一種電容式測(cè)量土壤體積含水量的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于農(nóng)業(yè)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)計(jì)測(cè)量±壤體積含水量的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] ±壤的水分含量是精細(xì)農(nóng)業(yè)節(jié)水灌概中測(cè)定的重要參數(shù)。通過(guò)對(duì)±壤水分含量的 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可W了解農(nóng)作物的生長(zhǎng)規(guī)律，為農(nóng)作物提供一個(gè)適宜的生長(zhǎng)環(huán)境具有重要意義。 [000引 目前在市場(chǎng)上，TDR、抑R、電容和張力傳感器比較常見(jiàn)。至今國(guó)內(nèi)外的研究人員就 TDR(時(shí)域反射法）研究最多最廣，TDR法是目前普遍認(rèn)可的準(zhǔn)確測(cè)量±壤水分含量的方法， 與烘干法一同作為標(biāo)定其他水分測(cè)量?jī)x器的標(biāo)準(zhǔn)。但由于TDR與FDR兩種傳感器在價(jià)格 上比較昂貴，無(wú)法大面積的使用，勢(shì)必要尋找一種能準(zhǔn)確測(cè)量，并且能大面積使用的測(cè)量方 法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決傳統(tǒng)TDR和抑R傳感器價(jià)格昂貴、無(wú)法大面積使用的問(wèn)題，本發(fā)明提出了 一種新型的電容式測(cè)量±壤體積含水量的方法。具體技術(shù)方案為：
[0005] 一種電容式測(cè)量±壤體積含水量的方法，其特征在于，包括如下步驟：
[0006] 步驟1 ;建立電容器的高頻等效電路模型；
[0007] 步驟2 ;將步驟1中所述的高頻等效電路模型串連連接一個(gè)電感Lf，組成LC電路， 并推導(dǎo)出LC電路的諧振頻率與±壤體積含水量的關(guān)系式；
[000引步驟3 ;將振蕩器的輸出端連接步驟2中所述的LC電路；
[0009] 步驟4 ;利用示波器對(duì)步驟2中所述的LC電路進(jìn)行觀測(cè)，得到諧振頻率f。的值；
[0010] 步驟5 ;根據(jù)步驟4測(cè)得的f。的值，根據(jù)步驟2中所述諧振頻率與±壤體積含水量 的關(guān)系式計(jì)算出±壤體積含水量0Y。
[0011] 進(jìn)一步地，所述步驟1中所述的等效電路模型為；電容Cp、電阻R、和電容Cx相并聯(lián) 后的一端連接電阻Rp的一端、電容CP、電阻R、和電容Cx相并聯(lián)后的另一端連接電感LP的一 端，所述Rp的另一端和所述LP的另一端作為所述等效電路模型的輸入端。
[0012] 進(jìn)一步地，所述步驟2中的諧振頻率與±壤體積含水量的關(guān)系式滿足：
[001引
[0014] C=Cp+k(日v-b) 2
[0015] 其中，f。為諧振頻率，0、為±壤體積含水量，Lf為固定諧振電感值，Lp為電容器極 板的寄生電感，Cp為電容器極板間的寄生電容，R為電容器極板間±壤的電阻，5為電容器 極板的幾何因子：
a,b是校正參數(shù)，所述5和所述a、b均 通過(guò)實(shí)驗(yàn)標(biāo)定具體值，所述Lp、所述Cp和所述R均通過(guò)儀器測(cè)量出具體值。
[0016] 進(jìn)一步地，所述關(guān)系式中參數(shù)5的標(biāo)定方法為；
[0017] 步驟4-1 ;將±壤完全曬干，置于容器中，把電容器極板完全插入±壤，利用高精 度電容表測(cè)得在完全干燥的環(huán)境下的電容值Cx;
[0018] 步驟4-2 ;查詢干燥情況下±壤的介電常數(shù)e;利用步驟4-1中測(cè)量的Cx的值，根 據(jù)電容與±壤介電常數(shù)的線性關(guān)系式，得到電容器極板的幾何因子5。
[0019] 進(jìn)一步地，所述關(guān)系式中參數(shù)a、b的標(biāo)定方法為：
[0020] 步驟5-1 ;將測(cè)試用的干±壤放在直徑和高已知的圓柱形PVC管，置于20°C的環(huán) 境中，記錄此時(shí)干±壤和PVC管的總重量Wi，并計(jì)算干±壤體積V;用TDR傳感器測(cè)試干± 壤的介電常數(shù)e
[002U步驟5-2 ;用馬氏瓶供水，使整個(gè)±柱均勻飽和，并記錄此時(shí)的總重量胖2;
[0022] 步驟5-3 ;將步驟5-2中的W2與步驟5-1中的W1相減得到水分的重量，根據(jù)水的 密度計(jì)算得到水分的體積；根據(jù)±壤的體積含水量的定義，可W計(jì)算得到飽和狀態(tài)下±壤 的體積含水量；用TDR傳感器測(cè)試飽和狀態(tài)下±壤的介電常數(shù)￡、并記錄e值；
[0023] 步驟5-4 ;將±壤靜置，每隔5到10小時(shí)測(cè)一次重量，記錄每次重量與飽和狀態(tài)時(shí) 重量之間的差值，同時(shí)記錄用TDR傳感器測(cè)量±壤的介電常數(shù)e值，每次測(cè)量±壤重量和 介電常數(shù)均進(jìn)行5次測(cè)量取平均值，一直到整個(gè)±壤完全干燥；
[0024] 步驟5-5 ;根據(jù)步驟5-4中每次重量與飽和狀態(tài)時(shí)重量之間的差值，計(jì)算每次測(cè)量 時(shí)與飽和時(shí)相比水分減少的體積，進(jìn)而得到每次測(cè)量時(shí)±壤水分的體積，根據(jù)±壤的體積 含水量的定義，計(jì)算每次測(cè)量時(shí)±壤的體積含水量的值；
[0025] 步驟5-6 ;對(duì)步驟5-1至步驟5-5測(cè)量、計(jì)算得到的多個(gè)不同的±壤體積含水量的 值與介電常數(shù)的值按照化rkelrath的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行擬合，得到參數(shù)a,b的值。
[0026] 更進(jìn)一步地，
[0027] 所述步驟5-1中所述的PVC管的直徑大于10cm，所述干±壤在所述PVC管中的厚 度超過(guò)20cm。
[002引本發(fā)明的有益效果為；
[0029] (1)測(cè)試方法簡(jiǎn)單，成本低廉，有利于社會(huì)推廣應(yīng)用。
[0030](2)對(duì)電容建模精準(zhǔn)，保證測(cè)試的精度。
【附圖說(shuō)明】
[0031] 圖1為本發(fā)明中電容器的高頻等效電氣模型；
[0032] 圖2本發(fā)明測(cè)試裝置示意圖；
[0033] 圖3為紅壤±的測(cè)量值和實(shí)際值的比較圖；
[0034] 圖4為水稻±的測(cè)量值和實(shí)際值的比較圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 本發(fā)明是一種電容法測(cè)試±壤含水量的方法。分析了電容器的高頻等效電氣模 型，當(dāng)電容器極板間的±壤的含水量變化時(shí)，電容器的等效電容值將會(huì)發(fā)生變化，將電容器 等效成高頻電路模型，外接一個(gè)固定電感構(gòu)成LC電路，利用LC串聯(lián)諧振的原理，當(dāng)電容器 極板之間的±壤的體積含水量發(fā)生變化時(shí)，電容器的等效電容的值也會(huì)隨之發(fā)生變化，進(jìn) 而LC電路的諧振頻率也會(huì)發(fā)生變化；通過(guò)儀器測(cè)量出LC電路的諧振頻率，利用推導(dǎo)的諧振 頻率與±壤體積含水量之間的關(guān)系式，可W計(jì)算得出±壤體積含水量的值。
[0036] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0037] 如圖1所示，為本發(fā)明電容器的高頻等效電氣模型。高頻等效電氣模型串聯(lián)連接 一個(gè)固定電感Lf，求得總阻抗Z滿足：
[00%]
[0039] 關(guān)系式（1)中，Lf為外接的固定諧振電感，L巧電容器極板的寄生電感，Rp與Cp 表示極板的寄生電阻與極板之間的寄生電容，R為極板間±壤的電阻，Cy為電容器的等效電 容。
[0040] 根據(jù)±壤的總阻抗的關(guān)系式（1)得到諧振頻率f。與電容器的等效電容C前關(guān)系 為：
[00創(chuàng)關(guān)系式似中，L為固定諧振電感Lf與電容器極板的寄生電感L之和，Lp與電容 器本身形狀大小有關(guān)。C是極板間寄生電容Cp與電容器等效電容Cy之和，CP大小與諧振頻 率有關(guān)。R為電容器極板間±壤的電阻。電容器電氣模型的寄生量是根據(jù)每個(gè)電容器形狀 大小不同而變化的。本發(fā)明中的電容器模型經(jīng)測(cè)量或?qū)嶒?yàn)標(biāo)定得出，寄生電感Lp值為lOnH， 寄生電阻Rp值為1Q，寄生電容值CP值為5pF，極板間±壤電阻R隨含含水量變化而變化， 取值范圍為6化0到15化Q之間（具體值需根據(jù)含水量不同進(jìn)行測(cè)量）。外接固定諧振電 感Lf為270址。
[0044] 進(jìn)一步，計(jì)算電容器等效電容每與±壤介電常數(shù)e關(guān)系式：
[0045] C,= 5e(3)
[0046] 關(guān)系式（3)中，5為電容器極板的幾何因子，e為極板間上壤的介電常數(shù)。
[0047] 5的標(biāo)定方法為：電容器的等效電容Cx與周圍的±壤介電常數(shù)e呈線性關(guān)系。 將±壤完全曬干，置于容器中，將電容器極板完全插入±壤，利用高精度電容表測(cè)得電容器 在±壤完全干燥的環(huán)境下電容值，e為干燥情況下±壤的介電常數(shù)，可查詢得知其具體值。 根據(jù)關(guān)系式（3)可W計(jì)算得到電容器極板的幾何因子5 (例如，利用高精度電容表測(cè)得電 容器在紅壤±完全干燥的環(huán)境下電容值約為15pF，查詢干燥紅壤±的介電常數(shù)為2. 07,進(jìn) 而可W計(jì)算出5值）；標(biāo)定過(guò)程中為了減小誤差，可多次測(cè)量取平均值。
[0048] 進(jìn)一步，根據(jù)化rkelrath的半理論半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式：
[0049]
(4)
[0化0] 關(guān)系式（4)中，a,b是校正參數(shù)，需要根據(jù)±壤類型不同進(jìn)行校正。關(guān)于a,b值的 標(biāo)定方法為：
[0051] (1)先將測(cè)試用的干±壤放在直徑和高已知的圓柱形PVC管（為了保持測(cè)試的準(zhǔn) 確性，圓柱管推薦直徑大于10cm，±壤厚度超過(guò)20cm)，并計(jì)算干±壤的體積V，置于20°C的 環(huán)境中，記錄此時(shí)的干±壤和PVC管的總重量記為Wi，用TDR傳感器測(cè)試干±壤的介電常數(shù) e〇
[0化2] (2)用馬氏瓶供水，使PVC