TWI486588B - 土壤水飽和度偵測裝置 - Google Patents

Description

土壤水飽和度偵測裝置

本發明係關於一種土壤水飽和度偵測裝置，特別是一種透過離子吸附方式以降低離子干擾之土壤水飽和度偵測裝置。

現今於農業科學、水文科學和氣象科學等領域中，土壤含水量即是一個重要的象徵性指標，以此作為農業灌溉、地層滑動等各項分析之依據。

以農作物成長而言，土壤含水量不僅會直接影響農作物的水潛勢[water potential]，更是間接改變土壤中之通氣性、溫度及養分輸送的重要因子。傳統係以一時域反射儀[time-domain reflectometry,TDR]作為現地土壤含水量的較佳偵測器具，該時域反射儀之量測原理乃是使用一訊號產生器產生階躍式脈衝之電磁波，以當電磁波碰到物體產生回彈訊號時能被接收器接收，藉由分析回彈訊息即可得傳輸於介質之間之介電常數、傳播速度或特徵阻抗等特性。其中，又以介電常數的變化為檢測土壤含水率的關鍵參數，故應用於土壤含水率檢測時，係可將該時域反射儀之探針深植入土壤之中，以準確檢測出土壤之介電常數值，並透過如上所述之原理，分析並換算出土壤含水率，以此作為地層滑動、水土保持、土地開發、農作灌溉等之參考依據。

然而，傳統時域檢測儀雖能夠用以評估現地土壤之含水率，但只要碰上如高含鹽性、高黏滯性等具高導電度值之土壤時，皆會因其中的帶電粒子改變土壤導電性，而使量測之介電常數明顯因此受到干擾，以致大幅降低傳統時域反射儀之量測準確性。是故，當雨水中夾帶有如鈣、鎂、鉀等大量離子而滲入土壤時，土壤中的導電性係隨之改變，於此情況下，使用傳統時域反射儀檢測土壤含水量時，便容易產生嚴重之量測誤差，以致傳統時域反射儀的檢測時機明顯受到限制而無法廣泛使用之。

另一方面，當土壤中夾雜有如肥料、蟲草殘骸等物質時，更容易因該些物質的阻擾而使傳統時域反射儀之探針靈敏度下降，進而造成偵測訊號之減弱。於此情況下，不僅無法即時取得準確之檢測數值，更需為此延長檢測時間，才能彌補檢測之誤差，因而降低檢測之效率；甚至，因探針表面長期附著有肥料、蟲草殘骸等物質，而可能導致探針之損壞，以致需要定時更換探針，方能確保檢測之靈敏度，故相對衍生有額外成本之支出。

有鑑於此，確實有必要發展一種新穎之土壤水飽和度偵測裝置，以降低帶電離子於感測過程之干擾，而能解決如上述之各種問題。

本發明內容中所述之〝電性耦接〞係泛指一般有線或無線之訊號連接，並不加以限定訊號相接之形式，其中以可供訊號間相互傳遞為原則。

本發明主要目的乃改善上述缺點，以提供一種土壤水 飽和度偵測裝置，其係能夠杜絕土壤中帶電離子之干擾，以降低偵測誤差值，而維持水飽和度之偵測準確性者。

本發明次一目的係提供一種土壤水飽和度偵測裝置，係能夠維持與土壤接觸時的較佳靈敏度，以縮短偵測時間而提升水飽和度之偵測效率者。

為達到前述發明目的，本發明之土壤水飽和度偵測裝置，係包含：一主體，內部具有一感測空間，該主體之周壁形成有數貫穿狀之開孔，該數開孔係與感測空間相連通；一感測電極組，係由二感測電極片組成，該二感測電極片係呈相對地接設於該主體，並凸伸至該感測空間內；一電場電極組，包含二多孔導電片，該二多孔導電片呈相對地環設且貼合於該主體之周壁，並覆蓋該數開孔，該二多孔導電片之對稱面係與該二感測電極片之對稱面呈相互垂直；及一感測控制模組，分別與該感測電極組及電場電極組電性耦接。

其中，該感測空間內係填充有多孔性吸附材，且該感測空間及數開孔另以一多孔包覆體予以罩蓋。

其中，該主體是為一中空筒體，該中空筒體內設有一隔板，該隔板將該主體區隔出一組裝段及一感測段，該感測段之周壁則環設有該數開孔。

承上述，該隔板設有二獨立之穿孔及一組裝部，該組裝部是為一凸塊，該凸塊係朝該組裝段之內部凸伸而成，以供螺合件穿設。其中，該二感測電極片係各別以該螺合件鎖固於該隔板之組裝部，並各自穿越該隔板之穿孔，以懸吊於該主體之感測空間內。且，該二多孔導電片係各別 貼合於該主體之外周壁，且該二多孔導電片間之延伸線與該二感測電極片間之延伸線呈相互垂直。

其中，本發明之感測控制模組係包含一電容/電壓轉換器、一類比/數位轉換器及一處理器，該電容/電壓轉換器與類比/數位轉換器相互電性耦接，且該類比數位轉換器亦與處理器相互電性耦接，且該處理器內部建立有一用以分析土壤含水量之比對資料庫，該資料庫包含多種參數或對應公式。

此外，本發明之任二土壤水飽和度偵測裝置之主體係可以一迫接件相互串接，其一主體之組裝段迫緊於該迫接件之一側，且另一主體之感測段則迫緊於該迫接件之另一測，該二主體之感測段內皆填充有多孔吸附材。

為讓本發明之上述及其他目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉本發明之較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：請參照第1圖所示，其係為本發明一較佳實施例，本發明土壤水飽和度偵測裝置係包含一主體1、一感測電極組2、一電場電極組3及一感測控制模組4。其中，該感測電極組2接設於該主體1，並凸伸於該主體1內；該電場電極組3則繞設於該主體1之周壁，並與該感測電極組2呈錯位設置；該感測控制模組4係與該感測電極組2及電場電極組3相互電性耦接，用以接受該感測電極組2之訊號，並控制該電場電極組3之作動與否。

該主體1內部具有一感測空間11，且該主體1之周壁形成有數貫穿狀之開孔12，該數開孔12與感測空間11相連通。其中，該數開孔12可以如第1圖所示呈等距間隔狀設置，以供土壤中之含水可經由該數開孔12均勻滲入該感測空間11為較佳，僅為一實施態樣並不需加以限制。於本實施例中，該主體1可以是由二筒體接設而成，且該二筒體之間具有一隔板13，該隔板13係能用以接設該感測電極組2；或者，該主體1亦可以如圖所示是為一中空筒體，且於該中空筒體內設有一隔板13，以由該隔板13區隔出一組裝段1A及一感測段1B，該組裝段1A用以供一桿件〔未繪示〕插置，以便於推送該裝置至土壤內；或者，該組裝段1A亦能夠用以供後續串接數裝置之用，容後再配合第6圖詳加說明之；該感測段1B之周壁則環設有該數開孔12，以供埋設於土壤之中。

此外，該隔板13還可以選擇直接開設一環孔，或者如本實施例所示設有二獨立之穿孔131，使該感測電極組2可經由該穿孔131伸入該主體1之感測空間11；且，本實施例之隔板13另形成一組裝部132〔配合參閱第3圖所示〕，該組裝部132是為一凸塊，該凸塊係朝該組裝段1A之內部凸伸而成，以供螺合件133穿設，而可以將該感測電極組2加以鎖固並定位。

值得注意的是，該主體1之感測空間11內還可用以填充多孔吸附材，該多孔吸附材可以是沙或其他易於滲水之物質，藉此僅供水流通於其中並同時吸附帶電離子；於此情況之下，該主體1之感測空間11及數開孔12則需另以 一多孔包覆體14予以罩蓋，藉此避免該感測空間11內之多孔吸附材輕易滲出。該領域中具有通常知識者係可於實際施用時，依據不同地區的土壤特性，參照此段說明額外配設，藉此提升土壤水飽和度之偵測準確性。

請再參閱第1圖所示，該感測電極組2係由二感測電極片21組成，該二感測電極片21係呈相對地接設於該主體1，並凸伸至該感測空間11內。該感測電極組2可以選擇由黏合、鎖固、焊接等任意方式接設於該主體1，本實施例之二感測電極片21較佳係各別以該螺合件133鎖固於該隔板13之組裝部132，並各自穿越該隔板13之穿孔131，以懸吊於該主體1之感測空間11內。特別地，該二感測電極片21之間係存有適當間距，尤其係使該二感測電極片21之間距達1.9公分為較佳，以避免該二感測電極片21相互接觸而造成額外之干擾。其中，該二感測電極片21是為耐酸鹼之板件製成，以避免該二感測電極片21遭酸/鹼腐蝕，藉此延長該感測電極組2之使用壽命。

該電場電極組3係包含二多孔導電片31，該二多孔導電片31呈相對地環設於該主體1之周壁，並覆蓋該數開孔12，該二多孔導電片31與該二感測電極片21係呈交錯狀設置。該電場電極組3可以選擇由黏合、鎖固、焊接等任意方式環設於該主體1之周壁，本實施例之二多孔導電片31較佳係各別貼合於該主體1之外周壁，並與該二感測電極片21呈錯位設置，尤其係參閱第2圖所示，該二多孔導電片31設於圖面所示之Y軸方向，且該二感測電極片21相對設於圖面所示之X軸方向，以使該二多孔導電片31 之對稱面係可以與該二感測電極片21之對稱面呈相互垂直為較佳。特別地，該二多孔導電片31之間係不相互接觸，尤其係使該二多孔導電片31之寬度維持在該主體1圓周長之三分之一為較佳，以避免該二多孔導電片31相互接觸而造成短路現象。

呈上所述，該二多孔導電片31係分別為正/負極，並用以電性連接一供電器〔未繪示〕，透過該供電器輸出之電壓訊號，使得該二多孔導電片31之間能形成一電場，藉此吸附土壤中之帶電離子，容後配合第3、4圖之作動再予以詳細說明。其中，該二多孔導電片31可以是孔隙交錯之金屬網，以供土壤之含水可滲入於該感測空間11內，並且避免該感測空間11內所填充之多孔吸附材滲出為主要原則，熟習該技藝之人士可輕易理解，並於此概念下加以應用。此外，該二多孔導電片31亦可以是耐酸鹼之導電板件，以避免該二多孔導電片31遭酸/鹼腐蝕，藉此延長該電場電極組3之使用壽命及效果。

請同時參閱第1及5圖所示，該感測控制模組4係分別與該感測電極組2及電場電極組3電性耦接。本實施例之感測控制模組4係包含一電容/電壓轉換器41、一類比/數位轉換器42及一處理器43，各構件之間皆呈相互電性耦接，且該處理器43可以是一電腦，並於該處理器43內部建立有一用以分析土壤含水量之比對資料庫，該資料庫可以包含多種參數或對應公式，屬熟習該技藝之人士可輕易理解，不再贅述。其中，該感測控制模組4係為任何可接收訊號並提供一供電源之設備，且該感測控制模組4之 配設原理係相似於常見之訊號處理設備，在此僅簡單揭示一實施態樣，容後配合作動再予以詳細說明之。

請參閱第3及4圖所示，當本發明土壤水飽和度偵測裝置於實際使用，以偵測土壤之含水量時，係可如第3圖所示，選擇於該主體1之感測空間11內填充有細沙，並以該多孔包覆體14予以罩蓋，藉此封閉該感測空間11及數開口12，以確保水能滲入其中且防止細沙滲出。

此時，係可將配設完成之土壤水飽和度偵測裝置埋入待測土壤S中，以透過該二感測電極片21之間所產生之電容值，求得待測土壤中之含水量。更詳言之，請配合參閱第4及5圖所示，當該二感測電極片21之間僅存有細沙而未有水流通時，係可透過該二感測電極片21測得一初始電容值；隨著時間變化，當待測土壤中之含水逐漸經由該數開孔12滲入於該感測空間11時，由於細沙中混有水份，而逐漸改變其作為導電介質之型態，以致該二感測電極片21之間的電容值亦隨細沙中之含水量提升而上升，此時係能隨土壤含水量變化測得相對之電容值。其中，各階段所測得之電容值遂可由該感測控制模組4接收，以透過該電容/電壓轉換器41將電容值轉變為相對應之電壓值，再由該類比/數位轉換器42將對應電壓值所呈現之波型轉變為相對應之數值，以供數值匯入該處理器43中加以比對分析，進而求得相對應之土壤含水量。

於上述概念之下，當該二感測電極片21之間所測得之電容值大於該處理器43內部之預設範圍時，即可及時透過一供電器C〔參閱第5圖所示，該供電器C可電性連接 該電容/電壓轉換器41及電場電極組3；或者，該供電器C可為任一外加裝置〕輸出電壓訊號至該電場電極組3，使得該二多孔導電片31之間生成一電場，以藉此將帶有正電之鈣、鎂或鉀等離子吸附至負極〔如第4圖所示之帶電離子P〕。如此一來，係能夠阻斷過多帶電離子之電性干擾，而在偵測該二感測電極片21之間電容值時，可明顯降低偵測誤差值，以有效維持土壤水飽和度之偵測準確性。

注意的是，該電場電極組3開啟之時間係可依據偵測環境的不同而隨之改變。例如：選擇於全時段皆開啟該電場電極組3，使該二多孔導電片31持續性的產生電場，隨時吸附土壤中之帶電離子，以降低偵測之誤差值；或者，亦可選擇僅於異常時，啟動該電場電極組3，以隨電場的產生而完成帶電離子之吸附；反之，於正常情況下，則可停止供電於該電場電極組3，以節省不必要之用電量。於此所述之概念，係屬熟習該領域中具有通常知識者可輕易理解，並視偵測情況隨之改變，不需再多加說明。

經上所述，本發明土壤水飽和度偵測裝置之主要特徵在於：藉由供電於該電場電極組3，係能夠及時於該二多孔導電片31之間產生一電場，以透過電場作用立即吸附帶正電之鈣、鎂或鉀等離子，使得帶電離子不致於改變土壤之導電性，而能有效降低量測誤差值。如此，隨土壤含水量變化，該二感測電極片21之間係能測得較為精準之電容值，以於後續透過該處理器43比對並分析時，能準確獲得相對應之土壤含水量值，並進一步推算得土壤之水飽和程度，達到提升土壤水飽和度偵測準確性之功效。

請續參閱第6圖所示，於必要時，本發明土壤水飽和度偵測裝置亦可選擇串接使用。以由一迫接件5分別組接任二相同規格之偵測裝置，藉以將任二偵測裝置之主體1、1’相互串接，且該二主體1、1’之感測空間11、11’內皆填充有多孔吸附材，以由該多孔吸附材作為導電介質，並便於土壤之含水能流通於該多孔吸附材內。於本實施例之中，其一偵測裝置之主體1的組裝段1A迫緊於該迫接件5一側，且另一偵測裝置之主體1’的感測段1B’則迫緊於該迫接件5另一測，以完成如圖所示之串接型態。上述任二偵測裝置間的銜接方式，係可為熟習該技藝之人士輕易思及，並依照實作方便性隨之予以變更，故不多加限制。

藉此，係能將串接後的數土壤水飽和度偵測裝置分佈於不同深度，以同時偵測不同深度的土壤水含量，進而獲得區段性土壤中的水含量分佈資料，以作為日後農作栽植、灌溉或是地層滑動、水土保持、土地、水利開發之較佳依據。

綜上所述，本發明土壤水飽和度偵測裝置不僅能夠杜絕土壤中帶電離子之干擾，以降低偵測誤差值，而達到維持水飽和度偵測準確性之功效。甚至，本發明土壤水飽和度偵測裝置更能夠維持與土壤接觸時的較佳靈敏度，並同時選擇區段性地偵測不同深度之土壤含水量，以縮短偵測所需之時間，達到提升水飽和度偵測效率之功效。

雖然本發明已利用上述較佳實施例揭示，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者在不脫離本發明之精神和範圍之內，相對上述實施例進行各種更動與修改仍屬本 發明所保護之技術範疇，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

〔本發明〕

1‧‧‧主體

1A‧‧‧組裝段

1B‧‧‧感測段

11‧‧‧感測空間

12‧‧‧開孔

13‧‧‧隔板

131‧‧‧穿孔

132‧‧‧組裝部

133‧‧‧螺合件

14‧‧‧多孔包覆體

2‧‧‧感測電極組

21‧‧‧感測電極片

3‧‧‧電場電極組

31‧‧‧多孔導電片

4‧‧‧感測控制模組

41‧‧‧電容/電壓轉換器

42‧‧‧類比/數位轉換器

43‧‧‧處理器

5‧‧‧迫接件

C‧‧‧供電器

P‧‧‧帶電離子

S‧‧‧土壤

第1圖：本發明土壤水飽和度偵測裝置之立體示意圖。

第2圖：本發明土壤水飽和度偵測裝置之上視圖。

第3圖：本發明土壤水飽和度偵測裝置沿第2圖3-3線之裝配剖視圖。

第4圖：本發明土壤水飽和度偵測裝置沿第2圖4-4線之使用示意圖。

第5圖：本發明之感測控制模組配設圖。

第6圖：本發明之串接型態示意圖。

1．．．主體

1A．．．組裝段

1B．．．感測段

11．．．感測空間

12．．．開孔

13．．．隔板

131．．．穿孔

14．．．多孔包覆體

2．．．感測電極組

21．．．感測電極片

3．．．電場電極組

31．．．多孔導電片

Claims (7)

1. 一種土壤水飽和度偵測裝置，係包含：一主體，內部具有一感測空間，該主體之周壁形成有數貫穿狀之開孔，該數開孔係與感測空間相連通；一感測電極組，係由二感測電極片組成，該二感測電極片係呈相對地接設於該主體，並凸伸至該感測空間內；一電場電極組，包含二多孔導電片，該二多孔導電片呈相對地環設且貼合於該主體之周壁，並覆蓋該數開孔，該二多孔導電片之對稱面係與該二感測電極片之對稱面呈相互垂直；及一感測控制模組，分別與該感測電極組及電場電極組電性耦接。
2. 如申請專利範圍第1項所述之土壤水飽和度偵測裝置，其中，該感測空間內係填充有多孔性吸附材，且該感測空間及數開孔另以一多孔包覆體予以罩蓋。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述之土壤水飽和度偵測裝置，其中，感測控制模組係包含一電容/電壓轉換器、一類比/數位轉換器及一處理器，該電容/電壓轉換器與類比/數位轉換器相互電性耦接，且該類比數位轉換器亦與處理器相互電性耦接，該處理器內部建立有一用以分析土壤含水量之比對資料庫，該資料庫包含多種參數或對應公式。
4. 如申請專利範圍第1或2項所述之土壤水飽和度偵測裝置，其中，該主體是為一中空筒體，該中空筒體內設有 一隔板，該隔板將該主體區隔出一組裝段及一感測段，該感測段之周壁則環設有該數開孔。
5. 如申請專利範圍第4項所述之土壤水飽和度偵測裝置，其中，該隔板設有二獨立之穿孔及一組裝部，該組裝部是為一凸塊，該凸塊係朝該組裝段之內部凸伸而成，以供螺合件穿設。
6. 如申請專利範圍第5項所述之土壤水飽和度偵測裝置，其中，該二感測電極片係各別以該螺合件鎖固於該隔板之組裝部，並各自穿越該隔板之穿孔，以懸吊於該主體之感測空間內。
7. 如申請專利範圍第1或2項所述之土壤水飽和度偵測裝置，其中，任二土壤水飽和度偵測裝置之主體係以一迫接件相互串接，且該二主體之感測空間內皆填充有多孔吸附材。