RU2269766C2 - Рефлектометрический влагомер - Google Patents
Рефлектометрический влагомер Download PDFInfo
- Publication number
- RU2269766C2 RU2269766C2 RU2003136497/09A RU2003136497A RU2269766C2 RU 2269766 C2 RU2269766 C2 RU 2269766C2 RU 2003136497/09 A RU2003136497/09 A RU 2003136497/09A RU 2003136497 A RU2003136497 A RU 2003136497A RU 2269766 C2 RU2269766 C2 RU 2269766C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- output
- input
- delay line
- rod
- synchronizer
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
Abstract
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля влажности почвы, семян зерновых культур и разнообразных сыпучих материалов, например, в сельском хозяйстве или строительстве. Рефлектометрический влагомер содержит высокочастотный тройник, соединенный первым отводом с входом стробоскопического отсчетного устройства, синхронизирующий выход которого подключен к первому выходу синхронизатора, а выход - к осциллографу, другой отвод тройника подсоединен к выходу генератора зондирующих импульсов, запускающий вход которого подключен к второму выходу синхронизатора. Третий отвод тройника через согласующее устройство соединен с соединительныым кабелем, подключенным к первичному преобразователю, который выполнен в виде линии задержки с распределенными параметрами, входные концы которой являются входом первичного преобразователя, а выходные концы выполнены разомкнутыми или замкнутыми. Линия задержки выполнена в виде отрезка коаксиальной линии, имеющей спираль провода с изолированными витками на внутреннем стержне из изолирующего, диэлектрического или ВЧ - электромагнитного материала и внешний экран, который выполнен в виде внешних стержневых проводников, расположенных симметрично по окружности относительно внутреннего стержня. Закрепленные на основании концы стержневых проводников замкнуты перемычкой, которая вместе с началом провода спирали образует входные концы линии задержки, а измеряемая среда помещается в пространстве между внутренним стержнем и внешними стержневыми проводниками. Техническим результатом является повышение точности контроля влажности измеряемых сред, а также значительное уменьшение габаритов устройства. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.
Description
Изобретение относится к сельскому хозяйству, строительству и может быть использовано для контроля влажности почвы, семян зерновых культур и других сыпучих материалов.
Известно устройство для измерения влажности (кн. Кричевский Е.С., Бензарь В.К., Венедиктов М.В. и др. Под редакцией Кричевского Е.С. Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов. - М.: Энергия, 1980, с.84), содержащее первичный преобразователь, подключенный к рабочему генератору посредством соединительного кабеля, выход генератора присоединен к первому входу смесителя, второй вход которого связан с опорным генератором, а выход - через фильтр нижних частот с преобразователем частота - напряжение, к выходу которого подключен регистрирующий прибор.
Известны также устройства для определения влажности сыпучих материалов, например почв (С.М.Чудинова и др. Применение метода рефлектометрии во временной области для определения влажности почв // «Почвоведение», №10, 1996, с.1263-1270), содержащие смеситель, соединенный с выходом генератора зондирующих импульсов, входом стробоскопического осциллографа и через соединительный кабель - с первичным измерительным преобразователем. Здесь под смесителем понимается устройство (кн. «Техническое описание и инструкция по эксплуатации измерителя неоднородности линий Р5-15», 1991 г.), выполняющее фактически функции разветвления электромагнитной энергии и устройства дискретизации и экстраполяции нулевого порядка или выборки - хранения или стробируемого пикового детектора.
Раскрывая существенные признаки известного устройства по его описанию из указанной книги, представим смеситель соединением высокочастотного тройника, обеспечивающего разветвление сигнала, и отчетного устройства, преобразующего непрерывный сигнал в дискретно - ступенчатый сигнал, а из состава стробоскопического осциллографа выделим синхронизатор, обеспечивающий работу отсчетного устройства в стробоскопическом режиме, необходимом для осциллографирования импульсных сигналов наносекундной длительности, и одновременно запускающий генератор зондирующих импульсов.
Таким образом, известное устройство содержит высокочастотный тройник, соединенный первым отводом с входом стробоскопического отсчетного устройства, синхронизирующий вход которого подключен к первому выходу синхронизатора, а выход - к осциллографу, другой отвод тройника подсоединен к выходу генератора зондирующих импульсов, запускающий вход которого подключен к второму выходу синхронизатора, третий отвод высокочастотного тройника связан через соединительный кабель с первичным измерительным преобразователем.
Принцип действия этого устройства заключается в определении влажности различных сред по ее диэлектрической проницаемости путем измерения с помощью рефлектометров времени прохождения (TDR - Time Domain Reflectometry) электромагнитного импульса по первичному измерительному преобразователю, помещенному в эту среду. В качестве первичных преобразователей, находящихся в непосредственном контакте со средой, используют отрезки коаксиальной или двухпроводной линии связи, разомкнутые на конце, в которых роль диэлектрика играет измеряемая среда. Время td задержки отраженного относительно зондирующего видеоимпульса при прохождении его по всей длине первичного измерительного преобразователя в прямом и обратном направлениях выражается формулой:
где с - скорость распространения электромагнитной волны в вакууме (скорость света), L - геометрическая длина первичного измерительного преобразователя (длина отрезка линии связи), ε - диэлектрическая проницаемость измеряемой среды.
Такие устройства имеют недостатки, связанные с наличием существенных погрешностей контроля влажности, а также и значительных массо-габаритных характеристик.
Выражение, связывающее погрешность δθ измерения влажности с первичной ошибкой контроля временной задержки отраженного импульса δtd, например, при измерении влажности почвы, имеет вид:
Из приведенной формулы следует, что для уменьшения ошибки измерения необходимо увеличивать длину первичного преобразователя L (что эквивалентно увеличению времени задержки отраженного импульса) и уменьшать ошибку измерения времени задержки импульса δtd, например, уменьшая длительность фронта зондирующего импульса. Увеличение длины первичного преобразователя ограничено размером слоя измеряемой среды, на котором значение средней влажности можно считать постоянной.
В настоящее время наиболее эффективно применение рефлектометрического влагомера, позволяющего увеличить в несколько раз время задержки в первичном измерительном преобразователе со средой и соответственно уменьшить ошибку измерения без увеличения геометрических размеров путем использования первичного измерительного преобразователя, выполненного в виде линии задержки с распределенными параметрами, входные концы которой являются входом первичного преобразователя, а выходные концы линии задержки с распределенными параметрами выполнены разомкнутыми или замкнутыми. Причем между третьим отводом высокочастотного тройника и соединительным кабелем включено согласующее устройство, необходимое (во избежание больших потерь и помех отражения) для обеспечения согласования низкого волнового сопротивления высокочастотного тройника (50 Ом) с соединительным кабелем высокого волнового сопротивления (100-200 Ом).
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности контроля влажности, а также уменьшение массы и габаритов конструкции влагомеров.
Такой технический результат достигается тем, что в рефлектометрический влагомер, содержащий высокочастотный тройник, соединенный одним отводом с входом стробоскопического отсчетного устройства, синхронизирующий вход которого подключен к первому выходу синхронизатора, а выход - к осциллографу, другим отводом подсоединенный к выходу генератора зондирующих импульсов, запускающий вход которого подключен к второму выходу синхронизатора, и третьим отводом связанный с соединительным кабелем, вводится первичный измерительный преобразователь в виде линии задержки с распределенными параметрами, входные концы которой являются входом первичного преобразователя, а выходные концы выполнены разомкнутыми или замкнутыми, причем между третьим отводом высокочастотного тройника и соединительным кабелем включено согласующее устройство.
В зависимости от назначения предложенного устройства могут применяться линии задержки с распределенными параметрами, например, разнообразных коаксиальных конструкций:
- с внутренним проводником в виде проводящего стержня с равномерно расположенными кольцевыми канавками и внешним экраном в виде отрезка проводящего цилиндра;
- с внутренним проводником в виде полого стержня и внешним экраном в виде спирали провода с изолированными витками;
- с внутренним проводником в виде спирали провода с изолированными витками, намотанной на диэлектрический цилиндрический стержень (или на стержень из ВЧ-электромагнитного материала) и внешним экраном в виде спирали провода с изолированными витками с намоткой на диэлектрическом каркасе в противоположную сторону по отношению к намотке внутреннего проводника.
Для измерения разнообразных сред сельскохозяйственного и строительного назначения (почвы, зерно в насыпях, мешках и др. сыпучие материалы) наилучшим техническим решением является первичный измерительный преобразователь в виде отрезка коаксиальной линии, имеющей спираль провода с изолированными витками на внутреннем стержне из изолирующего, диэлектрического или ВЧ-электромагнитного материала и внешний экран, выполненный в виде внешних стержневых проводников, расположенных симметрично по окружности относительно внутреннего стержня. Закрепленные на основании концы внешних стержневых проводников замкнуты проводящей перемычкой, которая вместе с началом провода спирали образует входные концы линии задержки с распределенными параметрами, при этом измеряемая среда помещается в пространстве между внутренним стержнем и внешними стержневыми проводниками.
Предлагаемое решение позволяет легко проникать в измеряемую среду путем прокалывания ее слоя, при этом электромагнитное поле, создаваемое первичным преобразователем, будет локализовано в пространстве измеряемой среды между внешними стержневыми проводниками и спиралью, что повышает точность измерения.
На фиг.1 показана блок-схема устройства рефлектометрического влагомера.
Устройство содержит генератор 1 зондирующих импульсов, подключенный к отводу высокочастотного тройника 2, другой отвод которого присоединен к входу стробоскопическому отсчетному устройству 3, а третий отвод связан через согласующее устройство 4 посредством соединительного кабеля 5 с входными концами линии задержки с распределенными параметрами. Для отображения форм и длительностей зондирующего и отраженного импульсов используется осциллограф 7, своим входом присоединенный к выходу стробоскопического отсчетного устройства 3. Синхронизирующий вход последнего присоединен к первому выходу синхронизатора 8, ко второму выходу которого подключен запускающий вход генератора зондирующих импульсов. Синхронизатор 8 (Техническое описание и инструкция по эксплуатации измерителя неоднородности линий Р5-15) осуществляет сканирование по времени задержки периодических импульсов (например, с периодом 10 мкс) на первом выходе относительно времени задержки импульсов на втором выходе периодически с низкой частотой (например, порядка 20 Гц) таким образом, чтобы в течение периода этой низкой частоты можно было наблюдать отраженные импульсы от замкнутых или разомкнутых выходных концов линии задержки с распределенными параметрами.
На фиг.2 изображена линия задержки с распределенными параметрами, выполненная в виде отрезка коаксиальной линии по предложенному техническому решению (общий вид).
Рефлектометрический влагомер с линией задержки с распределенными параметрами 9 (фиг.2) выполнен с применением отрезка коаксиальной линии, имеющей спираль (10) провода с изолированными витками на внутреннем стержне из изолирующего, диэлектрического или ВЧ - электромагнитного материала и внешний экран, выполненный в виде внешних стержневых проводников (11), расположенных симметрично по окружности относительно внутреннего стержня, закрепленные на основании (12) концы внешних стержневых проводников замкнуты проводящей перемычкой (13), которая вместе с началом провода спирали образует входные концы линии с распределенными параметрами. Измеряемая среда (почва, зерно и др. сыпучие материалы) помещается в пространстве между внутренним стержнем со спиралью 10 и внешними стержневыми проводниками 11.
Устройство работает следующим образом. От запускающего импульса на втором выходе синхронизатора 8 посредством генератора 1 зондирующих импульсов формируется короткий импульс (наносекундной длительности), который через высокочастотный тройник 2, согласующее устройство 4 и соединительный кабель 5 возбуждает линию задержки с распределенными параметрами 6, в которую помещена измеряемая среда, имеющая определенную диэлектрическую проницаемость (определяемую влажностью среды). При этом зондирующий импульс, пройдя через высокочастотный тройник 2, согласующее устройство 4 и соединительный кабель 5, частично отражается от входа линии задержки с распределенными параметрами (вследствие неполного согласования волновых сопротивлений соединительного кабеля и линии), и далее, проходя по всей длине линии 9 задержки с распределенными параметрами практически полностью отражается от ее выхода в сторону входа. В случае, если выходные концы линии 9 задержки с распределенными параметрами разомкнуты (фиг.2), т.е. удаленные от входа концы спирали 10 и внешних стержневых проводников 11 не связаны (разомкнуты), то отраженный импульс будет в фазе с зондирующим импульсом генератора 1 зондирующих импульсов. Если же выходные концы линии задержки с распределенными параметрами замкнуты, то отраженный импульс будет находиться в противофазе относительно зондирующего импульса. Отраженный импульс проходит по линии 9 задержки с распределенными параметрами, затем - по соединительному кабелю 5, согласующему устройству 4, через высокочастотный тройник 2 поступает обратно на вход стробоскопического отсчетного устройства 3. При этом такой отраженный импульс оказывается задержанным (относительно) зондирующего импульса на интервал времени, определяемый временами задержки, возникающими в соединительном кабеле 5, согласующем устройстве 4 и в линии 9 задержки с распределенными параметрами, заполненной измеряемой средой. Поскольку внутренний проводник линии 9 задержки с распределенными параметрами выполнен в виде спирали, то значение погонной индуктивности будет в несколько раз больше, чем у линейного проводника, что приводит к уменьшению скорости распространения импульса. Соответственно, увеличивается время задержки отраженного импульса и чувствительность первичного преобразователя. С другой стороны, время задержки отраженного импульса зависит от диэлектрической проницаемости ε измеряемой среды по формуле (1).
Наблюдая на его экране осциллографа рефлектограмму - форму отраженного импульса или форму суммы отраженного и зондирующего импульсов, измеряют время задержки отраженного (относительно зондирующего) импульса.
По результатам измерения величин времени задержки при использовании формулы (1) и градуировочных графиков находят значения влажности измеряемой среды.
Предлагаемое устройство позволяет существенно повысить точность контроля влажности измеряемых сред (до 5 раз по сравнению с известными устройствами) без применения внутренних стержней из диэлектрического или ВЧ-электромагнитного материала, а также значительно уменьшить его массу и габариты за счет укорочения первичного преобразователя.
Для первичного преобразователя по п.2 со спиралью, навитой на внутреннем стержне из ВЧ-электромагнитного материала (ферритовым стержне), можно довести минимальный размер первичного преобразователя до 5 см с сохранением чувствительности, свойственной известным устройствам.
Claims (2)
1. Рефлектометрический влагомер, содержащий высокочастотный тройник, соединенный первым отводом с входом стробоскопического отсчетного устройства, синхронизирующий вход которого подключен к первому выходу синхронизатора, а выход - к осциллографу, другой отвод высокочастотного тройника подсоединен к выходу генератора зондирующих импульсов, запускающий вход которого подключен к второму выходу синхронизатора, а также соединительный кабель, связанный с первичным преобразователем, отличающийся тем, что первичный преобразователь выполнен в виде линии задержки с распределенными параметрами, входные концы которой являются входом первичного преобразователя, а выходные концы выполнены разомкнутыми или замкнутыми, и введено согласующее устройство, включенное между третьим отводом высокочастотного тройника и соединительным кабелем.
2. Рефлектометрический влагомер по п.1, отличающийся тем, что линия задержки с распределенными параметрами выполнена в виде отрезка коаксиальной линии, имеющей спираль провода с изолированными витками на внутреннем стержне из изолирующего, диэлектрического или ВЧ-электромагнитного материала и внешний экран, выполненный в виде внешних стержневых проводников, расположенных симметрично по окружности относительно внутреннего стержня, закрепленные на основании концы внешних стержневых проводников замкнуты проводящей перемычкой, которая вместе с началом провода спирали образует входные концы линии задержки с распределенными параметрами, при этом измеряемая среда помещается в пространстве между внутренним стержнем и внешними стержневыми проводниками.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003136497/09A RU2269766C2 (ru) | 2003-12-19 | 2003-12-19 | Рефлектометрический влагомер |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2003136497/09A RU2269766C2 (ru) | 2003-12-19 | 2003-12-19 | Рефлектометрический влагомер |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2003136497A RU2003136497A (ru) | 2005-05-27 |
RU2269766C2 true RU2269766C2 (ru) | 2006-02-10 |
Family
ID=35824308
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2003136497/09A RU2269766C2 (ru) | 2003-12-19 | 2003-12-19 | Рефлектометрический влагомер |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2269766C2 (ru) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2014077736A1 (ru) | 2012-11-14 | 2014-05-22 | Sizikov Oleg Kreonidovich | Влагомер сыпучих материалов |
WO2014123450A1 (ru) | 2013-02-06 | 2014-08-14 | Sizikov Oleg Kreonidovich | Влагомер |
RU2572819C2 (ru) * | 2013-04-01 | 2016-01-20 | Олег Креонидович Сизиков | Влагомер (варианты) |
RU2585255C2 (ru) * | 2013-05-22 | 2016-05-27 | Олег Креонидович Сизиков | Влагомер - диэлькометр (варианты) |
-
2003
- 2003-12-19 RU RU2003136497/09A patent/RU2269766C2/ru not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
«ПОЧВОВЕДЕНИЕ», Москва, МАИК «Наука», 1996, №10, с.1263-1270. * |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2014077736A1 (ru) | 2012-11-14 | 2014-05-22 | Sizikov Oleg Kreonidovich | Влагомер сыпучих материалов |
WO2014123450A1 (ru) | 2013-02-06 | 2014-08-14 | Sizikov Oleg Kreonidovich | Влагомер |
RU2572087C2 (ru) * | 2013-02-06 | 2015-12-27 | Олег Креонидович Сизиков | Влагомер |
RU2572819C2 (ru) * | 2013-04-01 | 2016-01-20 | Олег Креонидович Сизиков | Влагомер (варианты) |
RU2585255C2 (ru) * | 2013-05-22 | 2016-05-27 | Олег Креонидович Сизиков | Влагомер - диэлькометр (варианты) |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2003136497A (ru) | 2005-05-27 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US4165482A (en) | Cable fault location | |
Heimovaara | Frequency domain analysis of time domain reflectometry waveforms: 1. Measurement of the complex dielectric permittivity of soils | |
US5646537A (en) | Antenna-probe measuring moisture in soil and other mediums | |
US6441622B1 (en) | Method and apparatus for time domain reflectometry moisture sensing in various media | |
JP2010540942A5 (ru) | ||
US20090212789A1 (en) | Modified tdr method and apparatus for suspended solid concentration measurement | |
Thomsen et al. | Application of TDR to water level measurement | |
US6819121B1 (en) | Method and apparatus for measurement of concrete cure status | |
US4918375A (en) | Reflectometric moisture meter for capillary-porous materials, especially for the soil | |
CN104914115B (zh) | 土壤墒情测定仪及其测定方法 | |
CN108562623A (zh) | 一种适合于频域频率步进体制测量土壤介电特性的传感器及其制作方法 | |
CN105866177A (zh) | 一种基于时域传输的土壤水分测量的土壤探针 | |
US6619117B1 (en) | Level measuring instrument | |
Pettinelli et al. | Time domain reflectrometry: Calibration techniques for accurate measurement of the dielectric properties of various materials | |
RU2269766C2 (ru) | Рефлектометрический влагомер | |
US5804976A (en) | Device for determining the ratio of substances | |
CN107860822A (zh) | 一种混合质量超声在线非侵入式检测方法 | |
US20050007121A1 (en) | Systems and methods for non-destructively testing conductive members employing electromagnetic back scattering | |
US11815484B2 (en) | Device for measuring complex dielectric permittivity of a material-under-test, measuring device for multiple reflections of time-domain signals of a complex dielectric and measuring method thereof | |
US8285503B1 (en) | Balanced two-conductor time domain reflectometer | |
CN207866750U (zh) | 一种适合于频域频率步进体制测量土壤介电特性的传感器 | |
CN205607894U (zh) | 一种基于时域传输的土壤水分测量的土壤探针 | |
Cataldo et al. | Time domain reflectometry technique for monitoring of liquid characteristics | |
KR200340338Y1 (ko) | 토양의 습도 및 염도 측정장치 | |
RU2273017C2 (ru) | Устройство для измерения влажности сыпучих материалов |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20061220 |