuit at the center of the AFC frequency capture region. This provides the possibility of automatic capture when power is applied to the EA circuit.

Индуктивность резонансного LC-контура состоит из значений индуктивности первичной обмотки трансформаторов щупа. Эквивалентная ёмкость представляет собой следующую сумму: ёмкость D7 и D8 + С2 + С2а + ёмкость D1 и D5 + С4.The inductance of the resonant LC circuit consists of the values of the primary inductance of the probe transformers. The equivalent capacitance is the following sum: capacitance D7 and D8 + C2 + C2a + capacitance D1 and D5 + C4.

Значение индуктивности для каждого из датчиков ЭП изменяется вследствие изменения проводимости почв под нагрузкой. Вследствие этого изменяется резонансная частота контура. Схема автоматической фазовой подстройки частоты (PLL) настраивается варакторами до тех пор, пока резонансная частота контура с индуктором под нагрузкой не сравняется с частотой контура с индукторами без нагрузки (на открытом воздухе).The inductance value for each of the EF sensors changes due to changes in soil conductivity under load. As a result, the resonant frequency of the circuit changes. The PLL circuit is tuned by varactors until the resonant frequency of the circuit with the inductor under load equals the frequency of the circuit with the inductors without load (outdoors).

Диод D2 представляет собой высокоомный пиковый детектор ВЧ-напряжения резонансного LCконтура. Полученное выходное напряжение пикового детектора фиксируется на нагрузочном резисторе R19 и фильтрующем конденсаторе С6.Diode D2 is a high-resistance peak RF voltage detector of the resonant LC circuit. The resulting output voltage of the peak detector is fixed on the load resistor R19 and the filter capacitor C6.

Полученное выходное напряжение пикового детектора и напряжение термокомпенсации, подаваемое на D3, используются для активации регулирующего усилителя U3A, который регулирует разность погрешностей между диодами D2 и D3 и обеспечивает в итоге относительно постоянное выходное напряжение по всему рабочему диапазону.The obtained output voltage of the peak detector and the temperature compensation voltage applied to D3 are used to activate the regulating amplifier U3A, which regulates the error difference between the diodes D2 and D3, resulting in a relatively constant output voltage over the entire operating range.

Регулирующий усилитель U3A активирует источник Q2 тока, который, в свою очередь, активирует генератор Q1 колебаний.The regulating amplifier U3A activates the current source Q2, which in turn activates the oscillation generator Q1.

Начальное напряжение на базе Q1 (на открытом воздухе) должно лежать в диапазоне от 3,80 до 3,83 VDC.The initial voltage at the base of Q1 (outdoors) should be between 3.80 and 3.83 VDC.

Выходное напряжение Q1 (Vpo) варьируется от около нуля до максимального пикового напряжения, изменяясь линейно по мере повышения напряжения смещения на базе для любой нагрузки резонансного контура в пределах диапазона ЭП. Нагрузка резонансного контура представляет собой нагрузку, считываемую одновитковой вторичной обмоткой трансформаторов датчика. В случае закорачиванияThe output voltage of Q1 (Vpo) varies from near zero to the maximum peak voltage, varying linearly as the base bias voltage increases for any resonant circuit load within the EC range. The resonant circuit load is the load sensed by the single-turn secondary of the sensor transformers. In case of shorting

- 3 040017 вторичной обмотки трансформатора датчика для ограничения напряжения смещения на базе Q1 используется зенеровский диод D6.- 3 040017 In the secondary winding of the sensor transformer, a Zener diode D6 is used to limit the bias voltage at the base of Q1.

Любое уменьшение нагружающего сопротивления вторичной обмотки трансформаторов датчика (считывающей более низкие значения ЭП) инициирует удержание регулирующим усилителем U3A величины Vpo на постоянном уровне путем повышения величины Vb генератора Q1, что приведет к повышению его коллекторного тока.Any decrease in the load resistance of the secondary winding of the sensor transformers (reading lower values of the EF) initiates the holding of the Vpo value by the regulating amplifier U3A at a constant level by increasing the Vb value of the generator Q1, which will increase its collector current.

Настройка/калибровка платы ЭПSetting up/calibrating the EA board

Когда требуемый датчик ЭП находится на открытом воздухе:When the required EP sensor is outdoors:

Обеспечение подачи напряжения + 9 VDC на штырьковый вывод 1 детектора U1, регулятора напряжения + 5 VDC.Providing + 9 VDC voltage supply to pin 1 of detector U1, + 5 VDC voltage regulator.

Микроконтроллер ЭП определит температуру на плате ЭП в зависимости от фактически измеренного напряжения датчика температуры путем сравнения напряжения как функции от температуры для датчика температуры на плате.The EP microcontroller will determine the temperature on the EP board depending on the actually measured voltage of the temperature sensor by comparing the voltage as a function of temperature for the temperature sensor on the board.

После определения текущей температуры на плате другая справочная таблица предоставит значение напряжения термокомпенсации, которое должно быть измерено на штырьковом выводе 3 регулирующего усилителя U3A.Once the current board temperature has been determined, another lookup table will provide the temperature compensation voltage value to be measured at pin 3 of the regulating amplifier U3A.

Необходимо подать напряжение на анод D3, который обеспечивает комбинацию напряжения термокомпенсации + 0,6 вольта с одновременным контролем штырькового вывода 3 регулирующего усилителя U3A. Этим будет установлено значение напряжения термокомпенсации для текущей температуры платы.It is necessary to energize the anode D3, which provides a combination of thermal compensation voltage + 0.6 volts while monitoring pin 3 of the regulating amplifier U3A. This will set the temperature compensation voltage value for the board's current temperature.

Начальное напряжение на базе Q1 (на открытом воздухе) должно лежать в диапазоне от 3,80 до 3.83 VDC.The initial voltage at the base of Q1 (outdoors) should be between 3.80 and 3.83 VDC.

Отслеживание tp1 с одновременным изменением напряжения настройки диодов D7 и D8 с использованием пускового напряжения 9VDC (Vbat) на tp2 до тех пор, пока напряжение на tp1 не составит 3,803,83 VDC.Follow tp1 while changing the setting voltage of diodes D7 and D8 using a 9VDC start voltage (Vbat) on tp2 until the voltage on tp1 is 3.803.83 VDC.

Использование справочной таблицы для установки DPP1 на значение сопротивления движка, соотносимого со 100-процентной водой.Using a lookup table to set the DPP1 to the value of the motor resistance that is related to 100% water.

Отслеживание tp3 с одновременным изменением напряжения на tp4 до тех пор, пока напряжение на tp3 (штырьковом выводе 5 балансного суммирующего усилителя) не составит 4,00 вольта.Track tp3 while changing the voltage at tp4 until the voltage at tp3 (pin 5 of the balanced summing amplifier) is 4.00 volts.

Подтверждение того, что напряжение на катоде D4 составляет 0,379 вольта.Confirmation that the voltage at the cathode D4 is 0.379 volts.

Выполнение следующих операция, когда требуемый датчик ЭП погружен в стандартный ЭП раствор со значениями нижнего уровня (например, 300 мкСм):Perform the following operations when the required EA sensor is immersed in a standard EA solution with low level values (for example, 300 µS):

Примечание: стандартные значения ЭП по отношению к напряжению на катоде D4 в предпочтительном варианте должны характеризоваться шагом приращения в 20 мкСм (от 150 до 1800 мкСм).Note: the standard values of the EC with respect to the voltage at the cathode D4 should preferably be characterized by an increment of 20 µS (from 150 to 1800 µS).

Регулирование напряжение на штырьковом выводе 5 компонента U2B до тех пор, пока напряжение на катоде D4 не измерит соответствующее значение из справочной таблицы для стандартного ЭП раствора со значениями нижнего уровня. Соответствующее напряжение на катоде D4 повышается до тех пор, пока оно не окажется сопоставимым с входным напряжением микропроцессора.Adjust the voltage at pin 5 of component U2B until the voltage at cathode D4 measures the appropriate value from the reference table for the standard EB solution with low level values. The corresponding voltage at cathode D4 is increased until it is comparable to the input voltage of the microprocessor.

Выполнение следующих операций, когда требуемый датчик ЭП погружен в стандартный ЭП раствор со значениями высокого уровня (1800 мкСм):Perform the following operations when the desired EA sensor is immersed in a standard EA solution with high level values (1800 µS):

использование значения высокого уровня стандартного ЭП раствора, например 1800 мкСм; измерение напряжения на катоде D4; и сравнение значений ЭП растворов с напряжением на катоде D4 по справочной таблице.using a high level value of a standard EP solution, such as 1800 μS; voltage measurement at the cathode D4; and comparison of the EC values of solutions with cathode voltage D4 according to a lookup table.

Установление местного стандарта ЭПEstablishment of a local ES standard

Перед введением щупа в почву необходимо выполнить начальную калибровку на месте с использованием местной воды для орошения или водопроводной воды с известной ЭП.Before inserting the probe into the soil, an initial on-site calibration should be performed using local irrigation water or tap water of known EC.

Цифровой потенциометр R100 регулируется на открытом воздухе до тех пор, пока катод D4 не считает нулевое значение (0,0).The digital potentiometer R100 is adjusted outdoors until the cathode D4 reads zero (0.0).

Цифровой потенциометр R100 настраивается на известное значение солености, когда датчик для наименьших значений ЭП находится в воде с известной ЭП.The digital potentiometer R100 is adjusted to a known salinity when the lowest EC sensor is in water with a known EC.

Это калибровочное значение будет передано всем остальным участкам схемы ЭП.This calibration value will be transmitted to all other sections of the EA circuit.

Автоматические измерения в установленном положении (в почве)Automatic measurements in fixed position (in soil)

Микроконтроллер будет поддерживать взаимодействие с микросхемой ёмкостно-цифрового преобразователя/прибора контроля датчиков температуры с использованием последовательного канала связи и цепи измерения датчика ЭП.The microcontroller will support interaction with the microcircuit of the capacitive-to-digital converter / temperature sensor control device using a serial communication channel and the EC sensor measurement circuit.

Мощность, подаваемая на плату М/Т/ЕС (содержание влаги/температура/ЭП), будет уменьшаться в обычном порядке до тех пор, пока микроконтроллер не обеспечит напряжение + 3,6 VDC, подаваемое аккумуляторной батареей на преобразователь постоянного напряжения в постоянное, который подаст + 9 VDC и + 5 VDC в цепи платы.The power supplied to the M/T/EC board (moisture content/temperature/EC) will decrease in the usual manner until the microcontroller provides the +3.6 VDC voltage supplied by the battery to the DC/DC converter, which will supply +9 VDC and +5 VDC to the board circuit.

Затем микроконтроллер инициирует измерения температуры и содержания влаги и использует результаты этих измерений для проведения измерений ЭП с термокомпенсацией на уровне (n), где n = 1-15.The microcontroller then initiates temperature and moisture measurements and uses these measurements to make temperature compensated EC measurements at level (n), where n = 1-15.

Микроконтроллер предоставит величину процентного содержания влаги для каждого уровня, на ко- 4 040017 тором должны быть проведены измерения ЭП (в цифровом формате).The microcontroller will provide the moisture percentage value for each level at which EC measurements are to be made (in digital format).

Микроконтроллер подаст напряжение термокомпенсации как для цепей измерения ЭП, так и для цепей измерения содержания влаги, и использует значения температуры, измеренные на каждом уровне.The microcontroller will apply a temperature compensation voltage to both the EC and moisture measurement circuits and use the temperature values measured at each level.

Встроенный в микросхему датчик температуры автоматически компенсирует изменения температуры микросхемы.The temperature sensor built into the microcircuit automatically compensates for changes in the temperature of the microcircuit.

Значения внешнего напряжения датчиков температуры будут использованы в привязке к справочной таблице с тем, чтобы определить напряжение термокомпенсации, которое необходимо подать на штырьковый вывод 3 регулирующего усилителя U3 А.The values of the external voltage of the temperature sensors will be used in relation to the lookup table in order to determine the temperature compensation voltage that must be applied to pin 3 of the regulating amplifier U3 A.

Микроконтроллер проверит, чтобы процентное содержание влаги составляло по меньшей мере 85%; в противном случае измерение ЭП проводиться не будет, а будет передано сообщение об ошибке.The microcontroller will check that the moisture percentage is at least 85%; otherwise, the EF measurement will not be carried out, and an error message will be transmitted.

Используется справочная таблица для установки DPP1 на значение сопротивления движка, соотносимого с процентным содержанием влаги.A lookup table is used to set the DPP1 to the value of the motor's resistance relative to the percentage of moisture.

Значения напряжения, измеренные на катоде D4, являются эквивалентом напряжения ЭП почв на уровне заданного датчика.The voltage values measured at the D4 cathode are the equivalent of the soil EF voltage at the level of the given sensor.

Эта последовательность операций будет повторена для каждого дополнительного заданного датчика ЭП также с использованием данных о процентном содержании влаги на датчике, предоставляемых микросхемой ёмкостно-цифрового преобразователя/прибором контроля датчиков температуры.This sequence of operations will be repeated for each additional EP sensor specified, also using the sensor moisture percentage data provided by the capacitance-to-digital converter chip/temperature sensor monitor.

По завершении измерений микропроцессор укажет на окончание измерений и прекратит подачу питания на плату.Upon completion of the measurements, the microprocessor will indicate the end of the measurements and stop supplying power to the board.

Настоящее изобретение обеспечивает ряд преимуществ, к которым относятся, помимо прочего, следующие преимущества:The present invention provides a number of advantages, which include, but are not limited to, the following advantages:

Щуп может напрямую измерять абсолютные значения ЭП без необходимости в интерполировании измеренных данных.The probe can directly measure the absolute values of the electric current without the need to interpolate the measured data.

Регистрируемые измерения ЭП являются линейными.Recorded EP measurements are linear.

Регистрируемые измерения ЭП являются линейными для каждого датчика.Recorded EC measurements are linear for each sensor.

Измерения ЭП могут проводиться в почве любого типа или в комбинированных неоднородных почвах.EC measurements can be carried out in any type of soil or in combined heterogeneous soils.

Измерения ЭП могут одновременно проводиться на нескольких глубинах, причем каждый почвенный датчик вводится в почву с уникальным составом.EC measurements can be taken simultaneously at multiple depths, with each soil sensor injected into the soil with a unique composition.

Измерения ЭП могут проводиться непрерывно или через фиксированные интервалы времени.EP measurements can be carried out continuously or at fixed time intervals.

Измерения ЭП могут проводиться в широком диапазоне от 20 микросименсов до 20 000 микросименсов.EC measurements can be carried out in a wide range from 20 microsiemens to 20,000 microsiemens.

Датчики и цепь щупа являются термокомпенсированными, как в отношении функций измерения содержания влаги, так и в отношении функции измерения ЭП.The probes and probe circuit are thermally compensated for both the moisture content measurement functions and the EC measurement function.

Хотя настоящее изобретение описано в привязке к некоторым из предпочтительных вариантов своего осуществления, следует отметить, что раскрытые варианты осуществления носят иллюстративный, а не ограничительный характер и что в предшествующем описании предполагается множество изменений, модификаций, отклонений и замен; а в определенных случаях некоторые признаки заявленного изобретения могут быть использованы без соответствующего использования других признаков. После ознакомления с предшествующим описанием предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения специалисты в данной области техники могут посчитать многие такие изменения и модификации очевидными и целесообразными. Соответственно, будет уместно рассматривать прилагаемую формулу в широком смысле и в соответствии с объемом настоящего изобретения.While the present invention has been described in connection with some of its preferred embodiments, it should be noted that the disclosed embodiments are illustrative and not restrictive, and that the foregoing description is intended to include many changes, modifications, omissions, and substitutions; and in certain cases, some features of the claimed invention may be used without the corresponding use of other features. Upon reading the foregoing description of the preferred embodiments of the present invention, those skilled in the art may find many such changes and modifications obvious and appropriate. Accordingly, it will be appropriate to consider the appended claims in a broad sense and in accordance with the scope of the present invention.

Claims

CLAIM

1. Sensor probe for direct measurement of electrical conductivity (EC) of the medium, containing:

a tube with an outer wall and an inner wall, the tube being made of a non-metallic material;

EP board mounted on the tube;

microprocessor installed on the EP board;

a plurality of high frequency (HF) transformers each containing a primary winding and a secondary winding;

wherein each primary winding comprises a sleeve located on the outer surface of the outer wall of the tube for direct contact with the medium, and each sleeve defines two longitudinal slots, one on each of the opposite sides of the tube, with each slot extending in the longitudinal direction along a part of the length of the corresponding sleeve , and each sleeve is magnetically connected to the secondary winding of the corresponding RF transformer;

in this case, each secondary winding is located within the inner wall on the same axis with the grooves of the corresponding sleeve and is electrically connected to the EA board;

wherein each secondary winding is configured to sense load changes in the primary winding;

- 5 040017 a plurality of temperature sensors mounted on the tube and placed between the inner wall and the outer wall of the tube, with each temperature sensor located next to the corresponding sleeve and electrically connected to the microprocessor; and a plurality of hygrometers mounted on the tube and placed between the inner wall and the outer wall of the tube, each hygrometer located adjacent to a respective sleeve and electrically connected to the microprocessor.

2. The probe according to claim 1, further comprising a radio device associated with the microprocessor for receiving signals from the microprocessor and for transmitting signals.

3. The stylus of claim 1, wherein the non-metallic material is polyvinyl chloride (PVC).

4. The probe according to claim 1, in which the EA board uses a thermally compensated circuit of automatic phase control of the frequency (PLL) to measure the values of the EF of the environment.

5. The probe according to claim 1, in which the soil is the medium.

6. The probe according to claim 1, in which the RF transformer is configured to operate at a frequency of 4 MHz.

7. The stylus of claim 1, wherein the non-metallic material is plastic.

8. The stylus according to claim 1, wherein each sleeve is made of stainless steel.

9. Sensor probe for direct measurement of electrical conductivity (EC) of the medium, containing:

a tube with an outer wall and an inner wall, wherein the tube is made of a non-metallic material and is divided into one or more tube sections;

an EP board mounted on the first end of the tube;

microprocessor installed on the EP board;

where each tube section contains:

a high frequency (HF) transformer comprising a primary winding and a secondary winding;

moreover, the primary winding contains a sleeve located on the outer surface of the outer wall of the tube for direct contact with the medium, and the sleeve defines two longitudinal grooves on each of the opposite sides of the tube, with each groove extending in the longitudinal direction along a part of the length of the corresponding sleeve, each sleeve magnetically connected to the secondary winding of the corresponding HF transformer and electrically grounded;

while the secondary winding is located within the inner wall on the same axis with the grooves of the corresponding sleeve, electrically connected to the EA board and configured to read changes in the load of the primary winding;

a temperature sensor mounted on the tube and placed between the inner wall and the outer wall of the tube, and the temperature sensor is located near the sleeve and electrically connected to the microprocessor; and a hygrometer mounted on the tube and placed between the inner wall and the outer wall of the tube, the hygrometer being adjacent to the sleeve and electrically connected to the microprocessor.

10. The probe according to claim 9, further comprising a radio device associated with the microprocessor for receiving signals from the microprocessor and for transmitting signals.

11. The probe of claim 9, wherein the non-metallic material is polyvinyl chloride (PVC).

12. The probe according to claim 9, in which the EA board uses a temperature-compensated phase-locked loop (PLL) circuit to measure the values of the EF of the medium.

13. The probe according to claim 9, in which the soil is the medium.

14. The probe according to claim 9, in which the RF transformer is configured to operate at a frequency of 4 MHz.

15. The stylus of claim 9, wherein the non-metallic material is plastic.

16. A stylus according to claim 9, wherein each sleeve is made of stainless steel.