Авторефераты по всем темам >> Авторефераты по сельскому хозяйству

На правах рукописи

АНАНЬЕВ Игорь Петрович

АВТОГЕНЕРАТОРНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДВУХКОМПОНЕНТНОЙ ДИЭЛЬКОМЕТРИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность: 06.01.03 - агропочвоведение, агрофизика

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 2009

Работа выполнена в Государственном научном учреждении ордена Трудового Красного Знамени Агрофизическом научно-исследовательском институте Россельхозакадемии

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Р.А. Полуэктов доктор технических наук, профессор В.Г. Кнорринг доктор технических наук, профессор А.А Бегунов.

Ведущая организация: ГНУ Сибирский физико-технический институт аграрных проблем Сибирского отделения Россельхозакадемии (ГНУ СибФТИ СО Россельхозакадемии)

Защита диссертации состоится л 2009 г. в часов минут на заседании диссертационного совета Д 006.001.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук в ГНУ АФИ Россельхозакадемии по адресу:

195220, Санкт-Петербург, Гражданский пр., д. 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ АФИ Россельхозакадемии

Автореферат разослан л 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук Е.В. Канаш Факс: (812) 534-19-

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Диэлькометрия - измерение диэлектрических свойств материалов - является фундаментальным методом исследования и широко используется в технологиях сельскохозяйственного производства для контроля состояния материалов, качества сырья и продукции и параметров технологических процессов. В настоящее время диэлькометрия применяется как один из основных методов влагометрии сельскохозяйственных материалов: зерна, кормов (сено, силос, сенаж, комбикорм, травяная мука, плющеное зерно), почв и тепличных грунтов, удобрений, обеспечивая экспрессность измерений, возможность работы в режиме Уon-lineФ, приемлемую точность, простоту использования и невысокую стоимость средств измерений.

Однако существующие диэлькометрические средства инструментального контроля агротехнологий являются, в основном, однопараметрическими и не используют возможностей двухкомпонентной диэлькометрии, основанной на измерении как действительного, так и мнимого компонентов комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) материалов. В работе впервые показана возможность одновременного определения влажности и плотности зерновой массы по измеренным двум компонентам диэлектрической проницаемости, что открывает пути повышения точности измерения влажности растительных дисперсных материалов, являющейся основным контролируемым параметром в технологиях производства и переработки зерна. Двухкомпонентная диэлькометрия почв дает возможность определять влажность и электропроводность почв и осуществлять мониторинг общего содержания элементов минерального питания, что важно для управления технологиями земледелия открытого грунта, точного земледелия, овощеводства открытого и защищенного грунта.

Известные классические средства двухкомпонентной диэлькометрии, используемые для исследования диэлектрических свойств материалов в лабораторных условиях (измерительные мосты и анализаторы электрических цепей), являются дорогостоящими и поэтому не используются в технологическом контроле. Появившиеся в последнее время за рубежом и охраняемые как объекты промышленной собственности двухкомпонентные диэлькометрические измерители влажности и электропроводности почв, использующие частотный метод измерения (WET-сенсор английской компании Delta-T Devices Ltd., Tфирмы США Decagon Devices Inc.), а также дорогостоящие измерители, использующие метод пространственно-временной рефлектометрии-TDR (приборы Easy Test Института агрофизики Польской академии наук, TDR система английской компании Campbell Scientific Ltd.) ограничивают создание отечественных конкурентоспособных разработок.

В связи с этим поиск новых решений и разработка конкурентоспособных средств двухкомпонентной диэлькометрии и, в первую очередь, измерительных преобразователей, пригодных для инструментального контроля агротехнологий в полевых условиях, и исследование новых возможностей их применения в технологическом контроле, являются актуальной проблемой, направленной на повышение эффективности сельскохозяйственного производства.

В диссертационной работе эта проблема решена путем разработки впервые предложенных автогенераторных двухкомпонентных диэлькометрических преобразователей (ДДП), обеспечивающих разделение информации о действительном и мнимом компонентах комплексной диэлектрической проницаемости материала, введенного в электромагнитное поле первичного измерительного преобразователя (ПИП), благодаря инерционной стабилизации амплитуды колебаний на линейном участке амплитудной характеристики усилителя колебаний автогенератора.

Исследования выполнены в ГНУ Агрофизический научно-исследовательский институт Россельхозакадемии по планам НИР на 2001-2005, 2006-2010 гг.

Цель и задачи исследований. Целью работы является создание теории, технических решений, макетная апробация и исследование характеристик автогенераторных измерительных преобразователей двухкомпонентной диэлькометрии сельскохозяйственных материалов для средств инструментального контроля агротехнологий.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи исследований:

- проанализировать современное состояние диэлькометрических средств инструментального контроля агротехнологий, обосновать актуальность, практическую значимость и перспективность разработки средств и методов двухкомпонентной диэлькометрии;

- разработать принципы построения и создать основы теории автогенераторных ДДП с емкостными и индуктивными ПИП;

- разработать базовые схемотехнические решения и макетные образцы автогенераторных ДДП на основе современной элементной базы микроэлектроники;

- разработать автогенераторные измерительные преобразователи с емкостным ПИП для средств двухкомпонентной диэлькометрии зерна и исследовать их характеристики;

- разработать автогенераторные измерительные преобразователи с емкостным ПИП для средств двухкомпонентной диэлькометрии почв и исследовать их характеристики;

- теоретически обосновать возможность бесконтактной двухкомпонентной диэлькометрии почв на основе автогенераторных ДДП с индуктивным ПИП;

- разработать и обосновать перечень перспективных средств инструментального контроля агротехнологий на основе автогенераторной двухкомпонентной диэлькометрии.

Научная новизна работы определяется ее основными научными положениями, выносимыми на защиту:

1. С использованием обобщенной эмпирической модели диэлектрических свойств зерна злаковых культур, разработанной в Исследовательском центре Министерства сельского хозяйства США, диссертантом впервые показана возможность одновременного определения влажности и плотности зерновой массы по измеренным значениям действи тельного ' и мнимого " компонентов КДП = - j, что открывает перспективу построения двухкомпонентных диэлькометрических влагомеров зерна с автоматической коррекцией влияния плотности на показания влажности и влагомеров-плотномеров зерна.

2. Впервые предложен метод автогенераторной двухкомпонентной диэлькометрии, основанный на использовании автогенераторов с инерционной стабилизацией амплитуды колебаний и обеспечивающий определение компонентов комплексной диэлектрической проницаемости, а также электропроводности сельскохозяйственных материалов по двум выходным параметрам автогенератора. Показаны преимущества использования этого метода для построения средств инструментального контроля агротехнологий по сравнению с известными методами.

3. Разработаны функциональные и принципиальные электрические схемы автогенераторных ДДП, содержащих в качестве основных структурных элементов усилитель высокочастотных колебаний с усилением, управляемым напряжением, частотноизбирательный делитель, включенный в цепь положительной обратной связи усилителя и состоящий из резистора и колебательного контура, в состав которого введен емкостной или индуктивный первичный измерительный преобразователь (ПИП), и цепь инерционной стабилизации амплитуды колебаний, обеспечивающую удержание амплитуды колебаний на линейном участке амплитудной характеристики усилителя путем детектирования выходного напряжения колебаний, сравнения его с опорным напряжением и подачи усиленного напряжения рассогласования на вход управления усилением усилителя колебаний. В качестве двух выходных параметров автогенераторного ДДП используются частота автоколебаний, напряжение на средней точке или модуль коэффициента передачи делителя kU, либо напряжение управления усилением UУПР.

4. Разработаны основы теории автогенераторных ДДП как с емкостными, так и с индуктивными ПИП. Показано, что при отсутствии фазового сдвига колебаний в усилите ле автогенератора, автогенераторный ДДП обеспечивает полностью раздельное определение действительного компонента ' КДП тестируемого материала по частоте автоколебаний и электропроводности материала по модулю коэффициента передачи делителя kU или по напряжению управления усилением UУПР при включении емкостного ПИП в параллельный колебательный контур делителя, либо при включении индуктивного ПИП в последовательный колебательный контур. Исследованы динамические процессы возникновения и установления автоколебаний и устойчивости стационарного режима для автогенераторных ДДП с емкостным ПИП. Показано, что при отсутствии фазового сдвига колебаний в усилителе автогенератора колебания в стационарном режиме всегда устойчивы, если выполняется условие самовозбуждения колебаний.

Получены расчетные формулы для определения параметров высокочастотного тракта ДДП, ПИП и диэлектрических характеристик тестируемого материала по выходным параметрам ДДП как для автогенераторного ДДП с емкостным ПИП в параллельном колебательном контуре делителя автогенератора, так и для автогенераторного ДДП с индуктивным ПИП в последовательном колебательном контуре делителя автогенератора с учетом комплексной передаточной функции усилителя колебаний. Показано, что взаимная зависимость определяемых параметров при наличии фазового сдвига в усилителе колебаний может быть устранена с помощью цепей фазовой коррекции.

5. Предложены принципы построения автогенераторных ДДП с емкостной коаксиальной ячейкой для влагомера зерна со свободной засыпкой пробы и алгоритм автоматической коррекции влияния случайного значения плотности при засыпке на результат определения влажности, и макетированием такого автогенераторного ДДП экспериментально показана возможность снижения для зерна пшеницы случайной погрешности от влияния плотности до значений, не превышающих соответствующие значения для влагомеров, использующих взвешивание пробы или нормирование ее плотности уплотнением.

6. Разработаны автогенераторные ДДП с зондовыми емкостными датчиками для полевых почвенных измерений, включая стационарные балансовые измерения в составе агрометеорологической станции и измерения при маршрутном обследовании полей, и экспериментально показана возможность одновременного измерения объемной влажности и электропроводности почв в диапазоне = 0Е100 %, включающем также чистую воду, и диапазоне = 0Е0,1 См/м, что позволяет использовать их для измерений в незасоленных почвах сельскохозяйственного использования.

7. Впервые предложен и разработан метод экспериментального определения характеристик пространственной чувствительности автогенераторных ДДП с емкостными и индуктивными ПИП, основанный на использовании малых диэлектрических тел, возмущающих электромагнитное поле ПИП.

8. Теоретически обоснована возможность бесконтактного определения влажности и электропроводности почв с помощью автогенераторного ДДП с кольцевой рамочной антенной, включенной в качестве индуктивного ПИП в последовательный колебательный контур автогенератора и устанавливаемой над почвой при измерениях, в диапазоне рабочих частот автогенераторного ДДП 20Е40 МГц.

Практическая ценность результатов работы.

1. Разработанные принципы построения и основы теории автогенераторных ДДП с емкостными и индуктивными ПИП являются базой для создания нового класса перспективных средств инструментального контроля агротехнологий, перечень которых дан в заключительной части автореферата. Все изложенные в диссертации технические решения по автогенераторной двухкомпонентной диэлькометрии защищены патентом РФ на изобретение № 2361226 с приоритетом от 28.09.2007 г., автор Ананьев И.П., подтверждающим мировую новизну и изобретательский уровень и обеспечивающим конкурентоспособность разработок.

2. Результаты экспериментальных разработок принципиальных электрических схем автогенераторных ДДП с использованием современной элементной базы микро электроники необходимы для построения и практической реализации автогенераторных двухкомпонентных диэлькометрических приборов и других средств инструментального контроля.

3. Полученные результаты экспериментальной проверки возможности существенного снижения случайной погрешности от влияния плотности на показания влажности во влагомерах зерна со свободной засыпкой пробы при использовании автогенераторных ДДП и предложенного алгоритма автоматической коррекции влияния плотности будут использованы для создания нового класса простых в эксплуатации и дешевых влагомеров зерна.

4. Разработанные, изготовленные и отградуированные образцы автогенераторных ДДП влажности и электропроводности почв с четырехштыревым емкостным зондом используются в составе многофункциональной 32-канальной автоматической агрометеорологической станции Меньковской опытной станции Агрофизического НИИ для исследования динамики и профиля влажности и электропроводности корнеобитаемого слоя почвы в течение вегетационного периода.

5. Разработанный автогенераторный ДДП с емкостным штыревым зондом для измерения влажности и электропроводности пахотного слоя почв и полученные градуировочные характеристики будут использованы в создаваемом по плану НИР Агрофизического НИИ на 2006-2010 гг. приборе для маршрутного обследования состояния земель сельскохозяйственного назначения.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на: Третьем международном симпозиуме по гигрометрии и влагометрии (Англия, Лондон, Национальная физическая лаборатория, апрель 1998 г.); Международной научнопрактической конференции Современные проблемы опытного дела (Санкт-Петербург, АФИ, июнь 2000 г.); Международной научно-технической конференции Автоматизация производственных процессов в сельском хозяйстве (Белоруссия, г. Минск, Гос. аграрн.

техн. университет, июнь 2000 г.); Международной конференции Физические методы в сельском хозяйстве - на пути к точности и качеству (Чешская Республика, Прага, август 2001 г.); Международной научно-практической конференции Агрофизика XXI века (к 70-летию образования Агрофизического института) (Санкт-Петербург, июль 2002 г.); Четвертом международном симпозиуме по гигрометрии и влагометрии (Тайвань, Тайпей, 1619 сентября 2002 г.); Международной научно-практической конференции Информационные технологии, информационные измерительные системы и приборы в исследовании сельскохозяйственных процессов АГРОИНФО-2003 (Новосибирск - Краснообск, октябрь 2003 г.); Второй международной научно-практической конференции Земледельческая механика в растениеводстве (Москва, ГНУ ВИМ, декабрь 2003); Девятой международной научно-практической конференции Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве (г. Углич, 19-20 сентября 20г.); Международной научно-практической конференция Информационные технологии, системы и приборы в АПК - АГРОИНФО-2006 (Новосибирск - Краснообск, 17-18 октября 2006 г.); Четвертой международной конференции Современное приборное обеспечение и методы анализа почв, кормов, растений и сельскохозяйственного сырья (Москва, ВВЦ, 18-19 октября 2006); Международной конференции Современная агрофизика - высоким агротехнологиям (Санкт-Петербург, 25-27 сентября 2007 г.); совместном заседании бюро Отделения земледелия и бюро Отделения защиты растений РАСХН 28 мая 20г. по вопросу: Перспективы использования автогенераторный двухкомпонентной диэлькометрии в инструментальном контроле сельскохозяйственных объектов; Десятой международной научно-практической конференции Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве (г. Углич, 16-17 сентября 20г.); Международной конференции по точному земледелию в Вагенингене, Нидерланды, 79 июля 2009 г. Комплекс средств инструментального контроля агрофизических характеристик почв и зерна, основанных на разработанном диэлькометрическом методе, награж ден золотой медалью на международной выставке-ярмарке АгроРусь-2008 (СанктПетербург, Ленэкспо, 22-30 августа 2008 г.).

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в работах, включая 8 публикаций в журналах из перечня реферируемых журналов ВАК, патент РФ и 2 авторских свидетельства СССР на изобретения. Патент РФ на изобретение № 2361226, автор Ананьев И.П., защищает все принципиальные технические решения по автогенераторной двухкомпонентной диэлькометрии, изложенные в диссертации, и содержит 4 независимых пункта формулы изобретения, 34 зависимых, 139 страниц описания, формулы и чертежей.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, основных результатов и выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 295 страницах машинописного текста, содержит 82 рисунка и 22 таблицы. Список литературы включает 412 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении обоснована актуальность темы диссертации, рассмотрены цель и задачи исследований, научная новизна и основные научные положения, выносимые на защиту, практическая ценность результатов работы, апробация результатов.

Раздел 1. Двухкомпонентная диэлькометрия сельскохозяйственных материалов: современное состояние, возможности использования и выбор направлений разработки ДДП для средств инструментального контроля агротехнологий В настоящее время получила широкое развитие разработка средств инструментального контроля агротехнологий, использующих взаимосвязь диэлектрических свойств сельскохозяйственных материалов с их агротехнологическими характеристиками. Диэлькометрия, т.е. измерение диэлектрических свойств материалов, является одним из фундаментальных методов исследования свойств веществ, основанным на взаимодействии электромагнитного поля (ЭМП) с материальной средой, который развит в работах Максвелла [1904, 1954], Лорентца [1909, 1933], Дебая [1929], Коула К. и Коула Р. [1941], Френкеля [1945], Фрелиха [1949], Сканави [1949, 1958], Хиппеля [1959, 1960], Тамма [1959], Ландау [1982], Брауна [1961], Эмме [1967], Де Лоора [1968, 1974], Барфута и Тейлора [1981], и других.

Основным методом диэлькометрии является измерение диэлектрических свойств материалов в частотной области (frequency domain), при котором на материал воздействуют гармоническим ЭМП, а диэлектрическую проницаемость определяют как комплексную величину:

= - j, (1) где действительный компонент ' комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) характеризует способность вещества обратимо поляризоваться в электрическом поле, а мнимый компонент КДП " (фактор потерь) характеризует необратимые тепловые потери при поляризации и связан с электропроводностью материала соотношением:

= (0), (2) где - круговая частота ЭМП, 0 = 8,854 Ф/м -электрическая постоянная. Два компонента ', " КДП, а также определяют по электрической емкости, проводимости и частоте тока питания емкостного датчика (первичного измерительного преобразователя - ПИП) с тестируемым материалом.

К настоящему времени диэлектрические свойства основных сельскохозяйственных материалов (почв, торфа, зерна, трав, пищевых продуктов) в частотной области, т.е. компоненты КДП , , исследованы в широком диапазоне электромагнитных волн от посто янного тока и низких частот до частот в единицы-десятки гигагерц [Smith-Rose-1933, 1935; Лещанский-1971; Троицкий-1973, 1974; Киселев-1974; Поздняков-1979, 2002; Карпачевский-1983; Hoekstra-1974; Selig-1975; Poley-1978; Бобров-1989; Campbell-1990; Wensink-1993; Peplinski-1995; Kelleners-2005] - для почв, [Лыч-1975] - для торфа, [Nelson1953, 1965, 1973, 1976, 1991; Jorgensen-1970; Corcoran-1970; Statson-1970, 1972; Chugh1973; Секанов-Кулешов-1975; Секанов-монография-1985] - для зерна, [Коряков-Секанов1985] - для трав, [Nelson-1994] - для фруктов, овощей и пищевых продуктов, [Рогов-1964, 1988] - для мясных продуктов.

Исследования диэлектрических свойств зерна показали, что основным фактором, определяющим диэлектрические свойства зерна, является влажность, а к дополнительным, наиболее значимым факторам относятся плотность зерновой массы, гранулометрический состав, структура зерна (плотность зерновки, содержание белка, крахмала, клейковины), концентрация электролитов, а также температура [Столбов-1978; Секанов-1985, 2000; Nelson-1953, 1965, 1973, 1976, 1991; Jorgensen-1970; Corcoran-1970; Stetson-1970, 1972; Chugh-1973].

Возможность одновременного определения влажности и плотности зерновой массы по измеренным значениям действительного ' и мнимого " компонентов КДП в мегагерцовом диапазоне частот, в котором значительно упрощается построение двухкомпонентных диэлькометрических измерителей, впервые показана нами с использованием обобщенной эмпирической модели диэлектрических свойств зерна злаковых культур, разработанной в Исследовательском центре Министерства сельского хозяйства США Нельсоном и Крашевским [Nelson-1991; Kraszewski-1989]. Модель, полученная по совокупным данным для кукурузы, пшеницы, ячменя, овса, ржи и соевых культур при температуре 24 С, дает следующие выражения для действительного ' и мнимого " компонентов КДП:

k1 M fm k7 = 1+, = k42 + k5M 2 k6 lg + -1, (3) fm k3 lg fm k2 M + lg k3 k3 где M (%) - влажность зерновой массы, (г/см3) - плотность зерновой массы, fm (Гц) - частота воздействующего электромагнитного поля, а коэффициенты в модели равны: k1 = 0,504 (%)-1 (г/см3)-1; k2 = 1 (%)-1/2; k3 = 106 Гц; k4 = 0,146 (г/см3)-2; k5 = 0,004615 (%)-2 (г/см3)-2; k6 = 0,32; k7 = 1,743. Модель действительна в следующих диапазонах входящих в (3) переменных:

f = 5 МГцЕ5 ГГц, М = 8Е26 %, = 0,6Е1,3 г/см3. (4) Средняя погрешность предсказания модели составляет 5 % для ' и 10 % для " [Nelson1991]. Под влажностью зерновой массы (влажностью зерна) здесь и далее понимается отношение массы воды в зерне к массе влажного зерна, т.е. массовая доля воды в зерне. Это понятие влажности положено в основу действующего ГОСТ 13586.5-93. Зерно. Метод определения влажности. Под плотностью зерновой массы здесь и далее понимается масса единицы объема зерна.

Обоснованием возможности одновременного определения влажности и плотности зерновой массы по измеренным значениям действительного ' и мнимого " компонентов КДП является графическое представление двухкоординатных полей значений действительного ' и мнимого " компонентов КДП, а также значений тангенса угла диэлектриче ских потерь tg = и действительного ' компонента КДП зерновой массы, вычисленных по уравнениям модели (3), для семейства кривых равных влажностей в диапазоне влажностей и плотностей, соответствующих модели (рис. 1). Из рис. 1 видна достаточная разрешающая способность графического определения М и , особенно для графика в координатах ', tg . Эта возможность может быть реализована в микропроцессорных узлах приборов в виде электронных таблиц, графиков или формул. Вместе с тем, при построении двухкомпонентных диэлькометрических измерителей влажности и плотности зерновой массы, для обеспечения достаточной точности измерений необходимо проведение градуировок, связывающих выходные параметры двухкомпонентного измерителя с влажностью и плотностью зерновой массы конкретных злаковых культур.

Рис. 1. Двухкоординатное поле значений действительного ' и мнимого " компонентов КДП (а), а также ' и tg (б) зерновой массы, построенное по формулам модели НельсонаКрашевского для семейства кривых равных влажностей М в диапазонах влажностей и плотностей, соответствующих модели. Плотность зерновой массы в точках кривых слева направо равна 0,6;

0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2; 1,3 г/см3.

Отметим, что определение влажности и плотности зерновой массы по измеренным значениям компонентов КДП представляет собой косвенное измерение влажности и плотности, в соответствии с классификацией видов измерений, данной в РМГ 29-99. Рекомендации по межгосударственной стандартизации. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения (п. 5.11). Это же относится к рассматриваемым далее в разделах 2 - 6 определениям значений параметров ПИП и измеряемых диэлектрических величин, а также значений измеряемых технологических характеристик материалов по измеренным значениям выходных параметров автогенераторного ДДП.

Анализ работ по диэлектрическим свойствам почв, являющихся гетерогенными многофазными пористыми системами, показывает, что эти свойства определяются диэлектрическими свойствами составляющих ее фаз и их взаимодействием. Основными факторами, определяющими диэлектрические свойства почв, являются: диэлектрические свойства твердой фазы, содержание воды и формы ее связи с твердой фазой, содержание и состав растворенных солей, гранулометрический состав и плотность сложения почвы, частота или длительность импульса измерительного ЭМП, температура, паразитное влияние двойного электрического слоя на измерительных электродах. Полевая диэлькометрия почв получила развитие во второй половине прошлого века в виде приборов для определения влажности почв по компоненту ' КДП с емкостными датчиками, работающими в диапазоне частот 1Е100 МГц (частотный метод измерения) [Matthews-1963; Черняк-1964, 1987; Thomas-1966; Kuraz-1970, 1981; Selig-1975; Wobschall-1978; Хлыстун-1982; Malicki1983; Судницын-1987; Robinson-1993]. Диэлькометрические влагомеры почв быстро вытеснили кондуктометрические аналоги, в которых существует сильная зависимость показаний не только от влажности, но и от содержания растворенных солей в почве. Однако электропроводность почвы вносит погрешность в определение влажности и в диэлькометрических влагомерах, вследствие возрастания диэлектрических потерь в емкостном датчике. Стремление уменьшить эту погрешность путем перехода на более высокие частоты измерения, что дает увеличение отношения информативных токов смещения к токам проводимости в емкостном датчике, ограничивается проявлением свойств длинных линий в датчиках, искажающих его электрические характеристики.

Результатом явилось применение и активное развитие во влагометрии почв метода пространственно-временной рефлектометрии с датчиком в виде отрезка двухпроводной линии, в котором уменьшаются погрешности от влияния электропроводности почв, а гра дуировочные характеристики меньше зависят от вида почв [Davis-1975, 1977; Chudobiak1979; Topp-1980, 1981, 1982, 1984, 1985; Patterson-1981, 1984; Topp-1984, 1998; Baker1989, 1990; Whalley-1993, 1994; Андриянов-2001]. Дальнейшее развитие этого метода привело к его использованию для одновременного определения влажности и электропроводности почв по времени прохождения и затуханию импульса в датчике, т.е. к созданию TDR-метода двухкомпонентной диэлькометрии [Dalton-1984, 1986; Dasberg-1985; Dasberg-1985; Nadler-1991; Malicki-1994, 1999; Stacheder-1994; Robinson-2003].

Однако высокая стоимость средств TDR-двухкомпонентной диэлькометрии (приборы Easy Test Института агрофизики Польской академии наук, TDR система английской компании Campbell Scientific Ltd.) стимулирует создание более дешевых коммерческих средств двухкомпонентной диэлькометрии, использующих частотный метод измерения.

К таким средствам относятся датчик WET Sensor английской фирмы Delta-T Devices Ltd.

(рабочая частота 20 МГц) и датчик 5TE фирмы США Decagon Devices Inc. (рабочая частота 70 МГц), измеряющие влажность, электропроводность и температуру почв.

Появившиеся в последнее время за рубежом и охраняемые как объекты промышленной собственности двухкомпонентные диэлькометрические измерители влажности и электропроводности почв, использующие частотный метод измерения, а также дорогостоящие измерители, использующие метод пространственно-временной рефлектометрии ограничивают создание отечественных конкурентоспособных разработок.

Разработка этих преобразователей и составили цель и задачи данной работы.

Раздел 2. Основы теории и принципы построения автогенераторных ДДП с емкостным ПИП и инерционной стабилизацией амплитуды колебаний на линейном участке амплитудной характеристики усилителя колебаний Принцип построения предложенного автогенераторного ДДП с емкостным ПИП и инерционной стабилизацией амплитуды колебаний реализован в базовой функциональной схеме (рис. 2), которая содержит тракт высокой частоты (ВЧ), содержащий усилитель ВЧ А1 с управляемым усилением, к выходу которого через последовательный резистор RS подключен параллельный колебательный контур с емкостным ПИП, замыкающий петлю положительной обратной связи (ПОС) для усилителя ВЧ. Возбуждение колебаний обеспечивается петлей ПОС, напряжение которой снимается с делителя, образованного RS и колебательным контуром. Амплитуда ВЧ колебаний на линейном участке характеристики А1 удерживается каналом инерционной стабилизации амплитуды. Выходное напряжение амплитудного детектора А2 сравнивается с опорным напряжением UОП на входах усилителя сигнала рассогласования А3, с выхода которого подается на вход управления усилением усилителя А1. Характеристика управления усилением А1, полярности выходного напряжения А2 и входов А3 выбраны так, что по огибающей амплитуд колебаний осуществляется отрицательная обратная связь (ООС). Схема рис. 2 соответствует усилителю А1 с возрастающей зависимостью коэффициента усиления КУП от управляющего напряжения UУП. Опорное напряжение UОП задает амплитуду ВЧ колебаний генератора в установившемся (стационарном) режиме. Усилитель А3 с фильтром R1R2CФ - статическое звено первого порядка, определяющее инерционность стабилизации. Генераторы такого типа относятся к классу автогенераторов с инерционной нелинейностью [Харкевич-1963].

Колебательный контур автогенератора (рис. 2) образован катушкой индуктивности L с малой параллельной проводимостью GL, и емкостью СХ. Емкость колебательного контура СХ равна СХ = СПИП + СП, где СПИП - информативная емкость ПИП, характеризующая действительный компонент ' КДП материала в измерительном объеме ПИП, СП - определяемая при калибровке паразитная емкость колебательного контура, учитывающая емкость монтажа, соединительных кабелей и неиспользуемых областей ПИП. Проводимость потерь колебательного контура GX (GX = 1/RX, где RX - сопротивление потерь колебательного контура) определяется проводимостью емкостного ПИП GПИП и параллельной проводимостью катушки GL: GX = GПИП +GL.

Рис. 2. Функциональная схема автогенераторного ДДП с емкостным ПИП в параллельном колебательном контуре на основе автогенератора с инерционной стабилизацией амплитуды колебаний.

При условии стационарности электромагнитного поля в емкостном ПИП, означающего, что время установления электромагнитных процессов в ПИП намного меньше периода автоколебаний, действительный ' и мнимый " компоненты КДП (1), а также электропроводность (2) и тангенс угла диэлектрических потерь tg материала связаны с информативной емкостью СИ, проводимостью GПИП емкостного ПИП и частотой автоколебаний OSC соотношениями:

CПИП GПИП GПИП = KП, = KП, =GПИП KП, tg = =, (5) 0 OSC 0 OSC CПИП где 0 = 8,85410-12 Ф/м - электрическая постоянная, КП (м-1) - геометрическая константа емкостного ПИП.

В диссертации дан теоретический анализ работы автогенераторного ДДП с емкостным ПИП и инерционной стабилизацией амплитуды колебаний, позволяющий исследовать условия возникновения и стационарного режима автоколебаний, динамические процессы установления колебаний и устойчивость стационарного режима. Анализ проведен для случая отсутствия фазового сдвига в усилителе колебаний А1, при этом высокочастотный тракт автогенератора на линейном участке характеристики усиления описывается линейным однородным дифференциальным уравнением второго порядка с переменными коэффициентами для мгновенного значения напряжения на колебательном контуре. Ана лиз динамических процессов в автогенераторе проведен на основе уравнения для огибающей амплитуд ВЧ колебаний на выходе усилителя А1 и уравнения для частоты колебаний, полученных из уравнения для мгновенного значения напряжения на колебательном контуре и уравнения связи мгновенных напряжений uУВЧ и uК (рис. 2) методом медленно меняющихся амплитуд Ван-дер Поля, а также уравнения для управляющего напряжения UУП на выходе канала инерционной стабилизации амплитуды колебаний uК.

Показано, что при коэффициенте усиления усилителя А1, равном Ri + RS KУП = KУПК =1+, (6) RX потери в колебательном контуре компенсируются для мгновенных значений напряжения колебаний усилением мощности в усилителе в течение всего периода колебаний, колебания становятся чисто гармоническими с постоянной амплитудой, а частота автоколебаний равна собственной резонансной частоте колебательного контура без потерь:

OSC = 0 = 1 LCX.

(7) Это режим консервативных колебаний, который соответствует как режиму установившихся колебаний (стационарный режим), так и порогу самовозбуждения генератора. Таким образом, благодаря удержанию колебаний на линейном участке амплитудной характеристики усилителя А1 отсечка колебаний отсутствует и ПОС полностью компенсирует потери в колебательном контуре, создаваемые GX (или RX = 1/GX), а равенство (7) позволяет измерять емкость колебательного контура СХ по частоте OSC с исключением влияния потерь контура, и с учетом паразитной емкости СП и первого из соотношений (5) вычис лять материала с исключением влияния диэлектрических потерь (фактора потерь ).

Диапазон управления усилением KУПК (6), требуемый для обеспечения стационарного режима при заданном диапазоне изменения сопротивления потерь RX, регулируется выбором RS, выполняющего функцию диапазонного резистора (рис. 3, а, Ri = 50 Ом).

Рис. 3. Характеристики автогенераторного ДДП с емкостным ПИП в стационарном режиме: зависимость коэффициента усиления КУПК усилителя с управляемым усилением (а) и коэффициента передачи по напряжению kU делителя резистор RS - колебательный контур в цепи ПОС (б) от сопротивления потерь RX колебательного контура и сопротивления диапазонного резистора RS.

Сопротивление потерь колебательного контура RX,, связанное с проводимостью потерь контура GX и проводимостью емкостного ПИП GПИП соотношениями: RX = 1/GX = 1/(GПИП + GL), определяется по напряжениям на плечах делителя: резистор RS - колебательный контур с емкостным ПИП, - по формулам:

UУВЧ UK kU UК RX RX = RS -1, RX = RS, RX = RS, kU = =, (8) URS UУВЧ -UK 1- kU UУВЧ RX + RS где UУВЧ, URS, UК - амплитуды напряжений на входе делителя (выход усилителя А1), на резисторе RS, на колебательном контуре соответственно, kU - коэффициент передачи по напряжению делителя. При высокой стабильности напряжения UУВЧ, для определения RX достаточно измерения UК, либо падения напряжения на RS. Если стабильность напряже ния UУВЧ недостаточна, RX определяют через kU (8) путем измерения напряжений на колебательном контуре и на входе делителя (рис. 3, б).

Проведен анализ динамических процессов установления колебаний в автогенераторе, который зависит от закона управления усилением KУП(UУП) усилителя А1. Показано, что частота автоколебаний в переходном режиме (dUУП /dt 0) отличается от частоты в стационарном режиме, но при выполнении условий стационарного режима становится равной собственной резонансной частоте колебательного контура без потерь (7). Исследована устойчивость стационарного режима колебаний с использованием критерия РаусаГурвица и показано, что при отсутствии фазового сдвига колебаний в A1 система устойчива всегда, когда выполняется условие самовозбуждения колебаний. Получена формула для вычисления стабильности амплитуды стационарных колебаний при изменении сопротивления потерь контура RX.

Описанное теоретическое рассмотрение работы автогенераторного ДДП с емкостным ПИП на основе дифференциальных уравнений проведено для случая отсутствия фазового сдвига в усилителе колебаний А1, что позволило упростить анализ динамических процессов и устойчивости стационарного режима колебаний. Для современных широкополосных усилителей колебаний с полосой пропускания в сотни мегагерц этот подход справедлив для частот автоколебаний 0,1Е1 МГц, используемых для измерения влажности и объемной плотности зерновой массы (см. раздел 4). Однако при частотах в десятки мегагерц, используемых для измерения влажности и электропроводности почв (см. разделы 5, 6), проявляется фазовый сдвиг колебаний, который необходимо учитывать.

С этой целью выполнен анализ стационарного режима колебаний с использованием метода комплексных амплитуд и комплексной передаточной функции широкополосного апериодического усилителя A1:

KУП j = KУП ej() = KУП cos + j KУП sin , ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) в которой модуль KУП ( ) является амплитудно-частотной, а аргумент () - фазочастотной характеристикой усилителя. Это позволяет исследовать влияние сдвига фазы () колебаний в A1 на разделение активной и реактивной составляющих импеданса емкостного ПИП в автогенераторе. Считая входные сопротивления усилителя А1 и детектора А2 бесконечно большими и пренебрегая влиянием внешних цепей, подключенных к Вых.1 и Вых.2 (рис. 2), приходим к следующей системе уравнений Кирхгофа в комплексной форме:

UВЫХ = КУП UВХ = КУП UК, U -UУВЧ = Ri I, ВЫХ ВЫХ UУВЧ -UК = RS I, (9) ВЫХ I I 1 + j CX + 1 UK.

= = PC ВЫХ RX j L В этих уравнениях UВХ, UВЫХ, UУВЧ, UК, I, I - комплексные амплитуды мгновенВЫХ РС ных напряжений uВХ, uВЫХ, uУВЧ, uК и токов iВЫХ, iРС.

Решением системы (9) является комплексное тождество, которое для его действительной и мнимой частей дает систему уравнений (10):

= 0, ( ) ( ) Ri + RS K cos - 1+ RX УП (10) K sin - Ri + RS CX - 1 0.

= ( ) ( ) ( ) УП L Первое уравнение системы (10) является условием консервативного режима колебаний, при котором амплитуда колебаний не убывает и не возрастает. Модуль коэффициента усиления KУП ( ) усилителя А1 для этого режима согласно первому уравнению равен:

Ri + RS KУПK =.

( ) (11) cos ( )1+ RX Из (11), также как из (6), видно, что КУПК не зависит от постоянной амплитуды колебаний (в пределах линейного участка характеристики усиления А1), поэтому значение KУП = КУПК соответствует как порогу самовозбуждения генератора, так и режиму ( ) ( ) установившихся колебаний (стационарный режим). Второе уравнение системы (10) с учетом (11) дает уравнение для частоты консервативных автоколебаний OSC :

1 1 1 1 2 1 1 OSC = + + tg OSC + + ( ) 2CX Ri + RS RX ( ) tg OSC.

LCX 4CX Ri + RS RX Формулы, полученные диссертантом в результате анализа, для расчета параметров высокочастотного тракта ДДП, емкостного ПИП и диэлектрических характеристик тестируемого материала по выходным параметрам автогенератора в стационарном режиме колебаний, приведены в табл. 2. В этих формулах круговая частота заменена на циклическую f: f = 2, а фазовый сдвиг колебаний в радианах на частоте автоколебаний fOSC выражен через частоту среза fСР амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) апериодического широкополосного усилителя колебаний A1 на уровне -3 дБ, и при fСР >> fOSC равен fOSC fOSC fOSC =-arctg -.

( ) fСР fCР В табл. 2 приняты следующие обозначения: fOSC - частота автоколебаний при произвольных СХ, GX ; fOSC ВЗ, fOSC М - частоты автоколебаний при положении емкостного ПИП в воздухе и при заполнении его измерительного объема тестируемым материалом; L, LВЗ, LМ - индуктивности колебательного контура при частотах fOSC, fOSC ВЗ, fOSC М (незначительная зависимость L от частоты наблюдается в катушках с ферромагнитным сердечником).

Как следует из формул табл. 2, при нулевом фазовом сдвиге колебаний ( fOSC fСР = 0 ) частота автоколебаний определяется только частотой колебательного контура без потерь, что позволяет измерять емкость ПИП по частоте колебаний с исключением влияния потерь контура и, соответственно, определять действительный компонент ' КДП материала с исключением влияния диэлектрических потерь (фактора потерь ").

Модуль коэффициента передачи kU выходного делителя автогенератора при = 0 зависит только от проводимости потерь GX колебательного контура, что позволяет определять проводимость емкостного ПИП GПИП, мнимый компонент " КДП и электропроводность тестируемого материала с исключением влияния '.

Таблица 2. Формулы для расчета параметров высокочастотного тракта, емкостного ПИП и диэлектрических характеристик тестируемого материала по измеренным выходным параметрам автогенераторного ДДП с емкостным ПИП, включенным в параллельный колебательный контур автогенератора, в стационарном режиме колебаний.

№ Измеряемые/определя- Ед.

Расчетные формулы пп. емые параметры изм.

1. Коэффициент усиления Ri + RS 1 fOSC управляемого УВЧ А1 в КУПК = 1+ - 1+ RX стационарном режиме 2 fCР КУПК 2. Частота автоколебаний в fOSC 0 11 L 1 fOSC =, стационарном режиме fOSC 1- + 2 CX Ri + RS RX fСР 2 LCX Гц fOSC 0 = 2 LCX 3. Емкость колебательного 11 1 CX =- + контура СХ Ф 2 fСР Ri + RS RX 2 fOSC L () Информативная емкость ПИП СПИП Ф СПИП = СХ - СП 4. Паразитная емкость коле11 CП =- - бательного контура СП Ф ( ) 2 fOSC ВЗ LВЗ 2 fСР Ri + RS КП () 5. Действительный компо fOSC ВЗ 2 LВЗ КП -1 - нент КДП тестируемого = 1+ - 0 2 fOSC ВЗ LВЗ fOSC LМ 0 2 fСР () материала М 6. Модуль коэффициента fOSC 1+ передачи kU делителя реfСР kU = зистор RS - колебатель- 22 2 fOSC RS fOSC RS fOSC G RS 1+ + 1+ + ный контур X - fСР Ri + RS fСР 1- Ri + RS fСР 1 1 fOSC При Ri < RS:

kU = 1- GX RS +1 2 fСР 22 2 7. Проводимость колеба 1 fOSC RS fOSC RS fOSC 1+ - - 1+ тельного контура GX kU fСР 1- Ri + RS fСР Ri + RS fСР GX = fOSC RS 1+ fСР См 1 1 1 fOSC При Ri < RS:

GX = 1 - - RS kU 2 fСР kU = UК UУВЧ Проводимость емкостноСм GПИП = GX - GLP го ПИП GПИП 8. Мнимый компонент КДП КП GПИП = тестируемого материала - 0 2 fOSC M 9. Электропроводность тесСм/м = GПИП КП тируемого материала 10. Тангенс угла диэлектри ческих потерь тестируе- - tg = мого материала tg Оценки по формулам табл. 2 показывают, что при использовании в ВЧ тракте автогенератора широкополосных усилителей с эквивалентной полосой пропускания 150 МГц и выше, для влажных зерна и кормовых трав на частотах измерения 0,5 - 2 МГц систематическая фазовая относительная погрешность определения компонента ' составляет для зерна менее 0,5 %, для высоковлажных трав - менее 1 %, а систематическая фазовая приведенная погрешность определения компонента "и электропроводности - сотые доли процента. Это позволяет пренебрегать фазовыми погрешностями при разработке соответствующих автогенераторных ДДП для средств агротехнологического контроля и считать, что автогенераторный ДДП обеспечивает полностью раздельное определение компонентов КДП. В то же время, при тестировании влажных почв на частотах от 1 до 50 МГц систематическая фазовая относительная погрешность определения компонента ' составляет от 0,5 до 30 %. Это требует использования полных расчетных формул табл. 2, учитывающих фазовый сдвиг, либо применения цепей коррекции фазо-частотной характеристики усилителя автогенератора и проведения градуировок для получения экспериментальных градуировочных характеристик автогенераторного ДДП (раздел 5).

В результате теоретических исследований, изложенных в разделе 2, разработана обобщенная структурная схема построения двухкомпонентных диэлькометрических средств инструментального контроля агротехнологий на основе автогенераторного ДДП с емкостным ПИП: автогенераторного двухкомпонентного диэлькометра для измерения диэлектрических характеристик сельскохозяйственных материалов, измерителя влажности и плотности зерновой массы, измерителя объемной влажности и электропроводности почв (рис. 4).

/ // () t Емкостный первичный Датчик измерительный температуры преобразователь Автогенераторный ДДП с емкостным ПИП Преобразование измеряемых диэлектрических величин в информативные параметры Автогенераторный емкостного ПИП СИ, GПИП(RПИП) двухкомпонентный диэлькометр Автогенераторный двухАвтогенератор с инерционной стабилизацией компонентный диэлькоамплитуды колебаний метрический измеритель технологических характеристик материалов (влажности М и плотности Преобразование параметров емкостного ПИП в зерновой массы или выходные параметры автогенератора:

объемной влажности и fOSC, kU =UД2/UД1, UУПР электропроводности почв) Определение значений па- Температурная Температурная Определение значений раметров емкостного ПИП коррекция резуль- коррекция резульизмеряемых технологиСИ, GПИП (RПИП) и измеряетатов определения татов определеческих характеристик мых диэлектрических велизначений диэлект- ния значений техматериалов (влажности чин /, //, , tg по измеренрических величин. нологических хаМ и плотности зерноным значениям выходных Преобразование рактеристик тестивой массы, объемной параметров автогенераторрезультатов опре- руемых материавлажности иэлектроного ДДП:

деления /, //, , лов.

проводности почв) по 1. При отсутствии фазового tg к нормальной Преобразование измеренным значениям сдвига в усилителе колебатемпературе. результатов опревыходных параметров ний ( = 0) - прямое разделения М и зердельное преобразование автогенераторного ДДП.

на или и почв к частоты автоколебаний Использование двухкоfOSC в СН и /, и нормальной темординатных градуиросоответственно, пературе.

вочных зависимостей fO kU или UУПР в GПИП, // и ;

, kU или fOSC, UУПР, SC 2. При 1 - использование снятых экспериментальформул для = 0 с оценкой но для заданных диапафазовых погрешностей;

зонов измерений влаж3. В случае применения цености и плотности зерпей коррекции фазо-часновой массы или задантотной характеристики - исных диапазонов изменепользование двухкомпонентных градуировочных зави- ния объемной влажноссимостей fOSC, kU или fOSC, ти и электропроводносUУПР, полученных методом ти почв.

электрических эквивалентов, либо с помощью калибровочных диэлектрических жидкостей.

Выход измерителя М и зерна или Выход /, //, , tg , (t) и почв, и температуры t диэлькометра Рис. 4. Структурная схема построения и функционального преобразования измерительной информации двухкомпонентных диэлькометрических средств инструментального контроля агротехнологий на основе автогенераторных ДДП.

Раздел 3. Основы теории и принципы построения автогенераторных ДДП с индуктивным ПИП и инерционной стабилизацией амплитуды колебаний на линейном участке амплитудной характеристики усилителя колебаний Принцип построения автогенераторного диэлькометрического преобразователя с индуктивным ПИП и способы определения диэлектрических характеристик материалов с его использованием основаны на зависимости параметров индуктивного ПИП - индуктивности LX и последовательного сопротивления потерь rX - от диэлектрических характеристик тестируемых материалов. Индуктивность LXМ и сопротивление потерь rXМ индуктивного ПИП, в гармоническом электромагнитном поле которого находится тестируемый материал, определяются выражениями:

LX М = L + LВН, rХ М = r0 + rИЗЛ + rВН = rX ВЗ + rВН, (12) X ВЗ где LXВЗ - индуктивность преобразователя в воздухе, LВН - индуктивность, вносимая тестируемым материалом, r0 и rИЗЛ - сопротивление собственных потерь и сопротивление излучения индуктивного ПИП, rВН - сопротивление, вносимое тестируемым материалом, rХВЗ - сопротивление потерь в воздухе, равное суммарному сопротивлению собственных потерь и излучения. Взаимодействие индуктивного ПИП с исследуемой средой можно рассматривать с позиций трансформатора, в котором индуктивный ПИП является первичной обмоткой, в исследуемая среда - вторичной обмоткой, индуктивно связанной с первичной и образующей цепь последовательно включенных индуктивного, емкостного и активного сопротивления среды. В области частот электромагнитного поля f 300 МГц, значений действительного компонента КДП тестируемого материала ' 100 и электропроводности 1 См/м отношение индуктивного сопротивления кольцевых витков тестируемого материала, соосных и индуктивно связанных с кольцевыми витками индуктивного ПИП, к емкостному сопротивлению и к активному сопротивлению этих витков материала не превышает сотых долей единицы. В этой области вносимая индуктивность LВН и вносимое сопротивление rВН индуктивного ПИП практически пропорциональны '-1 и , и определяются формулами:

LВН = 2 f 0 2 0 -1 KГИ, rВН = 2 f 0 2 KГИ, (13) () ( ) () где 0 = 410-7 Гн/м - магнитная постоянная, КГИ (м3) - геометрическая постоянная, определяемая геометрией индуктивного ПИП, геометрией и расположением тестируемой среды по отношению к ПИП при измерениях.

Для решения задачи раздельного определения компонентов комплексной диэлектрической проницаемости и электропроводности тестируемого материала автогенераторный диэлькометрический преобразователь с индуктивным ПИП должен обеспечивать возможность определения индуктивности LX и последовательного сопротивления потерь rX индуктивного ПИП. Определение этих параметров при положении ПИП в воздухе дает значения LХВЗ - индуктивности преобразователя в воздухе и rХВЗ = r0 + rИЗЛ - суммарного сопротивления собственных потерь и излучения преобразователя. Определение этих параметров при воздействии на преобразователь тестируемой среды LXМ и rXМ и вычитание из них параметров, найденных при положении ПИП в воздухе, позволяет вычислить вносимую индуктивность LВН и вносимое сопротивление rВН. По вычисленным значениям LВН и rВН с использованием формул связи (13) для измеренной частоты автоколебаний f = fOSC при воздействии на ПИП тестируемого материала и полученной при калибровке геометрической постоянной КГИ находят действительный компонент КДП ' и электропроводность тестируемого материала. Мнимый компонент " материала определяют по из со отношения: = 2 fOSC0.

Проведенный в работе теоретический анализ автогенераторных ДДП с индуктивным ПИП, включенным в параллельный и в последовательный колебательный контур, показывает, что предпочтительным является автогенераторный ДДП с индуктивным ПИП в последовательном колебательном контуре, т.к. при отсутствии фазового сдвига в усилителе колебаний он обеспечивает полностью раздельное определение индуктивности LX ПИП по частоте автоколебаний и сопротивления потерь rX ПИП по модулю коэффициента передачи выходного делителя автогенератора.

Базовая функциональная схема автогенераторного ДДП с индуктивным ПИП в последовательном колебательном контуре (рис. 5) содержит тракт высокой частоты, состоящий из ВЧ усилителя А1 с управляемым усилением и линейной амплитудной характеристикой, в выходную цепь которого включен делитель, выполненный из последовательного колебательного контура с индуктивным ПИП и заземленного резистора RS. Возбуждение колебаний обеспечивается петлей ПОС с выхода делителя, имеющего максимальный модуль коэффициента передачи на частоте автоколебаний, на вход усилителя А1. Удержание колебаний на линейном участке амплитудной характеристики усилителя осуществляется каналом инерционной стабилизации амплитуды, в котором выходное напряжение усилителя А1 детектируется амплитудным детектором А2 и сравнивается с опорным напряжением UОП в усилителе сигнала рассогласования А3, выходное напряжение которого подается на вход управления усилением усилителя ВЧ колебаний А1. Характеристика управления усилением А1, полярность выходного напряжения А2 и полярность входов Авыбраны такими, что в системе осуществляется ООС по огибающей амплитуд колебаний.

Опорное напряжение UОП задает амплитуду ВЧ колебаний в установившемся (стационарном) режиме на линейном участке амплитудной характеристики усилителя А1. Фильтр R1R2CФ в цепи ООС усилителя А3 определяет постоянную времени переходных процессов в системе (инерционность стабилизации).

Рис. 5. Функциональная схема автогенераторного ДДП с индуктивным ПИП в последовательном колебательном контуре на основе автогенератора с инерционной стабилизацией амплитуды колебаний.

Благодаря инерционной стабилизации амплитуды колебаний на линейном участке амплитудной характеристики усилителя А1 отсечка колебаний исключается и ПОС полностью компенсирует потери в колебательном контуре для мгновенных значений напряжения колебаний в течение всего периода колебаний. Поэтому частота автоколебаний при отсутствии фазового сдвига сигнала в ВЧ усилителе генератора определяется только собственной резонансной частотой колебательного контура без потерь, что позволяет измерить индуктивность ПИП по частоте колебаний с исключением влияния потерь контура и, соответственно, вычислить материала с исключением влияния фактора диэлектрических потерь . В качестве двух выходных информативных параметров автогенераторного ДДП используются частота автоколебаний fOSC на ВЧ выходе автогенератора (Вых. 1 на рис. 5) и модуль коэффициента передачи kД делителя колебательный контур - сопротивление RS, равный отношению модулей напряжений на резисторе RS и на ВЧ выходе (Вых. 2 и Вых. 1) kД = URS UУВЧ. Кроме того, вторым информативным параметром может служить напряжение управления усилением UУП усилителя A1.

Анализ стационарного режима работы автогенераторного диэлькометрического преобразователя с индуктивным ПИП в последовательном колебательном контуре (рис.

5), с учетом фазового сдвига колебаний в усилителе А1, основанный на решении системы уравнений Кирхгофа для высокочастотного тракта методом комплексных амплитуд, дает полученные диссертантом расчетные формулы для параметров высокочастотного тракта, индуктивного ПИП и диэлектрических характеристик тестируемых материалов, приведенные в табл. 3. В формулах фазовый сдвиг выражен через отношение частоты автоколебаний fOSC к частоте среза fСР амплитудно-частотной характеристики апериодического усилителя А3 на уровне -3 дБ по аналогии с табл. 2. В табл. 3 использованы обозначения рис. 5, формул (12), (13); частоты автоколебаний в воздухе и с тестируемым материалом обозначены соответственно fOSC ВЗ, fOSC М.

Таблица 3. Формулы для расчета параметров высокочастотного тракта, индуктивного ПИП и диэлектрических характеристик тестируемого материала по измеренным выходным параметрам автогенераторного ДДП с индуктивным ПИП, включенным в последовательный колебательный контур автогенератора, в стационарном режиме колебаний.

№ Измеряемые / опреде- Ед.

Расчетные формулы пп. ляемые параметры изм.

1. Коэффициент усиле Ri + rX fOSC ния управляемого уси- КУПК = 1+ 1+ RS - 2 fCР лителя А1 в стационар- ном режиме КУПК 2. Частота автоколебаний fOSC = fOSC 0, в стационарном режиме 1+ Ri + rX + RS () fOSC 2 fСРLX Гц fOSC 0 = f0 = - собственная резонансная 2 LXCK частота колебательного контура без потерь 3. Индуктивность ПИП LX =- () Ri + rX + RS (колебательного конту- Гн 2 fOSC CK 2 fСР () ра) LХ Индуктивность, вноси- 1 1 1 1 LВН = LХМ - LХ ВЗ = - - rВН мая тестируемым мате- Гн 2 2 2 ( )fOSC M fOSC ВЗ СК 2 fCР риалом, LВН 4. Модуль коэффициен- URS kД = = та передачи kД дели- UУВЧ Ri теля последовательный - rX RS fOSC +1 1+ 1+ колебательный контур RS rX +1 fСР - резистор RS RS 2 2 5. Сопротивление потерь Ri fOSC Ri fOSC 1 + - -1- +1 rX индуктивного ПИП, 2 kД kД RS fСР RS fСР определяемое по модуrX = RS fOSC лю коэффициента пере1+ fСР дачи kД делителя после- Ом довательный колеба 1 1 fOSC При Ri < RS:

тельный контур - рези- rX = RS 1 - - k 2 fСР Д стор RS и частоте авто колебаний fOSC kД = URS UУВЧ 6. Сопротивление потерь rX индуктивного ПИП, KУПК определяемое по КУПК и rX = RS -1 - Ri Ом частоте автоколебаний 1+ 1 fOSC fOSC 2 fСР 7. Вносимое сопротивОм rВН = rX M - rX ВЗ ление потерь rВН 8. Действительный комLВН = +понент КДП тести- - 2 fOSC М 0 0КГИ () руемого материала 9. Электропроводность rВН = тестируемого материала См/м 2 fOSC 0 KГИ () 10. Мнимый компонент КДП тестируемого ма- - = 2 fOSC териала 11. Тангенс угла диэлект рических потерь тести- - tg = руемого материала tg Как видно из формул табл. 3, при нулевом фазовом сдвиге колебаний в усилителе А1 ( fOSC fСР 0 ) индуктивность ПИП LX определяется по частоте автоколебаний, а сопротивление потерь ПИП rX - по коэффициенту передачи делителя kД с исключением взаимного влияния, т.е. автогенераторный ДДП с индуктивным ПИП в последовательном колебательном контуре обеспечивает полностью раздельное определение LX и rX. Для получения близкого к нулю фазового сдвига колебаний необходимо использовать широкополосные усилители колебаний с высокими значениями частот среза fСР АЧХ по сравнению с частотами автоколебаний fOSC. Кроме того, может быть использована коррекция фазочастотной характеристики усилителя, обеспечивающая близкий к нулю фазовый сдвиг колебаний в диапазоне частот автоколебаний.

Раздельное определение индуктивности и сопротивления потерь индуктивного ПИП по сигналам первой и второй выходных цепей для автогенераторного преобразователя с индуктивным ПИП в последовательном колебательном контуре при наличии фазового сдвига производят по формулам разделения, связывающим определяемые параметры LX и rX с измеряемыми на выходах автогенераторного преобразователя. При этом по приведенным в табл. 3 формулам сначала определяют сопротивление потерь rX индуктивного ПИП по модулю коэффициента передачи делителя или КУПК с использованием измеренной частоты автоколебаний fOSC и известной частоты среза fСР АЧХ усилителя колебаний (формулы пунктов 5 и 6 табл. 3), а затем определяют индуктивность LX по fOSC, fСР и rX (формулы пункта 3 этой табл. 3). При использовании коррекции фазо-частотной характеристики усилителя, не обеспечивающей полного сведения к нулю фазового сдвига колебаний в полосе частот автоколебаний, необходима экспериментальная градуировка путем построения двухкоординатных градуировочных зависимостей пары информативных выходных параметров автогенераторного ДДП с индуктивным ПИП от влажности и электропроводности тестируемого материала.

Раздел 4. Исследование и разработка автогенераторных ДДП с емкостным ПИП для средств двухкомпонентной диэлькометрии зерна В этом разделе показана возможность одновременного определения влажности и плотности зерновой массы с использованием автогенераторного ДДП, рассмотрено схемотехническое построение и макетирование автогенераторного ДДП влагомера зерна со свободной засыпкой пробы в емкостную коаксиальную ячейку. Представлены результаты экспериментального исследования влияния плотности зерновой массы на результат опре деления влажности при свободной засыпке пробы и возможности его уменьшения за счет двухкомпонентных диэлькометрических измерений.

Возможность одновременного определения влажности и плотности зерновой массы на основе двухкомпонентных диэлькометрических измерений, показанная в разделе 1 для фиксированной частоты измерений, для автогенераторного ДДП обоснована моделированием функций преобразования влажности и плотности зерновой массы в выходные параметры автогенераторного ДДП. Для моделирования использована рассмотренная в разделе 1 обобщенная модель диэлектрических свойств зерна злаковых культур и приведенные в разделе 2 результаты теоретического анализа автогенераторного ДДП с емкостным ПИП (табл. 2). Приравниванием выражений для из обобщенной модели (3) и из п.5 табл. 2, связывающего с параметрами автогенераторного преобразователя, получено трансцендентное уравнение (14) для расчета частоты автоколебаний fOSC М при влажности М и плотности , соответствующих модели. Аналогично, приравниванием выражений для из модели (3) и из п. 8 табл. 2, связывающего с параметрами автогенератора, с учетом зависимости GПИП от kU (п. 7 табл. 2), получено уравнение (15) для расчета модуля коэффициента передачи kU делителя резистор RS - колебательный контур при различных М и , в котором используется частота fOSC М, найденная из (14). Эти уравнения имеют вид:

fOSC KП fOSC ВЗ LВЗ fOSC М 2 k4 -1 - + k5 M 2 k6 lg М k7 -1 - 1+ k1 M 1+ + = 0, fOSC М LМ fСР k3 fOSC М (14) 0 2 fOSC ВЗ LВЗ fOSC М ( ) lg k2 M + lg k3 k3 fOSC М 1- UК 2 fСР kU = =.

UУВЧ (15) 2 2 fOSC М 0 k4 + k5 M 2 k6 lg fOSC М + k7 -1 + GL + RS КП k3 lg fOSC М k3 Входящие в (14), (15) обозначения соответствуют схеме рис. 2 и табл. 2; fOSCВЗ, fOSCМ (Гц) - частоты автоколебаний при положении емкостного ПИП в воздухе и при заполнении его измерительного объема тестируемым материалом; LВЗ, LМ (Гн) - индуктивности колебательного контура на частотах fOSCВЗ, fOSCМ.

Уравнения (14), (15) решались численным методом с использованием встроенных функций и графики вычислительной компьютерной системы MathCAD 2001i. После расчета значений частоты автоколебаний fOSC М и модуля kU, с использованием формул табл.и входящих в них констант рассчитывались параметры колебательного контура автогенератора, параметры емкостного ПИП и диэлектрические характеристики материала (, , , tg ), определяемые по выходным параметрам автогенератора. Все расчеты проводились для семейства кривых равной влажности М = 8; 12; 16; 20; 26 %, в каждой из которых значения плотности задавались равными 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2 и 1,3 г/см3, что соответствует области значений (4), для которых получена модель (3).

В расчетах использовались параметры экспериментального макета автогенераторного ДДП с емкостным коаксиальным ПИП, реализующего функциональную схему рис. 2, и аналогичного макету, структурная схема которого представлена на рис. 7. Результаты моделирования функций преобразования влажности и плотности зерновой массы в выходные параметры автогенераторного ДДП представлены на рис. 6 в виде графиков с координатами пар значений выходных измеряемых/определяемых параметров автогенераторного ДДП: частоты автоколебаний fOSC М и модуля коэффициента передачи kU делителя резистор RS - колебательный контур (рис. 6, а); частоты автоколебаний fOSC М и тангенса угла диэлектрических потерь tg (рис. 6, б). Из графиков видно, что автогенераторный ДДП с парами значений выходных параметров, представленных на графиках рис. 6, может использоваться для раздельного определения влажности и плотности зерновой массы.

Возможность одновременного определения влажности и плотности зерновой массы с использованием автогенераторных ДДП открывает перспективы разработки автогенераторных двухкомпонентных диэлькометрических влагомеров зерна с автоматической коррекцией влияния плотности на показания влажности и влагомеров-плотномеров зерна, включая зондовые.

Рис. 6. Поля пар значений выходных измеряемых/определяемых параметров автогенераторного ДДП с емкостным коаксиальным ПИП для области значений влажности и плотности зерновой массы (4), соответствующей обобщенной эмпирической модели диэлектрических свойств зерна злаковых культур (3). Значения влажности М для кривых равной влажности указаны на графиках. Значения плотности в точках этих кривых справа налево равны соответственно 0,6; 0,7;

0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2; 1,3 г/см3.

Актуальной является разработка диэлькометрического влагомера зерна со свободной засыпкой пробы в измерительную ячейку и коррекцией влияния плотности на показания влажности за счет двухкомпонентных диэлькометрических измерений. С этой целью проведена разработка автогенераторного ДДП с емкостным коаксиальным ПИП для влагомера зерна со свободной засыпкой пробы (рис. 7), реализующего базовую функциональную схему рис.2. Главным структурным элементом ДДП является широкополосный усилитель с управляемым усилением и каналом инерционной стабилизации амплитуды колебаний DA1 AD8367, имеющий линейный в децибелах закон управления усилением.

Резонансная система автогенератора выполнена в виде параллельного колебательного контура с индуктивностью L, в который включена емкостная коаксиальная ячейка. Ячейка содержит центральный потенциальный измерительный электрод 1 диаметром 40 мм и высотой 96 мм и охватывающий его цилиндрический корпусной электрод 2 диаметром 80 мм и высотой 150 мм, а также охранный эквипотенциальный электрод 3 с цилиндрической частью диаметром 40 мм, высотой 15 мм и конусным наконечником высотой 20 мм, отделяющий область неоднородного электрического поля в верхней части потенциального электрода от измерительного объема между электродами 1, 2 и исключающий влияние непостоянства уровня засыпки зерна на выходные параметры ПИП.

Охраняемый измерительный объем ПИП равен VИ = 0,36 дм3, общий заполняемый объем VОБЩ = 0,6 дм3. Геометрическая постоянная ПИП равна KП = 1,15 м-1. Возбуждение гармонических колебаний обеспечивается созданием ПОС в замкнутой петле усиления высокочастотного тракта автогенератора, состоящего из усилителя с управляемым усилением DA1, инвертора-повторителя напряжения DA2 и повторителя напряжения DA3. Сигнал ПОС снимается с делителя, образованного резистором RS и параллельным колебательным контуром, подключенного к высокочастотному выходу генератора (выход DA2).

Инвертор-повторитель DA2 необходим для получения ПОС и используется ввиду того, что управляемый усилитель DA1 является инвертирующим. Повторитель DA3 с высоким входным сопротивлением обеспечивает исключение шунтирования колебательного контура низким входным сопротивлением управляемого усилителя DA1.

Рис. 7. Структурная схема автогенераторного ДДП с емкостным коаксиальным ПИП для влагомера зерна со свободной засыпкой пробы: 1, 2, 3 - потенциальный, корпусной и эквипотенциальный охранный электроды емкостного ПИП.

Питание электрода эквипотенциальной защиты 3 осуществляется от повторителя напряжения DA4, подключенного к выходу DA3. Полоса пропускания усилителя DA1 составляет 500 МГц, инвертора-повторителя DA2 и повторителя DA3 - 270 МГц, что обеспечивает эквивалентную частоту среза fСР.ЭКВ АЧХ замкнутой цепочки этих усилителей 147 МГц. Частота автоколебаний в воздухе выбором L = 1,92 мГн задана равной 500 кГц, а для влажного зерна меняется в диапазоне 200Е500 кГц. Сопротивление резистора RS установлено равным 2 кОм, что дает диапазон kU = 0,16Е0,99 при свободной засыпке зерна с влажностью от 40 % до 7 %.

Экспериментальные данные по оценке стабильности частоты разработанного автогенераторного ДДП с емкостным ПИП следующие: относительная среднеквадратичная шумовая флюктуация частоты 0,810-4 за 10 с, относительный температурный дрейф частоты 0,410-4 1/С, относительный временной дрейф частоты 210-4 в течение 5 часов.

Разработанный автогенераторный ДДП (рис. 7) использован для экспериментального исследования возможности уменьшения влияния плотности зерновой массы на результат определения влажности при свободной засыпке пробы за счет двухкомпонентных диэлькометрических измерений. Частота автоколебаний fOSC на выходе DA5 измерялась частотомером Ч3-63, модуль коэффициента передачи делителя kU определялся по измеренным на выходах детекторов DA6, DA7 напряжениям вольтметром В2-36. Для определения влажности проб зерна стандартным методом воздушно-тепловой сушки (ГОСТ 13586.5-93) использовался сушильный шкаф СЭШ-3М и весы Sartorius LP820.

Эксперименты проводились с зерном яровой пшеницы Ленинградская-97, выращенным на опытной станции ГНУ Агрофизический НИИ Россельхозакадемии. Подготовка проб зерна разной влажности производилась искусственным увлажнением сухого зерна путем добавления рассчитанного количества дистиллированной воды, что допускается действующими методическими указаниями по градуировке влагомеров РД 50-157-79.

Пробы зерна низкой влажности получали подсушиванием зерна, хранящегося в складских условиях (10Е14 %). После увлажнения или подсушивания, пробы помещались в герметично закрытые сосуды и хранились в термостате при температуре 7 2 С в течение не менее 5 суток с периодическим перемешиванием для кондиционирования (лотволаживания), а за 4 - 6 часов до измерений извлекались из термостата и выдерживались при ком натной температуре. В экспериментах использовались 9 проб зерна с влажностями в диапазоне 7Е36 %.

Для исследования влияния вариаций плотности зерна при засыпке на выходные параметры автогенераторного ДДП производилась 60-кратная свободная засыпка каждой пробы зерна в емкостную ячейку и интервалами 60 с, включая время засыпки 5 - 7 с и опорожнения ячейки. Время засыпки выбрано из условия обеспечения быстрого режима засыпки, так как медленная засыпка давала больший разброс показаний и даже дрейф показаний после засыпки (для проб высокой влажности). Объем пробы задавался засыпкой зерна до верхнего края ячейки перед началом серии измерений и в дальнейшем не менялся. Минимизация изменения влажности пробы в процессе 60 измерений достигалась соединением емкостной ячейки и сосуда с пробой гибким рукавом из полиэтиленовой пленки и предварительным многократным пересыпанием пробы зерна из сосуда в ячейку и обратно для установления гигротермического равновесия в замкнутой системе. Влажность пробы для каждой серии из 60 измерений принималась равной среднему значению из определений влажности перед началом серии измерений и непосредственно после окончания. При каждой свободной засыпке зерна в ячейку регистрировали значения частоты автоколебаний fOSCMi и модуля коэффициента передачи kUi выходного делителя автогенераторного ДДП. В полученных сериях (выборках) значений fOSCMi и kUi методами математической обработки экспериментальных данных производилось устранение тренда, вызванного остаточным изменением влажности в течение 60 измерений.

Поля экспериментально полученных пар значений частоты автоколебаний fOSCMi и модуля коэффициента передачи kUi выходного делителя автогенераторного ДДП для серий из 60 измерений при свободных засыпках в емкостную ячейку проб зерна с влажностями М = 7,2; 12,4; 15,4; 17,8; 21,5; 24,5; 29,2; 33 и 35,4 % представлены на рис. 8, 9, 12.

Рис. 8. Диаграммы рассеяния пар значений выходных параметров автогенераторного ДДП: частоты автоколебаний fOSCMi и модуля коэффициента передачи kUi выходного делителя для серий из 60 измерений. Примеры для проб зерна с влажностями М = 12,4 % и М = 29,2 %. Линии линейной регрессии экспериментальных данных (линии равной влажности) отмечены кружками.

Как видно из рис. 8, точки, соответствующие парам значений выходных параметров автогенераторного ДДП в сериях измерений с пробами постоянной влажности, образуют в координатах fOSCM, kU диаграммы рассеяния в виде вытянутых эллипсов, характеризующих корреляционную связь пар значений fOSCМi, kUi, вызванную наложением случайных воздействий на парную функциональную зависимость выходных параметров, обусловленную изменениями плотности при свободных засыпках пробы постоянной влажности. К этим случайным воздействиям относятся неравномерность плотности зерна в объеме ячейки при засыпке, неоднородность диэлектрических свойств самих зерен в объеме ячейки и другие неучтенные факторы. Коэффициенты парной корреляции (КПК), характеризующие близость статистической связи к функциональной, составляют КПК = 0,94Е0,98 для серий измерений разной влажности, что достаточно близко к значению КПК = 1, при котором парная связь становится функциональной. Исключение составляет серия с влажностью М = 7,2 % (КПК = 0,646), при которой диэлектрические свойства зерновой массы зависят больше от биохимического состава зерен, чем от влажности.

Для нахождения функциональной связи значений выходных параметров автогенераторного ДДП в сериях измерений разной влажности по статистическим выборкам использовали математическую модель в виде линейной зависимости модуля коэффициента передачи kUi от частоты автоколебаний fOSCMi:

(16) kUi - kU СР = KУГЛ ( fOSCМ i - fOSCМСР ), где fOSCMi (кГц) - экспериментальное значение частоты автоколебаний для i-ой точки измерения в серии (i-ой засыпки пробы), kUi - значение модуля коэффициента передачи выходного делителя, рассчитанное по модели для i-ой точки, fOSCMСР (кГц), kUСР - средние значения частоты fOSCM и модуля kU для серии измерений, KУГЛ (1/кГц) - угловой коэффициент прямой. Построение гистограмм, характеризующих плотность распределения значений частоты автоколебаний fOSCMi и модулей коэффициентов передачи kUi в сериях измерений (выборках) показывает, что плотности распределения близки к нормальному закону. Изображенные на рис. 8 линии регрессии, построенные для серий измерений по уравнению (16), являются осями эллипсов рассеяния экспериментальных точек и представляют собой линии равной влажности в диапазоне плотностей свободной засыпки пробы зерна, аналогичные линиям равной влажности, полученным для автогенераторного ДДП с емкостной коаксиальной ячейкой в координатах fOSCM, kU с использованием обобщенной модели диэлектрических свойств зерновой массы (рис.6).

Рис. 9. Регрессионная градуировочная кривая для пар средних значений частоты автоколебаний fOSCMСР и модуля коэффициента передачи kUСР выходного делителя с массивами точек для серий измерений проб зерна разной влажности M в координатах выходных параметров автогенераторного ДДП.

Экспериментальные результаты для серий измерений позволяют построить градуировочную кривую пар средних значений fOSCMСР, kUСР в координатах: частота автоколебаний - модуль коэффициента передачи. Хорошее приближение к экспериментальным данным дает градуировочная кривая, полученная регрессией полиномом третьей степени:

(17) kU СР = a1 + a2 fOSCM СР + a3 fOSCМСР + a4 fOSCМСР, где a1 = -4,54703, a2 = 0,03212 1/кГц, a3 = -6,2560210-5 1/(кГц)2, a4 = 4,0988610-8 1/(кГц)3 - коэффициенты регрессии, для которой КПК = 0,9998 между экспериментальными значениями kUСРi и значениями kUСР по модели (17) при одинаковых fOSCMСР, рис. 9.

Каждой точке градуировочной кривой в координатах fOSCM, kU (рис. 9) соответствует некоторое значение влажности, которое не присутствует в явной форме на графиках в этих координатах. В практических реализациях влагомеров, использующих определение влажности как только по одному из выходных параметров, так и по двум параметрам с применением описанных ниже способов коррекции влияния плотности, для определения влажности целесообразно использовать градуировочную зависимость влажности М от средней частоты автоколебаний fOSCMСР (рис. 10). Эта экспериментальная зависимость для средних значений частоты fOSCМСР (кГц) в 9 сериях измерений описывается регрессией квадратичной параболой (КПК = 0,9997):

M = b1 + b2 fOSCМСР + b3 fOSCМСР, где b1 = 109,179 %, b2 = - 0,2969 %/кГц, b3 = 1,783410-4 %/(кГц)2 - коэффициенты регрессии.

Зависимость углового коэффициента KУГЛ отрезков регрессионных прямых (16) в сериях измерений выходных параметров, представляющих собой линии равной влажности, от средней частоты автоколебаний fOSCMСР (кГц) в сериях приведена на рис. 11. Эта зависимость описывается квадратичной регрессионной зависимостью (КПК = 0,986):

KУГЛ = c1 + c2 fOSCМСР + c3 fOSCМСР, где c1 = 0,0209 1/кГц, c2 = - 8,403210-5 1/(кГц)2, c3 = 8,480710-8 1/(кГц)3.

Рис. 10 (слева). Градуировочная зависимость влажности M от средней частоты автоколебаний fOSCMСР.

Рис. 11 (справа). Значения углового коэффициента КУГЛ линий равной влажности для серий измерений в зависимости от средней частоты автоколебаний fOSCMСР, и аппроксимирующая эту зависимость регрессионная кривая.

На основе проведенных исследований предложен способ коррекции влияния случайных вариаций плотности зерновой массы на результат определения влажности при свободной засыпке пробы в емкостную ячейку и измерении пары выходных параметров автогенераторного ДДП: частоты автоколебаний fOSCМ и модуля коэффициента передачи kU выходного делителя. Этот способ состоит в следующем.

На этапе градуировки автогенераторного ДДП или влагомера, по сериям измерений проб зерна разной влажности получают регрессионные градуировочные зависимости: градуировочную кривую пар средних значений fOSCMСР, kUСР для серий измерений в координатах: частота автоколебаний - модуль коэффициента передачи (рис. 9); градуировочную зависимость влажности от средней частоты автоколебаний (рис. 10); градуировочную зависимость углового коэффициента KУГЛ линий равной влажности от средней частоты автоколебаний fOSCMСР в сериях (рис. 11).

На этапе использования автогенераторного ДДП или влагомера для измерения влажности с коррекцией влияния случайной плотности зерна на результат определения влажности при однократной свободной засыпке пробы в емкостную ячейку и однократном измерении пары выходных параметров автогенераторного ДДП производят следующие операции:

- на графике в координатах: частота автоколебаний - модуль коэффициента передачи, - производят проекцию точки с координатами пары измеренных значений выходных параметров fOSCMi, kUi на градуировочную кривую пар средних значений fOSCMСР, kUСР под углом, равным угловому коэффициенту KУГЛ, который определяют для измеренной часто ты автоколебаний по градуировочной зависимости KУГЛ от средней частоты автоколебаний в сериях;

- по градуировочной кривой пар средних значений fOSCMСР, kUСР определяют частоту точки проекции пары измеренных значений выходных параметров fOSCMi, kUi, лежащей на этой кривой;

- по найденной частоте точки проекции, с использованием градуировочной зависимости влажности от средней частоты автоколебаний находят значение влажности, учитывающее коррекцию влияния плотности.

Принцип и алгоритм способа коррекции поясняются графиками рис. 12Е14. Вычисление координат проекций 4 точек массива 2 на градуировочную кривую 1 (рис. 12) под углом, определяемым угловым коэффициентом KУГЛ, производят путем решения для каждой i-ой точки 2 массива системы двух уравнений: уравнения (29)прямой, проходящей через точку массива с координатами fOSCМi, kUi с угловым коэффициентом KУГЛ, и уравнения градуировочной кривой (30).

Как видно из рис. 12, разброс частот fOSCМСРi точек 4 проекций точек 2 на градуировочную кривую 1 с угловым коэффициентом КУГЛ составляет существенно меньшую величину по сравнению с разбросом частот автоколебаний fOSCMi для точек 2 серии из свободных засыпок в емкостную ячейку.

Поскольку эти разбросы частот вызваны случайным характером плотности зерновой массы в емкостной ячейке при свободной засыпке пробы, полученные данные могут быть использованы для оценки влияния плотности на результат определения влажности как в обычных автогенераторных однопараметрических влагомерах зерна, в которых влажность определяется по частоте автоколебаний, так и во влагомерах с автогенераторными ДДП, в которых влажность определяется по изложенному способу коррекции влияния плотности (рис. 13, 14).

Возможность уменьшения разброса значений влажности, найденных по частоте автоколебаний, при однопараметрическом определении влажности m1 и двухкомпонентном определении влажности m2 с использованием алгоритма коррекции влияния плотности демонстрирует рис. 14, на котором представлены гистограммы частот распределения влажностей m1 и m2.

Рис. 12 (слева). Положение градуировочной кривой 1 и точек 2 массива измеренных пар значений выходных параметров fOSCMi, kUi для серии 60 измерений пробы зерна с влажностью М = 21,5 %; 3 - отрезок регрессионной прямой массива, являющийся линией равной влажности; 4 - проекции точек массива 2 на градуировочную кривую 1 под углом, равным угловому коэффициенту КУГЛ линии равной влажности 3; 5 - точка, представляющая пару средних значений fOSCMСР, kUСР для серии.

Рис. 13 (справа). Определение влажности по частоте автоколебаний с использованием регрессионной градуировочной кривой зависимости влажности M от средней частоты fOSCМСР (пунктирная линия) для серии 60 свободных засыпок в емкостную ячейку зерна с влажностью М = 21,%: для однопараметрического определения влажности m1 по частоте автоколебаний fOSCМi для i - ой засыпки пробы (точки 1); для двухкомпонентного определения влажности m2 с использованием рассмотренного способа коррекции влияния плотности - по частоте проекции fOSCMСРi с угловым коэффициентом KУГЛ измеренной пары значений fOSCМi, kUi на градуировочную кривую (рис. 9), при i - ой засыпке пробы (точки 2).

Рис. 14. Гистограммы частот распределения значений влажности, найденных по частотам автоколебаний, для серии из 60 свободных засыпок пробы зерна с влажностью М = 21,5 % в емкостную ячейку: при однопараметрическом определении влажности m1 (график с незакрашенными столбиками) и при двухкомпонентном определении влажности m2 с применением способа коррекции влияния плотности (график с закрашенными столбиками).

Метрологическими показателями, характеризующими погрешности измерения диэлькометрических влагомеров зерна, являются основная систематическая и основная случайная погрешности, определяемые при нормальной температуре измерения. Полевые диэлькометрические влагомеры зерна зарубежных фирм используют взвешивание или уплотнение объемно дозированной пробы для коррекции влияния плотности зерновой массы на показания влажности и имеют для зерна пшеницы среднее значение основной систематической погрешности 1,8Е2,4 % и среднеквадратичное отклонение (СКО) основной случайной погрешности 0,22Е0,91 % в диапазоне влажностей от 10Е11 до 28Е30 % (Секанов-1997). Ряд современных диэлькометрических влагомеров зерна (Farmex - США, Wile-55 - Финляндия), включая влагомеры со свободной засыпкой пробы (Фауна-М - Россия), имеют индивидуальную подстройку градуировок под измеряемую зерновую культуру, снижающую основную систематическую погрешность до 0,5...1,0 %. Однако основная случайная погрешность однопараметрических диэлькометрических влагомеров зерна со свободной засыпкой пробы, вследствие неопределенности плотности зерновой массы в измерительной ячейке при засыпке, в несколько раз превышает основную систематическую погрешность, что ограничивает применение влагомеров зерна со свободной засыпкой пробы в технологическом контроле зерна на сельскохозяйственных предприятиях. Поэтому для повышения точности влагомеров зерна со свободной засыпкой пробы важнейшее значение имеет уменьшение влияния случайной погрешности на результат определения влажности.

Основную случайную погрешность и сходимость результатов определения влажности влагомеров со свободной засыпкой пробы можно оценить значением СКО результатов определения влажности для выборки - серии из 60 последовательных измерений одной и той же пробы зерна, при этом оценка среднеквадратичной погрешности определения СКО составляет менее 10 %. Полученные экспериментальные данные для зерна пшеницы Ленинградская-97 позволяют вычислить значения СКО для различных значений влажности пробы в сериях как для однопараметрического определения по частоте автоколебаний - СКО(m1), так и для двухкомпонентного диэлькометрического определения влажности с использованием рассмотренного способа коррекции влияния плотности - СКО(m2), рис. 15.

Рис. 15. Сравнение случайных погрешностей определения влажности зерна пшеницы однопараметрическим и двухкомпонентным диэлькометрическими влагомерами со свободной засыпкой пробы для 9 серий измерений, состоящих из 60 свободных засыпок в емкостную ячейку проб зерна постоянной в серии влажности, в зависимости от влажности М пробы в серии: а - среднеквадратичные отклонения значений влажности, определяемых по частоте автоколебаний, при однопараметрическом определении - СКО(m1) и при двухкомпонентном определении - СКО(m2);

б - кратность уменьшения случайной погрешности за счет двухкомпонентных диэлькометрических измерений - отношение СКО(m1)/СКО(m2).

Как видно из рис. 15, а, для зерна пшеницы с влажностью менее 20 % случайная погрешность определения влажности при использовании двухкомпонентных диэлькометрических измерений и рассмотренного способа коррекции влияния плотности оценивается значением среднеквадратичного отклонения СКО(m2) менее 0,1 % абсолютной влажности, что означает практическое исключение влияния плотности на показания влажности. В диапазоне влажности зерна пшеницы 12Е20 %, для которого нормируются значения погрешности и сходимости показаний в инструкциях по эксплуатации зарубежных влагомеров, кратность снижения случайной погрешности от влияния плотности на показания влажности (рис. 15, б) достигает 6Е13 раз, что демонстрирует высокую эффективность предложенного способа уменьшения погрешности от влияния плотности свободной засыпки пробы на результат определения влажности во влагомерах зерна со свободной засыпкой пробы.

Характер полученных зависимостей СКО(m1), СКО(m2), а также их отношения СКО(m1)/СКО(m2) от влажности (рис. 15, а, б) объясняется различным влиянием низкой и высокой влажностей на способность зерновой массы к плотной укладке при свободной засыпке, а также используемым способом определения влажности.

Сравнение экспериментально полученных оценок случайной погрешности СКО(m2) со значениями СКО для более сложных и дорогостоящих полевых влагомеров, использующих взвешивание или нормированное уплотнение пробы показывает, что использование автогенераторных ДДП и описанного способа коррекции влияния плотности для построения влагомеров зерна со свободной засыпкой пробы позволяет получить точностные характеристики, не уступающие более дорогим и сложным в эксплуатации диэлькометрическим влагомерам с взвешиванием или уплотнением пробы.

Раздел 5. Исследование и разработка автогенераторных ДДП с емкостным ПИП для средств двухкомпонентной диэлькометрии почв В этом разделе рассмотрено построение и применение автогенераторных ДДП с емкостными ПИП для одновременного определения (косвенного измерения) влажности и электропроводности почв по выходным параметрам ДДП, что позволяет оценивать общее содержание растворенных элементов минерального питания и его динамику в течение вегетационного периода. При этом содержание растворенных солей в почве оценивается по объемной влажности почвы и электропроводности почвенной воды W, которые определяют электропроводность почвы , а количество солей может быть найдено с учетом ионного состава солей [Malicki, WalczakЦ1999; WET Sensor - User manual WET-UM-1.4, Delta-T DevicesЦ2007].

Особенностью построения автогенераторных ДДП для контактного измерения влажности и электропроводности почв является выбор рабочих частот автоколебаний в диапазоне 5Е25 МГц. Эти частоты являются, с одной стороны, достаточно высокими для того, чтобы исключить влияние контактных явлений на измерительных электродах [CampbellЦ1990] и ограничить зарядовую поляризацию ионами электролитов в замкнутых микрообъемах воды - поляризацию Максвелла-Вагнера (вызывающую аномальное возрастание действительного компонента КДП и его зависимость от электропроводности почвенного раствора [Poley, Nooteboom, WaalЦ1978]), а с другой стороны, достаточно низ кими для того, чтобы соблюсти условие квазистационарности ЭМП в ПИП и ограничить фазовые сдвиги в высокочастотном тракте автогенераторного ДДП.

Рассмотрены две разработки автогенераторных ДДП влажности и электропроводности почв с емкостными датчиками, которые выполнены по структурной схеме, идентичной рис. 7, и отличаются выполнением емкостного ПИП, отсутствием электрода эквипотенциальной защиты и усилителя его питания, а также использованием цепи коррекции фазо-частотной характеристики высокочастотного тракта в виде дросселя, включенного параллельно входу управляемого усилителя DA1, для обеспечения устойчивости автоколебаний и управления формой градуировочных характеристик.

Первая разработка автогенераторного ДДП содержит емкостный ПИП в виде четырехштыревого зонда с центральным потенциальным и тремя корпусными электродами, установленными симметрично по образующей цилиндра (рис. 16), и предназначена для измерений путем введения зонда в почву непосредственно с поверхности или со дна скважины. Областью ее применения является использование в составе автоматической агрометеорологической станции, имеющей каналы регистрации частоты и аналоговых сигналов. Установка нескольких преобразователей на разных глубинах дает возможность исследовать профиль по глубине и динамику по профилю влажности и электропроводности почв, что важно для технологий точного земледелия и моделей энергомассообмена в системе почва - растительный ценоз - приземный слой воздуха.

Рис. 16. Конструкция автогенераторного ДДП влажности и электропроводности почв с четырехштыревым емкостным зондом: длина штыревых электродов - 60 мм, диаметр - 3 мм;

диаметр окружности установки боковых электродов - 22 мм.

Общая длина автогенераторного ДДП в корпусе - 245 мм, диаметр - 32 мм.

Геометрическая константа KП емкостного зонда определена методом замещающего конденсатора, включающим измерение частоты автоколебаний при погружении зонда в дистиллированную воду с последующем извлечением зонда и подключением параллельно ПИП конденсатора с емкостью СЗ, возвращающей частоту автоколебаний к значению для дистиллированной воды. Геометрическая константа определяется по формуле:

KП = 0 ВД - ВЗ СЗ, ( ) где ВД, ВЗ - действительные компоненты КДП воды и воздуха, и равна KП = 5,83 м-1. Метод исключает влияние паразитной емкости колебательного контура СП на значение KП.

Погрешность определения KП этим методом определяется погрешностью, с которой известен ВД, погрешностью измерения емкости СЗ и частоты fOSC при замещении, а также монтажной паразитной емкостью СМП, создаваемой при подключения СЗ и не учитываемой при измерении СЗ, и составляет, по оценкам, 1Е2 %.

Градуировочные характеристики автогенераторного ДДП как измерителя диэлектрических характеристик почв (рис. 17) получены способом подключения к емкостному зонду добавочных конденсаторов СДОБ и резисторов RДОБ, эквивалентных заданным значениям действительного компонента ' КДП и электропроводности почвы, в которую введен емкостной зонд. Поскольку зонд не отключается при градуировках, значения номиналов подключаемых СДОБ, RДОБ определяются из соотношений:

CДОБ KП 0 -CИ KП ( ) KП KП =, -1 =, СДОБ =, = GДОБ KП =, RДОБ =, 0 0KП RДОБ где GДОБ = 1/RДОБ - проводимость добавочного резистора. Выбранные значения подключаемых СДОБ, RДОБ соответствуют диапазонам ' = 1Е80 и = 0Е0,1 См/м почв. Характеристики рис. 17 получены при следующих параметрах автогенераторного ДДП: сопротивление делителя RS = 120 Ом, индуктивность колебательного контура 1,3 мкГн, индуктивность дросселя коррекции 1,7 мкГн, напряжение питания ДДП 4,6 В. Погрешность построения градуировочных характеристик рис.17 определяется погрешностью измерения fOSC (0,01 %), погрешностью измерения напряжений UК, UУВЧ (1 %), по которым вычисляется kU, погрешностью определения KП (1Е2 %) и погрешностью задания расчетных номиналов СДОБ, RДОБ (0,5Е1 %), и составляет 2Е3,5 %.

Градуировка автогенераторного ДДП как измерителя влажности и электропроводности почв выполнена исходя из задачи установления связи его выходных параметров с объемной влажностью и объемной электропроводностью почвы, а также с электропроводностью почвенной воды W, которая широко используется как мера солености почв [Malicki, Walczak-1999]. Ввиду того, что градуировки диэлькометрических преобразователей зависят от вида почв, для получения воспроизводимых градуировок в качестве физической модели почвы использован кварцевый песок (ГОСТ 2138-91) с размером частиц не более 0,6 мм, предварительно обессоленного многократной промывкой в дистиллированной воде. Обессоливание проведено с целью приблизить электропроводность увлажняющего раствора Р, используемого для создания заданных влажностей почвенных образцов, к электропроводности почвенной воды W.

Рис.17. Градуировочная сетка линий равной диэлектрической проницаемости ' и равной электропроводности почв в координатах выходных параметров fOSC, kU автогенераторного ДДП с четырехштыревым емкостным зондом.

Для получения градуировочных характеристик проведены три серии измерений с увлажнением образцов почвы дистиллированной водой с электропроводностью Р = 0,00037 См/м и водными растворами KCl с электропроводностями Р = 0,13 См/м и Р = 0,3 См/м. Электропроводность увлажняющих растворов контролировалась кондуктометром HI8733 Conductivity Meter фирмы Hanna Instrument, Германия. Воздушно-сухие образцы почвы размещались в стаканах объемом 0,25 дм3 до полного заполнения, в каждой серии измерений объемная влажность образцов задавалась от 5 % до влагонасыщенного состояния ( 35 %) с шагом 5 % введением в образец почвы в стакане рассчитанного объема воды (7 значений влажности). При этом для каждой влажности готовились образцы с минимальной, средней и максимальной плотностями сложения почвы, рассчитываемыми по сухой почве (всего в серии 21 стакан с образцами). Минимальная плотность сложения обеспечивалась свободной засыпкой сухой почвы в стакан до краев с минимальным уплотнением и добавлением рассчитанного количества воды, максимальная - добавлением в образец с рассчитанным количеством воды сухого песка и интенсивной трамбовкой, средняя - добавлением в такой образец сухого песка для получения среднего веса между первыми двумя образцами. Общий диапазон плотностей сложения почвы для образцов разной влажности составил 1,14 - 1,68 г/см3. После первичной подготовки каждый образец высыпали в чашу, тщательно перемешивали для выравнивания влажности по объему и снова набивали в стакан с равномерной плотностью укладки, затем образцы в закрытых стаканах выдерживались при комнатной температуре в течение 10 - 15 часов. Измерения выходных параметров автогенераторного ДДП проводились при трехкратном введении зонда в образец. Непосредственно после этих измерений влажность каждого образца уточнялась термостатно-весовым методом (ГОСТ 28268-89) с пересчетом в объемную влажность.

Полученные градуировочные кривые равных электропроводностей увлажняющего раствора Р = 0,00037 См/м, 0,13 См/м и 0,3 См/м в координатах выходных параметров fOSC, kU автогенераторного ДДП представлены на рис. 18 и описываются регрессионными уравнениями (в которых fOSC - частота автоколебаний в мегагерцах) соответственно:

Рис. 18. Градуировочная сетка линий равной электропроводности увлажняющего раствора P, электропроводности почвенной воды W и равной объемной влажности в координатах выходных параметров fOSC, kU автогенераторного ДДП с четырехштыревым емкостным зондом для кварцевого песка.

kU = 0,2226 + 0,0664 fOSC -1,5740 10-3 fOSC, kU =-3,8775 + 0,3951 fOSC - 8,009810-3 fOSC, kU =-5,2067 + 0,4600 fOSC - 8,124810-3 fOSC.

Разброс экспериментальных точек относительно регрессионных градуировочных кривых равной электропроводности характеризует случайную погрешность градуировки, вызванную вариацией плотности сложения почвы при градуировке, неравномерностью влажности и плотности почвы в объеме образцов, случайными погрешностями измерения частоты автоколебаний fOSC и напряжений, определяющих модуль коэффициента передачи делителя kU. В соответствии с Рекомендациями по международной стандартизации РМГ 29-99 в части неопределенности измерений (п. 9.20), оценим эту погрешность случайной приведенной среднеквадратичной погрешностью градуировки, представляющей собой СКО (несмещенное значение) массива экспериментальных градуировочных значений kU от значений kU для регрессионной градуировочной кривой, отнесенное к диапазону изменения kU, равному kU = kUmax - kUmin = 0.935 - 0.390 = 0.545 для диапазона электропроводностей увлажняющего почвенного раствора 0Е0,3 См/м. Случайная приведенная среднеквадратичная погрешность градуировки для кривой Р = 0,00037 См/м составила 0,66 %, для кривой Р = 0,13 См/м - 0, 67 % и для кривой Р = 0,3 См/м равна 1,3 %.

Для построения линий равной влажности на градуировочной сетке рис. 18 предварительно были построены графики зависимости частоты автоколебаний fOSC и модуля коэффициента передачи kU от объемной влажности почвы (рис. 19). По массивам экспериментальных данных получены регрессионные зависимости (fOSC - в МГц, - в %), которые для электропроводности увлажняющего раствора P = 0,00037 См/м имеют вид:

2 fOSC = 21,7544 - 0,0316 -1,4307 10-3, kU = 0,9224 + 2,2306 10-4 -1,131310-5, при электропроводности раствора P = 0,13 См/м выглядят как:

2 fOSC = 21,7391- 0,0389 -1,7747 10-3, kU = 0,9157 + 5,935310-4 - 2,1944 10-4, а при электропроводности раствора P = 0,3 См/м выражаются формулами:

2 fOSC = 21,8538 - 0,0763 -1,2069 10-3, kU = 0,9515 - 5,2197 10-3 - 3,073110-4.

Рис. 19. Зависимости частоты автоколебаний fOSC (a) и модуля коэффициента передачи kU (б) автогенераторного ДДП от объемной влажности почвы. На графиках приведены массивы экспериментальных значений (точки) и регрессионные кривые для электропроводностей увлажняющего раствора P = 0,00037; 0,13 и 0,3 См/м.

Подставляя в эти регрессионные зависимости значения объемной влажности в процентах из ряда = 5; 10; 15; 20; 25; 35; 40 %, получим значения fOSC, kU для узловых точек пересечения линий равной объемной влажности и равной электропроводности P. Затем наносим эти точки на график рис. 18 и соединяем их линиями равной влажности. Неопределенность положения узловых точек линий равной влажности по частоте можно оценить по разбросу экспериментальных данных на графике зависимости fOSC(), рис. 19, а, а неопределенность их положения по значению kU - по разбросу точек на графике рис. 19, б.

Эта оценка показывает, что для точек линий равной влажности, лежащих на кривой равной электропроводности Р = 0,00037 См/м, случайная среднеквадратичная погрешность положения по частоте, приведенная к ширине диапазона изменения частоты автоколебаний fOSC = 22 - 17,5 = 4, 5 МГц, составляет 3,9 %, а случайная среднеквадратичная погрешность положения по оси kU, приведенная к диапазону изменения kU, равному kU = 0,545, составляет 0,7 %. Аналогичные приведенные случайные среднеквадратичные погрешности для узловых точек линий равной влажности, лежащих на кривой равной электропроводности Р = 0,13 См/м, составляют 2,3 % и 2,1 %, а для узловых точек линий равной влажности, лежащих на кривой Р = 0,3 См/м, эти погрешности соответственно равны 2,9 % и 3,7 %.

На градуировку автогенераторного ДДП как измерителя влажности и электропроводности почв, т.е. на положение линий равных влажностей и равных электропроводностей Р градуировочной сетки в координатах fOSC, kU (рис. 18), влияют, помимо рассмотренных случайных методических и инструментальных погрешностей, также систематические погрешности используемых средств измерений: частотомера Ч3-63 (10-4 %), измеряющего fOSC, вольтметра В2-36 (1 %), измеряющего UК, UУВЧ, по которым вычисляется kU, кондуктометра HI8733 (1 %), используемого для измерения электропроводности увлажняющих растворов, термостатно-весовой установки определения влажности по ГОСТ 28268-89 (3Е5 %).

Результаты градуировки автогенераторного ДДП в виде сетки линий равных влажностей и равных электропроводностей почвенного раствора в координатах fOSC, kU (либо в координатах fOSC, UУПР) могут быть представлены как графически, так и в виде таблиц или регрессионных формул, полученных с использованием интерполяции и введенных в микропроцессор измерительного прибора.

Градуировка рис. 18 позволяет по выходным параметрам автогенераторного ДДП непосредственно определять объемную влажность и электропроводность Р почвенного раствора, а по градуировке с использованием электрических эквивалентов (рис. 17) - действительный компонент ' КДП и электропроводность почвы .

Диэлектрические характеристики исследованного кварцевого песка, найденные по градуировке ДДП с использованием электрических эквивалентов, приведены на рис. 20.

Рис. 20. Зависимость действительного компонента ' КДП и электропроводности почвы от объемной влажности почвы и электропроводности увлажняющего раствора р.

Зависимость действительного компонента ' КДП от объемной влажности характеризуется некоторой зависимостью от электропроводности увлажняющего раствора, которая на более высоких частотах измерения, в частности в спектре импульса TDR, отсутствует [Malicki - 1999]. Зависимость ' КДП от электропроводности почвенной воды на частотах 17Е22 МГц, соответствующих рабочим частотам автогенераторного ДДП, отмечена в [Poley, Nooteboom, Waal - 1978] и может быть объяснена поляризацией МаксвеллаВагнера. Связь электропроводности почвы с объемной влажностью находится в сильной зависимости от электропроводности увлажняющего раствора Р. Полученная из зависимостей '(), () связь электропроводности почвы с компонентом ' КДП (рис. 21) является линейной при ' > 6 с угловым коэффициентом, определяемым электропроводно стью увлажняющего раствора Р. При этом производная XS = является функцией Р и не зависит от . Этот результат, впервые полученный Малицким, Вальчаком [Malicki - 1999] для случая отсутствии влияния Р на зависимость '(), подтверждается (рис. 21) и при влиянии Р на зависимость '(). Поскольку производная XS является независящей от влажности величиной, характеризующей электропроводность увлажняющего раствора Р, а также электропроводность почвенной воды W, и следовательно, соленость почвы, Ма лицкий и Вальчак предложили назвать производную XS показателем (индексом) солености почвы, который может быть определен путем одновременного измерения и '.

Полученная из экспериментальных данных зависимость показателя солености от электропроводности увлажняющего раствора Р (рис. 22) показывает, что при увлажнении дистиллированной водой с Р = 0,00037 См/м 0 значение производной XS не равно нулю, что свидетельствует о наличии в почве (несмотря на предварительное обессоливание) остаточных растворимых солей, которые при введении увлажняющего раствора дают остаточную электропроводность почвенной воды r. Значение r соответствует абсциссе точки пересечения регрессионной прямой, проходящей через точки вычисленных по экспериментальным данным значений XS, с горизонтальной осью (рис. 22). Этот предложенный Малицким и Вальчаком способ определения остаточной электропроводности почвенной воды r устанавливает связь электропроводности почвенной воды W с электропроводностью увлажняющего раствора Р: W = + r, что позволяет проводить градуировку P ДДП без предварительного обессоливания почв, для которых производится градуировка.

Для преобразования градуировочных характеристик, полученных при заданных значениях увлажняющих растворов Р, в характеристики, выраженные через значения электропроводности почвенной воды W, к значениям Р на характеристиках необходимо прибавить r. В наших экспериментах с промытым кварцевым песком r = 0,023 См/м.

Рис. 21 (слева). Связь электропроводности и действительного компонента ' КДП почвы при различных электропроводностях увлажняющего раствора Р.

Рис. 22 (справа). Зависимость показателя солености почвы XS от электропроводностей увлажняющего раствора Р и почвенной воды W.

Независимость показателя солености XS от объемной влажности почвы в пределах погрешности опыта при различных Р, W в диапазоне от15 % до близкого к влагонасыщенному состоянию почвы показана на рис. 23. Содержание солей в почве может быть рассчитано по электропроводности почвенной воды W и объемной влажности , определяемых по выходным параметрам автогенераторного ДДП с помощью градуировочных характеристик рис. 18 для кварцевого песка или аналогичных характеристик, полученных для других почв. При использовании для увлажнения почвы водного раствора KCl содержание KCl в почве (г/дм3) может быть определено из расчета содержания 557,5 мг KCl в дм3 раствора для получения Р = 0,1 См/м при 20 С. Эквивалентное содержание KCl в почве (электропроводность W, включая r, выражена через содержание KCl) в зависимости от W и представлено на рис. 24. Предварительное обессоливание почвы перед градуировками позволяет уменьшить остаточную электропроводность r, создаваемую солями неизвестного состава, что повышает точность определения содержания солей по графикам рис. 24. Для почвенной воды с содержанием растворенных солей другого состава может быть получен масштабный коэффициент соответствия содержания в почве солей рассматриваемого состава содержанию KCl при одинаковых электропроводностях почвенной воды.

Рис. 23 (слева). Экспериментальная проверка независимости показателя солености почвы XS от объемной влажности при различных электропроводностях увлажняющего раствора Р и соответствующих им значениях электропроводности почвенной воды W.

Рис. 24 (справа). Эквивалентное содержание KCl в почве (г/дм3) при увлажнении водным раствором KCl в зависимости от объемной влажности и электропроводности почвенной воды W.

Для определения объемной влажности почвы и электропроводности почвенной воды W в полевых условиях по результатам однократного измерения выходных параметров fOSC, kU автогенераторного ДДП необходима предварительная градуировка ДДП в виде линий равной W и равной , аналогичных рис. 18, для исследуемых почв. Такая градуировка особенно целесообразна при использовании ДДП для мониторинга влажности, электропроводности и содержания солей в составе агрометеорологической станции.

Вторая разработка автогенераторного ДДП содержит емкостный зонд стержневого типа и предназначена для использования в полевом измерителе влажности и электропроводности пахотного слоя почвы при маршрутном обследовании земель сельскохозяйственного назначения (рис. 25). Конструкция зонда рассчитана на работу с достаточно большими осевыми усилиями при ручном вдавливании зонда в почву на глубинах пахотного слоя и предусматривает также введение в подпахотный слой на глубину до 50 см с помощью бура.

Рис. 25. Общий вид макета емкостного Рис. 25. Общий вид макета емкостного зонда стержневого типа и автогенераторного зонда стержневого типа и автогенераторного ДДП измерителя влажности и электропроводДДП измерителя влажности и электропроводности пахотного слоя почвы. Общая длина зонности пахотного слоя почвы. Общая длина зонда 690 мм, диаметр 20 мм. Выполнен по схеме с да 690 мм, диаметр 20 мм. Выполнен по схеме с потенциальным электродом 1 длиной 40 мм, потенциальным электродом 1 длиной 40 мм, установленным на диэлектрических вставках установленным на диэлектрических вставках длиной по 30 мм между корпусным (заземлендлиной по 30 мм между корпусным (заземленным) электродомЦнаконечником 2 и хвостовым ным) электродомЦнаконечником 2 и хвостовым корпусным электродом 3.

корпусным электродом 3.

Расчетная геометрическая константа Расчетная геометрическая константа зонда равна КП = 3,55 м-1, емкость зонда в воззонда равна КП = 3,55 м-1, емкость зонда в воздухе 123 пФ, в воде 320 пФ.

духе 123 пФ, в воде 320 пФ.

Структурная схема автогенераторного ДДП аналогична схеме рис. 7, за исключением изменения конструкции емкостного ПИП, отсутствия эквипотенциального электрода и схемы его питания и использования дросселя коррекции фазо-частотной характеристики, включенного параллельно входу усилителя А1. Вследствие подключения электродов емкостного зонда к ДДП коаксиальным кабелем, возросла емкость зонда в воздухе, что привело к снижению рабочего диапазона частот до fOSC = 7Е12 МГц. Получены градуировочные характеристики автогенераторного ДДП со стержневым зондом как измерителя диэлектрических характеристик материалов с использованием электрических эквивалентов (конденсаторов и резисторов), включаемых вместо зонда.

Конструкция стержневого зонда с симметричным расположением потенциального электрода между двумя корпусными выбрана с целью возможности исследования профиля влажности и электропроводности почвы путем последовательного заглублении зонда в почву при маршрутном обследовании полей. Для решения этой задачи зонд должен иметь характеристику пространственной чувствительности, симметричную относительно центральной плоскости поперечного сечения потенциального электрода. Характеристики пространственной чувствительности (ХПЧ) позволяют установить, какой областью окружающей зонд среды создается выходной сигнал преобразователя, и каков вклад отдельных участков этой области в выходной сигнал.

Рис. 26. Относительное приращение частоты автогенераторного ДДП fOSC /fOSC при различных положениях возмущающего шара (полистироловая оболочка диаметром 38 мм, заполненная дистиллированной водой) в окрестностях потенциального электрода зонда: а) при смещении z от центра потенциального электрода вдоль оси зонда при различных радиальных расстояниях r от этой оси; б) при смещении r вдоль радиуса зонда от центра потенциального электрода.

Рис. 27. ХПЧ стержневого емкостного зонда (рис. 25), полученные методом малых возмущающих диэлектрических тел (а), и численные данные о ХПЧ (б). Измеряемый объем зонда (объем области, охватываемой ПРЧ с долевым вкладом 0,9) равен 0,241 дм3 и соответствует ПРЧ а5.

В работе впервые предложено использование метода малых возмущающих диэлектрических тел, применяемого ранее для исследования диаграмм направленности радиолокационных антенн, для экспериментального определения ХПЧ емкостных и индуктивных зондов автогенераторных ДДП. Показано, что ХПЧ для ' и среды, по которым определяются влажность и электропроводность, совпадают, и обоснована возможность съема ХПЧ в воздухе для квазистационарных электромагнитных полей в зонде при отсутствии скин-эффекта в среде. ХПЧ, определяемыми разработанным методом, являются: положение поверхностей равной чувствительности (ПРЧ); долевой вклад участков среды, ограниченных ПРЧ, в выходной сигнал (реакцию) автогенераторного ДДП; измеряемый объем тестируемой среды. Процедура определения ХПЧ состоит в измерении относительного приращения частоты автогенераторного ДДП при различных положениях малого возмущающего диэлектрического шара в окрестностях потенциального электрода зонда (рис.

26), построении границ ПРЧ, вычислении объемов среды, охватываемых ПРЧ, и долевого вклада в приращение частоты ДДП, создаваемого этими объемами (рис. 27). Полученные экспериментальные данные подтверждают близкую к симметричной ХПЧ зонда.

Раздел 6. Бесконтактная двухкомпонентная диэлькометрия почв на основе автогенераторных преобразователей с индуктивным ПИП В этом разделе показана возможность одновременного бесконтактного определения компонентов ', " КДП, а также влажности и электропроводности почв по выходным параметрам автогенераторного ДДП с инерционной стабилизацией амплитуды колебаний, в последовательный колебательный контур которого включена кольцевая рамочная антенна, устанавливаемая при измерениях горизонтально над почвой. Диэлектрические свойства почвы определяются по формулам связи с вносимыми в кольцевую антенну сопротивлением и индуктивностью, которые вычисляются по измеренным выходным параметрам автогенераторного ДДП (рис. 5): частоте автоколебаний fOSC и модулю коэффициента передачи kД частотозадающего делителя, - формулы табл. 3. Альтернативным является определение ' и по градуировочным характеристикам в координатах fOSC, kД (рис.

33). Для определения влажности и электропроводности необходимо экспериментальное построение градуировочных характеристик в координатах fOSC, kД в виде кривых равной влажности и равной электропроводности, которые зависят от вида почвы.

В статьях Кузьмина Ю.И., Пащенко Е.Г.[Кузьмин-1983, 1984, 1985, 1986] рассмотрена работа электрически короткой горизонтальной кольцевой антенны при малых относительных параметрах высоты, т.е. практически расположенной на поверхности почвы. В пренебрежении толщиной скин-слоя в почве получены формулы для вносимого в кольцевую рамку импеданса, создаваемого электропроводностью и действительным компонентом ' КДП почвы, а также показано, что эффективная глубина зондирования определяется только геометрией антенны.

Импедансными параметрами установленной над почвой кольцевой антенны, как и любого индуктивного ПИП, являются индуктивность LХМ и сопротивление потерь rХМ, включающие вносимые индуктивность LВН и сопротивление потерь rВН, форм. (13).

Для горизонтально расположенной над почвой на высоте h кольцевой одновитковой рамочной антенны с радиусом рамки b и радиусом сечения a (рис. 28) при условии электрически короткой антенны: 4 b/ < 1 и малой относительной высоты подвеса: Н = 4 h/ < 1, где - длина волны в воздухе, вносимый почвой импеданс описывается формулой (из работ Кузьмина Ю.И.):

ZВН = rВН + j LВН, в которой LВН, rВН определяются уравнениями связи с компонентом ' КДП и электропроводностью почвы (13), а геометрическая постоянная кольцевой антенны KГИ (13) равна:

b3 2 2 KГИ = +1 K C -1 E C -. (18) ( )- ( ) 3 ( ) a + h В этой формуле =, C =, К(С), Е(С) - полные эллиптические b + интегралы второго рода:

K C = dx, E C = 1- C2 sin2 x dx.

( ) ( ) 1- C2 sin2 x Рис. 28. Расчетная схема расположения горизонтальной кольцевой антенны над однородной полупроводящей средой с действительным компонентом ' КДП и электропроводностью .

Параметры кольцевой рамочной антенны в воздухе: сопротивление собственных потерь r0, сопротивление излучения rИЗЛ и индуктивность LХВЗ при b >> a вычисляются по формулам:

b b b f 8b r0 =, 19 rИЗЛ = 320 = 320, 20 LХВЗ = 0b ln -1,75, ( ) ( ) ( ) a 2 c a М где Р - электропроводность материала рамки. Эмпирическая формула (20) дает rИЗЛ в омах при подстановке радиуса рамки b и длины волны в метрах или скорости света с в м/с и частоты f в герцах.

Основные импедансные характеристики кольцевой рамочной антенны с радиусом рамки b = 0,2 м и радиусом сечения провода рамки а = 0,004 м в зависимости от частоты ЭМП, вычисленные по формулам (12), (13), (18), (21), представлены на рис. 29 - 31, графики соответствуют высоте установки антенны над почвой h = 0,04 м.

Рис. 29 (слева). Вносимое почвой в кольцевую антенну сопротивление потерь rВН в зависимости от частоты f ЭМП и электропроводности : 1 - = 0,2 См/м; 2 - = 0,1 См/м; 3 - = 0,См/м; 4 - = 0,01 См/м; 5 - = 0,003 См/м.

Рис. 30 (справа). Зависимость относительного приращения индуктивности кольцевой антенны LВН /LХВЗ от диэлектрической проницаемости почвы и частоты f ЭМП: 1 - = 80; 2 - = 30;

3 - = 10; 4 - = 3.

Из графиков видно, что вносимое сопротивление потерь rВН для интервала электропроводностей почв = 0,003Е0,2 См/м в диапазоне частот ЭМП 10Е30 МГц на одиндва порядка превышает собственное сопротивление потерь антенны r0, а сопротивление излучения rИЗЛ меньше r0. Отношение вносимой индуктивности к собственной индуктивности антенны LВН /LХВЗ (рис. 30) в диапазоне частот 10Е30 МГц для влажных почв достигает 0,01Е0,1. Этих значений rВН и LВН /LХВЗ, как показано ниже, вполне достаточно для бесконтактного измерителя влажности и электропроводности почв с приемлемой для технологического контроля точностью. Выбор рабочих частот автогенераторного ДДП в диапазоне частот 10Е30 МГц является рациональным компромиссным решением, так как, по сравнению с более низкими частотами, дает достаточную чувствительность горизонталь ной кольцевой антенны как к электропроводности , так и к действительному компоненту КДП почв, а по сравнению с более высокими частотами, позволяет выполнить условие электрически короткой антенны и работать с малым сопротивлением излучения rИЗЛ. Условие электрически короткой антенны обеспечивает постоянство фазы тока вдоль окружности кольца и осесимметричную характеристику пространственной чувствительности кольцевой антенны. Кроме того, с повышением частоты возрастает сопротивление излучения антенны rИЗЛ (рис. 31) и начинает сказываться влияние скин-слоя в почве (рис. 36).

Уменьшение вносимых в антенну сопротивления rВН и индуктивности LВН по мере удаления антенны от поверхности почвы, исходя из (13) и (18), описывается одинаковыми относительными выражениями:

2 2 ( )-( ) ( ) 3 rВН LВН +1 K C -1 E C = =, rВН 0 LВН 0 0 +1 0 K C0 0 -1 E C0 - 3 2 2 ( )-( ) ( ) где индекс 0 означает положение антенны на поверхности почвы (h = 0). График этой зависимости для рамки с b = 0,2 м, а = 0,004 м представлен на рис. 32.

Рис. 31 (слева). Сопротивление собственных потерь r0 (1) и излучения rИЗЛ (2) кольцевой рамочной антенны в зависимости от частоты электромагнитного поля f.

Рис.32 (справа). График относительного уменьшения вносимого сопротивления rВН / rВН0 и вносимой индуктивности LВН / LХВЗ с увеличением высоты h установки антенны над почвой.

Для обоснования возможности построения бесконтактного измерителя влажности и электропроводности почв на основе кольцевой рамочной антенны и автогенераторного ДДП в разделе 6 проведен выбор основных параметров кольцевой антенны и генератора и расчет метрологических характеристик устройства как измерителя диэлектрических характеристик почв ' и . В качестве кольцевой антенны выбрана рамка радиусом 0,2 м из медной трубки радиусом сечения 0,004 м. Сопротивление собственных потерь рамки r0 и сопротивление излучения rИЗЛ на частоте 20 МГц, вычисленные по формулам (19), (20), равны r0 = 0,059 Ом, rИЗЛ = 0,0097 Ом. Экспериментальное значение сопротивления потерь в воздухе rХВЗ = r0 + rИЗЛ, измеренное прецизионным измерителем импеданса Agilent 4294A на частоте 20 МГц и принятое в дальнейших расчетах, составляет 0,245 Ом при добротности катушки 570. Индуктивность кольцевой антенны в воздухе (форм. (21)) LХВЗ = 1,0мкГн. Расчеты проведены для случая расположения рамки непосредственно на поверхности почвы (h = 0), при этом входящие в (18), параметры равны: = (a + h)/b = 0,02; С = 0,9998; полные эллиптические интегралы второго рода К(С) = 5,2988, Е(С) = 1,001, а геометрическая постоянная кольцевой антенны равна КГИ = 2,5510-3 м3.

Расчет параметров автогенераторного ДДП выполнен для базовой функциональной схемы рис. 5 с использованием полученных в разделе 3 расчетных формул табл. 3. Значение резистора делителя выбрано RS = 13 Ом, Ri = 7 Ом. Эквивалентная частота среза частотной характеристики управляемого широкополосного усилителя, определяющая фазовый сдвиг колебаний в усилителе и входящая в формулы табл. 3, выбрана равной fСР = 150 МГц. Емкость колебательного контура СК автогенератора вычислена по частоте автоколебаний в воздухе (форм. п. 2 табл. 3), заданной равной fOSCВЗ = 20 МГц, и составляет СК = 58,2 пФ. Расчет частоты автоколебаний fOSC при расположении горизонтальной кольцевой антенны над однородной полупроводящей средой с действительным компонентом ' КДП и электропроводностью проведен по формуле, полученной из п.2 табл. 3 с учетом зависимости вносимых индуктивности LВН и сопротивления rВН (26) от частоты автоколебаний fOSC :

20 KГИ Ri + rХВЗ + RS 2 Ri + rХВЗ + RS ( ) Ri + rХВЗ + RS + 4 fOSCВЗ 1+ ( -1 + ) 1 + 2 fСРLХВЗ 2 fСРLХВЗ LХВЗ 2 fСР 1+ 2 fСРLХВЗ fOSC =. (22) 2 20 KГИ ( ) ( -1 + ) LХВЗ 0 2 fСР Соответственно, расчет модуля коэффициента передачи kД делителя: последовательный колебательный контур - резистор RS, - проведен по формуле, полученной из п.4 табл.3 с учетом зависимости вносимого сопротивления rВН (13) от fOSC :

URS kД = =.

UУВЧ Ri rХВЗ + 2 fOSC0 2 KГИ (23) () fOSC 1+ RS +1 1+ RS rХВЗ + 2 fOSC0 KГИ fСР () +RS В результате расчетов частоты автоколебаний fOSC (22) и модуля коэффициента передачи kU (23) делителя автогенератора для значений компонента ' КДП и электропроводности почв из рядов: ' = 1; 10; 20; 30; 40; 50; 60; 80, = 0; 0,02; 0,05; 0,1; 0,15; 0,См/м получены градуировочные характеристики автогенераторного ДДП с кольцевой рамочной антенной (рис. 33) в виде сетки из семейств кривых равных значений ' и для диапазонов изменения ' и почв в пределах ' = 1Е80, = 0Е0,2 См/м.

Градуировочные характеристики рис. 33 обеспечивают однозначное определение действительного компонента ' КДП и электропроводности почвы по значениям двух выходных параметров автогенераторного ДДП - частоте автоколебаний fOSC и модуля ко эффициента передачи kД = URS UУВЧ делителя автогенератора.

Рис. 33. Расчетные градуировочные характеристики автогенераторного ДДП c кольцевой рамочной антенной: двухкоординатное поле значений частоты автоколебаний fOSC и модуля коэффициента передачи kД делителя последовательный колебательный контур - резистор RS в зависимости от действительного компонента ' КДП и электропроводности почвы.

Изменение частоты колебаний автогенераторного ДДП с кольцевой антенной в диапазоне ' = 1Е80 составляет 367Е382 кГц при частоте колебаний в воздухе 20 МГц (рис. 33), что значительно меньше по сравнению с изменением частоты автогенераторного ДДП с емкостным ПИП (раздел 5). Обоснование достаточности такой чувствительности для определения действительного компонента ' КДП проведено путем оценки стабильности частоты автоколебаний и выражения ее в единицах '. При оценке стабильности ис пользованы экспериментальные данные по автогенераторному ДДП с емкостным ПИП (раздел 4), для которого относительная среднеквадратичная шумовая флюктуация частоты составляет 0,810-4 за 10 с, относительный температурный дрейф частоты имеет значение 0,410-4 1/С, относительный временной дрейф частоты равен 210-4 в течение 5 часов. Выражением этих величин в единицах ' с использованием данных рис. 33 для автогенераторного ДДП с кольцевой рамочной антенной найдено, что для него среднеквадратичное значение шумовой флюктуации частоты эквивалентно 0,34 ед. ', температурный дрейф частоты эквивалентен 0,17 ед. '/С, временной дрейф частоты эквивалентен 0,84 ед. ' за часов. Учитывая, что диапазон ' = 1Е80 охватывает диэлектрическую проницаемость сухих и влажных почв, а также чистой воды, эти данные говорят о возможности определения ' с основной погрешностью 1,2 ед. ' (абсолютное значение) или 1,5 % (относительное значение) в интервале температур (20 5) С. При этом основная приведенная погрешность определена среднеквадратичным сложением шумовой флюктуации частоты и температурного дрейфа частоты при изменении температуры на 5 С. Погрешность определения электропроводности по значению модуля kД на расчетных двухкоординатных характеристиках рис. 33 соответствует погрешности нахождения этого модуля по измеренным на пряжениям URS, UУВЧ, и составляет 1,4 % при измерении URS, UУВЧ с погрешностью 1 %. Эти данные подтверждают возможность построения бесконтактного измерителя влажности и электропроводности почв с приемлемыми для технологического контроля инструментальными погрешностями.

Пространственная чувствительность горизонтальной кольцевой рамочной антенны может быть охарактеризована коэффициентом k(d) - отношением мощности Рd, выделяемой в почве на глубине ниже горизонтального уровня d, отсчитываемого от поверхности почвы (рис. 34), к общей мощности Р, выделяемой в почве [Кузьмин-1983]:

2 2 d ( ) ( ) 3 d ( ) Pd d +1 K Cd - d -1 E Cd k d = =, ( ) (24) P 2 2 +1 K C -( -1 E C ( ) ) ( ) 3 где =, d =, C = =, Cd = = a + h a + h + d 11 1, 222 bb +1 d +a + h a + h + d +1 + bb К(Сd), E(Cd), K(C), E(C) - полные эллиптические интегралы второго рода.

За эффективную глубину зондирования рамочной антенны принимается глубина горизонтального уровня d, выше которого сосредоточено 90% выделяемой в почве мощности, что соответствует k(d) = 0,1. Эффективная глубина зондирования кольцевого витка, лежащего на поверхности почвы, составляет 3b - полтора диаметра витка (рис. 34). Долевой вклад р отдельных слоев почвы во вносимые сопротивление rВН и индуктивность LВН рассчитывается по формуле (24) при подстановке значений d, соответствующих границам слоев почвы (рис. 35).

Рис. 34. Зависимость относительной мощности k(d), создаваемой кольцевой рамочной антенной ниже горизонтального уровня d, от глубины положения этого уровня. Антенна расположена на поверхности почвы (h = 0), имеет радиус сечения провода а = 0,004 м и радиус рамки: 1 - b = 0,1 м; 2 - b = 0,2 м; 3 - b = 0,3 м; 4 - b = 0,4 м.

Рис. 35. Долевой вклад слоев почвы p толщиной 5 см во вносимые в рамку сопротивление rВН и индуктивность LВН в зависимости от глубины d расположения слоя для кольцевой рамочной антенны с радиусом рамки b = 0,2 м, радиусом провода рамки а = 0,004 м. Антенна установлена на поверхности почвы (h = 0).

Приведенные выше расчеты вносимых сопротивления RВН и индуктивности LВН, а также пространственной чувствительности горизонтальной кольцевой рамочной антенны и градуировочных характеристик автогенераторного ДДП с ее использованием выполнены в предположении малости геометрических размеров антенны (ее диаметра 2b) по сравнению с толщиной скин-слоя hЭ электромагнитной волны в почве. За толщину скин-слоя, или эффективную глубину проникновения плоской гармонической электромагнитной волны в почву принимают толщину слоя почвы, на глубине которого напряженности электрической и магнитной составляющих ЭМП затухают в е = 2,718 раз. Для немагнитных сред hЭ определяется формулой [Хиппель-1959]:

h =.

Э 1 2 f 0 0 1+-1 22 f 0 Вычисленные по этой формуле графики зависимости толщины скин-слоя hЭ от частоты f ЭМП (рис. 36) для различных типов почв (использованы средние электрофизические параметры почв из литературных источников) и их сравнение с характеристиками пространственной чувствительности кольцевых рамочных антенн показывают, что на выбранной частоте 20 МГц влияние скин-слоя может сказываться на уменьшении чувствительности к удаленным от поверхности почвы слоям, которые вносят незначительный вклад во вносимое сопротивление rВН и вносимую индуктивность LВН. Это влияние возрастает с увеличением радиуса рамки и влажности почвы.

Рис. 36. Эффективная глубина проникновения плоской гармонической электромагнитной волны в почву (толщина скин-слоя) hЭ в зависимости от частоты f: - песок сухой ( = 3, = 0,003 См/м); 2 - песок пылеватый, почва каштановая, маловлажная ( = 5, = 0,015 См/м); 3 - супесь, почва степная маловлажная ( = 10, = 0,03 См/м); 4 - суглинок маловлажный, лесс, солонцы ( = 15, = 0,07 См/м); 5 - суглинок влажный, почва торфяная ( = 20, = 0,1 См/м); 6 - глина влажная, гумус, глиняная и болотная почвы ( = 30, = 0,2 См/м); 7 - калибровочный водный раствор ( = 80, = 0,2 См/м).

Важной особенностью бесконтактного измерения диэлектрических свойств почвы с использованием горизонтальной рамочной антенны, расположенной над ее поверхностью, является значительное влияние профиля влажности и электропроводности по глубине почвы на определяемые по выходным параметрам ДДП значения ' и почвы. Максимальный долевой вклад во вносимые в рамку сопротивление rВН и индуктивность LВН дает расположенный непосредственно у поверхности почвы 5-10 сантиметровый слой (рис. 35), влажность и электропроводность которого обычно существенно отличаются от значений в слоях, где расположена корневая система растений, вследствие процессов испарения, выпадения осадков и вертикального влаго- и солепереноса. Это ставит задачу определения профиля влажности и электропроводности в корнеобитаемом слое почвы, которая может решаться путем использования автогенераторных ДДП с кольцевыми антеннами разных радиусов и их расположением на разных расстояниях от поверхности почвы. Для решения этой задачи необходимо также решение прямых электродинамических задач вычисления импедансных характеристик кольцевых горизонтальных антенн, расположенных над слоисто-неоднородной средой, и обратных электродинамических задач вычисления профиля ' и по измеренным импедансным параметрам антенн.

Перечень перспективных средств инструментального контроля агротехнологий на основе автогенераторной двухкомпонентной диэлькометрии (разработан на основе результатов проведенных исследований):

1. Влагомеры зерна со свободной засыпкой пробы и автоматической коррекцией влияния плотности засыпки на показания влажности.

2. Зондовые влагомеры зерна и кормовых трав (свежескошенные травы, сено, силос, сенаж) с автоматической коррекцией влияния плотности на показания влажности;

зондовые влагомеры-плотномеры прессуемых трав.

3. Поточные влагомеры зерна с коррекцией влияния плотности потока на показания влажности.

4. Двухкомпонентные диэлькометрические измерители влажности, электропроводности и температуры почв с емкостным зондом штыревого типа для маршрутного обследования состояния полей и посевов.

5. Скважинные двухкомпонентные диэлькометрические измерители влажности и электропроводности почвы и их профилей по глубине с датчиками емкостного или индуктивного типов.

6. Мобильные контактные измерители комплекса агрофизических характеристик пахотного слоя почвы в движении с датчиками влажности и электропроводности почвы, температуры и сопротивления пенетрации.

7. Бесконтактные надпочвенные измерители влажности и электропроводности почв и их профиля по глубине с использованием рамочных антенн.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. На основе обобщения современного состояния использования средств и методов диэлькометрии в инструментальном контроле агротехнологий определены перспективные направления использования средств двухкомпонентной диэлькометрии. Впервые, с использованием обобщенной эмпирической модели диэлектрических свойств зерна злаковых культур, разработанной в Исследовательском центре Министерства сельского хозяйства США, диссертантом показана возможность одновременного определения влажности и плотности зерновой массы по измеренным значениям действительного ' и мнимого " компонентов комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) = - j, что открывает перспективу построения двухкомпонентных диэлькометрических влагомеров зерна с автоматической коррекцией влияния плотности на показания влажности и влагомеровплотномеров зерна. Отмечена перспективность использования методов определения солености почв и корнеобитаемых тепличных субстратов по двухкомпонентным диэлькометрическим измерениям их влажности и электропроводности для мониторинга влажности и общего содержания растворенных элементов минерального питания в почве и для двухконтурного управления системами полива в тепличном овощеводстве с подачей питательного раствора в поливную воду.

2. В результате анализа известных средств и методов двухкомпонентной диэлькометрии и поиска конкурентоспособных технических решений с учетом требований инструментального контроля технологий сельскохозяйственного производства впервые предложен метод автогенераторной двухкомпонентной диэлькометрии, основанный на использовании автогенераторов с инерционной стабилизацией амплитуды колебаний и обеспечивающий определение компонентов комплексной диэлектрической проницаемости, а также электропроводности сельскохозяйственных материалов по двум выходным параметрам автогенератора. Показаны преимущества использования этого метода для построения средств инструментального контроля агротехнологий по сравнению с известными методами: по сравнению с методом пространственно-временной рефлектометрии (TDR) - меньшая стоимость реализации, разнообразие конфигураций используемых емкостных первичных измерительных преобразователей (ПИП) и возможность работы с индуктивными ПИП, по сравнению с амплитудно-фазовым методом - высокая точность измерения частоты.

3. Разработаны функциональные и принципиальные электрические схемы автогенераторных двухкомпонентных диэлькометрических преобразователей (ДДП) с использованием современной элементной базы микроэлектроники, содержащих в качестве основных структурных элементов усилитель высокочастотных колебаний с усилением, управляемым напряжением, частотно-избирательный делитель, включенный в цепь положительной обратной связи усилителя и состоящий из резистора и колебательного контура, в состав которого введен емкостной или индуктивный ПИП, и цепь инерционной стабилизации амплитуды колебаний, обеспечивающую удержание амплитуды колебаний на линейном участке амплитудной характеристики усилителя путем детектирования выходного напряжения колебаний, сравнения его с опорным напряжением и подачи усиленного напряжения рассогласования на вход управления усилением усилителя колебаний. В качестве двух выходных параметров автогенераторного ДДП используются частота автоколебаний, напряжение на средней точке или модуль коэффициента передачи делителя kU, либо напряжение управления усилением UУПР.

4. Разработаны основы теории автогенераторных ДДП с емкостными и индуктивными ПИП. Показано, что при отсутствии фазового сдвига колебаний в усилителе автогенератора, автогенераторный ДДП обеспечивает полностью раздельное определение действительного компонента ' КДП тестируемого материала по частоте автоколебаний и электропроводности материала по модулю коэффициента передачи делителя kU или по напряжению управления усилением UУПР при включении емкостного ПИП в параллельный колебательный контур делителя, либо при включении индуктивного ПИП в последовательный колебательный контур. Исследованы динамические процессы возникновения и установления автоколебаний и устойчивости стационарного режима для автогенераторных ДДП с емкостным ПИП. Показано, что при отсутствии фазового сдвига колебания в стационарном режиме всегда устойчивы, если выполняется условие самовозбуждения колебаний.

Получены расчетные формулы для определения параметров высокочастотного тракта ДДП, ПИП и диэлектрических характеристик тестируемого материала по выходным параметрам ДДП в стационарном режиме колебаний, как для автогенераторного ДДП с емкостным ПИП в параллельном колебательном контуре делителя автогенератора, так и для автогенераторного ДДП с индуктивным ПИП в последовательном колебательном контуре делителя автогенератора с учетом комплексной передаточной функции усилителя колебаний. Показано, что разделение определяемых параметров при наличии фазового сдвига в усилителе колебаний может быть улучшено с помощью цепей фазовой коррекции.

5. С использованием известной обобщенной эмпирической модели диэлектрических свойств зерна злаковых культур в работе показана возможность применения метода автогенераторной двухкомпонентной диэлькометрии для определения влажности и плотности зерновой массы по выходным параметрам автогенераторного ДДП с емкостным ПИП. Предложены принципы построения автогенераторных ДДП с емкостной коаксиальной ячейкой для влагомера зерна со свободной засыпкой пробы и алгоритм автоматической коррекции влияния случайного значения плотности при засыпке на результат определения влажности, и макетированием такого автогенераторного ДДП экспериментально показана возможность снижения для зерна пшеницы случайной погрешности от влияния плотности до значений, не превышающих соответствующие значения для более дорогих влагомеров, использующих для коррекции плотности взвешивание пробы или нормирование плотности пробы уплотнением.

6. Разработаны автогенераторные ДДП с зондовыми емкостными датчиками для полевых почвенных измерений и методики их градуировки как измерителей объемной влажности и электропроводности почвы, а также электропроводности почвенной воды, что позволяет использовать их для мониторинга динамики влаги и концентрации растворенных элементов минерального питания в незасоленных почвах сельскохозяйственного использования в течение вегетационного периода. Первый автогенераторный ДДП содержит короткий четырехстержневой емкостной датчик для установки на различных глубинах в почве и использования в составе автоматической агрометеорологической станции;

второй снабжен зондовым стержневым емкостным датчиком для проведения измерений влажности и электропроводности почв на глубинах пахотного слоя в составе прибора для маршрутного обследования полей и мониторинга состояния земель сельскохозяйственного назначения.

7. Предложен экспериментальный метод исследования характеристик пространственной чувствительности автогенераторных ДДП с емкостными и индуктивными датчиками к действительному компоненту КДП ' и электропроводности тестируемой диэлектрической среды, основанный на внесении в электромагнитное поле датчика малого возмущающего диэлектрического тела. Предложенный метод использован для получения характеристик пространственной чувствительности емкостного стержневого зонда, предназначенного для автогенераторного двухкомпонентного диэлькометрического измерителя влажности и электропроводности пахотного слоя почв при маршрутном обследовании сельскохозяйственных полей.

9. По результатам проведенных исследований и с учетом возможностей метода автогенераторной двухкомпонентной диэлькометрии разработан перечень перспективных средств инструментального контроля агротехнологий на его основе.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Ананьев И.П. Автогенераторный диэлькометрический преобразователь и способ определения диэлектрических характеристик материалов с его использованием (варианты). Патент РФ на изобретение № 2361226, МПК8 G01R 27/26, G01N 27/02, приоритет 28.09.2007, зарегистрирован 10.07.2009, заявитель: ГНУ АФИ Россельхозакадемии.

2. Ананьев И.П., Белов А.В., Зубец В.С. Возможности повышения точности емкостных влагомеров зерна со свободной засыпкой пробы на основе автогенераторной двухкомпонентной диэлькометрии // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2009, № 2, с.

47-52.

3. Ананьев И.П., Белов А.В., Зубец В.С. Применение автогенераторных двухкомпонентных диэлькометрических преобразователей для построения влагомеров зерна со свободной засыпкой пробы // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2008, № 12, с.

28-36.

4. Ананьев И.П. Перспективные средства диэлькометрического контроля в технологиях земледелия и растениеводства. // Земледелие. 2008, № 7, с. 10-11.

5. Ананьев И.П., Белов А.В., Зубец В.С. Коррекция влияния плотности на показания влажности в двухкомпонентных диэлькометрических влагомерах зерна // X Международная научно-практическая конф. Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве. 16-17 сентября 2008 г., г. Углич. Сборник докладов.

Часть 2, с. 362-374.

6. Ананьев И.П., Белов А.В. Автогенераторные преобразователи влажности и электропроводности почв с емкостными датчиками // X Международная научно-практическая конф. Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве. 16-17 сентября 2008 г., г. Углич. Сборник докладов. Часть 2, с. 260-370.

7. Ананьев И.П. Двухкомпонентные диэлькометрические преобразователи на основе автогенераторов с инерционной стабилизацией амплитуды колебаний // Датчики и системы.

2008, № 7, с. 27-31.

8. Ананьев И.П. Разработка автогенераторных двухкомпонентных диэлькометрических преобразователей влажности и электропроводности почвогрунтов // Современная агрофизика - высоким агротехнологиям. Материалы Международной конференции (СанктПетербург, 25-27 сентября 2007 г.) ГНУ АФИ Россельхозакадемии. СПб, 2007, с. 224-225.

9. Ананьев И.П. Определение влажности и плотности зерновой массы автогенераторными двухкомпонентными диэлькометрическими преобразователями // Вестник Россельхозакадемии. 2007, № 4, с. 8-12.

10. Ананьев И.П. Двухкомпонентная диэлькометрия на основе автогенераторных измерительных преобразователей с инерционной стабилизацией амплитуды колебаний // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2007, № 3, с. 46-52.

11. Ананьев И.П. Моделирование метрологических характеристик автогенераторного двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя влажности и плотности зерновой массы // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2007, № 4, с. 45-52.

12. Якушев В.П., Ананьев И.П., Тулин Е.В., Белов А.В., Усиков С.В. и др. Современные методы диэлькометрического контроля в технологиях сельскохозяйственного производства // Журнал Плодородие, 2007, № 5, с. 28 -31.

13. Ананьев И.П. Двухкомпонентная диэлькометрия сельскохозяйственных материалов и возможности ее использования в агротехнологическом контроле // Инструментальные средства и методы в агрофизике. - СПб.: Изд-во ПИЯФ РАН, 2007. Сборник статей. c. 18 - 44.

14. Ананьев И.П. Автогенераторные двухкомпонентные диэлькометрические преобразователи с емкостными первичными преобразователями // Инструментальные средства и методы в агрофизике. - СПб.: Изд-во ПИЯФ РАН, 2007. Сборник статей, с. 45 - 64.

15. Ананьев И.П. Бесконтактное измерение влажности и электропроводности почвогрунтов на основе рамочной антенны и автогенератора с инерционной стабилизацией амплитуды колебаний //. Инструментальные средства и методы в агрофизике. - СПб.: Изд-во ПИЯФ РАН, 2007. Сборник статей, с. 65 - 79.

16. Белов А.В., Ананьев И.П. Многоканальные логгеры для сбора измерительной информации в полевых опытах // Инструментальные средства и методы в агрофизике. - СПб.: Изд-во ПИЯФ РАН, 2007. Сборник статей, с. 80 - 90.

17. Усиков С.В., Якушев В.П., Ананьев И.П., Тулин Е.В. и др. Технологии и средства диагностики качества, идентификации жидкостей, сельскохозяйственных материалов на основе метода состояния для решения задач точного земледелия // Международная научнопрактическая конференция Информационные технологии, системы и приборы в АПК - АГРОИНФО-2006. Материалы конф., г. Краснообск, 17-18 октября 2006 г., с. 247-261.

18. Ананьев И.П. Разделение активной и реактивной составляющих импеданса емкостного диэлькометрического преобразователя в автогенераторе с инерционной стабилизацией амплитуды колебаний // Международная научно-практическая конференция Информационные технологии, системы и приборы в АПК - АГРОИНФО-2006. Материалы конф., г.

Краснообск, 17-18 октября 2006 г., с. 281-298.

19. Ананьев И.П., Белов А.В. Зондовый двухкомпонентный диэлькометрический преобразователь влажности и электропроводности почв // Международная научно-практическая конференция Информационные технологии, системы и приборы в АПК - АГРОИНФО2006. Материалы конф., г. Краснообск, 17-18 октября 2006 г., с. 298-316.

20. Усиков С.В., Якушев В.П., Ананьев И.П. Тулин Е.В. и др. Методы и средства оперативной диагностики и идентификации жидкостей и сельскохозяйственных материалов на базе метода состояния // IV Международная конференция Современное приборное обеспечение и методы анализа почв, кормов, растений и сельскохозяйственного сырья, Материалы конф., Москва, ВВЦ, 18-19 октября 2006, с. 30-39.

21. Ананьев И.П. Бесконтактное измерение влажности и электропроводности почвогрунтов // IX Международная научно-практическая конф. Автоматизация и информационное обес печение производственных процессов в сельском хозяйстве. Сборник докладов. 19-сентября 2006 г., г. Углич, с. 292-309.

22. Ананьев И.П. Измерение компонентов комплексной диэлектрической проницаемости сельскохозяйственных материалов автогенераторными преобразователями с инерционной стабилизацией амплитуды колебаний // IX Международная научно-практическая конф. Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве. Сборник докладов. 19-20 сентября 2006 г., г. Углич, с. 329-341.

23. Ананьев И.П. Двухкомпонентная диэлькометрия сельскохозяйственных материалов и возможности ее использования в технологическом контроле // Научные труды ВИМ. Том 149:

Автоматизация производства продукции растениеводства. Материалы 2-й Международной научно-практической конференции Земледельческая механика в растениеводстве (17-декабря 2003). М., 2003, с. 161-167.

24. Ананьев И.П. Определение влажности и объемной плотности зерновой массы по измеренным значениям компонентов диэлектрической проницаемости // Информационные технологии, информационные измерительные системы и приборы в исследовании сельскохозяйственных процессов. Матер. международной научно-практ. конф. АГРОИНФО-2003. Новосибирск, 22-23 окт. 2003. Часть 2, с. 60-71.

25. Ананьев И.П. Экспериментальный метод определения характеристик пространственной чувствительности диэлькометрических зондов для измерения влажности дисперсных материалов // Информационные технологии, информационные измерительные системы и приборы в исследовании сельскохозяйственных процессов. Матер. Международной научно-практ. конф. АГРОИНФО-2003. Новосибирск, 22-23 окт. 2003. Часть 1, с. 278-287.

26. Ананьев И.П. Импедансный метод холостого хода - короткого замыкания в задачах диэлькометрии с использованием отрезков длинных линий // Информационные технологии, информационные измерительные системы и приборы в исследовании сельскохозяйственных процессов. Матер. Международной научно-практ. конф. АГРОИНФО-2003. Новосибирск, 22-23 окт. 2003. Часть 1, с.270-277.

27. Ananyev I.P. The problem of cereal grain moisture content and bulk density determination using measured values of permittivity components // The 4th International Symposium on Humidity and Moisture. ISHM 16-19 September 2002, Taiwan, Taipei.

28. Ананьев И.П. Определение влагосодержания и объемной плотности семян зерновых культур по измеренным значениям компонентов диэлектрической проницаемости // Агрофизика 21 века (к 70-летию образования Агрофизического института). Труды Междунар. научно-практ. конф. 8-12 июля 2002. СПб, 2002, с. 424-431.

29. Ananyev. I.P. Cereal grain moisture and bulk density determination on measured values of dielectric permittivity components // International Conference: Physical Methods in Agriculture - Approach to Precision and Quality. Prague (Czech Republic) 27-30 August, 2001, p. 37-42.

30. Ананьев И.П., Кульков О.В. Агрофизические приборы и измерительные системы в решении задач экологизации растениеводства и земледелия. Автоматизация производственных процессов в сельском хозяйстве // Международная научно-технич. конференция. 7-9 июня 2000 г., г. Минск, Белоруссия, Гос. аграрн. техн. университет, с.186-187.

31. Ананьев И.П., Кульков О.В. Современное состояние агрофизических методов и средств измерений в полевом опыте // Современные проблемы опытного дела. Матер. междунар. научно-практ. конф. 6-9 июня 2000 г., т.1. СПб, 2000, с.5-19.

32. Ananyev. I.P. Experimental method of the determination of spatial sensitivity characteristics of high-frequency electromagnetic probes for a measurement of granular material moisture // Paper of Abstracts from the Third International Symposium on Humidity and Moisture. National Physical Laboratory. Teddington. London. England. 6Ц8 April` 98, D2.9.

33. Ананьев И.П., Кульков О.В. Зондовый измерительный преобразователь влажности. Авт.

свид. № 1627961, МКИ G01N 27/22, БИ, 1991 г., № 6.

34. Ананьев И.П., Кульков О.В. Зондовый измерительный преобразователь влажности волокнистых материалов. Авт. свид. № 1567955, МКИ G01N 27/22, БИ, 1990 г., № 20.

Авторефераты по всем темам >> Авторефераты по сельскому хозяйству

Blog

АВТОГЕНЕРАТОРНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДВУХКОМПОНЕНТНОЙ ДИЭЛЬКОМЕТРИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ