PL154440B1

PL154440B1 - Reflektometryczny miernik wilgotności ciał kapilarno-porowatych, zwłaszcza gleby

Info

Publication number: PL154440B1
Application number: PL26661787A
Authority: PL
Priority date: 1987-07-03
Filing date: 1987-07-03
Publication date: 1991-08-30
Also published as: PL266617A1

Description

OPIS PATENTOWY

Patent dodatkowy do patentu nr-Zgł°sz^on°: 87 07 0} (P. 266617)

Pierwszeństwo

Zgłoszenie ogłoszono: a? 01 05

Opis patentowy opublikowano: 1991 11 29

154 440 lnt. Cl.⁵ G01N 22/04 G01N 33/24 f fi fi i

Twórcy wynalazku: Marek Malicki, Wojciech Skierucha

Uprawniony z pateatu: Polska Akademia Nauk Instytut Agrrfizyki, Lublin (Polska)

REFLEKTOMETRYCZNY MIERNIK WILGOTNOŚCI CAL KAPILARNO-POROWATYCH, ZWŁASZCZA GLEBY

Przedmiotem wynalazku jest refleklometryczay miernik wilgotności ciał kapilarno-porowatych, zwłaszcza glily, do pomiaru wilgotności objętościowej (masy wody w jednym centymetrze sześciennym maaeeiału), oparty na zależności stałej dielektrycznej ciała od jego wilgotności.

Znane sę tzw. lllkrlpooeemnośclowe mierniki wilgotności ciał kapilarno-porowatych oparte na zależności pomiędzy stałą dielektryczną maaeeiału a jego wilgotnością, z zastosowaniem których wyyicza się wilgotność na podstawie pomiaru wzzlędnej zmiany elektrycznej pojemnności kondennstora wynplnionego badanym imateiałem. Ponieważ stała dieiektyyczna czystej wody wynosi (w temepiaturzi poI^<^.)o^^1) 81 zaś stała dieiektyyczna fazy stałej, zwłaszcza glely, nie przekracza 5, dlatego każdej zmianie wilgotności maatiiału towarzyszy wyraźna zmiana wypadkowej stałej dielektrycznej. Techniczna strona pomiaru wilgotności w oparciu o diilektyyczni właściwości maatiiału kap^anno-porowatego, zwłaszcza glely, sprowadza się zatem do wyznaczania jego stałej dielektrycznej.

Podstawową wadą mierników elektropolemnościowych jest istotny wwłł- po^ryzacj elektrochemicznej na przililg zależności wiążącel elektryczną pojemność czujnika z wilgotnością badanego eaaeeiału, zwłaszcza glely. Poraryzacja ta powoodje, że zasolenie ιβ^ιζι^, zwłaszcza glely, jigo temepiraura, cheeize nawilżającego roztworu (jego kwasowość i komeprznjil, jak również stan elektrod (zanieczyszczenia ich powierzchtu, naprężenia eelh^cicznl) w isto^ym stopniu wpływają na oyniki. Stosowanie wys^okej częstotliwości napięcia zasilaąącigo czujnik (kondensator pomiarowy) omiża wpływ p<oai^i^^^aji., jednakże waz zi wzrostem częstości rosną trudności techniczni oynikające z rosnącego pasożytniczego wpływu rozproszonych indukcyjnie! i prjemno0śi mortażroych czujnika. Praktycznie stosowane do zasilania czuj^ków liiklnt^fjoli^m154 440

154 440 nościowych częstości napięcia zmiennego leżę w graniacach 0,1 - 100 MHz co nie uwalnia całkowicie pomiarów elektropojemnościowych od wpływu polaryzacji elektrochemicznej. W konsekwencji, stosowanie elektropojemnościowych mierników wilgotności ciał kapilarno-porowatych, zwłaszcza gleby, wymaga częstej, indywidualnej dla każdego czujnika, jak również dla każdej gleby i w każdym punkcie jej profilu, kalibracji miernika.

Istnieje inna droga wyznaczania właściwości dielektrycznych, gdzie stałą dielektryczną wylicza się na podstawie pomiaru prędkości propagacji fali elektromagnetycznej w badanym materiale. Ten sposób, jako nieobciążający błędem wnoszonym przez polaryzację elektrochemiczną zachodzącą na granicy elektroda - wilgotny materiał, jest bardziej odpowiedni w zastosowaniu do wilgotnych materiałów kapilarno-porowatych, zwłaszcza gieby, zaś jedną z dotyczących go metod jest metoda reflektometryczna.

Reflektometryczna metoda pomiaru stałej dielektrycznej jest oparta na zależności pomiędzy prędkością propagacji fali elektromagnetycznej w ośrodku a wartością stałej dielektrycznej tego ośrodka. Zależność ta, dla materiałów niemagnetycznych charakteryzujących się małą stratnością dielektryczną, może być' uproszczona do postaci:

V = c/fiT gdzie:

V - prędkość fali elektromagnetycznej w ośrodku, c - prędkość fali elektromagnetycznej (światła) w próżni,

K - względna stała dielektryczna ośrodka.

Począwszy od roku 1980 wykorzystuje się do reflektometrycznych pomiarów wilgotności, zwłaszcza gleby, tester kabli telekomunikacyjnych firmy Tektronix model 1502, który operuje impulsem skokowym (skokiem napięcia od zera do wartości maksymalnej) o czasie narastania 145 ps. Tester ten służy do lokalizacji uszkodzeń jak również do wstępnego rozpoznawania charakteru uszkodzenia (przerwa, upływność o impedancji z przewagą składnika aktywnego lub pasywnego itp.). W roku 1984 kanadyjska firma Foundation Instruments Inc. zaoferowała - przeznaczony specjalnie do pomiaru wilgotności gleby - model IRAMS (Instrument for Reflectometry Analysis of Moisture in Soil) aktualnie produkowany w USA przez Soil Moisture Eąuipment Corp.

Wadą testera kabli telekomunikacyjnych w zastosowaniu do pomiaru wilgotności ciał kapilarno-porowatych, zwłaszcza gleby, jest krokowy kształt impulsu analizującego oraz sposób monitoringu odpowiedzi analizowanego układu na ten impuls. Odpowiedź analizowanego czujnika na taki impuls, odczytywana z ekranu synchroskopu (oscyloskopu próbkującego), lub rejestratora Χ-Υ, jest trudna w interpretacji, co prowadzi do znacznych błędów pomiaru. Inne niż pomiar wilgotności przeznaczenie przyrządu i związany z nim znaczny pobór energii elektrycznej dyskwalifikują go w zastosowaniu do współpracy z bateryjnie zasilanymi automatycznymi systemami zbierania danych.

Autorom wynalazku nic nie wiadomo na temat technicznego rozwiązania konstrukcji reflektometrycznego miernika wilgotności IRAMS.

Reflektometryczny miernik wilgotności według wynalazku zawiera czujnik w postaci dwóch metalowych równoległych prętów tworzących falowód. Czujnik ten dołączony jest do wejścia głowicy próbkującej za pośrednictwem linii współosiowej, do którego to wejścia dołączony jest również wzorzec czasu w postaci linii opóźniającej. Do głowicy próbkującej doprowadzane są impulsy szpilkowe z generatorów impulsu szpilkowego i opóźnionego impulsu szpilkowego. Generatory te pobudzane są impulsami z generatora astabilnego, którego wyjście dołączone jest do wejścia generatora impulsu szpilkowego i - za pośrednictwem układu opóźniającego sterowanego za pomocą potencjometru - do wejścia generatora opóźnionego impulsu szpilkowego. Drugie wyjście generatora astabilnego połączone jest z wejściem kasującym głowicy próbkującej. Do wyjścia głowicy kasującej dołączony jest wskaźnik wychyłowy.

Rozwiązanie reflektometrycznego miernika wilgotności ciał kapilarno-porowatych według wynalazku pozbawione jest wad wynikających ze stosowania impulsu krokowego i monitoru odpowiedzi czujnika na ten impuls za pomocą synchroskopu lub rejestratora Χ-Υ.

154 440

Zgodnie z wynalazkiem zastosowano impuls szpilkowy o kształcie odpowiadającym w przyblio żeniu funkcji sin oraz zastosowano do monitoringu odpowiedzi czujnika (odbić tego impulsu od występujących w systemie miernik-czujnik nieciągłości impedancji) typowy elektromagnetyczny wskaźnik wychyłowy (galwanometr), którego rola polega na sygnalizowaniu maksymalnym wychyleniem wskazówki momentów, w których należy dokonywać odczytów z podziałki ręcznego manipulatora.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, przedstawiającym budowę miernika.

Czujnik miernika 1 stanowią dwa równoległe metalowe pręty 2a, 2b wprowadzone pionowo do gleby, formujące (w aspekcie fizycznym) falowód o otwartym końcu. Czujnik jest dołączony do głowicy próbkującej 6 za pośrednictwem linii współosiowej 3. Do głowicy próbkującej 6 doprowadzone są impulsy szpilkowe z generatorów: impulsu szpilkowego 7 i opóźnionego impulsu szpil kowego 8, dołączonych do wejścia tej głowicy. Generatory 7, 8 pobudzane są impulsami z generatora astabilnego 5, którego wyjście dołączone jest do wejścia generatora impulsu szpilkowego 7 oraz - za pośrednictwem układu opóźniającego 9 sterowanego za pomocą potencjometru 11 do wejścia generatora opóźnionego impulsu szpilkowego 8. Wyjście tego generatora astabilnego 5 połączone jest z wejściem kasującym głowicy próbkującej 6. Do wejścia głowicy próbkującej 6 dołączony jest wzorzec czasu w postaci linii opóźniającej 12. Wyjście głowicy próbkującej połączone jest ze wskaźnikiem wychyłowym 10.

Wielkością mierzoną przez miernik bezpośrednio jest czas podróży fali elektromagnetycznej w glebie na drodze równej podwójnej długości czujnika.

Impulsy z generatora astabilnego 5 o częstotliwości rzędu 1 kHz synchronizują działanie głowicy próbkującej 6 oraz dwu identycznych generatorów impulsowych 7, 8 generujących impulsy szpilkowe o czasie narastania i opadania rzędu 100 ps. Tak szybkie i krótkotrwałe impulsy elektryczne (w 100 ps światło przebywa w próżni drogę 3,3 cm) nie mogą być przetwarzane w czasie realnym, ponieważ aktualnie nie istnieją dostatecznie szybkie, aktywne urządzenia elektroniczne. Z tej przyczyny stosuje się tu znaną technikę próbkowania, polegającą na pobieraniu i zapamiętywaniu próbek napięcia badanego przebiegu w różnych jego fazach, przy czym ten sam przebieg jest powtarzany tyle razy ile ma być pobranych próbek. Próbki te, odtworzone w tym samym następstwie w jakim były pobierane, ale już w czasie dowolnie długim, odwzorowują przebieg pojedyńczego impulsu.

Narastające czoło impulsu z generatora 5 kasuje pamięć głowicy próbkującej i wyzwala obydwa generatory impulsów szpilkowych, przy czym wyzwalanie jednego z nich jest w sposób kontrolowany opóźniane przy pomocy układu opóźniającego 9. Obydwa impulsy zasilają czujnik 1 za pośrednictwem fidera 3 i powodują rozwinięcie się w fiderze bieżącej fali elektromagnetycznej, która biegnie w kierunku czujnika. W momencie t 1, w którym czoło fali dociera do złączenia 4 obydwu falowodów, t.j. fidera i czujnika, część niesionej przez falę energii odbija się. od tego złączenia z powodu ich różnych oporności falowych (impedancji) i wraca w kierunku generatora. Pozostałość biegnie dalej w kierunku otwartego końca czujnika (linii równoległej ) i w chwili t 2 ponownie ulega odbiciu skutkiem skoku impedancji na przejściu czujnik - gleba. Znając czas t 2 - t 1, potrzebny na pokonanie przez biegnącą w glebie falę elektromagnetyczną drogi równej podwójnej długości czujnika, można wyliczyć względną stałą dielektryczną gleby K zgodnie z wyżej wspomnianą formułą. Ponieważ wilgotność gleby jest jednoznacznie związana z wielkością jej stałej dielektrycznej, wyznaczywszy stałą dielektryczną można, z kolei, wyliczyć wilgotność gleby.

Zarówno impulsy inicjalne, jak i odbite;, występują na wejściu głowicy próbkującej 6. Głowica próbkująca nie reaguje na napięcia równe i niższe od najwyższego z napięć występujących na jej wejściu poszczególnych impulsów. Kiedy dwa z nich nałożą się na siebie, ich wypadkowe napięcie przekracza wartość graniczną i jego próbka zostaje pobrana. Rolę bramki decydującej o tym czy próbka zostanie pobrana spełnia spolaryzowana zaporowo odpowiednim napięciem (jak wyjaśniono powyżej) dioda Schottky'ego, posiada wystarczająco krótki czas przełączenia.

154 440

Jeśli bramka się otworzy, to zapamiętane przez głowicę napięcie jest wprost proporcjonalne do chwilowej wartości napięcia analizowanego (próbkowanego) impulsu.

Impuls z generatora 8 zwany dalej strobujęcym, może być przesuwany w fazie (w czasie) za pośrednictwem sterowanego ręcznie napięcia z potencjometru 11 układu opóźniającego 9, przy czym opóźnienie impulsu strobującego jest wprost proporcjonalne do tego napięcia.

Pomiar czasu podróży fali w badanym ośrodku kapilarno-porowatym, zwłaszcza w glebie, sprowadza się do odczytów napięć sterujących układem opóźniającym w momentach sygnalizowanych przez galwanometr 10 maksymalnym wychyleniem jego wskazówki. Ponieważ opóźnienie jest wprost proporcjonalne do wartości tego napięcia, poszukiwany czas podróży fali elektromagnetycznej może być odczytywany wprost z odpowiednio wykalibrowanej podziałki potencjometru 11. Układ opóźniający wykazuje znaczny dryf, którego eliminacja jest niezwykle trudna i kosztowna. Dlatego w układzie będącego przedmiotem wynalazku miernika zainstalowano wzorzec czasu w postaci linii opóźniającej 12 (odcinka przewodu współosiowego) o znanym i niezmiennym opóźnieniu. Długość tej linii jest tak dobrana, by odbity od jej końca impuls napięcia docierał do wejścia głowicy próbkującej 6 zawsze jako ostatni w stosunku do pozostałych. Mierząc w opisany sposób również czas podróży fali w linii opóźniającej wzorca można przez proporcję prostą korygować powodowane dryfem błędy.

Claims

Zastrzeżenie patentowe

Reflektometryczny miernik wilgotności ciał kapilarno-porowatych, zwłaszcza gleby, znamienny tym, że składa się z czujnika (1) w postaci dwóch równoległych prętów (2a, 2b) tworzących falowód, dołączonego do wejścia głowicy próbkującej (6) za pośrednictwem linii współosiowej (3), do którego to wejścia dołączony jest również wzorzec czasu w postaci linii opóźniającej (12), a ponadto do głowicy próbkującej (6) doprowadzane są impulsy szpilkowe z generatorów impulsu szpilkowego (7) i opóźnionego impulsu szpilkowego (B) pobudzanych impulsami z generatora astabilnego (5), którego wyjście dołączone jest do wejścia generatora impulsu szpilkowego (7) i - za pośrednictwem układu opóźniającego (9) sterowanego za pomocą potencjometru (11) - do wejścia generatora opóźnionego impulsu szpilkowego (8), przy czym drugie wyjście generatora astabilnego (5) połączone jest z wejściem kasującym głowicy próbkującej (6), a do wyjścia tej głowicy dołączony jest wskaźnik wychyłowy (10).

Zakład Wydawnictw UP RP. Nakład 100 egz. Cena 3000 zł