RU108845U1 - CONTACTLESS SOIL HUMIDITY METER - Google Patents
CONTACTLESS SOIL HUMIDITY METER Download PDFInfo
- Publication number
- RU108845U1 RU108845U1 RU2011114234/28U RU2011114234U RU108845U1 RU 108845 U1 RU108845 U1 RU 108845U1 RU 2011114234/28 U RU2011114234/28 U RU 2011114234/28U RU 2011114234 U RU2011114234 U RU 2011114234U RU 108845 U1 RU108845 U1 RU 108845U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- output
- soil
- meter
- input
- Prior art date
Links
Abstract
Бесконтактный измеритель влажности почвы, содержащий последовательно соединенные: генератор высокой частоты, цепь связи, резонансный измерительный контур с индуктивным элементом и амплитудный детектор, модулятор частоты, подключенный к управляющему входу генератора высокой частоты, и регистратор, отличающийся тем, что в состав измерителя дополнительно введены последовательно соединенные: дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, устройство выборки - хранения, вычислительное устройство и частотомер, выход которого подключен ко второму входу устройства выборки - хранения, при этом первый и второй выходы амплитудного детектора подключены соответственно к первому и второму входам дифференциального усилителя, выход генератора высокой частоты подключен соответственно к первому и второму входам дифференциального усилителя, выход генератора высокой частоты подключен также ко входу частотомера, а выход вычислительного устройства - ко входу регистратора, причем индуктивный элемент резонансного измерительного контура выполнен в виде круглой рамочной антенны, размещенной на поверхности почвы, радиус b которой выбран из условия h=1,25b, где h - толщина исследуемого слоя почвы, рамочная антенна подключена симметрично к выходу цепи связи и ко входу амплитудного детектора. A non-contact soil moisture meter containing in series connected: a high-frequency generator, a communication circuit, a resonant measuring circuit with an inductive element and an amplitude detector, a frequency modulator connected to the control input of the high-frequency generator, and a recorder, characterized in that the meter is additionally introduced in series connected: differential amplifier, analog-to-digital converter, sampling and storage device, computing device and frequency meter, output of which connected to the second input of the sampling and storage device, while the first and second outputs of the amplitude detector are connected respectively to the first and second inputs of the differential amplifier, the output of the high-frequency generator is connected respectively to the first and second inputs of the differential amplifier, the output of the high-frequency generator is also connected to the input a frequency meter, and the output of the computing device to the input of the recorder, and the inductive element of the resonant measuring circuit is made in the form of a round frame antenna located on the soil surface, the radius b of which is selected from the condition h = 1.25b, where h is the thickness of the soil layer under study, the loop antenna is connected symmetrically to the output of the communication circuit and to the input of the amplitude detector.
Description
Заявляемая полезная модель относится к технике измерения свойств материалов и сред, в частности влажности почвы, путем определения их электрических параметров, функционально связанных с измеряемыми и может быть использована в агрометеорологии, сельском хозяйстве, строительстве.The inventive utility model relates to techniques for measuring the properties of materials and media, in particular soil moisture, by determining their electrical parameters that are functionally related to the measured and can be used in agrometeorology, agriculture, construction.
Известен электрический датчик для измерения распределения влажности почвы по глубине [1], содержащий ряд вертикально расположенных конденсаторов, заглубленных в почву и схему измерения. Выбором геометрических размеров и формы конденсаторов, заглубленных в почву, обеспечивается локализация электрического поля в горизонтальной плоскости. Емкость конденсатора, включенного в измерительный контур, определяется диэлектрической проницаемостью почвы, а, следовательно, и ее влажностью. Подстройкой конденсатора в контуре гетеродина добиваются равенства резонансных частот обоих контуров, и по изменению емкости этого конденсатора определяют влажность почвы. Недостатком данного устройства является низкая точность измерения. Она обусловлена низкой добротностью измерительного контура из-за большого тангенса потерь вносимой емкости, а также нарушением естественной структуры почвы при заглублении датчика.Known electric sensor for measuring the distribution of soil moisture in depth [1], containing a number of vertically located capacitors buried in the soil and the measurement circuit. The choice of the geometric dimensions and shape of the capacitors buried in the soil ensures the localization of the electric field in the horizontal plane. The capacitance of the capacitor included in the measuring circuit is determined by the dielectric constant of the soil, and, consequently, its moisture content. By adjusting the capacitor in the local oscillator circuit, the resonance frequencies of both circuits are equal, and soil moisture is determined by changing the capacitance of this capacitor. The disadvantage of this device is the low accuracy of the measurement. It is due to the low quality factor of the measuring circuit due to the large loss tangent of the applied capacitance, as well as the violation of the natural soil structure when the sensor is buried.
Известен диэлькометрический измеритель [2], в котором обеспечивается независимость результатов измерения вносимой емкости от активных потерь в почве. Эта цель достигается путем регулировки двух фазосдвигающих цепей. Недостатком измерителя является сложность схемы обработки сигнала. Измеритель не обеспечивает вертикального профиля влажности почвы.Known dielcometric meter [2], which ensures the independence of the measurement results of the applied capacitance from active losses in the soil. This goal is achieved by adjusting the two phase-shifting circuits. The disadvantage of the meter is the complexity of the signal processing circuit. The meter does not provide a vertical profile of soil moisture.
Прототипом заявляемого устройства является измеритель влажности [3], содержащий СВЧ-генератор, цепь связи в виде направленного ответвителя, СВЧ-генератор, связанный с исследуемым материалом посредством электромагнитного поля, СВЧ-детектор и регистратор. Добротность резонатора определяется потерями, вносимыми со стороны исследуемого материала, зависящими от его влажности. Уровень сигнала на выходе СВЧ-детектора пропорционален добротности резонатора. С помощью модулятора частоты СВЧ-генератора и обработки выходного сигнала СВЧ-детектора обеспечивается независимость результата измерений от ряда неконтролируемых параметров: нестабильности мощности СВЧ-генератора и крутизны детекторной характеристики, непостоянства размещения СВЧ-резонатора над исследуемым материалом.The prototype of the claimed device is a moisture meter [3], containing a microwave generator, a communication circuit in the form of a directional coupler, a microwave generator connected to the material under study by means of an electromagnetic field, a microwave detector and a registrar. The quality factor of the resonator is determined by the losses introduced by the investigated material, depending on its moisture content. The signal level at the output of the microwave detector is proportional to the Q factor of the resonator. Using the frequency modulator of the microwave generator and processing the output signal of the microwave detector, the independence of the measurement result from a number of uncontrolled parameters is ensured: instability of the power of the microwave generator and the steepness of the detector characteristic, inconstancy of the placement of the microwave resonator over the material under study.
В прототипе зависимость между регистрируемой величиной-добротностью резонатора Q и влажностью материала, в частности, W имеет сложный многофакторный характер. Добротность резонатора непосредственно зависит от количества влаги, находящегося в исследуемом слое материала заданной толщины. В свою очередь, эффективная глубина проникновения СВЧ-поля в исследуемый материал зависит от его проводимости, а, следовательно, и влажности. Кроме того, измеряемое регистратором напряжение на СВЧ-резонаторе определяется, наряду с его добротностью, смещением резонансной частоты. Это смещение обусловлено вносимой реактивностью, которая также зависит от влажности материала. Наличие сложной зависимости Q(W) приводит к искажению принятой градуировки измерителя влажности при ее использовании в широком диапазоне значений влажности. Таким образом, недостатком прототипа является низкая точность измерения влажности материала, в частности почвы. Кроме того, измеритель влажности не обеспечивает определение вертикального профиля влажности почвы.In the prototype, the relationship between the recorded value-Q of the resonator Q and the moisture content of the material, in particular, W, has a complex multi-factor nature. The quality factor of the resonator directly depends on the amount of moisture in the studied material layer of a given thickness. In turn, the effective depth of penetration of the microwave field into the material under study depends on its conductivity, and, consequently, humidity. In addition, the voltage measured by the recorder on the microwave resonator is determined, along with its Q factor, the offset of the resonant frequency. This shift is due to the introduced reactivity, which also depends on the moisture content of the material. The presence of a complex dependence Q (W) leads to a distortion of the accepted calibration of the moisture meter when it is used in a wide range of humidity values. Thus, the disadvantage of the prototype is the low accuracy of measuring the moisture content of the material, in particular the soil. In addition, the moisture meter does not provide a determination of the vertical profile of soil moisture.
Целью заявляемой полезной модели является повышение точности измерения влажности почвы и определения вертикального профиля влажности.The purpose of the claimed utility model is to increase the accuracy of measuring soil moisture and determining the vertical moisture profile.
Суть предложения состоит в том, что в измеритель влажности, содержащий последовательно соединенные: генератор высокой частоты, цепь связи, резонансный измерительный контур, амплитудный детектор, модулятор частоты, подключенный к управляющему входу генератора высокой частоты, и регистратор, введены последовательно соединенные: дифференциальный усилитель, аналого-цифровой преобразователь, устройство выборки хранения и вычислительное устройство, частотомер, выход которого подключен ко второму входу устройства выборки хранения, при этом, первый и второй выходы амплитудного детектора подключены соответственно к первому и второму входам дифференциального усилителя, выход генератора высокой частоты подключен также ко входу частотомера, а выход вычислительного устройства - ко входу регистратора, причем индуктивный элемент резонансного измерительного контура выполнен в виде круглой многовитковой рамочной антенны, размещенной на поверхности почвы, радиус которой выбран из условия b=1,2h, где h - толщина исследуемого слоя почвы, рамочная антенна подключена симметрично к выходу цепи связи и ко входу амплитудного детектора.The essence of the proposal is that in a moisture meter containing serially connected: a high-frequency generator, a communication circuit, a resonant measuring circuit, an amplitude detector, a frequency modulator connected to the control input of the high-frequency generator, and a recorder, series-connected: a differential amplifier, an analog-to-digital converter, a storage sampling device and a computing device, a frequency meter, the output of which is connected to the second input of the storage sampling device, while m, the first and second outputs of the amplitude detector are connected respectively to the first and second inputs of the differential amplifier, the output of the high-frequency generator is also connected to the input of the frequency meter, and the output of the computing device is connected to the input of the recorder, and the inductive element of the resonant measuring circuit is made in the form of a circular multi-turn loop antenna placed on the soil surface, the radius of which is selected from the condition b = 1.2h, where h is the thickness of the studied soil layer, the loop antenna is connected symmetrically to the output row chain link and to an input of the amplitude detector.
Докажем существенность отличий предложенного технического решения от известных. В известных СВЧ-измерителях влажности, использующих взаимодействие в волновой зоне электромагнитного поля с исследуемым материалом, эффективная глубина проникновения поля в материал определяется его электрическими параметрами: проводимостью σ и относительной диэлектрической проницаемостью εr, а также рабочей частотой f:Let us prove the significance of the differences between the proposed technical solution and the known ones. In known microwave moisture meters that use interaction in the wave zone of an electromagnetic field with the material under study, the effective depth of penetration of the field into the material is determined by its electrical parameters: conductivity σ and relative permittivity ε r , as well as the operating frequency f:
где Δ - толщина скин-слоя, - тангенс угла диэлектрических потерь в материале, λ - рабочая длина волны. Параметр Δ характеризует эффективную глубину проникновения электромагнитного поля в материал, при которой амплитуда напряженности электрического поля уменьшается в е раз. Это взаимодействие приводит также к смещению резонансной частоты резонатора из-за вносимой реактивности.where Δ is the thickness of the skin layer, is the dielectric loss tangent in the material, λ is the working wavelength. The parameter Δ characterizes the effective depth of penetration of the electromagnetic field into the material at which the amplitude of the electric field decreases by a factor of e. This interaction also leads to a shift in the resonant frequency of the resonator due to the introduced reactivity.
Таким образом, зависимость между регистрируемым параметром-добротностью резонатора Q и влажностью материала W имеет сложный многофакторный характер. Во-первых, зависимость Q(W) определяется количеством влаги, находящейся в исследуемом слое материала заданной толщины. Во-вторых, сама толщина исследуемого слоя зависит от влажности через величины σ и εr формуле (1). В-третьих, смещение резонансной частоты СВЧ-резонатора влияет на результат измерения его добротности и также определяется влажностью материала. В результате, затрудняется градуировка измерителя в широком диапазоне влажностей, что приводит к ошибкам измерения.Thus, the relationship between the registered parameter, the Q factor of the resonator Q and the moisture content of the material W, has a complex multifactor character. Firstly, the dependence Q (W) is determined by the amount of moisture located in the studied layer of material of a given thickness. Secondly, the thickness of the studied layer itself depends on humidity through the values of σ and ε r formula (1). Thirdly, the shift of the resonant frequency of the microwave resonator affects the result of measuring its quality factor and is also determined by the moisture content of the material. As a result, it is difficult to calibrate the meter in a wide range of humidity, which leads to measurement errors.
Принципиальное отличие заявляемого бесконтактного измерителя влажности почвы заключается в том, что исследуемый материал-почва, находится в зоне индукции излучающей рамочной антенны. В этом случае, как показано в [4], эффективная глубина зондирования h почвы для частот ниже 30 МГц определяется только геометрией антенны, и практически не зависит от проводимости почвы и частоты генератора, но возрастает с высотой подвеса антенны, переходя в пределе в формулу (1). Соотношение h=1,25b справедливо до высоты подвеса рамочной антенны в 5 см., то есть для антенны расположенной практически на поверхности почвы с учетом ее неровностей. При такой высоте подвеса добротность рамочной антенны имеет стационарную точку, соответствующую ее минимуму, за счет действия двух противоположных факторов: вносимые потери уменьшаются с увеличением высоты подвеса антенны, но уменьшается и вносимая реактивность, что несколько увеличивает резонансную частоту контура, а с ней и вносимые активные потери. Эффективная глубина проникновения электрического поля в почву по уровню 90% рассеивания мощности ближнего поля антенны равна h=0,625d, где d=2b - диаметр антенны. Наличие единой зависимости h(d) и стационарность добротности антенного контура позволяют осуществить точную градуировку измерителя в широком диапазоне влажностей почвы. Кроме того, заявляемое устройство позволяет проводить измерение вертикального профиля влажностей почвы за счет использования рамочных антенн различного диаметра. В известных устройствах [1] для измерения вертикального профиля влажности требуется пробурить скважину в почве на заданную глубину.The fundamental difference between the inventive non-contact soil moisture meter is that the studied soil material is in the induction zone of the radiating frame antenna. In this case, as shown in [4], the effective depth of sounding h of the soil for frequencies below 30 MHz is determined only by the geometry of the antenna, and practically does not depend on the soil conductivity and frequency of the generator, but increases with the height of the antenna suspension, passing in the limit to the formula ( one). The ratio h = 1.25b is valid up to a suspension height of the frame antenna of 5 cm, that is, for an antenna located almost on the soil surface, taking into account its irregularities. At such a suspension height, the quality factor of the loop antenna has a stationary point corresponding to its minimum due to the action of two opposite factors: insertion loss decreases with increasing antenna suspension height, but the introduced reactance also decreases, which slightly increases the resonant frequency of the circuit, and with it the active losses. The effective penetration depth of the electric field into the soil at the level of 90% power dissipation of the near field of the antenna is h = 0.625d, where d = 2b is the diameter of the antenna. The presence of a single dependence h (d) and the stationary Q factor of the antenna circuit allow for accurate calibration of the meter in a wide range of soil moisture. In addition, the claimed device allows the measurement of the vertical profile of soil moisture through the use of frame antennas of various diameters. In known devices [1] for measuring the vertical moisture profile, it is required to drill a well in the soil to a predetermined depth.
Другое отличие заявляемого бесконтактного измерителя влажности почвы от прототипа заключается в использовании симметричного подключения рамочной антенны в измерительную цепь. Это позволяет минимизировать величину емкости вносимой в контур антенны. В процессе полевых испытаний вносимая емкость не превосходила 1 пФ. Смещение резонансной частоты контура под действием вносимой реактивности не влияет на результат определения добротности, поскольку измеряется как новая резонансная частота , так и ширина резонансной кривой Δf'. Добротность контура вычисляется по формуле Q=/2Δf'. В известных устройствах [5, 6] наличие вносимой емкости вызывает необходимость ее компенсации, а низкая добротность этой емкости приводит к дополнительным потерям в контуре и снижению точности измерений влажности почвы.Another difference of the claimed non-contact soil moisture meter from the prototype is the use of a symmetrical connection of the loop antenna in the measuring circuit. This minimizes the amount of capacitance introduced into the antenna loop. During field trials, the insertion capacity did not exceed 1 pF. The shift of the resonant frequency of the circuit under the influence of introduced reactivity does not affect the result of determining the quality factor, since it is measured as a new resonant frequency , and the width of the resonance curve Δf '. The quality factor of the circuit is calculated by the formula Q = / 2Δf '. In known devices [5, 6], the presence of the introduced capacity necessitates its compensation, and the low quality factor of this capacity leads to additional losses in the circuit and a decrease in the accuracy of measurements of soil moisture.
Работа бесконтактного измерителя влажности почвы поясняется следующими чертежами:The operation of a non-contact soil moisture meter is illustrated by the following drawings:
фиг.1, на которой изображена функциональная схема бесконтактного измерителя влажности почвы;figure 1, which shows a functional diagram of a non-contact soil moisture meter;
фиг.2, на которой изображена принципиальная электрическая схема аналоговой части бесконтактного измерителя влажности почвы;figure 2, which shows a circuit diagram of an analog part of a non-contact soil moisture meter;
фиг.3, на которой изображена эквивалентная схема резонансного измерительного контура.figure 3, which shows an equivalent circuit of a resonant measuring circuit.
Бесконтактный измеритель влажности почвы (фиг.1) содержит последовательно соединенные: генератор высокой частоты 1; цепь связи 2; резонансный измерительный контур 3 с индуктивным элементом в виде круглой рамочной антенны, размещенной на поверхности почвы, радиус b которой выбран из условия b=0,8h, где h - толщина исследуемого верхнего слоя почвы; амплитудный детектор 4; дифференциальный усилитель 5; аналого-цифровой преобразователь 6; устройство выборки-хранения 8; вычислительное устройство 9 и регистратор 10; модулятор частоты 11, выход которого подключен к управляемому выходу генератора 1 высокой частоты; и частотомер 7, выход которого подключен ко второму входу устройства выборки-хранения 8, при этом выход генератора 1 высокой частоты подключен также ко входу частотомера 7, рамочная антенна подключена симметрично к выходу цепи связи 2 и входу амплитудного детектора 4, выходы которого подключены симметрично ко входам дифференциального усилителя 5.Non-contact soil moisture meter (figure 1) contains series-connected: high-frequency generator 1; communication circuit 2; a resonant measuring circuit 3 with an inductive element in the form of a round loop antenna located on the soil surface, the radius b of which is selected from the condition b = 0.8h, where h is the thickness of the studied upper soil layer; amplitude detector 4; differential amplifier 5; analog-to-digital Converter 6; sampling-storage device 8; a computing device 9 and a recorder 10; a frequency modulator 11, the output of which is connected to the controlled output of the high-frequency generator 1; and a frequency meter 7, the output of which is connected to the second input of the sampling-storage device 8, while the output of the high-frequency generator 1 is also connected to the input of the frequency meter 7, the loop antenna is connected symmetrically to the output of the communication circuit 2 and the input of the amplitude detector 4, the outputs of which are connected symmetrically to differential amplifier inputs 5.
Бесконтактный измеритель влажности почвы работает следующим образом. Синусоидальное напряжение с генератора высокой частоты 1 через цепь связи 2 поступает на резонансный измерительный контур 3. В качестве цепи связи 2 использован трансформатор, два конденсатора С2 и С3 и два резистора R1 и R2 (фиг.2). Таким образом, обеспечивается симметричное питание измерительного контура 3 от генератора 1. Измерительный контур 3 работает вблизи выбранной резонансной частоты . Для обеспечения равенства резонансных частот контуров с рамочными антеннами различного радиуса использованы сменные высокодобротные конденсаторы С4. Для связи измерительного контура 3 с детектором 4 использованы емкости С5 и С6. Начальное значение добротности измерительного контура Q≥150.A non-contact soil moisture meter works as follows. The sinusoidal voltage from the high-frequency generator 1 through the communication circuit 2 is supplied to the resonant measuring circuit 3. As the communication circuit 2, a transformer, two capacitors C2 and C3 and two resistors R1 and R2 are used (FIG. 2). Thus, a symmetrical power supply of the measuring circuit 3 from the generator 1 is provided. The measuring circuit 3 operates near the selected resonant frequency . To ensure the equality of the resonant frequencies of the circuits with loop antennas of different radii, replaceable high-Q capacitors C4 are used. To connect the measuring circuit 3 with the detector 4, capacitances C5 and C6 were used. The initial value of the quality factor of the measuring circuit Q≥150.
При размещении измерительного контура 3 на поверхности почвы измеряются его резонансная частота и добротность. Для определения нового значения добротности проводится перестройка частоты генератора 1 в соответствии с управляющим сигналом модулятора частоты 11. Управляющее напряжение модулятора изменяет емкость варикапа C1, включенного в колебательный контур генератора 1. Указанная перестройка частоты генератора происходит в пределах, заведомо перекрывающих частотный диапазон , где - резонансная частота контура 3 над почвой с учетом вносимого активного и реактивного сопротивлений, - добротность антенны над почвой, 2Δf' - ширина резонансной кривой по уровню . При максимальной влажности почвы для антенны b=0,4 м сдвиг резонансной частоты составляет , а добротность Q'≥5. Требуемый диапазон перестройки частоты генератора составляет 17-22 МГц. В процессе перестройки частоты генератора 1 на входе устройства выборки - хранения 8 поступает в цифровой форме текущее значение частоты генератора 1 через частотомер 7 и соответствующего им значения выпрямленного детектором 4 напряжения на контуре 3 через дифференциальный усилитель 5 и аналоговый преобразователь 6. Дифференциальный усилитель 5 обеспечивает симметричное подключение амплитудного детектора по его выходу. В вычислительном устройстве 9 из полученного массива значений напряжения выбирается максимальное Umax и два значения напряжения . Соответствующие этим напряжениям значения частоты генератора 1 используются для вычисления эквивалентной добротности контура 3: Q'=/2Δf'. Эквивалентную добротность Q' измерительного контура 3 можно рассчитать с помощью его эквивалентной схемы (фиг.3) [7].When placing the measuring circuit 3 on the soil surface, its resonant frequency and quality factor are measured. To determine the new value of the quality factor the frequency of the generator 1 is tuned in accordance with the control signal of the frequency modulator 11. The control voltage of the modulator changes the capacitance of the varicap C1 included in the oscillatory circuit of the generator 1. The indicated frequency tuning of the generator occurs within a range that obviously covers the frequency range where - the resonant frequency of circuit 3 above the soil, taking into account the introduced active and reactive resistances, - the quality factor of the antenna above the soil, 2Δf 'is the width of the resonance curve in level . At maximum soil moisture for the antenna b = 0.4 m, the shift of the resonant frequency is , and the quality factor Q'≥5. The required frequency tuning range of the generator is 17-22 MHz. In the process of tuning the frequency of the generator 1 at the input of the sample-storage 8 device, the current value of the frequency of the generator 1 through a frequency meter 7 and the corresponding voltage rectified by the detector 4 on the circuit 3 through a differential amplifier 5 and an analog converter 6 is received in digital form. Differential amplifier 5 provides a symmetrical connecting an amplitude detector at its output. In the computing device 9, from the resulting array of voltage values, the maximum U max and two voltage values are selected . The frequencies of the generator 1 corresponding to these voltages are used to calculate the equivalent Q factor of circuit 3: Q '= / 2Δf '. The equivalent Q factor Q 'of the measuring circuit 3 can be calculated using its equivalent circuit (figure 3) [7].
где ρ - волновое сопротивление измерительного контура; RΣ - сопротивление излучения круглой рамки; Rf - омическое активное сопротивление антенного провода с учетом поверхностного эффекта и эффекта близости; Rp - вносимое сопротивление потерь в индуктивность антенного контура со стороны почвы; - приведенное значение сопротивления потерь вносимой емкости; Ri - сопротивление источника напряжения - цепи связи 2; Rd - сопротивление детектора 4 переменному току.where ρ is the wave impedance of the measuring circuit; R Σ is the radiation resistance of the round frame; R f - ohmic resistance of the antenna wire, taking into account the surface effect and the proximity effect; R p - insertion loss resistance in the inductance of the antenna circuit from the soil; - the reduced value of the resistance loss of the introduced capacitance; R i is the resistance of the voltage source - communication circuit 2; R d is the resistance of the detector 4 to alternating current.
Волновое сопротивление измерительного контура 3 определяется по формуле:The wave impedance of the measuring circuit 3 is determined by the formula:
где L0 - собственная индуктивность рамочной антенны; Lg - вносимая индуктивность со стороны почвы; С0 - собственная емкость рамочной антенны; С4 - настроечная высокодобротная емкость; Ср - вносимая емкость со стороны почвы.where L 0 is the inductance of the loop antenna; L g - introduced inductance from the soil; With 0 - own capacity of the loop antenna; C 4 - high-quality tuning tank; With p - the introduced capacity from the soil.
При изменении влажности почвы изменяются величины Rp, , RΣ, Lg, Cp. Начальная резонансная частота f0, конструкция датчика, питание измерительного контура 3 выбраны таким образом, что .When soil moisture changes, the values of R p , R Σ , L g , C p . The initial resonant frequency f 0 , the design of the sensor, the power of the measuring circuit 3 are selected so that .
Проводимость почвы σ связана с величиной вносимых потерь соотношением [4]:Soil conductivity σ is related to the value of insertion loss by the ratio [4]:
где N - число витков рамочной антенны, а связь проводимости почвы с ее влажностью хорошо апроксимируется зависимостью видаwhere N is the number of turns of the loop antenna, and the relationship between soil conductivity and its moisture is well approximated by the dependence of the species
где С и D - коэффициенты, определяемые типом почвы и внешними условиями [4].where C and D are the coefficients determined by the type of soil and external conditions [4].
Из (5) с учетом (4) и (2) получим From (5), taking into account (4) and (2), we obtain
Известно, что все электромагнитные методы реагируют на начальный уровень влажности почвы, соответствующий максимальной гигроскопичности WM [8]. Этот уровень определяется в агрометеорологии для конкретного типа почвы. Поэтому, константа D' определяется следующим соотношением , где Q0 - начальная добротность конкретного датчика влажности.It is known that all electromagnetic methods respond to the initial soil moisture level corresponding to the maximum hygroscopicity W M [8]. This level is determined in agrometeorology for a particular type of soil. Therefore, the constant D 'is determined by the following relation where Q 0 is the initial quality factor of a particular humidity sensor.
Таким образом, уравнение связи влажности почвы с измеренным значением добротности измерительного контура имеет вид .Thus, the equation for the relationship of soil moisture with the measured value of the Q factor of the measuring circuit has the form .
Перед началом измерений, в память вычислительного устройства 9 вводятся параметры C', WM, Q0. Результат определения влажности выводится на регистратор 10.Before starting the measurements, the parameters C ', W M , Q 0 are entered into the memory of the computing device 9. The result of the determination of humidity is displayed on the recorder 10.
Устройство питается от автономного источника питания.The device is powered by an autonomous power source.
Бесконтактный измеритель влажности почвы реализован в виде действующего макета с ручной перестройкой частоты. Генератор 1 высокой частоты (фиг.2) собран на полевом транзисторе VT1 типа КП303. Частотные свойства генератора определяются контуром, состоящим из первичной обмотки трансформатора и варикапа С1 типа КВ121А. Перестройка генератора 1 осуществляется подачей на варикап напряжения от специального источника постоянного напряжения через резистивный делитель. Трансформатор выполняет также функции цепи связи 2 с коэффициентом включения измерительного контура k=1:3. Трансформатор представляет собой ферритовое кольцо К7Х4Х2 типа ВЧ30, первичная и вторичная обмотки содержат по 15 витков медного провода диаметром 0,14 мм.The non-contact soil moisture meter is implemented as a working model with manual frequency adjustment. The high-frequency generator 1 (figure 2) is assembled on a field transistor VT1 type KP303. The frequency properties of the generator are determined by the circuit consisting of the primary winding of the transformer and varicap C1 of type KV121A. The adjustment of the generator 1 is carried out by applying voltage to the varicap from a special source of constant voltage through a resistive divider. The transformer also performs the functions of the communication circuit 2 with the switching factor of the measuring circuit k = 1: 3. The transformer is a K7X4X2 ferrite ring of type VCh30, the primary and secondary windings contain 15 turns of copper wire with a diameter of 0.14 mm.
Резонансный измерительный контур 3 выполнен в виде параллельного соединения круглой рамочной антенны и высокодобротного конденсатора С4. Антенны изготовлены из медной трубки диаметром 2а=8 мм, покрытой полихлорвиниловой изоляцией. Параметры использованных рамочных антенн на воздухе для измерения влажности почвы в слоях 0-20 см, 0-50 см, 0-100 см приведены в табл.1.The resonant measuring circuit 3 is made in the form of a parallel connection of a circular loop antenna and a high-Q capacitor C4. Antennas are made of a copper tube with a diameter of 2a = 8 mm, coated with polyvinyl chloride insulation. The parameters of the used frame antennas in the air for measuring soil moisture in layers of 0-20 cm, 0-50 cm, 0-100 cm are shown in Table 1.
В табл.1 - частота собственного резонанса рамочной антенны.In table 1 - the frequency of the own resonance of the loop antenna.
В процессе полевых испытаний рамочная антенна размещалась на поверхности сильно увлажненной почвы с параметрами εr=20, σ=10-1 (Ом·м)-1. Расчетные значения параметров рамочных антенн и измеренные значения добротности Q' измерительных контуров помещены в табл.2.During field trials, the loop antenna was placed on the surface of highly moist soil with parameters ε r = 20, σ = 10 -1 (Ohm · m) -1 . The calculated values of the parameters of the loop antennas and the measured values of the Q factor Q 'of the measurement loops are placed in Table 2.
В табл.2 QL и Qс - добротности индуктивного и емкостного элементов контура, - расчетное значение добротности контура над почвой. Значения QL и Qc рассчитывались по формулам:In table 2, Q L and Q with - quality factors of inductive and capacitive circuit elements, - the calculated value of the quality factor of the contour above the soil. The values of Q L and Q c were calculated by the formulas:
. .
Значение рассчитывалось по формуле (2). Измеренные и расчетные значения добротностей измерительного контура над почвой хорошо совпадают, что позволяет сделать вывод о возможности обратного пересчета значений добротности Q' в проводимость почвы σ и далее в значение ее влажности W.Value calculated by the formula (2). The measured and calculated values of the Q factors of the measuring circuit over the soil are in good agreement, which allows us to conclude that it is possible to recalculate the Q factors Q 'into the soil conductivity σ and then to its moisture content W.
Амплитудный детектор выполнен на четырех диодах типа КД514 с симметричным выходом через дифференциальный усилитель 5, собранный на микросхеме 544УД1. Входное сопротивление детектора составляет RД=340 кОм. Линейный режим работы детектора обеспечивается во всем диапазоне возможных значений добротности Q'. Аналого-цифровой 6 преобразователь выполнен на микросхеме 572ПВ2. Функциональные блоки: модулятор 11, частотомер 7, устройство выборки-хранения 8, вычислительное устройство 9 выполнены на микропроцессоре 1821 ВМ85. Регистратор 10 выполнен на 4x-разрядном индикаторе ИЖЦ-5-4/8. Автономное питание осуществляется от шести элементов типа 373. Общее потребление устройства 3 Вт.The amplitude detector is made on four diodes of the KD514 type with a balanced output through a differential amplifier 5, assembled on a 544UD1 chip. The input resistance of the detector is R D = 340 kOhm. The linear mode of operation of the detector is provided over the entire range of possible values of the Q factor Q '. The analog-to-digital 6 converter is made on a 572PV2 chip. Functional blocks: modulator 11, frequency counter 7, sampling-storage device 8, computing device 9 are made on microprocessor 1821 VM85. The registrar 10 is made on a 4 x -digit indicator IZhTS-5-4 / 8. Autonomous power is supplied from six elements of type 373. The total consumption of the device is 3 watts.
Предлагаемый бесконтактный измеритель влажности почвы обеспечивает большую точность измерения, по сравнению с прототипом, за счет стабилизации глубины зондирования почвы. В прототипе глубина зондирования СВЧ-поля в почву определяется ее проводимостью. Вследствие чего, имеет место сложная многофакторная зависимость измеряемого параметра - добротности СВЧ-резонатора от влажности почвы. При этом, затрудняется градуировка измерителя в широком диапазоне влажностей почвы, что снижает точность измерения. Кроме того, вносимая со стороны почвы реактивность, смещает резонансную частоту СВЧ-резонатора, и, также, является причиной изменения выходного напряжения СВЧ-детектора. В результате, возникают ошибки в определении добротности резонатора. В предлагаемом устройстве, взаимодействие электромагнитного поля с почвой происходит в пределах зоны индукции излучателя. В этом случае глубина зондирования жестко связана с размером используемой круглой рамочной антенны измерительного контура и практически не зависит от проводимости почвы и рабочей частоты. Бесконтактный измеритель влажности почвы допускает единую градуировку W(Q') во всем диапазоне возможных значений влажности почвы. Кроме того, в предлагаемом бесконтактном измерителе влажности почвы исключено мешающее влияние вносимой реактивности. Это сделано за счет минимизации влияния величины вносимой емкости при симметричном подключении измерительного контура, а также за счет использования соотношения Q= /2Δf' при расчете добротности. Стабилизация глубины зондирования почвы позволяет определить вертикальный профиль влажности почвы путем использования рамочных антенн различного радиуса. Для повышения точности измерений влажности рамочная антенна размещается на расстояниях 2-5 см от почвы, т.е. практически на ее поверхности, где добротность измерительного контура стационарна, т.е. имеет минимум. В предлагаемом бесконтактном измерителе влажности почвы обеспечивается вывод результата измерения непосредственно в виде численного значения влажности почвы в объемных процентах за счет использования микропроцессора. Бесконтактный измеритель влажности почвы работает от автономного малогабаритного источника питания, что позволяет использовать его в полевых условиях.The proposed non-contact soil moisture meter provides greater measurement accuracy, compared with the prototype, by stabilizing the depth of sounding of the soil. In the prototype, the depth of sounding of the microwave field into the soil is determined by its conductivity. As a result of this, there is a complex multifactorial dependence of the measured parameter — the Q factor of the microwave cavity on soil moisture. At the same time, it is difficult to calibrate the meter in a wide range of soil moisture, which reduces the accuracy of the measurement. In addition, the reactivity introduced from the soil side shifts the resonant frequency of the microwave resonator, and also causes a change in the output voltage of the microwave detector. As a result, errors arise in determining the quality factor of the resonator. In the proposed device, the interaction of the electromagnetic field with the soil occurs within the induction zone of the emitter. In this case, the sounding depth is strictly related to the size of the used circular loop antenna of the measuring circuit and is practically independent of soil conductivity and operating frequency. The non-contact soil moisture meter allows a single calibration of W (Q ') in the entire range of possible soil moisture values. In addition, the proposed non-contact soil moisture meter eliminates the interfering effect of the introduced reactivity. This is done by minimizing the influence of the value of the introduced capacitance with a symmetrical connection of the measuring circuit, and also by using the ratio Q = / 2Δf 'when calculating the quality factor. Stabilization of the depth of sounding of the soil allows you to determine the vertical profile of soil moisture by using frame antennas of different radii. To increase the accuracy of moisture measurements, the loop antenna is placed at distances of 2-5 cm from the soil, i.e. almost on its surface, where the quality factor of the measuring circuit is stationary, i.e. has a minimum. The proposed non-contact soil moisture meter provides the conclusion of the measurement result directly in the form of a numerical value of soil moisture in volume percent due to the use of a microprocessor. The non-contact soil moisture meter works from an autonomous small-sized power source, which allows it to be used in the field.
Список используемой литературыBibliography
1. А.с СССР №573743, бюлл. №35, 1977;1. A.s of the USSR No. 573743, bull. No. 35, 1977;
2. А.с. СССР №1260814, бюлл. №36, 1986;2. A.S. USSR No. 1260814, bull. No. 36, 1986;
3. А.с. СССР №1317340, бюлл. №22, 1987;3. A.S. USSR No. 1317340, bull. No. 22, 1987;
4. Кузьмин Ю.И. Бесконтактный датчик влажности на основе горизонтальной рамочной антенны. Труды ВНИИСХМ, вып.20, 1986, с.27-40;4. Kuzmin Yu.I. Non-contact humidity sensor based on a horizontal loop antenna. Proceedings of VNIISKHM, issue 20, 1986, p. 27-40;
5. Патент США №3231814, 1986;5. US Patent No. 3231814, 1986;
6. А.с. СССР №1056029, бюлл. №43, 1983;6. A.S. USSR No. 1056029, bull. No. 43, 1983;
7. Справочник по теоретическим основам радиоэлектроники/Под редакцией Б.Х.Кривицкого. - М.: Энергия, т.2, 1977;7. Reference on the theoretical foundations of radio electronics / Edited by B.Kh. Krivitsky. - M .: Energy, t.2, 1977;
8. Кузьмин Ю.И., Малахова С.М. О возможности определения продуктивных влагозапасов метрового слоя почвы путем измерения сопротивления потерь. Труды Ленингр. Гидрометеоцентра, вып.2(15), 1985, с.86-91.8. Kuzmin Yu.I., Malakhova S.M. On the possibility of determining the productive moisture reserves of a meter soil layer by measuring the loss resistance. Proceedings of the Leningrad. Hydrometeocenter, issue 2 (15), 1985, p. 86-91.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011114234/28U RU108845U1 (en) | 2011-04-13 | 2011-04-13 | CONTACTLESS SOIL HUMIDITY METER |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2011114234/28U RU108845U1 (en) | 2011-04-13 | 2011-04-13 | CONTACTLESS SOIL HUMIDITY METER |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU108845U1 true RU108845U1 (en) | 2011-09-27 |
Family
ID=44804442
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2011114234/28U RU108845U1 (en) | 2011-04-13 | 2011-04-13 | CONTACTLESS SOIL HUMIDITY METER |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU108845U1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015103429A1 (en) * | 2013-12-31 | 2015-07-09 | Texas Instruments Incorporated | Resonant impedance sensing with a negative impedance control loop |
-
2011
- 2011-04-13 RU RU2011114234/28U patent/RU108845U1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2015103429A1 (en) * | 2013-12-31 | 2015-07-09 | Texas Instruments Incorporated | Resonant impedance sensing with a negative impedance control loop |
| US9638763B2 (en) | 2013-12-31 | 2017-05-02 | Texas Instruments Incorporated | Resonant impedance sensing with a negative impedance control loop implemented with synchronized class D and output comparators |
| US10288699B2 (en) | 2013-12-31 | 2019-05-14 | Texas Instruments Incorporated | Resonant impedance sensing with a negative impedance control loop implemented with synchronized class D and output comparators |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN107923765B (en) | Device for measuring a measurement variable | |
| CN110167441B (en) | Inductive sensing system for sensing electromagnetic signals from a body | |
| Kanda | Standard probes for electromagnetic field measurements | |
| US9687169B2 (en) | System, controller, and method for determining conductance of an object | |
| CN105051567B (en) | Proximity sensor and for measuring the method with the distance of object | |
| US20050203363A1 (en) | Device for the measurement of glucose concentrations | |
| US11249033B2 (en) | Method and device for measuring the physical parameters of a material | |
| RU108845U1 (en) | CONTACTLESS SOIL HUMIDITY METER | |
| Works et al. | A resonant-cavity method for measuring dielectric properties at ultrahigh frequencies | |
| CN210487645U (en) | Grain moisture on-line measuring system based on robot | |
| ES2958811T3 (en) | Soil electrical conductivity measurement system | |
| JPH11304764A (en) | Moisture sensor | |
| Shen et al. | Noncontact measurement of complex permittivity based on the principle of mid-range wireless power transfer | |
| Works et al. | A resonant-cavity method for measuring dielectric properties at ultra-high frequencies | |
| US3796950A (en) | Measurement apparatus | |
| RU2411512C1 (en) | Device for measuring moisture of granular materials | |
| RU2791866C1 (en) | Device for measuring the position of the interface boundary of two dielectric media in a container | |
| RU2427805C1 (en) | Measuring device of liquefied gas in closed tank | |
| Sinclair | Parallel-resonance methods for precise measurements of high impedances at radio frequencies and a comparison with the ordinary series-resonance methods | |
| Huntley et al. | Lumped parameter impedance measurements | |
| RU2794447C1 (en) | Device for measuring level of dielectric liquid in tank | |
| Rydler et al. | A method for realisation of inductance and quality factor to 1 MHz | |
| KR102370216B1 (en) | Soil sensing apparatus, soil sensing interface circuit, and soil sensing method | |
| SU822082A1 (en) | Moisture-content meter | |
| RU2768556C1 (en) | Apparatus for measuring the level of liquid in a tank |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PD1K | Correction of name of utility model owner | ||
| MM1K | Utility model has become invalid (non-payment of fees) |
Effective date: 20130414 |