RU2691627C2 - Способ определения влажности почвы и устройство для его осуществления - Google Patents
Способ определения влажности почвы и устройство для его осуществления Download PDFInfo
- Publication number
- RU2691627C2 RU2691627C2 RU2016148584A RU2016148584A RU2691627C2 RU 2691627 C2 RU2691627 C2 RU 2691627C2 RU 2016148584 A RU2016148584 A RU 2016148584A RU 2016148584 A RU2016148584 A RU 2016148584A RU 2691627 C2 RU2691627 C2 RU 2691627C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- soil
- soil moisture
- determining
- moisture
- plates
- Prior art date
Links
- 239000002689 soil Substances 0.000 title claims abstract description 67
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims abstract description 29
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 7
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 5
- 238000000576 coating method Methods 0.000 abstract 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 2
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 2
- 210000002445 nipple Anatomy 0.000 description 2
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- 230000010358 mechanical oscillation Effects 0.000 description 1
- 239000004570 mortar (masonry) Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 238000005527 soil sampling Methods 0.000 description 1
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 1
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
- G01N27/06—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a liquid
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth 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
Использование: для измерения влажности почв. Сущность изобретения заключается в том, что способ определения влажности почв включает термостатно-весовой способ определения влажности и способ определения влажности почв по диэлектрическим свойствам почвы, при этом почва принимается за электролит электролитических конденсаторов, и измеряют эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС) этого электролита, и с целью определения влажности пробуриваются две параллельные скважины, в которые заглубляются два цилиндра, на стенках которых закрепляются обкладки конденсаторов, которые изолированы друг от друга и от контролируемой почвы, при этом при спуске их в скважины пространство, образованное обкладками конденсатора, заполняется почвой с ненарушенной структурой, при этом почву при подготовке скважин отбирают с каждого слоя для определения влажности почвы термостатно-весовым способом. Технический результат: обеспечение возможности определения влажности почв термостатно-весовым способом. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.
Description
Изобретение относится к технике измерения влажности почв на глубину до 1 м.
В настоящее время на сети агрометеостанций влажность почв определяется термостатно-весовым способом. С помощью бура отбираются пробы до глубины 1 м через каждые 10 см. Затем пробы высушиваются и по разности веса влажных и высушенных проб определяют влажность почвы [1]. Данный способ определения влажности почвы является одним из самых трудоемких и энергоемких.
Известен способ определения влажности почв по ее диэлектрической проницаемости ξ [2]. В данном способе используется коаксиальный пробник, с помощью которого измеряется угол диэлектрических потерь tgβ, причем область изменения ξ<20.
Источником ошибок в данном способе является возникновение воздушных подушек между поверхностями пластин пробника и почвой. Замена пластин пробника штырями не устраняет ошибок определения влажности почвы. Кроме того, измерение влажности почвы данным способом можно производить только на поверхности почвы, что во многих случаях не достаточно для решения агрометеорологических задач.
Цель изобретения
Повышение точности определения влажности почвы способом измерения ее диэлектрической проницаемости до глубины 1 м и снижение энергоемкости и трудоемкости измерения.
В настоящее время измерение емкости С и тангенса угла потерь tgβ определяется по величине эквивалентного последовательного сопротивления (ЭПС), с помощью ЭПС-метров.
На рис. 1 приведена графическая схема этих значений и их взаимосвязь.
Значение ЭПС характеризует состояние жидкого диэлектрика в электролитических конденсаторах. Потери в жидком диэлектрике R (рис. 1) обусловлены его поляризацией, которая характеризует ограниченное смещение связанных зарядов в переменном электрическом поле.
Определение состояния конденсатора по величине ЭПС широко используется при ремонте и настройке электронных приборов и устройств. Поэтому разработаны ЭПС-метры для работы с различными требованиями к их точности от простого определения "годен, не годен" до тысячных долей процента отклонения конденсатора от нормы.
Молекулы воды являются диполями, которые под воздействием переменного электрического поля совершают механическое колебание в переменном электрическом поле. Сопротивление среды колеблющимся диполям вызывает трение, которое преобразуется в тепло. Поэтому чем больше молекул воды, тем больше энергии поля преобразуется в тепло и тем больше тангенс угла потерь tgβ.
Определение ЭПС с высокой точностью и схожесть электролита в конденсаторе с влажностью почвы послужили основанием для определения влажности почвы по величине ЭПС.
Особым требованием к определению влажности почв по ее диэлектрическим свойствам заключается в том, чтобы измерения проводились на почве с ненарушенной структурой. Отсюда отбор проб почв с помощью бура или путем выкапывания для определения влажности почвы по ее диэлектрическим свойствам не приемлем.
Для выполнения указанного требования пробуриваются две параллельные скважины, не нарушая структуру почвы между ними. В этом случае, бур должен быть выполнен так, что его боковая поверхность, которая касается почвы, должна быть выполнена в виде шнека, ребра которого должны быть заточены под 30° к вертикальной поверхности
В каждую скважину вставляется цилиндр (рис. 2). Каждый цилиндр представляет собой две деревянные половины распиленного по диаметру цилиндра. На одной половине закреплены металлические пластины размером 90×38 мм. на каждые 100 мм общей длины деревянной половины. Эти пластины служат одной из обкладок конденсаторов. К каждой пластине припаивают электрический проводник.
Рис 2. Поперечный разрез двух частей (цилиндров) устройства: 1 - обкладки конденсатора (металлические пластины), 2 - держатели (изоляторы из дерева), 3 - резиновая камера снабженная ниппелем, 4 - резиновая камера с обкладками конденсаторов, 5 - почва с ненарушенной структурой.
Конструкцию с металлическими пластинами помещают в резиновую камеру. Оба конца резиновой камеры заклеиваются. Через заклеенную камеру с одной стороны пропускают электрические провода от обкладок конденсаторов и подсоединяются к переключателю каналов.
Вторую половину деревянного цилиндра также размещают в резиновую камеру. Оба конца резиновой камеры также заклеиваются. На одном конце этой камеры размещают воздушный клапан (ниппель). Далее две половины соединяют так, чтобы обкладки были обращены наружу цилиндра. Точно также изготавливается второй цилиндр. Оба цилиндра опускают в подготовленные скважины. В скважине оба цилиндра повернуты относительно друг друга так, что каждая пара металлических пластин образует конденсатор. Пространство между пластинами при спуске заполняется почвой с ненарушенной структурой.
Для того чтобы пластины конденсаторов плотно прилегали к почве в каждую половину обоих штанг нагнетается воздух. Изменяя давление в камере, воздух увеличивает давление на обкладки конденсаторов, прижимая их к почве с заданной постоянной силой, которая контролируется манометром.
В процессе бурения отбираются пробы почв для определения влажности термостатно-весовым способом, на каждом уровне. Вставив цилиндры в скважину, производится измерение ЭПС и емкости С.
В итоге получаем зависимость измеряемого значения угла диэлектрических потерь tgB=W% и значения процентной влажности C=W% для каждого десятисантиметрового слоя.
Выводы от 10 конденсаторов подключаются к переключателю на 10 положений, с помощью которого производится подключение их к ЭПС-метру (рис. 3).
Рис. 3. Вид устройства для определения влажности почвы на 10 слоях, при общей глубине почвы до 1 метра.
Способ определения влажности почв включающий термостатно-весовой способ определения влажности и способ определения влажности почв по диэлектрическим свойствам почвы отличается тем, что почва принимается за электролит электролитических конденсаторов, и измеряют эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС) этого электролита, и с целью определения влажности, пробуривается две параллельные скважины, в которые заглубляются два цилиндра на стенках которых закрепляются обкладки конденсаторов, которые изолированы друг от друга и от контролируемой почвы, при этом при спуске их в скважины пространство образованное обкладками конденсатора заполняется почвой с ненарушенной структурой, при этом почву при подготовке скважин отбирают с каждого слоя для определения влажности почвы термостатно-весовым способом.
Устройство для определения влажности почвы, содержащее заглубленное в две параллельные скважины цилиндра, на стенках которых закреплены обкладки конденсаторов, отличается тем, что обкладки снабжены механизмом, которое поджимает их к почве с заданной и постоянной силой, при этом устройство снабжено ЭПС-метром.
Принципиальная схема ЭПС-метра.
Определение емкости конденсатора и ЭПС.
Рис. 4. Графическая схема определения емкости конденсатора и ЭИС.
При заряде конденсатора С (рис. 4) от источника постоянного тока, напряжение на нем будет линейно нарастать от значения UR по закону:
В таком случае емкость конденсатора С будет определяться выражением:
Подсчитав время заряда для двух фиксированных значений напряжения U1 и U2 при котором U2=2*U1, можно рассчитать значение емкости конденсатора С:
Составив уравнение прямой по точкам 1-2, найдем величину падения напряжения на активном сопротивлении R и значение ЭПС по формуле:
Процесс определения С и ЭПС не требует АЦП. Пороговое значение напряжений для управления таймером устанавливается компаратором с последующей цифровой обработкой и выводом информации на дисплей
Способ и устройство работают следующим образом. Устройство устанавливается на весь период наблюдения за влажностью почвы. В настоящее время пробы отбираются через каждые пять дней, причем отбор проб производят на десяти слоях четырех скважин. Место для установки определяется по наставлению [1].
Бурятся две скважины, в которые заглубляются цилиндры с обкладками конденсаторов. В процессе бурения с каждого уровня отбираются пробы почв для определения влажности термостатно-весовым способом. При заглублении до 1 м получают две градуировочных кривых профиля влажности почв C=W% и tgB=W%.
Затем высушенные образцы почв до постоянного веса размельчают в ступе до размеров частиц диаметр которых не больше 1 мм. Затем отбирают навеску весом 30 г и добавляют 2 г воды. Тщательно перемешивают в неглубокой тарелке и пересыпаю т в алюминиевый стаканчик, который является штатным инструментом при определении влажности почвы термостатно-весовым способом.
Почва в стаканчике распределяется ровным слоем и уплотняется грузом с заданным весом или путем сжатия пружиной до заданной величины.
Алюминиевый стаканчик, в данном случае, является одной из обкладок конденсатора. Второй обкладкой служит круглый плоский алюминиевый электрод диаметром 2/3R, где R радиус алюминиевого стаканчика, который вставляется внутрь стаканчика и прижимается к почве с заданной постоянной силой.
Процесс повторяют, прибавляя по 2 г воды в навеску, и получают зависимость C=W% и tgB=W%.
На рис. 5 представлена зависимость C=W%, где 1 - зависимость емкости от содержания воды, для первого слоя дерново-подзолистой почвы, 2 - четвертый слой почвы одной и той же скважины.
Рис. 5. Зависимость влажности почвы от измеренной емкости образцов почвы
Кривые C=W% и tgB=W%. и C=f(W%) и tgB=f(W%) используются для определения влажности почвы по ее диэлектрическим характеристикам.
Используемые источники
1 Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Выпуск 11, часть 1. Ленинград. Гидрометеоиздат. 1985 г. Под редакцией И.Т. Грингофа
2 U.S. Patent. Dec. 26, 1995. US 5,497,104.
Claims (2)
1. Способ определения влажности почв, включающий термостатно-весовой способ определения влажности и способ определения влажности почв по диэлектрическим свойствам почвы, отличающийся тем, что почва принимается за электролит электролитических конденсаторов, и измеряют эквивалентное последовательное сопротивление (ЭПС) этого электролита, и с целью определения влажности пробуриваются две параллельные скважины, в которые заглубляются два цилиндра, на стенках которых закрепляются обкладки конденсаторов, которые изолированы друг от друга и от контролируемой почвы, при этом при спуске их в скважины пространство, образованное обкладками конденсатора, заполняется почвой с ненарушенной структурой, при этом почву при подготовке скважин отбирают с каждого слоя для определения влажности почвы термостатно-весовым способом.
2. Устройство для определения влажности почвы, содержащее заглубленные в две параллельные скважины цилиндры, на стенках которых закреплены обкладки конденсаторов, отличающееся тем, что обкладки снабжены механизмом, который поджимает их к почве с заданной и постоянной силой, при этом устройство снабжено ЭПС-метром.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016148584A RU2691627C2 (ru) | 2016-12-09 | 2016-12-09 | Способ определения влажности почвы и устройство для его осуществления |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016148584A RU2691627C2 (ru) | 2016-12-09 | 2016-12-09 | Способ определения влажности почвы и устройство для его осуществления |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2016148584A RU2016148584A (ru) | 2019-03-28 |
| RU2016148584A3 RU2016148584A3 (ru) | 2019-03-28 |
| RU2691627C2 true RU2691627C2 (ru) | 2019-06-17 |
Family
ID=66089365
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016148584A RU2691627C2 (ru) | 2016-12-09 | 2016-12-09 | Способ определения влажности почвы и устройство для его осуществления |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2691627C2 (ru) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU275509A1 (ru) * | Ю. М. Романенко | Прибор для измерения влажности | ||
| SU54417A1 (ru) * | 1935-11-22 | 1938-11-30 | В.И. Евсеев | Прибор дл исследовани электрических свойств почв, грунтов и тому подобных материалов |
| SU1506326A1 (ru) * | 1987-05-08 | 1989-09-07 | Воронежский государственный университет им.Ленинского комсомола | Бур-пробоотборник |
| SU1793830A3 (ru) * | 1990-07-05 | 1993-02-07 | Haучho-Иccлeдobateльckий Иhctиtуt Ceльckoгo Xoзяйctba Heчephoзemhoй Зohы Уkpaиhы | Пoчbehhый буp |
| RU2439559C1 (ru) * | 2010-06-07 | 2012-01-10 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новочеркасская государственная мелиоративная академия" ФГОУ ВПО НГМА | Способ определения влажности почвы |
| RU2469302C1 (ru) * | 2011-04-05 | 2012-12-10 | Юрий Валентинович Егоров | Способ мониторинга почвенной структуры |
-
2016
- 2016-12-09 RU RU2016148584A patent/RU2691627C2/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU275509A1 (ru) * | Ю. М. Романенко | Прибор для измерения влажности | ||
| SU305401A1 (ru) * | В. С. Ройфе , М. И. Фримштейн | Датчик влажности | ||
| SU54417A1 (ru) * | 1935-11-22 | 1938-11-30 | В.И. Евсеев | Прибор дл исследовани электрических свойств почв, грунтов и тому подобных материалов |
| SU1506326A1 (ru) * | 1987-05-08 | 1989-09-07 | Воронежский государственный университет им.Ленинского комсомола | Бур-пробоотборник |
| SU1793830A3 (ru) * | 1990-07-05 | 1993-02-07 | Haучho-Иccлeдobateльckий Иhctиtуt Ceльckoгo Xoзяйctba Heчephoзemhoй Зohы Уkpaиhы | Пoчbehhый буp |
| RU2439559C1 (ru) * | 2010-06-07 | 2012-01-10 | Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новочеркасская государственная мелиоративная академия" ФГОУ ВПО НГМА | Способ определения влажности почвы |
| RU2469302C1 (ru) * | 2011-04-05 | 2012-12-10 | Юрий Валентинович Егоров | Способ мониторинга почвенной структуры |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2016148584A (ru) | 2019-03-28 |
| RU2016148584A3 (ru) | 2019-03-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Bai et al. | Effects of physical properties on electrical conductivity of compacted lateritic soil | |
| CN206208821U (zh) | 一种土水特征和电阻率联合测试装置 | |
| CN100487467C (zh) | 测量导电水泥基材料体积电阻率的方法 | |
| CN106324045A (zh) | 一种黄土的电导率性能及土水特征测试装置 | |
| CN106770478A (zh) | 一种堤坝稳定性的无损探测方法 | |
| Osman et al. | Correlation of electrical resistivity with some soil parameters for the development of possible prediction of slope stability and bearing capacity of soil using electrical parameters | |
| CN104090001A (zh) | 一种评价污染土腐蚀性的方法 | |
| CN110297017A (zh) | 冻融循环下土体电参数时空分布室内测试系统及工作方法 | |
| US3302101A (en) | Electrode system having a potential electrode embedded within a current electrode for measuring the electrical resistivity of a porous rock sample | |
| CN108896743B (zh) | 一种多功能可视联合固结仪装置 | |
| RU2691627C2 (ru) | Способ определения влажности почвы и устройство для его осуществления | |
| Hwang et al. | Investigation of electrical characteristics using various electrodes for evaluating the moisture content in wood. | |
| CN111398117B (zh) | 一种岩心电频散分析方法及装置 | |
| US20180136188A1 (en) | Method of assessing drying depth of cementitious material | |
| CN103018568A (zh) | 一种稳定含水率岩石试块的电阻率测定方法 | |
| CN110530928A (zh) | 岩土体导热系数测定方法 | |
| CN217304574U (zh) | 多功能塑料试模 | |
| Zelinka et al. | Equivalent circuit modeling of wood at 12% moisture content | |
| CN115078693A (zh) | 一种基于深度学习的膨胀土边坡冻融裂缝深度的计算方法 | |
| CN113484138B (zh) | 基于电测量的复杂荷载作用下岩质边坡损伤累积评估方法 | |
| Leong et al. | Calibration of a thermal conductivity sensor for field measurement of matric suction | |
| US3508148A (en) | In-place soil water conductivity tester | |
| スギヤマケン et al. | Preliminary measurement of high-frequency electrical conductivity of Antarctic ice with AC-ECM technique | |
| CN110297071A (zh) | 土体参数测量方法 | |
| Toll et al. | New devices for water content measurement |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20190707 |