6.4. Измерение влажности

Объектом измерения влажности в сельскохозяйственном производстве являются воздух и почва. В закрытых помещениях (насосных станциях, диспетчерских пунктах и т. д.) влажность, наряду с температурой, влияет на комфортные условия, работоспособность и общее состояние людей; условия работы оборудования, аппаратуры и приборов, а содержание влаги в приземном воздухе — на характер и интенсивность биохимических процессов в растениях, косвенно характеризует влагообеспеченность выращиваемых культур.

Важное значение имеет измерение влажности почвы, которая является основным параметром при создании автоматических систем управления влажностным режимом почв на мелиорированных землях.

Для дистанционного измерения и записи относительной влажности используется автоматический электронный психрометр типа ПЭ. Как преобразователи используются термометры сопротивления, один из которых смачивается водой из специального резервуара. Термометры размещены в каналах, через которые с помощью вентилятора прокачивается исследуемый воздух. В качестве вторичного прибора используется автоматический электронный мост. Разность сопротивлений термометров пропорциональна психрометрической разности, что позволяет проградуировать шкалу моста непосредственно в единицах относительной влажности.

Измеритель относительной влажности воздуха типа УДРОВ работает на гигрометрическом методе измерений. Первичный преобразователь в приборе — влагочувствительная пленка, сопротивление которой меняется с изменением влажности окружающей среды. Как измерительный прибор используется электронный автоматический мост.

Для измерения влажности почвы применяются прямые и косвенные методы. Из прямых наиболее распространен термостатно-весовой метод. Он является основным при контрольно-испытательных измерениях и тарировании влагомеров, принцип действия которых основан на косвенных методах измерения. Однако этот метод трудоемок, предусматривает отбор проб и их сушку в течение длительного времени (до 24 ч и более).

Косвенные методы измерений предусматривают оценку влажности почвы по изменению различных ее свойств. Наиболее широко используют тензиометрический, кондуктометрический, емкостный и нейтронный методы,

Тензиометрический метод измеряет всасывающее давление почвы, зависящее от влажности. Рассмотрим устройство и принцип действия выпускаемого серийно тензиометра типа AM20-II. Он состоит из закрытого трубчатого сосуда 2 с пористым наконечником 1. Трубчатый сосуд соединен с измерительной чашкой 3, одна из стенок которой выполнена в виде мембраны 4. В центре ее закреплен штифт 7, связанный через механическую передачу со съемным микрометрическим индикатором перемещения 6. Трубчатый сосуд заполняется кипяченой или дистиллированной водой, после чего герметично закрывается пробкой 5. Прибор устанавливается в предварительно пробуренную скважину глубиной до 1 м, соответствующую исследуемому слою почвы.-

Рис 6.7. Почвенный тензиометр: 1 — пористый наконечник; 2 — трубчатый сосуд; 3 — измерительная чаша; 4 — мембрана; 5 — проба; 6 — микрометрический индикатор перемещения; 7 — штифт.

За счет всасывающей силы вода через стенки пористого наконечника всасывается в почву и внутри трубчатого сосуда, создается разрежение, вызывающее прогиб мембраны. По показаниям индикатора прогиба мембраны определяют всасывающую силу, а при соответствующей тарировке и влажность почвы. Прибор пригоден для измерения влажности почв в диапазоне от полной влагоемкости (ПВ) до 0,7— 0,8 наименьшей влагоемкости. При более низких влажностях, вследствие проникновения воздуха через пористый наконечник в трубчатый сосуд, точность измерений резко снижается и погрешность достигает 5% и более влажности. Для автоматизации используют тензиометры с вакуумметрическими электроконтактными преобразователями, позволяющие получить сигнал о достижении предельно допустимых значений влажности.

Чтобы получить аналоговый выходной сигнал, применяют тен-зиометры с емкостными и ферродинамическими преобразователями, однако в настоящее время они серийно не выпускаются.

Принцип действия кондуктометрических влагомеров основан на измерении электрической проводимости на постоянном и переменном токе низкой частоты, зависящей от влажности почвы.

В кондуктовлагометрии используются методы: непосредственного измерения сопротивления почвы; измерения сопротивления промежуточного тела, помещенного в исследуемую почву. К приборам непосредственного измерения относится влагомер типа «Днестр», который использует зависимость сопротивления почвы и электродвижущей силы поляризации, возникающей на электродах первичного преобразователя в почве, от влажности. Влагомер состоит из зондового контактного преобразователя, вторичного прибора и используется для определения сроков полива. Недостатком является влияние на его показания солевого состава, структуры почвы и переменного характера контакта почва—электроды.

Более стабильные показания обеспечивает метод измерений с использованием промежуточного сорбента. Сущность метода заключается в том, что измеряется сопротивление пористого сорбента, помещенного в почву и находящегося в равновесном по влажности состоянии с почвой. Как сорбент используют гипс, нейлон, стекловату и другие материалы.

Наиболее распространены преобразователи с промежуточными гипсовыми блоками. Их электроды изготовляют из никеля или другого короозионностойкого материала и размещают в гипсовом блоке. Для удобства установки в пробуренную скважину гипсовый блок чаше всего изготовляют в форме цилиндра или усеченного конуса с диаметром основания 25—50 мм. Величина сопротивления между электродами зависит от влажности гипса и при установлении влажностного равновесия характеризует влажность почвы. Для устранения влияния поляризации измерения выполняют на переменном токе частотой 1—2 кГц.

Измерения с применением гипсовых преобразователей позволяют существенно уменьшить влияние неинформативных параметров, в частности,- изменения солевого состава. При движении влаги из почвы в гипсовый блок солевой раствор нейтрализуется гипсом, что ограничивает срок службы преобразователя, который, как правило, не превышает одного летнего сезона. Гипсовые преобразователи имеют и другие недостатки: инерционность, подверженность влиянию гистерезисных явлений.

Емкостный метод основан на измерении параметров первичного преобразователя (электрической емкости и угла диэлектрических потерь), функционально зависящих от влажности. Существенное отличие диэлектрической проницаемости (ДП) воды от ДП других компонентов обеспечивает ощутимую зависимость суммарной диэлектрической проницаемости почвы от ее влажности.

Конструкция емкостных преобразователей влажности зависит от свойств исследуемой среды и условий измерений. Для измерения влажности почв без отбора проб в естественных условиях залегания чаще всего используют преобразователи цилиндрической формы с гребенкообразными и спиралеобразными электродами, которые можно устанавливать в пробуренную скважину практически без нарушения структуры измеряемого слоя почвы.

Чтобы улучшить работу измерительной схемы исключением потерь, вызванных токами прямой проводимости, электроды преобразователей могут покрываться водостойкой изоляцией (фторопластом, слоем эпоксидной смолы и водостойкими лаками).

Во влагомерах с емкостными преобразователями измерения выполняются на частотах от 5*10^-5до 5*10^-7Гц. Параметры преобразователя при измерениях характеризуются значением полной проводимостиI_э, состоящей из активной и мнимой ωG_эсоставляющих

где ω — угловая частота переменного тока.

Используются схемы, реагирующие на изменения полной проводимости I_эпреобразователя или на одну из ее составляющих. В зависимости от этого различают соответственно методы измерений без и с разделением параметров. Выходная величина влагомера без разделения параметров зависит от емкости и добротности первичного преобразователя и определяется значением его полной проводимости.

Активная составляющая подвергается влиянию мешающих факторов (например, солевого состава почвенного раствора) и ее изменение влияет на показания влагомера. Это относится к существенным недостаткам измерительных схем без разделения параметров.

На рисунке показан влагомер с мостовой измерительной схемой. Его работа основана на измерении емкостной составляющей проводимости преобразователя влажности. Прибор состоит из генератора с кварцевой стабилизацией частоты I, измерительной мостовой схемыII, усилителяIII, а также батареи питания и показывающего прибора. Измерения выполняются на частоте 1 мГц.

Напряжение с кварцевого генератора усиливается резонансным усилителем, собранном на транзисторе Т2, и через эммитерный повторитель и трансформатор подается в диагональ питания мостовой схемы, в одно из плеч которой включен преобразователь влажности.

Уравновешивание моста производится конденсаторами C_M1,C_M2. С_М3и резисторомR_в, по минимуму показаний прибораII. Для повышения чувствительности напряжение, снимаемое с измерительной диагонали моста, усиливается двухкаскадным усилителемIII. Отсчитывают показания по положению органов настройки уравновешивания мостовой схемы (переключателя П и верньера С_М3). По сравнению с резонансным влагомером прибор в меньшей мере подвергается влиянию температуры, солевого состава почвы и объемного веса. Недостатком влагомера является необходимость ручного уравновешивания моста.

Рассмотренные приборы предназначены для измерения точечною значения влажности в месте установки первичного преобразователя.

В системах автоматического управления поливом требуется информация об интегральном значении влагозапасов по площади в активном слое почвы. Для получения такой информации необходимо использовать зависимость:

где U— влагосодержание в слое почвы толщинойtна площадиS;W(t,S) — влажность в контролируемой точке поля.

Интегрирование по глубине слоя почвы достигается выбором длины первичного преобразователя. Усреднение по площади выполняют путем контроля влажности в нескольких характерных точках для данного участка с последующим переносом полученных усредненных результатов на всю площадь. Количество контролируемых точек зависит от рельефа местности, разнородности минерального и механического состава почвы.

Нейтронный метод измерения влажности основан на взаимодействии быстрых нейтронов, испускаемых источником с ядрами атомов водорода почвенной влаги, и регистрации тепловых нейтронов, появляющихся в результате взаимодействия. Так работает нейтронный индикатор влажности почво-грунтов типа НИВ-2. Влагомер устанавливается в предварительно пробуренную вертикальную скважину. Плутониево-бериллиевый источник питания и счетчик располагаются в одном корпусе и экранируются между собой. Плотность потока тепловых нейтронов и интенсивность v-излучения регистрируется счетчиком с кадмиевым экраном. По тарировочной кривой в зависимости от скорости счета определяется влажность почвы. Прибор измеряет объемную влажность в диапазоне 20—40% с точностью до 2% и является влагомером локального влагосодержания с радиусом сферы исследуемой почвы до 30 см.

Для измерений влажности в поверхностном слое почвы без погружения измерителя в скважину используется универсальный нейтронный влагомер НВУ-1. Принцип действия его аналогичен прибору НИВ-2. Диапазон измеряемых влажностей — от 4 до 42% по объему. Прибор НВУ-1 изготовляется также с погруженным измерительным зондом, который устанавливается в скважину и позволяет измерять влажность более низких слоев почвы.

Определение сроков и норм полива при использовании широкозахватной дождевальной техники требует получения оперативной информации об усредненных значениях влагосодержания почвы вдоль фронта полива. С этой целью разработан нейтронный влагомер типа «Крот». Для измерений в почве на глубине 35 и 90 см стационарно прокладываются полиэтиленовые трубы. По ним протягивается измерительный зонд с помощью электропривода или пневмотяги. В зонде смонтированы источник излучений, приемник и запоминающее устройство. После прогонки зонда по трубам считывают данные измерений с запоминающего устройства и по тарировочным графикам или таблицам определяют влагозапасы в исследуемом слое.

Достоинствами нейтронных влагомеров являются широкий диапазон измерений и бесконтактность с измеряемой средой. К недостаткам относится влияние на данные измерений имеющихся в почве аномальных поглотителей медленных нейтронов В, Cl,Li, К, водорода в твердой фазе почвы и особенно в гумусовом горизонте, плотности почвы, а также опасность для биологической среды, что требует применения специальных средств защиты.