RS60892B1 - Mikrotalasni senzor vlažnosti zemljišta zasnovan na metodi faznog pomeraja koji je nezavisan od električne provodnosti zemljišta - Google Patents

Description

Oblast tehnike na koju se pronalazak odnosi

Pronalazak uopšteno spada u oblast merenja električnih veličina sa konkretnom primenom na merenje dielektrične konstante zemljišta. Prema Međunarodnoj klasifikaciji patenta predmet pronalaska merenje induktivnosti ili kapacitivnosti; merenje faktora dobrote, npr. korišćenjem rezonantnog postupka; merenje faktora gubitka; merenje dielektričnih konstanti.

Tehnički problem

Tehnički problem koji se rešava opisanim pronalaskom sastoji se u sledećem: kako senzorom pouzdano i tačno izmeriti sadržaj vode u zemljištu tako da je moguće zanemariti električnu provodnosti zemljišta i time umanjiti uticaj tipa zemljišta na rezultate merenja čime bi se izbegla potreba za kalibracijom, a pri tom koristiti senzor koji je robustan, dugotrajan i kojeg je moguće povezati na čvor bežične senzorske mreže i/ili spregnuti sa sistemima za automatsko navodnjavanje?

Stanje tehnike

1. Rezistivni senzori

Primer senzorskog rešenja zasnovanog na merenju provodnosti medijuma jesu rezistivni senzori. Električna provodnost zemljišta se meri između elektroda ili se otpornost meri za određeni medijum posrednik koji je sa jedne strane u neposrednom kontaktu sa elektrodama a sa druge strane u kontaktu sa okolnim zemljištem i koji je uravnotežen sa vlažnošću okolnog zemljišta. Uređaj se sastoji od poroznog bloka napravljenog od gipsa ili fiberglasa u kojem su smeštene dve elektrode sa električnim izvodima kao što je opisano u „Measurement of soil moisture using gypsum blocks" B. Hanson i ostali. Prilikom postavljanja senzora u zemljište dolazi do kretanja vode iz oblasti nižeg kapilarnog potencijala ka oblasti višeg potencijala čime se potencijali u bloku senzora i okolnom zemljištu izjednačavaju. Kad dođe do ravnoteže vlažnosti vrši se merenje provodnosti (otpornosti) naizmeničnom strujom kako bi se eliminisao uticaj nagomilavnja jona na elektrodama.

Glavni nedostatak ovih senzora je činjenica da provodnost zemljišta ne zavisi isključivo od vlažnosti zemljišta već zavisi i od koncetracije jona u zemljištu i praktično je nemoguće eliminisati ovaj uticaj. Navedeni problem značajno je umanjen kod senzora koji koriste blok od gipsa, koji zasićuje vodu jonima i na taj način poništava uticaj provodnosti zemljišta. Međutim rešenje problema promenljive vlažnosti zemljišta stvorilo je nove nedostatke budući da se gipsani blok vremenom rastvara čime se gubi kontakt sa okolnim zemljištem i kvalitet merenja degradira, s druge strane metoda je ograničena u pogledu električne provodnosti zemljišta na vrednosti ne veće od 6 dS/m. Kako bi se prevazišao problem kontakta osmišljeni su senzori sa granularnom matricom ili prenosnom matricom obično u vidu kvarcnog peska visoke čistoće. Primer senzora koji koristi ovakvu sredinu posrednik je opisan je u patentu US5179347.

lako se ovim pristupom eliminisao problem kontakta između senzora i zemljišta, nasleđene su ostale mane prethodnog rešenja kao što su potrošenost gipsane tablete, dugo vreme odziva, temperaturna zavisnost, i nemogućnost primene senzora u zemljištima koja bubre. Kod svih rezistivnih senzora neophodno je uzeti u obzir uticaj temperature pošto ona značajno utiče na provodnost.

Predmetni pronalazak u sebi ne sadrži potrošne delove kao što je prehodno opisana gipsana tableta, čime je obezebđen njegov dugotrajan i nesmetan rad bez degradiranja perforamansi. Takođe, pronalazak se zasniva na merenju dielektrične permitivnosti koja je temperaturno stabilnija u odnosu na električnu provodnost.

2. Senzori vlažnosti iz vremenskog domena

Voda značajno menja relativnu permitivnost zemljišta budući da je njena dielektična konstanta velika i iznosi približno 78, što je znatno veće od relativne permitivnosti vazduha i minerala u zemljištu. Permitivnost utiče na brzinu prostiranja elektromagnetskog talasa u dielektriku sa gubicima, a time i na vreme kašnjenja. Ova činjenica je iskorišćena kod senzora vlažnosti iz vremenskog domena koji mogu biti reflektormetrijski (eng. Time Domain Reflectrometry - TDR) i transmisijski (eng. Time Domain Transmission - TDT). Kod TDR senzora meri se vremensko kašnjenje impulsa koji se reflektuje s kraja senzora. U opštem slučaju senzor je realizovan u vidu voda kojeg čine dve ili tri provodne šipke koje se postavljaju u zemljište i minimalno ga remete kao što je opisano u patentu US5376888. Rezultat merenja predstavlja srednju vrednost permitivnosti duž cele dužine senzora. Preciznost reflektormetrijskih metoda ograničena je pojavom višestrukih refleksija izazvanih nehomogenošću zemljišta.

Za razliku od uobičajenih reflektometrijskih metoda, na tačnost transmisijskih metoda ne utiču višestruke refleksije, pošto prvi detektovani impuls sadrži neophodnu informaciju kao što je navedeno u radu „А time domain transmission measurement system for dielectric characterizations" autora B. Will i ostalih. Međutim, senzori zasnovani na transmisijskoj metodi zahtevaju dva pristupa, što stvara probleme konstrukcije senzora koja bi omogućila jednostavno postavljanje oba porta u zemljište.

Kod reflektometrijskih i transmisijskih senzora prisutan je uticaj električne provodnosti zemljišta koja utiče na slabljenje mernog signala. Predmetni pronalazak ne zavisi od električne provodnosti zemljišta. Takođe ovaj tip merenja je znatno osetljiviji na uticaj šuma u odnosu na merenje faze električnog signala koji koristi predmetni pronalazak.

3. Kapacitivni senzori

Merne sonde kapacitivnih senzora koriste zemljište kao dielektrik kondenzatora. Promena vlažnosti direktno utiče na ukupnu kapacitivnost sonde. Relativna permitivnost zemljišta može se odrediti na osnovu vremena punjenja kondenzatora ili se koriste oscilatori promenljive učestanosti za utvrđivanje rezonantne učestanosti. Oblik elektroda projektuje se tako da omogući što jednostavnije postavljanje u zemljište stoga su to forme poput šipke ili ploče kao što je opisano u patentu US20100277185. Postoje i sonde nalik na senzore koji se koriste kod neutronske metode u vidu PVC (polivinil hlorid, eng. PolyVinyl chloride) cevi na kojoj se nalaze parovi metalnih prstenova koji formiraju kondenzatore čija se ivična kapacitivnost menja s promenom vlažnosti zemljišta, videti u patentu US5418466. Kapacitivni senzori veoma su zavisni od tipa zemljišta i zahtevaju kalibraciju pre upotrebe. U slučaju predmetnog pronalaska uticaj električne provodnosti koja je usko povezana sa tipom zemljišta može se zanemariti pogodnim odabirom radne učestanosti. Na ovaj način dobija se rešenje koje je imunije na tip zemljišta i ne zahteva kalibraciju.

4. Senzori električne impedanse

Jedan od načina merenja dielektrične permitivnosti a time i sadržaja vode u zemljištu jeste merenje impedanse otvorenog voda koji je u neposrednom kontaktu sa uzorkom zemljišta. Otvoreni vod koji se koristi za merenje obično se naziva sonda ili senzor i najčešće je realizovan u vidu koaksijalnog voda koji omogućuje merenja širokog opsega učestanosti. Sonda se postavlja tako da je njen otvoreni kraj u kontaktu sa uzorkom. Tako se postiže da vlaga u zemljištu, koja menja njegovu kompleksnu permitivnost, utiče na impedansu koju vod „vidi" na svom kraju,. Merenja impedanse u laboratorijskim uslovima rade se putem merenja koeficijenta refleksije pomoću vektorskog analizatora mreža (eng. vector network analyzer -VNA). Kako bi se došlo do vrednosti kompleksne permitivnosti rezultate merenja neophodno je uporediti sa odgovarajućim ekvivalentnim električnim modelom. U slučaju predmetnog pronalaska ovo nije potrebno budući da sadrži prateću elektroniku kojom se meri vlažnost i koja mu obezbeđuje rad na terenu.

Glavna mana ovog tipa senzora je što zahteva skupe uređaje poput vektorskog analizatora mreža ili analizatora impedanse, što ograničava njihovu upotrebu na laboratorijske uslove. Za potrebe primene na terenu odustalo se od širokog opsega učestanosti i merenja su vršena na jednoj učestanosti od obično 100 MHz što je opisano u „Measurement of Soil Water Content Using a Simplified Impedance Measuring Technique". Senzor, odnosno vod namenjen za merenja na licu mesta nije koaksijalnog tipa već je realizovan u vidu dve ili više provodnih šipki, slično TDR mernim probama, kako bi se lakše postavio u zemlju. Međutim, opisani senzor je zavisan od tipa zemljišta i zahteva kalibraciju pre uptorebe senzora zbog niske radne učestanosti. Predmetni pronalazak radi na dovoljno visokim učestanostima (~GHz) koje mu omogućuju zanemarivanje uticaja električne provodnosti koja je usko povezana sa tipom zemljišta. Na ovaj način je smanjena potreba za kalibracijom.

5. Tenziometri

Metode koje mere kapilarni potencijal zemljišta nazivaju se tenziometrijske metode. Merenje kapilarnog potencijala vrši se pomoću uređaja koji se nazivaju tenziometri i koji se sastoje od zaptivene plastične cevi ispunjene vodom na čijem se dnu nalazi porozni materijal dok je na suprotnoj strani merač pritiska kao što je opisano u patentu US4068525. Porozni materijal je u kontaktu sa okolnim zemljištem i u stanju je da otpušta vodu iz cevi u slučaju kad je kapilarni potencijal zemljišta veći od kapilarnog potencijala poroznog materijala ili da je upija u obrnutom slučaju. Na taj način obezbeđeno je da se ove dve sredine nalaze u stanju hidrodinamičke ravnoteže. Promene nivoa vode u cevi direktno utiču na merač pritiska čime se utvrđuje kapilarni potencijal zemljišta sa tačnošću od 0.1 - 1.0 kPa.

Zbog samog principa rada tenziometri su u stanju da procene količinu vode dostupne biljkama što predstavlja njihovu najveću prednost. Dalje, oni su nezavisni od saliniteta zemljišta, pošto se rastvorene soli mogu slobodno kretati kroz porozni medijum tako da je uticaj tipa zemljišta minimalan. Moguće je čak i izbeći korišćenje električnih kola i napajanja što u sklopu sa veoma robusnom izvedbom čini jedan dugotrajan i nezavisan senzor.

Međutim, ovaj tip senzora ima nedostatak izazvan nastajanju šupljina između poroznog medijuma i zemljišta koje se suši, te nije pogodan za zemljišta koja bubre. Takođe, kapilarni potencijal ne bi smeo da pređe granicu koja omogućuje vazduhu da uđe u porozni materijal, pa stoga dinamički opseg tenziometara iznosi od 0 do -85 kPa. Predmetni pronalazak nema problem sa šupljinama u poroznom medijumu budući da se zasniva na merenju permitivnosti koja nema potrebu za sistemom spojenih sudova kao što je to slučaj sa tenziometrima. Tenziometri se moraju zaštititi od mraza budući da su ispunjeni vodom tako da njihova radna temperatura iznosi između 0 i 80°C, dok za predmetni pronalazak ovo nije slučaj pošto ne sadrži vodu.

Izlaganje suštine pronalaska

Suština pronalaska se sastoji u odabiru pogodnog principa rada senzora koji se zasniva na metodi faznog pomeraja kao i u odabiru pogodne radne učestanosti. Budući da metod faznog pomeraja meri fazu a ne amplitudu signala, rezultat merenja je imuniji na šum. Odabirom radne učestanosti iz mikrotalasnog opsega (~ GHz) moguće je zanemariti uticaj električne provodnosti zemljišta. Ovim je omogućeno da senzor bude imuniji na tip zemljišta i smanjuje se potrebu za njegovom kalibracijom. Senzor je sačinjen od robusnih delova i nema potrošnih komponenti što obezbeđuje njegov dugotrajan rad sa performansama koje ne degradiraju vremenom. Prateća elektronika omogućuje senzoru ekonomičan rad pogodan za integraciju u bežične senzorske mreže i integraciju sa sistemima za automatsko navodnjavanje. Porozna matrica koja je u sklopu senzora omogućava održavanje hidrodinamičke ravnoteže sa okolnim zemljištem i time realno oslikava stanje vlažnosti dok istovremeno obezbeđuje kvalitetan kontakt sa senzorskim elementom. Dovođenjem u relaciju krive retencije porozne matrice i izlaznih vrednosti senzora moguće je izvršiti merenje kapilarnog potencijala zemljišta koji predstavlja najbolju meru dostupnosti vode za biljku.

Kratak opis slika nacrta

Pronalazak je opisan na primeru izvođenja prikazanom na nacrtu u kome:

Slika 1- uprošćeno prikazuje sklopni izgled pronalaska i njegove unutrašnje strukture

Slika 2 - prikazuje poprečni presek pronalaska na mestu senzorskog elementa 1 i porozne matrice 2

Slika 3 - prikazuje blok šemu električnog kola faznog merača 3

Slika 4 - prikazuje električnu šemu električnog kola faznog merača 3

Slika 5 - prikazuje poređenje performansi električnog kola faznog merača 3 sa vektorskim analizatorom mreža koji predstavlja referentni uređaj

Slika 6- prikazuje nezavisnost pronalaska od električne provodnosti zemljišta zahvaljujući dovoljno visokoj radnoj učestanosti

Slika 7- prikazuje rezultate merenja vlažnosti zemljišta pomoću pronalaska

Detaljan opis pronalaska

Pre izlaganja detalja pronalaska, važno je razumeti i naglašava se, da predmetni pronalazak nije ograničen detaljima konstrukcije ilustrovanim i opisanim u nastavku. Upotrebljeni termini u opisu pronalaska služe za razumevanje pronalaska, a ne za njegova ograničenja.

Primer realizacije senzora vlažnosti zemljišta prikazan je na slici 1. Strana označena sa L predstavlja poprečni presek senzora koji je definisan na slici 2 oznakom 1’-1’, dok strana D predstavlja sklopljeni senzor. Osnovni sastavni delovi senzora su senzorski element 1 koji je u neposrednom kontaktu sa poroznom matricom 2, električno kolo faznog merača 3 i zaštitni sloj elektronskog kola. U nastavku će detaljno biti opisan princip rada senzora kao i njegovi sastavni delovi.

Princip rada senzora zasniva se na metodi faznog pomeraja. Prednosti ove metode se sastoje u tome da je merenje faze manje podložno uticaju šuma nego merenje amplitude koje koriste senzori vlažnosti iz vremenskog domena. Zatim, dovoljno je raditi merenje na jednoj radnoj učestanosti čime se pojednostavljuje realizacija električnog kola što snižava cenu senzora. Na kraju električno kolo, kojim se realizuje metoda, male je potrošnje i kao takvo pogodno za integraciju u bežične senzorske mreže.

Metodom faznog pomeraja meri se fazni pomeraj prostoperiodičnog signala koji propagira duž voda realizovanog u vidu senzorskog elementa 1. Fazni pomeraj Δϕ određen je brzinom i učestanošću signala kao i fizičkim osobinama senzorskog elementa i porozne matrice 2 koji ga okružuju

gde su μ, ε, i σ redom permeabilnost, permitivnost i električna provodnost sredine kroz koju se signal prostire, respektivno. Glavna prednost metode faznog pomeraja leži u mogućnosti zanemarivanja uticaja električne provodnosti zemljišta pogodnim odabirom radne učestanosti. Električna provodnost zemljišta je u bliskoj vezi sa tipom zemljišta i određuje ga tekstura, nivo organske materije i salinitet zemljišta, kao što je pokazano u "Precision farming tools: Soil electrical conductivity" autora R.B. Grisso i ostalih. Na ovaj način je obezbeđeno da senzor bude imuniji na tip zemljišta čija vlažnost se meri.

Na dovoljno visokim učestanostima, kada je zadovoljeno da σ<2>/(ωε)<2><< 1, izraz za faznu brzinu svodi se na jednostavniju formu:

zavisnu isključivo od permitivnosti i permeabilnosti koja se ne menja sa količinom vode u zemljištu.

Ulogu voda igra senzorski element 1 koji može biti realizovan u vidu planarnih vodova kao što su mikrostrip linija, koplanarni talasovod, slotlajna ili slično. Navedeni planarni vodovi se realizuju tehnologijom štampanih ploča koja je uobičajena u elektronskoj industriji i mogu se jednostavno integrisati sa električnim kolom senzora. Planarni vodovi mogu biti realizovani od supstrata 6 zasnovanih na teflonu namenjenih izradi mikrotalasnih kola ili na keramičkim supstratima zasnovanim na alumini ili uobičajenom FR-4 supstratu ili slično. Senzorski element 1 može biti zaštićen od agresivnih uslova sredine slojevima na bazi poliuretana, akrilata ili slično. Provodni delovi senzorskog elementa 7 mogu a ne moraju biti realizovani od ugljeničnih materijala ili biti zaštićeni zlatom.

Uticaj vlažnosti zemljišta na prostiranje signala ogleda se u efektivnoj permitivnosti senzorskog elementa 1 koja zavisi od sredine koja ga okružuje, odnosno porozne matrice 2, kao i od dielektrične konstante supstrata senzorskog elementa 1. Na primer efektivna permitivnost mikrostrip linije može se izračunati pomoću jednačine

gde su εsi εpmpermtivnosti dielektrične supstrata mikrostripa i porozne matrice 2 koja ga okružuje, a h i w debljina supstrata 6 i širina provodne linije mikrostripa.

Porozna matrica 2 obezbeđuje kvalitetan kontakt sa senzorskim elementom 1 i okolnim zemljištem 5 sa kojim se nalazi se u stanju hidrodinamičke ravnoteže stoga verno preslikava stanje u pogledu vlažnosti. Odnos porozne matrice 2, senzorskog elementa 1 i okolnog zemljišta 5 jasno se može videti na slici 2 koja predstavlja presek označen sa 2'-2' na slici 1. Porozna matrica 2 može biti načinjena od komercijalno dostupnih materijala kao što su kvarcno brašno, fenolna pena, glina, zeolit ili slično. Mogu se koristiti novorazvijeni materijali zasnovani na mešavini mikrosfera različitih veličina, napravljenih od stakla, polietilena, poli metil metakrilata ili slično, koje bi oponašale teksturu zemljišta. Matrica 2 može biti zasnovana na mešavini gline i polietilen glikola Ili epoksidne smole ili slično čime je moguće podešavanje poroznosti matrice 2. Porozna matrica 2 može, a ne mora biti smeštena u perforirano kućište koje omogućava neometano kretanje vode iz zemljišta 5 u matricu 2 i obratno i s druge strane obezbeđuje mehaničku čvrstoću same matrice 2<.>Veličina pora i čestica matrice 2 je takva da pokriva kapilarne potencijale od interesa za biljke počev od poljskog vodnog kapaciteta (-33 kPa), preko prekida lentokapilarne veze (-625 kPa) koji se uzima kao donja granica optimalne vlažnosti zemljišta sa stanovišta biljaka, pa sve do vlažnosti venjenja (-1500 kPa).

Principska blok šema električnog kola faznog merača 3 prikazana je na slici 3. Princip rada električnog kola sastoji se u sledećem:

Mikrotalasni oscilator 8 predstavlja izvor prostoperiodičnog signala na učestanosti od 2.2 GHz. Generisani signal se putem kvadraturnog hibrida 9 deli na merni signal 10 i referentni signal 11. Merni signal 10 propagira duž senzorskog elementa okruženog poroznom matricom 12 gde dolazi do faznog pomeraja signala koje je određeno vlažnošću okolnog zemljišta 5. Nakon senzorskog elementa 1 signal se dovodi na ulaz faznog detektora 13 koji poredi fazu mernog signala 10 sa fazom referentnog signala 11. Na izlazu faznog detektora dobija se napon koji je srazmeran faznoj razlici. Referentni signal 11 se pre faznog detektora vodi kroz modul pomerača faze 14. Zadatak ovog dela kola je da obezbedi kalibraciju senzora, kojom bi se prevazišla odstupanja od nominalnih vrednosti materijala i komponenti od kojih je senzor načinjen i osiguralo da različiti senzori proizvedeni na osnovu ovog pronalaska daju isti odzive. Električna šema kola faznog merača 3 prikazana je na slici 4, na kojoj su označeni prethodno opisani funkcionalni blokovi kola sa slike 3. Oscilator je realizovan pomoću naponom kontrolisanog oscilatora МАХ2751 15 koji je podešen pomoću naponske reference 16 i naponskog razdelnika 17 na radnu učestanost od 2.2 GHz. Signal sa oscilatora 15 se deli na merni 10 i referenti signal 11 pomoću kvadraturnog sprežnika 9 realizovnaog pomoću komercialno dostupnih sprežnika НY22-73 ili C2023J5003AHF ili nekog sličnog kojim je moguće razdeliti signal na radnoj učestanosti od interesa. Modul pomerača faze 14 vrši naponom kontrolisani fazni pomeraj čime je moguće fino podesiti razliku u fazi između mernog 11 i referentnog signala 10. Fazni pomeraj se postiže menjanjem upravljačkog napona 18 kojim se utiče na kapacitivnost varaktorskih dioda 19 i 20. Promena u kapacitivnosti utiče na signale 21 i 22 koji se superponiraju sa ulaznim referentnim signalom 10 kroz kvadraturni sprežnik 23 i na taj način menjaju njegovu fazu na izlazu modula 24. Za detaljan opis rada pogledati „А varactor conrolled phase shifter for PCS base station application" od Skyworks-a. Merenje fazne razlike između mernog 11 i referentnog signala 10 obavlja se pomoću modula faznog detektora 14 realizovanog pomoću integrisanog kola AD8302 Analogue Devices 25<,>koje je podešeno po preporuci proizvođača za mod rada merenja fazne razlike signala na njegovim ulazima 26 i 27<.>

Integralno kolo AD8302 na svom izlazu 28 daje naponski signal koji je proporcionalan faznoj razlici signala na njegovim ulazima. Kako bi se sprečili kratki spojevi na električnom kolu faznog merača preko njega se nanosi zaštitni sloj 4 u vidu vodonepropusnog materijala kao što je silikon, akrilat, poliuretan ili odgovarajuća epoksidna smola.

Električno kolo faznog merača 3 je eksperimentalno potvrđeno poređenjem rezultata merenja faznog pomeraja signala u opsegu 0 - 90° sa rezultatima merenja referentnim uređajem vektorski analizator mreža (eng. Vectro Network Analyzer). Rezultati poređenja prikazani su na slici 5.

Na osnovu opisane metode i sastavnih delova senzora može se objasniti princip rada senzora koji se sastoji u sledećem:

1) Povećanjem vlažnosti okolnog zemljišta 5 raste permitivnost porozne matrice 2 2) Porastom permitivnosti porozne matrice raste i efektivna permitivnost senzorskog elementa 1

3) Smanjuje se fazna brzina signala νp

4) Povećava se fazni pomeraj signala Δϕ čime se menja napon na izlazu električnog kola faznog merača 28

Iz principa rada direktno sledi da određenim vlažnostima zemljišta odgovaraju određeni fazni pomeraji signala odnosno određeni naponi, što je neophodan uslov za konstruisanje kalibracione krive koja povezuje fazni pomeraj signala sa količinom vode u zemljištu. Predloženi pronalazak može da određuje kapilarni potencijal zemljišta tako što se kriva retencije porozne matrice, koja povezuje kapilarni potencijal i udeo vlažnosti, dovede u relaciju sa odgovarajućim faznim pomerajem koji senzor detektuje. Na ovaj način senzor može da meri kapilarni potencijal zemljišta, čime predstavlja hibridno rešenje tenziometra i senzora vlažnosti zasnovanih na merenju dielektrične konstante, zadržavajući prednosti oba rešenja u pogledu nezavisnosti od tipa zemljišta, brzine odziva, robusnosti, i mogućnosti kompatibilnosti sa konceptom Interneta stvari.

Kao što je pomenuto jedna od glavnih prednosti metode faznog pomeraja je što omogućava merenje vlažnosti zemljišta koje zavisi samo od permitivnosti, a nezavisno je od električne provodnosti zemljišta koju velikim delom određuje sam tip zemljišta. Ovaj iskaz je eksperimentalno potvrđen. Konstruisane su kalibracione krive za kvarcni pesak koji je vlažen destilovanom vodom i vodom dva različita saliniteta odnosno električne provodnosti 29%o i 70%o. Na slici 6 prikazane su kalibracione krive na učestanostima 500 MHz i 2.2 GHz. Kao što se može primetiti, postoji značajna razlika u kalibracionim krivama različito tretiranih uzoraka na učestanosti od 500 MHz. Međutim, ukoliko se radna učestanost poveća na 2.2 GHz, kalibracione krive za sva tri slučaja se preklapaju.

Predloženi pronalazak je testiran u realnim uslovima merenjem vlažnosti dva različita uzorka zemljišta. Rezultati agrohemijske analize uzoraka prikazani su u tabeli 1.

Nad oba uzorka senzorom je izvršena serija merenja faznog pomeraja koja je pokrivala različite vlažnosti zemljišta počev od poljskog vodnog kapaciteta pa do potpuno suvog uzorka. Na osnovu rezultata merenja nad uzorkom 1 konstruisana je kalibraciona kriva koja je potom iskorištena za određivanje vlažnosti uzrorka 2. Vrednosti vlažnosti dobijene kalibracionom krivom su bile u saglasnosti sa stvarno izmerenim vrednostima pri čemu apsolutna greška iznosi 0.01 g/g. Ovim je ilustrovana nezavisnost senzora od tipa zemljišta.

Način industrijske ili druge primene pronalaska

Prema podacima Organizacije za hranu i poljoprovredu Ujedinjenih nacija primenom optimalnih sistema za navodnjavanje moguće uvećati prinose u proseku za 79%. Predloženo rešenje senzora vlažnosti zemljišta bi svojim performansama doprinelo unapređenju ovakvih sistema i uvećanju prinosa. Senzor bi se postavljao u zemljište u zoni sisajućeg korenja (rizosfera). U budućnosti bi se senzori mogli postavljati na više dubina u zemljištu radi praćenja dinamike vode u zemljištu. S druge strane, razvijeni senzor bi mogao poslužiti i daljinskim sistemima koji mere vlažnost zemljišta na većim područjima na osnovu satelitskih snimaka ili Synthetic Aperture radara za potrebe kalibracije i postizanja veće tačnosti. Zbog svoje male potrošnje senzor je moguće integrisati u bežičnu senzorsku mrežu koja bi bila deo koncepta Interneta stvari što ide u korak sa Četvrtom industrijskom revolucijom.

1

Claims (4)

Patentni zahtevi

1. Mikrotalasni senzor vlažnosti zemljišta zasnovan na metodi faznog pomeraja koji je nezavisan od električne provodnosti zemljišta, naznačen time, da se sastoji od senzorskog elementa (1) koji je okružen poroznom matricom (2) sa kojom je u neposrednom kontaktu i koji je povezan sa električnim kolom faznog merača (3), pri čemu je na senzorski element (1) i električno kolo faznog merača (3) nanesen zaštitni sloj (4).

2. Senzor prema zahtevu 1, naznačen time, da je senzorski element (1) realizovan u vidu planarnih vodova i da je zaštićen od agresivnih uslova okruženja slojem na bazi poliuretana.

3. Senzor prema zahtevu 1, naznačen time, da porozna matrica (2) svojim morfološkim svojstvima pokriva kapilarne potencijale počev od poljskog vodnog kapaciteta (-33 kPa), preko prekida lentokapilarne veze (-625 kPa), sve do vlažnosti venjenja (-1500 kPa), pri čemu je mehanički stabilna i robustna.

4. Senzor prema zahtevu 1, naznačen time, da se električno kolo faznog merača (3) sastoji od mikrotalasnog oscilatora (8), povezanog sa kvadraturnim hibridom (9) koji je putem provodnika kojim se prostire merni signal (10) povezan sa senzorskim elementom (1) a provodnikom kojim se prostire referetni signal (11) povezan sa modulom pomerača faze (14), dalje su senzorski element (1) i pomerač faze (14) povezani na odgovarajuće ulaze faznog detektora (13) sa izlaznim naponom (28).