PL224934B1 - Sonda TDR do pomiaru dyspersji dielektrycznej ośrodka, zwłaszcza gleby - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sonda TDR do pomiaru parametrów dyspersji dielektrycznej ośrodka, zwłaszcza gleby.

Dyspersja dielektryczna występuje w przypadku polaryzacji ośrodka zmiennym polem elektrycznym, kiedy kierunek wektora polaryzacji cząsteczek ośrodka nie jest zgodny z kierunkiem wektora zewnętrznego pola elektrycznego. Polaryzacja ośrodka jest opóźniona względem zewnętrznego pola elektrycznego, a opóźnienie to zależy od częstotliwości pola. W związku z tym własności dielektryczne ośrodka w ogólności zależą od częstotliwości pola elektrycznego i opisywane są widmem zespolonej przenikalności elektrycznej.

Gleba jest trójfazowym ośrodkiem porowatym - oprócz fazy stałej (minerały ilaste, piasek, pyły) występuje w niej faza ciekła, tzw. woda glebowa oraz powietrze glebowe, które w przeważającej części jest w 99-100% nasycone parą wodną. W wodzie glebowej rozpuszczone są sole mineralne i różnorodne związki organiczne. Oprócz wody swobodnej, wypełniającej pory, występuje również woda związana, której cząsteczki związane są siłami oddziaływań m iędzycząsteczkowych z cząstkami fazy stałej gleby.

Technika TDR, czyli reflektometria w dziedzinie czasu wykorzystuje pomiar czasu pomiędzy poszczególnymi odbiciami sygnału w sondzie umieszczonej w badanym materiale, przeprowadzana jest analiza reflektogramu z której wyznaczany jest czas propagacji sygnału w materiale. Znając czas propagacji impulsu elektromagnetycznego w glebie, wyznacza się prędkość propagacji v z której wyznaczana jest tzw. pozorna przenikalność elektryczna a na jej podstawie uzyskuje się poszukiwaną wilgotność objętościową 0_TDR.

Widmo impulsu elektrycznego generowanego w urządzeniach pracujących w oparciu o technikę TDR mieści się głównie w zakresie częstotliwości mikrofalowych. Istotą techniki TDR jest to, że wyznaczana z pomiarów charakterystyka kalibracji czasu propagacji od wilgotności objętościowej t=f(0) jest podobna dla gleb o zbliżonym składzie granulometrycznym, zawartości substancji organicznej i gęstości. Charakterystyka ta nie zależy od elektrycznej konduktywności gleby (zasolenia) w zakresie wartości, które mogą zakłócać rozwój roślin (poniżej 4 dS/m). Zmienność wskazanych parametrów gleby modyfikuje charakterystykę t=f(0). Istotną rolę odgrywa w tym przypadku woda związana, która modyfikuje parametry dyspersji dielektrycznej gleby, a w konsekwencji charakterystykę t=f(6).

Z badań naukowych wynika, że materiały porowate występujące w przyrodzie posiadają zróżnicowane parametry dyspersji dielektrycznej, tzn. wartość zespolonej przenikalności elektrycznej s*_r zależna jest od częstotliwości f zadawanego sygnału elektrycznego w różny sposób. Zespolona przenikalność elektryczna s*_r opisuje energię zmagazynowaną oraz straty energii. Część rzeczywista s’_r zespolonej przenikalności elektrycznej s*_r odnosi się do energii zmagazynowanej - zjawisko polaryzacji elektrycznej, natomiast część urojona - do strat energii.

ε_Γ-ε_Γ ε_{Γ e lax} + θ ^J gdzie:

s*_r - zespolona przenikalność elektryczna;

s'_r - część rzeczywista; ^_lax i — składowe części urojonej, a_dc - konduktywność elek2π/ε₀ tryczna, f - częstotliwość sygnału elektrycznego, ε₀ - przenikalność elektryczna próżni; j = V - 1 - jednostka urojona.

Straty energii związane są z dwoma zjawiskami. Pierwsze zjawisko - relaksacji orientacyjnej, opisywane składową , wynika z faktu, że cząsteczki o właściwościach polarnych wymagają określonej ilości energii, by ustawić się zgodnie ze zmieniającym się kierunkiem pola elektormagnetycznego. Na zjawisko to może wpływać ograniczona ruchliwość cząsteczek wody przy powierzchni, co jest szczególnie wyraźnie zauważalne w przypadku gleb o dużej zawartości cząstek ilastych, które charakteryzują się dużą powierzchnią właściwą. Zjawisko relaksacji wywołuje przesunięcie fazowe pomiędzy przyłożoną chwilową wartością pola elektrycznego a reakcją polaryzacji materiału ośrodka. Ze względu na skończoną wartość bezwładności cząsteczek przesunięcie fazowe jest funkcją częstotliwości przyłożonego sygnału. Druga składowa stratności wynika z konduktywności . Wpływ na nią ma przewodnictwo powierzchniowe cząstek fazy stałej, jak również przewodnictwo jonowe fazy ciekłej.

PL 224 934 B1

Parametry dyspersyjne ośrodka mają wpływ na parametry amplitudowo-czasowe odbicia od końca prętów falowodu sondy TDR. Z analizy reflektogramu, czyli przebiegu w czasie odbić sygnału impulsowego, dostarczonego w wyniku pomiaru urządzeniem reflektometrycznym, wyznaczany jest czas propagacji sygnału w falowodzie sondy TDR, a następnie wilgotność badanego materiału. Z tego samego reflektogramu przy użyciu analizy fourierowskiej dla zakresu częstotliwości widma impulsu TDR możliwe jest otrzymanie widma zespolonej przenikalności elektrycznej. Z reflektogramu można odczytać dodatkowe informacje o zmianie czasu narastania zbocza sygnału skokowego TDR. Z wykresów przebiegu szpilkowego impulsu elektromagnetycznego można określić jego szerokość połówkową. Z badań symulacyjnych (prowadzonych metodą numeryczną FDTD ang. Finite Difference Time Domain) wynika, że konduktywność badanego materiału w bardzo niewielkim stopniu wpływa na powyższe parametry, zmniejszając jedynie amplitudę sygnału odbitego. W związku z tym możliwe jest selektywne określenie przenikalności elektrycznej, czasu relaksacji (jednego z parametrów opisujących dyspersję dielektryczną), oraz konduktywności na postawie pomiaru parametrów takich jak:

- amplituda,

- czas narastania lub szerokość połówkowa oraz

- czas odbicia od końca prętów sondy.

Aby taki pomiar wykonać, konieczne jest zapewnienie krótko- i długoterminowej stabilności kształtu i amplitudy impulsu. W przypadku klasycznych generatorów impulsu skokowego czy szpilkowego jest to praktycznie nieosiągalne. Związane jest to ze starzeniem się elementów elektronicznych generatora oraz wpływem czynników zewnętrznych takich jak temperatura, szumy, niestabilność napięcia zasilania itp. Jednym z rozwiązań jest zastosowanie w pomiarach wektorowego analizatora sieci z opcją TDR, która na drodze transformacji matematycznych umożliwia kształtowanie impulsu, zapewniając w ten sposób wysoką stabilność. Takie rozwiązanie nie zapewnia jednak wyeliminowania wpływu kabla transmisyjnego sondy, którego parametry podobnie jak parametry generatora są zmienne w czasie.

Celem wynalazku jest opracowanie sondy TDR do wyznaczania parametrów dyspersji dielektrycznej ośrodka, to jest przenikalności elektrycznej, czasu relaksacji, oraz konduktywności na postawie pomiaru amplitudy, czasu narastania lub szerokości połówkowej oraz czasu odbicia impulsu od końca prętów sondy. Konstrukcja sondy powinna prowadzić do eliminacji niekorzystnych zjawisk destabilizujących pomiar, takich jak wpływ temperatury, szumy, czy niestabilność napięcia zasilania.

Istota sondy TDR według wynalazku, zawierającej kabel transmisyjny oraz dwa falowody, polega na tym, że zbudowana jest ona z dwóch sond utworzonych z odrębnych falowodów o różnych długościach oraz wspólnego środkowego pręta potencjału masy i posiada wbudowany symetryczny układ, w postaci podwójnej diody PIN, przełączający sygnał do tych falowodów. Dodatkowo zastosowane w układzie kondensatory i dławiki są sparowane również pod względem parametrów pasożytniczych.

Znając różnicę długości prętów sond, z porównania parametrów sygnałów od nich odbitych, można wnioskować wszystkie istotne parametry elektryczne sygnału TDR, takie jak: amplituda, czas narastania lub szerokość połówkowa oraz czas odbicia od końca prętów sondy, niezależnie od zmian parametrów sygnału dostarczanego przez miernik TDR w czasie jego pracy.

Taka konstrukcja układu pozwala na zasilanie obu falowodów tym samym kablem transmisyjnym. Sonda wymaga zapewnienia jednakowej wartości bezwzględnej napięcia sterującego składowej stałej względem masy dla przęłączania obu falowodów. Generowany sygnał, docierający raz do jednej, raz do drugiej sondy, posiada wtedy identyczne parametry amplitudowo-czasowe na wejściach obu falowodów. Sonda może zostać podłączona do dowolnego miernika TDR z możliwością sterowania składową stałą sygnału. W układzie sondy zachowana jest symetria. Zastosowana dioda PIN pozwala wykonywać pomiary różnicowe i w ten sposób uniknąć zniekształceń i tłumienia sygnału wprowadzanego przez kabel.

Sonda TDR według wynalazku pozwala uzyskać dokładne pomiary wilgotności gleby przez opracowanie uniwersalnej charakterystyki wilgotności w funkcji przenikalności elektrycznej niezależnej od typu gleby, uwzględniającej efekt elektrycznej dyspersji częstotliwościowej wprowadzanej przez frakcję ilastą gleby. Konstrukcja sondy umożliwia również badania naukowe dotyczące występowania wody związanej, prowadzone w pomiarach polowych. Możliwy jest ponadto pomiar stopnia zagęszczenia gleby w zmiennych warunkach wilgotności i temperatury gleby (sonda może służyć jako czujnik stabilności gruntów), pomiar migracji zanieczyszczeń w glebie (ścieki, węglowodory, osady), czy też pomiary zmian porowatości gleby związanej z jej cyklem zamarzania i rozmarzania (własności

PL 224 934 B1 mechaniczne). Sonda TDR pozwala także na rozpoznawanie typu gleby związanego z jej składem mineralnym i granulometrycznym. Jednocześnie istotne jest, że badania odbywają się w sposób nieskomplikowany, bez konieczności prowadzenia ich w laboratoriach, a wyniki uzyskiwane są szybko.

Sonda TDR według wynalazku może również służyć do oceny właściwości dielektrycznych innych materiałów niż gleba, w szczególności materiałów ciekłych i granularnych o znacznej dyspersji dielektrycznej oraz materiałów niejednorodnych o skomplikowanej strukturze, w tym materiałów pochodzenia biologicznego, np. żywności.

Sonda TDR według wynalazku przedstawiona jest w przykładzie wykonania na rysunku przedstawiającym jej schemat elektryczny.

Przykład wykonania

Sonda TDR do pomiaru elektrycznych parametrów dyspersyjnych ośrodka, zwłaszcza gleby, zbudowana jest z dwóch sond utworzonych z odrębnych falowodów 1 i 2 o długościach wynoszących l1 = 7 cm i l2=12 cm, oraz wspólnego środkowego pręta potencjału masy GND z wbudowanym symetrycznym układem, w postaci podwójnej diody PIN 3 - HSMP386C, przełączającym sygnał do tych falowodów 1, 2. Sygnał doprowadzony kablem transmisyjnym do diody PIN 3 dociera poprzez złącze SMA. Zastosowane kondensatory C1 i C2, każdy o pojemności 470 pF, a także dławiki ferrytowe L1 i L2, zastosowano dławiki o symbolu FBMH1608HM102-T (TAIYO YUDEN), są ze sobą sparowane także pod względem parametrów pasożytniczych. Składowa napięcia polaryzującego diody PIN 3 przełącza sygnał impulsowy raz na falowód 1 (składowa dodatnia powyżej 1 V) lub na falowód 1 (składowa ujemna poniżej - 1 V). Wartość bezwzględna napięcia składowej stałej względem masy GND dla obu falowodów jest stała. Sonda jest podłączona do miernika TDR z możliwością sterowania składową stałą sygnału.

Claims (1)

1. Sonda TDR do pomiaru parametrów dyspersyjnych ośrodka, zwłaszcza gleby, zawierająca kabel transmisyjny oraz dwa falowody, znamienna tym, że zbudowana jest z dwóch sond utworzonych z odrębnych falowodów (1, 2) o różnych długościach (l₁, I₂) oraz wspólnego środkowego pręta potencjału masy z wbudowanym symetrycznym układem, w postaci podwójnej diody PIN (3), przełączaj ącym sygnał do tych falowodów (1,2), a zastosowane kondensatory C1 i C2 a także dławiki L1 i L2 są ze sobą sparowane.