RU186702U1 - Емкостной датчик влажности грунта - Google Patents

Емкостной датчик влажности грунта Download PDF

Info

Publication number
RU186702U1
RU186702U1 RU2017128407U RU2017128407U RU186702U1 RU 186702 U1 RU186702 U1 RU 186702U1 RU 2017128407 U RU2017128407 U RU 2017128407U RU 2017128407 U RU2017128407 U RU 2017128407U RU 186702 U1 RU186702 U1 RU 186702U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
sensor
dielectric
coating
width
soil moisture
Prior art date
Application number
RU2017128407U
Other languages
English (en)
Inventor
Анатолий Иванович Прокопьев
Original Assignee
Анатолий Иванович Прокопьев
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Анатолий Иванович Прокопьев filed Critical Анатолий Иванович Прокопьев
Priority to RU2017128407U priority Critical patent/RU186702U1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU186702U1 publication Critical patent/RU186702U1/ru

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/24Earth materials
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/22Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

Полезная модель относится к исследованию или анализу материалов с помощью электрических средств, в частности, путем измерения электрической емкости и может быть использована в дешевых системах мониторинга грунта. Емкостной датчик влажности грунта, выполненный в виде гребенчатого конденсатора, состоящего из чередующих проводящих полос с зазорами между ними, расположенного с двух сторон диэлектрической подложки с диэлектрическим покрытием, выполненным по технологии многослойных печатных плат. Предложены обоснования конструктивного исполнения датчика. По п. 2 формулы предлагается использование нескольких аналогичных независимых емкостных датчиков, распределенных по глубине измерения на общей подложке и с единым покрытием.

Description

Полезная модель относится к исследованию или анализу материалов (грунтов) с помощью электрических, электрохимических или магнитных средств, в частности путем измерения электрической емкости и может быть использована в дешевых системах мониторинга грунта.
Известны [1] различные способы измерения влажности грунта:
- термостатно-весовой;
- радиоактивный - представляет собой измерение излучения радиоактивных веществ, находящихся в грунте;
- электрический - в данном случае производится определение грунтового сопротивления, проводимости, индуктивности, а также емкости;
- тензометрический - метод основывается на разнице напряжения воды между границами фаз;
- оптический - этот способ характеризуется отражаемостью световых потоков;
- экспресс-методы, в частности органолептический.
Наиболее дешевыми, точными и простыми в применении являются электрические способы, которые обычно предполагают использование датчиков сопротивления (резистивные) или емкости.
Резистивные датчики влажности почвы применяются в большинстве малобюджетных, домашних измерителей влажности грунта, но обладают принципиальным недостатком: их показания в существенной степени зависят от кислотности и солевого состава грунтовых вод, поэтому предпочтение следует отдать емкостным датчикам.
Известен [2] емкостной датчик влажности грунта, выполненный по микрополосковой технологии в виде проводящей полосы, образующей первую обкладку, окруженную U образной второй обкладкой, расположенных на плоской диэлектрической подложке с диэлектрическим покрытием.
Недостатками датчика [2] являются низкая точность и эксплуатационные характеристики. Низкая точность обусловлена малой чувствительностью датчика, связанная с его малой емкостью, которую трудно измерить. Низкие эксплуатационные характеристики обусловлены тем, что покрытия датчика подвержены воздействию механических и химических свойств грунта, а датчик [2] использует ненадежное лакокрасочное покрытие.
Известен [3] датчик влажности - емкостный микрополосковый тонкопленочный гигрометр. Он включает в себя диэлектрическую подложку, на которую нанесены два гребенчатых конденсатора. С целью термокомпенсации в датчик дополнительно вводят два термодатчика.
Такой датчик обладает повышенной, по сравнению с [2] чувствительностью, благодаря большей емкости. Очевидно, что в реальных условиях на поверхность гребенчатого конденсатора следует нанести диэлектрическое покрытие.
Недостатками датчика [3] являются низкая точность и неопределенность конструктивного исполнения. Низкая точность связана с односторонним исполнением датчика, что снижает чувствительность.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является емкостной датчик влажности грунта [4], выполненный в виде гребенчатого конденсатора, состоящего из чередующихся проводящих полос шириной Ш1 с шириной зазоров Ш2 между ними, четные и нечетные полосы соединены между собой и образуют первую и вторую обкладки конденсатора соответственно, проводящие полосы расположены с двух сторон диэлектрической подложки толщиной Т1 и имеют диэлектрическое покрытие толщиной Т2. В [5] в качестве подложки предлагается использовать двухсторонний фольгированный текстолит, а в качестве диэлектрического покрытия - грунтовку и краску.
Многочисленные эксперименты с подобными структурами датчиков показали, что:
1. Выбор параметров гребенчатых конденсаторов является сложной проблемой.
2. Простые диэлектрические покрытия (краска, лак и т.п.) не обеспечивают надежную защиту гребенчатого конденсатора от механических (абразивность грунта) и химических (кислотный или щелочной состав влаги) воздействий внешней среды.
Рассмотрим эти проблемы подробнее.
Между обкладками гребенчатого конденсатора, Фиг. 2, может возникать электрическое поле Е1, которое распространяется через подложку между соседними обкладками 1 и 2 в каждой плоскости, по диагонали между обкладками разных плоскостей - Е2, через покрытие - Е3. Величины указанных полей зависят от геометрических размеров датчика, диэлектрической проницаемости ε используемых материалов подложки и покрытия, образуют постоянную составляющую, но не интересны для измерений. Однако, некоторая часть Е4 электрического поля должна выйти за пределы датчика, пройти через грунт и в определяющей степени повлиять на емкость гребенчатого конденсатора. Указанную емкость следует измерить и оценить по ней влажность грунта. Таким образом, от конструкции датчика следует добиться максимальной зависимости емкости гребенчатого конденсатора от влажности грунта, окружающего датчик. Влажность грунта влияет на его диэлектрическую проницаемость εг. Для сухих грунтов εг типично лежит в пределах 3.2-5, а диэлектрическая проницаемость воды εв равна 81. Относительная массовая влажность грунтов может достигать (12-15)% (для песчаных грунтов) и 30% для глинистых грунтов. Таким образом, заявляемый датчик должен измерять диэлектрическую проницаемость грунта εг в пределах от 1 (воздух, зонд не помещен в грунт) до 30. Для измерения εг необходимо измерить емкость гребенчатого конденсатора. Однако задача осложнена тем, что измерение переменной диэлектрической проницаемости грунта εг происходит в присутствии нескольких различных сред диэлектрической подложки и изолирующего диэлектрического слоя, свойства которых постоянны. Таким образом, измеренная емкость будет содержать постоянную составляющую, зависящую от свойств конструкции датчика (поля E1, Е2 и Е3), и переменную - (поле Е4), зависящую от влажности грунта. Для достижения высокой разрешающей способности датчика постоянная составляющая емкости должна быть минимизирована, а переменная - получить максимальную зависимость от влажности грунта.
Для решения этой задачи предлагается емкостной датчик влажности грунта, выполненный в виде гребенчатого конденсатора, состоящего из чередующихся проводящих полос шириной Ш1 с шириной зазоров Ш2 между ними, четные и нечетные полосы соединены между собой и образуют первую и вторую обкладки конденсатора соответственно, проводящие полосы расположены с двух сторон диэлектрической подложки толщиной Т1 и имеют диэлектрическое покрытие толщиной Т2, при этом датчик выполнен по технологии многослойных печатных плат, проводящие полосы каждой обкладки расположены зеркально относительно диэлектрической подложки, ширина проводящих полос Ш1 и ширина зазоров Ш2 между ними выбираются по соотношению Ш1=(0,5-1,5)*Ш2, толщины диэлектрического покрытия выбираются по соотношению Т2=(0,1-0,2)*Ш2, а толщина диэлектрической подложки Т1 выбирается из конструкционной прочности датчика много больше толщины диэлектрического покрытия Т1>>Т2.
Заявляемую полезную модель иллюстрируют следующие графические материалы:
Фиг. 1 - гребенчатый конденсатор, где:
1 - первая обкладка гребенчатого конденсатора;
2 - вторая обкладка гребенчатого конденсатора;
Ш1 - ширина проводящих полос;
Ш2 - ширина зазоров;
В1 - высота гребенчатого конденсатора.
Фиг. 2, где:
3 - диэлектрическая подложка;
4 - диэлектрическое покрытие;
5 - грунт;
Е1 - электрическое поле в диэлектрической подложке между разнополярными обкладками гребенчатого конденсатора одной стороны подложки;
Е2 - электрическое поле в диэлектрической подложке между разнополярными обкладками гребенчатого конденсатора разных сторон подложки;
Е3 - электрическое поле в диэлектрическом покрытии между разнополярными обкладками конденсатора одной стороны подложки;
Е4 - электрическое поле между разнополярными обкладками конденсатора одной стороны подложки через грунт 5;
Т1 - толщина диэлектрической подложки;
Т2 - толщина диэлектрического покрытия.
Фиг. 3 - зависимость линейной емкости C1 гребенчатого конденсатора от отношения ширин проводящих полос Ш1 и ширина зазоров Ш2 между ними, при разных диэлектрических проницаемостях грунта εг.
Фиг. 4 - зависимость линейной емкости C1 гребенчатого конденсатора от отношения ширин проводящих полос Ш1 и ширина зазоров Ш2 между ними, при разных диэлектрических проницаемостях грунта εг
Линии раздельного вывода обкладок гребенчатых конденсаторов не показаны с целью упрощения.
Существенные отличия заявляемого емкостного датчика влажности грунта полезной модели состоят в следующем:
Датчик выполнен по технологии многослойных печатных плат, т.е. используются традиционные материалы: стеклотекстолит, гетинакс, керамика и т.п.соответствующих толщин. Гребенчатый конденсатор изготавливается путем травления металлического покрытия подложки с последующим склеиванием слоев. Такие датчики оказываются очень дешевыми, а диэлектрическое покрытие надежно защищает датчик от механических и химических воздействий.
В прототипе используется металлизированная диэлектрическая подложка, на которой с двух сторон вытравлен гребенчатый конденсатор, а в качестве диэлектрического покрытия используются краски, лаки и т.п.с отмеченными выше недостатками.
Проводящие полосы каждой обкладки гребенчатого конденсатора расположены зеркально относительно диэлектрической подложки, Фиг. 1. В результате этого с противоположных сторон подложки - по кратчайшему пути распространения электрического поля располагаются одноименные электроды конденсатора, Фиг. 2 (1 - напротив 1, а 2 - напротив 2), т.е. электрического поля между ними не возникает.
В прототипе расположение проводящих полос не рассматривается.
Толщина диэлектрического покрытия 4 выбирается по соотношению
Figure 00000001
Такой выбор позволяет увеличить поле Е4 через грунт (чувствительность датчика), сохранив механические и химические свойства покрытия 4.
В прототипе используется лакокрасочное покрытие неопределенной толщины.
Ширина проводящих полос Ш1 и ширина зазоров Ш2 между ними, Фиг. 1, выбираются по соотношению
Figure 00000002
В [5] Приведены формулы, см. (8-13), стр. 261 для расчета линейной емкости C1 двух пластин на границе сред с разными диэлектрическими проницаемостями. Указанное соотношение применимо, если пренебречь влиянием тонкого покрытия 4. С использованием указанных соотношений рассчитан график зависимости линейной емкости C1 гребенчатого конденсатора от отношения ширин проводящих полос Ш1 и зазоров Ш2 между ними, Фиг. 3. На интервале, где отношение К=Ш1/Ш2 выбирается в пределах от 0.5 до 1.5, наблюдается максимальная градиентная зависимость линейной емкости C1 от К. При этом следует иметь в виду, что дальнейшее увеличение К приводит к неоправданному увеличению размеров датчика влажности. Таким образом, приведенное соотношение (2) представляется оптимальным.
В прототипе ширина проводящих полос Ш1 и ширина зазоров Ш2 между ними не рассматривается.
В [5] приведена формула (8-1), стр. 257 для расчета линейной емкости в зависимости от диэлектрической проницаемости грунта при разных отношениях толщины покрытия Т2 к ширине зазоров Ш2, Фиг. 4. Из графиков видно, что наилучшая зависимость емкости гребенчатого конденсатора от влажности грунта достигается при:
Figure 00000003
В прототипе отсутствуют рекомендации по конструкции датчика.
При испытаниях заявляемой полезной модели из фольгированного стеклотекстолита были изготовлены датчики влажности почвы с характеристиками:
- толщина диэлектрической подложки 1,5-2 мм;
- толщина диэлектрического покрытия 0,15 мм;
- ширина проводящих полос гребенчатого конденсатора - 2 мм;
- ширина зазоров - 2 мм;
- высота датчика - 75 мм;
- ширина датчика - 26 мм;
- диапазон емкостей датчика при различных влажностях грунта - 40-1100 пФ.
Непосредственное измерение емкости заявляемого датчика влажности грунта связано с существенными проблемами, которые обычно решают созданием генератора, времязадаюшую цепь которого включен измерительный емкостной датчик, например, [6], что позволяет измерять частоту генератора, вместо прямого измерения емкости.
Таким образом, конструкция заявляемого датчика обоснована, обеспечивает пригодную для обработки зависимость его емкости от влажности грунта.
Источники информации:
1. http://www.superda4nik.ru/opredelenie-vlazhnosti-pochvy/.
2. https://ru.aliexpress.com/store/product/DFRobot-Capacitive-Analog-Soil-Moisture-Sensor-3-3-5-5V-Corrosion-Resistant-with-Gravity-3-Pin/1111448_32574020064.html.
3. http://electrik.info/main/automation/1083-datchiki-vlazhnosti-kak-ustroeny-i-rabotayut.html.
4. https://www.youtube.com/watch?v=N1u4u-yKzLs.
5. Ю.Я, Иоссель, Э.С. Кочанов, М.Г. Струнский. Расчет электрической емкости. - Л.: Энергоиздат, 1981. 288 с.
6. Патент RU 2206887.

Claims (1)

  1. Емкостной датчик влажности грунта, выполненный в виде гребенчатого конденсатора, состоящего из чередующих проводящих полос шириной Ш1 с шириной зазоров Ш2 между ними, четные и нечетные полосы соединены между собой и образуют первую и вторую обкладки конденсатора соответственно, проводящие полосы расположены с двух сторон диэлектрической подложки толщиной Т1 и имеют диэлектрическое покрытие толщиной Т2, отличающийся тем, что датчик выполнен по технологии многослойных печатных плат, проводящие полосы каждой обкладки расположены зеркально относительно диэлектрической подложки, ширина проводящих полос Ш1 и ширина зазоров Ш2 между ними выбираются по соотношению Ш1=(0,5-1,5)*Ш2, толщины покрытия выбираются по соотношению Т2=(0,1-0,2)*Ш2, а толщина диэлектрической Т1 подложки выбирается из конструкционной прочности датчика и много больше толщины покрытия T1>>Т2.
RU2017128407U 2017-08-08 2017-08-08 Емкостной датчик влажности грунта RU186702U1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017128407U RU186702U1 (ru) 2017-08-08 2017-08-08 Емкостной датчик влажности грунта

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017128407U RU186702U1 (ru) 2017-08-08 2017-08-08 Емкостной датчик влажности грунта

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU186702U1 true RU186702U1 (ru) 2019-01-30

Family

ID=65270087

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017128407U RU186702U1 (ru) 2017-08-08 2017-08-08 Емкостной датчик влажности грунта

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU186702U1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2738976C2 (ru) * 2019-05-28 2020-12-21 Сергей Анатольевич Постригань Датчик влажности воздуха и способ его регенерации

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1032398A1 (ru) * 1982-02-23 1983-07-30 Калининский Ордена Трудового Красного Знамени Политехнический Институт Датчик влажности
RU2206887C2 (ru) * 2001-06-26 2003-06-20 Егоров Юрий Валентинович Измерительный преобразователь к емкостному датчику
US6842018B2 (en) * 2002-05-08 2005-01-11 Mcintosh Robert B. Planar capacitive transducer
RU2296318C1 (ru) * 2005-11-30 2007-03-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (технический университет)" Емкостный датчик влажности
US20080199359A1 (en) * 2005-07-04 2008-08-21 Senviro Pty Ltd Soil Moisture Sensor
RU2537908C2 (ru) * 2013-03-06 2015-01-10 Государственное научное учреждение Агрофизический научно-исследовательский институт Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ АФИ Россельхозакадемии) Устройство для внутрипочвенного измерения агротехнологических характеристик пахотного слоя почвы в движении
CN105492897A (zh) * 2013-04-10 2016-04-13 森泰克有限公司 渐缩土壤水分传感器装置和安装方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1032398A1 (ru) * 1982-02-23 1983-07-30 Калининский Ордена Трудового Красного Знамени Политехнический Институт Датчик влажности
RU2206887C2 (ru) * 2001-06-26 2003-06-20 Егоров Юрий Валентинович Измерительный преобразователь к емкостному датчику
US6842018B2 (en) * 2002-05-08 2005-01-11 Mcintosh Robert B. Planar capacitive transducer
US20080199359A1 (en) * 2005-07-04 2008-08-21 Senviro Pty Ltd Soil Moisture Sensor
RU2296318C1 (ru) * 2005-11-30 2007-03-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный горный институт им. Г.В. Плеханова (технический университет)" Емкостный датчик влажности
RU2537908C2 (ru) * 2013-03-06 2015-01-10 Государственное научное учреждение Агрофизический научно-исследовательский институт Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ АФИ Россельхозакадемии) Устройство для внутрипочвенного измерения агротехнологических характеристик пахотного слоя почвы в движении
CN105492897A (zh) * 2013-04-10 2016-04-13 森泰克有限公司 渐缩土壤水分传感器装置和安装方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2738976C2 (ru) * 2019-05-28 2020-12-21 Сергей Анатольевич Постригань Датчик влажности воздуха и способ его регенерации

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Bogena et al. Evaluation of a low-cost soil water content sensor for wireless network applications
Loizou et al. A low-cost capacitive sensor for water level monitoring in large-scale storage tanks
US20080231290A1 (en) Capacitive Position Sensor
Abdul Rahman et al. Novel planar interdigital sensors
JPS6253762B2 (ru)
Islam et al. Design and fabrication of fringing field capacitive sensor for non-contact liquid level measurement
JP7071723B2 (ja) 複素誘電率測定用回路、複素誘電率測定装置及び複素誘電率の測定方法
Rezaei et al. A new 1.4-GHz soil moisture sensor
Zaitsev et al. Determination of response characteristic of capacitive coplanar air gap sensor
RU186702U1 (ru) Емкостной датчик влажности грунта
Dean et al. Capacitive fringing field sensors in printed circuit board technology
CN103698357A (zh) 一种基于mems双加热器的热导率和热扩散系数传感器
US20150323372A1 (en) Temperature Compensated Transmission Line Based Liquid Level Sensing Apparatus and Method
Fonseca et al. A fully passive UHF RFID soil moisture time-domain transmissometry based sensor
Avramov-Zamurovic et al. A high-stability capacitance sensor system and its evaluation
Lin et al. Monitoring of icing behavior based on signals from a capacitance sensor
US11408835B2 (en) Microwave soil moisture sensor based on phase shift method and independent of electrical conductivity of the soil
CN108760839A (zh) 一种用于雷达结构中电绝缘材料微损伤检测的方法
Xu et al. Modeling and testing of fringe-field capacitive moisture sensor under certain electrode area
RU2658498C2 (ru) Устройство для измерения удельной электропроводности жидких сред
Zhao et al. Calibration of dielectric based moisture sensing in stone, mortar and stone-mortar sandwiches
Chandra et al. A Review on Capacitive Liquid Level Sensing Techniques
RU2716865C1 (ru) Устройство для измерения влажности сыпучих веществ
Kurniawati et al. INTER-DIGITAL CAPACITOR SENSOR FOR MEASURING PERMITTIVITY OF FLUID
Abd Karim et al. The Petrophysical Relationship between the Dielectric Permittivity and Water Content of Peat Soil Moisture Measurements

Legal Events

Date Code Title Description
MM9K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20200809