RU2638150C2 - Method and device for determining soil moisture content - Google Patents

Method and device for determining soil moisture content Download PDF

Info

Publication number
RU2638150C2
RU2638150C2 RU2015139242A RU2015139242A RU2638150C2 RU 2638150 C2 RU2638150 C2 RU 2638150C2 RU 2015139242 A RU2015139242 A RU 2015139242A RU 2015139242 A RU2015139242 A RU 2015139242A RU 2638150 C2 RU2638150 C2 RU 2638150C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
soil
moisture
soil moisture
dielectric
spiral resonator
Prior art date
Application number
RU2015139242A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015139242A (en
Inventor
Олег Иванович Столяров
Александр Иванович Попов
Андрей Юрьевич Новиков
Евгений Евгеньевич Латышев
Денис Игоревич Наумов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ)
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 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет" (СПбГУ)
Priority to RU2015139242A priority Critical patent/RU2638150C2/en
Publication of RU2015139242A publication Critical patent/RU2015139242A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2638150C2 publication Critical patent/RU2638150C2/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N22/00Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
    • G01N22/04Investigating moisture content

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: spiral resonator is proposed as a moisture sensitive device mounted on an internal dielectric pipe which is fixed by discs inside an external dielectric pipe. The device also contains measuring and electronic units, two containers for soil inserted in housing at different distance from spiral resonator, and electric probes arranged diametrically opposite with optimal orientation.
EFFECT: increased sensitivity of the spiral resonator to a change of soil moisture content, expanded measurement range, as well as convenient operation with soil samples.
2 cl, 7 dwg, 2 ex

Description

Предлагаемое изобретение относится к области техники для сельского хозяйства и может быть использовано для оперативного определения влажности почвы с высокой чувствительностью в любом встречающемся на практике диапазоне изменения влажности или концентрации соли и учетом мешающих точному определению влажности эффектов, связанных со стеканием влаги по стенкам скважины или вдоль введенного в землю зонда для известных устройств.The present invention relates to the field of technology for agriculture and can be used to quickly determine soil moisture with high sensitivity in any practical range of changes in moisture or salt concentration and taking into account effects that prevent accurate determination of moisture associated with runoff of moisture along the walls of the well or along the entered into the ground probe for known devices.

Известен электрический датчик [1] для измерения распределения влажности почвы по глубине, в котором использован способ измерения, базирующийся на зависимости диэлектрической проницаемости почвы от ее влажности. Изменение последней отражается на емкости между электродами в почве и частоте генератора, элементом которого служит упомянутая емкость. Однако недостаток датчика заключается в том, что информация о влажности получается с малой точностью и неконтролируемой погрешностью. Это объясняется зависимостью емкости между электродами в почве не только от влажности, но и от почвенной структуры и процессов взаимодействия почвы с электродами, приводящих к поляризации электродов. Последнее используется для мониторинга структуры почвы.A known electric sensor [1] for measuring the distribution of soil moisture over depth, in which a measurement method is used, based on the dependence of the dielectric constant of the soil on its moisture. A change in the latter is reflected in the capacitance between the electrodes in the soil and the frequency of the generator, the element of which is said capacitance. However, the disadvantage of the sensor is that humidity information is obtained with low accuracy and uncontrolled error. This is explained by the dependence of the capacitance between the electrodes in the soil not only on moisture, but also on the soil structure and the processes of interaction of the soil with the electrodes, leading to polarization of the electrodes. The latter is used to monitor soil structure.

Известен дистанционный радиофизический способ определения влажности [2], который базируется на зондировании поверхности почвы в диапазоне СВЧ и использовании предварительно полученных радиационно-влажностных зависимостей в лабораторных условиях. Недостаток способа состоит в необходимости применять достаточно сложную методику и дорогостоящую аппаратуру.Known remote radiophysical method for determining moisture [2], which is based on sensing the soil surface in the microwave range and the use of previously obtained radiation-moisture dependencies in laboratory conditions. The disadvantage of this method is the need to use a fairly sophisticated technique and expensive equipment.

Известен метод и аппаратура для измерения влажности почвы [3], в которой используются два электрода, электрическая емкость между которыми считается пропорциональной содержанию влаги в почве между электродами. Однако недостаток этого способа также состоит в наличии погрешности, обусловленной влиянием почвенной структуры и поляризации электродов, которые никак не учитываются.A known method and apparatus for measuring soil moisture [3], which uses two electrodes, the electrical capacitance between which is considered proportional to the moisture content in the soil between the electrodes. However, the disadvantage of this method also lies in the presence of an error due to the influence of the soil structure and polarization of the electrodes, which are not taken into account in any way.

Известен способ определения влажности почвы [4], взятый за прототип для заявленного способа. Способ заключается в отборе образцов почвы по горизонтам (глубине) на поле, где запланировано наблюдение за влажностью, их взвешивании, однократном определении плотности почвы в начале периода наблюдения, определение влажности стандартным термостатно-весовым способом, включающим однократное высушивание образцов, построении калибровочной кривой зависимости влажности от плотности почвы, при дальнейшем наблюдении взвешивании образцов почвы прямо в поле и определении влажности по калибровочной кривой. Этот способ позволяет избавиться от сушки образца почвы при каждом определении ее влажности, направлен на уменьшение трудоемкости при измерениях.A known method for determining soil moisture [4], taken as a prototype for the claimed method. The method consists in taking soil samples by horizons (depth) on the field where moisture monitoring is planned, weighing them, once determining the soil density at the beginning of the observation period, determining moisture by a standard thermostat-weight method, including once drying the samples, building a calibration curve of moisture dependence on soil density, with further observation, weighing soil samples directly in the field and determining moisture from the calibration curve. This method allows you to get rid of drying a soil sample with each determination of its moisture content, aimed at reducing the complexity of the measurements.

Недостатком известного способа является недостаточно высокая точность определения влажности, поскольку в процессе роста растений изменяется не только влажность почвы, но и ее состав. Изменение состава почвы отражается на весе образцов почвы вне зависимости от влажности, что в прототипе не учитывается.The disadvantage of this method is the lack of accuracy in determining moisture, because in the process of plant growth changes not only the soil moisture, but also its composition. The change in soil composition is reflected in the weight of soil samples regardless of moisture, which is not taken into account in the prototype.

Техническим результатом заявленного способа является повышение точности определения влажности почвы за счет использования при калибровке и измерениях такого электрического параметра почвы, который более адекватно отражает изменение ее влажности в процессе роста растений. Таким параметром выбрана диэлектрическая проницаемость почвы, значение которой для свободной воды, наиболее доступной корням растений, на порядок больше значений для других компонентов почвы.The technical result of the claimed method is to increase the accuracy of determining soil moisture due to the use in the calibration and measurement of such an electrical parameter of the soil, which more adequately reflects a change in its moisture during plant growth. The dielectric constant of the soil was chosen as such a parameter, the value of which for free water, the most accessible to plant roots, is an order of magnitude greater than the values for other soil components.

Указанный технический результат для способа достигается тем, что при определении влажности почвы, включающем отбор образцов почвы по горизонтам на поле, однократное высушивание образцов с одновременной калибровкой влажности почвы, согласно изобретению, при калибровке используют зависимость диэлектрической проницаемости почвы от ее влажности в любом встречающемся на практике диапазоне изменения влажности и определяют влажность почвы по калибровочной кривой, построенной на основе этой зависимости. Измерения показывают, что влажность почвы может изменяться от 0 до 45%. Верхний предел ограничен стеканием влаги вниз.The specified technical result for the method is achieved by the fact that when determining soil moisture, including taking soil samples horizontally in the field, drying the samples once with simultaneous calibration of soil moisture, according to the invention, the calibration uses the dependence of the dielectric constant of the soil on its moisture content in any practice the range of changes in humidity and determine the moisture content of the soil according to a calibration curve built on the basis of this dependence. Measurements show that soil moisture can vary from 0 to 45%. The upper limit is limited to dripping moisture down.

Для реализации заявленного способа определения влажности почвы необходимо устройство, которое способно с достаточной точностью отслеживать изменение диэлектрической проницаемости почвы при изменении ее влажности.To implement the claimed method for determining soil moisture, you need a device that is capable of tracking with sufficient accuracy the change in the dielectric constant of the soil with a change in its moisture content.

Из уровня техники известно устройство для измерения влажности почвы [5], основными элементами которого являются измеритель амплитудно-частотныххарактеристик и чувствительный элемент в виде круглого волноводного резонатора, куда помещается контролируемый образец почвы. Влажность почвы рассчитывается по измеренному значению резонансной частоты и известной зависимости диэлектрической проницаемости почвы от влажности, которая получена в [6]. Недостаток устройства состоит в невозможности его использования для почвы произвольного состава, так как указанные зависимости получены только для песчаной и глинистой почв.The prior art device for measuring soil moisture [5], the main elements of which are a meter of amplitude-frequency characteristics and a sensitive element in the form of a circular waveguide resonator, where a controlled soil sample is placed. Soil moisture is calculated from the measured value of the resonant frequency and the known dependence of the dielectric constant of the soil on moisture, which was obtained in [6]. The disadvantage of the device is the impossibility of its use for soil of arbitrary composition, since these dependencies were obtained only for sandy and clay soils.

Известно устройство, имеющее в качестве чувствительного к влажности элемента резонатор в виде отрезка длинной линии и используемое при реализации способа определения влагосодержания вещества [7]. В длинной линии возбуждают электромагнитные колебания, а в качестве информативного параметра используют одну из резонансных частот, в частности, основную резонансную частоту, по которой судят о значении влагосодержания. Применение такого чувствительного элемента ориентировано только на некоторые строительные материалы с известной диэлектрической проницаемостью сухого материала, что является недостатком этого способа, а также устройства.A device is known having, as a moisture sensitive element, a resonator in the form of a long line segment and used in the implementation of the method for determining the moisture content of a substance [7]. In a long line, electromagnetic oscillations are excited, and one of the resonant frequencies is used as an informative parameter, in particular, the main resonant frequency, which is used to judge the value of moisture content. The use of such a sensitive element is focused only on some building materials with a known dielectric constant of dry material, which is a disadvantage of this method, as well as the device.

Наиболее близким по конструктивному исполнению к заявленному устройству является радиоволновый датчик для определения диэлектрической проницаемости и содержания воздуха в топливе самолета или автомашины, который выбран в качестве прототипа [8]. Чувствительным элементом датчика служит резонатор в виде закороченного с торцов металлическими пластинами отрезка спирального волновода. Измерительное устройство датчика содержит резонатор, подключенный к электронному блоку. Последний в своем составе имеет аналоговый или цифровой измеритель амплитудно-частотной характеристики и компьютер, соединенные по стандартной схеме в электронный блок для наблюдения частотной характеристики и измерения резонансной частоты. Эта частота является измеряемым параметром и после калибровки позволяет определить названные выше параметры топлива.The closest in design to the claimed device is a radio wave sensor for determining the dielectric constant and air content in the fuel of an airplane or car, which is selected as a prototype [8]. The sensitive element of the sensor is a resonator in the form of a segment of a spiral waveguide shorted from the ends by metal plates. The measuring device of the sensor contains a resonator connected to the electronic unit. The latter in its composition has an analog or digital amplitude-frequency characteristic meter and a computer connected by a standard circuit to an electronic unit for observing the frequency response and measuring the resonant frequency. This frequency is a measured parameter and after calibration it is possible to determine the above fuel parameters.

Недостатком известного устройства является невысокая точность получаемого значения диэлектрической проницаемости при наличии значительных потерь энергии электромагнитного поля в топливе.A disadvantage of the known device is the low accuracy of the obtained value of the dielectric constant in the presence of significant energy losses of the electromagnetic field in the fuel.

Указанный недостаток объясняется невозможностью измерить с достаточной точностью резонансную частоту при изменении диэлектрической проницаемости топлива, имеющего значительные потери, так как добротность резонатора становится низкой.This drawback is due to the inability to measure with sufficient accuracy the resonance frequency when the dielectric constant of the fuel, which has significant losses, changes, since the quality factor of the resonator becomes low.

Техническим результатом заявленного устройства является повышение точности определения влажности почвы за счет более точного измерения ее диэлектрической проницаемости, в том числе при наличии значительных потерь энергии для больших значениях влажности.The technical result of the claimed device is to increase the accuracy of determining soil moisture due to a more accurate measurement of its dielectric constant, including in the presence of significant energy losses for large values of moisture.

Технический результат для устройства достигается тем, что в известном устройстве, содержащем корпус, спиральный резонатор и электронный блок, согласно изобретению, спиральный резонатор выполнен в виде полого диэлектрического цилиндра с расположенным на нем в продольном направлении проводником, концы которого замкнуты, спиральный резонатор размещен на внутренней диэлектрической трубе, которая с помощью дисков закреплена внутри внешней диэлектрической трубы, два контейнера симметричной формы, внешний и внутренний, вставлены в корпус на разном удалении от спирального резонатора, к которому по стенке внутренней диэлектрической трубы подведены два коаксиальных кабеля, концы которых имеют электрические зонды, а противоположные концы кабелей подведены к коаксиальным разъемам на крышке внутренней диэлектрической трубы для соединения с электронным блоком.The technical result for the device is achieved in that in the known device comprising a housing, a spiral resonator and an electronic unit, according to the invention, the spiral resonator is made in the form of a hollow dielectric cylinder with a conductor located on it in the longitudinal direction, the ends of which are closed, the spiral resonator is placed on the inner a dielectric pipe, which is fixed with the help of disks inside the external dielectric pipe, two containers of symmetrical shape, external and internal, are inserted into the housing a different distance from the spiral resonator, which on the inner wall of the dielectric tube summed two coaxial cables, the ends of which are electrically probes, and the opposite ends of the cables are connected to the coaxial connectors to the cover inner dielectric tube for connection to the electronic unit.

Схема заявленного устройства для определения влажности почвы показана на Фиг. 1 (а и б). На Фиг. 1а приведена общая конструкция, а на Фиг. 1б более наглядно показана форма контейнеров. В корпусе 1 спиральный резонатор 2 установлен на внутренней диэлектрической трубе 3, которая с помощью дисков 4 закреплена внутри внешней диэлектрической трубы 5, два контейнера из диэлектрика 6 и 7 симметричной формы, внешний и внутренний, вставлены в корпус 1 на разном удалении от спирального резонатора, к которому по стенке внутренней диэлектрической трубы 3 подведены два коаксиальных кабеля 8, концы которых имеют электрические зонды, а противоположные концы кабелей подведены к коаксиальным разъемам 9 на крышке 10 внешней диэлектрической трубы 5 для соединения с электронным блоком.A diagram of the inventive device for determining soil moisture is shown in FIG. 1 (a and b). In FIG. 1a shows the general construction, and FIG. 1b, the shape of the containers is shown more clearly. In the housing 1, the spiral resonator 2 is mounted on the inner dielectric tube 3, which is fixed with the help of the discs 4 inside the outer dielectric tube 5, two containers of a dielectric 6 and 7 of a symmetrical shape, external and internal, are inserted into the housing 1 at different distances from the spiral resonator, to which two coaxial cables 8 are connected along the wall of the internal dielectric pipe 3, the ends of which have electric probes, and the opposite ends of the cables are connected to the coaxial connectors 9 on the cover 10 of the external dielectric Uba 5 for connection to the electronic unit.

Контейнеры имеют ручки 11 и 12, толщина диэлектрических стенок влияет на чувствительность и выбирается минимально возможной для обеспечения прочности. Отличие внутреннего контейнера 6 от внешнего контейнера 7 только в радиальных размерах. Корпус снабжен ручками 13 и изготовляется из металла для устранения влияния на результаты измерений внешних предметов.The containers have handles 11 and 12, the thickness of the dielectric walls affects the sensitivity and is chosen as low as possible to ensure strength. The difference between the inner container 6 and the outer container 7 is only in radial dimensions. The housing is equipped with handles 13 and is made of metal to eliminate the influence on the measurement results of external objects.

Электрические зонды (возбуждающий и приемный) расположены диаметрально противоположно. Их азимутальная ориентация изменяется поворотом крышки 10 внутренней диэлектрической трубы 3 и фиксируется по форме резонансных кривых на экране электронного блока, которых в общем случае две. Изменяя ориентацию зондов, можно получить одну резонансную кривую с максимальной добротностью. Этим самым устраняется влияние так называемого эффекта поляризационного вырождения в азимутально-симметричных колебательных системах.Electric probes (exciting and receiving) are located diametrically opposite. Their azimuthal orientation is changed by turning the cover 10 of the inner dielectric tube 3 and is fixed in the form of resonance curves on the screen of the electronic unit, which are generally two. By changing the orientation of the probes, it is possible to obtain one resonance curve with maximum quality factor. This eliminates the influence of the so-called polarization degeneracy effect in azimuthally symmetric vibrational systems.

Расположение проводника с замкнутыми концами показано на Фиг. 2 (а и б). Укладка проводника выполняется на отрезке полого диэлектрического цилиндра (Фиг. 2а). Форма уложенного проводника изображена на Фиг. 2б, для большей наглядности диэлектрический цилиндр не показан, а число витков выбрано небольшим. Реально используемый в устройстве спиральный резонатор содержит большее количество витков. Пример конкретного выполнения такого резонатора показан на Фиг. 3.The location of the conductor with closed ends is shown in FIG. 2 (a and b). Laying the conductor is performed on a segment of the hollow dielectric cylinder (Fig. 2A). The shape of the laid conductor is shown in FIG. 2b, for greater clarity, the dielectric cylinder is not shown, and the number of turns is selected small. The spiral resonator actually used in the device contains a larger number of turns. An example of a specific embodiment of such a resonator is shown in FIG. 3.

Устройство для определения влажности почвы используется по предложенному способу следующим образом.A device for determining soil moisture is used according to the proposed method as follows.

1) При калибровке образец влажной почвы помещается в один из контейнеров, вынутых из корпуса. В процессе высушивания влажного образца почвы определяется его влажность термостатно-весовым методом и одновременно отмечается резонансная частота по электронному блоку при помещении контейнера с образцом в устройство. При большой начальной влажности используется контейнер большего размера. При малой начальной влажности - меньшего размера. Последнее обусловлено необходимостью иметь более высокую чувствительность к изменению влажности более сухой песчаной почвы. Под чувствительностью понимается модуль отношения изменения резонансной частоты к малому изменению влажности в МГц. Строится калибровочная кривая в виде зависимости резонансной частоты от влажности почвы. Эта зависимость обусловлена уменьшением диэлектрической проницаемости в процессе высушивания.1) During calibration, a sample of moist soil is placed in one of the containers removed from the housing. In the process of drying a wet soil sample, its moisture is determined by the thermostatic-weight method, and at the same time, the resonant frequency of the electronic unit is noted when the container with the sample is placed in the device. At high initial humidity, a larger container is used. At low initial humidity - smaller. The latter is due to the need to have a higher sensitivity to changes in moisture of drier sandy soil. Sensitivity is understood as the modulus of the ratio of changes in the resonant frequency to a small change in humidity in MHz. A calibration curve is constructed in the form of a dependence of the resonant frequency on soil moisture. This dependence is due to a decrease in permittivity during the drying process.

2) Для определения влажности в процессе роста растений образец почвы помещается в соответствующий контейнер, который использовался при калибровке, контейнер вставляется в корпус предложенного устройства, отмечается значение резонансной частоты по электронному блоку и определяется влажность почвы по калибровочной кривой.2) To determine the moisture during the growth of plants, a soil sample is placed in the appropriate container that was used for calibration, the container is inserted into the housing of the proposed device, the value of the resonance frequency is indicated by the electronic unit and the soil moisture is determined by the calibration curve.

Отличие состоит в том, что вместо взвешивания образца почвы осуществляют отсчет резонансной частоты по электронному блоку, т.е. используют зависимость диэлектрической проницаемости почвы от ее влажности, на основе этой зависимости строят калибровочную кривую, по которой определяют влажность, что дает существенное повышение точности определение влажности почвы, а это имеет большое значение при решении многих задач в сельском хозяйстве, в частности для определения времени посева, агрохимии и при решении многих других актуальных проблем при решении задач импортозамещающей продукции и технологии.The difference is that instead of weighing the soil sample, the resonance frequency is counted over the electronic unit, i.e. they use the dependence of the dielectric constant of the soil on its moisture, on the basis of this dependence they build a calibration curve, which determines the moisture, which gives a significant increase in accuracy to determine the soil moisture, and this is of great importance in solving many problems in agriculture, in particular for determining the time of sowing , agricultural chemistry and in solving many other pressing problems in solving the problems of import-substituting products and technologies.

Пример выполнения заявленного устройства, на котором были выполнены приведенные ниже измерения, представлен на Фиг. 4, на которой представлены: 1 - корпус, 2 - спиральный резонатор, 14 - измерительный блок, 15 - электронный блок, 16 - контейнер с образцом почвы, 17 - возбуждающий зонд, 18 - приемный зонд, 19 - синтезатор, 21 - усилитель, 21 - синхронный детектор, 22 - аналого-цифровой преобразователь, 23 - преобразователь данных, 24 - канал передачи данных, 25 - компьютер.An example of the implementation of the claimed device, on which the following measurements were performed, is presented in FIG. 4, which shows: 1 - housing, 2 - spiral resonator, 14 - measuring unit, 15 - electronic unit, 16 - container with soil sample, 17 - exciting probe, 18 - receiving probe, 19 - synthesizer, 21 - amplifier, 21 — synchronous detector, 22 — analog-to-digital converter, 23 — data converter, 24 — data transmission channel, 25 — computer.

Апробирование заявленного изобретения проведены в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета и Публичного акционерного общества «Техприбор» г. Санкт-Петербург. Устройство имеет измерительный блок 14 и электронный блок 15, который является стандартным для измерения резонансной частоты и добротности резонатора в лабораторных условиях. Один из контейнеров с образцом почвы 16 располагается в корпусе 1 рядом со спиральным резонатором 2, так что образец почвы находится в поле резонатора при возбуждении последнего. Пустой контейнер при измерениях не используется и на фиг. 4 не показан. На возбуждающий зонд 17 подается сигнал от синтезатора 19 через усилитель 20. С приемного зонда 18 сигнал поступает на синхронный детектор 21 и после детектирования - на аналого-цифровой преобразователь 22. Связь блоков осуществляется через разъемы 9 (Фиг. 1). Подготовка данных для программного модуля, который имеется в компьютере 25, реализуется в преобразователе данных 23 и передается по каналу Ethernet 24 в компьютер 25. Наблюдаемая на экране компьютера амплитудно-частотная характеристика позволяет отрегулировать усиление для устранения нелинейных искажений и определить оптимальную ориентацию зондов, о которой было сказано выше. Запуск программного модуля позволяет получить значение резонансной частоты спирального резонатора. При этом прошедший через резонатор сигнал усиливается и используется для накопления цифровой информации об амплитудно-частотной характеристике, которая отражается на экране компьютера. По накопленной информации за один такт развертки определяется резонансная частота с помощью соответствующего программного обеспечения.The claimed invention was tested in laboratory conditions of St. Petersburg State University and Techpribor Public Joint Stock Company in St. Petersburg. The device has a measuring unit 14 and an electronic unit 15, which is standard for measuring the resonant frequency and quality factor of the resonator in laboratory conditions. One of the containers with the soil sample 16 is located in the housing 1 next to the spiral resonator 2, so that the soil sample is in the cavity field when the latter is excited. An empty container is not used for measurements, and in FIG. 4 is not shown. The signal from the synthesizer 19 is fed to the exciting probe 17 through the amplifier 20. From the receiving probe 18, the signal is fed to the synchronous detector 21 and, after detection, to the analog-to-digital converter 22. The blocks are connected through the connectors 9 (Fig. 1). Data preparation for the software module, which is available in computer 25, is implemented in the data converter 23 and transmitted via Ethernet 24 to computer 25. The amplitude-frequency characteristic observed on the computer screen allows you to adjust the gain to eliminate non-linear distortions and determine the optimal probe orientation, about which It was said above. Starting the software module allows you to get the value of the resonant frequency of the spiral resonator. In this case, the signal transmitted through the resonator is amplified and used to accumulate digital information about the amplitude-frequency characteristic, which is reflected on the computer screen. According to the accumulated information for one clock cycle, the resonant frequency is determined using the appropriate software.

При проектировании заявленного устройства возможна приблизительная теоретическая оценка зависимости резонансной частоты спирального резонатора от относительной диэлектрической проницаемости внешней среды по аналогии с расчетом, выполненным в [8]. На Фиг. 5 представлен пример такой зависимости при использовании резонатора, показанного на Фиг. 3, имеющего средний диаметр полого диэлектрического цилиндра, на котором уложен медный провод, 40 мм, толщину диэлектрика 3 мм, диаметр провода 0.5 мм и высоту 20 мм. Указанный диапазон изменения относительной диэлектрической проницаемости внешней среды соответствует рассчитанному изменению влажности почвы от 0 до 10%. Методика такого расчета взята из работы [9].When designing the claimed device, an approximate theoretical assessment of the dependence of the resonant frequency of the spiral resonator on the relative permittivity of the external environment is possible by analogy with the calculation performed in [8]. In FIG. 5 shows an example of such a relationship using the resonator shown in FIG. 3, having an average diameter of a hollow dielectric cylinder on which a copper wire is laid, 40 mm, a dielectric thickness of 3 mm, a wire diameter of 0.5 mm and a height of 20 mm. The indicated range of changes in the relative permittivity of the environment corresponds to the calculated change in soil moisture from 0 to 10%. The methodology for this calculation was taken from [9].

При изготовлении предложенного устройства в заводских условиях для проведения работ по определению влажности почвы в поле электронный блок выполняется на основе известных электронных компонентов в виде компактного прибора с небольшим монитором без компьютера.In the manufacture of the proposed device in the factory for work on determining soil moisture in the field, the electronic unit is based on known electronic components in the form of a compact device with a small monitor without a computer.

Были выполнены измерения, показавшие работоспособность предложенного устройства при его использовании для реализации предложенного способа. Диаметр внешней диэлектрической трубы равен 50 мм, высота корпуса 100 мм, его диаметр 200 мм.Measurements were taken that showed the operability of the proposed device when it is used to implement the proposed method. The diameter of the external dielectric tube is 50 mm, the height of the casing is 100 mm, and its diameter is 200 mm.

Пример 1. Внешний контейнер заполнялся высушенной землей с дальнейшим добавлением воды для изменения влажности. Результаты измерений показаны на Фиг. 6 в виде калибровочной кривой. При диаметре d внешнего контейнера 120 мм наблюдаются четкие резонансные кривые при добротности, превышающей 85. Зависимость добротности от влажности показана на Фиг. 7. С ростом влажности в области больших ее значений наблюдается некоторое повышение добротности. Анализ показал, что эта область соответствует режиму перенасыщения почвы влагой, при котором имеет место стекание влаги вниз, и не относится к калибровочной кривой. Поэтому в процессе проведения калибровки полезно следить за добротностью и предусмотреть такую возможность при создании электронного блока. Зависимость резонансной частоты от влажности должна быть монотонной. Приведенные численные значения можно считать ориентировочными при проектировании предложенного устройства.Example 1. The outer container was filled with dried earth with the further addition of water to change the humidity. The measurement results are shown in FIG. 6 in the form of a calibration curve. With a diameter d of an external container of 120 mm, clear resonance curves are observed with a Q factor exceeding 85. The dependence of the Q factor on humidity is shown in FIG. 7. With increasing humidity in the region of its large values, a slight increase in the quality factor is observed. The analysis showed that this region corresponds to the regime of soil supersaturation with moisture, in which moisture flows down, and does not apply to the calibration curve. Therefore, in the process of calibration, it is useful to monitor the quality factor and provide such an opportunity when creating an electronic unit. The dependence of the resonant frequency on humidity should be monotonic. The given numerical values can be considered indicative when designing the proposed device.

Пример 2. Были проведены измерения с почвой, содержащей песок. Проводимость такой почвы ниже, чем в примере 1. Образцы песчаной почвы лучше помещать во внутренний контейнер. При этом увеличивается чувствительность для малых значений влажности, что существенно для песчаных почв, но не происходит значительного уменьшается добротности резонансной кривой.Example 2. Measurements were taken with soil containing sand. The conductivity of such soil is lower than in example 1. Samples of sandy soil is best placed in an internal container. In this case, the sensitivity increases for small values of moisture, which is essential for sandy soils, but the Q factor of the resonance curve does not significantly decrease.

Заявленное устройство свободно от недостатков устройства, принятого в качестве прототипа. Технико-экономическая эффективность изобретения определяется следующими характеристиками:The claimed device is free from the disadvantages of the device adopted as a prototype. Technical and economic efficiency of the invention is determined by the following characteristics:

- достаточная чувствительность к изменению именно влажности почвы в процессе роста растений и внесения подкормок, обусловленная большим значением относительной диэлектрической проницаемости свободной воды, наиболее доступной корням растений, по сравнению со значениями для других компонентов почвы,- sufficient sensitivity to a change in soil moisture during plant growth and fertilizing, due to the large value of the relative dielectric constant of free water, the most accessible to plant roots, compared with values for other soil components,

- необходимость высушивания образца почвы для выбранного поля и горизонта только при калибровке,- the need to dry the soil sample for the selected field and horizon only during calibration,

- получение информации о влажности образца почвы прямо в поле,- obtaining information about the moisture content of the soil sample directly in the field,

- слабая зависимость результатов измерений от концентрации соли в воде, обусловленная слабой зависимостью диэлектрической проницаемости воды от концентрации соли,- a weak dependence of the measurement results on the concentration of salt in water, due to the weak dependence of the dielectric constant of water on salt concentration,

- удобство работы с образцами почвы, помещаемыми при измерениях в отдельный контейнер,- the convenience of working with soil samples placed during measurements in a separate container,

- возможность проведения измерений в любом встречающемся на практике диапазоне изменения влажности или концентрации соли,- the ability to take measurements in any practical range of changes in humidity or salt concentration,

- отсутствие мешающих эффектов, связанных со стеканием влаги по стенкам скважины или вдоль введенного в землю зонда для известных устройств.- the absence of interfering effects associated with runoff of moisture along the walls of the well or along the probe introduced into the ground for known devices.

ЛитератураLiterature

1. Долгопятов P.M., Кац Р.И., Белнкоев В.В. Электрический датчик для измерения распределения влажности почвы по глубине. АС СССР №573743, 1977.1. Dolgopyatov P.M., Katz R.I., Belnkoev V.V. An electrical sensor for measuring the distribution of soil moisture over depth. AS of the USSR No. 573743, 1977.

2. Комаров С.А., Миронов В.Л., Романов А.Н. и др. Дистанционный радиофизический способ определения влажности почвы. Патент РФ №2010219, 1994.2. Komarov S.A., Mironov V.L., Romanov A.N. and others. Remote radiophysical method for determining soil moisture. RF patent No. 2010219, 1994.

3. WILLS ROBERT H. Method and apparatus for measuring soil salinity. Заявка США №4646000, 1984.3. WILLS ROBERT H. Method and apparatus for measuring soil salinity. US Application No. 4646000, 1984.

4. Ясониди O.E., Путрина М.В., Сережников Д.И., Ясониди А.О. Способ определения влажности почвы. Патент РФ №2439559, 2010 (прототип для н.п. способа).4. Yasonidi O.E., Putrina M.V., Serezhnikov D.I., Yasonidi A.O. A method for determining soil moisture. RF patent No. 2439559, 2010 (prototype for the np method).

5. Ахобадзе Г.Н. Устройство для измерения влажности почвы. Патент РФ №2433393, 2010.5. Akhobadze G.N. A device for measuring soil moisture. RF patent No. 2433393, 2010.

6. Лещинский Ю.И., Лебедев Г.Н., Шумилин В.Д. Электрические параметры песчаного и глинистого грунта в диапазоне сантиметровых, дециметровых и метровых волн. - Известия вузов, Радиофизика, 1971, T. XIV, №4, с. 562-569.6. Leshchinsky Yu.I., Lebedev G.N., Shumilin V.D. Electrical parameters of sand and clay soil in the range of centimeter, decimeter and meter waves. - University proceedings, Radiophysics, 1971, T. XIV, No. 4, p. 562-569.

7. Совлуков А.С. Способ определения влажности вещества. Патент РФ №2468358, 2012.7. Sovlukov A.S. A method for determining the moisture content of a substance. RF patent No. 2468358, 2012.

8. Столяров О.И., Новиков А.Ю., Латышев Е.Е., Наумов Д.И. Исследование спирального резонатора как чувствительного элемента радиоволнового датчика. Региональная XIX конференция по распространению радиоволн. Сборник трудов конференции. Санкт-Петербург, 2013, с. 123-126 (прототип для н.п. устройства).8. Stolyarov OI, Novikov A.YU., Latyshev E.E., Naumov D.I. Study of a spiral resonator as a sensitive element of a radio wave sensor. Regional XIX Conference on the Propagation of Radio Waves. Conference proceedings. St. Petersburg, 2013, p. 123-126 (prototype for np device).

9. Lichtenecker К., Rother К. Die herleitung des logarithmischen mischungsgesetzes des allgemeinen prinzipien der stationaren stromung // Physikalishe zeitschrift. - 1931. - Bd 32, №6. - S. 255-260.9. Lichtenecker K., Rother K. Die herleitung des logarithmischen mischungsgesetzes des allgemeinen prinzipien der stationaren stromung // Physikalishe zeitschrift. - 1931. - Bd 32, No. 6. - S. 255-260.

Claims (2)

1. Устройство для определения влажности почвы, содержащее корпус, спиральный резонатор и электронный блок, отличающееся тем, что спиральный резонатор выполнен в виде полого диэлектрического цилиндра с расположенным на нем в продольном направлении проводником, концы которого замкнуты, спиральный резонатор размещен на внутренней диэлектрической трубе, которая с помощью дисков закреплена внутри внешней диэлектрической трубы, два контейнера симметричной формы, внешний и внутренний, вставлены в корпус на разном удалении от спирального резонатора, к которому по стенке внутренней диэлектрической трубы подведены два коаксиальных кабеля, концы которых имеют электрические зонды, а противоположные концы кабелей подведены к коаксиальным разъемам на крышке внутренней диэлектрической трубы для соединения с электронным блоком.1. A device for determining soil moisture, comprising a housing, a spiral resonator and an electronic unit, characterized in that the spiral resonator is made in the form of a hollow dielectric cylinder with a conductor located on it in the longitudinal direction, the ends of which are closed, the spiral resonator is placed on the inner dielectric pipe, which, with the help of disks, is fixed inside the external dielectric pipe, two containers of symmetrical shape, external and internal, are inserted into the housing at different distances from the spiral cut an onator, to which two coaxial cables are connected along the wall of the internal dielectric pipe, the ends of which have electric probes, and the opposite ends of the cables are connected to the coaxial connectors on the cover of the internal dielectric pipe for connection with the electronic unit. 2. Способ определения влажности почвы с использованием устройства по п. 1, включающий отбор образцов почвы по горизонтам на поле, однократное высушивание образцов с одновременной калибровкой влажности почвы, отличающийся тем, что при калибровке используют зависимость диэлектрической проницаемости почвы от ее влажности и определяют влажность почвы по калибровочной кривой, построенной на основе этой зависимости.2. The method of determining soil moisture using the device according to claim 1, including taking soil samples horizontally in the field, drying samples once with simultaneous calibration of soil moisture, characterized in that the calibration uses the dependence of the dielectric constant of the soil on its moisture and determines the soil moisture according to the calibration curve constructed on the basis of this dependence.
RU2015139242A 2015-09-15 2015-09-15 Method and device for determining soil moisture content RU2638150C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015139242A RU2638150C2 (en) 2015-09-15 2015-09-15 Method and device for determining soil moisture content

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015139242A RU2638150C2 (en) 2015-09-15 2015-09-15 Method and device for determining soil moisture content

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015139242A RU2015139242A (en) 2017-03-21
RU2638150C2 true RU2638150C2 (en) 2017-12-12

Family

ID=58454667

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015139242A RU2638150C2 (en) 2015-09-15 2015-09-15 Method and device for determining soil moisture content

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2638150C2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU185072U1 (en) * 2018-08-20 2018-11-20 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Волжский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации" (ФГБНУ "ВолжНИИГиМ") SOIL HUMIDITY DETERMINATION DEVICE

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1709202A1 (en) * 1989-12-04 1992-01-30 Сибирский государственный научно-исследовательский институт метрологии Ground, soil and loose materials humidity transducer
RU2045027C1 (en) * 1991-07-08 1995-09-27 Владимир Никитович Счисленок Method for determining moisture content in soil
JP2011191208A (en) * 2010-03-15 2011-09-29 Toru Mino Soil moisture measuring method and soil moisture measuring device
RU2433393C1 (en) * 2010-06-25 2011-11-10 Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН Device for measuring soil moisture
RU2439559C1 (en) * 2010-06-07 2012-01-10 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новочеркасская государственная мелиоративная академия" ФГОУ ВПО НГМА Method for determining soil moisture

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1709202A1 (en) * 1989-12-04 1992-01-30 Сибирский государственный научно-исследовательский институт метрологии Ground, soil and loose materials humidity transducer
RU2045027C1 (en) * 1991-07-08 1995-09-27 Владимир Никитович Счисленок Method for determining moisture content in soil
JP2011191208A (en) * 2010-03-15 2011-09-29 Toru Mino Soil moisture measuring method and soil moisture measuring device
RU2439559C1 (en) * 2010-06-07 2012-01-10 Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новочеркасская государственная мелиоративная академия" ФГОУ ВПО НГМА Method for determining soil moisture
RU2433393C1 (en) * 2010-06-25 2011-11-10 Учреждение Российской академии наук Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова РАН Device for measuring soil moisture

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU185072U1 (en) * 2018-08-20 2018-11-20 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Волжский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации" (ФГБНУ "ВолжНИИГиМ") SOIL HUMIDITY DETERMINATION DEVICE

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015139242A (en) 2017-03-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Shukla et al. Soil moisture estimation using gravimetric technique and FDR probe technique: a comparative analysis
US8947102B1 (en) Soil water and conductivity sensing system
Topp et al. The soil solution phase
Rezaei et al. A new 1.4-GHz soil moisture sensor
Campora et al. The laboratory calibration of a soil moisture capacitance probe in sandy soils.
RU159796U1 (en) DEVICE FOR DETERMINING SOIL HUMIDITY
Mukhlisin et al. Techniques for ground-based soil moisture measurement: a detailed overview
RU2638150C2 (en) Method and device for determining soil moisture content
Feng et al. Evaluation and calibration of soil moisture sensors in undisturbed soils
RU2433393C1 (en) Device for measuring soil moisture
JP2001013087A (en) Characteristic measurement sensor and method and device for measuring characteristic
Umar et al. Low cost soil sensor based on impedance spectroscopy for in-situ measurement
RU2467314C1 (en) Radiophysical method for detection of content of physical clay in soils
CN108490150A (en) The indoor high-precision absolute calibration method of soil moisture sensor
Guo et al. Embeddable Soil Moisture Content Sensor based on Open–end Microwave Coaxial Cable Resonator
Silva et al. Calibration of a capacitance probe in a Paleudult
Abd Karim et al. Modeling of petrophysical relationship of Soil Water Content estimation at peat lands
AndradeSánchez et al. Evaluation of a capacitance-based soil moisture sensor for real-time applications
Brahma et al. Electrical methods of soil moisture measurement: A Review
Nikolov et al. Comparative Analysis of Sensors for Soil Moisture Measurement
CN114002330A (en) System for monitoring slope soil moisture content based on piezoelectric intelligent aggregate
Khan et al. Calibration of Time Domain Reflectometry (TDR) soil moisture point probe for two soils
Hunduma et al. Indirect Methods of Measuring Soil Moisture Content Using Different Sensors
Atanasov Soil specific FDR sensor calibration in soil moisture measuring
SU1709202A1 (en) Ground, soil and loose materials humidity transducer

Legal Events

Date Code Title Description
HE9A Changing address for correspondence with an applicant
HE9A Changing address for correspondence with an applicant