Автогенераторные измерительные преобразователи двухкомпонентной диэлькометрии сельскохозяйственных материалов

Ананьев, Игорь Петрович

Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Автогенераторные измерительные преобразователи двухкомпонентной диэлькометрии сельскохозяйственных материалов
ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Автогенераторные измерительные преобразователи двухкомпонентной диэлькометрии сельскохозяйственных материалов"

На правах рукописи

АНАНЬЕВ Игорь Петрович

ТОГЕНЕРАТОРНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДВУХКОМПОНЕНТНОЙ ДИЭЛЬКОМЕТРИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность: 06.01.03 - агропочвоведение, агрофизика

□и347ЭВ0 1

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург

003479601

На правах рукописи

АНАНЬЕВ Игорь Петрович

АВТОГЕНЕРАТОРНЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДВУХКОМПОНЕНТНОЙ ДИЭЛЬКОМЕТРИИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность: 06.01.03 - агропочвоведение, агрофизика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург 2009

Работа выполнена в Государственном научном учреждении ордена Трудового Красного Знамени Агрофизическом научно-исследовательском институте Россельхозакадемии

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор P.A. Полуэктов

Ведущая организация: ГНУ Сибирский физико-технический институт аграрных проблем Сибирского отделения Россельхозакадемии (ГНУ СибФТИ СО Россельхозакадемии)

заседании диссертационного совета Д 006.001.01 по защите диссертаций на-соискание ученой степени доктора технических наук в ГНУ АФИ Россельхозакадемии по адресу: 195220, Санкт-Петербург, Гражданский пр., д. 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ АФИ Россельхозакадемии

доктор технических наук, профессор В.Г. Кнорринг

доктор технических наук, профессор А.А Бегунов. "

Защита диссертации состоится « ¿У »fteflipfl 2009 г. в /5~ часов OZ2 минут на

Автореферат разослан « 29 2009 года.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук

Факс: (812)534-19-00

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Диэлькометрия - измерение диэлектрических свойств материалов - является фундаментальным методом исследования и широко используется в технологиях сельскохозяйственного производства для контроля состояния материалов, качества сырья и продукции и параметров технологических процессов. В настоящее время диэлькометрия применяется как один из основных методов влагометрии сельскохозяйственных материалов: зерна, кормов (сено, силос, сенаж, комбикорм, травяная мука, плющеное зерно), почв и тепличных грунтов, удобрений, обеспечивая экспрессность измерений, возможность работы в режиме "on-line", приемлемую точность, простоту использования и невысокую стоимость средств измерений.

Однако существующие диэлькометрические средства инструментального контроля агротехнологий являются, в основном, однопараметрическими и не используют возможностей двухкомпонентной диэлькометрии, основанной на измерении как действительного, так и мнимого компонентов комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) материалов. В работе впервые показана возможность одновременного определения влажности и плотности зерновой массы по измеренным двум компонентам диэлектрической проницаемости, что открывает пути повышения точности измерения влажности растительных дисперсных материалов, являющейся основным контролируемым параметром в технологиях производства и переработки зерна. Двухкомпонентная диэлькометрия почв дает возможность определять влажность и электропроводность почв и осуществлять мониторинг общего содержания элементов минерального питания, что важно для управления технологиями земледелия открытого грунта, точного земледелия, овощеводства открытого и защищенного грунта.

Известные «классические» средства двухкомпонентной диэлькометрии, используемые для исследования диэлектрических свойств материалов в лабораторных условиях (измерительные мосты и анализаторы электрических цепей), являются дорогостоящими и поэтому не используются в технологическом контроле. Появившиеся в последнее время за рубежом и охраняемые как объекты промышленной собственности двухкомпонентные диэлькометрические измерители влажности и электропроводности почв, использующие частотный метод измерения (WET-сенсор английской компании Delta-T Devices Ltd., Т5 фирмы США Decagon Devices Inc.), а также дорогостоящие измерители, использующие метод пространственно-временной рефлектометрии-TDR (приборы Easy Test Института агрофизики Польской академии наук, TDR система английской компании Campbell Scientific Ltd.), ограничивают создание отечественных конкурентоспособных разработок.

В связи с этим поиск новых решений и разработка конкурентоспособных средств двухкомпонентной диэлькометрии и, в первую очередь, измерительных преобразователей, пригодных для инструментального контроля агротехнологий в полевых условиях, и'исследование новых возможностей их применения в технологическом контроле, являются актуальной проблемой, направленной на повышение эффективности сельскохозяйственного производства.

В диссертационной работе эта проблема решена путем разработки впервые предложенных автогенераторных двухкомпонентных диэлькометрических преобразователей (ДДП), обеспечивающих разделение информации о действительном и мнимом компонентах комплексной диэлектрической проницаемости материала, введенного в электромагнитное поле (ЭМП) первичного измерительного преобразователя (ПИП), благодаря инерционной стабилизации амплитуды колебаний на линейном участке амплитудной характеристики усилителя колебаний автогенератора.

Исследования выполнены в ГНУ Агрофизический научно-исследовательский институт Россельхозакадемии по планам НИР на 2001-2005,2006-2010 гг.

Цель и задачи исследований. Целью работы является создание теории, технических решений, макетная апробация и исследование характеристик автогенераторных измерительных преобразователей двухкомпонентной диэлькометрии сельскохозяйственных материалов для средств инструментального контроля агротехнологий.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи исследований:

- проанализировать современное состояние диэлькометрических средств инструментального контроля агротехнологий, обосновать актуальность, практическую значимость и перспективность разработки средств и методов двухкомпонентной диэлькометрии;

- разработать принципы построения и создать основы теории автогенераторных ДЦП с емкостными и индуктивными ПИП;

- разработать базовые схемотехнические решения и макетные образцы автогенераторных ДДП на основе современной элементной базы микроэлектроники;

- разработать автогенераторные измерительные преобразователи с емкостным ПИП для средств двухкомпонентной диэлькометрии зерна и исследовать их характеристики;

- разработать автогенераторные измерительные преобразователи с емкостным ПИП для средств двухкомпонентной диэлькометрии почв и исследовать их характеристики;

- теоретически обосновать возможность бесконтактной двухкомпонентной диэлькометрии почв на основе автогенераторных ДЦП с индуктивным ПИП;

- разработать и обосновать перечень перспективных средств инструментального контроля агротехнологий на основе автогенераторной двухкомпонентной диэлькометрии.

Научная новизна работы определяется ее основными научными положениями, выносимыми на защиту:

1. С использованием обобщенной эмпирической модели диэлектрических свойств зерна злаковых культур, разработанной в Исследовательском центре Министерства сельского хозяйства США, диссертантом впервые показана возможность одновременного определения влажности и плотности зерновой массы по измеренным значениям действительного е' и мнимого е" компонентов КДП ё = е'-, что открывает перспективу построения двухкомпонентных диэлькометрических влагомеров зерна с автоматической коррекцией влияния плотности на показания влажности и влагомеров-плотномеров зерна.

2. Впервые предложен метод автогенераторной двухкомпонентной диэлькометрии, основанный на использовании автогенераторов с инерционной стабилизацией амплитуды колебаний и обеспечивающий определение компонентов комплексной диэлектрической проницаемости, а также электропроводности сельскохозяйственных материалов по двум выходным параметрам автогенератора. Показаны преимущества использования этого метода для построения средств инструментального контроля агротехнологий по сравнению с известными методами.

3. Разработаны функциональные и принципиальные электрические схемы автогенераторных ДДП, содержащих в качестве основных структурных элементов усилитель высокочастотных колебаний с усилением, управляемым напряжением, частотно-избирательный делитель, включенный в цепь положительной обратной связи усилителя и состоящий из резистора и колебательного контура, в состав которого введен емкостной или индуктивный первичный измерительный преобразователь (ПИП), и цепь инерционной стабилизации амплитуды колебаний, обеспечивающую удержание амплитуды колебаний на линейном участке амплитудной характеристики усилителя путем детектирования выходного напряжения колебаний, сравнения его с опорным напряжением и подачи усиленного напряжения рассогласования на вход управления усилением усилителя колебаний. В качестве двух выходных параметров автогенераторного ДДП используются частота автоколебаний, напряжение на средней точке или модуль коэффициента передачи делителя, либо напряжение управления усилением.

4. Разработаны основы теории автогенераторных ДДП как с емкостными, так и с индуктивными ПИП. Показано, что при отсутствии фазового сдвига колебаний в усилите-

ле автогенератора, автогенераторный ДДП обеспечивает полностью раздельное определение действительного компонента е' КДП тестируемого материала по частоте автоколебаний и электропроводности а материала по модулю коэффициента передачи делителя или по напряжению управления усилением при включении емкостного ПИП в параллельный колебательный контур делителя, либо при включении индуктивного ПИП в последовательный колебательный контур. Исследованы динамические процессы возникновения и установления автоколебаний и устойчивости стационарного режима для автогенераторных ДДП с емкостным ПИП. Показано, что при отсутствии фазового сдвига колебаний в усилителе автогенератора колебания в стационарном режиме всегда устойчивы, если выполняется условие самовозбуждения колебаний.

Получены расчетные формулы для определения параметров высокочастотного тракта ДДП, ПИП и диэлектрических характеристик тестируемого материала по выходным параметрам ДДП как для автогенераторного ДДП с емкостным ПИП в параллельном колебательном контуре делителя автогенератора, так и для автогенераторного ДДП с индуктивным ПИП в последовательном колебательном контуре делителя автогенератора с учетом комплексной передаточной функции усилителя колебаний. Показано, что взаимная зависимость определяемых параметров при наличии фазового сдвига в усилителе колебаний может быть устранена с помощью цепей фазовой коррекции.

5. Предложены принципы построения автогенераторных ДДП с емкостной коаксиальной ячейкой для влагомера зерна со свободной засыпкой пробы и алгоритмы автоматической коррекции влияния случайного значения плотности при засыпке на результат определения влажности, и макетированием такого автогенераторного ДДП экспериментально показана возможность снижения для зерна пшеницы случайной погрешности от влияния плотности до значений, не превышающих соответствующие значения для влагомеров, использующих взвешивание пробы или нормирование ее плотности уплотнением.

6. Разработаны автогенераторные ДДП с зондовыми емкостными датчиками для полевых почвенных измерений, включая стационарные балансовые измерения в составе агрометеорологической станции и измерения при маршрутном обследовании полей, и экспериментально показана возможность одновременного измерения объемной влажности в и электропроводности а почв в диапазоне в = 0...100 %, включающем также чистую воду, и диапазоне а = 0..Д1 См/м, что позволяет использовать их для измерений в незаселенных почвах сельскохозяйственного использования.

7. Впервые предложен и разработан метод экспериментального определения характеристик пространственной чувствительности автогенераторных ДДП с емкостными и индуктивными ПИП, основанный на использовании малых диэлектрических тел, возмущающих ЭМП ПИП.

8. Теоретически обоснована возможность бесконтактного определения влажности и электропроводности почв с помощью автогенераторного ДДП с кольцевой рамочной антенной, включенной в качестве индуктивного ПИП в последовательный колебательный Контур автогенератора и устанавливаемой над почвой при измерениях, в диапазоне рабочих частот автогенераторного ДДП 20...40 МГц.

Практическая ценность результатов работы.

1. Разработанные принципы построения и основы теории автогенераторных ДДП с емкостными и индуктивными ПИП являются базой для создания нового класса перспективных средств инструментального контроля агротехнологий, перечень которых дан в заключительной части автореферата. Все изложенные в диссертации технические решения по автогенераторной двухкомпонентной диэлькомегрии защищены патентом РФ на изобретение № 2361226 с приоритетом от 28.09.2007 г., автор Ананьев И.П., подтверждающим мировую новизну и изобретательский уровень и обеспечивающим конкурентоспособность разработок.

2. Результаты экспериментальных разработок принципиальных электрических схем автогенераторных ДДП с использованием современной элементной базы микро-

электроники необходимы для построения и практической реализации автогенераторных двухкомпонентных диэлькометрических приборов и других средств инструментального контроля.

3. Полученные результаты экспериментальной проверки возможности существенного снижения случайной погрешности от влияния плотности на показания влажности во влагомерах зерна со свободной засыпкой пробы при использовании автогенераторных ДДП и предложенного алгоритма автоматической коррекции влияния плотности будут использованы для создания нового класса простых в эксплуатации и дешевых влагомеров зерна.

4. Разработанные, изготовленные и отградуированные образцы автогенераторных ДДП влажности и электропроводности почв с четырехштыревым емкостным зондом используются в составе многофункциональной 32-канальной автоматической агрометеорологической станции Меньковской опытной станции ГНУ АФИ Россельхозакадемии для исследования динамики и профиля влажности и электропроводности корнеобитаемого слоя почвы в течение вегетационного периода.

5. Разработанный автогенераторный ДДП с емкостным штыревым зондом для измерения влажности и электропроводности пахотного слоя почв и полученные градуиро-вочные характеристики будут использованы в создаваемом по плану НИР Агрофизического НИИ на 2006-2010 гг. приборе для маршрутного обследования состояния земель сельскохозяйственного назначения.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на: Третьем международном симпозиуме по гигрометрии и влагометрии (Англия, Лондон, Национальная физическая лаборатория, апрель 1998 г.); Международной научно-практической конференции «Современные проблемы опытного дела» (Санкт-Петербург, АФИ, июнь 2000 г.); Международной научно-технической конференции «Автоматизация производственных процессов в сельском хозяйстве» (Белоруссия, г. Минск, Гос. аграрн. техн. университет, июнь 2000 г.); Международной конференции «Физические методы в сельском хозяйстве - на пути к точности и качеству» (Чешская Республика, Прага, август 2001 г.); Международной научно-практической конференции «Агрофизика XXI века» (к 70-летию образования Агрофизического института) (Санкт-Петербург, июль 2002 г.); Четвертом международном симпозиуме по гигрометрии и влагометрии (Тайвань, Тайпей, 1619 сентября 2002 г.); Международной научно-практической конференции «Информационные технологии, информационные измерительные системы и приборы в исследовании сельскохозяйственных процессов АГРОИНФО-2003» (Новосибирск - Краснообск, октябрь 2003 г.); Второй международной научно-практической конференции «Земледельческая механика в растениеводстве» (Москва, ГНУ ВИМ, декабрь 2003); Девятой международной научно-практической конференции «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве» (г. Углич, 19-20 сентября 2006 г.); Международной научно-практической конференция «Информационные технологии, системы и приборы в АПК - АГРОИНФО-2006» (Новосибирск - Краснообск, 17-18 октября 2006 г.); Четвертой международной конференции «Современное приборное обеспечение и методы анализа почв, кормов, растений и сельскохозяйственного сырья» (Москва, ВВЦ, 18-19 октября 2006); Международной конференции «Современная агрофизика - высоким агротехнологиям» (Санкт-Петербург, 25-27 сентября 2007 г.); совместном заседании бюро Отделения земледелия и бюро Отделения защиты растений РАСХН 28 мая 2008 г. по вопросу: Перспективы использования автогенераторный двухкомпонентной диэль-кометрии в инструментальном контроле сельскохозяйственных объектов; Десятой международной научно-практической конференции «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве» (г. Углич, 16-17 сентября 2008 г.); Международной конференции по точному земледелию в Вагенингене, Нидерланды, 79 июля 2009 г. Комплекс средств инструментального контроля агрофизических характеристик почв и зерна, основанных на разработанном диэлькометрическом методе, награж-

ден золотой медалью на международной выставке-ярмарке АгроРусь-2008 (Санкт-Петербург, Ленэкспо, 22-30 августа 2008 г.).

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы в 34 работах, включая 8 публикаций в журналах из перечня реферируемых журналов ВАК, 1 патент РФ и 2 авторских свидетельства СССР на изобретения. Патент РФ на изобретение № 2361226, автор Ананьев И.П., защищает все принципиальные технические решения по автогенераторной двухкомпонентной диэлькометрии, изложенные в диссертации, и содержит 4 независимых пункта формулы изобретения, 34 зависимых, 139 страниц описания, формулы и чертежей.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, основных результатов и выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 295 страницах машинописного текста, содержит 82 рисунка и 22 таблицы. Список литературы включает 412 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Во введении обоснована актуальность темы диссертации, рассмотрены цель и задачи исследований, научная новизна и основные научные положения, выносимые на защиту, практическая ценность результатов работы, апробация результатов.

Раздел 1. Двухкомпонентная диэлькометрня сельскохозяйственных материалов: современное состояние, возможности использования и выбор направлений разработки ДДП для средств инструментального контроля агротехнологий

В настоящее время получила широкое развитие разработка средств инструментального контроля агротехнологий, использующих взаимосвязь диэлектрических свойств сельскохозяйственных материалов с их агротехнологическими характеристиками. Диэлькометрня, т.е. измерение диэлектрических свойств материалов, является одним из фундаментальных методов исследования свойств веществ, основанным на взаимодействии ЭМП с материальной средой, который развит в работах Максвелла [1904, 1954], Лорентца [1909, 1933], Дебая [1929], Коула К. и Коула Р. [1941], Френкеля [1945], Фрелиха [1949], Сканави [1949, 1958], Хиппеля [1959, 1960], Тамма [1959], Ландау [1982], Брауна [1961], Эмме [1967], Де Лоора [1968,1974], Барфута и Тейлора [1981], и других.

Основным методом диэлькометрии является измерение диэлектрических свойств материалов в частотной области (frequency domain), при котором на материал воздействуют гармоническим ЭМП, а диэлектрическую проницаемость определяют как комплексную величину:

¿ = E'-js", (1)

где действительный компонент е' комплексной диэлектрической проницаемости ё (КДП) характеризует способность вещества обратимо поляризоваться в электрическом поле, а мнимый компонент КДП е" (фактор потерь) характеризует необратимые тепловые потери при поляризации и связан с электропроводностью а материала соотношением:

е* = <т/(юе0) , (2):

где со - круговая частота ЭМП, ео = 8,854-10"12 Ф/м - электрическая постоянная. Два компонента в', е" КДП, а также а определяют по электрической емкости, проводимости и частоте со тока питания емкостного датчика (ПИП) с тестируемым материалом.

К настоящему времени диэлектрические свойства основных сельскохозяйственных материалов (почв, торфа, зерна, трав, пищевых продуктов) в частотной области, т.е. компоненты КДП ё, г", исследованы в широком диапазоне электромагнитных волн от постоянного тока и низких частот до частот в единицы-десятки гигагерц [Smith-Rose-1933, 1935; Лещанский-1971; Троицкий-1973, 1974; Киселев-1974; Поздняков-1979, 2002; Кар-

пачевский-1983; Hoekstra-1974; Selig-1975; Poley-1978; Бобров-1989; Campbell-1990; Wen-sink-1993; Peplinski-1995; Kelleners-2005] - для почв, [Лыч-1975] - для торфа, [Nelson-1953, 1965, 1973, 1976, 1991; Jorgensen-1970; Corcoran-1970; Statson-1970, 1972; Chugh-1973; Секанов-Кулсшов-1975; Секанов-монография-1985] - для зерна, [Коряков-Секанов-1985] - для трав, [Nelson-1994] - для фруктов, овощей и пищевых продуктов, [Рогов-1964, 1988]-для мясных продуктов.

Исследования диэлектрических свойств зерна показали, что основным фактором, определяющим диэлектрические свойства зерна, является влажность, а к дополнительным, наиболее значимым факторам относятся плотность зерновой массы, гранулометрический состав, структура зерна (плотность зерновки, содержание белка, крахмала, клейковины), концентрация электролитов, а также температура [Столбов-1978; Секанов-1985, 2000; Nelson-1953, 1965, 1973, 1976, 1991; Jorgensen-1970; Corcoran-1970; Stetson-1970, 1972; Chugh-1973].

Возможность одновременного определения влажности и плотности зерновой массы по измеренным значениям действительного е'и мнимого е" компонентов КДП в мегагер-цовом диапазоне частот, в котором значительно упрощается построение двухкомпонент-ных диэлькометрических измерителей, впервые показана нами с использованием обобщенной эмпирической модели диэлектрических свойств зерна злаковых культур, разработанной в Исследовательском центре Министерства сельского хозяйства США Нельсоном и Крашевским [Nelson-1991; Kraszewski-1989]. Модель, полученная по совокупным данным для кукурузы, пшеницы, ячменя, овса, ржи и соевых культур при температуре 24 °С, дает следующие выражения для действительного е' и мнимого е" компонентов КДП:

1+-

к,Мр

3 Ч

-1

(3)

где М (%) - влажность зерновой массы, р (г/см3) - плотность зерновой массы, }т (Гц) -частота воздействующего ЭМП, а коэффициенты модели равны: = 0,504 (%)"' ■ (г/см3)"'; к2 = 1 (%)"1/2; к3 = 106 Гц; к4 = 0,146 (г/см3)"2; к; = 0,004615 (%)"2 • (г/см3)"2; к6 = 0,32; к7 = 1,743. Модель действительна в следующих диапазонах входящих в (3) переменных:

/= 5 МГц.. .5 ГГц, М= 8.. .26 %, р = 0,6... 1,3 г/см3.

(4)

Средняя погрешность предсказания модели составляет 5 % для е' и 10 % для е" [№1боп-1991]. Под влажностью зерновой массы (влажностью зерна) здесь и далее понимается отношение массы воды в зерне к массе влажного зерна, т.е. массовая доля воды в зерне. Это понятие влажности положено в основу действующего ГОСТ 13586.5-93. Зерно. Метод определения влажности. Под плотностью зерновой массы здесь и далее понимается масса единицы объема зерна.

Обоснованием возможности одновременного определения влажности и плотности зерновой массы по измеренным значениям действительного е' и мнимого е" компонентов КДП является графическое представление двухкоординатных полей значений действительного е' и мнимого е" компонентов КДП, а также значений тангенса угла диэлектрических потерь fg<^ = ¿'"/£ и действительного е' компонента КДП зерновой массы, вычисленных по уравнениям модели (3), для семейства кривых равных влажностей в диапазоне влажностей и плотностей, соответствующих модели (рис. 1). Из рис. 1 видна достаточная разрешающая способность графического определения Мир, особенно для графика в координатах г', Щ 8. Эта возможность может быть реализована в микропроцессорных узлах приборов в виде электронных таблиц, графиков или формул. Вместе с тем, при построении двухкомпонентных диэлькометрических измерителей влажности и плотности зерновой массы, для обеспечения достаточной точности измерений необходимо проведение

градуировок, связывающих выходные параметры двухкомпонентного измерителя с влажностью и плотностью зерновой массы конкретных злаковых культур.

а) б)

г"

Рис. 1. Двухкоординатное поле значений действительного г' и мнимого г" компонентов КДП (а), а также е' и tg д (б) зерновой массы, построенное по формулам модели Нельсона-Крашевского для семейства кривых равных влажностей М в диапазонах влажностей и плотностей, соответствующих модели. Плотность р зерновой массы в точках кривых слева направо равна 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2; 1,3 г/см3.

Отметим, что определение влажности и плотности зерновой массы по измеренным значениям компонентов КДП представляет собой косвенное измерение влажности и плотности, в соответствии с классификацией видов измерений, данной в РМГ 29-99. Рекомендации по межгосударственной стандартизации. Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения (п. 5.11). Это же относится к рассматриваемым далее в разделах 2-6 определениям значений параметров ПИП и измеряемых диэлектрических величин, а также значений измеряемых технологических характеристик материалов по измеренным значениям выходных параметров автогенераторного ДЦП.

Анализ работ по диэлектрическим свойствам почв, являющихся гетерогенными многофазными пористыми системами, показывает, что эти свойства определяются диэлектрическими свойствами составляющих ее фаз и их взаимодействием. Основными факторами, определяющими диэлектрические свойства почв, являются: диэлектрические свойства твердой фазы, содержание воды и формы ее связи с твердой фазой, содержание и состав растворенных солей, гранулометрический состав и плотность сложения почвы, частота или длительность импульса измерительного ЭМП, температура, паразитное влияние двойного электрического слоя на измерительных электродах. Полевая диэлькометрия почв получила развитие во второй половине прошлого века в виде приборов для определения влажности почв по компоненту, г' КДП с емкостными датчиками, работающими в диапазоне частот 1 ...100 МГц (частотный метод измерения) [МаЙ1е\У5-1963; Черняк-1964, 1987; ТЪотаз-1966; Клшд-1970, 1981; 8еН§-1975; \Vobschall-1978; Хлыстун-1982; МаНскь 1983; Судницын-1987; Плакк-1989; ]1оЫп5оп-1993]. Диэлькометрические влагомеры почв быстро вытеснили кондуктометрические аналоги, в которых существует сильная зависимость показаний не только от влажности, но и от содержания растворенных солей в почве. Однако электропроводность почвы вносит погрешность в определение влажности и в ди-элькометрических влагомерах, вследствие возрастания диэлектрических потерь в емкостном датчике. Стремление уменьшить эту погрешность путем перехода на более высокие частоты измерения, что дает увеличение отношения информативных токов смещения к токам проводимости в емкостном датчике, ограничивается проявлением свойств длинных линий в датчиках, искажающих его электрические характеристики.

Результатом явилось применение и активное развитие во влагометрии почв метода пространственно-временной рефлектометрии с датчиком в виде отрезка двухпроводной линии, в котором уменьшаются погрешности от влияния электропроводности почв, а гра-

дуировочные характеристики меньше зависят от вида почв [Davis-1975, 1977; Chudobiak-1979; Topp-1980, 1981, 1982, 1984, 1985; Patterson-1981, 1984; Topp-1984, 1998; Baker-1989, 1990; Whalley-1993, 1994; Андриянов-2001]. Дальнейшее развитие этого метода привело к его использованию для одновременного определения влажности и электропроводности почв по времени прохождения и затуханию импульса в датчике, т.е. к созданию TDR-метода двухкомпонентной диэлькометрии [Dalton-1984, 1986; Dasberg-1985; Das-berg-1985; Nadler-1991; Malicki-1994,1999; Stacheder-1994; Robinson-2003],

Однако высокая стоимость средств ТОИ-двухкомйонентной диэлькометрии (приборы Easy Test Института агрофизики Польской академии наук, TDR система английской компании Campbell Scientific Ltd.) стимулирует создание более дешевых коммерческих средств двухкомпонентной диэлькометрии, использующих частотный метод измерения. К таким средствам относятся датчик WET Sensor английской фирмы Delta-T Devices Ltd. (рабочая частота 20 МГц) и датчик 5ТЕ фирмы США Decagon Devices Inc. (рабочая частота 70 МГц), измеряющие влажность, электропроводность и температуру почв.

Эти появившиеся в последнее время за рубежом и охраняемые как объекты промышленной собственности двухкомпонентные диэлькометрические измерители влажности и электропроводности почв, использующие частотный метод измерения, а также дорогостоящие измерители, использующие метод пространственно-временной рефлектомет-рии ограничивают создание отечественных конкурентоспособных разработок.

В связи с этим поиск новых решений и разработка конкурентоспособных средств двухкомпонентной диэлькометрии и, в первую очередь, измерительных преобразователей, пригодных для инструментального контроля агротехнологий в полевых условиях, и исследование новых возможностей их применения в технологическом контроле, являются актуальной проблемой, направленной на повышение эффективности сельскохозяйственного производства.

В диссертационной работе эта проблема решена путем разработки впервые предложенных автогенераторных ДДП, обеспечивающих разделение информации о действительном и мнимом компонентах КДП материала, введенного в ЭМП ПИП, благодаря инерционной стабилизации амплитуды колебаний на линейном участке амплитудной характеристики усилителя колебаний автогенератора [Патент РФ на изобретение № 2361226 с приоритетом от 28.09.2007 г., автор Ананьев И.П.].

Разработка этих преобразователей и составили цель и задачи данной работы.

Раздел 2. Основы теории и принципы построения автогенераторных ДДП с емкостным ПИП и инерционной стабилизацией амплитуды колебаний на линейном участке амплитудной характеристики усилителя колебаний

Принцип построения предложенного автогенераторного ДДП с емкостным ПИП и инерционной стабилизацией амплитуды колебаний реализован в базовой функциональной схеме (рис. 2), которая содержит тракт высокой частоты (ВЧ), содержащий усилитель ВЧ AI с управляемым усилением, к выходу которого через последовательный резистор Rs подключен параллельный колебательный контур с емкостным ПИП, замыкающий петлю положительной обратной связи (ПОС) для усилителя ВЧ. Возбуждение колебаний обеспечивается петлей ПОС, напряжение которой снимается с делителя, образованного Rs и колебательным контуром. Амплитуда ВЧ колебаний на линейном участке амплитудной характеристики А1 удерживается каналом инерционной стабилизации амплитуды. Выходное напряжение амплитудного детектора А2 сравнивается с опорным напряжением Uon на входах усилителя сигнала рассогласования A3, с выхода которого подается на вход управления усилением усилителя AI. Характеристика управления усилением AI, полярности выходного напряжения А2 и входов A3 выбраны так, что по огибающей амплитуд колебаний осуществляется отрицательная обратная связь (ООС). Схема рис. 2 соответствует усилителю AI с возрастающей зависимостью коэффициента усиления Куп от управляющего напряжения Uyn- Опорное напряжение Uon задает амплитуду ВЧ колебаний генератора в установившемся (стационарном) режиме. Усилитель A3 с фильтром Я/Я^С® - стати-

ческое звено первого порядка, определяющее инерционность стабилизации. Генераторы такого типа относятся к классу автогенераторов с инерционной нелинейностью [Харке-вич-1963].

Колебательный контур автогенератора (рис. 2) образован катушкой индуктивности Ь с малой параллельной проводимостью и емкостью Сх. Емкость колебательного контура Сх равна Сх = Спип + Сп, где Спип - информативная емкость ПИП, характеризующая действительный компонент е' КДП материала в измерительном объеме ПИП, Сп - определяемая при калибровке паразитная емкость колебательного контура, учитывающая емкость монтажа, соединительных кабелей и неиспользуемых областей ПИП. Проводимость потерь колебательного контура Ох(Сх = 1/Ла-, где Л* - сопротивление потерь колебательного контура) определяется проводимостью емкостного ПИП впип и параллельной проводимостью катушки Ос. Сх = впип 1

ТРАКТ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ

Раонансная система

АЗ Усимтсль сигнат ¡х/ссог.тсотиня

канал инерционной стабилизации лшглипды

Рис. 2. Функциональная схема автогенераторного ДДП с емкостным ПИП в параллельном колебательном контуре на основе автогенератора с инерционной стабилизацией амплитуды колебаний.

При условии стационарности ЭМП в емкостном ПИП, означающем, что время установления электромагнитных процессов в ПИП намного меньше периода автоколебаний, действительный е' и мнимый е" компоненты КДП (1), а также электропроводность а (2) и тангенс угла диэлектрических потерь материала связаны с информативной емкостью Си, проводимостью блял емкостного ПИП и круговой частотой автоколебаний юдос соотношениями: '

¿ = Сщп_Кп <ч>

а.

^кп , а^К,,

£п £

(5)

где Кп (м") - геометрическая константа емкостного ПИП.

В диссертации дан теоретический анализ работы автогенераторного ДДП с емкостным ПИП и инерционной стабилизацией амплитуды колебаний, позволяющий исследовать условия возникновения и стационарного режима автоколебаний, динамические процессы установления колебаний и устойчивость стационарного режима. Анализ проведен для случая нулевого фазового сдвига в усилителе колебаний А1, при этом высокочастотный тракт автогенератора на линейном участке амплитудной характеристики описывается линейным однородным дифференциальным уравнением второго порядка с переменными коэффициентами для мгновенного значения напряжения на колебательном контуре. Ана-

лиз динамических процессов в автогенераторе проведен на основе уравнения для огибающей амплитуд ВЧ колебаний на выходе усилителя AI и уравнения для частоты колебаний, полученных из уравнения для мгновенного значения напряжения на колебательном контуре и уравнения связи мгновенных значений напряжений иувч и ик (рис. 2) методом медленно меняющихся амплитуд Ван-дер Поля, а также уравнения для управляющего напряжения Uyn на выходе канала инерционной стабилизации амплитуды колебаний ик.

Показано, что при коэффициенте усиления усилителя AI, равном

Куп = Купк =1 + ' n S , (6)

потери в колебательном контуре компенсируются для мгновенных значений напряжения колебаний усилением мощности в усилителе в течение всего периода колебаний, колебания становятся чисто гармоническими с постоянной амплитудой, а частота автоколебаний равна собственной резонансной частоте колебательного контура без потерь:

®osc =®о = 1Л/ЩГ- (7)

Это режим консервативных колебаний, который соответствует как режиму установившихся колебаний (стационарный режим), так и порогу самовозбуждения генератора. Таким образом, благодаря удержанию колебаний на линейном участке амплитудной характеристики усилителя AI отсечка колебаний отсутствует и ПОС полностью компенсирует потери в колебательном контуре, создаваемые Gx (или Rx = 1 /Gx), а равенство (7) позволяет измерять емкость колебательного контура Сх по частоте со ose с исключением влияния потерь контура, и с учетом паразитной емкости Сп и первого из соотношений (5) вычислять е' материала с исключением влияния диэлектрических потерь (фактора потерь г").

Диапазон управления усилением Купк (6), требуемый для обеспечения стационарного режима при заданном диапазоне изменения сопротивления потерь Rx, регулируется выбором Rs, выполняющего функцию диапазонного резистора (рис. 3, а, Ri= 50 Ом). а) б)

"к

Км Я, = 10(1 Оч R 1 1 кОм *„ •- 77™ *»"100 °м " 1 к0"'

V''' 4 \ ■ \ ' - \

- • , •. • V \ X • \

: ■ | / ; V'

"/l А \ /П.

/■ 1 ! ■ / ' i ' 1 ;

у ■ ■ / . м-

/ i '■/ ';/ у.' i ; I

" И: 1 '■ ! < i i'

я,. ом

10 I» МО- 110' 11(1- |0 ,„, , „,. ,. 1СГ.

Рис. 3. Характеристики автогенераторного ДДП с емкостным ПИП в стационарном режиме: зависимость коэффициента усиления Купк усилителя с управляемым усилением (о) и модуля коэффициента передачи по напряжению ки делителя резистор Rs - колебательный контур в цепи ПОС (б) от сопротивления потерь Rx колебательного контура и сопротивления диапазонного резистора Rs.

Сопротивление потерь колебательного контура Rx,, связанное с проводимостью потерь контура Ох и проводимостью емкостного ПИП Опии соотношениями: Ях = \Юх = 1/(С?лил + б^), определяется по напряжениям на плечах делителя: резистор - колебательный контур с емкостным ПИП, - по формулам:

Rx = R$\ Чт..

и„

иг

UyB4 UК

Ry-R*

и„

Rv +

(8)

-f s, /. ' f" ,

"JyB4 J\f"r'llS

где Uувч, Urs, Uk - амплитуды напряжений на входе делителя (выход усилителя AI), на резисторе Rs и на колебательном контуре (рис. 2), кц - модуль коэффициента передачи по напряжению делителя. При высокой стабильности напряжения 17увч, для определения Rx достаточно измерения Uk, либо падения напряжения на Rs. Когда стабильность напряже-

ния 1/увч недостаточна, Ях определяют через кц (8) путем измерения амплитуд напряжений на колебательном контуре и на входе делителя (рис. 3, б).

Проведен анализ динамических процессов установления колебаний в автогенераторе, которые зависят от закона управления усилением Куп(иуп) усилителя А1. Показано, что частота автоколебаний в переходном режиме (еШуп/Ж * 0) отличается от частоты в стационарном режиме, но при выполнении условий стационарного режима становится равной собственной резонансной частоте колебательного контура без потерь (7). Исследована устойчивость стационарного режима колебаний с использованием критерия Рауса-Гурвица и показано, что при отсутствии фазового сдвига колебаний в А1 система устойчива всегда, когда выполняется условие самовозбуждения колебаний. Получена формула для вычисления стабильности амплитуды стационарных колебаний при изменении сопротивления потерь контура Кх-

Описанное теоретическое рассмотрение работы автогенераторного ДЦП с емкостным ПИП на основе дифференциальных уравнений проведено для случая отсутствия фазового сдвига в усилителе колебаний А1, что позволило упростить анализ динамических процессов и устойчивости стационарного режима колебаний. Для современных широкополосных усилителей колебаний с полосой пропускания в сотни мегагерц этот подход справедлив для частот автоколебаний 0,1... 1 МГц, используемых для измерения влажности и объемной плотности зерновой массы (см. раздел 4). Однако при частотах в десятки мегагерц, используемых для измерения влажности и электропроводности почв (см. разделы 5, 6), проявляется фазовый сдвиг колебаний, который необходимо учитывать.

С этой целью выполнен анализ стационарного режима колебаний с использованием метода комплексных амплитуд и комплексной передаточной функции широкополосного апериодического усилителя А1:

Кт 0'®) = кш Не"'4 = Ку„ (а>)соз<г>(й>) +]Кт (гфт^й)),

в которой модуль Кш(а) является амплитудно-частотной, а аргумент <р(со) - ф^зо-

частотной характеристикой усилителя. Это позволяет исследовать влияние сдвига фазы (р(ю) колебаний в А1 на разделение активной и реактивной составляющих импеданса емкостного ПИП в автогенераторном ДЦП. Считая входные сопротивления усилителя А1 и детектора А2 бесконечно большими и пренебрегая влиянием внешних цепей, подключенных к Вых.1 и Вых.2 (рис. 2), приходим к следующей системе уравнений Кирхгофа в комплексной форме:

вых = куп ивх = куп и к > 9ых — уувч = ^ 1вых >

■ вч ~ их = ¡ВЫХ > (9)

с=Ьых = \1Г + 1соСх+-^-Т ^ • ^Л, JC0L)

В этих уравнениях йвх, IIвьш, иувч, Ок, 1ВШ, 1РС - комплексные амплитуды мгновенных напряжений ивх, "вых, «увч, "к и токов /ВЫх, *рс-

Решением системы (9) является комплексное тождество, которое для его действительной и мнимой частей дает систему уравнений:

Кт(®>шр(<в)-(Я, + ^)С, = 0.

(10)

Первое уравнение системы (10) является условием консервативного режима колебаний, при котором амплитуда колебаний не убывает и не возрастает. Модуль коэффициента усиления куп (а) усилителя А1 для этого режима согласно первому уравнению равен:

K»W=—Wí^l- (11)

cosp(ft)) I, rxj

Из (11), также как из (6), видно, что Купк не зависит от постоянной амплитуды колебаний (в пределах линейного участка амплитудной характеристики Al), поэтому значение Куп (<*>)= Купк (cu) соответствует как порогу самовозбуждения генератора, так и режиму установившихся колебаний (стационарный режим). Второе уравнение системы (10) с учетом (11) дает уравнение для частоты консервативных автоколебаний coosc '■

Формулы, полученные диссертантом в результате анализа, для расчета параметров высокочастотного тракта ДДП, емкостного ПИП и диэлектрических характеристик тестируемого материала по выходным параметрам автогенератора в стационарном режиме колебаний, приведены в табл. 1. В этих формулах круговая частота со заменена на циклическую f. f = со/ 2 л-, а фазовый сдвиг колебаний в радианах на частоте автоколебаний fose выражен через частоту среза fcp амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) апериодического широкополосного усилителя колебаний Al на уровне -3 дБ, и при/а> »fose равен

jcp ' jcp

В табл. 1 приняты следующие обозначения: fose - частота автоколебаний при произвольных Сх, Gx ; foseвз, fose м - частоты автоколебаний при положении емкостного ПИП в воздухе и при заполнении его измерительного объема тестируемым материалом; L, ЬВз, LM - индуктивности колебательного контура при частотах fose, fose вз, fose м (незначительная зависимость L от частоты наблюдается в катушках с ферромагнитным сердечником).

Как следует из формул табл. 1, при нулевом фазовом сдвиге колебаний (fosc/fcp~ 0) частота автоколебаний определяется только частотой колебательного контура без потерь, что позволяет измерять емкость ПИП по частоте колебаний с исключением влияния потерь контура и, соответственно, определять действительный компонент е' КДП материала с исключением влияния диэлектрических потерь (фактора потерь е"). При этом модуль коэффициента передачи кц выходного делителя автогенератора зависит только от проводимости потерь Gx колебательного контура, что позволяет определять проводимость емкостного ПИП (?яш, мнимый компонент е" КДП и электропроводность <т тестируемого материала с исключением влияния г'.

Таблица 1. Формулы для расчета параметров высокочастотного тракта, емкостного ПИП и диэлектрических характеристик тестируемого материала по измеренным выходным параметрам автогенераторного ДДП с емкостным ПИП, включенным в параллельный колебательный контур автогенератора, в стационарном режиме колебаний

№ пп. Измеряемые/определяемые параметры Ед. изм. Расчетные формулы

1. Коэффициент усиления управляемого УВЧ Al в стационарном режиме Купк - 44 Afcp)_

2. Частота автоколебаний в стационарном режиме f0sc Гц f - 1 ■ Ti 1 f^í 1 г1 Уожо] Josc 2ttJLC~x[ 2УСДЛ,. + Д5 Rz) fe, J" / = 1

Емкость колебательного контура Сх Информативная емкость ПИП Стт_

Ф Ф

С, =-

1 1

(2xfoscfL 2xfcp{R¡ + Rs Rx С пип = Сх - Сп _

Паразитная емкость колебательного контура Сп

С„ =

(2 nf0SC^LB1 2*+ Кп

Действительный компонент КДП тестируемого материала е'

£' = 1 + -

£0 (2 Л foSCBi)

- —1

е„ 1л /„

Модуль коэффициента передачи ки делителя: резистор - колебательный контур

1+ i»

1нГл*г1 [1 + _«!_Í¿S-V|

UJ.

При R¡« Rs: t

gyr,+1

Ч/о-

Проводимость колебательного контура Gx

1 + íi т fose 1

fcJ Ít1+Rs) {/cry

► -М

Проводимость емкостного ПИП впип

См

При R, «Rs: q =.

ки = Рк / м

Gnm -Gx - Glp

fe,

] Ufóse

H fCP

-1

Мнимый компонент КДП тестируемого материала е"

Infos

lo.

Электропроводность тестируемого материала а

См/м

о- GnnnKn

Тангенс угла диэлектрических потерь тестируемого материала fg д_

tg5 = --

Оценки по формулам табл. 1 показывают, что при использовании в ВЧ тракте автогенератора широкополосных усилителей с эквивалентной полосой пропускания 150 МГц и выше, для влажных зерна и кормовых трав на частотах измерения 0,5 - 2 МГц систематическая фазовая относительная погрешность определения компонента е' составляет для зерна менее 0,5 %, для высоковлажных трав - менее 1 %, а систематическая фазовая приведенная погрешность определения компонента е"и электропроводности а - сотые доли процента. Это позволяет пренебрегать фазовыми погрешностями при разработке соответствующих автогенераторных ДДП для средств агротехнологического контроля и считать, что автогенераторный ДДП обеспечивает полностью раздельное определение компонентов КДП. В то же время, при тестировании влажных почв на частотах от 1 до 50 МГц систематическая фазовая относительная погрешность определения компонента е' составляет от 0,5 до 30 %. Это требует использования полных расчетных формул табл. 1, учитывающих фазовый сдвиг, либо применения цепей коррекции фазо-частотной характеристики усилителя автогенератора и проведения градуировок для получения экспериментальных градуировочных характеристик автогенераторного ДДП (раздел 5).

В результате теоретических исследований, изложенных в разделе 2, разработана обобщенная структурная схема построения двухкомпонентных диэлькометрических средств инструментального контроля агротехнологий на основе автогенераторного ДЦП с емкостным ПИП: автогенераторного двухкомпонентного диэлькометра для измерения диэлектрических характеристик сельскохозяйственных материалов, измерителя влажности и плотности зерновой массы, измерителя объемной влажности и электропроводности почв (рис. 4).

" с (О)

Аотэгенераторный ДЦП с емкостным ПИП

Автогенера торный даухкомпонентныи диэлькометр

Автогенераторный двух-компонентный диэпько- . метрический измеритель./, технологических характеристик материалов (элпж-ности М и плотности р зермооой массы или объемной влажности Си ' элечтрогрооодности <т по^в)

Оп;*+д«л»ми« знамении параметров емкостного ПИП С.-ич-С^п И измеряемых диэлектрических величин г г, г. 1д «»но измеренным значениям выходных параметров ечтогенерзтор-нсхоДДП:

1. При отсутствии фаэсжгао сдсига в ус/лителе кояебо-иии («р» 0) • прямое рн> дельное преобразование частоты автоколебаний

о и г . и

соответственно,

*,,илйв,1гЯ,г /■ и <т;

2. При (>«1 - использование формул для О с оценкой фгюпых погрешностей;

3 В случае применения цепей коррешии £азо-ч.)с-ТОТНОЙ Характеристики ♦ 1"С-

иольхшнин лну* компонентных граду* рсоочных эапн-си постен {,-,<-с, или v,,,. полученных методом ялекгричеоих эквига-центов, либо с помоиью калибровочных диэлектрических жидкостей

Емкостный первичный измерительный преобразователь

Преобразование измеряемых диэлектрических величин о информативные параметры емкостного ПИП Спип.

Автогенератор с инерционной стабилизацией амплитуды колебаний

Преобразование параметров емкостного ПИП выходные параметры автогенератора;

Температурная коррекция резулъ-тагов определений значений лиэпект-{нмеских величин. Преобразование результатов о г реле пения г .г . (Г. 1д I1» к нормальной температуре

Определение значений измеряемых технологических характеристик млтериалов (влажности Ми плотности ^зерно-сой массы, объемной влажности 0 и электропрочности <ТПОЧВ) го значениям ныходмых параметров аотогенератсрного ДДП. Испольэо оание доухко-осдинатных градумро-еонных зависимостей кц или иг/>, сняты* эксперимвмталь. но для заданных диапазонов измерений влажности и пло1 мости зер-нсоой массы или заданных диапазоне*) изменения объемной влажности и эле«тролроволнос-

Темперагурная коррекция розупь-татов определения значений технологических характеристик тестируемых материалов.

Преобразование

результатов определения Ми р зерна или 0 и ггпочэ к нормальной температуре.

Выход диэлыометра

с . <т, (

Выход измерителя М и />зерна или о и ст почв, и температуры /

Рис. 4. Структурная схема построения и функционального преобразования измерительной . информации двухкомпонентных диэлькометрических средств инструментального контроля агротехнологий на основе автогенераторных ДЦП.

Раздел 3. Основы теории и принципы построения автогенераторных ДДП с индуктивным ПИП и инерционной стабилизацией амплитуды колебаний на линейном участке амплитудной характеристики усилителя колебаний

Принцип построения автогенераторного ДДП с индуктивным ПИП и способы определения диэлектрических характеристик материалов с его использованием основаны на зависимости параметров индуктивного ПИП - индуктивности ¿х и последовательного сопротивления потерь гх - от диэлектрических характеристик тестируемых материалов, находящихся в его ЭМП. Индуктивность Ьхм и сопротивление потерь гХм индуктивного ПИП, в гармоническом ЭМП которого находится тестируемый материал, определяются выражениями:

Аш = ^ХВЗ + ' ГХМ ~ 'Ь + ГЮЛ + ГЫ1 ~ гхвз + гвп > ('2)

где ЬХвз - индуктивность преобразователя в воздухе, ¿вн - индуктивность, вносимая тестируемым материалом, г0 и о«/г - сопротивление собственных потерь и сопротивление излучения индуктивного . ПИП, гвп - сопротивление, вносимое тестируемым материалом, гХвз - сопротивление потерь в воздухе, равное суммарному сопротивлению собственных потерь и излучения. Взаимодействие индуктивного ПИП с исследуемой средой можно рассматривать с позиций трансформатора, в котором индуктивный ПИП является первичной обмоткой, в исследуемая среда - вторичной обмоткой, индуктивно связанной с первичной и образующей цепь последовательно включенных индуктивного, емкостного и активного сопротивления среды. В области частот электромагнитного поля / < 300 МГц, значений действительного компонента КДП тестируемого материала е' < 100 и электропроводности а < 1 См/м отношение индуктивного сопротивления кольцевых витков тестируемого материала, соосных и индуктивно связанных с кольцевыми витками индуктивного ПИП, к емкостному сопротивлению и к активному сопротивлению этих витков материала не превышает сотых долей единицы. В этой области вносимая индуктивность Ьвн и вносимое сопротивление гвн индуктивного ПИП практически пропорциональны ¿-'-I и о, и определяются формулами:.

=(2я/Ро)2£<>{£'гв„ ={2я/РоТ<тКги, (13)

где Цо = 4л-10"7 Гн/м - магнитная постоянная, КГц (м3) - геометрическая постоянная, определяемая геометрией индуктивного ПИП, геометрией и расположением тестируемой среды по отношению к ПИП при измерениях.

Для решения задачи раздельного определения компонентов комплексной диэлектрической проницаемости и электропроводности тестируемого материала автогенераторный диэлькометрический преобразователь с индуктивным ПИП должен обеспечивать возможность определения индуктивности и последовательного сопротивления потерь гх индуктивного ПИП. Определение этих параметров при положении ПИП в воздухе дает значения Ьхвз ~ индуктивности преобразователя в воздухе и гхвз = го + гизл - суммарного сопротивления собственных потерь и излучения преобразователя. Определение этих параметров при воздействии на преобразователь тестируемой среды Ьхм и г хм и вычитание из них параметров, найденных при положении ПИП в воздухе, позволяет вычислить вносимую индуктивность Ьвн и вносимое сопротивление гщ/. По вычисленным значениям Ьвн и гци с использованием формул связи (13) для измеренной частоты автоколебаний/=/о5с при воздействии на ПИП тестируемого материала и полученной при калибровке геометрической постоянной КГи находят действительный компонент КДП е' и электропроводность а тестируемого материала. Мнимый компонент е" материала определяют по а из соотношения: е" = ег/2;г/О5Се0.

Проведенный в работе теоретический анализ автогенераторных ДДП с индуктивным ПИП, включенным в параллельный и в последовательный колебательный контур, показывает, что предпочтительным является автогенераторный ДДП с индуктивным ПИП в последовательном колебательном контуре, т.к. при отсутствии фазового сдвига в усилителе колебаний он обеспечивает полностью раздельное определение индуктивности Ьх ПИП

по частоте автоколебаний и сопротивления потерь гх ПИП по модулю коэффициента передачи выходного делителя автогенератора.

Базовая функциональная схема автогенераторного ДДП с индуктивным ПИП в последовательном колебательном контуре (рис. 5) содержит тракт высокой частоты, состоящий из ВЧ усилителя А1 с управляемым усилением и линейной амплитудной характеристикой, в выходную цепь которого включен делитель, выполненный из последовательного колебательного контура с индуктивным ПИП и заземленного резистора Возбуждение колебаний обеспечивается петлей ПОС с выхода делителя, имеющего максимальный модуль коэффициента передачи на частоте автоколебаний, на вход усилителя А1. Удержание колебаний на линейном участке амплитудной характеристики усилителя осуществляется каналом инерционной стабилизации амплитуды, в котором выходное напряжение усилителя А1 детектируется амплитудным детектором А2 и сравнивается с опорным напряжением Поп в усилителе сигнала рассогласования АЗ, выходное напряжение которого подается на вход управления усилением усилителя ВЧ колебаний А1. Характеристика управления усилением А1, полярность выходного напряжения А2 и полярность входов АЗ выбраны такими, что в системе осуществляется ООС.по огибающей амплитуд колебаний. Опорное напряжение 11оп задает амплитуду ВЧ колебаний в установившемся (стационарном) режиме на линейном участке амплитудной характеристики усилителя А1.. Фильтр ЛЛСф в цепи ООС усилителя АЗ определяет постоянную времени переходных процессов в системе (инерционность стабилизации).

КАНАЛ Ш1ЕГ1ШОШ юн стлатплшш АМПЛИТУДЫ

Благодаря инерционной стабилизации амплитуды колебаний на линейном участке амплитудной характеристики усилителя Л/ отсечка колебаний исключается и ПОС полностью компенсирует потери в колебательном контуре для мгновенных значений напряжения колебаний в течение всего периода колебаний. Поэтому частота автоколебаний при отсутствии фазового сдвига сигнала в ВЧ усилителе генератора определяется только собственной резонансной частотой колебательного контура без потерь, что позволяет измерить индуктивность ПИП по частоте колебаний с исключением влияния потерь контура и, соответственно, вычислить е' материала с исключением влияния фактора диэлектрических потерь е": В качестве двух выходных информативных параметров автогенераторного ДЦП используются частота автоколебаний fose на ВЧ выходе автогенератора (Вых. 1 на рис. 5) и модуль коэффициента передачи кд делителя колебательный контур - сопротивление Rs, равный отношению модулей напряжений на резисторе Rs и на ВЧ выходе

ТРАКТ ВЫСОКО/1 ЧАСТОТЫ

Рис. 5. Функциональная схема автогенераторного ДЦП с индуктивным ПИП в последовательном колебательном контуре на основе автогенератора с инерционной стабилизацией амплитуды колебаний.

(Вых. 2 и Вых. 1) кд =|í/ja|/|^yBv|: Кроме того, вторым информативным параметром может служить напряжение управления усилением Uyn усилителя Al.

Анализ стационарного режима работы автогенераторного диэлькометрического преобразователя с индуктивным ПИП в последовательном колебательном контуре (рис. 5), с учетом фазового сдвига колебаний в усилителей/, основанный на решении системы уравнений Кирхгофа для высокочастотного тракта методом комплексных амплитуд, дает полученные диссертантом расчетные формулы для параметров высокочастотного тракта, индуктивного ПИП и диэлектрических характеристик тестируемых материалов, приведенные в табл. 2. В формулах фазовый сдвиг выражен через отношение частоты автоколебаний fose к частоте среза fcp амплитудно-частотной характеристики апериодического усилителя АЗ на уровне -3 дБ по аналогии с табл. 1. В табл. 2 использованы обозначения рис. 5, формул (12), (13); частоты автоколебаний в воздухе и с тестируемым материалом обозначены соответственно foscm , f0scM ■

Таблица 2. Формулы для расчета параметров высокочастотного тракта, индуктивного ПИП и диэлектрических характеристик тестируемого материала по измеренным выходным параметрам автогенераторного ДДП с индуктивным ПИП, включенным в последовательный колебательный контур автогенератора, в стационарном режиме колебаний

№ пп. Измеряемые / определяемые параметры Ед. изм. Расчетные формулы

1. Коэффициент усиления управляемого усилителя Al в стационарном режиме Купи - .дМ1 Au) _

2. " Частота автоколебаний в стационарном режиме fose Гц fose fose0 J 1 ' fosco "fu"-/ " собственная резонансная 2ttJLxCk частота колебательного контура без потерь

3. Индуктивность ПИП (колебательного контура) Lx Индуктивность, вносимая тестируемым материалом, LBh Гн Гн LX~ Н , In f (R<+r*+RS) (2 я fosc) СК 2л■/„ г г г 1 Í 1 1 ) 1 1 - LBH LXM LXB1 , ,2 ,2 fl \ r f rBH \ 71) V °г'с м B't) К J CP

4, Модуль коэффициента передачи кд делителя: последовательный колебательный контур - резистор Rs - * л IM г fe-íf i R, 1 +- Rs (tí

5. Сопротивление потерь гх индуктивного ПИП, определяемое по модулю коэффициента передачи кд делителя: последовательный колебательный контур - резистор Rs, - и частоте ав- . токолебаний fose Ом -LÍ-L-íaV' \*д + *i UJ U,J U JUJ

1 При R,«RS: г - R _L 5 t [Кд кд = I^äs •(tí .'-ífrJH /Ы

6. Сопротивление потерь гх индуктивного ПИП, определяемое по Купк и частоте автоколебаний fose Ом гх - Rs Купк ] -Я,

Áfer)

7. Вносимое сопротивление потерь гви Ом Гвн-Гхм- Гхвз

8. Действительный компонент КДП тестируемого материала е' - ¿ Lm г +1 (2 л f0SCM //„) еаКт

9. Электропроводность тестируемого материала (X См/м а- Г«н 2 (ZxfoscMо) кги

10. Мнимый компонент КДП тестируемого материала - * сг £ -- 2 71 fose £0

И. Тангенс угла диэлектрических потерь тестируемого материала tg S - с- Е" . tgS = — £

Как видно из формул табл. 2, при нулевом фазовом сдвиге колебаний в усилителе ■Al (fose/fcp индуктивность ПИП Lx определяется по частоте автоколебаний, а сопротивление потерь ПИП гх - по коэффициенту передачи делителя кд с исключением взаимного влияния, т.е. автогенераторный ДДП с индуктивным ПИП в последовательном колебательном контуре обеспечивает полностью раздельное определение Lx и г;<. Для получения близкого к нулю фазового сдвига колебаний необходимо использовать широкополосные усилители колебаний с высокими значениями частот среза fcp АЧХ по сравнению с частотами автоколебаний fose• Кроме того, может быть использована коррекция фазо-частотной характеристики усилителя, обеспечивающая близкий к нулю фазовый сдвиг колебаний в диапазоне частот автоколебаний.

Раздельное определение индуктивности и сопротивления потерь индуктивного ПИП по сигналам первой и второй выходных цепей для автогенераторного преобразователя с индуктивным ПИП в последовательном колебательном контуре при наличии фазового сдвига производят по формулам разделения, связывающим определяемые параметры Lx и гх с измеряемыми на выходах автогенераторного преобразователя. При этом по приведенным в табл. 2 формулам сначала определяют сопротивление потерь гх индуктивного ПИП по модулю коэффициента передачи делителя или Купк с использованием измеренной частоты автоколебаний fose и известной частоты среза fcp АЧХ усилителя колебаний (формулы пунктов 5 и 6 табл. 2), а затем определяют индуктивность Lx по fose, fcp и гц (формулы пункта 3 этой табл. 2). При использовании коррекции фазо-частотной характеристики усилителя, не обеспечивающей полного сведения к нулю фазового сдвига колебаний в полосе частот автоколебаний, необходима экспериментальная градуировка путем построения двухкоординатных градуировочных зависимостей пары информативных выходных параметров автогенераторного ДДП с индуктивным ПИП от влажности и электропроводности тестируемого материала.

Раздел 4. Исследование и разработка автогенераторных ДДП с емкостным ПИП для средств двухкомпонентной диэлькометрии зерна

В этом разделе показана возможность одновременного определения влажности и плотности зерновой массы с использованием автогенераторного ДДП, рассмотрено схемотехническое построение и макетирование автогенераторного ДДП влагомера зерна со свободной засыпкой пробы в емкостную коаксиальную ячейку. Представлены результаты экспериментального исследования влияния плотности зерновой массы на результат опре-

деления влажности при свободной засыпке пробы и возможности его уменьшения за счет двухкомпонентных диэлькометрических измерений.

Возможность одновременного определения влажности и плотности зерновой массы на основе двухкомпонентных диэлькометрических измерений, показанная в разделе 1 для фиксированной частоты измерений, для автогенераторного ДДП обоснована моделированием функций преобразования влажности и плотности зерновой массы в выходные параметры автогенераторного ДЦП. Для моделирования использована рассмотренная в разделе 1 обобщенная модель диэлектрических свойств зерна злаковых культур и приведенные в разделе 2 результаты теоретического анализа автогенераторного ДЦП с емкостным ПИП (табл. 1). Приравниванием выражений для г'из обобщенной модели (3) и из п.5 табл. 1, связывающего е' с параметрами автогенераторного преобразователя, получено трансцендентное уравнение (14) для расчета частоты автоколебаний foscM при влажности М и плотности р, соответствующих модели. Аналогично, приравниванием выражений для е" из модели (3) и из п. 8 табл. 1; связывающего е"с параметрами автогенератора, с учетом зависимости Gmm от ки (п. 7 табл. 1), получено уравнение (15) для расчета модуля коэффициента передачи ки делителя: резистор Rs - колебательный контур, - при различных М и р, в котором используется частота foscM, найденная из (14). Эти уравнения имеют вид:

fose аг\ L,

fose В1 fose и

fose

fas*.

к, Up

1¡2J~M g

fos I

(14)

] [ foscM

H и

Р¡foscM ео f

Rs к,4 + к5 М2

Кп К

--1

lg-

(15)

Входящие в (14), (15) обозначения соответствуют схеме рис. 2 и табл. 1; /обсвз, foscM (Гц) - частоты автоколебаний при положении емкостного ПИП в воздухе и при заполнении его измерительного объема тестируемым материалом; Ьвз, Lm (Гн) - индуктивности колебательного контура на частотах foscs3, foscM-

Уравнения (14), (15) решались численным методом с использованием встроенных функций и графики вычислительной компьютерной системы MathCAD 2001i. После расчета значений частоты автоколебаний fose м и модуля ки, с использованием формул табл. 1 и входящих в них констант рассчитывались параметры колебательного контура автогенератора, параметры емкостного ПИП и диэлектрические характеристики материала (s', s", о; tg S), определяемые по выходным параметрам автогенератора. Все расчеты проводились для семейства кривых равной влажности М = 8; 12; 16; 20; 26 %, в каждой из которых значения плотности задавались равными 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2 и 1,3 г/см3, что соответствует области значений (4), для которых получена модель (3).

В расчетах использовались параметры экспериментального макета автогенераторного ДДП с емкостным коаксиальным ПИП, реализующего функциональную схему рис. 2, и аналогичного макету, структурная схема которого представлена на рис. 7. Результаты моделирования функций преобразования влажности и плотности зерновой массы в выходные параметры автогенераторного ДДП представлены на рис. 6 в виде графиков с координатами пар значений, выходных измеряемых/определяемых параметров автогенера-торпого ДДП: частоты автоколебаний fose и и модуля коэффициента передачи кц делителя резистор Rs- колебательный контур (рис. 6, о); частоты автоколебаний foscM и тангенса угла диэлектрических потерь tg S (рис. 6, б). Из графиков видно, что автогенераторный ДДП с парами значений выходных параметров, представленных на графиках рис. 6, может использоваться для раздельного определения влажности и плотности зерновой массы.

Возможность одновременного определения влажности и плотности зерновой массы с использованием автогенераторных ДЦП открывает перспективы разработки автогенераторных двухкомпонентных диэлькометрических влагомеров зерна с автоматической коррекцией влияния плотности на показания влажности и влагомеров-плотномеров зерна, включая зондовые.

Рис. 6. Поля пар значений выходных измеряемых/определяемых параметров автогенераторного ДДП с емкостным коаксиальным ПИП для области значений влажности и плотности зерновой массы (4), соответствующей обобщенной эмпирической модели диэлектрических свойств зерна злаковых культур (3). Значения влажности М для кривых равной влажности указаны на графиках. Значения плотности р в точках этих кривых справа налево равны соответственно 0,6; 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1; 1,2; 1,3 г/см3.

Актуальной является разработка диэлькометрического влагомера зерна со свободной засыпкой пробы в измерительную ячейку и коррекцией влияния плотности на показания влажности за счет двухкомпонентных диэлькометрических измерений. С этой целью проведена разработка автогенераторного ДДП с емкостным коаксиальным ПИП для влагомера зерна со свободной засыпкой пробы (рис. 7), реализующего базовую функциональную схему рис. 2. Главным структурным элементом ДДП является широкополосный усилитель с управляемым усилением и каналом инерционной стабилизации амплитуды колебаний DAI AD8367, имеющий линейный в децибелах закон управления усилением. Резонансная система автогенератора выполнена в виде параллельного колебательного контура с индуктивностью L, в который включена емкостная коаксиальная ячейка. Ячейка содержит центральный потенциальный измерительный электрод 1 диаметром 40 мм и высотой 96 мм и охватывающий его цилиндрический корпусной электрод 2 диаметром 80 мм и высотой 150 мм, а также охранный эквипотенциальный электрод 3 с цилиндрической частью диаметром 40 мм, высотой 15 мм и конусным наконечником высотой 20 мм, отделяющий область неоднородного электрического поля в верхней части потенциального электрода от измерительного объема между электродами 1, 2 и исключающий влияние непостоянства уровня засыпки зерна на выходные параметры ПИП.

Охраняемый измерительный объем ПИП равен Уи = 0,36 дм3, общий заполняемый объем Уоещ = 0,6 дм3. Геометрическая постоянная ПИП равна Кп =1,15 м"1. Возбуждение гармонических колебаний обеспечивается созданием ПОС в замкнутой петле усиления высокочастотного тракта автогенератора, состоящего из усилителя с управляемым усилением DA1, инвертора-повторителя напряжения DA2 и повторителя напряжения DA3. Сигнал ПОС снимается с делителя, образованного резистором Rs и параллельным колебательным контуром, подключенного к высокочастотному выходу генератора (выход DA2). Инвертор-повторитель DA2 необходим для получения ПОС и используется ввиду того, что управляемый усилитель DA1 является инвертирующим. Повторитель DA3 с высоким входным сопротивлением обеспечивает исключение шунтирования колебательного контура низким входным сопротивлением управляемого усилителя DA1.

Рис. 7. Структурная схема автогенераторного ДДП с емкостным коаксиальным ПИП для влагомера зерна со свободной засыпкой пробы: 1, 2, 3 - потенциальный, корпусной и эквипотенциальный охранный электроды емкостного ПИП.

Питание электрода эквипотенциальной защиты 3 осуществляется от повторителя напряжения DA4, подключенного к выходу DA3. Полоса пропускания усилителя DA1 составляет 500 МГц, инвертора-повторителя DA2 и повторителя ВАЗ - 270 МГц, что обеспечивает эквивалентную частоту среза /ср.экв АЧХ замкнутой цепочки этих усилителей 147 МГц. Частота автоколебаний в воздухе выбором L = 1,92 мГн задана равной 500 кГц, а для влажного зерна меняется в диапазоне 300...500 кГц. Сопротивление резистора Rs установлено равным 2 кОм, что дает диапазон кц = 0,16...0,99 при свободной засыпке зерна с влажностью от 40 % до 7 %.

Экспериментальные данные по оценке стабильности частоты разработанного автогенераторного ДДП с емкостным ПИП следующие: относительная среднеквадратичная шумовая флюктуация частоты 0,8-10"4 за 10 с, относительный температурный дрейф частоты 0,4-Ю"4 1/°С, относительный временной дрейф частоты 2-10"4 в течение 5 часов.

Разработанный автогенераторный ДДП (рис. 7) использован для экспериментального исследования возможности уменьшения влияния плотности зерновой массы на результат определения влажности при свободной засыпке пробы за счет двухкомпонентных диэлькометрических измерений. Частота автоколебаний fose на выходе DA5 измерялась частотомером 43-63, модуль коэффициента передачи делителя кц определялся по измеренным на выходах детекторов DA6, DA7 напряжениям вольтметром В2-36. Для определения влажности проб зерна стандартным методом воздушно-тепловой сушки (ГОСТ 13586.5-93) использовался сушильный шкаф СЭШ-ЗМ и весы Sartorius LP820.

Эксперименты проводились с зерном яровой пшеницы Ленинградская-97, выращенным на опытной станции ГНУ Агрофизический НИИ Россельхозакадемии. Подготовка проб зерна разной влажности производилась искусственным увлажнением сухого зерна путем добавления рассчитанного количества дистиллированной воды, что допускается действующими методическими указаниями по градуировке влагомеров РД 50-157-79. Пробы зерна низкой влажности получали подсушиванием зерна, хранящегося в складских условиях (10... 14 %). После увлажнения или подсушивания, пробы помещались в герметично закрытые сосуды и хранились в термостате при температуре 7 ± 2 °С в течение не менее 5 суток с периодическим перемешиванием для кондиционирования («отволажива-ния»), а за 4 - 6 часов до измерений извлекались из термостата и выдерживались при ком-

натной температуре. В экспериментах использовались 9 проб зерна с влажностями в диапазоне 7...36 %.

Для исследования влияния вариаций плотности зерновой массы при засыпке на выходные параметры автогенераторного ДДП производилась 60-кратная свободная засыпка каждой пробы зерна в емкостную ячейку и интервалами 60 с, включая время засыпки 5 - 7 с и опорожнения ячейки. Время засыпки выбрано из условия обеспечения быстрого режима засыпки, так как медленная засыпка давала больший разброс показаний и даже дрейф показаний после засыпки (для проб высокой влажности). Объем пробы задавался засыпкой зерна до верхнего края ячейки перед началом серии измерений и в дальнейшем не менялся. Минимизация изменения влажности пробы в процессе 60 измерений достигалась соединением емкостной ячейки и сосуда с пробой гибким рукавом из полиэтиленовой пленки и предварительным многократным пересыпанием пробы зерна из сосуда в ячейку и обратно для установления гигротермического равновесия в замкнутой системе. Влажность пробы для каждой серии из 60 измерений принималась равной среднему значению из определений влажности перед началом серии измерений и непосредственно после окончания. При каждой свободной засыпке зерна в ячейку регистрировали значения частоты автоколебаний /о^см/ и модуля коэффициента передачи кщ выходного делителя автогенераторного ДДП. В полученных сериях (выборках) значений /обсм: и ка методами математической обработки экспериментальных данных производилось устранение тренда, вызванного остаточным изменением влажности в течение 60 измерений.

Поля экспериментально полученных пар значений частоты автоколебаний ,/дасм/ и модуля коэффициента передачи кщ выходного делителя автогенераторного ДДП для серий из 60 измерений при свободных засыпках в емкостную ячейку проб зерна с влажностями М= 7,2; 12,3; 15,4; 17,8; 21,5; 24,5; 29,2; 33 и 35,4 % представлены на рис. 8,9, 12.

Рис. 8. Диаграммы рассеяния пар значений выходных параметров автогенераторного Д ДП: частоты автоколебаний /кем и модуля коэффициента передачи кщ выходного делителя для серий из 60 измерений. Примеры для проб зерна с влажностями М= 12,3 % и М- 29,2 %. Линии линейной регрессии экспериментальных данных (линии равной влажности) отмечены кружками.

Как видно из рис. 8, точки, соответствующие парам значений выходных параметров автогенераторного ДДП в сериях измерений с пробами постоянной влажности, образуют в координатах/<хсм, ки диаграммы рассеяния в виде вытянутых эллипсов, характеризующих корреляционную связь пар значений /05см, кщ, вызванную наложением случайных воздействий на парную функциональную зависимость выходных параметров, обусловленную изменениями плотности при свободных засыпках пробы постоянной влажности. К этим случайным воздействиям относятся неравномерность плотности зерна в объеме ячейки при засыпке, неоднородность диэлектрических свойств самих зерен в объеме ячейки и другие неучтенные факторы. Коэффициенты парной корреляции (КПК), характеризующие близость статистической связи к функциональной, составляют КПК = 0,94...0,98 для серий измерений разной влажности, что достаточно близко к значению КПК = 1, при котором парная связь становится функциональной. Исключение составляет

серия с влажностью М= 7,2 % (КПК = 0,646), при которой диэлектрические свойства зерновой массы зависят больше от биохимического состава зерен, чем от влажности.

Для нахождения функциональной связи значений выходных параметров автогенераторного ДЦП в сериях измерений разной влажности по статистическим выборкам использовали математическую модель в виде линейной зависимости модуля коэффициента передачи кш от частоты автоколебаний/охм-

~киср ~ Ку1-л(/о5СМ! ~/о!СМСр) ' ^^

где /озсм (кГц) - экспериментальное значение частоты автоколебаний для ;'-ой точки измерения в серии (¿-ой засыпки пробы), ки1 - значение модуля коэффициента передачи выходного делителя, рассчитанное по модели для ;'-ой точки, /озсмср (кГц), кцср - средние значения частоты /даем и модуля ¿¡у для серии измерений, Кугл (1/кГц) - угловой коэффициент прямой. Построение гистограмм, характеризующих плотность распределения значений частоты автоколебаний /¡моя и модулей коэффициентов передачи кщ в сериях измерений (выборках) показывает, что плотности распределения близки к нормальному закону. Изображенные на рис. 8 линии регрессии, построенные для серий измерений по уравнению (16), являются осями эллипсов рассеяния экспериментальных точек и представляют собой линии равной влажности в диапазоне плотностей свободной засыпки пробы зерна, аналогичные линиям равной влажности, полученным для автогенераторного ДДП с емкостной коаксиальной ячейкой в координатах /¿кш, кц с использованием обобщенной модели диэлектрических свойств зерновой массы (рис.6, а).

Рис. 9. Регрессионная градуи-ровочная кривая для пар средних значений частоты автоколебаний /озсмср и модуля коэффициента передачи кцср выходного делителя с массивами точек для серий измерений проб зерна разной влажности м в координатах выходных параметров автогенераторного ДДП.

Экспериментальные результаты для серий измерений позволяют построить гра-дуировочную кривую пар средних значений /оясмср, кцср в координатах: частота автоколебаний - модуль коэффициента передачи. Хорошее приближение к экспериментальным данным дает градуировочная кривая, полученная регрессией полиномом третьей степени:

- я, + а2/о5СМСР аъ/озсмср

(17)

где а, = -4,54703, а2 = 0,03212 1/кГц, а3 = -6,25602-Ю"5 1/(кГц)2, а4= 4,09886-Ю 8 1/(кГц)3 -коэффициенты регрессии, для которой КПК = 0,9998 между экспериментальными значениями кцср/ и значениями кцср по модели (17) при одинаковых/кса/сл рис. 9.

Каждой точке градуировочной кривой в координатах/о5ш, кц (рис. 9) соответствует некоторое значение влажности, которое не присутствует в явной форме на графиках в этих координатах. В практических реализациях влагомеров, использующих определение влажности как только по одному из выходных параметров, так и по двум параметрам с применением описанного ниже способа коррекции влияния плотности, для определения влажности целесообразно использовать градуировочную зависимость влажности М от средней частоты автоколебаний¡оьсмср (рис. 10). Эта экспериментальная зависимость для

средних значений частоты /05СМСР(кГц) в 9 сериях измерений описывается регрессией квадратичной параболой (КПК = 0,9997):

М = Ь,+Ь2 /05СМСР + ¿3 /дасмСР > где 6, = 109,179 %, = - 0,2969 %/кГц, Ь3 = 1,7834-10"' %/(кГц)2 - коэффициенты регрессии.

Зависимость углового коэффициента Кугл отрезков регрессионных прямых (16) в сериях измерений выходных параметров, представляющих собой линии равной влажности, от средней частоты автоколебаний /оьсмср (кГц) в сериях приведена на рис. 11. Эта зависимость описывается квадратичной регрессионной зависимостью {КПК= 0,986):

Кугл =С1+С2 /озсмср + С3 /(КСМСР '

где с, = 0,02085 1/кГц, с2 = - 8,40323-Ю"51/(кГц)2, с3 = 8,48073-Ю-8 1/(кГц)3.

Рис. 10 (слева). Градуировочная зависимость влажности М от средней частоты автоколе-

баний/оягмгр-

Рис. 11 (справа). Значения углового коэффициента КугЛ линий равной влажности для серий измерений в зависимости от средней частоты автоколебаний/охсмср, и аппроксимирующая эту зависимость регрессионная кривая.

На основе проведенных исследований предложены 3 способа коррекции влияния случайных вариаций плотности зерновой массы на результат определения влажности при свободной засыпке пробы в емкостную ячейку и измерении пары выходных параметров автогенераторного ДДП: частоты автоколебаний /оасм и модуля коэффициента передачи ки выходного делителя. Более полно изложенный первый способ состоит в следующем.

На этапе градуировки автогенераторного Д ДП или влагомера, по сериям измерений проб зерна разной влажности получают регрессионные градуировочные зависимости: гра-дуировочную кривую пар средних значений /озсжт, кцср для серий измерений в координатах: частота автоколебаний - модуль коэффициента передачи (рис. 9); градуировочную зависимость влажности от средней частоты автоколебаний (рис. 10); градуировочную зависимость углового коэффициента Кугл линий равной влажности от средней частоты автоколебаний /(ясмср в сериях (рис. 11).

На этапе использования автогенераторного ДДП или влагомера для измерения влажности с коррекцией влияния случайной плотности зерновой массы на результат определения влажности при однократной свободной засыпке пробы в емкостную ячейку и однократном измерении пары выходных параметров автогенераторного ДДП производят следующие операции:

- на графике в координатах: частота автоколебаний - модуль коэффициента передачи, - производят проекцию точки с координатами пары измеренных значений выходных параметров /сксм, кщ на градуировочную кривую пар средних значений /мсмср, кцср под углом, равным угловому коэффициенту Кугл, который определяют для измеренной часто-

ты автоколебаний по градуировочпой зависимости Кугл от средней частоты автоколебаний в сериях;

- по градуировочпой кривой пар средних значений /oscmcp, кцср определяют частоту точки проекции пары измеренных значений выходных параметров foscm, ku¡, лежащей на этой кривой;

- по найденной частоте точки проекции, с использованием градуировочной зависимости влажности от средней частоты автоколебаний находят значение влажности, учитывающее коррекцию влияния плотности.

Принцип и алгоритм способа коррекции поясняются графиками рис. 12... 14. Вычисление координат проекций 4 точек массива 2 на градуировочную кривую 1 (рис. 12) под углом, определяемым угловым коэффициентом КуГл, производят путем решения для каждой ¡'-ой точки 2 массива системы двух уравнений: уравнения (16) прямой, проходящей через, точку массива с координатами fosan> ku¡ с угловым коэффициентом Кугл, и уравнения градуировочной кривой (17).

Как видно из рис. 12, разброс частот foseMepi точек 4 проекций точек 2 на градуировочную кривую 1 с угловым коэффициентом Кугл составляет существенно меньшую величину по сравнению с разбросом частот автоколебаний foscm для точек 2 серии из 60 свободных засыпок в емкостную ячейку.

Поскольку эти разбросы частот вызваны случайным характером плотности зерновой массы в емкостной ячейке при свободной засыпке пробы, полученные данные могут быть использованы для оценки влияния плотности на результат определения влажности как в обычных автогенераторных однопараметрических влагомерах зерна, в которых влажность определяется по частоте автоколебаний, так и во влагомерах с автогенераторными ДДП, в которых влажность определяется по изложенному способу коррекции влияния плотности (рис. 13, 14).

Возможность уменьшения разброса значений влажности, найденных по частоте автоколебаний, при однопараметрическом определении влажности m¡ и двухкомпонентном определении влажности m¡ с использованием алгоритма коррекции влияния плотности демонстрирует рис. 14, на котором представлены гистограммы частот распределения влажностей mi и

К-

м. ш,,

370 375 380 385 390 395

foscv*ГЦ

ч/г/-,'

:;о з/5 ш ш т г>1

Рис. 12 (слева). Положение градуировочной кривой 1 и точек 2 массива измеренных пар значений выходных параметров ./¡ж-м, кщ для серии 60 измерений пробы зерна с влажностью М = 21,5 %; 3 - отрезок регрессионной прямой массива, являющийся линией равной влажности; 4 -проекции точек массива 2 на градуировочную кривую I под углом, равным угловому коэффициенту Кугл линии равной влажности 3; 5 - точка, представляющая пару средних значений Тохсмсл киср для серии.

Рис. 13 (справа). Определение влажности по частоте автоколебаний с использованием регрессионной градуировочной кривой зависимости влажности м от средней частоты /сисма> (пунктирная линия) для серии 60 свободных засыпок в емкостную ячейку зерна с влажностью А/= 21,5 %: для однопараметрического определения влажности от/ по частоте автоколебаний /<жм для ; -ой засыпки пробы (точки I); для двухкомпонентного определения влажности от? с использованием

рассмотренного способа коррекции влияния плотности - по частоте проекции /обсмей с угловым коэффициентом Кугл измеренной пары значений/05См;, на градуировочную кривую (рис. 9), при I - ой засыпке пробы (точки 2).

Рис. 14. Гистограммы частот распределения значений влажности, найденных по частотам автоколебаний, для серии из 60 свободных засыпок пробы зерна с влажностью М = 21,5 % в емкостную ячейку: при однопараметрическом определении влажности т1 (график с незакрашенными столбиками) и при двухкомпонентном определении влажности Ш2 с применением способа коррекции влияния плотности (график с закрашенными столбиками).

_| ■ ш<, ///■>, 'О

"20 31 22 22

Основными метрологическими показателями, характеризующими погрешности измерения диэлькбметрических влагомеров зерна, являются основная систематическая и основная случайная погрешности, определяемые при нормальной температуре измерения. Полевые диэлькометрические влагомеры зерна зарубежных фирм используют взвешивание или уплотнение объемно дозированной пробы для коррекции влияния плотности зерновой массы на показания влажности и имеют для зерна пшеницы среднее значение основной систематической погрешности 1,8...2,4 % и среднеквадратичное отклонение (СКО) основной случайной погрешности 0,22...0,91 % в диапазоне влажностей от 10... 11 до 28...30 % (Секанов-1997). Ряд современных диэлькометрических влагомеров зерна (Рагтех - США, \Vile-55 - Финляндия), включая влагомеры со свободной засыпкой пробы (Фауна-М - Россия), имеют индивидуальную подстройку градуировок под измеряемую зерновую культуру, снижающую основную систематическую погрешность до 0,5...1,0 %. Однако основная случайная погрешность однопараметрических диэлькометрических влагомеров зерна со свободной засыпкой пробы, вследствие неопределенности плотности зерновой массы в измерительной ячейке при засыпке, в несколько раз превышает основную систематическую погрешность, что ограничивает применение влагомеров зерна со свободной засыпкой пробы в технологическом контроле зерна на сельскохозяйственных предприятиях. Поэтому для повышения точности влагомеров зерна со свободной засыпкой пробы важнейшее значение имеет уменьшение влияния случайной погрешности на результат определения влажности.

Основную случайную погрешность определения влажности влагомеров со свободной засыпкой пробы можно оценить значением СКО результатов определения влажности для выборки - серии из 60 последовательных измерений одной и той же пробы зерна, при этом оценка среднеквадратичной погрешности определения СКО составляет менее 10 %. Полученные экспериментальные данные для зерна пшеницы Ленинградская-97 позволяют вычислить значения СКО для различных значений влажности пробы в сериях как для од-нопараметрического определения по частоте автоколебаний - СКО(гщ), так и для двух-компонентного диэлькометрического определения влажности с использованием рассмотренного способа коррекции влияния плотности - СКО(т2), рис. 15. а)

СКО (т^, СКО (т3), %

А.

СКО (от,)

А ?

.....¡о'

О'' .••*"* СКО (от,)

10 15 20 25 30 35

СКО (т,)/ СКО (т)

б)

М. %

25 30 35 ®

м, »

Рис. 15. Сравнение случайных погрешностей определения влажности зерна пшеницы од-нопараметрическим и двухкомпонентным диэлькометрическими влагомерами со свободной засыпкой пробы для 9 серий измерений, состоящих из 60 свободных засыпок в емкостную ячейку проб зерна постоянной в серии влажности, в зависимости от влажности М пробы в серии: а - среднеквадратичные отклонения значений влажности, определяемых по частоте автоколебаний, при однопараметрическом определении - CKO(m¡) и при двухкомпонентном определении - CKO(mi)\ б - кратность уменьшения случайной погрешности за счет двухкомпонентных диэлькометриче-ских измерений - отношение СКО(т,)/СКО(т2).

Как видно из рис. 15, а, для зерна пшеницы с влажностью менее 20 % случайная погрешность определения влажности при использовании двухкомпонентных диэлькомет-рических измерений и рассмотренного способа коррекции влияния плотности оценивается значением среднеквадратичного отклонения СКО(т2) менее 0,1 % абсолютной влажности, что означает практическое исключение влияния плотности на показания влажности. В диапазоне влажности зерна пшеницы 12...20 %, для которого нормируются значения погрешности и сходимости показаний в инструкциях по эксплуатации зарубежных влагомеров, кратность снижения случайной погрешности от влияния плотности на показания влажности (рис..15, б) достигает 6...13 раз, что демонстрирует высокую эффективность предложенного способа уменьшения погрешности от влияния плотности свободной засыпки пробы на результат определения влажности во влагомерах зерна со свободной засыпкой пробы.

Характер полученных зависимостей CKO(m¡), СКО(т2), а также их отношения CKO(m¡)/CKO(m2) от влажности (рис. 15, а, б) объясняется различным влиянием низкой и высокой влажностей на способность зерновой массы к плотной укладке при свободной засыпке, а также используемым способом определения влажности.

Сравнение экспериментально полученных оценок случайной погрешности СКО(т2) со значениями СКО для более сложных и дорогостоящих полевых влагомеров, использующих взвешивание или нормированное уплотнение пробы показывает, что использование автогенераторных ДДП и описанного способа коррекции влияния плотности для построения влагомеров зерна со свободной засыпкой пробы позволяет получить точностные характеристики, не уступающие более дорогим и сложным в эксплуатации ди-элькометрическим влагомерам с взвешиванием или уплотнением пробы.

Раздел 5. Исследование и разработка автогенераторных ДДП с емкостным ПИП для средств двухкомпонентной диэлькометрии почв

В этом разделе рассмотрено построение и применение автогенераторных ДДП с емкостными ПИП для одновременного определения (косвенного измерения) влажности и электропроводности почв по выходным параметрам ДДП, что позволяет оценивать общее содержание растворенных элементов минерального питания и его динамику в течение вегетационного периода. При этом содержание растворенных солей в почве оценивается по объемной влажности в почвы и электропроводности почвенной воды aw, которые определяют электропроводность почвы а, а количество солей может быть найдено с учетом ионного состава солей [Malicki, Walczak-1999; WET Sensor - User manual WET-UM-1.4, Delta-T Devices-2007].

Особенностью построения автогенераторных ДДП для контактного измерения влажности и электропроводности почв является выбор рабочих частот автоколебаний в диапазоне 5...25 МГц. Эти частоты являются, с одной стороны, достаточно высокими для того, чтобы исключить влияние контактных явлений на измерительных электродах [Сатр-bell—1990] и ограничить зарядовую поляризацию ионами электролитов в замкнутых микрообъемах воды - поляризацию Максвелла-Вагнера (вызывающую аномальное возрастание действительного компонента КДП и его зависимость от электропроводности почвенного раствора [Poley, Nooteboom, Waal-1978]), а с другой стороны, достаточно низ-

кими для того, чтобы соблюсти условие квазистационарности ЭМП в ПИП и ограничить фазовые сдвиги в ВЧ автогенераторного ДДП.

Рассмотрены две разработки автогенераторных ДДП влажности и электропроводности почв с емкостными датчиками, которые выполнены по структурной схеме, идентичной рис. 7, и отличаются выполнением емкостного ПИП, отсутствием электрода эквипотенциальной защиты и усилителя его питания, а также использованием цепи коррекции фазо-частотной характеристики высокочастотного тракта в виде дросселя, включенного параллельно входу управляемого усилителя DA1, для обеспечения устойчивости автоколебаний и управления формой градуировочных характеристик.

Первая разработка автогенераторного ДДП содержит емкостный ПИП в виде четы-рехштыревого зонда с центральным потенциальным и тремя корпусными электродами, установленными симметрично по образующей цилиндра (рис. 16), и предназначена для измерений путем введения зонда в почву непосредственно с поверхности или со дна скважины. Областью ее применения является использование в составе автоматической агрометеорологической станции, имеющей каналы регистрации частоты и аналоговых сигналов. Установка нескольких преобразователей на разных глубинах дает возможность исследовать профиль по глубине и динамику по профилю влажности и электропроводности почв, что важно для технологий точного земледелия и моделей энергомассообмена в системе почва - растительный ценоз - приземный слой воздуха.

Рис. 16. Конструкция автогенераторного ДДП влажности и электропроводности почв с четырехштыревым емкостным зондом: длина штыревых электродов - 60 мм, диаметр - 3 мм; диаметр окружности установки боковых электродов - 22 мм. Общая длина автогенераторного ДДП в корпусе - 245 мм, диаметр - 32 мм.

Геометрическая константа Кп емкостного зонда определена методом замещающего конденсатора, включающим измерение частоты автоколебаний при погружении зонда в дистиллированную воду с последующем извлечением зонда и подключением параллельно ПИП конденсатора с емкостью Сз, возвращающей частоту автоколебаний к значению для дистиллированной воды. Геометрическая константа определяется по формуле: Кп = £„ (ещ — евз )/С3,

где е'в„, е'вз - действительные компоненты КДП воды и воздуха, и равна Кп = 5,83 м-1. Метод исключает влияние паразитной емкости колебательного контура Сп на значение Кп. Погрешность определения Кп этим методом определяется погрешностью, с которой известен s'm, погрешностью измерения емкости Сз и частоты fose при замещении, а также монтажной паразитной емкостью Сип, создаваемой при подключения С3 и не учитываемой при измерении С3, и составляет, по оценкам, 1.. .2 %.

Градуировочные характеристики автогенераторного ДДП как измерителя диэлектрических характеристик почв (рис. 17) получены способом подключения к емкостному зонду добавочных конденсаторов Сдоб и резисторов Ядоб, эквивалентных заданным значениям действительного компонента е' КДП и электропроводности а почвы, в которую введен емкостной зонд. Поскольку зонд не отключается при градуировках, значения номиналов подключаемых Сдоб, Ядоб определяются из соотношений:

где йдоб = 1 /Кдоб - проводимость добавочного резистора. Выбранные значения подключаемых Сдоб, R-доб соответствуют диапазонам е'= 1 ...80 и а= 0..Д1 См/м почв. Характеристики рис. 17 получены при следующих параметрах автогенераторного ДЦП: сопротивление делителя Rs = 120 Ом, индуктивность колебательного контура 1,3 мкГн, индуктивность дросселя коррекции 1,7 мкГн, напряжение питания ДЦП 4,6 В. Погрешность построения градуировочных характеристик рис.17 определяется погрешностью измерения fose (0,01 %), погрешностью измерения напряжений Un, ИуВч (1 %), по которым вычисляется ки, погрешностью определения Кп (1...2 %) и погрешностью задания расчетных номиналов Сдоб, Rflos (0,5... 1 %), и составляет 2...3,5 %.

Градуировка автогенераторного ДДП как измерителя влажности и электропроводности почв выполнена исходя из задачи установления связи eró выходных параметров с объемной влажностью в и объемной электропроводностью о почвы, а также с электропроводностью почвенной воды aw, которая широко используется как мера солености почв [Malicki, Walczak-1999]. Ввиду того, что градуировки диэлькометрических преобразователей зависят от вида почв, для получения воспроизводимых градуировок в качестве физической модели почвы использован кварцевый песок (ГОСТ 2138-91) с размером частиц не более 0,6 мм, предварительно обессоленный многократной промывкой в дистиллированной воде. Обессоливание проведено с целью приблизить электропроводность увлажняющего раствора ар, используемого для создания заданных влажностей почвенных образцов, к электропроводности почвенной воды aw-

с' = Ы1 с' ~ 40 ¿ = 80 с' = 50 - 30

с'= 20

• !l Í

;..............'......... 1 .........Г......."vf—г.......i.........7

i Г 1-\ • "» •: Í i --/ ' i 1 i '

; i '; ... \ ■ \ 1 i 1 : ' / : \r\nff.

• i ч \ H ■—■i /-

1 * 1

■ ; ч , \ «r-V—*—T~"í--

Jv-V-V-.i—4—l

ст-ОС'ч/м ст = 0,00:5См/м <7 = 0.005 См/м

сг-0,0! См/ч

ít = 0,04 См/м

<т = 0.06 См/м (т = 0,08 См/м <т = 0,1С'ч/м

J 'л! ' МГц

Рис.17. Градуиро-вочная сетка линий равной диэлектрической проницаемости г' и равной электропроводности а почв в координатах выходных параметров fose, ku автогенераторного ДДП с четырехшты-ревым емкостным зондом.

Для получения градуировочных характеристик проведены три серии измерений с увлажнением образцов почвы дистиллированной водой с электропроводностью ар = 0,00037 См/м и водными растворами КС1 с электропроводностями ар = 0,13 См/м и ар = 0,3 См/м. Электропроводность увлажняющих растворов контролировалась кондуктометром HI8733 Conductivity Meter фирмы Hanna Instrument, Германия. Воздушно-сухие образцы почвы размещались в стаканах объемом 0,25 дм3 до полного заполнения, в каждой серии измерений объемная влажность образцов задавалась от 5 % до влагонасыщенного состояния (~ 35 %) с шагом 5 % введением в образец почвы в стакане рассчитанного объема воды (7 значений влажности). При этом для каждой влажности готовились образцы с

минимальной, средней и максимальной плотностями сложения почвы, рассчитываемыми по сухой почве (всего в серии 21 стакан с образцами). Минимальная плотность сложения обеспечивалась свободной засыпкой сухой почвы в стакан до краев с минимальным уплотнением и добавлением рассчитанного количества воды, максимальная - добавлением в образец с рассчитанным количеством воды сухого песка и интенсивной трамбовкой, средняя - добавлением в такой образец сухого песка для получения среднего веса между первыми двумя образцами. Общий диапазон плотностей сложения почвы для образцов разной влажности составил 1,14 - 1,68 г/см3. После первичной подготовки каждый образец высыпали в чашу, тщательно перемешивали для выравнивания влажности по объему и снова набивали в стакан с равномерной плотностью укладки, затем образцы в закрытых стаканах выдерживались при комнатной температуре в течение 10-15 часов. Измерения выходных параметров автогенераторного ДЦП проводились при трехкратном введении зонда в образец. Непосредственно после этих измерений влажность каждого образца уточнялась термостатно-весовым методом (ГОСТ 28268-89) с пересчетом в объемную влажность.

Полученные градуировочные кривые равных электропроводностей увлажняющего раствора ар = 0,00037 См/м, 0,13 См/м и 0,3 См/м в координатах выходных параметров fosa ки автогенераторного ДЦП представлены на рис. 18 и описываются регрессионными уравнениями (в которых fose - частота автоколебаний в мегагерцах) соответственно:

i 0-15%

. Wi--" 0 = 10% ,-•'

\ IV

-<хг =0,00037 См/м" а =0,0234См/м

" ' ' I / ~

сг =0,13 См/м <tw =0,153См/м

/ \-[

/..... '. ,L<{. .г"........

'V........- ¡

¿1......1 '" ! ! ■ '; :

ЧСТ, =0,3 См/м "а, = 0,323 См/м~

Рис. 18. Градуиро-вочная сетка линий равной электропроводности увлажняющего раствора ó>, электропроводности почвенной воды aw и равной объемной влажности в в координатах выходных параметров fose, ки автогенераторного ДЦП с четырехшты-' ревым емкостным зондом для кварцевого песка.

fose' МГц

= 0,2226 + 0,0664 • fosc -1,5740 • 10~:

= -3,8775 + 0,3951-/да

ки =-5,2067 + 0,4600 -fos

-8,0098-10' -8,1248-10

• f2

Jose >

Jose '

3- f2 Jose ■

Разброс экспериментальных точек относительно регрессионных градуировочных кривых равной электропроводности характеризует случайную погрешность градуировки, вызванную вариацией плотности сложения почвы при градуировке, неравномерностью влажности и плотности почвы в объеме образцов, случайными погрешностями измерения частоты автоколебаний fose и напряжений, определяющих модуль коэффициента передачи делителя ки. В соответствии с Рекомендациями по международной стандартизации РМГ 29-99 в части неопределенности измерений (п. 9.20), оценим эту погрешность случайной приведенной среднеквадратичной погрешностью градуировки, представляющей собой

СКО (несмещенное значение) массива экспериментальных градуировочных значений ки от значений кц для регрессионной градуировочной кривой, отнесенное к диапазону изменения кц, равному áku~ китах - кцтт = 0.935 - 0.390 = 0.545 для диапазона электропровод-ностей увлажняющего почвенного раствора 0...0,3 См/м. Случайная приведенная среднеквадратичная погрешность градуировки для кривой <уР = 0,00037 См/м составила 0,66 %, для кривой ар = 0,13 См/м - 0, 67 % и для кривой ар = 0,3 См/м равна 1,3 %.

Для построения линий равной влажности на градуировочной сетке рис. 18 предварительно были построены графики зависимости частоты автоколебаний fose и модуля коэффициента передачи кц от объемной влажности в почвы (рис. 19). По массивам экспериментальных данных получены регрессионные зависимости (fose - в МГц, в — в %), которые для электропроводности увлажняющего раствора ар = 0,00037 См/м имеют вид: fosc =21,7544-0,0316(9 -1,4307 • 10"3Ö2, ки = 0,9225 + 2,2306 ЛО^в -1,1313-Ю"5^, при электропроводности раствора о>= 0,13 См/м выглядят как: . fosc =21,7391-0,03890-1,7747-10 гвг, ки =0,9157 + 5,9353-10"4#-2,1944-10"'/92, а при электропроводности раствора ор= 0,3 См/м выражаются формулами:

,2069 • Ю~302, ки = 0,9515 -5,2197 • 1О'30-3,0731 ■ 10"4в2.

я; = 0,13 См / м,Ч

i " Vk

.._______'....... ■.....■ :С." ... N '■•,

О- =0,3 См/м \

0,%

5 10 15 20 25 30 35 40

03 07 06 0-5 0.4

оз :

°> =0.00037 См/м

о^ 0.13 См/м 'Ч-

' ' ! N

',4

; <т,= о,зСм/м ¡ \

10 15 20 25 30 35

\ 0,%

Рис. 19. Зависимости частоты автоколебаний fose (я) и модуля коэффициента передачи ки (б) автогенераторного ДЦП от объемной влажности в почвы. На графиках приведены массивы экспериментальных значений (точки) и регрессионные кривые для электропроводностей увлажняющего раствора <тР = 0,00037; 0,13 и 0,3 См/м.

Подставляя в эти регрессионные зависимости значения объемной влажности в процентах из ряда в = 5; 10; 15; 20; 25; 35; 40 %, получим значения fose, ки идя узловых точек пересечения линий равной объемной влажности в и равной электропроводности ар. Затем наносим эти точки на график рис. 18 и соединяем их линиями равной влажности. Неопре- . деленность положения узловых точек линий равной влажности по частоте можно оценить по разбросу экспериментальных данных на графике зависимости fosc(&), рис. 19, a, a неопределенность их положения по значению кц - по разбросу точек на графике рис. 19, 6. Эта оценка показывает, что для точек линий равной влажности, лежащих на кривой равной электропроводности аР = 0,00037 См/м, случайная среднеквадратичная погрешность положения по частоте, приведенная к ширине диапазона изменения частоты автоколебаний A fose ~ 22 - 17,5 = 4, 5 МГц, составляет 3,9 %, а случайная среднеквадратичная погрешность положения по оси ки, приведенная к диапазону изменения кц , равному Акц = 0,545, составляет 0,7 %. Аналогичные приведенные случайные среднеквадратичные погрешности для узловых точек линий равной влажности, лежащих на кривой равной электропроводности ар - 0,13 См/м, составляют 2,3 % и 2,1 %, а для узловых точек линий равной влажности, лежащих на кривой ар = 0,3 См/м, эти погрешности соответственно равны 2,9% и 3,7%.

На градуировку автогенераторного ДДП как измерителя влажности и электропроводности почв, т.е. на положение линий равных влажностей в и равных электропроводно-стей ар градуировочной сетки в координатах fose, ¿y (рис. 18), влияют, помимо рассмотренных случайных методических и инструментальных погрешностей, также систематические погрешности используемых средств измерений: частотомера 43-63 (104 %), измеряющего fose, вольтметра В2-36 (1 %), измеряющего U¡¡, (7увч, по которым вычисляется ки, кондуктометра HI8733 (1 %), используемого для измерения электропроводности увлажняющих растворов, термостатно-весовой установки определения влажности по ГОСТ 28268-89(3...5 %).

Результаты градуировки автогенераторного ДДП в виде сетки линий равных влажностей и равных электропроводностей почвенного раствора в координатах fose, ки (либо в координатах fose, Uynp) могут быть представлены как графически, так и в виде таблиц или регрессионных формул, полученных с использованием интерполяции и введенных в микропроцессор измерительного прибора.

Градуировка рис. 18 позволяет по выходным параметрам автогенераторного ДДП непосредственно определять объемную влажность в и электропроводность ар почвенного раствора, а по градуировке с использованием электрических эквивалентов (рис. 17) - действительный компонент е' КДП и электропроводность почвы о.

Диэлектрические характеристики исследованного кварцевого песка, найденные по градуировке ДДП с использованием электрических эквивалентов, приведены на рис. 20.

<7,См/м

50 г-:-:-:-г-;--. 0.11

0JK 006 0.04 0.02

! i or. =0,ЗСм/м/

■ 1 I , \, , , ~а =0,13См/м.....

аг = 0,00037 См / м X i

' '...... ' "Ч"'

в,%

10 13 20 25 30 35

10 15 20 25 30 35

Рис. 20. Зависимость действительного компонента е' КДП и электропроводности а почвы от объемной влажности почвы ви электропроводности увлажняющего раствора ар.

Зависимость действительного компонента г' КДП от объемной влажности в характеризуется некоторой зависимостью от электропроводности увлажняющего раствора, которая на более высоких частотах измерения, в частности в спектре импульса TDR, отсутствует [Malicki - 1999]. Зависимость е' КДП от электропроводности почвенной воды на частотах 17...22 МГц, соответствующих рабочим частотам автогенераторного ДДП, отмечена в [Poley, Nooteboom, Waal - 1978] и может быть объяснена поляризацией Максвелла-Вагнера. Связь электропроводности почвы а с объемной влажностью в находится в сильной зависимости от электропроводности увлажняющего раствора ар. Полученная из зависимостей еЩ, а(в) связь электропроводности почвы <т с компонентом е' КДП (рис. 21) является линейной при е' > 6 с угловым коэффициентом, определяемым электропроводностью увлажняющего раствора ар. При этом производная Xs = дег/дк' является функцией ар и не зависит от в. Этот результат, впервые полученный Малицким, Вальчаком [Malicki - 1999] для случая отсутствии влияния о> на зависимость е\9), подтверждается (рис. 21) и при влиянии ар на зависимость е\в). Поскольку производная Xs является независящей от влажности величиной, характеризующей электропроводность увлажняющего раствора ар, а также электропроводность почвенной воды а ¡у, и следовательно, соленость почвы, Ма-

лицкий и Вальчак предложили назвать производную показателем (индексом) солености почвы, который может быть определен путем одновременного измерения а и г'.

Полученная из экспериментальных данных зависимость показателя солености от электропроводности увлажняющего раствора ар (рис. 22) показывает, что при увлажнении дистиллированной водой с ар = 0,00037 См/м = 0 значение производной Х$ не равно нулю, что свидетельствует о наличии в почве (несмотря на предварительное обессоливание) остаточных растворимых солей, которые при введении увлажняющего раствора дают остаточную электропроводность почвенной воды аг. Значение а, соответствует абсциссе точки пересечения регрессионной прямой, проходящей через точки вычисленных по экспериментальным данным значений Х$, с горизонтальной осью (рис. 22). Этот предложенный Малицким и Вальчаком способ определения остаточной электропроводности почвенной воды аг устанавливает связь электропроводности почвенной воды ац> с электропроводностью увлажняющего раствора аР: ай,=ар+аг, что позволяет проводить градуировку

ДЦП без предварительного обессоливания почв, для которых производится градуировка. Для преобразования градуировочных характеристик, полученных при заданных значениях увлажняющих растворов ар, в характеристики, выраженные через значения электропроводности почвенной воды о>с(см. рис. 18), к значениям аР на характеристиках необходимо прибавить ог- В наших экспериментах с промытым кварцевым песком аг = 0,023 См/м.

ст, См/м

0.1

0.03 0.06 004 0.02 о

I <

-£Г= О.ЗСм/м

ст, =0,13См/м р■

.........''"'.-¿^ ;......

■ ; у. ;

V '.о-:°о-,,= 0,00037См/м 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

О ЮЗ

Q.002

0.001

-0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35

Рис. 21 (слева). Связь электропроводности а и действительного компонента а' КДП почвы при различных электропроводностях увлажняющего раствора аР.

Рис. 22 (справа). Зависимость показателя солености почвы Х$ от электропроводностей увлажняющего раствора аР и почвенной воды а>у.

Независимость показателя солености Xs от объемной влажности в почвы в пределах погрешности опыта при различных ар, aw в диапазоне в от 15 % до близкого к влаго-насыщенному состоянию почвы показана на рис. 23. Содержание солей в почве может быть рассчитано по электропроводности почвенной воды aw и объемной влажности 9, определяемых по выходным параметрам автогенераторного ДЦП с помощью градуировочных характеристик рис. 18 для кварцевого песка или аналогичных характеристик, полученных для других почв. При использовании для увлажнения почвы водного раствора KCl, содержание KCl в почве (мг/дм3) может быть определено из расчета содержания 557,5 мг KCl в 1 дм3 раствора для получения о> = 0,1 См/м при 20 °С. Эквивалентное содержание KCl в почве (электропроводность aw, включая аг, выражена через содержание KCl) в зависимости от ow и в представлено на рис. 24. Предварительное обессоливание почвы перед градуировками позволяет уменьшить остаточную электропроводность аг, создаваемую солями неизвестного состава, что повышает точность определения содержания солей по графикам рис. 24. Для почвенной воды с содержанием растворенных солей другого состава может быть получен масштабный коэффициент соответствия содержания в почве солей рассматриваемого состава содержанию KCl при одинаковых электропроводностях почвенной воды.

с <ад, м г/дм'

15 20 25 30

е., 0.13 Смм ш "и- =0.153 См/м "г = 0.00037 См/м 200 ff» =0,0234 См/м

а.%

ст, = 0,323 См/м

=0.153 См/м

ff» - 0,0234 См/м й.%

Рис. 23 (слева). Экспериментальная проверка независимости показателя солености почвы Xs от объемной влажности в при различных электропроводностях увлажняющего раствора о> и соответствующих им значениях электропроводности почвенной воды aw.

Рис. 24 (справа). Эквивалентное содержание KCl в почве (мг/дм3) при увлажнении водным раствором KCl в зависимости от объемной влажности в и электропроводности почвенной воды aw.

Для определения объемной влажности в почвы и электропроводности почвенной воды ащ в полевых условиях по результатам однократного измерения выходных параметров fosc, ки автогенераторного ДДП необходима предварительная градуировка ДДП в виде линий равной aw и равной в, аналогичных рис. 18, для исследуемых почв. Такая градуировка особенно целесообразна при использовании ДДП для мониторинга влажности, электропроводности и содержания солей в составе агрометеорологической станции.

Вторая разработка автогенераторного ДДП содержит емкостный зонд стержневого типа и предназначена для использования в полевом измерителе влажности и электропроводности пахотного слоя почвы при маршрутном обследовании земель сельскохозяйственного назначения (рис. 25). Конструкция зонда рассчитана на работу с достаточно большими осевыми усилиями при ручном вдавливании зонда в почву на глубинах пахотного слоя и предусматривает также введение в подпахотный слой на глубину до 50 см с помощью бура.

Рис. 25. Общий вид макета емкостного зонда стержневого типа и автогенераторного ДДП измерителя влажности и электропроводности пахотного слоя почвы. Общая длина зонда 690 мм, диаметр 20 мм. Выполнен по схеме с потенциальным электродом 1 длиной 40 мм, установленным на диэлектрических вставках длиной по 30 мм между корпусным (заземленным) электродом-наконечником 2 и хвостовым корпусным электродом 3.

Расчетная геометрическая константа зонда равна Кп = 3,55 м"1, емкость зонда в воздухе 123 пФ, в воде 320 пФ.

Структурная схема автогенераторного ДДП аналогична схеме рис. 7, за исключением изменения конструкции емкостного ПИП, отсутствия эквипотенциального электрода и схемы его питания и использования дросселя коррекции фазо-частотной характеристики, включенного параллельно входу усилителя DA1. Вследствие подключения электродов емкостного зонда к ДДП коаксиальным кабелем, возросла емкость зонда в воздухе, что привело к снижению рабочего диапазона частот до fOSc = 7... 12 МГц. Получены градуиро-вочные характеристики автогенераторного ДДП со стержневым зондом как измерителя

диэлектрических характеристик материалов с использованием электрических эквивалентов (конденсаторов и резисторов), включаемых вместо зонда.

Конструкция стержневого зонда с симметричным расположением потенциального электрода между двумя корпусными выбрана с целью возможности исследования профиля влажности и электропроводности почвы путем последовательного, заглублении зонда в почву при маршрутном обследовании полей. Для решения этой задачи зонд должен иметь характеристику пространственной чувствительности, симметричную относительно центральной плоскости поперечного сечения потенциального электрода. Характеристики пространственной чувствительности (ХПЧ) позволяют установить, какой областью окружающей зонд среды создается выходной сигнал преобразователя, и каков вклад отдельных участков этой области в выходной сигнал.

Д/оч- а)

/ом'

0.008 0.007 0.006 0.005 0.004 0Л03 0.002 0.001 0

-0.001

.д.. " í ' ¡ & л >•/- 20 мм

■ ! 1 7 \ г ®» 30 мм

• ' I Ir-40 мм

i ■ Г / \г-60'мм

20 30 40 50 60 70 20 90 100

Г, мм

-S0 "60 -40 "20 О 20 40 60 S0

Рис. 26. Относительное приращение частоты автогенераторного ДДП Afose /'fose при различных положениях возмущающего шара (полистироловая оболочка диаметром 38 мм, заполненная дистиллированной водой) в окрестностях потенциального электрода зонда: а) при смещении z от центра потенциального электрода вдоль оси зонда при различных радиальных расстояниях г от этой оси; б) при смещении г вдоль радиуса зонда от центра потенциального электрода.

Ibv.rp ¡.•46К Olí чувств И1 »ЛЬ КОГТИ СПГЧ), снизу яоси Ttamot прирлщение SLíTcrtHfpaTopa от вюиущающего в nstftciBiui шара, ут такс-вленн^г« HJ ШЧ.% Обье* д л:-л екц-н ч ее кс- й ' среды. о:®атыва?мой Долевой вкддд в приращение частоты «гпгенератлриого ДДП объема диэлектрической среды, ояэаткваемого тч. %

л! 1 0.0173 0.1-93

i2 0,5 QX<61 0.5>6

i? <к2 0.105 9.729

С1.1 0.! ?¿ 0.&4Э

а'. 0.05 0.241 0.903

at 0.02 О.З.О 0.939

а7 0.01 0.461 0.960

»3 0.""5 0.13* 0.975

o.w2 1.0ъ 0.991

al l о.т 2.53 ?

Рис. 27. ХПЧ стержневого емкостного зонда (рис. 25), полученные методом малых возмущающих диэлектрических тел (а), и численные данные о ХПЧ (б). Измеряемый объем зонда (объем области, охватываемой ПРЧ с долевым вкладом 0,9) равен 0,241 дмЗ и соответствует ПРЧ а5.

В работе впервые предложено использование метода малых возмущающих диэлектрических тел, применяемого ранее для исследования диаграмм направленности радиолокационных антенн, для экспериментального определения ХПЧ емкостных и индуктивных зондов автогенераторных ДДП. Показано, что ХПЧ для е' и <т среды, по которым определяются влажность и электропроводность, совпадают, и обоснована возможность съема

ХПЧ в воздухе для квазистационарных ЭМП в зонде при отсутствии скин-эффекта в среде. ХПЧ, определяемыми разработанным методом, являются: положение поверхностей равной чувствительности (ПРЧ); долевой вклад участков среды, ограниченных ПРЧ, в выходной сигнал (реакцию) автогенераторного ДЦП; измеряемый объем тестируемой среды. Процедура определения ХПЧ состоит в измерении относительного приращения частоты автогенераторного ДДП при различных положениях малого возмущающего диэлектрического шара в окрестностях потенциального электрода зонда (рис. 26), построении границ ПРЧ, вычислении объемов среды, охватываемых ПРЧ, и долевого вклада в приращение частоты ДЦП, создаваемого этими объемами (рис. 27). Полученные экспериментальные данные подтверждают близкую к симметричной ХПЧ зонда.

Раздел 6. Бесконтактная двухкомпонентная диэлькометрия почв на основе автогенераторных преобразователей с индуктивным ПИП

В этом разделе показана возможность одновременного бесконтактного определения компонентов е', е" КДП, а также влажности и электропроводности а почв по выходным параметрам автогенераторного ДЦП с инерционной стабилизацией амплитуды колебаний, в последовательный колебательный контур которого включена кольцевая рамочная антенна, устанавливаемая при измерениях горизонтально над почвой. Диэлектрические свойства почвы определяются по формулам связи с вносимыми в кольцевую антенну сопротивлением и индуктивностью, которые вычисляются по измеренным выходным параметрам автогенераторного ДДП (рис. 5): частоте автоколебаний fose и модулю коэффициента передачи кд частотозадающего делителя, - формулы табл. 2. Альтернативным является определение е' и <т по градуировочным характеристикам в координатах fose, кд (рис. 33). Для определения влажности и электропроводности необходимо экспериментальное построение градуировочных характеристик в координатах fosa кд в виде кривых равной влажности и равной электропроводности, которые зависят от вида почвы.

В статьях Кузьмина Ю.И., Пащенко Е.Г.[Кузьмин-1983, 1984, 1985, 1986] рассмотрена работа электрически короткой горизонтальной кольцевой антенны при малых относительных параметрах высоты, т.е. расположенной близко к поверхности почвы. В пренебрежении толщиной скин-слоя в почве получены формулы для вносимого в кольцевую рамочную антенну импеданса, создаваемого электропроводностью а и действительным компонентом г' КДП почвы, а также показано, что эффективная глубина зондирования определяется только геометрией антенны.

Импедансными параметрами установленной над почвой кольцевой антенны, как и любого индуктивного ПИП, являются индуктивность Ьхм й сопротивление потерь г%м, включающие вносимые индуктивность Lbh и сопротивление потерь r¡¡ii, форм. (13).

Для горизонтально расположенной над почвой на высоте h кольцевой одновитко-вой рамочной антенны с радиусом рамки b и радиусом сечения а (рис. 28) при условии электрически короткой антенны: 4пЫХ « 1 и малой относительной высоты подвеса: Н = 4nh/X « 1, где Я - длина волны в воздухе, вносимый почвой импеданс описывается формулой (из работ Кузьмина Ю.И.):

~ ГВН + j®LB[í ,

в которой lbh, rbi, определяются уравнениями связи с компонентом с' КДП и электропроводностью <т почвы (13), а геометрическая постоянная кольцевой, антенны Кри (13) равна:

интегралы второ;

В этой ф| ;

(18)

Рис. 28. Расчетная схема расположения горизонтальной кольцевой антенны над однородной полупроводящей средой с действительным компонентом е' КДП и электропроводностью а.

Параметры кольцевой рамочной антенны в воздухе: сопротивление собственных потерь го, сопротивление излучения гизл и индуктивность Ьхвз, ПРИ Ь» а вычисляются по формулам:

. = 320л-6

=320л-6

,(20) Ьхв,

1п—-

1,75

(21)

где ар - электропроводность материала рамки. Эмпирическая формула (20) дает гизл в омах при подстановке радиуса рамки Ь и длины волны Л в метрах, либо радиуса рамки Ь в метрах, скорости света с в м/с и частоты/в герцах.

Основные импедансные характеристики кольцевой рамочной антенны с радиусом рамки Ь = 0,2 м и радиусом сечения провода рамки а = 0,004 м в зависимости от частоты ЭМП, вычисленные по формулам (12), (13), (18) - (21), представлены на рис. 29 - 31, графики соответствуют высоте установки антенны над почвой А = 0,04 м.

,Оч

10 1

от 0.01

^БН^-ХВЗ

1 10 1-ю"

/.МГц

- 1 \

.... .

/. МГц

Рис. 29 (слева). Вносимое почвой в кольцевую антенну сопротивление потерь гвн в зависимости от частоты/ЭМП и электропроводности <т: 1 - сг= 0,2 См/м; 2 - <т= 0,1 См/м; 3 - сг= 0,05 См/м; 4 - <т= 0,01 См/м; 5 - а= 0,003 См/м.

Рис. 30 (справа). Зависимость относительного приращения индуктивности кольцевой антенны Ьвн!Ь.хвз от диэлектрической проницаемости е'почвы и частоты /ЭМП: 1 - е'~ 80; 2 - е'= 30; 3 - е'~ 10; 4 - е'= 3.

Из графиков видно, что вносимое сопротивление потерь гвн для интервала элек-тропроводностей почв сг= 0,003...0,2 См/м в диапазоне частот ЭМП 10...30 МГц на один-два порядка превышает сопротивление собственных потерь антенны го, а сопротивление излучения гизл меньше г0. Отношение вносимой индуктивности к собственной индуктивности антенны Ьвн 1^хвз (рис. 30) в диапазоне частот 10...30 МГц для влажных почв достигает 0,01.. .0,1. Этих значений гВц и ЬВц /Ьхвз, как показано ниже, вполне достаточно для бесконтактного измерения влажности и электропроводности почв с приемлемой для технологического контроля точностью. Выбор рабочих частот автогенераторного ДЦП в диапазоне частот 10...30 МГц является рациональным компромиссным решением, так как, по сравнению с более низхими частотами, дает достаточную чувствительность горизонталь-

нои кольцевой антенны как к электропроводности <т, так и к действительному компоненту е' КДП почв, а по сравнению с более высокими частотами, позволяет выполнить условие электрически короткой антенны и работать с малым сопротивлением излучения гим. Условие электрически короткой антенны обеспечивает постоянство фазы тока вдоль окружности кольца и осесимметричную характеристику пространственной чувствительности кольцевой антенны. Кроме того, с повышением частоты возрастает сопротивление излучения антенны ги1п (рис. 31) и начинает сказываться влияние скин-слоя в почве (рис. 36).

Уменьшение вносимых в антенну сопротивления гВн и индуктивности Ьвн по мере удаления антенны от поверхности почвы, исходя из (13) и (18), описывается одинаковыми относительными выражениями:

ъ™ ¿.я»

где индекс 0 означает положение антенны на поверхности почвы (к = 0). График этой зависимости для рамки с Ъ = 0,2 м, а = 0,004 м представлен на рис. 32.

ГШ^ ГВИО •Х'яп! I*п

1-10

/.МГц

0.04 0.06

А, м

1 10 100 Рис. 31 (слева). Сопротивление собственных потерь го (1) и излучения гизл (2) кольцевой рамочной антенны в зависимости от частоты/ЭМП.

Рис.32 (справа). График относительного уменьшения вносимого сопротивления гвц! гвно и вносимой индуктивности Ьвн1 ¿из с увеличением высоты И установки антенны над почвой.

Для обоснования возможности построения бесконтактного измерителя влажности и электропроводности почв на основе кольцевой рамочной антенны и автогенераторного ДДП в разделе 6 проведен выбор основных параметров кольцевой антенны и генератора и расчет метрологических характеристик устройства как измерителя диэлектрических характеристик почв е' и er, В качестве кольцевой антенны выбрана рамка радиусом 0,2 м из медной трубки радиусом сечения 0,004 м. Сопротивление собственных потерь рамки г0 и сопротивление излучения г юл на частоте 20 МГц, вычисленные по формулам (19), (20), равны го = 0,059 Ом, г,т = 0,0097 Ом. Экспериментальное значение сопротивления потерь в воздухе гхвз = го + гИзл, измеренное прецизионным измерителем импеданса Agilent 4294А на частоте 20 МГц и принятое в дальнейших расчетах, составляет 0,245 Ом при добротности катушки 570. Индуктивность кольцевой антенны в воздухе (форм. (21)) Ьхвз - 1,066 мкГн. Расчеты проведены для случая расположения рамки непосредственно на поверхности почвы (h = 0), при этом входящие в (18), параметры равны:' (= (а + h)/b = 0,02; С = 0,9998; полные эллиптические интегралы второго рода К(С) = 5,2988, Е(С) = 1,001, а геометрическая постоянная кольцевой антенны равна Ä/-# = 2,55-10'J м\

Расчет параметров автогенераторного ДДП выполнен для базовой функциональной схемы рис. 5 с использованием полученных в разделе 3 расчетных формул табл. 2. Значение резистора делителя выбрано Rs = 13 Ом, Ä, = 7 Ом. Эквивалентная частота среза частотной характеристики управляемого широкополосного усилителя, определяющая фазовый сдвиг колебаний в усилителе и входящая в формулы табл. 2, выбрана равной fcp = 150 МГц. Емкость колебательного контура С к автогенератора вычислена по частоте автоколебаний в воздухе (форм. п. 2 табл. 2), заданной равной foscB3 = 20 МГц, и составляет Ск

= 58,2 пф. Расчет частоты автоколебаний fose при расположении горизонтальной кольцевой антенны над однородной полупроводящей средой с действительным компонентом в' КДП и электропроводностью а проведен по формуле, полученной из п.2 табл. 2 с учетом зависимости вносимых индуктивности ЬВц и сопротивления гвн (13) от частоты автоколебаний fose :

fose

1 + -

2 xfrrL„

2KfcrLx

)

2 jif„

2л/(рЬх1п

42W

(22)

UXB1 1

Соответственно, расчет модуля коэффициента передачи кд делителя: последовательный колебательный контур - резистор Rs, - проведен по формуле, полученной из п.4 табл.2 с учетом зависимости вносимого сопротивления гВн (13) от fosc :

и„

ГХВ1

+ 1

1 +

1 + -

t(2xfoscM0f аКп

+ 1

fose fe?

(23)

В результате расчетов частоты автоколебаний fose (22) и модуля коэффициента передачи ки (23) делителя автогенератора для значений компонента е' КДП и электропроводности а почв из рядов: е' = 1; 10; 20; 30; 40; 50; 60; 80, а = 0; 0,02; 0,05; 0,1; 0,15; 0,2 См/м получены градуировочные характеристики автогенераторного ДЦП с кольцевой рамочной антенной (рис. 33) в виде сетки из семейств кривых равных значений е' и а для диапазонов изменения е'к сгпочв в пределах е'= 1 ...80, <т= 0...0,2 См/м.

Градуировочные характеристики рис. 33 обеспечивают однозначное определение действительного компонента е' КДП и электропроводности а почвы по значениям двух выходных параметров автогенераторного ДДП - частоте автоколебаний fose и модуля коэффициента передачи.кд = \ÚЛ \Úys4\ делителя автогенератора.

¿•' = 60

¿ = 40 г' = 20 = 50 , ¿-' = 30'.

£' = 10

i ■ -Г ■ г / г\

0,9 ; / ■ -i........... j ■

/ / / / / /

0.8 / .' / : • / i

0,7 ¡ / : J.. /.

/ ' / .' /

. «- . .---,,----_ . .

i ! ! f

0.6 Г f ' Í 1 / / .' t ..'

/ / _ ...

(I.J ...... ■ ■ ■ - -• ■

fr = 0

(т = 0,02C\i/h

<г = 0.05 См/м

it = 0,1CM/M

<т=0.15См/м сг = 0,2См/м

ase *

МГц

Рис. 33. Расчетные градуировочные характеристики автогенераторного ДЦП с кольцевой рамочной антенной: двухкоординатное поле значений частоты автоколебаний fosc и модуля коэффициента передачи кд делителя последовательный колебательный контур - резистор Rs в зависимости от действительного компонента е' КДП и электропроводности а почвы..

19,5 19,6 10,7 14.8 19.9 20

Изменение частоты колебаний автогенераторного ДЦП с кольцевой антенной в диапазоне г' = 1...80 составляет 367...382 кГц при частоте колебаний в воздухе 20 МГц (рис. 33), что значительно меньше по сравнению с изменением частоты автогенераторного ДДП с емкостным ПИП (раздел 5). Обоснование достаточности такой чувствительности для определения действительного компонента е' КДП проведено путем оценки стабильности частоты автоколебаний и выражения ее в единицах е'. При оценке стабильности ис-

пользованы экспериментальные данные по автогенераторному ДДП с емкостным ПИП (раздел 4), для которого относительная среднеквадратичная шумовая флюктуация частоты составляет 0,8-КГ* за 10 с, относительный температурный дрейф частоты имеет значение 0,4-10^ 1/°С, относительный временной дрейф частоты равен 2-10"4 в течение 5 часов. Выражением этих величин в единицах е' с использованием данных рис. 33 для автогенераторного ДДП с кольцевой рамочной антенной найдено, что для него среднеквадратичное значение шумовой флюктуации частоты эквивалентно 0,34 ед. е' за 10 с, температурный дрейф частоты эквивалентен 0,17 ед. е'/°С, временной дрейф частоты эквивалентен 0,84 ед. с' за 5 часов. Учитывая, что диапазон е'= 1...80 охватывает диэлектрическую проницаемость сухих и влажных почв, а также чистой воды, эти данные говорят о возможности определения е'с основной погрешностью 1,2 ед. е'(абсолютное значение) или 1,5 % (относительное значение) в интервале температур (20 ± 5) °С. При этом основная погрешность определена среднеквадратичным сложением шумовой флюктуации частоты и температурного дрейфа частоты при изменении температуры на 5 °С. Погрешность определения электропроводности а по значению модуля кд на расчетных двухкоординатных характеристиках рис. 33 соответствует погрешности нахождения этого модуля по измеренным напряжениям (^увч |, и составляет 1,4 % при измерении |t/ÄS|, |i/y№|c погрешностью 1

%. Эти данные подтверждают возможность построения бесконтактного измерителя влажности и электропроводности почв с приемлемыми для технологического контроля инструментальными погрешностями.

Пространственная чувствительность горизонтальной кольцевой рамочной антенны может быть охарактеризована коэффициентом k(d) - отношением мощности ЭМП Pj, выделяемой в почве на глубине ниже горизонтального уровня d, отсчитываемого от поверхности почвы (рис. 28, 34), к общей мощности Р, выделяемой в почве [Кузьмин-1983]:

fc(d) = ii = —---- 4 , (24)

Где a + h _ a + h + d 1 1 с 1 '__1_

K(Cj), E(Cd), K(C), E(C) — полные эллиптические интегралы второго рода.

За эффективную глубину зондирования рамочной антенны принимается глубина горизонтального уровня d, выше которого сосредоточено 90% выделяемой в почве мощности ЭМП, что соответствует k(d) = 0,1. Эффективная глубина зондирования кольцевого витка, лежащего на поверхности почвы, составляет 36 - полтора диаметра витка (рис. 34). Долевой вклад р отдельных слоев почвы во вносимые сопротивление гВн и индуктивность LBh рассчитывается по формуле (24) при подстановке значений d, соответствующих границам слоев почвы (рис. 35).

т р

°0 01 02 03 04 05 06 07 08 09 1 °0 01 02 03 04 05 06 07 00 09 1

Рис. 34 (слева). Зависимость относительной мощности ЭМП к(ф, создаваемой кольцевой рамочной антенной ниже горизонтального уровня с1, от глубины положения этого уровня при различных радиусах рамки Ь. Антенна расположена на поверхности почвы (А = 0) и имеет радиус сечения провода а = 0,004 м.

Рис. 35 (справа). Долевой вклад слоев почвы р толщиной 5 см во вносимые в рамку сопротивление Гвн и индуктивность Ьвн в зависимости от глубины с! расположения слоя для кольцевой рамочной антенны с радиусом рамки Ь - 0,2 м, радиусом сечения провода рамки а = 0,004 м. Антенна установлена на поверхности почвы (И = 0).

Приведенные выше расчеты вносимых сопротивления гвн и индуктивности Ьви, а также пространственной чувствительности горизонтальной кольцевой рамочной антенны и градуировочных характеристик автогенераторного ДДП с ее использованием выполнены в предположении малости геометрических размеров антенны (ее диаметра 2Ь) по сравнению с толщиной скин-слоя Аэ электромагнитной волны в почве. За толщину скин-слоя, или эффективную глубину проникновения плоской гармонической электромагнитной волны в почву принимают толщину слоя почвы, на глубине которого напряженности электрической и магнитной составляющих ЭМП затухают в е = 2,718 раз. Для немагнитных сред йэ определяется формулой [Хиппель-1959]:

2л-Д/

М-

1 +

-1

Построенные по этой формуле графики зависимости толщины скин-слоя Иэ от частоты / ЭМП (рис. 36) для различных типов почв (использованы средние электрофизические параметры почв из литературных источников) и их сравнение с характеристиками пространственной чувствительности кольцевых рамочных антенн показывают, что на выбранной частоте 20 МГц влияние скин-слоя может сказываться на уменьшении чувствительности к удаленным от поверхности почвы слоям, которые вносят незначительный вклад во вносимое сопротивление гвн и вносимую индуктивность Ьвн- Это влияние возрастает с увеличением радиуса рамки и влажности почвы.

Рис.36. Эффективная глубина проникновения плоской гармонической электромагнитной волны в почву (толщина скин-слоя) кэ в зависимости от частоты/: 1 - песок сухой (£'=Ъ, сг = 0,003 См/м); 2 - песок пы-леватый, почва каштановая, маловлажная (е'= 5, <т = 0,015 См/м); 3 - супесь, почва степная маловлажная (£•' = 10, а = 0,03 См/м); 4 - суглинок маловлажный, лесс, солонцы (г' = 15, и = 0,07 См/м); 5 - суглинок влажный, почва торфяная (е'= 20, <т= 0,1 См/м); 6 -глина влажная, гумус, глиняная и болотная почвы (г' = 30, а = 0,2 См/м); 7 - калибровочный водный раствор (е'= 80, ег= 0,2 См/м).

/МГц

Важной особенностью бесконтактного измерения диэлектрических свойств почвы с использованием горизонтальной рамочной антенны, расположенной над ее поверхностью, является значительное влияние профиля влажности и электропроводности по глубине почвы на определяемые по выходным параметрам ДДП значения е'и а почвы. Максимальный долевой вклад во вносимые в рамку сопротивление гви и индуктивность Ьвн дает расположенный непосредственно у поверхности почвы 5-10 сантиметровый слой (рис. 35), влажность и электропроводность которого обычно существенно отличаются от значений в слоях, где расположена корневая система растений, вследствие процессов испарения, выпадения осадков и вертикального влаго- и солепереноса. Это ставит задачу определения профиля влажности и электропроводности в корнеобитаемом слое почвы,

которая может решаться путем использования автогенераторных ДДП с кольцевыми антеннами разных радиусов и их расположением на разных расстояниях от поверхности почвы. Для решения этой задачи необходимо также решение прямых электродинамических задач вычисления импедансных характеристик кольцевых горизонтальных антенн, расположенных над слоисто-неоднородной средой, и обратных электродинамических задач вычисления профиля е' и а по измеренным импедансным параметрам антенн.

Перечень перспективных средств инструментального контроля агротехноло-гий на основе автогенераторной двухкомпонентной диэлькометрии (разработан на основе результатов проведенных исследований):

1. Влагомеры зерна со свободной засыпкой пробы и автоматической коррекцией влияния плотности засыпки на показания влажности.

2. Зондовые влагомеры зерна и кормовых трав (свежескошенные травы, сено, силос, сенаж) с автоматической коррекцией влияния плотности на показания влажности; зоидовые влагбмеры-плотномеры прессуемых трав.

3. Поточные влагомеры зерна с коррекцией влияния плотности потока на показания влажности.

4. Двухкомпонентные диэлькометрические измерители влажности, электропроводности и температуры почв с емкостным зондом штыревого типа для маршрутного обследования состояния полей и посевов.

5. Скважинные двухкомпонентные диэлькометрические измерители влажности и электропроводности почвы и их профилей по глубине с датчиками емкостного или индуктивного типов.

6. Мобильные контактные измерители комплекса агрофизических характеристик пахотного слоя почвы в движении с датчиками влажности и электропроводности почвы, температуры и сопротивления пенетрации.

7. Бесконтактные надпочвенные измерители влажности и электропроводности почв и их профиля по глубине с использованием рамочных антенн.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе обобщения современного состояния использования средств и методов диэлькометрии в инструментальном контроле агротехнологий определены перспективные направления использования средств двухкомпонентной диэлькометрии. Впервые, с использованием обобщенной эмпирической модели диэлектрических свойств зерна злаковых культур, разработанной в Исследовательском центре Министерства сельского хозяйства США, диссертантом показана возможность одновременного определения влажности и плотности зерновой массы по измеренным значениям действительного е' и мнимого е" компонентов комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) ё = е' - ]е", что открывает перспективу построения двухкомпонентных диэлькометрических влагомеров зерна с автоматической коррекцией влияния плотности на показания влажности и влагомеров-плотномеров зерна. Отмечена перспективность использования методов определения солености почв и корнеобитаемых тепличных субстратов по двухкомпонентным диэлькомет-рическим измерениям их влажности и электропроводности для мониторинга влажности и общего содержания растворенных элементов минерального питания в почве и для двух-контурного управления системами полива в тепличном овощеводстве с подачей питательного раствора в поливную воду.

2. В результате анализа известных средств и методов двухкомпонентной диэлькометрии и поиска конкурентоспособных технических решений с учетом требований инструментального контроля технологий сельскохозяйственного производства впервые предложен метод автогенераторной двухкомпонентной диэлькометрии, основанный на использовании автогенераторов с инерционной стабилизацией амплитуды колебаний и

обеспечивающий определение компонентов комплексной диэлектрической проницаемости, а также электропроводности сельскохозяйственных материалов по двум выходным параметрам автогенератора. Показаны преимущества использования этого метода для построения средств инструментального контроля агротехнологий по сравнению с известными методами: по сравнению с методом пространственно-временной рефлектометрии (Т1Ж) - меньшая стоимость реализации, разнообразие конфигураций используемых емкостных первичных измерительных преобразователей (ПИП) и возможность работы с индуктивными ПИП, по сравнению с амплитудно-фазовым методом - высокая точность измерения частоты.

3. Разработаны функциональные и принципиальные электрические схемы автогенераторных двухкомпонентных диэлькометрических преобразователей (ДДП) с использованием современной элементной базы микроэлектроники, содержащих в качестве основных структурных элементов усилитель высокочастотных колебаний с усилением, управляемым напряжением, частотно-избирательный делитель, включенный в цепь положительной обратной связи усилителя и состоящий из резистора и колебательного контура, в состав которого введен емкостной или индуктивный ПИП, и цепь инерционной стабилизации амплитуды колебаний, обеспечивающую удержание амплитуды колебаний на линейном участке амплитудной характеристики усилителя путем детектирования выходного напряжения колебаний, сравнения его с опорным напряжением и подачи усиленного напряжения рассогласования на вход управления усилением усилителя колебаний. В качестве двух выходных параметров автогенераторного ДДП используются частота автоколебаний, напряжение на средней точке или модуль коэффициента передачи делителя, либо напряжение управления усилением.

4. Разработаны основы теории автогенераторных ДДП с емкостными и индуктивными ПИП. Показано, что при отсутствии фазового сдвига колебаний в усилителе автогенератора, автогенераторный ДДП обеспечивает полностью раздельное определение действительного компонента е' КДП тестируемого материала по частоте автоколебаний и электропроводности а материала по модулю коэффициента передачи делителя или по напряжению управления усилением при включении емкостного ПИП в параллельный колебательный контур делителя, либо при включении индуктивного ПИП в последовательный колебательный контур. Исследованы динамические процессы возникновения и установления автоколебаний и устойчивости стационарного режима для автогенераторных ДДП с емкостным ПИП. Показано, что при отсутствии фазового сдвига колебания в стационарном режиме всегда устойчивы, если выполняется условие самовозбуждения колебаний.

Получены расчетные формулы для определения параметров высокочастотного тракта ДДП, ПИП и диэлектрических характеристик тестируемого материала по выходным параметрам ДДП в стационарном режиме колебаний, как для автогенераторного Д ДП с емкостным ПИП в параллельном колебательном контуре делителя автогенератора, так и для автогенераторного ДДП с индуктивным ПИП в последовательном колебательном контуре делителя автогенератора с учетом комплексной передаточной функции усилителя колебаний. Показано, что разделение определяемых параметров при наличии фазового сдвига в усилителе колебаний может быть улучшено с помощью цепей фазовой коррекции.

5. С использованием известной обобщенной эмпирической модели диэлектрических свойств зерна злаковых культур в работе показана возможность применения метода автогенераторной двухкомпонентной диэлькометрии для определения влажности и плотности зерновой массы по выходным параметрам автогенераторного ДДП с емкостным ПИП. Предложены принципы построения автогенераторных ДДП с емкостной коаксиальной ячейкой для влагомера зерна со свободной засыпкой пробы и алгоритмы автоматической коррекции влияния случайного значения плотности при засыпке на результат определения влажности, и макетированием такого автогенераторного ДДП экспериментально доказана возможность снижения для зерна пшеницы случайной погрешности от влияния плотности до значений, не превышающих соответствующие значения для более дорогих

влагомеров, использующих для коррекции плотности взвешивание пробы или нормирование плотности пробы уплотнением.

6. Разработаны автогенераторные ДЦП с зондовыми емкостными датчиками для полевых почвенных измерений и методики их градуировки как измерителей объемной влажности и электропроводности почвы, а также электропроводности почвенной воды, что позволяет использовать их для мониторинга динамики влаги и концентрации растворенных элементов минерального питания в незаселенных почвах сельскохозяйственного использования в течение вегетационного периода. Первый автогенераторный ДЦП содержит короткий четырехстержневой емкостной датчик для установки на различных глубинах в почве и использования в составе автоматической агрометеорологической станции; второй снабжен зондовым стержневым емкостным датчиком для проведения измерений влажности И электропроводности почв на глубинах пахотного слоя в составе прибора для маршрутного обследования полей и мониторинга состояния земель сельскохозяйственного назначения.

7. Предложен экспериментальный метод исследования характеристик пространственной чувствительности автогенераторных ДЦП с емкостными и индуктивными датчиками к действительному компоненту КДП е' и электропроводности а тестируемой диэлектрической среды, основанный на внесении в электромагнитное поле датчика малого возмущающего диэлектрического тела. Предложенный метод использован для получения характеристик пространственной чувствительности емкостного стержневого зонда, предназначенного для автогёнераторного двухкомпонентного диэлькометрического измерителя влажности и электропроводности пахотного слоя почв при маршрутном обследовании сельскохозяйственных полей.

8. Теоретически обоснована возможность бесконтактного определения влажности и электропроводности почв с помощью автогенераторного ДЦП с кольцевой рамочной антенной, включенной в качестве индуктивного ПИП в последовательный колебательный контур автогенератора и устанавливаемой над почвой при измерениях, в диапазоне рабочих частот автогенераторного ДЦП 20.. .40 МГц.

9. По результатам проведенных исследований и с учетом возможностей метода автогенераторной двухкомпонентной диэлькометрии разработан перечень перспективных средств инструментального контроля агротехнологий на его основе.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Ананьев И.П. Автогенераторный диэлькометрический преобразователь и способ определения диэлектрических характеристик материалов с его использованием (варианты). Патент РФ на изобретение № 2361226, МПК8 G01R 27/26, G01N 27/02, приоритет 28.09.2007, зарегистрирован 10.07.2009, заявитель: ГНУ АФИ Россельхозакадемии. Ананьев И.П., Белов A.B., Зубец B.C. Возможности повышения точности емкостных влагомеров зерна со свободной засыпкой пробы на основе автогенераторной двухкомпонентной диэлькометрии // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2009, № 2, с. 47-52.

Ананьев И.П., Белов A.B., Зубец B.C. Применение автогенераторных двухкомпонентных диэлькометрических преобразователей для построения влагомеров зерна со свободной засыпкой пробы // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2008, № 12, с. 28-36.

Ананьев И.П. Перспективные средства диэлькометрического контроля в технологиях земледелия и растениеводства. // Земледелие. 2008, № 7, с. 10-11.

Ананьев И.П., Белов A.B., Зубец B.C. Коррекция влияния плотности на показания влажности в двухкомпонентных диэлькометрических влагомерах зерна // X Международная научно-практическая конф. «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве». 16-17 сентября 2008 г., г. Углич. Сборник докладов. Часть 2, с. 362-374.

Ананьев И.П., Белов A.B. Автогенераторные преобразователи влажности и электропровод- . ности почв с емкостными датчиками // X Международная научно-практическая конф. «Ав-

1. 2.

томатизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве». 16-17 сентября 2008 г., г. Углич. Сборник докладов. Часть 2, с. 260-370.

7. Ананьев И.П. Двухкомпонентные диэлькометрические преобразователи на основе автогенераторов с инерционной стабилизацией амплитуды колебаний // Датчики и системы. 2008, №7, с. 27-31.

8. Ананьев И.П. Разработка автогенераторных двухкомпонентных диэлькометрических преобразователей влажности и электропроводности почвогрунтов И Современная агрофизика - высоким агротехнологиям». Материалы Международной конференции (Санкт-Петербург, 25-27 сентября 2007 г.) ГНУ АФИ Россельхозакадемии. СПб, 2007, с. 224-225.

9. Ананьев И.П. Определение влажности и плотности зерновой массы автогенераторными двухкомпонентными диэлькометрическими преобразователями // Вестник Россельхозакадемии. 2007, №4, с. 8-12.

10. Ананьев И.П. Двухкомпонентная диэлькометрия на основе автогенераторных измерительных преобразователей с инерционной стабилизацией амплитуды колебаний // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2007, № 3, с. 46-52.

11. Ананьев И.П. Моделирование метрологических характеристик автогенераторного двух-компонентного диэлькометрического преобразователя влажности и плотности зерновой массы // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2007, № 4, с. 45-52.

12. Якушев В.П., Ананьев И.П., Тулин Е.В., Белов A.B., Усиков C.B. и др. Современные методы диэлькометрического контроля в технологиях сельскохозяйственного производства // Журнал «Плодородие», 2007, № 5, с. 2В -31.

13. Ананьев И.П. Двухкомпонентная диэлькометрия сельскохозяйственных материалов и возможности ее использования в агротехнологическом контроле // Инструментальные средства и методы в агрофизике. - СПб.: Изд-во ПИЯФ РАН, 2007. Сборник статей, с. 18 - 44.

14. Ананьев И.П. Автогенераторные двухкомпонентные диэлькометрические преобразователи с емкостными первичными преобразователями // Инструментальные средства и методы в агрофизике. - СПб.: Изд-во ПИЯФ РАН, 2007. Сборник статей, с. 45 - 64.

15. Ананьев И.П. Бесконтактное измерение влажности и электропроводности почвогрунтов на основе рамочной антенны и автогенератора с инерционной стабилизацией амплитуды колебаний //. Инструментальные средства и методы в агрофизике. - СПб.: Изд-во ПИЯФ РАН, 2007. Сборник статей, с. 65 - 79.

16. Белов A.B., Ананьев И.П. Многоканальные логгеры для сбора измерительной информации в полевых опытах // Инструментальные средства и методы в агрофизике. - СПб.: Изд-во ПИЯФ РАН, 2007. Сборник статей, с. 80 - 90.

17. Усиков C.B., Якушев В.П., Ананьев И.П., Тулин Е.В. и др. Технологии и средства диагностики качества, идентификации жидкостей, сельскохозяйственных материалов на основе метода состояния для решения задач точного земледелия // Международная научно-практическая конференция «Информационные технологии, системы и приборы в АПК -АГРОИНФО-2006». Материалы конф., г. Краснообск, 17-18 октября 2006 г., с. 247-261.

18. Ананьев И.П. Разделение активной и реактивной составляющих импеданса емкостного диэлькометрического преобразователя в автогенераторе с инерционной стабилизацией амплитуды колебаний // Международная научно-практическая конференция «Информационные технологии, системы и приборы в АПК - АГРОИНФО-2006». Материалы конф., г. Краснообск, 17-18 октября 2006 г., с. 281-298.

19. Ананьев И.П., Белов A.B. Зондовый двухкомпонентный диэлькометрический преобразователь влажности и электропроводности почв // Международная научно-практическая конференция «Информационные технологии, системы и приборы в АПК - АГРОИНФО-2006». Материалы конф., г. Краснообск, 17-18 октября 2006 г., с. 298-316.

20. Усиков C.B., Якушев В.П., Ананьев И.П. Тулин Е.В. и др. Методы и средства оперативной диагностики и идентификации жидкостей и сельскохозяйственных материалов на базе метода состояния // IV Международная конференция «Современное приборное обеспечение и методы анализа почв, кормов, растений и сельскохозяйственного сырья», Материалы конф., Москва, ВВЦ, 18-19 октября 2006, с. 30-39.

21. Ананьев И.П. Бесконтактное измерение влажности и электропроводности почвогрунтов // IX Международная научно-практическая конф. «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве». Сборник докладов. 19-20 сентября 2006 г., г. Углич, с. 292-309.

22. Ананьев И.П. Измерение компонентов комплексной диэлектрической проницаемости сельскохозяйственных материалов автогенераторными преобразователями с инерционной стабилизацией амплитуды колебаний // IX Международная научно-практическая конф. «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве». Сборник докладов. 19-20 сентября 2006 г., г. Углич, с. 329-341.

23. Ананьев И.П. Двухкомпонентная диэлькометрия сельскохозяйственных материалов и возможности ее использования в технологическом контроле // Научные труды ВИМ. Том 149: Автоматизация производства продукции растениеводства. Материалы 2-й Международной научно-практической конференции «Земледельческая механика в растениеводстве» (17-18 декабря 2003). М., 2003, с. 161-167.

24. Ананьев И.П. Определение влажности и объемной плотности зерновой массы по измеренным значениям компонентов диэлектрической проницаемости // Информационные технологии, информационные измерительные системы и приборы в исследовании сельскохозяйственных процессов. Матер, международной научно-практ. конф. АГРОИНФО-2003. Новосибирск, 22-23 окт. 2003. Часть 2, с. 60-71.

25. Ананьев И.П. Экспериментальный метод определения характеристик пространственной чувствительности диэлькометрических зондов для измерения влажности дисперсных материалов // Информационные технологии, информационные измерительные системы и приборы в исследовании сельскохозяйственных процессов. Матер. Международной науч-но-прает. конф. АГРОИНФО-2003. Новосибирск, 22-23 окт. 2003. Часть 1, с. 278-287.

26. Ананьев И.П. Импедансный метод холостого хода - короткого замыкания в задачах диэль-кометрии с использованием отрезков длинных линий // Информационные технологии, информационные измерительные системы и приборы в исследовании сельскохозяйственных процессов. Матер. Международной научно-практ. конф. АГРОИНФО-2003. Новосибирск, 22-23 окт. 2003. Часть 1, с.270-277.

27. Ananyev LP. The problem of cereal grain moisture content and bulk density determination using measured values of permittivity components // The 4th International Symposium on Humidity and Moisture. ISHM 16-19 September 2002, Taiwan, Taipei.

28. Ананьев И.П. Определение влагосодержания и объемной плотности семян зерновых культур по измеренным значениям компонентов диэлектрической проницаемости // Агрофизика 21 века (к 70-летию образования Агрофизического института). Труды Междунар. научно-практ. конф. 8-12 июля 2002. СПб, 2002, с. 424-431.

29. Ananyev. I.P. Cereal grain moisture and bulk density determination on measured values of dielectric permittivity components // International Conference: Physical Methods in Agriculture - Approach to Precision and Quality. Prague (Czech Republic) 27-30 August, 2001, p. 37-42.

30. Ананьев И.П., Кульков O.B. Агрофизические приборы и измерительные системы в решении задач экологизации растениеводства и земледелия. Автоматизация производственных процессов в сельском хозяйстве // Международная научно-технич. конференция. 7-9 июня 2000 г., г. Минск, Белоруссия, Гос. аграрн. техн. университет, с.186-187.

31. Ананьев И.П., Кульков О.В. Современное состояние агрофизических методов и средств измерений в полевом опыте И Современные проблемы опытного дела. Матер, междунар. на-учно-практ. конф. 6-9 июня 2000 г., т.1. СПб, 2000, с.5-19.

32. Ananyev. ¡.P. Experimental method of the determination of spatial sensitivity characteristics of high-frequency electromagnetic probes for a measurement of granular material moisture // Paper of Abstracts from the Third International Symposium on Humidity and Moisture. National Physical Laboratory. Teddington. London. England. 6-8 April' 98, D2.9.

33. Ананьев И.П., Кульков O.B. Зондовый измерительный преобразователь влажности. Авт. свид. № 1627961, МКИ GO 1N 27/22, БИ, 1991 г., № 6.

34. Ананьев И.П., Кульков О.В. Зондовый измерительный преобразователь влажности волокнистых материалов. Авт. свид. № 1567955, МКИ G01N 27/22, БИ, 1990 г., № 20.

Отпечатано в типографии ООО «Мультиграфик», Заказ № 168. Тираж 100 экз.

Содержание диссертации, доктора технических наук, Ананьев, Игорь Петрович

Введение

Раздел. 1. Двухкомпонентная диэлькометрия сельскохозяйственных материалов: современное состояние, возможности использования и выбор направлений разработки ДДП для средств инструментального контроля агротехнологий

1.1. Частотные и временные методы исследования диэлектрических характеристик материалов. Двухкомпонентная диэлькометрия

1.2. Диэлектрические свойства сельскохозяйственных материалов в переменных электромагнитных полях и их связь с агротехнологическими характеристиками

1.3. Принципы построения измерительных преобразователей двухкомпонентной диэль-кометрии сельскохозяйственных материалов

1.4. Современное состояние использования средств диэлькометрии в агротехнологиче-ском контроле и возможности двухкомпонентной диэлькометрии

1.5. Актуальность создания, цель и задачи исследований автогенераторных измерительных преобразователей двухкомпонентной диэлькометрии для средств инструментального контроля агротехнологий

2.1. Принципы построения автогенераторного ДДП с емкостным ПИП и инерционной стабилизацией амплитуды колебаний и его использования для раздельного измерения компонентов КДП материалов

2.2. Анализ условий возникновения и стационарного режима колебаний, динамических процессов установления колебаний и устойчивости стационарного режима

2.3. Анализ стационарного режима колебаний с учетом комплексной передаточной функции усилителя колебаний^

2.4. Определение емкости ПИП и действительного компонента КДП с исключением влияния диэлектрических потерь тестируемого материала

2.5. Определение активной составляющей импеданса емкостного ПИП'и электропроводности тестируемого материала

2.6. Таблицы формул связи выходных параметров автогенераторного ДДП с параметрами емкостного ПИП и диэлектрическими характеристиками тестируемого материала

2.7. Структурные схемы построения двухкомпонентных диэлькометрических средств инструментального контроля агротехнологий на основе автогенераторного ДДП с емкостным ПИП

Раздел 3. Основы теории и принципы построения авто генераторных ДДП с индуктивным ПИП и инерционной стабилизацией амплитуды колебаний на линейном участке амплитудной характеристики усилителя колебаний

3.1. Использование индуктивных ПИП для измерения диэлектрических характеристик тестируемых материалов в автогенераторных ДДП

3.2. Принципы построения автогенераторных ДДП с индуктивным ПИП в параллельном и последовательном колебательном контуре и инерционной стабилизацией амплитуды колебаний

3.3. Анализ стационарного режима колебаний автогенератора с индуктивным ПИП в параллельном колебательном контуре с учетом комплексной передаточной функции усилителя колебаний. Связь импедансных параметров индуктивного ПИП и диэлектрических характеристик тестируемого материала с выходными параметрами автогенераторного ДДП

3.4. Анализ стационарного режима колебаний автогенератора с индуктивным ПИП в последовательном колебательном контуре с учетом комплексной передаточной функции усилителя колебаний. Связь импедансных параметров индуктивного ПИП и диэлектрических характеристик тестируемого материала с выходными параметрами автогенераторного ДДП

3.5. Анализ работы автогенераторных ДДП с заземленным индуктивным ПИП в последовательном колебательном контуре и условия их эквивалентности автогенераторам с неза-земленным индуктивным ПИП

Раздел 4. Исследование и разработка автогенераторных ДДП с емкостным ПИП для средств двухкомпонентной диэлькометрии зерна.

4.1. Моделирование градуировочных характеристик авто генераторных ДДП влажности и плотности зерновой массы с емкостным ПИП на основе обобщенной эмпирической модели диэлектрических свойств зерна злаковых культур

4.2. Основные направления разработки и особенности построения автогенераторных ДДП влажности и плотности зерновой массы

4.3. Разработка автогенераторного ДДП с емкостной измерительной ячейкой - анализатора диэлектрических характеристик зерновых материалов

4.3.1. Устройство и основные характеристики анализатора

4.3.2. Использование анализатора для исследования зависимости диэлектрических характеристик зерновых материалов от влажности, плотности и частоты электрического поля

4.3.3. Использование анализатора для физического моделирования градуировочных характеристик зондовых автогенераторных ДЦП влажности и плотности зерновых материалов

4.4. Разработка автогенераторного ДЦП с емкостным коаксиальным ПИП влагомера зерна со свободной засыпкой пробы и способов коррекции влияния плотности засыпки на показания влажности

4.4.1. Структурная схема и устройство автогенераторного ДЦП влагомера зерна со свободной засыпкой пробы в емкостную коаксиальную ячейку

4.4.2. Исследование зависимости выходных параметров автогенераторного ДЦП от влажности и плотности зерновой массы при свободной засыпке пробы в емкостную ячейку.

4.4.3. Коррекция влияния плотности зерновой массы на результат определения влажности при свободной засыпке пробы в емкостную ячейку

4.4.4. Возможности уменьшения погрешности от влияния плотности зерновой массы при свободной засыпке пробы на результат определения влажности за счет двухкомпонент-ных диэлькометрических измерений

Раздел 5. Исследование и разработка авто генераторных ДЦП с емкостным ПИП для средств двухкомпонентной диэлькометрии почв

5.1. Автогенераторный ДЦП влажности и электропроводности почв с четырехштыревым емкостным зондом для использования в автоматической агрометеорологической станции

5.1.1. Методика и результаты исследования градуировочных характеристик автогенераторного ДЦП как измерителя диэлектрических характеристик почв и как измерителя объемной влажности и электропроводности почв и электропроводности почвенной воды

5.2. Авто генераторный ДЦП- измерителя < влажности и электропроводности пахотного слоя почвы с емкостным зондом'стержневого типа для маршрутного обследования состояния земель сельскохозяйственного назначения

5.3. Экспериментальное исследование характеристик пространственной чувствительности зондовых автогенераторных ДДП методом малых возмущающих диэлектрических тел

5.3.1. Возмущающий диэлектрический шар в диэлектрической среде с однородным электрическим полем

5.3.2. Характеристики пространственной чувствительности автогенераторного ДДП с емкостным стержневым зондом

6.1. Принцип построения бесконтактных измерителей влажности и электропроводности почв на основе кольцевой рамочной антенны и автогенераторного ДДП

6.2. Связь импедансных параметров горизонтальной кольцевой антенны с компонентами КДП и электропроводностью почв

6.3. Расчетные градуировочные характеристики автогенераторного ДДП с кольцевой рамочной антенной как измерителя действительного компонента КДП и электропроводности почв

6.4. Пространственная чувствительность кольцевой рамочной антенны, установленной горизонтально над почвой

6.5. Разработка структурных схем автогенераторных ДДП с симметричным по отношению к земле включением кольцевой антенны

Перечень перспективных средств инструментального контроля агротехнологий на основе автогенераторной двухкомпонентной диэлькометрии (разработан на основе результатов проведенных исследований)

Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Автогенераторные измерительные преобразователи двухкомпонентной диэлькометрии сельскохозяйственных материалов"

Актуальность работы. Диэлькометрия — измерение диэлектрических свойств материалов - является фундаментальным методом исследования и широко используется в технологиях сельскохозяйственного производства для контроля состояния материалов, качества сырья и продукции и параметров технологических процессов. В настоящее время диэлькометрия применяется как один из основных методов влагометрии сельскохозяйственных материалов: зерна, кормов (сено, силос, сенаж, комбикорм, травяная мука, плющенное зерно), почв и тепличных грунтов, удобрений, обеспечивая экспрессность измерений, возможность работы в режиме "on-line", приемлемую точность, простоту использования и невысокую стоимость средств измерений.

Однако существующие диэлькометрические средства инструментального контроля агротехнологий являются, в основном, однопараметрическими и не используют возможностей двухкомпонентной диэлькометрии, основанной на измерении как действительного, так и мнимого компонентов комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) материалов. Двухкомпонентная диэлькометрия открывает пути увеличения точности и расширения функциональных возможностей диэлькометрических средств инструментального контроля агротехнологий, повышающих эффективность сельскохозяйственного производства. диссертационной работе впервые показана возможность одновременного определения влажности и плотности зерновой массы по измеренным двум компонентам диэлектрической проницаемости, что дает возможность повысить точность измерения влажности растительных дисперсных материалов, являющейся основным контролируемым параметром в технологиях производства и переработки зерна. Двухкомпонентная диэлькометрия почв позволяет определять влажность и электропроводность почв и осуществлять мониторинг общего содержания элементов минерального питания; что важно для управления технологиями земледелия открытого грунта, точного земледелия, овощеводства открытого и защищенного грунта.

Известные «классические» средства, двухкомпонентной диэлькометрии, используемые для исследования диэлектрических свойств материалов в лабораторных условиях (измерительные мосты и анализаторы электрических цепей), являются дорогостоящими^ поэтому не используются в технологическом контроле. Появившиеся в последнее время! за рубежом и охраняемые как объекты промышленной собственности двухкомпонентные диэлькометрические измерители влажности и электропроводности почв, использующие частотный метод измерения (WET-сенсор английской компании Delta-T Devices Ltd., Т5 фирмы США Decagon Devices Inc.), а также дорогостоящие измерители, использующие метод пространственно-временной рефлектометрии-TDR (приборы Easy Test Института агрофизики Польской академии наук, TDR система английской компании Campbell Scientific Ltd.) ограничивают создание отечественных конкурентоспособных разработок.

В связи с этим поиск новых решений и разработка конкурентоспособных средств двухкомпонентной диэлькометрии и, в первую очередь, измерительных преобразователей, пригодных для инструментального контроля агротехнологий в полевых условиях, и исследование новых возможностей их применения в технологическом контроле, являются актуальной проблемой, направленной на повышение эффективности сельскохозяйственного производства.

Эта проблема соответствует поставленной руководством Российской Федерации приоритетной задаче развития экономики в направлении создания и освоения в производстве объектов интеллектуальной собственности.

В диссертационной работе эта проблема решена путем разработки впервые предложенных и защищенных патентом РФ на изобретение автогенераторных двухкомпо-нентных диэлькометрических преобразователей (ДДП), обеспечивающих разделение информации о действительном и мнимом компонентах комплексной диэлектрической проницаемости материала, введенного в электромагнитное поле первичного измерительного преобразователя (ПИП), благодаря инерционной стабилизации амплитуды колебаний на линейном участке амплитудной характеристики усилителя колебаний автогенератора. Исследования выполнены в ГНУ Агрофизическом научно-исследовательском институте Россельхозакадемии по планам НИР на 1995-2009 гг.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи исследований:

- разработать принципы построения и создать основы теории автогенераторных ДДП с емкостными и индуктивными ПИП;

- разработать автогенераторные измерительные преобразователи с емкостным ПИП для средств двухкомпонентной диэлькометрии почвогрунтов и исследовать их характеристики;

- теоретически обосновать возможность бесконтактной двухкомпонентной диэлькометрии почвогрунтов на основе автогенераторных ДДП с индуктивным ПИП;

В задачи исследований не включено исследование влияния температуры на характеристики автогенераторных ДДП, исходя из стремления раскрыть в ограниченном объеме работы перспективные направления применения предложенного нового метода автогенераторной двухкомпонентной диэлькометрии. Это не сннжает ценности полученных результатов, поскольку основные градуировочные характеристики и основные погрешности средств измерений определяются при нормальной температуре.

Научная новизна работы определяется ее основными научными положениями и результатами, выносимыми на защиту:

1. С использованием обобщенной эмпирической модели диэлектрических свойств зерна злаковых культур, разработанной в Исследовательском центре Министерства сельского хозяйства США, диссертантом впервые показана возможность одновременного измерения влажности и плотности зерновой массы по измеренным значениям действительного е' и мнимого е" компонентов КДП ё = s' - je", что открывает перспективу построения двухкомпонентных диэлькометрических влагомеров зерна с автоматической коррекцией влияния плотности на показания влажности и влагомеров-плотномеров зерна.

2. Впервые предложен метод автогенераторной двухкомпонентной диэлькомет-, рии, основанный на использовании автогенераторов с инерционной стабилизацией амплитуды колебаний и- обеспечивающий определение компонентов комплексной диэлектрической проницаемости, а также электропроводности сельскохозяйственных материалов по двум выходным параметрам автогенератора. Показаны преимущества использования этого метода для построения средств инструментального контроля агротехнологий по сравнению с известными методами.

3. Разработаны функциональные и принципиальные электрические схемы автогенераторных ДДП, содержащих в качестве основных структурных элементов усилитель высокочастотных колебаний с усилением, управляемым напряжением, частотно-избирательный делитель, включенный в цепь положительной обратной связи усилителя и состоящий из резистора и колебательного контура, в состав которого введен емкостной или индуктивный первичный измерительный преобразователь (ПИП), и цепь инерционной стабилизации амплитуды колебаний, обеспечивающую удержание амплитуды колебаний на линейном участке амплитудной характеристики усилителя путем детектирования выходного напряжения колебаний, сравнения его с опорным напряжением и подачи усиленного напряжения рассогласования на вход управления усилением усилителя колебаний. В качестве двух выходных параметров автогенераторного ДЦП используются частота автоколебаний, напряжение на средней точке или модуль коэффициента передачи делителя, либо напряжение управления усилением.

4. Разработаны основы теории автогенераторных ДЦП как с емкостными, так и с индуктивными ПИП. Показано, что при отсутствии фазового сдвига колебаний в усилителе автогенератора, автогенераторный ДЦП обеспечивает полностью раздельное определение действительного компонента е' КДП тестируемого материала по частоте автоколебаний и электропроводности а материала по модулю коэффициента передачи делителя или по напряжению управления усилением при включении емкостного ПИП в параллельный колебательный контур делителя, либо при включении индуктивного ПИП в последовательный колебательный контур. Исследованы динамические процессы возникновения и установления автоколебаний и устойчивости стационарного режима для автогенераторных ДЦП с емкостным ПИП. Показано, что при отсутствии фазового сдвига колебаний в усилителе автогенератора колебания в стационарном режиме всегда устойчивы, если выполняется условие самовозбуждения колебаний.

Получены расчетные формулы для определения параметров высокочастотного тракта ДЦП, ПИП и диэлектрических характеристик тестируемого материала по выходным параметрам ДЦП как для автогенераторного ДЦП с емкостным ПИП в параллельном колебательном контуре делителя автогенератора, так и для автогенераторного ДЦП с индуктивным ПИП в последовательном колебательном контуре делителя автогенератора с учетом комплексной передаточной функции усилителя колебаний. Показано, что взаимная зависимость определяемых параметров при наличии фазового сдвига в усилителе колебаний может быть устранена с помощью цепей фазовой коррекции.

5. Предложены принципы построения автогенераторных ДЦП с емкостной коаксиальной ячейкой для влагомера зерна со свободной засыпкой пробы и алгоритмы автоматической коррекции влияния случайного значения плотности при засыпке на результат определения влажности, и макетированием такого автогенераторного ДЦП экспериментально показана возможность снижения для зерна пшеницы случайной погрешности от влияния плотности до значений, не превышающих соответствующие значения для влагомеров, использующих взвешивание пробы или нормирование ее плотности уплотнением.

6. Разработаны автогенераторные ДДП с зондовыми емкостными датчиками для полевых почвенных измерений, включая стационарные балансовые измерения в составе агрометеорологической станции и измерения при маршрутном обследовании полей, и экспериментально показана возможность одновременного измерения объемной влажности 9и электропроводности и почв в диапазонах в = 0. 100 %, включающем также чистую воду, и диапазоне а = 0.0Д См/м, что позволяет использовать их для измерений в незаселенных почвах сельскохозяйственного использования.

В. Теоретически обоснована возможность бесконтактного определения влажности и электропроводности почв с помощью автогенераторного ДДП с кольцевой рамочной антенной, включенной в качестве индуктивного ПИП в последовательный колебательный контур автогенератора и устанавливаемой над почвой при измерениях, в диапазоне рабочих частот автогенераторного ДДП 20.40 МГц.

Практическая ценность результатов работы.

1. Разработанные принципы построения и основы теории автогенераторных ДДП с емкостными или индуктивными ПИП являются базой для создания нового класса перспективных средств инструментального контроля агротехнологий, перечень которых дан в заключительной части диссертации и автореферата. Все изложенные в диссертации технические решения по автогенераторной двухкомпонентной диэлькометрии защищены патентом РФ на изобретение № 2361226 с приоритетом от 28.09.2007 г., автор Ананьев И.П., подтверждающим мировую новизну и изобретательский уровень, и обеспечивающим конкурентоспособность разработок.

2. Результаты экспериментальных разработок принципиальных электрических схем автогенераторных ДДП с использованием современной элементной базы микроэлектроники необходимы для построения и практической реализации автогенераторных двухкомпонентных диэлькометрических приборов и других средств инструментального контроля.

5. Разработанный автогенераторный ДДП с емкостным стержневым зондом для измерения влажности и электропроводности пахотного слоя почв и полученные градуи-ровочные характеристики будут использованы в создаваемом по плану НИР ГНУ АФИ Россельхозакадемии на 2006-2010 гг. приборе для маршрутного состояния земель сельскохозяйственного назначения.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на: Международном конгрессе по электромагнитному загрязнению окружающей среды (Санкт-Петербург, июнь 1994 г.); Третьем международном симпозиуме по гигрометрии и влагометрии (Англия, Лондон, Национальная физическая лаборатория, апрель 1998 г.); Научной сессии «Экологизация сельскохозяйственного производства в Северо-Западной зоне Российской Федерации. Проблемы и пути развития». (Санкт-Петербург, АФИ, сентябрь 1997 г.); Ежегодной летней конференции Корейского института инженеров-электриков (Южная Корея, июнь 1999 г.); Международной научно-практической конференции «Современные проблемы опытного дела» (Санкт-Петербург, АФИ, июнь 2000 г.); Международной научно-технической конференции «Автоматизация производственных процессов в сельском хозяйстве» (Белоруссия, г. Минск, Гос. аграрн. техн. университет, июнь 2000 г.); Международной конференции «Физические методы в сельском хозяйстве - на пути к точности и качеству» (ЧешскаяРеспублика, Прага, август 2001 г.); Международной научно-практической конференции «Агрофизика XXI века» (к 70-летию образования Агрофизического института) (Санкт-Петербург, июль 2002 г.); Четвертом международном симпозиуме по гигрометрии и влагометрии (Тайвань, Тайпей, 16-19 сентября 2002 г.); Заседании Отраслевого научного координационного совета по механизации, электрификации и автоматизации ГНУ Северо-Западного научно-методического центра РАСХН (Санкт-Петербург - Пушкин, сентябрь 2003 г.); Международной научно-практической конференции «Информационные технологии, информационные измерительные системы и приборы в исследовании сельскохозяйственных процессов АГРОИНФО-2003» (Новосибирск - Краснообск, октябрь 2003 г.); Международной конференции «Современное приборное обеспечение и методы анализа почв, кормов, растений и сельскохозяйственного сырья» (Москва, ГНУ ВНИИ агрохимии им. Д.Н. Прянишникова, декабрь 2003 г.); Второй международной научно-практической конференции «Земледельческая механика в растениеводстве» (Москва, ГНУ ВИМ, декабрь 2003); Третьем московском международном конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Москва, 14-18 марта 2005 г.); Девятой международной научно-практической конференции «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов-в сельском хозяйстве» (г. Углич, 19-20 сентября 2006 г.); Международной научно-практической конференция «Информационные технологии, системы и приборы в АПК - АГРОИНФО-2006» (Новосибирск - Краснообск, 17-18 октября 2006 г.); Четвертой международной конференции «Современное приборное обеспечение и методы анализа почв, кормов, растений и сельскохозяйственного сырья» (Москва, ВВЦ, 18-19 октября 2006); Международной конференции «Современная агрофизика — высоким агро-технологиям» (Санкт-Петербург, 25-27 сентября 2007 г.); совместном заседании бюро Отделения земледелия и бюро Отделения защиты растений РАСХН 28 мая 2008 г. по вопросу: Перспективы использования автогенераторный двухкомпонентной диэлькометрии в инструментальном контроле сельскохозяйственных объектов; Десятой международной научно-практической конференции «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве» (г. Углич, 16-17 сентября 2008 г.); Международной конференции по точному земледелию в Вагенингене, Нидерланды, 7-9 июля 2009 г. Комплекс средств инструментального контроля агрофизических характеристик почв и зерна, основанных на разработанном диэлькометрическом методе, награжден золотой медалью на международной выставке-ярмарке АгроРусь-2008 (Санкт-Петербург, Ленэкспо, 22-30 августа 2008 г.).

Публикации. Основные положения и результаты диссертации опубликованы.в 34 работах, включая 8 публикаций в. журналах из перечня реферируемых журналов ВАК, 1 патент РФ и 2 авторских свидетельства СССР на изобретения. Патент РФ на изобретение № 2361226 защищает все принципиальные технические решения по автогенераторной двухкомпонентной диэлькометрии, изложенные в диссертации, и содержит 4 независимых пункта формулы изобретения, 34 зависимых, 139 страниц описания, формулы и чертежей.

Заключение Диссертация по теме "Агропочвоведение и агрофизика", Ананьев, Игорь Петрович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основе обобщения современного состояния использования средств и методов диэлькометрии в инструментальном контроле агротехнологий определены перспективные направления использования средств двухкомпонентной диэлькометрии. Впервые, с использованием обобщенной эмпирической модели диэлектрических свойств зерна злаковых культур, разработанной в Исследовательском центре Министерства сельского хозяйства США, показана возможность одновременного измерения влажности и плотности зерновой массы по измеренным значениям действительного г' и мнимого е" компонентов комплексной диэлектрической проницаемости (КДП) ё = е' - je", что открывает перспективу построения двухкомпонентных диэлькометрических влагомеров зерна с автоматической коррекцией влияния плотности на показания влажности и влагомеров-плотномеров зерна. Отмечена перспективность использования методов определения солености почв и корнеобитаемых тепличных субстратов по двухкомпонентным диэлькометрическим измерениям их влажности и электропроводности для мониторинга влажности и общего содержания растворенных элементов минерального питания в почве и для двухконтурного управления системами полива в тепличном овощеводстве с подачей питательного раствора в поливную воду.

2. В результате анализа известных средств и. методов двухкомпонентной диэлькометрии и поиска конкурентоспособных технических решений с учетом требований инструментального контроля технологий сельскохозяйственного производства впервые предложен метод автогенераторной двухкомпонентной диэлькометрии, основанный на использовании автогенераторов с инерционной стабилизацией амплитуды колебаний и обеспечивающий определение компонентов комплексной диэлектрической проницаемости, а также электропроводности сельскохозяйственных материалов по двум выходным параметрам автогенератора. Показаны преимущества использования этого метода для построения средств инструментального контроля агротехнологий по сравнению с известными методами: по сравнению с методом пространственно-временной рефлектометрии (TDR) — меньшая стоимость реализации, разнообразие конфигураций используемых емкостных первичных измерительных преобразователей (ПИП) и возможность работы- с индуктивными ПИП, по сравнению с амплитудно-фазовым методом — высокая точность измерения частоты.

3. Разработаны функциональные и принципиальные электрические схемы авто генераторных двухкомпонентных диэлькометрических преобразователей (ДДП) с использованием современной элементной базы микроэлектроники, содержащих в качестве основных структурных элементов усилитель высокочастотных колебаний с усилением, управляемым напряжением, частотно-избирательный делитель, включенный в цепь положительной обратной связи усилителя и состоящий из резистора и колебательного контура, в состав которого введен емкостной или индуктивный ПИП, и цепь инерционной стабилизации амплитуды колебаний, обеспечивающую удержание амплитуды колебаний на линейном участке амплитудной характеристики усилителя путем детектирования выходного напряжения колебаний, сравнения его с опорным напряжением и подачи усиленного напряжения рассогласования на вход управления усилением усилителя колебаний. В качестве двух выходных параметров автогенераторного ДДП используются частота автоколебаний, напряжение на средней точке или модуль коэффициента передачи делителя кц, либо напряжение управления усилением Uynp.

4. Разработаны основы теории автогенераторных ДДП с емкостными и индуктивными ПИП. Показано, что при отсутствии фазового сдвига колебаний в усилителе автогенератора, автогенераторный ДДП обеспечивает полностью раздельное определение действительного компонента г' КДП тестируемого материала по частоте автоколебаний и электропроводности а материала по модулю коэффициента передачи делителя кц или по напряжению управления усилением Uynp при включении емкостного ПИП в параллельный колебательный контур делителя, либо при включении индуктивного ПИП в последовательный колебательный контур. Исследованы динамические процессы возникновения и установления автоколебаний и устойчивости стационарного режима для автогенераторных ДДП с емкостным ПИП. Показано, что при отсутствии-фазового сдвига колебания в стационарном режиме всегда устойчивы, если выполняется условие самовозбуждения колебаний.

Получены расчетные формулы для определения параметров высокочастотного тракта ДДП, ПИП и диэлектрических характеристик тестируемого материала по выходным параметрам ДДП в стационарном режиме колебаний, как для автогенераторного ДДП с емкостным ПИП в параллельном колебательном контуре делителя автогенератора, так и для автогенераторного ДДП с индуктивным ПИП в последовательном колебательном контуре делителя-автогенератора с учетом амплитудно-фазовой характеристики усилителя колебаний. Показано, что разделение определяемых параметров при'наличии^ фазового сдвига в усилителе колебаний может быть улучшено с помощью цепей фазовой коррекции.

5. С использованием обобщенной эмпирической модели диэлектрических свойств зерна злаковых культур показана возможность использования метода автогенераторной двухкомпонентной диэлькометрии для определения влажности и плотности зерновой массы по выходным параметрам автогенераторного ДДП с емкостным ПИП. Предложены принципы построения авто генераторных ДДП с емкостной коаксиальной ячейкой для влагомера зерна со свободной засыпкой пробы и алгоритм автоматической коррекции влияния случайного значения плотности при засыпке на результат определения влажности, и макетированием такого автогенераторного ДДП экспериментально показана возможность снижения для зерна пшеницы случайной погрешности от влияния плотности до значений, не превышающих соответствующие значения для более дорогих влагомеров, использующих для коррекции плотности взвешивание пробы или нормирование плотности пробы уплотнением.

6. Разработаны автогенераторные ДДП с зондовыми емкостными датчиками для полевых почвенных измерений и методики их градуировки как измерителей объемной влажности и электропроводности почвы и электропроводности почвенной воды, что позволяет использовать их для мониторинга динамики влаги и растворенных элементов минерального питания в незаселенных почвах сельскохозяйственного использования в течение вегетационного периода. Первый автогенераторный ДДП содержит короткий четы-рехстержневой емкостной датчик для установки на различных глубинах в почве и использования в составе автоматической агрометеорологической станции; второй снабжен зондовым стержневым емкостным датчиком для проведения измерений влажности и электропроводности почв на глубинах пахотного слоя в составе прибора для маршрутного обследования полей и мониторинга состояния земель сельскохозяйственного назначения.

7. Предложен экспериментальный метод исследования характеристик пространственной чувствительности автогенераторных ДДП с емкостными и индуктивными датчиками к действительному компоненту КДП е' и электропроводности с тестируемой диэлектрической среды, основанный на внесении в электромагнитное поле датчика малого возмущающего диэлектрического тела. Предложенный метод использован для получения характеристик пространственной чувствительности емкостного стержневого зонда, предназначенного для автогенераторного двухкомпонентного диэлькометрического измерителя влажности и электропроводности пахотного слоя почв при маршрутном обследовании сельскохозяйственных полей.

8. Теоретически показана возможность бесконтактного определения влажности и электропроводности почв с помощью автогенераторного ДДП с кольцевой рамочной антенной, включенной в качестве индуктивного ПИП в последовательный колебательный контур автогенератора и устанавливаемой над почвой при измерениях, в диапазоне рабочих частот автогенераторного ДДП 20. .40 МГц.

ПЕРЕЧЕНЬ ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Ананьев И.П. Автогенераторный диэлькометрический преобразователь и способ определения диэлектрических характеристик материалов с его использованием (варианты). Патент РФ на изобретение № 2361226, МПК8 G01R 27/26, G01N 27/02, приоритет 28.09.2007, зарегистрирован 10.07.2009, заявитель: ГНУ АФИ Россель-хозакадемии.

2. Ананьев И.П., Белов А.В., Зубег( B.C. Возможности повышения точности емкостных влагомеров зерна со свободной засыпкой пробы на основе автогенераторной двухкомпонентной диэлькометрии // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2009, № 2, с. 47-52.

3. Ананьев И.П., Белов А.В., Зубец B.C. Применение автогенераторных двухкомпонентных диэлькометрических преобразователей для построения влагомеров зерна со свободной засыпкой пробы // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2008, № 12, с. 28-36.

4. Ананьев И.П. Перспективные средства диэлькометрического контроля в технологиях земледелия и растениеводства. // Земледелие. 2008, № 7, с. 10-11.

5. Ананьев И.П., Белов А.В., Зубец B.C. Коррекция влияния плотности на показания влажности в двухкомпонентных диэлькометрических влагомерах зерна // X Международная научно-практическая конф. «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве». 16-17 сентября 2008 г., г. Углич. Сборник докладов. Часть 2, с. 362-374.

6. Ананьев И.П., Белов А.В. Автогенераторные преобразователи влажности и электропроводности почв с емкостными датчиками // X Международная научно-практическая конф. «Автоматизация и информационное обеспечение производственных процессов в сельском хозяйстве». 16-17 сентября 2008 г., г. Углич. Сборник докладов. Часть 2, с. 260-370.

7. Ананьев И.П Двухкомпонентные диэлькометрические преобразователи на основе автогенераторов с инерционной стабилизацией амплитуды колебаний // Датчики и системы. 2008, № 7, с. 27-31.

8. Ананьев И.П. Разработка автогенераторных двухкомпонентных диэлькометриче-ских преобразователей влажности и электропроводности почвогрунтов // Современная агрофизика — высоким агротехнологиям». Материалы Международной конференции (Санкт-Петербург, 25-27 сентября 2007 г.) ГНУ АФИ Россельхозака-демии. СПб, 2007, с. 224-225.

11 .Ананьев И.П. Моделирование метрологических характеристик автогенераторного двухкомпонентного диэлькометрического преобразователя влажности и плотности зерновой массы // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2007, № 4, с. 45-52.

12.Якушев В.П., Ананьев И.П., Тулин Е.В., Белов А.В., Усиков С.В. и др. Современные методы диэлькометрического контроля в технологиях сельскохозяйственного производства // Журнал «Плодородие», 2007, № 5, с. 28-31.

14.Ананьев И.П. Автогенераторные двухкомпонентные диэлькометрические преобразователи с емкостными первичными преобразователями // Инструментальные средства и методы в агрофизике. - СПб.: Изд-во ПИЯФ РАН, 2007. Сборник статей, с. 45 - 64.

15.Ананьев И.П. Бесконтактное измерение влажности и электропроводности почвогрунтов на основе рамочной антенны и автогенератора с инерционной стабилизацией амплитуды колебаний //. Инструментальные средства и методы в агрофизике. -СПб.: Изд-во ПИЯФ РАН, 2007. Сборник статей, с. 65 - 79.

16. Белов А.В., Ананьев И.П. Многоканальные логгеры для сбора измерительной информации в полевых опытах // Инструментальные средства и методы в агрофизике. - СПб.: Изд-во ПИЯФ РАН, 2007. Сборник статей, с. 80 - 90.

17. Усиков С.В., Якушев В.П., Ананьев И.П., Тулин Е.В. и др. Технологии и средства диагностики качества, идентификации жидкостей, сельскохозяйственных материалов на основе метода состояния для решения задач точного земледелия // Международная научно-практическая конференция «Информационные технологии, системы и приборы в АПК - АГРОИНФО-2006». Материалы конф., г. Краснообск, 17-18 октября 2006 г., с. 247-261.

19. Ананьев И.П., Белов А.В. Зондовый двухкомпонентный диэлькометрический преобразователь влажности и электропроводности почв // Международная научно-практическая конференция «Информационные технологии, системы и приборы в АПК - АГРОИНФО-2006». Материалы конф., г. Краснообск, 17-18 октября 2006 г., с. 298-316.

20. Усиков С.В., Якушев В.П., Ананьев И.П. Тулин Е.В. и др. Методы и средства оперативной диагностики и идентификации жидкостей и сельскохозяйственных материалов на базе метода состояния // IV Международная конференция «Современное приборное обеспечение и методы анализа почв, кормов, растений и сельскохозяйственного сырья», Материалы конф., Москва, ВВЦ, 18-19 октября 2006, с. 30-39.

25.Ананьев И.П. Экспериментальный метод определения характеристик пространственной чувствительности диэлькометрических зондов для измерения влажности дисперсных материалов // Информационные технологии, информационные измерительные системы и приборы в исследовании сельскохозяйственных процессов. Матер. Международной научно-практ. конф. АГРОИНФО-2003. Новосибирск, 2223 окт. 2003. Часть 1, с. 278-287.

26. Ананьев И.П. Импедансный метод холостого хода — короткого замыкания в задачах диэлькометрии с использованием отрезков длинных линий // Информационные технологии, информационные измерительные системы и приборы в исследовании сельскохозяйственных процессов. Матер. Международной научно-практ. конф. АГРОИНФО-2003. Новосибирск, 22-23 окт. 2003. Часть 1, с.270-277.

27. Ananyev I.P. The problem of cereal grain moisture content and bulk density determination using measured values of permittivity components // The 4th International Symposium on Humidity and Moisture. ISHM 16-19 September 2002, Taiwan, Taipei.

28.Ананьев И.П. Определение влагосодержания и объемной плотности семян зерновых культур по измеренным значениям компонентов диэлектрической проницаемости // Агрофизика 21 века (к 70-летию образования Агрофизического института). Труды Междунар. научно-практ. конф. 8-12 июля 2002. СПб, 2002, с. 424-431.

29. Ananyev. I.P. Cereal grain moisture and bulk density determination on measured values of dielectric permittivity components // International Conference: Physical Methods in Agriculture - Approach to Precision and' Quality. Prague (Czech Republic) 27-30 August, 2001, p. 37-42.

31. Ананьев И.П., Кульков О.В. Современное состояние агрофизических методов и средств измерений в полевом опыте // Современные проблемы опытного дела. Матер. междунар. научно-практ. конф. 6-9 июня 2000 г., т.1. СПб, 2000, с.5-19.

32. Ananyev. I P. Experimental method of the determination of spatial sensitivity characteristics of high-frequency electromagnetic probes for a measurement of granular material moisture // Paper of Abstracts from the Third International Symposium on Humidity and Moisture. National Physical Laboratory. Teddington. London. England. 6-8 АрпГ 98, D2.9.

33. Ананьев И.П., Кульков О.В. Зондовый измерительный преобразователь влажности. Авт. свид. № 1627961, МКИ G01N 27/22, БИ, 1991 г., № 6.

34. А)шньев И.П., Кульков О.В. Зондовый измерительный преобразователь влажности волокнистых материалов. Авт. свид. № 1567955, МКИ G01N 27/22, БИ, 1990 г., № 20.

Библиография Диссертация по сельскому хозяйству, доктора технических наук, Ананьев, Игорь Петрович, Санкт-Петербург

1. Александров Б.П. Измерение влажности почвы по диэлектрической постоянной. Физика почвы СССР. М. 1936.

2. Андрианов П.И. Связанная вода почв и грунтов // Тр. ин-та мерзлотоведения им.1. B.А.Обручева. М.Л. 1946.

3. Андриянов А.А., Кордуян И.Н. Портативный электронный измеритель влажности почв на основе метода импульсной рефлектометрии // Почвоведение. 2001. № 11. С. 1340-1343.

4. Артым А.Д. Электрические корректирующие цепи и усилители. Теория и проектирование. М.-Л.: Энергия, 1965. 420 с.

5. Арш Э.И. Высокочастотный автогенераторный контроль в горном деле. М.: Недра, 1971. 160 с.

6. Арш Э.И. Автогенераторные измерения. М.: Энергия, 1976.

7. А.с. 1408337 СССР, МПК4 G01N27/22. Диэлькометр/ Волченко А.Г., Волченко Н.Л., Кричевский Е.С. 0публ.07.07.1988.

8. Балыгин И.Е., Воробьев В.И. Измерение диэлектрической постоянной и удельной проводимости почв. ЖТФ, 1934. Т.4, в. 10.

9. Барфут Дж., Тейлор Дж. Полярные диэлектрики и их применение. М.: Мир. 1981.

10. Башаринов А.Е., Шутко A.M. Определение влажности земных покровов методами СВЧ-радиометрии (обзор) // Радиотехника и электроника. 1978. № 9. С.1778-1791.

11. Бензарь В.К., Конев В.А. СВЧ влагомер с коррекцией по плотности. Авт. свид. СССР №364884. БИ, 1973, №5.

12. Бензарь В.К. Техника СВЧ влагометрии. Минск: Вышэйшая школа, 1974. 349 с.

13. Бер А.Ю., Брук М.С. Лабораторная установка для определения электрофизических свойств зерновых культур // Сельскохозяйственное приборостроение. 1987. № 1 (42).1. C. 3-7.

14. Берлинер М.А. Измерения влажности. 2-е изд. М.: Энергия, 1973. 400 с.

15. Бобров П.П., Масленников Н.М., Сологубова Т.А., Эткин B.C. Исследование диэлектрических характеристик почв в области перехода влаги из свободной в связанную на сверхвысоких частотах // Доклады АН СССР. 1989. Т. 304. № 5. С. 1116-1119.

16. Браун В. Диэлектрики. М.: ИЛ, 1961. 328 с.

17. Бугров А.В. Высокочастотные емкостные преобразователи и приборы контроля качества. М.: Машиностроение, 1982. 94 с.

18. Бутенин Н.В. Элементы теории нелинейных колебаний. Л.: Судпромгиз, 1962. 196 с.

19. Бухгольц В.П., Тисевич Э.Г. Емкостные преобразователи в системах автоматического контроля и управления. М.: Энергия, 1972. 80 с.

20. Вадюнина А.Ф., Воронин А.Д. Особенности электрических свойств почв в области прочносвязанной влаги // Почвоведение. 1982. №10. С. 42-51.

21. Вадюнина А.Ф., Корчагина З.А. Методы исследования физических свойств почв. Изд. 3-е. М.: Агропромизмдат, 1986. 416 с.

22. Великин А.Б., Франтов Г.С. Электромагнитные поля, применяемые в индукционных методах электроразведки. Л.: Гостоптехиздат, 1962. 352 с.

23. Викторов В.А., Лункин Б.В., Совлуков А.С. Радиоволновые измерения параметров технологических процессов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 208 с.

24. Воронин А.Д. Структурно-функциональная гидрофизика почв. М.: Изд-во Моск. Университета, 1984. 204 с.

25. Воронин А.Д. Основы физики почв. М.: Изд-во Моск. Университета, 1986. 248 с.

26. Гинзбург А.С., Дубровский В.П., Казаков Е.Д., Окунь Г.С., Резчиков В.А. Влага в зерне. М.: Колос, 1969. 224 с.

27. Гинзбург А.С. Основы теории и техники сушки пищевых продуктов. М.: Пищевая промышленность, 1973. 528 с.

28. Глобус A.M. Экспериментальная гидрофизика почв. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 356 с.

29. Говорков В.А. Электрические и магнитные поля. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960. 463 с.

30. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. Изд. 4-е. М.: Радио и связь, 1986. 512 с.

31. Грачева Л.И., Меренбах Я.Ф. Электрофизические свойства кормов и их смесей // Мех. и электр. соц. сельск. хоз-ва. 1975. № 10. С.22-24.

32. Даев Д.С. Высокочастотные электромагнитные методы исследования скважин. М.: Недра, 1974.

33. Дебай П. Полярные молекулы. Пер. с нем. М.-Л.: Гостехиздат, 1931.

34. Де Лоор Г.П. Диэлектрические свойства гетерогенных влагосодержащих смесей // Приборы и системы управления. 1974. № 9. С. 19-22.

35. Денисов С.Б. Высокочастотные электромагнитные методы исследования нефтяных и газовых скважин. М.: Недра, 1986. 142 с.

36. Дикун С.Н. Анализ и синтез влагометрических систем для продуктов горнообогатительного производства. — Автореф. дис. на степень к.т.н. Ленинградский горный институт им. Г.В. Плеханова, 1986.

37. Дубров Н.С., Кричевский Е.С., Невзлин Б.И. Многопараметрические влагомеры для сыпучих материалов. М.: Машиностроение, 1980. 144 с.

38. Духин С.С., Шилов В.Н. Диэлектрические явления и двойной слой в дисперсных системах и полиэлектролитах. Киев: Наукова думка, 1972.

39. Жидко В.И., Резчиков В.А., Уколов B.C. Зерносушение и зерносушилки. М.: Колос, 1982. 240 с.

40. Загинайлов В.И., Столбов В.И. Оптимальные условия измерения влажности кормов электровлагомерами. //Мех. и электр. сельск. хоз-ва. 1983. № 3. С. 23-26.

41. Закс Лотар. Статистическое оценивание. М.: Статистика, 1976.

42. Иоссель Ю.Я., Кочанов Э.С., Струнский М.Г. Расчет электрической емкости. Л.: Энергия, 1969. 240 с.

43. Казаков Е.Д., Кретович В.Л. Биохимия зерна и продуктов его переработки. М.: Колос, 1980.319 с.

44. Казанский М.Ф. Анализ форм связи и состояния влаги, поглощенной дисперсным телом, с помощью кинетических кривых сушки // ДАН СССР. 1960. № 5.

45. Калантаров П.Л., Цейтлин Л.А. Расчет индуктивностей: Справочная книга. 3-е изд. Л.: Энергоатомиздат, 1986. 488 с.

46. Карпачевский Л.О., Поздняков А.И., Строчков А.Я. Электрическое сопротивление некоторых почв гумидной зоны // Почвоведение. 1983. № 1.

47. Качинский Н.А. Физика почвы. М.: ВШ, 1965. 324 с.

48. Качинский Н.А. Физика почвы. Ч. 2. Водно-физические свойства и режимы почв. М.: ВШ, 1970. 360 с.

49. Кирьянов Д.В. Самоучитель MathCAD 2001. СПб.: БХВ-Петербург, 2002. 544 с.

50. Киселев Н.Ф. Диэлектрические характеристики некоторых почв в диапазоне частот 0,1-250 МГц //Бюл. по почвоведению МГУ. 1974. Т. 29. № 1/2. С. 19-22.

51. Кнеллер В.Ю. Автоматическое измерение составляющих комплексного сопротивления. М.: Энергия, 1967.

52. Корицкий Ю.В. Основы физики диэлектриков. М.: Энергия, 1979. 248 с.

53. Коряков В.М., Меньшиков A.M., Секанов Ю.П. Диэлектрические свойства высоковлажных волокнистых растительных материалов // Научн.-техн. бюл. ВИМ. 1985. Вып. 62. С. 33-36.

54. Кретович В.Jl. Биохимия зерна. М.: Наука, 1981. 149 с.

55. Кричевский Е.С., Волченко А.Г., Галушкин С.С. Контроль влажности твердых и сыпучих материалов. М.: Энергоиздат, 1987. 136 с.

56. Кузенкова Т.С. Экспериментальные зависимости электрических свойств тепличных почв от плотности и температуры // Сб. научн. трудов МИИСП. 1974. Т. 11. Вып. 3. Ч. 1. С. 179-183.

57. Кузьмин Ю.И. Методика расчета эффективной глубины проникновения ближнего поля антенны в подстилающую среду. Изв. ЛЭТИ, 1983, вып. 327. С. 35-37.

58. Кузьмин Ю.И., Пащенко Е.Г., Тихонов В.В. Электродинамический метод определения влагосодержания корнеобитаемого слоя почвы. Труды ВНИИСХМ, 1984, вып. 14. С. 129-139.

59. Кузьмин Ю.И., Пащенко Е.Г., Тихонов В.В. Определение влагосодержания почвы по поглощению электромагнитного излучения. Метеорология и гидрология, 1985, № 1. С. 112-114.

60. Кузьмин Ю.И. Бесконтактный датчик влажности на основе горизонтальной рамочной антенны. Труды ВНИИСХМ, 1986, вып. 20. С. 27-40.

61. Лавров Г.А., Князев А.С. Приземные и подземные антенны. Теория и практика антенн, размещенных вблизи поверхности земли. М.: Сов. Радио, 1965,472 с.

62. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. Изд. 2-е. М.: Наука, 1982. 624 с.

63. Лещанский Ю.И., Лебедева Г.Н. Шумилин В.Д. Электрические параметры песчаного и глинистого грунта в диапазоне сантиметровых волн / Изв. вузов СССР // Радиофизика. 1971. Т. 14. № 4. С.562-568.

64. Литвинов А.П., Моржаков С.П., Фабрикант Е.А. Основы автоматики. Под ред. Бесе-керского В.А. М.: Машиностроение, 1967. 272 с.

65. Лоор Г.П. Диэлектрические свойства гетерогенных влагосодержащих смесей // Приборы и системы управления. 1974. № 9. С. 19-22.

66. Лоренц Г.А. Теория электромагнитного поля. М.: Гостехиздат, 1933.

67. Лосев А.К. Линейные радиотехнические цепи. М.: ВШ, 1971. 560 с.

68. Лыков А.В. Теория сушки. М.: Энергия, 1968.471 е.

69. Лыч A.M., Лис Л.С. Электрофизические свойства торфа и их практическое приложение. Минск: Наука и техника, 1980. 175 с.

70. Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул. Изд. 2-е. М.: ВШ, 1988. 240 с.

71. Максвелл Д.К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. М.: Гос-техиздат, 1954.

72. Матис И.Г. Электроемкостные преобразователи для неразрушающего контроля. 2-е изд., перераб. и доп. Рига: «Зинатне», 1982. 303 с.

73. Мирдель Г. Электрофизика. Перев. с нем. М.: «Мир», 1972. 608 с.

74. Надь Ш.Б. Диэлькометрия. М.: Энергия, 1976.

75. Нерпин С.В., Чудновский А.Ф. Физика почвы. М., 1966.

76. Никольский В.В. Теория электромагнитного поля. Изд. 3-е. М.: ВШ, 1964. 384 с.

77. Никольский В.В. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Наука, 1973, 608 с.

78. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. Изд. 2-е. JL: Энергоатомиздат, 1991. 304 с.

79. Плакк Т.П. О связи между доступностью влаги растениям и диэлектрической проницаемостью почвы // Почвоведение. 1989. № 8. С. 40-46.

80. Поздняков А.И., Хан Ю.К. Использование методов постоянных электрических полей в почвенных исследованиях//Почвоведение. 1979. №7.

81. Поздняков А.И., Ковалев Н.Г., Позднякова А.Д. Электрофизика в почвоведении, мелиорации, земледелии. Москва-Тверь: ЧуДо, 2002. 280 с.

82. Птицын С.Д., Секанов Ю.П., Баталин М.Ю. Моделирование диэлектрических свойств зерновой массы // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 1982. № 12. С .47-49.

83. Пустынников В.Г., Джемелла В.В. Выбор и расчет оптимальных частот двухпара-метрических измерителей влажности зерна // Измерит, техника. 1966. № 1. С. 391396.

84. Ребиндер П.А. Процессы структурообразования в дисперсных системах // Сб. докладов «Физико-химическая механика почв, грунтов, глин и строительных материалов». Ташкент, 1964.

85. Рогов И.А., Иванова Н.М. Частотные характеристики электрофизических параметров мясопродуктов / Известия вузов // Пищевая технология. 1964. № 5. С. 67-69.

86. Рогов И.А. Электрофизические методы обработки пищевых продуктов. М.: Агро-промиздат, 1988. 272 с.

87. Роде А.А. Основы учения о почвенной влаге. Т. 1. Водные свойства почв и передвижение почвенной влаги. Л.: Гидрометеоиздат, 1965. 664 с.

88. Роде А.А. Основы учения о почвенной влаге. Т.2. Методы изучения водного режима почв. JL: Гидрометеоиздат, 1969. 288 с.

89. Секанов Ю.П. Влагометрия сельскохозяйственных материалов. М.: Агропромиздат, 1985. 160 с.

90. Секанов Ю.П. Разработка средств измерений влажности зерна // Доклады РАСХН. 1997. №4. С. 43-46.

91. Секанов Ю.П. Результаты исследований электрофизических свойств зерновой массы //ТрудыВИМ. Т. 129. М., 1997. С. 137-145.

92. Секанов Ю.П. Научные и технические решения проблемы влагометрии зерна и кормов в процессе их производства: Диссерт. Секанова Ю.П. на соиск. уч. степ, д-ра техн. наук в форме научного доклада. М.: ВИМ, 2000. 76 с.

93. Силин Р.А., Сазонов В.П. Замедляющие системы. М.: Сов. Радио, 1966. 633 с.

94. Сканави Г.И. Физика диэлектриков (область слабых полей). M.-JL: ГЭИ, 1949.

95. Сканави Г.И. Физика диэлектриков (область сильных полей). M.-JL: ГЭИ, 1958.

96. Столбов В.И., Загинайлов В:И. Взаимосвязь электрических и физико-химических параметров зерновой массы// Труды МИИСП. Т. 15. Вып. 5. М., 1978. С. 27-31.

97. Судницын И.И., Егоров Ю.В., Гусев В.Г., Старовойтов B.C. Определение влажности почвы диэлькометрическим методом // Почвоведение. 1987. № 2. С. 119-123.

98. Тамм. Основы теории электричества. М.: ГИТТЛ, 1956.

99. Тареев Б.М. Физика диэлектрических материалов. М.: Энергоиздат, 1982. 320 с.

100. Теория и практика экспрессного контроля влажности твердых и жидких материалов. Под ред. Е.С.Кричевского. М.: Энергия, 1980. 239 с.

101. Терехов В.П., Стройковский А.К. Контроль влажности продуктов обогащения. М.: Недра, 1991. 176 с.

102. Ткаченко Ю.Г., Вадюнина А.Ф., Воронин А.Д. Особенности электрических свойств почв в области прочно связанной влаги // Почвоведение. 1982. № 10. С. 42-51.

103. Троицкий Н.Б. Частотно-влажностная зависимость электрических параметров почвы // Докл. ВАСХНИЛ. 1973. № 3. С.43-45.

104. Троицкий Н.Б. Диэлектрические свойства и влажность почвы: Автореф. дис. Троицкого Н.Б. канд. техн. наук. Л.: Агрофизический институт, 1974.

105. Троицкий Н.Б., Степанов Л.Н. Электрическая модель почвы // Сб. трудов по агрономической физике. 1977. Вып. 42. С.85-89.

106. Усиков С.В. Определение электропроводности и диэлектрической проницаемости растворов. С-Пб.: Теза, 1997. 178 с.

107. Филоненко Г.К., Гришин М.А, Гольденберг Я.М., Косик В.К. Сушка пищевых растительных материалов. М.: Пищевая промышленность, 1971. 439 с.

108. Френкель Я.И. Влияние электролитической поляризации дисперсной среды на ее диэлектрическую проницаемость // ЖЭТФ. 1945. Т. 15. Вып. 8.

109. Харкевич А.А. Основы радиотехники. М.: Связьиздат, 1963. 560 с.

110. Хачай О.А. Присоединенный импеданс рамки, расположенный на поверхности двухслойной среды // В кн.: «Электрометрические исследования при поисках и разведке рудных месторождений». Свердловск: Изд. УНЦ АН ССР, 1977. С. 124-129.

111. Хиппель А.Р. Диэлектрики и их применение. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1959. 336 с.

112. Хиппель А.Р. Диэлектрики и волны. М.-Л.: ИЛ, 1960.

113. Хосла С., Пападопулос А.П., Брюлт С., Блекберн Дж.Л. Влияние отношения K:N и электропроводности питательного раствора на рассаду томатов. Гавриш, 2001. № 1. С. 7-10.

114. Хранение зерна и зерновых продуктов. Перевод с английского. М.: Колос, 1978. 472 с.

115. Черняк Г.Я. Диэлектрические методы исследования влажных грунтов. М.: «Недра», 1964.

116. Черняк Г.Я. Электромагнитные методы в гидрогеологии и инженерной геологии. М.: Недра, 1987. 216 с.

117. Чудинова С.М., Понизовский А.А., Щербаков Р.А. Применение метода рефлекто-метрии во временной области для определения влажности почв // Почвоведение. 1996. № Ю. С. 1263-1270.

118. Чудинова С.М., Понизовский А.А. Влияние гранулометрического состава на характер калибровочной зависимости при измерении влажности почв методом TDR // Почвоведение. 1998. № 1. С. 21-28.

119. Шеин Е.В. Курс физики почв. М.: Изд-во МГУ, 2005. 432 с.

120. Шеин Е.В., Карпачевский JI.O. (ред.). Теории и методы физики почв. М.: «Гриф и К», 2007. 616 с.

121. Шилов В.Н., Духин С.С. Теория низкочастотной дисперсии диэлектрической проницаемости суспензий сферических коллоидных частиц, обусловленной поляризацией двойного слоя // Коллоидн. Ж. 1970. Т.32. В.2.

122. Шутко A.M. СВЧ-радиометрия водной поверхности и почвогрунтов. М.: Наука, 1986.

123. Эме Ф. Диэлектрические измерения. Пер. с нем. М.: Химия, 1967. 223 с.

124. Юревич Е.И. Теория автоматического управления. JL: Энергия, 1969. 376 с.

125. Abbas М., Hamdoun В. Measurement of complex permittivity of adhesive material using a short open-ended coaxial line probe // Journal of Microwaves and Optoelectronics. 2004. V. 3.№4. P. 50-57.

126. Agilent technologies impedance measurement handbook. December 2003. 124 p. Web site: wwvv.agi1enl.com/fmdyassist.

127. Agilent 4294A precision impedance analyzer. Operation manual. Sexth edition. Agilent technologies, PN 04294-90050, November, 2002. 460 p. Web-site: www.agilent.com.

128. Agilent 16451B dielectric test fixture. Web site: www.agilent.com.

129. Agilent 16452A liquid test fixture. Web site: www.agilent.com.

130. Analog Devices, Inc. AD8367 Data sheet: 500 MHz, linear-in-dB variable gain amplifier wirh auto gain control detector. 2001. 16 p. Web-site: www.analog.com.

131. Analog Devices, Inc. AD8361 Data sheet: Low frequency to 2.5 GHz TruPwr™'detector. 2004. 14 p. Web-site: www.analog.com.

132. Annan A.P. Time domain reflectometry air gap problem in parallel wire transmission lines // Geol. Surv. Can. 1977. V. 77. №. IB. P. 59-62.

133. Arcone S.A., Wills R. A numerical study of dielectric measurements using single-reflection time-domain reflectometry//J. Phys. E.: Sci. Instrum. 1986. V. 19. P. 448-454.

134. Baker L.M., Lasca№ RJ. The spatial sensitivity of TDR// Soil Sci. 1989. V. 147. P. 378384.

135. Baker J.M., AHmaras R.R. System for automating and multiplexing soil moisture measurements by Time-Domain Reflectometry // Soil Sci. Soc. Am. J. 1990. V. 54. P. 1 6.

136. Baker J.M., Spaans EJ.A. Time domain reflectometry measurements of water content and electrical conductivity of layered soil columns — comments // Soil Sci. Soc. Am. J. 1993. V. 57. №. 5. P.1395-1396.

137. Birchak J.R., Gardner C.G., Hipp J.E., Victor J.M. High dielectric constant microwave probes for sensing soil moisture // Proceedings of the IEEE, Jan. 1974. V. 62. №. 1. P.93-98.

138. Campbell J.E. Dielectric properties and influence of conductivity in soils at one to fifty megahertz // Soil Sci. Society of America Journal. 1990. V. 54. №. 2. P. 332-341.

139. Castiglione P., Shouse P.J., Wraith J.M. Multiplexer-induced interference on TDR measurements of electrical conductivity// Soil Sci. Soc. Am. J. 2006. V. 70. № 5. P. 1453-1458.

140. Chugh R.K., Stuchly S.S., Rzepecka M.A. Dielectric properties of wheat at microwave frequencies // Trans.ASAE. 1973. V. 16. №. 5. 906.

141. Cole K.S., Cole R.H. Dispersion and adsorption in dielectrics: alternating current characteristics // Journal of Chemical Physics. 1941. V. 9. P. 341-351.

142. Corcoran P.T., Nelson S.O., Stetson L.E., Schlaphaff C.W. Determining dielectric properties of grain and seed in the audio-frequency range // Transactions of the ASAE. 1970. V.13. №. 3. P.348-351.

143. Curtis J.O. Moisture effects on the dielectric properties of soils // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 2001. V. 39. №. 1. P.125-128.

144. Dalton F.N., Helkerath W.N., Rawlins D.S., Rhoades J.D. Time domain reflectometry: Simultaneous measurement of soil water content and electrical conductivity with a single probe// Science. 1984. V. 224. P. 989-990.

145. Dalton F.N., Van Genuchten M.Th. The Time-Domain Reflectometry method for measuring soil water content and salinity // Geoderma. 1986. V. 38. P. 237-250.

146. Dasberg S., Dalton F.N. Time domain reflectometry field measurements of soil water content and electrical conductivity // Soil Sci. Soc. Am. J. 1985. V. 49. P. 293 297.

147. Dasberg S., Nadler A. Soil salinity measurements //. Soil Use and Measurement. 1988. №4. P. 127-133.

148. Dasberg S., Hormans J.W. Time-domain reflectometry calibrations for uniformly and non-uniformly wetted sandy and clayey loam soils // Soil Sci. Soc. Am. J. 1992. V. 56. №.5. P.1341-1345.

149. Davis J.L., Chudobiak W,J. In situ meter for measuring relative permittivity of soils // Geol. Surv. Can. Paper. 1975. V. 75-1 A. P. 75-79.

150. Davis J.L., Annan A.P. Electromagnetic detection of soil moisture: progress report // I. Can. J. Remote Sensing. 1977. №. 3. P. 76-86.

151. Decagon Company. 5TE Water Content, EC and Temperature Sensors. Operator's Manual. Version 1. 2008. 29 p. Web-site: www.decagon.com.

152. De Loor G.P. Dielectric properties of heterogeneous mixtures // Appl. Sci. Res. 1964. V. 3. P. 479-482.

153. De Loor G.P. Dielectric properties of heterogeneous mixtures containing water // Journal of Microwave power. 1968. V. 3. №. 2. P. 67-73.

154. De Loor G.P. The dielectric properties of wet soils. BCRS (Netherland remote sensing board). Rep. № 90-130. Tno Physics and electronics lsb. The Hague. 1990.

155. Delta-T Devices Ltd. User manual for the WET sensor, type WET-2, 2007. 42 p. Website: www.delta-t.co.uk.

156. Dirksen C., Dasberg S. Improved calibration of time domain reflectometry for soil water content measurements // Soil Sci. Soc. Am. J. 1993. V. 57. №. 3. P. 660-667.

157. Dobson M.C., Ulaby F.T., Hallikainen M.T., El-Rayes M.A. Microwave dielectric behavior of wet soil: Part II. Dielectric Mixing Models // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1985. V. GE-23. №. 1. P. 35-46.

158. EASY TEST, Ltd. Soil water, salinity and oxygenation status monitoring devices. Institute of Agrophysics Polish Academy of Sciences. 2008. Lublin 56, Poland. http://easvtest.ipan.lublin.pl.

159. Evett S.R., Tolk J.A., Howell T.A. Soil profile water content determination: sensor accuracy, axial response, calibration, temperature dependence, and precision // Vadose Zone J. 2006. V. 5. № 3. P. 894-907.

160. Fellner-Feldegg H. The measurement of dielectrics in the time domain // J. Phys. Chem. 1969. V. 73. №3. P. 616-623.

161. Fellner-Feldegg H. A thin-sample method for the measurement of the permeability, permittivity and conductivity in the frequency and the time domain // J. Phys. Chem. 1972. V. 76. №. 15. P. 2116-2122.

162. Ferre P. A., Rudolph D.L., Kacha№ski R.G. Spatial averaging of water content by TDR: Implications for twin rod probes with and without dielectric coatings // Water Resourses Research. 1996. V. 32. №. 2. P. 271-279.

163. Frohlich H. The theory of dielectrics. Oxford, 1949.

164. Gallone G., Lucardesi P., Martinelli M., Rolla P.A. A fast and precise method for measurement of the dielectric permittivity at microwave frequencies // J. Microwave Power & EE. 1996.31(3). P. 158-164.

165. Gans W.L., Nahman N.S. Continuous and discrete Fourier transform of step-like waveforms // IEEE Trans. Instrum. Meas. 1982. V. IM-31. P. 97-101.

166. Gemert Van, M.J.C. Dielectric measurement with time domain reflectometry when large conductivities are involved//J. Phys. Chem. 1971. V. 75. №. 9. P. 1323-1324.

167. Giese K., Tiemann R. Determination of the complex permittivity from thin-sample time domain reflectometry. Improved analysis of the step response waveform // Adv. Mol. Relax. Proc. 1975. №. 7. P. 45-49.

168. Gupta S.C., Hanks R.J. Influence of water content on electrical conductivity of the soil // Soil Sci. Soc. Am. J. 1972. V. 36. P. 855-857.

169. Hasted J.B. Aqueous dielectrics. London: Chapman and Hall, 1973.

170. Heimovaara T.J., Bouten W. A computer-controlled 36-channel TDR-system for monitoring soil water contents // Water Resourses Research. 1990. V. 26. №. 10. P. 421-428.

171. Heimovaara T.J. Design of triple-wire.Time Domain Reflectometry probes in practice and theory // Soil Sci. Soc. Am. J. 1993. V. 57. №. 6. P. 1410-1417.

172. Heimovaara T.J. Frequency domain analysis of time domain reflectometry wave forms. 1. Measurement of the complex dielectric permittivity of soils // Water Resources Research. 1994. V. 30. №. 2. P. 189-199.

173. Heimovaara T.J., Bouten W., Verstraten J.M. Frequency domain analysis of time-domain reflectometry wave-forms: 2. A four-component complex dielectric mixing model for soils // Water Resources Research. 1994a. V. 30. №. 2. P. 201-209.

174. Heimovaara T.J., Huisman J.A., Vrugt J.A., Bouten W. Obtaining the spatial distribution of water content along a TDR probe using the SCEM-UA Bayesian inverse modeling scheme // Vadose Zone J. 2004. V. 3. № 4. P. 1128-1145.

175. Herkelrath W.N., Hamburg S.P., Murphy F. Automatic, real-time monitoring of soil moisture in a remote field area with TDR // Water Resourses Research. 1991. V. 27. №. 5. P. 857-864.

176. Hilhorst M.A. Dielectric characterization of soil. Wageningen Agricultural University: Wageningen, 1998. 141 p.

177. Hilhorst M.A., Dirksen C., Kampers F.W.H., Feddes R.A. New dielectric mixture equation for porous materials based on depolarization factors // Soil Sci. Soc. Am. J. 2000. V. 64. P. 1581-1587.

178. Hillel D. Fundamentals of soil physics // Academic Press.N.Y. 1980.

179. Hoekstra P., Doyle W. Dielectric relaxation of surface adsorbed water // J. Colloid Interface Sci. 1971.36.513.

180. Hoekstra P, Delaney. A. Dielectric properties of soils at UHF and microwave frequencies // Journal of Geophysical Research. 1974. V. 79. №.11. P. 1699-1708.

181. Hook W.R., Livingstone N.J. Errors in converting TDR measurements of propagation velocity to estimates of soil water content// Soil Sci. Soc. Am. J. 1995. V. 59. P. 35-41.

182. Hook W.R., Livingstone N.J. Propagation velocity errors in TDR measurements of soil water// Soil Sci. Soc. Am. J. 1995a. V. 59. P. 92-96.

183. Huisman J.A., Bouten W., Vrugt J.A., Ferre P.A. Accuracy of frequency domain analysis scenarios for the determination of complex dielectric permittivity // Water Resources Research. 2004. V. 40. №. 2.

184. Iorgensen J.L., Edison A.R., Nelson S.O., Stetson L.E. A bridge method for dielectric measurements of grain and seed in the 50 to 250 MHz range // Transactions of the ASAE. 1970. V. 13. Ж I.P. 18-20, 24.

185. Jacobsen O.H., Schjonning P. A laboratory calibration of time domain reflectometry for soil water measurement including effects of bulk density and texture // J. Hydrol. 1993. V. 151. P. 147-157.

186. Jacobsen O.H., Schjonning P. Field evaluation of TDR for soil water measurements // J. Hydrol. 1993a. V. 151. P. 159-172.

187. Jacobsen O.H., Schjonning P. Comparison of TDR calibration functions for soil water determination. In: TDR Applications in Soil Science, Proceedings of the Symposium. Tyele. Denmark, 1995.

188. Jenkins S., Warham A.G.P., Clarke R.N. Use of an open-ended coaxial line sensor with a laminar or liquid dielectric backed by a conducting plane. 1992. IEE Proc. Part A, 139. P. 261-264.

189. Jones S.B., Friedman S.P. Particle shape effects on the effective permittivity of anisotropic or isotropic media consisting of aligned or randomly oriented ellipsoidal particles // Water Resources Research. 2000. V. 36. № 10. P. 2821-2833.

190. Jones S.B., Or D. Frequency domain analysis for extending time domain reflectometry water content measurement in highly saline soils // Soil Sci. Soc. Am. J. 2004. V. 68. P. 1568-1577.

191. Jones S.B., Mace R.W., Or D. A time domain reflectometry coaxial cell for manipulation and monitoring of water content and electrical conductivity in variable saturated porous media// Vadose Zone J. V. 2005. № 4. P. 977-982.

192. Jones S.B., Blonquist Jr. J:M., Robinson D.A., Rasmussen V.P., Of D. Standardizing "characterization of electromagnetic water content sensors: Pail 1. Methodology // Vadose Zone J. 2005. V. 4. № 4. P. 1048-1058.

193. Kelleners T.J., Robinson D.A., Shouse P.J., Ayars J.E., Skaggs Т.Н. Frequency dependence of the complex permittivity and its impact on dielectric sensor calibration in soils // Soil Sci. Soc. Am. J. 2005. V. 69. №. 1. P. 67-76.

194. Kelleners T.J., Ferre-Pikal E.S., Schaap M.G., Paige G.B. Calibration of hydra impedance probes using electric circuit theory // Soil Sci. Soc. Am. J. 2009. V. 73. № 2. P. 453465.

195. Kelly S.F., Selker J.S., Green J.L. Using short soil moisture probes with high-bandwidth TDR instruments // Soil Sci. Soc. Am. J. 1995. V. 59. P. 97-102.

196. Kirkscether E.J. Ground dielectric constant measurements using a section of balanced two-wire transmission line // Institution of Radio Engineers Transactions on Antennas and Propagation, 1960. V. AP-8. P.307-312.

197. Klein K., Santamarina J.C. Methods for broad-band dielectric permittivity measurements (soil-water mixtures, 5 Hz to 1.3 GHz) // Geotechnical Testing Journal. 1997. V. 20. №. 2. P. 168-178.

198. Klein K. Permittivity measurements of high conductivity specimens using an open-ended coaxial probe measurement limitations // Journal of Environmental and Engineering Geophysics. 2004. V. 9. №. 4. P. 27-41.

199. Knight J.H. The sensitivity of Time Domain Reflectometry measurements to lateral variations in soil water content // Water Resourses Research. 1992. V. 28. №. 9. P. 2345-2352.

200. Knight J.H., Ferre P.A., Rudolph D.L., Kachanski R.G. A numerical analysis of the effects of coatings and gaps upon the relative dielectric permittivity measurement with time domain reflectometry // Water Resour Res. 1997. V. 33. P. 1455-1460.

201. Kraszewski A., Kulinski S. An improved microwave method of moisture content measurement and control // IEEE Transaction on Industrial Electronics and Control Instrumentation. 1976. V. IECI-23. №. 4. P. 364-370.

202. Kraszewski A., You T.-S., Nelson S.O. Microwave resonator technique for moisture content determination'in single soybean seeds // IEEE Trans. Instrum. Meas. 1989. V. 38. № 1. P. 79-84.

203. Kraszewski A., Nelson S.O. Composite model of the complex permittivity of cereal grain //J. Agric. Eng. Res. 1989. V. 43. P. 211-219.

204. Kraszewski A., Nelson S.O. Study on grain permittivity measurements in free space // J. Microwave Power and Elect. Energy. 1990. V. 25. P. 202-210.

205. Ledieu J., De Ridder P., De Clerck P., Dautrebande S. A method of measuring soil moisture by Time-Domain Reflectometry// Journal of Hydrology (Amsterdam). 1986. V. 88. P. 319-328.

206. Lin C.P. Analysis of ununiform and dispersive time domain reflectometry measurement systems with application to the dielectric spectroscopy of soil // Water Resour. Res. 2003a. V. 39. №. l.P. 1012.

207. Lin C.P. Frequency domain versus travel time analysis of TDR waveforms for soil moisture measurements // Soil Sci. Soc. Am. J. 2003b. V. 67. №. 3. P. 720-729.

208. Lin C.P., Chung C.C., Tang S.H. Accurate time domain reflectometry measurement of electrical conductivity accounting for cable resistance and recording time // Soil Sci. Soc. Am. J. 2007. V. 71. № 4. P. 1278-1287.

209. Lin C.P., Chung C.C., Huisman J.A., Tang S.H. Clarification and calibration of reflection coefficient for electrical conductivity measurement by time domain reflectometry // Soil Sci. Soc. Am. J. 2008. V. 72. № 4. P. 1033-1040.

210. Looyenga H. Dielectric constant of heterogeneous mixtures // Physica. 1965. V. 31. №. 3. P. 401-406.

211. Logsdon S.D. CS616 calibration: field versus laboratory // Soil Sci. Soc. Am. J. 2009. V. 73. № 1. P. 1-6.

212. Loon W.K.P. van, Perfect E., Groenevelt P.H., Kay B.D. A new method to measure bulk electrical conductivity in soils with Time Domain Reflectometry // Transport in Porous Media. 1991. №. 6. P. 391-406.

213. Lorentz H.A. The theory of electrons. Leipzig, 1909.

214. Maier L.C., Slater J.S. Field strength measurements in resonant cavities. Journal of Applied Physics, 1952, v.23, No 1. P. 68-77.

215. Malicki M. A capacity meter for the investigation of soil moisture dynamics // Zesz. Probl. Post. NaukPoln. 1983. z. 220, 201-214.

216. Malicki M.A., Walczak R.T., Koch S., Fluhler H. Determining soil salinity from simultaneous readings of its electrical conductivity and permittivity using TDR. Proc // Symp. on

217. Kraszewski A.W., Nelson S.O. Microwave resonator for sensing moisture content and mass of single wheat kernels // Canadian Agricultural Engineering. 1994. V. 36. №. 4. P. 231-238.

218. Kraszewski A. (ed.) Microwave Aquametry. Piscataway, NJ // IEEE Press. 1996. 484 p.

219. Kraszewski A.W., Trabelsi S., Nelson S.O. Wheat permittivity measurements in free space // Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy. 1996. V. 31. №. 3. P.135-141.

220. Kraszewski A.W., Trabelsi S., Nelson S.O. Moisture content determination in grain by measuring microwave parameters // Meas. Sci. Tech№l. 1997. №. 8. P. 857-863.

221. Kraszewski A.W., Trabelsi S., Nelson S.O. Simple grain moisture content determination from microwave measurements // Transactions of the ASAE. 1998. V. 41. №. 1. P. 129134.

222. Kraszewski A.W., Trabelsi S., Nelson S.O. Comparison of density-independent expressions for moisture content determination in wheat at microwave frequencies // J. Agric. EngngRes. 1998a. V. 71. P. 227-237.

223. Kraszewski A.W., Trabelsi S., Nelson S.O. Broadband microwave wheat permittivity measurements in free space // Journal of Microwave Power and Electromagnetic Energy. 2002. V. 37. № 1. P. 41-54.

224. Kraszewski A. Microwave Aquametry — recent advances // The 4-th International Symp. on Humidity and Moisture. ISHM, 16-19 September 2002a, Taiwan, Taipei. Report D 2.5, 8 p.

225. Kuraz V., Kutilek M., Kaspar I. Resonance-capacitance soil moisture meter // Soil Science. 1970. V. 110. №. 4. P. 278-279.

226. Kuraz V. Testing of a field dielectric soil moisture meter // Geotechnical Testing Journal. GTJODJ, Sep. 1981. V. 4. №. 3.P. 111-116.

227. Laurent J.P., Ruelle P., Delage L., Zairi A., №una B.B., Adjmi T. Monitoring soil water content profiles with a commercial TDR system: comparative field tests and laboratory calibration // Vadose Zone J. 2005. V. 4. № 4. P. 1030-1036.

228. Lawrence K.C., Nelson S.O., Kraszewski A.W. Temperature dependence of the dielectric properties of wheat // Transactions of the ASAE. 1990. V. 33. №. 2. P. 535-540.

229. Lawrence K.C., Nelson S.O., Bartley Jr. P.G. Measuring dielectric properties of hard red winter wheat from 1 to 350 MHz with a flow-through coaxial sample holder // Transactions ofthe ASAE. 1998. V. 41. №. 1. P. 143-150.

230. Lawrence K.C., Windham W.R., Nelson S.O. Sensing wheat moisture content independent of density // Transactions ofthe ASAE. 1998. V. 41. №. 3. P. 639-699.

231. TDR in environmental, infrastructure, and mining applications, 07.-09.09.1994a, Evanston, 111., US Bureau of Mines Spec. Publ. SP 19-94. P. 328-336.

232. Malicki M.A., Plagge R., Roth C.H. Improving the calibration of dielectric TDR soil moisture determination taking into account the solid soil // Eur. J. Soil Sci. 1996. V. 47. P. 357-366.

233. Malicki M., Kokot J., Skierucha W. Determining bulk electrical conductivity of soil from attenuation of electromagnetic pulse // Int. Agrophysics. 1998. V. 12. P. 181-183.

234. Malicki M.A., Walczak R.T. Evaluating soil salinity status from bulk electrical conductivity and permittivity // Eur. J. Soil Sci. 1999. V. 50. P. 505-514.

235. Mallants D., Vanclooster M., Toride N., Vanderborght J., van Genuchten M. Th., Feyen J. Comparison of three methods to calibrate TDR for monitoring solute movement in undisturbed soil // Soil Sci. Soc. Am. J. 1996. V. 60. P. 747-754.

236. Matthews J. The design of an electrical capacitance-type moisture meters for agricultural use // Journal of Agricultural Engineering Research. 1963. V. 8. №. 1. P. 17-30.

237. Mattson E.D., Baker K.E., Palmer C.D., Breckenridge C.R., Svoboda J.M., Smith R.W. A flexible water content probe for unsaturated soil column experiments // Vadose zone J. 2006. V. 5. № 2. P. 805-808.

238. Marshall T.J., Holmes I.W. Soil Physics. Cambridge, 1979.

239. Maxim Integrated Products. MAX4180-MAX4187 Data sheet: Single/dual/quad, 270 MHz, 1 mA, SOT23, current-feedback amplifiers with shutdown. 2001. 24 p. Web-site: www.maxim-ic.com.

240. Maxwell J.C. Treatise on electricity and magnetism, 3rd ed. Oxford, 1904.

241. McGehee G.A. The layered-capacitor method for bridge measurements of conductive dielectrics // IEEE Transactions on Electrical Insulation. 1988. V. 23. №. 23. P.' 387-396.

242. McNeal B.L., Oster J.D., Hatcher J.T. Calculation of electrical conductivity from solution composition data as an aid to in situ estimation of soil salinity // Soil Sci. 1970. V. 110. P. 405-414.

243. Meyer W., Schilz W.A. Microwave method of density independent determination of moisture content in solid // J. Phys. D. 1980. 13. P. 1823-1830.

244. Miller J.D., Gaskin G.J. The development and application of the ThetaProbe soil water sensor. MLURI.Technical note, Maculay Land Use Research Institute, Aberdeen, 1996.

245. Mohamed S.O., Bertuzzi P., Bruand A., Raison L., Bruckler L. Field evaluation and error analysis of soil water content measurement using the capacitance probe method // Soil Sci. Soc. Am. J. 1997. V. 61. №. 2. P. 399-408.

246. Moret-Fernandez D., Meri№ R.I., Lera F., Lopez M.V., Arrue J.L. Soil bulk electrical conductivity measurement using high-dielectric coated time domain reflectometry probes // Soil Sci. Soc. Am. J. 2009. V. 73. № 1. P. 21-27.

247. Mualem Y., Friedman S.P. Theoretical prediction of electrical conductivity in saturated and unsaturated soil // Water Resour. Res. 1991. V. 27. №. 10. P. 2771-2777.

248. Muller von Johannes, Untersachung iiber elektromagnetische Hohlraume: Hochfrequenztechnik und Electroakustik, 1939, Bd.54, H5, Nov, 157-161.

249. Nadler A., Frenkel H. Determination of soil solution electrical conductivity from bulk soil electrical conductivity measurements by the four-electrode method // Soil Sci. Soc. Am. J. 1980. V. 44. P. 1216-1221.

250. Nadler A. Field application of the four electrode technique for determining soil solution conductivity // Soil Sci. Soc. Am. J. 1981. V. 45. P. 30-34.

251. Nadler A. Estimating the soil water dependence of the electrical conductivity soil solution/electrical conductivity bulk soil ratio // Soil Sci. Soc. Am. J. 1982. V. 46. P.722-726.

252. Nadler A., Frenkel H., Mantell A. Applicability of the four-probe technique under extremely variable water contents and salinity distribution // Soil Sci. Soc. Am. J. 1984. V. 48. P. 1258-1261.

253. Nadler A., Dasberg S.3 Lapid I. Time domain reflectometry measurements of water content and electrical conductivity of layered soil columns // Soil Sci. Soc. Am. J. 1991. V. 55. P. 938-943.

254. Nadler A., Lapid Y. In-situ monitoring of soil moisture by a capacitance sensor// Proc. of 7th Int. Conf. on Water and Irrigation, Tel Aviv, 1996. P. 250-258.

255. Nelson S.O., Sodergolm L.H., Yung F.D. Determining the dielectric properties of grain // Agric. Engrg. 1953. V. 34. №. 9. P. 608.

256. Nelson S.O. Dielectrical properties of grain and seed in the 1 to 50 MHz range // Trans. ASAE. 1965. V. 8. №. 1. P.38-48.

257. Nelson S.O. Electrical properties of agricultural products a critical review // Transactions of the ASAE. 1973. V. 16. №. 2. P.384-400.

258. Nelson S.O. Microwave dielectric properties of grain and seed // Trans. ASAE. 1973. V. 16. №. 5. P. 902.

259. Nelson S.O., Stetson L.E. 250-Hz to 12-GHz dielectric properties of grain and seed // Transactions of the ASAE. 1975. V. 18. № 4. P. 714-718.

260. Nelson S.O., Stetson L.E. Frequency and moisture dependence of the dielectric properties of hard red winter wheat//J. Agric. Engrg. Res. 1976. V. 21. P. 181-192.

261. Nelson S.O. Review: Dielectric properties of agricultural products. Measurement and applications I I IEEE Transactions on Electrical Insulation. Oct. 1991. V. 1 26. №. 5. P. 845863.

262. Nelson S.O., Forbus W.R., Lawrence K.C. Microwave permittivities of fresh fruits and vegetables from 0.2 to 20 GHz // Transactions of the ASAE. 1994. V. 37. № 1. P. 183-189.

263. Nelson S.O., Trabelsi S., Kraszewski A.W. Advanced in sensing grain moisture content by microwave measurements // Transactions of the ASAE. 1998. V. 41. №. 2. P. 483-487.

264. Nelson S.O., Kraszewski A.W., Trabelsi S., Lawrence K.C. Using cereal grain permittivity for sensing moisture content // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 2000. V. 49. №. 3. P. 470-475.

265. Nelson S.O., Trabelsi S. Microwave sensing of moisture in granular solids. The 4-th International Symposium on Humidity and Moisture // ISHM 16-19 September 2002, Taiwan, Taipei. Report CI. 6 p.

266. Nielsen D.C., Lagae H.J., Anderson R.L. TDR measurements of surface soil water content// Soil Sci. Soc. Am. J. 1995. V. 59. P. 103-105.

267. Nissen H.H. Moldrup P., Henriksen K. High-resolution time domain reflectometry coil probe for measuring soil water content // Soil Sci. Soc. Am. J. 1998. V. 62. P. 1203-1211.

268. Noborio K., Mclnnes K.J., Heilman J.L. Field measurements of soil electrical conductivity and water content by time-domain reflectometry // Comput. Electron. Agric. 1994. №. 11. P. 131-142.

269. Noborio K., Horton R., Tan C.S. Time domain reflectometry probe for simultaneous measurement of soil matric potential and water content // Soil Sci. Soc. Am. J. 1999. V. 63. №.6. P. 1500-1505.

270. Noborio K. Measurement of soil water content and electric conductivity by time domain reflectometry: a review// Comput. Electron. Agric. 2001. V. 31. №. 3. P. 213-237.

271. Nussberger M., Benedickter H., Bachtold W., Fluhler H., Wunderli H. Single-rod probes for time domain reflectometry: sensitivity and calibration // Vadose Zone J. 2005. V. 4. № 3.P. 551-557.

272. Or D., Wraith J.M. Temperature effects on soil bulk dielectric permittivity measured by time domain reflectometry: A physical model // Water Resour. Research. 1999. V. 35. №. 7. P. 2283-2286.

273. Oakley J.P., Bair M.S. A mathematical model for the multielectrode capacitance sensor // Meas. Sci and Tech. № 1. J. Phys. E.. 1995. V. 6. №. 11.

274. Oden C.P., Olhoefit G.R.,Wright D.L.,Powers M.H. Measuring the electrical properties of soil using calibrated ground-coupled GPR system // Vadose Zone J. 2008. V. 7. № 1. P. 171-183.

275. Or D., Wraith J.M. A new soil matric potential sensor based on time domain reflectometry// Water Resour. Res. 1999. V. 35. P. 3399-3408.

276. Oswald В., Benedickter H.R., Bachtold W., Fluhler H. A single-rod probe for time domain reflectometry measurements of the water content // Vadose Zone J. 2004. V. 3. № 4. P.1152-1159.

277. Paltineanu I.C., Starr J.L. Real-time soil water dynamics using multisensor capacitance probes: laboratory calibrations // Soil Sci. Soc. Am. J. 1997. V. 61. №.6. P. 1576-1584.

278. Patterson D.E., Smith M.W. The measurement of unfrozen water content by time domain reflectometry: Results from laboratory tests // Can. Geotech. J. 1981. V. 18. P. 131-144.

279. Patterson D.E., Smith M.W. Unfrozen water content in saline soils: Results using time domain reflectometry // Can. Geotech. J. 1984. V. 22. P. 95-101.

280. Paul W. Prospects for controlled application of water and fertilizer, based on sensing permittivity of soil // Computers and Electronics in Agriculture. 2002. V. 36. P. 151-163.

281. Pepin S., Livingston N.J., Hook W.R. Temperature-dependent measurement errors in Time Domain Reflectometry determinations of soil and water // Soil Sci. Soc. Am. J. 1995. V. 59. P. 38-43.

282. Peplinski N.R., Ulaby F.T., Dobson M.C. Dielectric properties of soils in the 0.3-1.3 GHz range // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1995. V. 33. P.803-807.

283. Perdok U.D., Kroesbergen В., Hilhorst V.A. Influence of gravimetric water content and bulk density on the dielectric properties of soil // Europ. J. Soil Sci. 1996 V. 47. P. 367371.

284. Persson M. Soil solution electrical conductivity measurements under transient conditions using time domain reflectometiy // Soil Sci. Soc. Am. J. 1997. V. 61. P. 997-1003.

285. Persson M., Berndtsson R. Texture and electrical conductivity effects on temperature dependency in time domain reflectometry // Soil Sci. Soc. Am. J. 1998. V. 62. P. 887-893.

286. Persson M., Berndtsson R. Estimating transport parameters in an undisturbed soil column using time domain reflectometry and transfer function theory // J. Hydrol. 1998. V. 205. P. 232-247.

287. Persson M., Berndtsson R., Nasri S., Albergel J., Zante P, Yumegaki Y. Solute transport and water content measurements in clay soils using time domain reflectometry // Hydrol. Sci. J. 2000. V. 45. №. 6. P.833-847.

288. Persson M., Berndtsson R., Sivakumar B. Using neural networks for calibration of time domain reflectometry measurements // Hydrol. Sci. J. 2001. V. 46. №. 3. P. 389-398.

289. Persson M. Evaluating the linear dielectric constant-electrical conductivity model using time-domain reflectometry // Hydrol. Sci. J. 2002. V. 47. №. 2. P. 269-277.

290. Persson M., Sivakumar В., Berndtsson R., Jacobsen O.H., Schjonning P. Predicting the dielectric constant — water relationship using artificial neural networks // Soil Sci. Soc. Am. J. 2002a. V. 66. P. 1424-1429.

291. Persson M., Haridy S. Estimating water content from electrical conductivity measurements with short time-domain reflectometry probes // Soil Sci. Soc. Am. J. 2003. V. 67. №. 2. P. 478-482.

292. Petersen L.W., Thomsen A., Moldrup P., Jacobsen O.H., Rolston D.E. High-resolution time domain reflectometry: Sensitivity dependency on probe-design // Soil Sci. 1995. V. 159. P. 149-154.

293. Philips Semiconductors. Data sheet: SA5209 wideband variable gain amplifier, 20 p., www.philipssemiconductors.com.

294. Poley J. Ph., Nooteboom J.J., de Waal P.J. Use of VHF dielectric measurements for borehole formation analysis // The Log Analyst. 1978. V. XIX. №. 3. P. 8 -31.

295. Powell S.D., McLendon B.D., Nelson S.O., Kraszewski A., Allison J.M. Use of a density-independent function and microwave measurement system for grain moisture measurement // Transactions of the ASAE. 1988. V. 31. №. 6. P. 1875-1881.

296. Rajkay K., Ryden B.E. Measuring areal soil moisture distribution with the TDR method // Geoderma. 1992. V. 52. P. 73-85.

297. Ratcliffe J.A., White F.W.G. The electrical properties of soil at radio frequencies // Phyl. Mag. 1930. V. 10. №.65.

298. Reitemeier R.F. Effect of moisture content on the dissolved and exchangeable ions of soils of arid regions // Soil Sci. Soc. Am. J. 1946. V. 40. P. 651-65.

299. Rhoades J.D., Ratts P.A.C., Prather R.J. Effects of liquid phase electrical conductivity, water content and surface conductivity on bulk soil electrical conductivity // Soil Sci. Soc. Am. J. 1976. V. 40. P. 651-655.

300. Rhoades, J.D., Corwin D.L. Determining soil electrical conductivity depth relations using an inductive electromagnetic soil conductivity meter // Soil Sci. Soc. Am. J. 1981. V. 45. P. 255-260.

301. Rhoades J.D., Manteghi N.A., Shouse P.J., Alves W.J. Estimating soil salinity from saturated soil-paste electrical conductivity // Soil Sci. Soc. Am. J. 1989. V. 53. P. 428-433.

302. Rhoades J.D., Manteghi N.A., Shouse P.J., Alves W.J. Soil electrical conductivity and soil salinity: New formulations and calibrations // Soil Sci. Soc. Am. J. 1989a. V. 53. №. 2. P. 433-439.

303. Rhoades J.D., Waggoner B.L., Shouse P.J., Alves W.J. Determining soil salinity from soil-paste electrical conductivities: Sensitivity analysis of models // Soil Sci. Soc. Am. J. 1989b. V. 53. P. 1368-1374.

304. Rhoades J.D., Shouse P.J., Alves W.J., Manteghi N.A., Lesch S.M. Determining soil salinity from soil electrical conductivity using different models and estimates // Soil Sci. Soc. Am. J. 1990. V. 54. №. 1. P. 46-54.

305. Rhoades, J.D., Chanduvi F., Lesch S.M., Soil salinity assessment: methods and interpretation of electrical conductivity measurements // FAO Irrigation and Drainage Paper №. 57, 1999, FAO, Rome, Italy. 150 p.

306. Rinaldi V.A., Francisca F.M. Impedance analysis of soil dielectric dispersion (1 MHz-1 GHz) // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 1999. V. 125. №. 2. P. 111-121.

307. Risler P.D., Wraith J.M., Gaber H.M. Solute transport under transient flow conditions estimated using time domain reflectometry // Soil Sci. Soc. Am. J. 1996. V. 60. P. 12971305.

308. Robinson M., Dean T.J. Measurement of near surface soil water content using a capacitance probe // Hydrol. Proc. 1993. №. 7. P. 77-86.

309. Robinson D.A., Jones S.B., Wraith J.M., Or D., Friedman S.P. A review of advanced in dielectric and electrical conductivity measurement in soils using time domain reflectometry // Vadose Zone Journal. 2003. V. 2. P. 444-475.

310. Robinson D.A. Measurement of the soil dielectric permittivity of clay minerals and granular samples using a time domain reflectometry immersion method // Vadose Zone Journal. 2004. V. 3. №. 2. P. 705-715.

311. Robinson D.A., Jones S.B., Blonquist Jr. J.M., Friedman S.P. A physically derived water content/permittivity calibration model for coarse-textured, layered soils // Soil Sci. Soc. Am. J. 2005. V. 69. № 5. P. 1372-1378.

312. Roth C.A., Malicki M.A., Plagge R. Empirical evaluation ofthe relationship between soil dielectric constant and volumetric water content as the basis for calibrating soil moisture measurements by TDR // Journal of Soil Science. 1992. V. 43. P. 1-13.

313. Roth F., Van Genderen P., Verhaegen M. Analysis of the influence of mine and soil properties on features extracted from GPR data // In: Detection and Remediation Technologies for Mines and Minelike Targets VI. Orlando, FL: SPIE 2001.

314. Roth K., Schulin R., Fluehler H., Attinger W. Calibration of Time Domain Reflectometry for water content measurement using a composite dielectric approach // Water Resource Research. 1990. V. 26. №. 10. P. 2267-2273.

315. Saxena S.C., Tayal G.M. Capacitive moisture meter // IEEE Trans. Ind. Electron. Control Instrum. 1981. V. 28. P.37-39.

316. Schneebeli M., Coleou C., Touvier F., Lesaffre B. Measurement of density and wetness in snow using time-domain reflectometry // Ann. Glac. 1998. V. 26. P. 69-72.

317. Schwank M., Green T.R., Matzier C., Benedickter H., Fluhler H. Laboratory characterization of commercial capacitance sensor for estimating permittivity and inferring soil water content // Vadose Zone J. 2006. V. 5. № 3. P. 1048-1064.

318. Selig E.T., Mansukhani S. Relationship of soil moisture to the dielectric property // Journal of the Geotechnical Engineering Division, Proceedings of the American Society of Civil Engineers, Aug. 1975. V. 101. №. GT8. P. 755-769.

319. Selker J.S., Graff L., Steenhuis T. Noninvasive time domain reflectometry moisture measurement probe // Soil Sci. Soc. Am. J. 1993. V. 57. P. 934-936.

320. Sentek Sensor Technologies (Australia). Web-site: www.sentek.com.au.

321. Seyfried M.S., Grant L.E., Du E., Humes K. Dielectric loss and calibration of the hydra probe soil water sensor // Vadose Zone J. 2005. V. 4. № 4. P. 1070-1079.

322. Seyfried M.S., Grant L.E. Temperature effects on soil dielectric properties measured at 50 MHz // Vadose Zone J. 2007. V. 6. № 4. P. 759-765.

323. Shaarawi A.M., Raid S.M. Computing the complete Fft of a step-like wave-form // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 1986. V. 35. №. 1. P. 91-91.

324. Shahidi M., Hasted J.B., Jonscher A.K., Electrical properties of dry and humid, sand // Nature (London), 1975. V. 2581 P.595-597.

325. Shang J.Q., Rowe R'.K., Umana J.A., Scholte J.W. A complex permittivity measurement system for undisturbed compacted soils // Geotechnical Testing Journal. 1999. V. 22. №. 2. P. 165-174.

326. Shuai X., Wendroth О., Lu С., Ray С. Reducing the complexity of inverse analysis of time domain reflectometry waveforms // Soil Sci. Soc. Am. J. 2009. V. 73. № 1. P. 28-36.

327. Sihvola A. Electromagnetic mixing formulas and applications // Institution of Electrical Engineers, Herts, Stevenage, UK, 1999. 284 p.

328. Skierucha W. The accuracy of soil moisture measurement by TDR technique // Int. Agro-physics. 2000. V. 14. P. 417-426.

329. Smith-Rose, R.L. The electrical properties of soil for alternating currents at radio frequencies // Proceedings of the Royal Society of London. 1933. V. 140. P. 359-377.

330. Smith-Rose, R.L. The electrical properties of soil at frequencies up to 100 MHz with a note on the resistivity of ground in the United Kingdom // Proc. Phys. Soc. London. 1935. V. 47. P. 923.

331. Sommerfeld A. Uber die Ausbreitung der Wellen in der Drahtlosen Telegraphie // Ann. d. Phys. Bd 81. 1926. 1135.

332. Spaans E.J.A., Baker J.M. Simple baluns in parallel probes for time domain reflectometry // Soil Sci. Soc. Am. J. 1993. V. 57. P. 668-673.

333. Sposito G. The future of an illusion: Ion activities in soil solutions // Soil Sci. Soc. Am. J. 1984. V. 48. №.3. P. 531-536.

334. Sreenivas, K., Venkataratnam L., Rao P.V.N. Dielectric properties of salt-affect soils // International Journal of Remote Sensing. 1995. V. 16. №. 4. P. 641-649.

335. Stein J., Kane D.L. Monitoring the unfrozen water content of soil and snow using time domain reflectometry//Water Resour. Res. 1983. V. 19. №. 6. P, 1573-1584.

336. Stetson L.E., Nelson S.O. A method for determining dielectric properties of grain and seed in the 200 to 500 MHz range // Transactions of the ASAE. 1970. V.13. №. 4. P.491-495.

337. Stetson L.E., Nelson S.O. Audio frequency dielectric properties of grain and seed // Transactions of the ASAE. 1972. V. 15. №. 1. P. 180-184, 188.

338. Stogryn A. Equations for calculating the dielectric constant of saline water // IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques. 1971. №. 19. P. 733-736.

339. Sun Y.R., Ma D.K., Lin J.H., Schulze Lammers P., Damerow L. An improved frequency domain technique for determining soil water content // Pedosphere, 2005. V. 15. №. 6. P. 805-812.

340. Suresh N. and oth. Microwave measurement of the degree of binding of water, absorbed in soils // J. Microwave Power. 1967. № 4.

341. Thiel and Madey Т. E. The interaction of water with solid surfaces: fundamental aspects // Surface Science Reports. 1987. V. 7. P. 211-385.

342. Thomas A.M. In situ measurement of moisture in soil and similar substances by "fringe" capacitance // Journal of Scientific Instrumentation. 1966. V. 43. №. 1. P. 21-27.

343. Tinga W.R., Voss W.A.G., Blossey D.F. Generalized approach to multiphase dielectric mixture theory // J. Appl. Phys. 1973. V. 44. №. 9. P. 3897-3902.

344. Tinga W.R. Mixture laws and microwave-material interactions / In: A. Priou (ed.): Dielectric properties of heterogeneous materials // Progress in electromagnetic research. 1992. Pier 6. P. 1-40.

345. Tomer M.D., Anderson J.L. Field evaluation of a soil water-capacitance probe in a fine sand//Soil Sci. 1995. V. 159. P. 90-98.

346. Topp G.C., Davis J.L., Annan A.P. Electromagnetic determination of soil water content: Measurements in coaxial transmission lines // Water Resources Research. 1980. V. 16. №. 3. P. 574-582.

347. Topp G.C., Davis J.L. Detecting infiltrations of water through soil cracks by time domain reflectometry // Geoderma. 1981. V. 26. P. 13-23.

348. Topp G.C., Davis J.L., Annan A.P. Electromagnetic determination of soil water content using TDR: I. Application to wetting fronts and steep gradients // Soil Sci. Soc. Am. J. 1982. V. 46. №. 4. P: 672-678.

349. Topp G.C., Davis J.L., Annan A.P. Electromagnetic determination of soil water content using TDR: II. Evaluation of installation and configuration of parallel Transmission Lines // Soil Sci. Soc. Am. J. 1982. V. 46. №. 4. P. 678-684.

350. Topp G.C., Davis J.L., Bailey W.G., Zebchuk W.D. The measurement of soil water content using a portable TDR handprobe // Can. J. Soil Sci. 1984. V. 64. P. 313-321.

351. Topp G.C., Davis J.L. Measurement of soil water content using Time-Domain Reflectometry (TDR): a field evaluation // Soil Sci. Soc. Am. J. 1985. V. 49. P. 19-24.

352. Topp G.C., Yanuka M., Zebchuk W.D., Zegelin S. Determination of electrical conductivity using Time Domain Reflectometry: soil and water experiments in coaxial lines // Water Resources Research. 1988. V. 24. P. 945-952.

353. Topp G.C., Culley J.D. Correcting soil volumetric water contents from a direct-reading TDR instrument (IRAMS) // Can. J. Soil Sci. 1989. V. 69. P. 701-704.

354. Topp G.C., Watt M., Hayhoe H.N. Point specific measurement and monitoring of soil water content with an emphasis on TDR // Can. J. Soil Sci. 1996. V. 76. P. 306-316.

355. Topp G.C., Ferre P.A. Measuring water content in soil using TDR: a state-of-the-art in 1998. IAEA-Meeting, Vienna 23-25.11.1998.

356. Topp G.C., Zegelin S., White I. Impacts of the real and imaginary components of relative permittivity on time domain reflectometry measurements in soil // Soil Sci. Soc. Am. J. 2000. V. 64. №. 4. P. 1244-1252.

357. Trabelsi S., Kraszewski A., Nelson S.O. Simultaneous determination of density and water content of particulate materials by microwave sensors // Electronics letters. 1997. V. 33. №. 10. P.874-876.

358. Trabelsi S., Nelson S.O. Density-independent functions for on-line microwave moisture meters: a general discussion // Meas. Sci. Teclinol. 1998. V. 9. P. 570-578.

359. Trabelsi S., Kraszewski A.W., Nelson S.O. Microwave dielectric sensing of bulk density of granular materials // Measurement Science and Technology. 2001. V. 12. P. 2192-2197.

360. Trabelsi S., Nelson S.O. Free-space measurement of dielectric properties of cereal grain and oilseed at microwave frequencies // Measurement Science and Technology. 2003. V. 14. P. 589-600.

361. US Patent № 5039947, 1991. Microwave technique for single kernel, seed,'nut, or fruit moisture content determination. Kraszewski A.W., Nelson S.O.

362. US Patent № 5218309, 1993. Single kernel, seed, nut, or fruit dielectric moisture content measurement. Nelson S.O., Kandala V.S., Leffler R.G., Lawrence K.C.

363. US Patent № 5418466, 1995. Moisture and salinity sensor and method1 of use. Watson K., Gatto R., Weir P., Buss P.

364. US Patent №. 6147503, 2000. Method for the simultaneous and independent determination of moisture content and density of particulate materials from radio-frequency permittivity measurements. Trabelsi S., Nelson S.O., Kraszewski A.W.

365. Vanclooster M., Mallants D., Diels J., Feyen J. Determining local-scale solute transport parameters using time domain reflectometry (TDR) // J. of Hydrol. 1993. V. 148. P. 931007.

366. Van Dam R.L., Borchers В., Hendrickx M.H. Methods for prediction of soil dielectric properties: a review//Proceedings of the SPIE. 2005. V. 5794. P. 188-197.

367. Van Loon W.K.P., Perfect E., Groenevelt P.H., Kay B.D. A new method to measure bulk electrical conductivity in soils with time domain reflectometry // Can. J. Soil Sci. 1990. V. 70. P. 403-410.

368. Van Loon W.K.P., Perfect E., Groenevelt P.H., Kay B.D. Application of dispersion theory to time domain reflectometry in soils // Transport in Porous Media. 1991. №. 6. P. 391406.

369. Wang J.R. The dielectric properties of soil-water mixtures at microwave frequencies // Radio Science. 1980. V. 15. P. 977-985.

370. Wang J.R., Schmugge T.J. An empirical model for the complex dielectric permittivity of soils as a function of water content // IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 1980a. V. GE-18. №. 4. P. 288-295.

371. Ward A.L. Kachanoski R.G., Elrick D.E. Laboratory measurements of solute transport using time domain reflectometry // Soil Sci. Soc. Am. J. 1994. V. 58. P. 1031-1039.

372. Watson K.K., Reginato R.J., Jackson R.D. Soil water hysteresis in a field soil // Soil Sci. Soc. Am. Proc. 1975. V. 39. P. 242-246.

373. WET Sensor User manual WET-UM-1.4, Delta-T Devices-2007. www.delta-t.co.uk.

374. Wensink W.A. Dielectric properties of wet soils in the frequency range 1-3000 MHz // Geophysical Prospecting. 1993. V. 41. №. 6. P. 671-696.

375. Whalley W.R. Considerations on the use of time domain reflectometry (TDR) for measuring soil water content // Journal of Soil Science. 1993. V. 44. P. 1-9.

376. Whalley W.R. Response to, considerations on the use of time domain reflectometry (TDR) for measuring soil water Comment // Eur. J. Soil Sci. 1994. V. 45. P. 509-510.

377. Whalley W.R., Leeds-Harrison P.B., Joy P., Hoefsloot P. Time domain reflectometry and tensiometry combined in an integrated soil water monitoring system // J. Agric. Eng. Res. 1994a. V. 59. P. 141-144.

378. Whalley W.R., Watts C.W., Hilhorst M.A., Bird N.R.A., Balendonck J., Longstaff D.J. The design of porous material sensors to measure soil matric potential // Eur. J. Soil Sci. 2001. V. 53. P. 511-519.

379. Whalley W.R., Leeds-Harrison P.B., Whitmore A.P., Sarker P.K. Effect of aggregate size on the water content estimated with time domain reflectance (TDR) // Int. Agrophisics 2004. V. 18. P. 181-187.

380. White I., Knight J.H., Zegelin S.J., Topp G.C. Comments on "Considerations on the use of time-domain reflectometry (TDR) for measuring soil water content" by W.R. Whalley // European Journal of Soil Science. 1994. V. 45. №. 4. P. 503-508.

381. Wobschall D. A theory of the complex dielectric permittivity of soil containing water, the semidisperse model // IEEE Transactions on Geoscience Electionics and Remote Sensing. 1977. V. 15. №. 1. P. 49-58.

382. Wobschall D. A frequency shift dielectric soil moisture sensor // IEEE Trans, on Geoscience Electronics. 1978. GE-16. P.112-118.

383. Wraith J.M., Baker J.M. High-resolution measurement of root water uptake using automated Time-Domain Reflectometry// Soil Sci. Soc. Am. J. 1991. V. 55. P. 928-932.

384. Wraith J.M., Or D. Temperature effects on soil bulk dielectric permittivity measured by time domain reflectometry: Experimental evidence and hypothesis development // Water Resour. Res. 1999. V. 35. P. 361-369.

385. Yanuka M., Topp G.C., Zegelin S., Zebchuck W.D. Multiple reflections and attenuation of TDR pulses: Theoretical considerations for applications to soil and water // Water Re-sour. Res. 1989. V. 24. №. 7. P. 939-944.

386. Yu C., Wattick A.W., Conklin M.H., Young M.H., Zreda M. Two- and three- parameter calibrations of time domain reflectometry for soil moisture measurement // Water Resour. Res. 1997. V. 33. P. 2417-2421.

387. Yu X., Drnevich V.P. Soil water content and dry density by time domain reflectometry // Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 2004. V. 130. №. 9. P. 922934.

388. Zakri Т., Laurent J., Vauclin M. Theoretical evidence for Lichtenecker's mixture formula based on the effective medium theory // J. Phys. D: Appl. Phys. 1998. V. 31. P. 1589-1594.

389. Zambra C.E., Drnevich V.P., Yu X., Novak R. Soil texture characterization from TDR wave form analysis // Proc. TDR 2006» Purdue University, West Lafayette, USA, Sept. 2006, Paper ID 1,21 p., https://engineering.purdue.edu/TDR/Papers.

Информация о работе

Ананьев, Игорь Петрович
доктора технических наук
Санкт-Петербург, 2009
ВАК 06.01.03

Диссертация

Автогенераторные измерительные преобразователи двухкомпонентной диэлькометрии сельскохозяйственных материалов - тема диссертации по сельскому хозяйству, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы