Блок датчиків вологості та температури

1. Блок датчиків вологості та температури, що містить множину окремих датчиків, з'єднаних із вимірювальним пристроєм, який відрізняється тим, що він виконаний у вигляді суцільного моноблока на основі труби із ізоляційного матеріалу, а електричні контактні пластини для вимірювання вологості датчиків та капсули із датчиками температури прикріплені до зовнішньої поверхні труби із ізоляційного матеріалу, причому кожна пара електрич C2 2 83183 1 3 83183 (усмоктуючий), а це означає, що сорбційна здатність його з часом може змінюватись, а з нею і його градуювальні параметри. Адже грунт - не інертне, а активне середовище. Активність, а подекуди і агресивний характер цього середовища може призвести до того, що внутрішній наповнювач датчика почне хімічно взаємодіяти з фунтом. Це, в свою чергу, призводить до змін його електричних градуювальних параметрів. Разом з тим виникають певні труднощі, обумовлені конструкцією датчика і пов'язані з його встановленням на окремих полях. Для встановлення таких датчиків на полях іншого підходу поки що не знайдено, як ручним способом викопувати шурфи і встановлювати їх точно на глибинах 10, 20, 30, ... 100, ... 150см. Відомі датчики вологості [2, 3], призначені для використання у переносних пристроях для вимірювання вологості пористих і сипучих матеріалів, зокрема, грунту. Сутність цих датчиків полягає в тому, що вони містять два ізольовані електроди, з'єднані з вимірювальним пристроєм, один із яких має на кінці направляючий зубець у площині перпендикулярній напрямку занурення датчика у досліджуване середовище. У першому випадку [2] два ізольовані електроди виконані у вигляді двох напівгвинтів, які скріплені між собою ізолятором, і утворюють разом цілий гвинт. У другому випадку [3] один (несучий) електрод виконаний у вигляді суцільного порожнього конусного гвинта. Його міжвиткова поверхня містить електричне ізольовані від поверхні електроди, з'єднані між собою загальним провідником, розташованим у порожнині гвинта-електрода, утворюючи, таким чином, другий електрод, причому вн утрішня порожнина конусного гвинта-електрода заповнена гідрофобним ізоляційним матеріалом. В Українському науково-дослідному інституті (УкрНДГМІ) на базі другого датчика [3] розроблено цифровий, переносний портативний вимірювач вологості і температури грунтів ВПГ-4ц, який за метрологічними показниками перевищив всі відомі грунтові вологоміри. На противагу датчику корпорації Sutron [1] датчики [2] і [3] не інерційні. Вони дозволяють миттєво одержувати дані про вологість матеріалів і середовищ. Однак обидва вони не призначені для використання у дистанційних і автоматизованих пристроях вимірювання вологості, які, в першу чергу, необхідні для створення автоматизованих систем моніторингу вологості і температури грунтів. Вони призначені тільки для переносних портативних приладів. Метою винаходу є розроблення (на основі датчиків [2] і [3]) малоінерційного стаціонарного датчика вологості для використання його в дистанційних і автоматизованих пристроях вимірювання вологості матеріалів і середовищ. Вирішення поставленого завдання ускладнювалось ще й тим, що при дистанційному чи автоматизованому контролі вологість і температуру матеріалів і середовищ, зокрема грунту, необхідно вимірювати не в одній окремій точці, а по всьому 4 середовищі. Наприклад, вологість і температуру грунту, згідно з існуючими методиками, необхідно контролювати від поверхні до глибини 100-150см через кожні 10см. Поставлена задача вирішується тим, що у пристрої датчика застосовано не два парних контакти датчиків вологості і температури, а багато спарених контактів, об'єднаних у спільному блоці. Контакти датчиків закріплені на поверхні пластмасової труби, з' єднані в середині неї і приєднані до розетки-з'єднувача таким чином, що кожна пара контактів дає змогу виміряти вологість і температуру в шарі матеріалу (грунту) висотою 5-10см. Такий блок датчиків можна виготовляти для різних глибин від поверхні до глибини 150см і більше. Для його встановлення у гр унт можна використовувати об'ємні бури типу бура Скіпського без викопування шур фів. Блок датчиків легко вставити у круглу свердловину, пробурену цим буром. Такий блок датчиків вологості грунту (або іншого субстрату) має ще і ту перевагу перед аналогом, що поряд із датчиками вологості для різних глибин, можна встановити металеві капсули з датчиками температури і синхронно міряти не тільки вологість, але й температуру. В якості датчиків температури можна використати мініатюрні терморезистори, тріоди, діоди та інші напівпровідники. Пропонований блок датчиків вологості і температури має такі переваги перед іншими датчиками: 1. Вимірювання вологості і температури можна починати зразу після встановлення блоку датчиків у гр унт, а не чекати 2-3 тижні поки Грунт хоч тро хи ущільниться після копання шур фу і утвориться кращий контакт між датчиками і грунтом. 2. Застосування об'ємного бура Скіпського дозволяє створювати гладку поверхню стінок свердловини, що дуже важливо для забезпечення надійного контакту блоку датчиків і гр унту. 3. Точна установка всіх датчиків на необхідну глибину. При використанні датчиків типу корпорації Sutron (США) точно контролювати глибину їх установки, практично, важко. 4. Така конструкція блоку датчиків є найбільш придатною для його застосування у дистанційних і автоматизованих пристроях, призначених для моніторингу вологості і температури, оскільки всі датчики мають окремий вихід до вимірювального (чи передавального) пристрою. Суть винаходу пояснюється фігурою 1, де зображено блок датчиків вологості і температури у зборі. Для виготовлення такого блоку можна використати тверду пластмасову (наприклад, капролонову) тр убу 3 із зовнішнім діаметром 24-40мм і більше, та довжиною, приблизно, 120см. При цьому контроль параметрів грунту можна здійснювати від поверхні до метрової глибини. Для виготовлення блоку датчиків для глибини 150см довжину труби необхідно збільшити до 170см. Приблизно 20см такої труби, яка повинна бути вище поверхні грунту, не використовується. На решті поверхні труби закріплюють тонкі пластини 4 із неіржавіючого металу (наприклад, сталі). Висота пластин 99,5см, ширина - залежить від кількості пластин, що 5 83183 призначені для вимірювання вологості на одній і тій же глибині. Для діаметру труби 24мм і чотирьох пластин на одній і тій же глибині рекомендуємо вибирати ширину пластин у межах 9-10мм. У цьому випадку пластини для однієї і тієї ж глибини з'єднують електропроводом попарно через одну у внутрішній порожнині труби таким чином, щоб утворились лише дві пари ізольованих провідників для кожної глибини. В одному із чотирьох проміжків між пластинами встановлюють металеву капсулу, в яку перед тим поміщають датчик електротермометра. Глибину установки кожного датчика температури контролюють від верхнього краю перших чотирьох пластин, який має співпадати з поверхнею грунту. Кількість таких капсул і глибину встановлення кожної з них окремо визначають умови експлуатації блока на фігурі 1. Коли необхідно вимірювати температуру поверхні фунту і на глибинах 3, 5, 10, 15, 20 і т. д. см, то першу капсулу з датчиками температури встановлюють на рівні верхнього краю перших чотирьох пластин, другу капсулу на відстані 3 см від першої капсули, а решту- на відстані 5, 10, 15, 20 і т. д. см від першої капсули. Можливість здійснення винаходу можна підтвердити на основі досліджень УкрНДГМІ, які показали, що опір між парою контактів запропонованого блоку датчиків для повністю насиченого вологою грунту становив 50Ом, а для сухого безмежність, в той же час електрична ємність коливалась від кількох десятків пікофарад (для сухого фунту) до 20-30 мікрофарад (для перезволоженого фунту). Існ ує також багато датчиків температури з подібною амплітудою зміни електричного опору при різних температурах. Таким чином, пропонований блок датчиків може застосовуватись у дистанційних вимірювальних пристроях, оскільки 1км багатожильного кабелю має опір всього 90-140Ом, а ємність - до десятка нанофарад. Тим більше, що опір і ємність всіх жил кабелю легко компенсувати, залишивши вільними 1-2 жили і застосувавши відомі електричні компенсаційні схеми. Щодо автоматизованих вимірювальних систем із застосуванням радіо, або 2-3 жильного кабелю, то тут відстань між датчиками і приймальнопередавальними пристроями не більше 5-10м, а тому ємністю чи опором з'єднувальних провідників можна нехтувати. На фігурі 1 показано зібрані у спільному моноблоці датчики для вимірювання вологості і температури на глибинах 10, 20, ... 100, ... 150 см і більше. У цьому випадку висота металевої пластиниконтакту датчика вологості може становити 99,5см. Діаметр капсули з датчиком температури завжди менший 5мм, тому її можна встановити у проміжку між двома електричними контактами да 6 тчика вологості для заданої глибини. Ширина пластин датчика вологості і їх кількість на зовнішній поверхні пластмасової труби мають бути такими, щоб вони могли забезпечити його максимальну чутливість до вологості. Прийнятні результати можна одержати тоді, коли їх кількість становитиме 4 або 6, а відстань між пластинами по горизонталі знаходиться у межах 0,7-1 сантиметра. В цьому випадку вони мають бути об'єднані в середині пластмасової труби через одну в 2 пари контактів для кожної окремої глибини вимірювання. Кожні пари спільних електродів датчиків вологості і температури за допомогою провідників мають бути приєднані до своєї пари контактів розетки. При цьому одна із пар контактів для всіх глибин може бути об'єднана одним спільним провідником, однак інші пари контактів повинні мати окремі виходи на розетку. Внутрішня порожнина пластмасової труби повинна бути заповнена гідрофобним ізоляційним матеріалом, наприклад, парафіном, солідолом, тощо. Для установки блоку датчиків вологості і температури у гр унт (або інший субстрат) спочатку в ньому проробляють отвір об'ємним буром (наприклад, буром Скіпського) на 3-5см глибший, ніж відстань від верхнього краю першої пари контактів датчиків вологості до кінця пластмасової труби (Фіг.1). Діаметр бурового стакана повинен точно співпадати з діаметром блоку датчиків, для чого діаметр пластмасової труби при виготовлені згаданого блоку вибирають за діаметром бурового стакану. Потім в отвір свердловини бура Скіпського, з гладкою поверхнею стінок, вставляють блок датчиків таким чином, щоб верхній край першої пари контактів блоку датчиків вологості точно співпадав з поверхнею грунту. Далі до блоку датчиків за допомогою розетки-з'єднувача 2 (Фіг.1) приєднують один кінець кабелю, а протилежний його кінець за допомогою аналогічної розетки-з'єднувача - до вимірювального пристрою. Для дистанційного оперативного контролю вологості і температури у різних шарах гр унту необхідно, щоб вимірювальний пристрій мав відповідний перемикач діапазонів. При автоматизованому контролі опитування датчиків і передача інформації в ПЕОМ відбувається автоматично. Джерела інформації: 1. Soil Moisture Sensor. CMA Instrument Catalogue. Instrument Information Sheet. 2000. 2. Патент України №239, G01N25/56. Датчик вологості грун тів. (автори Грушка І. Г., Рубан М.О.). Бюл. №1, 30.04.1993. 3. Патент України №27798, G01N27/02. Датчик вологості. (автори: Грушка І. Г., Криворучко І. П., Грушка Г. Г. та інші). Бюл. №5, 16.10.2000. 7 Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 83183 8 Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601