電容式土壤水分傳感器的電導變異性試驗研究*

李加念, 賈 闖

(昆明理工大學 現代農業工程學院,云南 昆明 650500)

電容式土壤水分傳感器的電導變異性試驗研究*

李加念, 賈 闖

(昆明理工大學 現代農業工程學院,云南 昆明 650500)

為評估電容式土壤水分傳感器受土壤電導率的影響及其對農田土壤電導率變化范圍的適用性,配制了一系列土壤等效含水率為40.6 %、電導率為0～1.91 dS/m的土壤等效介電溶液,分別對激勵信號頻率為40,50,60,70,80,90,100 MHz的7種傳感器進行了電導變異性試驗,并且配制了相同含水率但電導率分別為0,0.31,0.46和0.61 dS/m的4種土樣進行了驗證試驗。試驗結果表明:1)土樣中的測試結果基本上與介電溶液吻合,可采用等效介電溶液評估傳感器的電導變異性；2)傳感器的電導變異率隨待測介質電導率的升高而近似線性增大,相同電導率下,傳感器激勵信號頻率越高其電導變異率越小；3)在農田土壤電導率基本變化區域0.239～0.650 dS/m內,當傳感器激勵信號頻率從不低于80 MHz時,其最大電導變異率為9.2 %,能滿足工程上的實際應用要求。

土壤水分傳感器; 介電溶液; 電導變異性; 土壤電導率; 試驗

0 引 言

實時監測農田土壤水分是實現農業精量灌溉自動化的關鍵環節之一,也是研究作物需水規律的重要技術手段[1]。電容式土壤水分傳感器利用土壤的介電特性,根據土壤介電常數隨土壤含水量變化的原理實現土壤水分的測定,技術上易于實現、精度較高、實時性好,在農田土壤水分的實時監測中得到了廣泛的應用[2～4]。為降低不同土壤類型和土壤結構對土壤介電常數的影響,同時考慮信號檢測電路設計的難易程度和復雜性,一般采用30～100 MHz的高頻信號作為電容式土壤水分傳感器測量時的激勵源[4]。

但此方法并不能完全消除土壤質地對土壤介電常數的影響,尤其是土壤類型相同,但因化肥施用情況和土壤本身所含離子元素和有機鹽的差異而使土壤電導率不同時,即使土壤介電常數相同,其土壤含水量也不盡相同[5]。從而使得土壤水分傳感器對含水率相同但電導率不同的土壤的測量結果也有所有差異,即為土壤水分傳感器的電導變異性。由此可見,電導變異性是影響電容式土壤水分傳感器性能和適用范圍的一個重要因素。

本文通過配制一系列不同電導率的土壤等效介電溶液對土壤水分傳感器的電導變異性進行測試,并配制不同電導率的土樣對其進行驗證,以期評估傳感器的電導變異性及其對農田土壤電導率變化范圍的適用性。

1 材料與方法

1.1 土壤水分傳感器的結構與工作原理

試驗所用土壤水分傳感器為一個高頻電容式傳感器,其結構如圖1所示,主要由探針電極、電子電路和接線電纜三部分組成。該傳感器的工作電壓為2.7～5.0 V,以高頻方波信號作為測量激勵源,輸出信號為直流電壓,且輸出電壓與土壤含水率呈負線性關系[4]。其測量原理是:探針電極置于土壤中等效于一個電容C,方波激勵信號加載于探針電極上時,相當于對一階RC電路進行周期性地充放電,探針上會出現相應的周期性波形,當土壤含水量變化時,土壤介電常數隨之變化,進而等效電容C也隨之改變,從而探針上的周期性波形發生變化,然后利用信號轉換電路將其轉換成等效的直流電壓輸出。

圖1 土壤水分傳感器的結構示意圖Fig 1 Structure diagram of soil moisture sensor

1.2 試驗方法

目前,涉及土壤電導率測定的常規技術方法均采用土壤浸提液法,其結果準確,但過程繁瑣、費時費力。現已有研究表明,可采用等效介電溶液替代土樣評估土壤水分傳感器的性能[5]。為此,本文先配制一系列土壤等效含水率相同、電導率不同的土壤等效介電溶液,分別在3.0,5.0 V兩種工作電壓下,對激勵信號頻率為30,40,50,60,70,80,90,100 MHz的土壤水分傳感器,進行電導變異性測試試驗；然后,取紅壤配制一系列含水率相同、電導率不同的土樣對等效介電溶液的測試結果進行驗證。

由于土壤水分傳感器的輸出電壓與土壤含水率呈線性關系[4],可用傳感器輸出電壓的電導變異率來表征傳感器的電導變異率。此處傳感器輸出電壓的電導變異率是指,在相同(等效)含水率的待測溶液或土樣中,不同電導率時測得的輸出電壓相對于電導率為0(即沒有添加KCl)時的變化百分比,其計算方法如公式(2)

(1)

式中 θEC為傳感器輸出電壓的電導變異率,%；Vd為某一特定電導率待測介質中測得的傳感器的輸出電壓,V；V0為電導率為0的待測介質中測得的傳感器輸出電壓,V。當θEC為負時,說明在該電導率的介質中所測得的傳感器輸出電壓小于電導率為0的介質；當θEC為正時,則相反。

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為避免溫度的影響,測試過程中將待測介電溶液或土樣置于25 ℃恒溫水浴鍋(型號為ZKYY,精度為±0.2℃)內。

1.2.1 不同電導率的土壤等效介電溶液配制

由于土壤含水率高于30 %時,土壤電導率基本上不受土壤含水率的影響[6]。為此,利用去離子水和2—異丙氧基乙醇(2-isoproxyethanol)2種溶液混合,配制介電常數ε為25.6,即等效體積含水率為40.6 %的介電溶液,其配制比例如表1所示[7]。其中,等效土壤體積含水率通過公式(1)所示的Topp經驗公式[8]計算得出。

θv=-5.3×10-2+2.92×10-2ε-5.5×10-4ε2+ 4.3×10-6ε3,

(2)

式中 θv為溶液的等效土壤體積含水率,ε為待測溶液的介電常數。

表1 等效土壤體積含水率40.6 %的介電溶液的配制Tab 1 Preparation of dielectric solution whose equivalent soil volumetric water content is 40.6 %

所配制介電溶液的電導率通過添加KCl改變,并且在添加過程中用玻璃棒攪拌使之充分溶解,直至飽和。溶液電導率采用電導率計COND5021(量程為0～2 000 μS/cm,精度為±1 %FS)測量,溶液KCl飽和時的電導率為1.91 dS/m。

1.2.2 不同電導率的土樣配制

2 結果與分析

2.1 傳感器的電導變異性

7種不同激勵信號頻率的土壤水分傳感器,分別以3.0,5.0 V為工作電壓,在電導率為0～1.91 dS/m范圍內的等效介電溶液中的輸出電壓電導變異率測試結果如圖2所示。

圖2 7種頻率土壤水分傳感器的輸出電壓電導變異性Fig 2 Output voltage variability of seven frequencie soil moisture sensor for conductivity

由圖2知:1)各個傳感器輸出電壓的電導變異率均為負值,且其變異率的絕對值均與介電溶液的電導率近似于線性關系；2)激勵信號頻率越高,傳感器的輸出電壓受電導的影響就越小,40～100 MHz的7種頻率的傳感器,輸出電壓的最大電導變異率分別為28.7 %,29.4 %,29.8 %,28.0 %,23.4 %,23.8 %,21.7 %；3)各個傳感器輸出電壓的電導變異率基本上不受工作電壓的影響。

雖然7種頻率傳感器的輸出電壓最大電導變異率均高于21 %,但在農田土壤電導率基本變化區域0.239～0.650 dS/m內,分析各個傳感器的輸出電壓最大電導變異率,如表2所示,可知當激勵信號頻率≥80 MHz時,其輸出電壓電導變異率就比較小了,如，80,90,100 MHz傳感器對應的最大輸出電壓電導變異率分別為9.2 %,6.9 %,5.9 %,能滿足工程上的應用要求。

表2 土壤電導率在0.65 dS/m內傳感器的最大電導變異率Tab 2 Maximum variability of soil moisture sensor for conductivity when soil conductivity is within 0.65 dS/m

2.2 傳感器電導變異性的驗證

配制了土壤含水率為40.6 %,電導率分別為0(未添加KCl),0.31,0.46,0.61 dS/m的4種土樣,在3.0 V工作電壓下,以電導率為0的土樣的測試結果為基準,分別對7種頻率的土壤水分傳感器的電導變異性進行了驗證,試驗結果如表3所示。

表3 土樣中所測的7種頻率土壤水分傳感器電導變異率Tab 3 Variability of seven frequencies soil moisture sensor for conductivity measured in soil samples

注:土樣1,2,3分別指電導率為0.31,0.46,0.61 dS/m的土樣。

由表3可知,7種頻率土壤水分傳感器的電導變異率均隨著土樣電導率的升高而近似線性增大,而且對于相同土壤電導率的土樣,傳感器的電導變異率隨著激勵信號頻率的升高而減小,這與在等效介電溶液中的測試結果基本吻合。而土樣中的各個測試數據均略小于等效介電溶液,其主要原因是電導率為0的基準土樣,雖然未添加KCl,但由于土壤本身含有無機鹽等,使得該土樣的電導率并不為0。由此可見,可以采用配制不同電導率的土壤等效介電溶液評估土壤水分傳感器的電導變異性。

3 結 論

本文通過配制相同含水率、不同電導率的土壤等效介電溶液,對7種頻率的高頻電容式土壤水分傳感器的電導變異性進行了測試試驗,同時相應地配制土樣對介電溶液的測試結果了進行了驗證。試驗結果表明:傳感器的電導變異性在土壤等效介電溶液與土樣2種介質中所測得的結果基本一致,其電導變異率均隨著待測介質電導率的升高而近似線性增大,相同電導率下,傳感器激勵信號頻率越高其電導變異率越小；在農田土壤電導率基本變化區域0.239～0.650 dS/m內,當傳感器激勵信號頻率不低80 MHz時,其最大電導變異率為9.2 %,能滿足工程上的實際應用要求。

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[8] Topp G C,Davis J L,Annan A P.Electromagnetic determination of soil water content:measurements in coaxial transmission line-s[J].Water Resour Res,1980,16:574-582.

Experimental study of conductance variability of capacitive soil moisture sensor*

LI Jia-nian, JIA Chuang

(School of Modern Agricultural Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650500,China)

In order to evaluate influence of soil conductivity on capacitive soil moisture sensor and applicability of sensor to variation range of agricultural soil,a series of soil equivalent dielectric solutions whose soil equivalent water content is 40.6 % and conductivity is at the range of 0～1.91 dS/m is prepared,and experiments of variability conductance on seven kinds of sensors whose excitation signal frequency of 40,50,60,70,80,90 and 100 MHz are performed by using the prepared equivalent dielectric solutions,and then four kinds of soil samples whose moisture content is 40.6% and soil conductivity of 0,0.31,0.46 and 0.61 dS/m respectively are prepared to verify the results tested in equivalent dielectric solutions.Test results show that 1) test results in soil samples are basically in accordance with that in the equivalent dielectric solutions,so it can employ equivalent dielectric solutions to assess variability for conductivity of sensor; 2) variation rate for conductivity of sensor has an approximately linear increase with rising of conductivity of the tested medium,and the higher the frequency of excitation signal of sensor is the smaller variation rate for conductivity of sensor is in the tested medium of same conductivity; 3) maximum variation rate for conductivity of sensor is 9.2 % ,when its excitation signal frequency is not less than 80 MHz at the range of 0.239～0.650 dS/m,which is the basic conductivity variation range of agricultural soil,which can meet the requirements of engineering application.

soil moisture sensor; dielectric solution; conductance variability; soil conductivity; experiment

10.13873/J.1000—9787(2014)08—0041—03

2014—05—30

昆明理工大學省級人才培養項目(KKSY201323003)

S 126

A

1000—9787(2014)08—0041—03

李加念(1983-),男,湖南道縣人,博士,講師,主要從事電子信息技術與測控技術應用研究。