RU2019099C1

RU2019099C1 - Device for measuring soil humidity

Info

Publication number: RU2019099C1
Authority: RU
Inventors: Федор Васильевич Унгуряну; Александр Дмитриевич Короновский; Федор Иванович Морару; Валентин Васильевич Байку; Петр Никитович Кокырца
Original assignee: Научно-исследовательский институт водных проблем и мелиорации Государственного водного концерна "Аква"
Priority date: 1991-06-21
Filing date: 1991-06-21
Publication date: 1994-09-15

Abstract

FIELD: agriculture. SUBSTANCE: device for measuring soil humidity has detector unit 1, which is formed by osmotic pressure detector 2, capillary pressure detector 3 and soil solution temperature transducer 4, communication units 5, 6, units 7, 8 and 9 of converting signals of osmotic, capillary pressure and temperature correspondingly, temperature correction units 10, 11, osmotic pressure compensation unit 12 and signal indication unit 15. Osmotic pressure detector 2 has case 14 made in form of connection made of dielectric material, put onto ceramic capsule 16. One end of the connection, which is disposed inside capsule 16, is closed by non-deformed osmotic membrane 15, which is water permeable and non-permeable for ions of salts of soil solution. The other end of the connection is connected with signal transforming unit by means of communication unit 5. Side vertical hole is made in case of the connection. This hole is communicated with its one end of the hole is connected with signal transforming unit 9 through communication unit 6. Temperature transducer is placed in space of ceramic capsule 16; the transducer has to be temperature-sensitive resistor 17. Communication unit 6 has bellows 18. EFFECT: improved precision; improved convenience of application. 2 cl, 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к сельскому хозяйству, к мелиорации, и может быть использовано для определения влажности почв, засоленных при орошении минерализованными водами. The invention relates to agriculture, to land reclamation, and can be used to determine the moisture content of soils salted during irrigation with mineralized waters.

Известны устройства для определения влажности почвы, основанные на измерении электрического сопротивления почвы. В этих устройствах в качестве датчиков влажности используются небольшие блоки из гипса, нейлонового или стеклянного волокна. По величине измеряемого электросопротивления с помощью тарировочной кривой определяют влажность почвы. Known devices for determining soil moisture, based on the measurement of electrical resistance of the soil. These devices use small blocks of gypsum, nylon or glass fiber as humidity sensors. The value of the measured electrical resistance using a calibration curve determine the moisture content of the soil.

Недостатками этих устройств являются: относительно большие погрешности в определении влажности; большая чувствительность датчиков к наличию растворенных веществ в почвенной влаге. The disadvantages of these devices are: relatively large errors in determining moisture; high sensitivity of sensors to the presence of dissolved substances in soil moisture.

Наиболее близким по технической сущности является тензиометр для определения влажности. Устройство содержит керамический датчик, который помещают в почву на глубину, соответствующую измеряемой влажности почвы. Датчик связан с ртутным манометром, с помощью которого измеряется полный водный потенциал почвы. Влажность почвы определяют по тарировочной кривой. Однако определение влажности этим устройством в случае полива минерализованной водой или в засоленных почвах приводит к искаженным показаниям влажности из-за возникновения осмотического потенциала, на величину которого изменяются показания ртутного манометра. The closest in technical essence is a tensiometer for determining moisture. The device contains a ceramic sensor, which is placed in the soil to a depth corresponding to the measured soil moisture. The sensor is connected to a mercury manometer, with which the full water potential of the soil is measured. Soil moisture is determined by the calibration curve. However, the determination of humidity by this device in the case of irrigation with mineralized water or in saline soils leads to distorted moisture readings due to the appearance of an osmotic potential, the value of which changes the readings of the mercury manometer.

Цель изобретения - повышение точности определения влажности засоленных почв. The purpose of the invention is to improve the accuracy of determining the moisture content of saline soils.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для определения влажности почвы, содержащем блок датчиков, подключенный через измерительную схему к блоку регистрации, блок датчиков снабжен датчиками осмотического и капиллярного давления и температуры почвенного раствора, а измерительная схема оснащена двумя блоками связи, тремя блоками преобразования, двумя блоками температурной коррекции и блоком компенсации осмотического давления, при этом выход датчика температуры почвенного раствора через первый блок преобразования связан с первыми входами блока регистрации и первого и второго блоков температурной коррекции, вторые входы которых соединены с выходами соответственно, второго и третьего блоков преобразования, а входы последних через, соответственно, первый и второй блоки связи подключены к выходам датчика осмотического и капиллярного давления, причем, выходы первого и второго блоков температурной коррекции связаны с входами блока компенсации осмотического давления и вторым и третьим входами блока регистрации, четвертый вход которого связан с выходом блока компенсации осмотического давления, при этом, датчик осмотического давления выполнен в виде штуцера, герметично соединенного с датчиком капиллярного давления, нижний конец которого закрыт полунепроницаемой осмотической мембраной и выполнен наклонным. This goal is achieved by the fact that in the device for determining soil moisture containing a sensor unit connected via a measuring circuit to the registration unit, the sensor unit is equipped with sensors for osmotic and capillary pressure and soil solution temperature, and the measuring circuit is equipped with two communication units, three conversion units, two temperature correction units and an osmotic pressure compensation unit, while the output of the soil temperature sensor through the first conversion unit is connected with the first inputs of the registration unit and the first and second temperature correction units, the second inputs of which are connected to the outputs of the second and third conversion units, respectively, and the inputs of the latter are connected through the first and second communication units to the outputs of the osmotic and capillary pressure sensors, the outputs of the first and second temperature correction units are connected to the inputs of the osmotic pressure compensation unit and the second and third inputs of the registration unit, the fourth input of which is connected to the output of the and osmotic pressure compensation, in this case, the osmotic pressure sensor is made in the form of a fitting, hermetically connected to the capillary pressure sensor, the lower end of which is closed by a semi-impermeable osmotic membrane and made inclined.

Сущность изобретения заключается в следующем: в схему устройства вводится датчик осмотического давления, что дает возможность определить только компоненту осмотического потенциала влажности. The essence of the invention is as follows: an osmotic pressure sensor is introduced into the device circuit, which makes it possible to determine only a component of the osmotic potential of humidity.

Полый потенциал влаги складывается из 3-х компонентов
Ψ_t= Ψ_д + Ψ_o + Ψ_p где Ψ_t - полный потенциал влажности;
Ψ_д - гравитационный потенциал влажности;
Ψ_o - осмотический потенциал влажности;
Ψ_p - тензиометрический потенциал влажности.The hollow potential of moisture is composed of 3 components
Ψ _t = Ψ _d + Ψ _o + Ψ _p where Ψ _t is the total moisture potential;
Ψ _d - gravitational potential of humidity;
Ψ _o - osmotic potential of humidity;
Ψ _p is the tensiometric potential of humidity.

Осмотический потенциал влажности, вызванный наличием солей в орошаемой воде определяется с помощью датчика осмотического давления, а вычитанием этого измеренного осмотического потенциала влажности из полного потенциала влажности, мы получаем тензиометрический потенциал влажности, соответствующий истинному содержанию влаги в почве
Ψ_p=Ψ_t+Ψ_o.The osmotic potential of moisture caused by the presence of salts in the irrigated water is determined using an osmotic pressure sensor, and by subtracting this measured osmotic potential of moisture from the total moisture potential, we obtain a tensiometric moisture potential corresponding to the true moisture content in the soil
Ψ _p = Ψ _t + Ψ _o .

Таким образом, отличительный признак - блок датчиков с датчиками осмотического давления, герметично соединенные с датчиком капиллярного давления, устройством связи и блоком преобразования сигналов давления датчиком температуры, который посредством блоков температурной коррекции связан с блоком компенсации осмотического давления - существенен. Thus, the distinguishing feature - the sensor unit with osmotic pressure sensors, hermetically connected to the capillary pressure sensor, the communication device and the pressure signal conversion unit, the temperature sensor, which is connected with the osmotic pressure compensation unit through temperature correction units - is significant.

На фиг.1 представлена схема устройства для определения влажности почвы; на фиг. 2 - конструкция блока датчиков; на фиг.3 - вид тарировочной кривой Р_к = f(w).Figure 1 presents a diagram of a device for determining soil moisture; in FIG. 2 - design of the sensor unit; figure 3 is a view of a calibration curve P _to = f (w).

Устройство для определения влажности почвы содержит блок датчиков 1, состоящий из датчиков 2, 3, 4 соответственно осмотического давления, температуры почвенного раствора и капиллярного давления, блоки 5, 6 и блоки 7, 8, 9 соответственно преобразования сигналов осмотического давления, температуры и капиллярного давления, блоки 10, 11 температурной коррекции, блок 12 компенсации осмотического давления и блок 13 регистрации сигналов. A device for determining soil moisture comprises a sensor unit 1, consisting of sensors 2, 3, 4, respectively, of osmotic pressure, soil solution temperature and capillary pressure, blocks 5, 6 and blocks 7, 8, 9, respectively, of the conversion of signals of osmotic pressure, temperature and capillary pressure , temperature correction blocks 10, 11, osmotic pressure compensation unit 12, and signal recording unit 13.

Выход датчика 2 осмотического давления связан с блоком 7 преобразования сигналов, выход которого соединен со вторым входом блока 10 температурной коррекции. Выход блока 10 температурной коррекции соединен с первым входом блока 12 компенсации осмотического давления и со вторым входом блок 13 регистрации сигналов. Выход датчика 3 температуры почвенного раствора связан с блоком 8 преобразования сигналов, выход которого соединен с первыми входами блоков 10, 11 температурной коррекции, а также с первым входом блока 13 регистрации сигналов. Выход блока 11 температурной коррекции связан со вторым входом блока компенсации осмотического давления и с четвертым входом блока 13 регистрации сигналов. Выход блока 12 компенсации осмотического давления соединен с третьим входом блока 13 регистрации сигналов. Датчик 2 осмотического давления (фиг.2) состоит из корпуса 14, выполненного в виде штуцера из диэлектрического материала, насаженного на снабженную мембраной 15 керамическую капсулу 16, служащую и как датчик 4 капиллярного давления. Один конец штуцера, находящегося внутри капсулы 16, закрывается недеформируемой осмотической мембраной 15 (проницаемая для воды и непроницаемая для ионов солей почвенного раствора), причем поверхность внутреннего конца штуцера выполнена наклонно для предотвращения возможность накопления пузырьков воздуха на поверхности мембраны 15. Второй конец штуцера посредством блока 5 связи соединен с блоком 7 преобразования сигналов. В корпусе 14 штуцера выполнено боковое вертикальное отверстие, которое одним концом сообщается с внутренней полостью керамической капсулы 16, а другим с помощью блока 6 связи связано с блоком 9 преобразования сигналов. В полости керамической капсулы 16 размещен датчик температуры представляющий собой терморезистор 17. Блок 6 связи содержит сильфон 18. The output of the osmotic pressure sensor 2 is connected to the signal conversion unit 7, the output of which is connected to the second input of the temperature correction unit 10. The output of the temperature correction unit 10 is connected to the first input of the osmotic pressure compensation unit 12 and to the second input of the signal recording unit 13. The output of the soil temperature sensor 3 is connected to a signal conversion unit 8, the output of which is connected to the first inputs of the temperature correction units 10, 11, as well as to the first input of the signal registration unit 13. The output of the temperature correction unit 11 is connected to the second input of the osmotic pressure compensation unit and to the fourth input of the signal recording unit 13. The output of the osmotic pressure compensation unit 12 is connected to the third input of the signal recording unit 13. The osmotic pressure sensor 2 (FIG. 2) consists of a housing 14 made in the form of a nozzle made of dielectric material, mounted on a ceramic capsule 16 equipped with a membrane 15, which also serves as a capillary pressure sensor 4. One end of the nozzle inside the capsule 16 is closed by an undeformable osmotic membrane 15 (permeable to water and impermeable to ions of salts of the soil solution), the surface of the inner end of the nozzle made obliquely to prevent the possibility of accumulation of air bubbles on the surface of the membrane 15. The second end of the nozzle by means of a block 5, the communication is connected to the signal conversion unit 7. A side vertical hole is made in the fitting body 14, which is connected at one end to the internal cavity of the ceramic capsule 16 and connected to the signal converting unit 9 by the communication unit 6. In the cavity of the ceramic capsule 16 there is a temperature sensor representing a thermistor 17. The communication unit 6 contains a bellows 18.

Устройство для определения влажности почвы работает следующим образом. A device for determining soil moisture works as follows.

Керамическая капсула 16, герметично соединенная с блоками 5, 6 связи посредством штуцера, заполняется дистиллированной водой через боковое вертикальное отверстие путем погружения капсулы 16 в сосуд и созданием разряжения при помощи сильфона 18. Пространство между полупроницаемой осмотической мембраной 15, герметично соединенной с блоком 5 связи, заполняют дистиллированной водой. Затем керамическая капсула 16 с датчиками устанавливается в почву на требуемую глубину. В полевых условиях это осуществляют путем его погружения в предварительно пробуренную скважину или вдавливанием в стенку шурфа. Для более быстрого достижения полного равновесия между жидкостью в полости керамической капсулы 16 и почвенным раствором, при помощи сильфона 18 отсасывают объем жидкости, равный объему системы: датчик 4 капиллярного давления - блок 6 связи. При заполнении полости керамической капсулы 16 почвенным раствором, представляющим собой раствор солей, вследствие возникновения разности химического потенциала между почвенным раствором и дистиллированной водой, разделенными полупроницаемой мембраной 15, появляется осмотическое давление регистрируемое посредством блока 5 связи и преобразуемое блоком 7 в сигнал, корректируемый блоком 10 в зависимости от температуры почвенного раствора, контролируемой датчиком 3 сигнал от блока 10 поступает в блок 12 компенсации вычитается из величины сигнала, поступающего от датчика 4 капиллярного давления через блок 9 преобразования сигналов и блока 11 температурной коррекции. Выходной сигнал блока 12 передается в блок 13 регистрации сигналов. Откорректированный блоком 11 сигнал от датчика 4 капиллярного давления поступает и в блок 13 регистрации сигналов. Таким образом, в зависимости от потребностей можно отдельно получить информацию о температуре почвенного раствора, о полном давлении почвенной влаги, а также о капиллярном и осмотическом давлении. С помощью тарировочной кривой по величине капиллярного давления определяют истинную влажность почвы. The ceramic capsule 16, hermetically connected to the communication blocks 5, 6 by means of a fitting, is filled with distilled water through a lateral vertical hole by immersing the capsule 16 in a vessel and creating a vacuum using a bellows 18. The space between the semi-permeable osmotic membrane 15, which is hermetically connected to the communication unit 5, filled with distilled water. Then a ceramic capsule 16 with sensors is installed in the soil to the required depth. In the field, this is done by immersing it in a pre-drilled well or by pressing it into the pit wall. To more quickly achieve complete equilibrium between the liquid in the cavity of the ceramic capsule 16 and the soil solution, a volume of liquid equal to the volume of the system is sucked out using a bellows 18: capillary pressure sensor 4 — communication unit 6. When filling the cavity of the ceramic capsule 16 with a soil solution, which is a salt solution, due to the difference in chemical potential between the soil solution and distilled water, separated by a semipermeable membrane 15, an osmotic pressure appears, recorded by the communication unit 5 and converted by the unit 7 into a signal corrected by the 10 v unit depending on the temperature of the soil solution controlled by the sensor 3, the signal from block 10 enters the compensation block 12 is subtracted from the value of s the signal coming from the capillary pressure sensor 4 through the signal conversion unit 9 and the temperature correction unit 11. The output signal of block 12 is transmitted to block 13 of the registration signals. Corrected by the block 11, the signal from the capillary pressure sensor 4 is supplied to the signal recording unit 13. Thus, depending on the needs, it is possible to separately obtain information on the temperature of the soil solution, on the total pressure of soil moisture, as well as on capillary and osmotic pressure. Using a calibration curve, the true soil moisture is determined from the capillary pressure.

Был поставлен опыт: взятые образцы проб почвы поливали водой мин реализации - 4,8 г/л. Влажность измерялась одновременно тензиометром АМ-20-11 и данным устройством. Результаты приведены в таблице. Experience was set: the taken samples of soil samples were watered with water of sales min - 4.8 g / l. Humidity was measured simultaneously by the AM-20-11 tensiometer and this device. The results are shown in the table.

Из таблицы видно, что известный тензиометр уменьшает показания влажности на величину 4,5-10,3% , что в свою очередь приводит к перерасходу поливной воды на 30-40 м3/га. А данное устройство позволяет избежать этого недостатка. The table shows that the known tensiometer reduces the moisture reading by 4.5-10.3%, which in turn leads to an excessive consumption of irrigation water by 30-40 m3 / ha. And this device avoids this drawback.

Claims

1. DEVICE FOR DETERMINING SOIL HUMIDITY, containing a sensor unit connected via a measuring circuit to a registration unit, characterized in that, in order to improve the accuracy of determining the moisture content of saline soils, the sensor unit is equipped with sensors for osmotic and capillary pressure and soil solution temperature, and a measuring scheme equipped with two communication units, three conversion units, two temperature correction units and an osmotic pressure compensation unit, while the output of the soil temperature sensor solution through the first conversion unit is connected to the first inputs of the registration unit and the first and second blocks of temperature correction, the second inputs of which are connected to the outputs of the second and third conversion units, respectively, and the inputs of the latter through the first and second communication units are connected to the outputs of the osmotic and capillary pressure sensors moreover, the outputs of the first and second temperature correction units are connected to the inputs of the osmotic pressure compensation unit and the second and third inputs of the registration unit and, the fourth input of which is connected with the output of the osmotic pressure compensation unit.

2. The device according to claim 1, characterized in that the osmotic pressure sensor is made in the form of a fitting, hermetically connected to the capillary pressure sensor, the lower end of which is closed by a semi-permeable osmotic membrane and made inclined.