Анализ современных электротехнических методов измерения влажности почвы

Analysis of modern electrotechnical methods of measurement of humidity of the soil

Vasilyev Sergey

Cand. Tech. Sci ., the associate professor, FGBOOU WAUGH the Samara GSHA, Russia, Samara

Аннотация. Приводится обзор и анализ современных методов измерения влажности, почвы, а также других сыпучих материалов. Представлен краткий анализ устройств для осуществления данных методов. Рассмотрены методы, как контактного, так и бесконтактного измерения влажности.

Abstract. The review and the analysis of modern methods of measurement of humidity, the soil, and also other bulks is provided. The short analysis of devices for implementation of these methods is submitted. Methods, both contact, and contactless measurement of humidity are considered.

Ключевые слова: влажность; почва; влагомер; измерение.

Keywords: humidity; soil; hydrometer; measurement.

При использовании технологии координатного земледелия в современном сельском хозяйстве, необходим большой объем данных характеризующих физико-механическое и агрофизическое состояние почвы. В частности необходим постоянный контроль влажности почвы [1].

Для автоматического контроля влажности кусковых материалов используются следующие контактные и бесконтактные методы:

•        кондуктометрические;

•        диэлькометрические;

•        ЯМР-влагомеры (ядерного магнитного резонанса);

•        СВЧ-влагомеры (сверх высоко частотные);

•        оптические ИК (инфракрасного излучения).

В связи с повышенными требованиями к условиям безопасности эксплуатации, ЯМР-влагомеры могут быть использованы не везде. Кондуктометрические и диэлькометрические влагомеры являются контактными измерительными устройствами, требующими непрерывного касания поверхности материала, поэтому для автоматического контроля сыпучих, кусковых материалов не приемлемы [2].

Сверхвысокочастотные (СВЧ) влагомеры используют значительное (в десятки раз) различие электрических свойств воды и сухого материала. Концентрацию влаги измеряют по ослаблению СВЧ-излучения, проходящего через слой анализируемого материала. В таких влагомерах лента материала проходит между передающей и приемной антеннами. Передающая антенна соединена с СВЧ-генератором, приемная ‑ с измерительным устройством. Чем больше влажность анализируемого материала, тем меньше сигнал, попадающий в измерительное устройство. СВЧ-влагомеры позволяют измерять влажность в широком диапазоне (0…100 %) с высокой точностью.

На современном рынке СВЧ-влагомеры представлены следующими моделями [3]:

•        поточный влагомер MICRORADAR;

•        поточный влагомер M-Sens 2;

•        влагомер MOISTSCAN MA500.

Одна из модификаций поточного СВЧ-влагомера ‑ МИКРОРАДАР-113 K-1 предназначена для бесконтактного измерения влажности торфа, почвы, глиняного бруса, глиняной шихты, сухого и гранулированного жома, а также других сыпучих и пластичных материалов на конвейере и в бункере.

Принцип действия влагомеров основан на измерении величины поглощения СВЧ-энергии влажным материалом и преобразовании этой величины в цифровой код, соответствующий влажности материала [4].

Сигнал сенсоров поступает в микропроцессорный блок управления и контроля, в котором происходит вычисление влажности. Величина влажности показывается на индикаторном табло микропроцессорного блока в интервале от 4 до 20 мА и напряжением от 0 до 2,5 В. По каналу RS-485 информация о влажности, температуре может передаваться в компьютер. В комплект поставки прибора входит программа накопления и отображения влажности в реальном масштабе времени, что позволяет записывать на компьютер, наблюдать, хранить и отображать информацию о влажности за любой период времени.

Принцип действия влагомера M-Sens 2 основан на измерении напряженности высокочастотного поля и прямой цифровой обработке сигнала, обеспечивающей высокую степень разрешения. Так как поверхностная и капиллярная влажность материала сильно влияют на его проводимость, влажность может быть точно измерена через усредненную объемную плотность. Калибровка производится оператором путем нажатия кнопки и ввода известного «опорного» значения влажности [4].

Колебания измеряемого значения, вызванные изменением объемной плотности материала, устраняются путем специальной фильтрации сигнала. Также в сенсоре предусмотрена автоматическая компенсация влияния температуры.

Принцип действия микроволнового влагомера MOISTSCAN MA-500 основан на детектировании комбинации фазового сдвига и ослабления сигнала микроволн, проходящих через материал и конвейерную ленту. Микроволны проникают через ленту конвейера и материал, таким образом устраняется эффект от воздействия вертикальной сегрегации. Качество измерения не зависит от размера образцов материала и скорости движения конвейерной ленты. Влагомер автоматически компенсирует влияние изменения скорости подачи продукта, используя стоящий рядом измеритель веса ленты, либо интегральный монитор толщины слоя материала [4].

Его технические и метрологические характеристики:

- влагомер устанавливается на конвейер любой ширины;

- скорость движения исследуемого материала по конвейеру не ограничена;

- толщина слоя исследуемого материала может колебаться от 20 до 500 мм; измеряемый диапазон содержания влаги  составляет от 0 до 90%;

- основная погрешность составляетот 0,1 до 0,5%.

Влагомеры инфракрасного излучения.

Принцип действия основан на поглощении или отражении энергии инфракрасных (ИК) волн влагосодержащим материалом. В инфракрасных влагомерах используют уравновешивающий метод измерения, выбирая в спектре ИК-излучения две области с различной зависимостью свойств ИК-излучения от влажности.

Влагомер Spectra-Quad работает также на принципе поглощения инфракрасного участка спектра. Интенсивность поглощения излучения определенной длины волны пропорциональна содержанию влаги в материале [3, 4].

Кварцево-галогенный источник испускает свет в определенном диапазоне длин волн. Свет от источника проходит через вращающиеся фильтры. Оптические ИК фильтры разделяют световой поток на измерительные и опорные лучи, которые, соответственно, поглощаются или не поглощаются анализируемойпробой. Отраженная энергия лучей преобразуется в электрические сигналы, соотношение уровня которых пропорционально величине контролируемого параметра [2].

Дополнительные оптические каналы (внутренние лучи) компенсируют любую нестабильность оптических и электронных компонентов.

Проанализировав метрологические характеристики отечественных и зарубежных влагомеров твердых материалов можно заключить, что наиболее эффективным бесконтактным методом измерения влажности почвы является СВЧ-метод. Измерения по данному методу являются наиболее точными. Время измерения при этом минимально.

Список литературы:

1. Васильев С.И., Машков С.В., Фатхутдинов М.Р. Измерение влажности почвы в СВЧ диапазоне электромагнитных волн /Методы и технические средства повышения эффективности использования электрооборудования в промышленности и сельском хозяйстве: сборник научных трудов. – Самара: РИЦ СГСХА, 2015. С.57-63.

2. Васильев С.И. Комбинированное устройство для комплексного измерения твердости и влажности почвы / Вклад молодых ученых в аграрную науку самарской области: сборник научных трудов. – Самара: РИЦ СГСХА, 2011. С.96-99.

3. Васильев С.И., Юдаев И.В. Электротехника и электроника. – Кинель, 2016. – 133 с.

4. НугмановС.С., Васильев С.И., Сазонов М.В. ТЗ: Обнадеживающие перспективы // Сельский механизатор – М.: 2007. № 3. С. 22.