PT103909A - SOIL PROPERTIES MEASUREMENT SYSTEM - Google Patents
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Abstract
O PRESENTE INVENTO DIZ RESPEITO A UM SISTEMA DE MEDIÇÃO DE DIVERSAS PROPRIEDADES DO SOLO TAIS COMO PROPRIEDADES TÉRMICAS, CONDUTIVIDADE ELÉCTRICA, TEOR DE ÁGUA E FLUXO DE ÁGUA. É ESSENCIALMENTE CARACTERIZADO POR SER COMPOSTO POR: UMA SONDA MULTIFUNCIONAL CUJO PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO SE BASEIA NO IMPULSO DE CALOR À ZONA DAS RAÍZES DE PLANTAS SONDA ESSA QUE É FORMADA POR SEIS TUBOS DE AÇO INOXIDÁVEL QUE ALBERGAM NUM PRIMEIRO TUBO UM ELEMENTO AQUECEDOR E EM OUTROS QUATRO SENSORES DE TEMPERATURA; UM CONJUNTO DE CIRCUITOS INTEGRADOS QUE PERMITE O CONTROLO, AQUISIÇÃO E PROCESSAMENTO DE DADOS RECOLHIDOS NA REFERIDA SONDA, CONJUNTO ESSE QUE SE ENCONTRA INSERIDO NA REFERIDA SONDA; E UM MICROCONTROLADOR TAMBÉM INCLUÍDO NA REFERIDA SONDA.The present invention relates to a system for measuring various soil properties such as thermal properties, electrical conductivity, water content and water flow. IT IS ESSENTIALLY CHARACTERIZED TO BE COMPOSED OF: A MULTIFUNCTIONAL PROBE WHICH PRINCIPLE OF OPERATION IS BASED ON THE HEAT IMPULSE TO THE AREA OF PLANT ROOTS THAT IS WHICH IS FORMED BY SIX STAINLESS STEEL PIPES WHICH HOLD IN A FIRST TUBE A HEATING ELEMENT AND OTHERS FOUR TEMPERATURE SENSORS; A SET OF INTEGRATED CIRCUITS THAT ALLOWS THE CONTROL, ACQUISITION AND PROCESSING OF THE DATA COLLECTED IN THE REFERENCE PROBE, JOINT OF THE ONE THAT IS FOUND INSERTED IN THE REFERED PROBE; AND A MICROCONTROLLER ALSO INCLUDED IN THE REFERENCE PROBE.
Description
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DESCRIÇÃO "SISTEMA DE MEDIÇÃO DE PROPRIEDADES DO SOLO" O presente invento diz respeito a um sistema de medição de diversas propriedades do solo: propriedades térmicas, condutividade eléctrica, teor de água e fluxo de água. É essencialmente caracterizado por todos os componentes necessários ao controlo, à aquisição e ao processamento de dados de uma sonda multifunctional. Depois de processados os dados são mostrados num LCD (Liquid Crystal Display) ou enviados através de uma rede sem fios. Os referidos componentes compreenderem sensores de temperatura, actuador de aquecimento, circuitos de condicionamento e processamento de sinal, sistema de comunicação sem fios, sistema de produção e armazenamento de energia e electrónica de gestão.DESCRIPTION " SOIL PROPERTIES MEASUREMENT SYSTEM " The present invention relates to a system for measuring various soil properties: thermal properties, electrical conductivity, water content and water flow. It is essentially characterized by all the components necessary for the control, acquisition and processing of data from a multifunctional probe. Once processed, the data is displayed on an LCD (Liquid Crystal Display) or sent over a wireless network. Said components comprise temperature sensors, heating actuator, conditioning circuits and signal processing, wireless communication system, energy production and storage system and management electronics.
Domínio Técnico da Invenção A presente invenção consiste num sistema de medição das propriedades térmicas, condutividade eléctrica, teor de água e fluxo de água do solo, possibilitando o visionamento ou envio, através de uma rede sem fios, das medições. 2TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION The present invention consists of a system for measuring the thermal properties, electrical conductivity, water content and water flow of the soil, making it possible to view or send, through a wireless network, the measurements. 2
Sumário da invenção A presente invenção consiste num sistema de medição das propriedades térmicas, condutividade eléctrica, teor de água e fluxo de água do solo, possibilitando o visionamento ou envio, através de uma rede sem fios, das medições. É essencialmente caracterizado por todos os componentes necessários ao controlo, à aquisição e ao processamento de dados se encontrarem incluídos numa sonda multifunctional. Depois de processados, os dados são mostrados num LCD (Liquid Crystal Display) ou enviados através de uma rede sem fios. Os referidos componentes compreenderem sensores de temperatura, actuador de aquecimento, circuitos de condicionamento e processamento de sinal, sistema de comunicação sem fios, sistema de produção e armazenamento de energia e electrónica de gestão.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention consists of a system for measuring the thermal properties, electrical conductivity, water content and soil water flow, enabling the viewing or sending, through a wireless network, of the measurements. It is essentially characterized in that all components necessary for the control, acquisition and processing of data are included in a multifunctional probe. Once processed, the data is displayed on an LCD (Liquid Crystal Display) or sent over a wireless network. Said components comprise temperature sensors, heating actuator, conditioning circuits and signal processing, wireless communication system, energy production and storage system and management electronics.
Este novo sistema irá permitir a aplicação da sonda multifuncional, baseada no impulso de calor, à zona das raízes das plantas. Esta possibilidade irá dever-se ao facto deste invento permitir um funcionamento autónomo da sonda multifuncional que é composta por seis pequenos tubos de metal (figura 1). Um desses tubos é um elemento aquecedor, quatro desses tubos contém sensores de temperatura. 0 funcionamento autónomo da sonda multifuncional irá permitir a sua utilização no campo para, entre outros, 3 o controlo da irrigação. Este novo sistema permitirá, também, uma abordagem inovadora que mudará potenciais aplicações de monitorização na ecologia e na hidrologia do solo, pois o seu tamanho é relativamente pequeno e o sistema medirá simultaneamente múltiplas variáveis ambientais do solo, incluindo água, calor e fluxo de água e de nutrientes.This new system will allow the application of the multifunction probe, based on the heat impulse, to the zone of the roots of the plants. This possibility will be due to the fact that this invention allows an autonomous operation of the multifunctional probe which is composed of six small metal tubes (figure 1). One of these tubes is a heating element, four of these tubes contain temperature sensors. The autonomous operation of the multifunctional probe will allow its use in the field for, inter alia, irrigation control. This new system will also allow an innovative approach that will change potential monitoring applications in soil ecology and hydrology because its size is relatively small and the system will simultaneously measure multiple soil environmental variables including water, heat and water flow and nutrients.
Os processos e propriedades do solo são heterogéneos dependendo os seus valores das escalas de interesse espaciais e temporais. Devido à inerente heterogeneidade, as medições no solo são dependentes do volume medido. Normalmente, a caracterização hidrológica do solo requer mais do que um tipo de medição do solo. Quando mais do que uma variável ou parâmetro do solo é medido são usados múltiplos instrumentos cujos valores pertencem a diferentes locais e volumes. Assim sendo, instrumentos multifuncionais são essenciais de modo a minimizar os efeitos da heterogeneidade do solo e tornar mais precisas as medições hidrológicas do mesmo.Soil processes and properties are heterogeneous depending on their values of spatial and temporal interest scales. Due to inherent heterogeneity, soil measurements are dependent on the measured volume. Normally, the hydrologic characterization of the soil requires more than one type of soil measurement. When more than one variable or soil parameter is measured, multiple instruments are used whose values belong to different locations and volumes. Therefore, multifunctional instruments are essential in order to minimize the effects of soil heterogeneity and to make accurate hydrological measurements of soil.
Antecedentes da InvençãoBackground of the Invention
No campo da irrigação é necessário assegurar que a água é correctamente controlada e fornecida à vegetação. Assim, para uma gestão eficiente a curto e a longo prazo é necessária a utilização de sensores de teor de água no solo fiáveis e de boa precisão. É também necessário saber, junto das raízes da vegetação, não só a ausência ou excesso de 4 água mas, também, o conteúdo e movimento de agentes químicos (ex: fertilizante) que contribuem para a poluição das águas. Hoje em dia existem um grande número de sensores de teor de água no solo, baseados em diversas técnicas que se podem agrupar da seguinte forma: Técnicas Nucleares. Neste grupo situam-se os sensores baseados em bombardeamento de neutrões, atenuação dos raios Gama e ressonância magnética nuclear. As patentes US4992667 e US5594250 são exemplos da utilização destas técnicas. Este tipo de sensores, embora bastante rápidos e precisos, requerem uma distância mínima da superfície o que inviabiliza uma pequena amostragem espacial (ex: próximo das raízes da vegetação). Outra desvantagem é o elevado preço deste tipo de equipamentos que tornam quase impraticável o seu uso na agricultura, bem como o facto de serem radioactivas o que requer especial cuidado no manuseamento. Técnicas Electromagnéticas. Neste grupo situam-se os sensores:In the field of irrigation it is necessary to ensure that the water is properly controlled and supplied to the vegetation. Thus, for the efficient management in the short and long term, the use of reliable soil water content sensors is required. It is also necessary to know, not only the absence or excess of water, but also the content and movement of chemical agents (eg fertilizers) that contribute to water pollution. Nowadays there are a large number of soil water content sensors, based on several techniques that can be grouped as follows: Nuclear Techniques. In this group are located the sensors based on neutron bombardment, Gamma ray attenuation and nuclear magnetic resonance. U.S. Patents 4,926,267 and 5,559,450 are examples of the use of these techniques. This type of sensor, although very fast and precise, requires a minimum distance from the surface, which prevents a small spatial sampling (eg near the roots of the vegetation). Another disadvantage is the high price of this type of equipment that makes its use in agriculture almost impracticable, as well as the fact that it is radioactive, which requires special care in handling. Electromagnetic Techniques. In this group are located the sensors:
Resistivos/Condutivos. A patente US4796654 é um exemplo. Este tipo de sensores consiste na medição das propriedades resistivas/condutivas dos solos húmidos através de eléctrodos inseridos no solo e de um meio de determinar a resistência/condutância entre esses eléctrodos. A resistência/condutividade do solo é grandemente afectada pela salinidade e pela acidez 5 requerendo, assim, um método comparativo para calibrar o sensor para cada tipo de solo. Este tipo de sensores é difícil de instalar e manter;Resistive / Conductive. U.S. patent 4,796,654 is an example. This type of sensors consists of measuring the resistive / conductive properties of the wet soils through electrodes inserted in the soil and a means of determining the resistance / conductance between these electrodes. Soil resistance / conductivity is greatly affected by salinity and acidity 5, thus requiring a comparative method to calibrate the sensor for each type of soil. This type of sensors is difficult to install and maintain;
Capacitivos. As patentes W02007002994, US7170302B2 e US20070145984A1 são um exemplo. Consiste na medição da capacidade entre dois eléctrodos inseridos no solo, pois o teor de água no solo altera o valor da constante dieléctrica do solo. As medições, se feitas a uma baixa frequência, são grandemente afectadas pela condutividade do solo, embora possa ser um indicativo de salinidade ou nível de fertilizante presente no solo. Em frequências elevadas a impedância do solo é essencialmente capacitiva e derivada do teor de água no solo mas mantendo, contudo, uma dependência do tipo e temperatura do solo.Capacitive. Patents W02007002994, US7170302B2 and US20070145984A1 are one example. It consists of the measurement of the capacity between two electrodes inserted in the soil, because the water content in the soil changes the value of the dielectric constant of the soil. Measurements, if done at a low frequency, are greatly affected by soil conductivity, although it may be indicative of salinity or level of fertilizer present in the soil. At high frequencies the soil impedance is essentially capacitive and derived from the water content in the soil but maintaining, however, a dependence on soil type and temperature.
Reflectometria no domínio do tempo (TDR). As patentes US6657443, US5726578 e US4918375 são um exemplo. Este método consiste na determinação da constante dielétrica do meio e envolve a medição da propagação das ondas electromagnéticas. As constantes de propagação de ondas electromagnéticas no solo, como a velocidade e atenuação, dependem do teor de água no solo. Assim, a constante dieléctrica do solo pode ser determinada usando um instrumento TDR ligado a uma linha de transmissão colocada no solo constituindo um bom método para a determinação do seu conteúdo de água. Esta determinação de água no solo é, essencialmente, independente da textura, temperatura e teor de sais no solo. Até à data este é o método mais eficaz de 6 medir o teor de água no solo junto das raízes. Embora preciso, este método requer circuitos de custo elevado de modo a medir com precisão o atraso na linha de transmissão (na ordem dos GHz).Reflectometry in the time domain (TDR). US6657443, US5726578 and US4918375 are an example. This method consists of determining the dielectric constant of the medium and involves measuring the propagation of electromagnetic waves. The propagation constants of electromagnetic waves in the soil, such as velocity and attenuation, depend on the water content in the soil. Thus, the dielectric constant of the soil can be determined using a TDR instrument connected to a transmission line placed on the ground constituting a good method for the determination of its water content. This soil water determination is essentially independent of soil texture, temperature and salt content. To date this is the most effective method of measuring soil water content at the roots. Although accurate, this method requires high cost circuits in order to accurately measure the transmission line delay (on the order of GHz).
Microondas. A patente US7135871B1 é um exemplo. Consiste na transmissão de uma microonda através de um condutor inserido no solo. Este sinal irá sofrer um atraso em proporção à constante dieléctrica do solo envolvente.Microwave. US7135871B1 is an example. It consists of the transmission of a microwave through a conductor inserted in the ground. This signal will suffer a delay in proportion to the dielectric constant of the surrounding soil.
Apesar da existência de vários métodos para a medição do teor de água no solo, estes ou têm um custo elevado ou são de difícil manutenção. Embora na presente invenção se obtenha o teor de água no solo, também se obtém a condutividade eléctrica do solo, as propriedades térmicas do solo e o fluxo de água e nutrientes no solo, a um baixo custo e com transmissão de dados através de uma rede sem fios.Despite the existence of various methods for measuring soil water content, these are either costly or difficult to maintain. Although the water content in the soil is obtained in the present invention, the electrical conductivity of the soil, the thermal properties of the soil and the flow of water and nutrients in the soil are also obtained at a low cost and with data transmission through a network wireless.
Breve descrição dos desenhos A descrição que se segue baseia-se nos desenhos anexos que representam um modelo de realização preferido sem qualquer carácter limitativo em que: A figura 1 representa uma vista de uma sonda multifuncional e as variantes de arranjo dos tubos; A figura 2 e 3 representam esquematicamente unidades 7 de processamento central; e A figura 4 representa um gráfico da resposta da temperatura depois da aplicação de um impulso de calor com a duração de 8 s numa solução de agar.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The following description is based on the accompanying drawings which represent a preferred non-limiting embodiment in which: Figure 1 shows a view of a multifunctional probe and the arrangement variants of the tubes; Figures 2 and 3 schematically represent central processing units 7; and Figure 4 is a graph of the temperature response after the application of a 8-second heat pulse in an agar solution.
Descrição Geral da InvençãoGeneral Description of the Invention
Concretamente, o presente invento consiste num sistema composto por diversos circuitos integrados, interligados entre si, que permitem o controlo, a aquisição e o processamento de dados de uma sonda multifuncional. 0 sistema permite a medição das propriedades térmicas, condutividade eléctrica, teor de água e fluxo de água do solo.More specifically, the present invention consists of a system composed of a number of interconnected integrated circuits enabling the control, acquisition and processing of data from a multifunctional probe. The system allows the measurement of thermal properties, electrical conductivity, water content and soil water flow.
Medição das propriedades térmicas (C, κ e λ) e do conteúdo volumétrico de água no solo (Θ) A medição das propriedades térmicas do solo usando o método do impulso de calor é baseada na solução da equação da condução de calor de uma linha fonte de calor infinita num meio homogéneo e isotrópico que, inicialmente, está a uma temperatura uniforme. Para um impulso de calor com uma duração de t0 (s) , a solução para a variação da temperatura, ΔΤ (K) a uma distância r (m) da fonte de calor é dada por (de Vries, 1952): ΔΓ(γ,γ) b)~ElO]; pâraf>t<> (1) 8 onde q' é energia fornecida por unidade de comprimento do elemento aquecedor e por unidade de tempo (W m'1) , C e κ são a capacidade volumétrica de calor (J m~3 K"1) e a difusibilidade térmica (m2 s'1) , respectivamente, e -Ei (x) é a função integral exponencial de argumento x. A condutividade térmica do solo, λ (W m'1 K"1) , é obtida através do produto de C por κ. Para as medições r representa a distância entre o elemento aquecedor e o elemento sensor de temperatura. Uma vez determinado C através da equação (1) , o conteúdo volumétrico de água no solo, Θ (m3 m~3), pode ser determinado de (de Vries, 1963): C = pbcs- Cwê (2) assumindo que o valor do calor específico do ar pode ser ignorado e os valores do calor específico da fase sólida e da água estão disponíveis. Na equação (2), r denota a densidade do material (kg m"3) , c é o calor específico (J kg"1 K"1) , Cw=pwcw e os subscritos 'b', 's' e 'w' são, respectivamente, o solo, a fase sólida e a água.Measurement of the thermal properties (C, κ and λ) and the volumetric content of water in the soil (Θ) The measurement of the thermal properties of the soil using the heat impulse method is based on the solution of the heat conduction equation of a source line of infinite heat in a homogeneous and isotropic medium which initially is at a uniform temperature. For a heat impulse with a duration of t0 (s), the solution for the temperature change, ΔΤ (K) at a distance r (m) from the heat source is given by (de Vries, 1952): ΔΓ (γ , γ) b) -ElO]; pâraf > t < > (1) where q 'is the energy supplied per unit length of the heater element and per unit time (W m' 1), C and κ are the volumetric heat capacity (J m ~ 3 K & 1) and the diffusibility thermal (m2 s'1), respectively, and -Ei (x) is the exponential integral function of argument x. The thermal conductivity of the soil, λ (W m'1 K " 1), is obtained through the product of C by κ. For measurements r represents the distance between the heater element and the temperature sensing element. Once determined C through equation (1), the volumetric water content in the soil, Θ (m3 m ~ 3), can be determined from (De Vries, 1963): C = pbcs-Cwê (2) assuming that the value of specific air heat can be ignored and values of specific heat of the solid phase and water are available. In equation (2), r denotes the density of the material (kg m " 3), c is the specific heat (J kg " 1 K " 1), Cw = pwcw and the subscripts' b ',' s' and 'w 'are, respectively, the soil, the solid phase and the water.
Condutividade Eléctrica (ECb e EC„)Electrical Conductivity (ECb and EC)
Depois de calibração específica, usando soluções de solo com concentrações conhecidas, a condutividade eléctrica do meio, ECb, pode ser relacionada com a condutividade eléctrica de uma solução de solo, ECW. Rhoades et al. (1976) propuseram uma expressão para estimar 9 a condutividade eléctrica de uma solução de solo a partir de medições de Θ, •7-7· — ο.θ~ — bB "7” (3)After specific calibration, using soil solutions of known concentrations, the electrical conductivity of the medium, ECb, can be related to the electrical conductivity of a soil solution, ECW. Rhoades et al. (1976) proposed an expression to estimate 9 the electrical conductivity of a soil solution from measurements of Θ, • 7-7 · - ο.θ ~ - bB " 7 "(3)
onde, ECb (Ω^1) , é a condutividade eléctrica do meio, ECW (Ω-1) , é a condutividade eléctrica da solução de solo, e, ECS (Ω'1) , é a condutividade eléctrica da superfície do solo.where, ECb (Ω ^ 1), is the electrical conductivity of the medium, ECW (Ω-1), is the electrical conductivity of the soil solution, and, ECS (Ω'1), is the electrical conductivity of the soil surface.
Fluxo de água (Jv)Flow of water (Jv)
Através da medição da diferença nas respostas de temperatura entre o elemento sensor de temperatura superior (fig. 1, tubo 5) e inferior (fig.l, tubo 6) obtém-se informação adicional necessária para estimar a densidade de fluxo da água, <JW. Wang et al. (2002) propuseram a seguinte relação: /, * <4> onde os subscritos 'u' e 'd' indicam, respectivamente, as posições superior e inferior. O Sistema 0 sistema (figura 2 e 3) é composto por uma unidade de processamento central (microcontrolador) onde é executado um software responsável por todo o funcionamento do 10 sistema. À unidade de processamento central estão ligados conversores de sinal analógico para digital, condicionadores de sinal, conversores de sinal digital para analógico e um módulo de transmissão e recepção de dados por rádio frequência ou um mostrador de LCD e ligação série.By measuring the difference in temperature responses between the upper temperature sensing element (Fig. 1, Tube 5) and lower (Fig. 1, Tube 6) additional information is obtained to estimate the flow density of the water, <; JW. Wang et al. (2002) proposed the following relation: /, * < 4 > where the subscripts 'u' and 'd' indicate, respectively, the upper and lower positions. The System 0 system (Figure 2 and 3) is composed of a central processing unit (microcontroller) where software is run responsible for the entire operation of the system. The central processing unit connects analog to digital signal converters, signal conditioners, digital-to-analog signal converters and a radio frequency data transmission and reception module or a LCD display and serial connection.
Descrição Detalhada da Invenção 0 presente invento é composto por três partes: - uma sonda multifuncional cujo princípio de funcionamento baseia-se no impulso de calor à zona das raízes de plantas sonda essa que é formada por seis tubos de aço inoxidável que albergam num primeiro tubo um elemento aquecedor e em outros quatro sensores de temperatura, - um conjunto de circuitos integrados interligados entre si que permite o controlo, aquisição e processamento de dados recolhidos na referida sonda, conjunto esse que se encontram inseridos na referida sonda, e - um microcontrolador também incluído na referida sonda. A SondaDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention is composed of three parts: a multifunctional probe whose principle of operation is based on the heat pulse to the root zone of probe plants which is formed by six stainless steel tubes housing in a first tube a heater element and in another four temperature sensors, a set of interconnected integrated circuits that allows the control, acquisition and processing of data collected in said probe, which set is inserted in said probe, and - a microcontroller also included in said probe. The catheter
Os referidos tubos constituintes da sonda são de aço inoxidável e apresentam um diâmetro externo de a, sendo quatro desses tubos 1, 2, 3 e 4 de comprimento de b com b/a igual ou superior a 20, enquanto que os outros dois tubos 5 e 6 tem metade do comprimento, b/2. Por exemplo, a sonda pode ser composta por seis tubos de aço inoxidável com 1,27 11 mm de diâmetro externo e 0,84 mm de diâmetro interno. Quatro desses tubos (fig.l, tubos 1, 2, 3 e 4) têm 26 mm de comprimento exteriores à fixação, enquanto os outros dois (fig.l, tubos 5 e 6) têm metade do comprimento, 13 mm. Os referidos tubos podem-se dispor no interior da sonda através de um arranjo em "Quadrado" e em arranjo de "Wenner". 0 elemento aquecedor (fig.l, tubo 3) é construído através da introdução de um fio fino de elevada resistividade de modo a obter uma energia por unidade de comprimento igual ou superior a 100 J/m. Por exemplo, apresenta um diâmetro de 7 9 μιη de diâmetro, e uma resistência de 2 05 Qm'1 de modo a obter uma resistência de, aproximadamente, 30 Ω.Said tubes forming the probe are of stainless steel and have an external diameter of α, four of these tubes 1, 2, 3 and 4 of length of b with b / a equal to or greater than 20, while the other two tubes 5 and 6 is half the length, b / 2. For example, the probe may be composed of six stainless steel tubes with 1.27 mm outside diameter and 0.84 mm internal diameter. Four of these tubes (fig. 1, tubes 1, 2, 3 and 4) are 26 mm in length external to the fixture, while the other two (fig. 1, tubes 5 and 6) are half the length, 13 mm. Said tubes may be disposed within the probe through an arrangement in " Square " and in the " Wenner " arrangement. The heater element (FIG. 1, Tube 3) is constructed by introducing a high resistivity fine wire to obtain an energy per unit length of 100 J / m or more. For example, it has a diameter of 79 μm in diameter, and a resistance of 20 μm -1 in order to obtain a resistance of approximately 30 Ω.
Os tubos sensores de temperatura (fig.l, tubos 2, 4, 5 e 6) são construídos através da colocação de um termístor (0,46 mm de diâmetro, 10 k Ω a 25 °C e 0,004 °C de precisão medida a 20 °C) no centro dos tubos. Para o arranjo de Wenner (fig.l, 1, 2, 3 e 4) são ligados os tubos 1 e 4 para injecção de corrente e a diferença de tensão é lida nos tubos 2 e 3. Para o arranjo em Quadrado a injecção de corrente é feita nos tubos 2 e 5, e para leitura da diferença de tensão são utilizados os tubos 4 e 6. Para a condutividade eléctrica, tanto para o arranjo de Weener como para o arranjo Quadrado, os eléctrodos são os próprios tubos, pois são de metal (aço inoxidável). 12Temperature sensor tubes (Fig. 1, Tubes 2, 4, 5 and 6) are constructed by placing a thermistor (0.46 mm diameter, 10 kΩ at 25 ° C and 0.004 ° C measured accuracy at 20 ° C) in the center of the tubes. For the Wenner arrangement (fig.1, 1, 2, 3 and 4) the tubes 1 and 4 are connected for current injection and the voltage difference is read in the tubes 2 and 3. For the Squared arrangement the injection of current is made in tubes 2 and 5, and for reading the voltage difference, pipes 4 and 6 are used. For electrical conductivity, both for the Weener arrangement and for the Square arrangement, the electrodes are the tubes themselves, since they are of metal (stainless steel). 12
Todos os tubos foram preenchidos com cola epóxica de elevada condutividade térmica e excelente isolamento eléctrico. Todos os tubos são fixados num disco de PVC, pré-furado, com 22 mm de diâmetro e 8 mm de espessura. A separação entre todos os tubos é de 6 mm. O Sistema Electrónico 0 sistema de controlo, aquisição e processamento de dados é composto por diversos circuitos integrados que executam as funções de aquisição da temperatura, aquisição da condutividade eléctrica, controlo do impulso de calor, processamento e envio da informação por rádio frequência (fig. 2) ou apresenta valores/gráficos num LCD (fig. 3).All tubes were filled with epoxy glue with high thermal conductivity and excellent electrical insulation. All tubes are fixed to a pre-punched PVC disc, 22 mm in diameter and 8 mm thick. The separation between all tubes is 6 mm. The Electronic System The data acquisition, control and control system consists of several integrated circuits that perform the functions of temperature acquisition, electrical conductivity acquisition, heat impulse control, processing and transmission of radio frequency information (Fig. 2) or displays values / graphics on an LCD (fig 3).
A aquisição da temperatura é feita através da ligação dos termíStores em meia-ponte a quatro conversores de sinal analógico para digital (conversores AD) sigma-delta (Σ-Δ). Para o efeito podem ser utilizados quatro conversores AD, um em cada circuito integrado ou os quatro num só circuito integrado com aquisição em simultâneo. A medição de resistência resistência dos termístores é através da equação de Steinhart- convertida Hart. em A aquisição da condutividade eléctrica é conseguida pela aplicação de uma corrente eléctrica nos eléctrodos externos (fig.l, tubos 1 e 4) na medição da diferença de tensão nos eléctrodos internos (fig.l, tubos 2 13 e 3) . A aplicação da corrente é feita através de um conversor de sinal digital para analógico (DAC) existente no microcontrolador. A medição da diferença de tensão é obtida através da ligação dos eléctrodos internos aos conversores AD do microcontrolador. A condutividade elêctrica também pode ser obtida através de um circuito integrado próprio para o efeito. O controlo do impulso de calor é conseguido através da habilitação de um conversor DC-DC cuja tensão de saída é programável (entre 5 V e 12 V) através de um conversor DAC do microcontrolador. A energia emitida (quantidade de calor acumulado, q') ê obtida pela medição da tensão numa resistência de precisão (1 Q, 0,01 % de tolerância). 0 tempo do impulso, t0, é controlado pelo temporizador do microcontrolador (usualmente 8 s).The temperature acquisition is done by connecting the half-bridge thermistors to four sigma-delta (Σ-Δ) analog-to-digital (AD converters) converters. For this purpose, four AD converters can be used, one on each integrated circuit or the four on a single integrated circuit with simultaneous acquisition. The resistance resistance measurement of the thermistors is through the Steinhart-converted Hart equation. The acquisition of electrical conductivity is achieved by the application of an electric current to the external electrodes (Fig. 1, Tubes 1 and 4) in measuring the voltage difference at the internal electrodes (Fig. 1, Tubes 2 and 3). The current is applied through a digital-to-analog converter (DAC) on the microcontroller. The voltage difference measurement is obtained by connecting the internal electrodes to the AD converters of the microcontroller. The electrical conductivity can also be obtained through an integrated circuit for this purpose. Control of the heat impulse is achieved by enabling a DC-DC converter whose output voltage is programmable (between 5 V and 12 V) through a DAC converter of the microcontroller. The emitted energy (amount of accumulated heat, q ') is obtained by measuring the voltage at a precision resistance (1 Q, 0.01% tolerance). The pulse time, t0, is controlled by the microcontroller timer (usually 8 s).
Todo processo é controlado através de um programa elaborado para o microcontrolador. 0 programa é responsável: pela leitura da condutividade elêctrica do solo, através da equação (3); aplicação do impulso de calor (tempo, t0, e energia, q', configuráveis); leitura do valor de resistência dos termístores e posterior conversão em temperatura (tempo de amostragem e tempo total de aquisição configuráveis); cálculo das propriedades térmicas (C, κ e λ) , através da equação (1) , e do conteúdo volumétrico de água no solo (Θ) através da equação (2) - ver figura 4; cálculo do fluxo de água através da equação (4); envio dos dados, quando solicitado, por rádio frequência (fig. 2) ou 14 apresentar valores/gráficos num LCD (fig. 3).Every process is controlled through a program developed for the microcontroller. The program is responsible for: reading the soil electrical conductivity through equation (3); application of the heat impulse (time, t0, and energy, q ', configurable); reading the resistance value of the thermistors and subsequent conversion to temperature (sampling time and configurable total acquisition time); (1), and the volumetric content of water in the soil (Θ) through equation (2) - see figure 4; calculation of water flow through equation (4); (see Figure 2) or 14 to display values / graphics on an LCD (Figure 3).
Lisboa, 28 de Março de 2008Lisbon, March 28, 2008
LUIS SILVA CARVALHO Agente Oficial de Ptapried*de Industrial RUA VICTOR CORDON, 14 1200 LISBOALUIS SILVA CARVALHO Official Agent of Ptapried * of Industrial RUA VICTOR CORDON, 14 1200 LISBOA
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