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Psw100说明书
PSW—100精密驻波土壤水分传感器说明书
工作原理
干燥土壤的介电常数为2-4,水的介电常数约为80,把含水的
土壤看作为一种由干燥土壤和水混合在一起的介质,显然其介电常数随含水量的变化而变化,我们正是利用这一公认的原理来测量土壤的容积含水量的。
容积含水量的定义为:
×100%
式中:
Vw土样中水的体积,Vs土样的体积
与之对应的是重量含水量,其定义为:
×100%
式中:
Mw土样中水的重量,Ms干土样的重量
式中:
Ps土壤容重
式中:
Ms为干土样的重量,Vs为干土样的体积
我们把一根长电缆的末端接一个探头,根据传输线原理,电缆和探头连接处的阻抗Zi用下式表示:
式中:
Zc为探头在空气中的特征阻抗
为探针的长度
测试正弦波讯号在空气中的波长
ε探针周围土壤的介电常数
j虚数部分的表示因子
在这里探针等效为一段长度为
,特征阻抗为Zc的传输线。
(说明:
Zi还应有实数部分,这是土壤这种介质的电导率所引起的,选用100MHZ的频率使电导率的影响减至最小,从而相对于虚数部分可以忽略。
)
由于这一阻抗随着土壤容积含水量的变化而变化【即随ε的变化而变化】,且显然不和电缆的特征阻抗匹配,因而会产生反射,并在电缆中形成驻波,驻波的波峰和波谷也随着土壤容积含水量的变化而变化。
电缆中的驻波包络
探头探头在空气
电缆中时电缆中
驻波包络形状
ε=1
探头探头在水中
电缆时电缆中驻
波包络形状
电缆中的驻波包络ε=80
为正弦波信号在电
BA
缆中的波长
现在我们只需要用一高性能的包络检波器,在AB两点分别检出驻波包络的电压讯号,并进行A-B的运算后作为输出电压,则此电压完全反映了与土壤容积含水量的对应数值关系。
如果信号源能提供电缆中为1V的行波电压(即在电缆匹配的情况下,电缆中讯号幅度为1V)则理论上,可以达到3V以上的A-B直流电压输出[未经放大],所以该电路具有很高的灵敏度,实际上我们只需取我们最满意的一段工作区间就够了。
由于A+B电压在整个工作区域内都维持一个比较高比较恒定的数值,差分放大后能去掉各种共模干扰,所以输出电压不断具有很高的灵敏度,也具有很好的重复性,抗干扰性。
一、技术要点
三项关键技术的使用使PSW-100与现有市场中的土壤水分传感
器有所不同。
1、用等效网络替代传输线的技术。
上面讨论的原理是在传输线基础上得到的,但直接使用传输线体积大而稳定性差,PSW-100采用特殊的等效网络,来实现传输线的功能,从而达到理想传输线的效果,而又大大减小尺寸。
2、高精度带有温度补偿和幅度控制功能的高频包络检波器。
3、传感器输出电压与土壤容积含水量关系曲线的微调技术。
由于制造传感器所使用的电子元器件不可避免的差异,探针和高频通道结构尺寸不可能完全的一致,导致各传感器的输出电压与容积含水量关系曲线的形状也不完全一致,通过此项技术的调整,可以确保所有传感器在任何规定的充分而又必要的精度下的一致性。
二、技术指标
测量参数土壤容积含水量
单位%(
)
精度0-50%范围内±2%(
)
传感器在标准介质中的重复误差<±1%
传感器互换性误差<±1%
稳定时间通电后10秒
工作电压3V-5.5VDC
工作电流5-50mA
输出信号50mV-2.5V
工作温度+1℃-60℃(在有冰的状态下是测
不出容积含水量的)
储存温度-20℃-+70℃
电磁兼容性,不受外界电磁场的干扰,也无电磁辐射影响其他电子设备,可和要求很严的GPS接收机同时工作。
故障率估计:
300台传感器工作三年,失效为3台。
三、传感器的使用
1>连接
传感器有一个四芯电缆和外界相连:
红线-电源正极、黑线-电源地、黄线-讯号正、蓝线-讯号负
请注意,PSW-100型传感器分为A、B两类:
A类:
供电电压为3V-5V,一般都是配便携式仪表使用。
B类:
供电电压为12V-24V,一般作为埋地长期检测使用。
除此之外,其他性能完全相同。
传感器的黄蓝两线可以看作一个0-2.5V的差分输出电压源,如果电缆长度在5米以内,可将蓝线接地,作为单路电压源使用,如果电缆较长或不定,则由于传感器电流的回流电流使测量产生误差,应按以下方法处置。
a>将蓝线和黄线作为两路讯号分别进行
变换,然后取其差值。
b>将黄-蓝讯号作为差分放大器的两输入,请注意,差分放大器的传递函数应该恒为1,否则要重新标定。
2>使用
传感器的使用十分简单,只需将探针完全插入土壤中就行了,但如不注意,测量数据会有较大差别,因此测量时必须考虑下列因素。
①测量点的选择必须具有一定的代表性。
②传感器插入的力度过轻,探针周围存在大量的气穴,测量值偏小,力度过大,改变了土壤的密度,所以在移动测量点和重新插入到前一地址时,需要十分小心。
③探针周围的石块、树根、草根、蚯蚓穴都影响测量的准确。
④传感器启动后约数秒,进入完全的稳定状态,10秒以后的测量值具有很好的重复性。
3>标定
土壤水分传感器只是对介质的介电常数非常敏感、稳定、精确的传感器,传感器标定分为两种情况。
①输出电压与介电常数关系的标定。
找几种介电常数稳定均匀的介质(例如:
干石英砂,粒度不同
混合的饱和石英砂,不含杂质、离子未经电磁扰动的水)调整传感器
的内部电路,使所有传感器在不同介质中的输出电压在规定的范围之
内(例如:
±0.5%)则传感器的标定和生产过程完毕,经老化、检验
后出厂。
②电压、容积含水量标定。
A.电压、容积含水量标定这个过程比较复杂,我们所说土壤水分传感器测量容积含水量的误差,是在这个过程中产生的,这是因为:
a.从电学的角度来看,不同种类的干土就是不同的介质,它们起始的介电常数就不一样。
b.含水土壤也不是一种空气均匀的介质,探针插入的扰动及土壤的可压缩性,对测量值的影响很大。
c.干土和水很难做到物理意义上的混合,不同物理、化学成分的土,经105-110℃,24小时的烘烤后,会不同程度的和水产生化合或水化反应,从而使这部分水失去了它原来的物理属性。
B.PSW-100型土壤水分传感器对土壤类型的反应并不十分敏感,为了获得更为满意的精度,可按下述方法进行严格标定,下面以北京壤土为例,说明标定的过程。
a.将土用1mm的土壤筛过筛,获得备用土样。
b.将筛好的土,平铺在不锈钢托盘上,在105-110℃的烘箱中,烘
24小时至恒重,取出后冷却至常温。
c.按照下表的要求用感量0.1g的电子秤,秤取干土和水,并放在密封塑料袋中混合均匀,均衡24小时后备用。
d.按下表的要求配置土柱,土柱体积为800ml,操作过程应防止土柱水分的流失,土柱密度均匀。
烘干法传感器标定实验配土方案
编号
干土质量
加水质量
土样质量
土柱质量
容积含水量
1
1500
0
1500
1032
0
2
1500
55
1555
1173
0.052
3
1500
90
1590
1202
0.085
4
1500
130
1630
1233
0.123
5
1500
180
1680
1272
0.170
6
1500
225
1725
1319
0.215
7
1500
285
1785
1455
0.290
8
1500
335
1835
1542
0.352
9
1500
380
1880
1589
0.401
容积含水量的计算公式为:
e.测量传感器的输出电压,一个土柱只测3-4个点。
土壤水分传感器测定数据表
编号
容积含水量
传感器输出电压V
1
2
3
4
平均值
1
0
0.085
0.086
0.086
0.086
2
0.052
0.383
0.385
0.390
0.386
3
0.085
0.550
0.556
0.556
0.558
4
0.123
0.767
0.757
0.757
0.760
5
0.170
1.044
1.042
1.034
1.040
6
0.215
1.263
1.283
1.278
1.275
7
0.290
1.580
1.578
1.565
1.574
8
0.352
1.705
1.717
1.710
1.711
9
0.401
1.792
1.802
1.782
1.792
对于沙土、沙壤土,更高含水量的测量已无实际意义,因为水土分离,不可能做到均匀的土样,饱和以后,按折线回归到
的容积含水量。
对于特殊的黄土、粘土、红土,高含水量部分可按下述办法标定,取可读容积的容器,盛水2000ml,然后加干土搅拌均匀,测量传感器的电压,并读出该容积中混合物的体积,如下表:
编号
容器水容量
加干土质量
混合物体积
容积含水量
传感器输出电压V
1
2
3
平均值
1
2000
2000
2960
67.7%
2.190
2.180
2.195
2.188
2
2000
1000
2480
80.6%
2.395
2.400
2.410
2.402
3
2000
500
2240
89.3%
2.450
2.465
2.460
2.458
4
2000
0
2000
100%
2.515
2.510
2.509
2.511
容积含水量的计算公式为:
4>电压和容积含水量的转换方法
①表格法
把上节所标定的电压-容积含水量数据列表,计算出传感器输出电压所对应的容积含水量,例如:
传感器的输出电压为V,判断出,
≤V≤
,则:
=
(
)+
V
0.086
0.386
0.558
0.760
1.042
1.275
1.574
1.711
1.792
2.188
2.402
2.458
2.500
0
5.2
8.5
12.3
17
21.5
29
35.2
40.1
67.7
80.6
89.3
100
在表中所列数据准确无误的条件下,表格法在全程具有最高精度,缺点是再次标定很麻烦。
②三次方程法
以上表中的电压为自变量,
为因变量,对于一般土壤水分测量,最好只取饱和以前的数据,按最小二乘法拟合成一个三次多项式,即:
=A
对北京壤土,以上三次方程为:
=0.0919x3-0.1929x2+0.2845x-0.0268
可以根据传感器输出电压计算对应土壤的容积含水量,该方法的优点:
a.在0至土壤完全饱和的区段内具有较高的精度。
b.用户可以用比较简单的方法对本地土壤重新标定。
理论和实践都证明,用户所需要的方程和本方程之间一定存在以下关系,即:
=K
+
,式中:
K为比例系数,
为常数。
设:
用户自制两种土样,其容积含水量为
和
,
用本方程的采集器测得的容积含水量为
和
,则有:
解方程求出:
K、
,解方程时
容积含水量用0.xx表示。
用户的新方程为:
=K(A
)+
用户用新方程替代原来的方程即可得到满意的结果。
五.不同类型土壤的容积含水量与土壤水势。
PSW-100对北京壤土进行标定,在沙土、壤土和一般耕作土中的测试误差都在±2%(
)的范围之内,在特殊的粘土、黄土、红土等土壤中会出现-3%~-5%的偏差。
我们在测量土壤容积含水量的原理中,已经说明是把介电常数
为2~4的干土与介电常数为80的水混合在一起(绝不是化合或者结合),而形成的一种新介质的介电常数,土壤是多样的,不同土壤的物理和化学成分并不完全相同,经彻底的干燥后,土壤中的某些物质和水化合生成新的化合物,某些物质会吸附一定水分子变成水化物,这些被禁锢的水分子,几乎对介电常数的测量毫无贡献,从容积含水量的角度来讲,按照标准规程配置的土样实测结果可能变小很多。
举个比较极端的例子:
水泥灰容积含水量为0,加一定量的水,把水泥块弄细,过二天再测量容积含水量仍是0,因为加进去的水被化合或水化用光了。
顺便说明,水结冰后,测出的容积含水量也为0。
我们测量土壤的含水量,首先还必须了解土壤中的含水对植物生长的有效性,通常水分的有效性通过水势来确定,水势是指植物从土壤中汲取水分所需的吸力,在其他条件相同的情况下(重力势、压力势、渗透势、毛细管),植物对土壤水分的吸取能力决定于土壤的基质势,土壤的基质势在容积含水量相同的情况下,决定于土壤的类型,理论和实践都证明在容积含水量相同的条件,壤土中含水比红土中含水更有效的为植物所吸收,基于介电常数所测含水量的方法,正好反映了植物对水分的吸收,被固化了的水分子,对介电常数的测试无贡献,对植物的有效吸收也没贡献,所以用介电常数法测量土壤的含水量,更具有科学性和实用性。
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