CC BY
173
Молодой исследователь Дона
УДК 53.083
№4(25) 2020
ОСОБЕННОСТИ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ВЛАЖНОСТИ ПОЧВЫ Т. В. Мозговая, А. О. Жукова, О. Ю. Сорочкина
Донской государственный технический университет (г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация)
Проведен анализ методов и средств измерения влажности почвы. Раскрываются особенности методов измерения влажности — электрометрического и тензометрического.
Ключевые слова: измерение, методы измерений, влажность, средства измерений влажности, принцип действия, электрометрический метод, тензометрический метод.
FEATURES OF SOIL MOISTURE MEASUREMENT METHODS
T. V. Mozgovaya, A. O. Zhukova, O. Yu. Sorochkina
Don State Technical University (Rostov-on-Don, Russian Federation)
This article analyzes the methods and means of measuring soil moisture, reveals the features of electrometric and tensometric methods of measuring soil moisture.
Keywords: measurement, measurement methods, humidity, moisture measuring instruments, operating principle, electrometric method, tensometric method
Введение. В настоящее время Россия является крупным экспортером сельхозпродукции и занимает 1-е место среди стран мира по экспорту пшеницы. Основной вклад в развитие сельскохозяйственной отрасли вносят Краснодарский край и Ростовская область. Именно эти регионы обладают подходящими почвами для выращивания пшеницы.
Ростовская область расположена в двух зонах: степной обыкновенной почвы и южных чернозёмов [1]. Почвенно-климатические условия области в целом благоприятны для развития сельскохозяйственного производства, но в летний период почва более засушливая, поэтому рационально применять автоматическую, зависимую от погоды, систему полива [2, 3]. Во избежание затопления или пересушивания почвы следует контролировать ее уровень влажности. В данное время идея применения системы автоматического полива зеленых насаждений набрала огромную популярность в аграрной отрасли [4]. Для решения этой проблемы были исследованы приборы измерения влажности почвы.
Объектом исследования является измеритель влажности почвы. Предметом изучения являются косвенные методы измерения влажности, на базе которых работают влагомеры [5]. Влагомером называется электронное устройство, которое используется для установления абсолютного содержания влаги в процентном отношении от массы твердого вещества [6].
Прямые и косвенные измерения. В основу любого влагомера заложен тот или иной метод установления влажности. Все существующие измерения, применяемые для определения влажности, принято делить на две группы: прямые и косвенные.
Суть прямых измерений заключается в непосредственном расщеплении почвы на две составляющих — влагу и сухой компонент.
В косвенных методах основной принцип — фиксирование какой-либо величины, объединенной с влажностью. Для того чтобы применять косвенные методы, необходимо провести калибровку для определения взаимосвязи между измеряемой физической величиной и влажностью почвы [7].
Разберем подробнее косвенные измерения почвенной влажности, а именно, рассмотрим, какие методы к ним относятся и в чем особенность каждого.
Молодой исследователь Дона
№4(25) 2020
Самыми распространенными и безопасными методами косвенных измерений являются электрометрический и тензометрический.
Электрометрический метод измерения влажности почвы. Электрометрический метод основан на измерении сопротивления, индуктивности, емкости, а также проводимости почвы, в зависимости от ее влажности [8]. Перечисленные электрические параметры почвы измеряют влагомерами, которые состоят из двух главных составляющих — измерительного устройства и датчика.
Электрометрический метод имеет подгруппы: кондуктометрические и емкостные методы. Кондуктометрический базируется на определении сопротивления в цепи постоянного тока или электрической проводимости. Емкостный метод основан на измерении диэлектрической проницаемости, т.е. емкости в цепи переменного тока.
Во влагомерах, действующих на базе кондуктометрического метода, датчики — это электроды, которые проводят ток к исследуемому образцу почвы [9]. При прохождении тока через почву величина тока меняется, в зависимости от влажности.
В тех влагомерах, которые работают на основе емкостного метода (их называют диэлькометрами), датчиком является конденсатор с воздушным пространством, которое наполняется изучаемым материалом [10]. В зависимости от влажности почвы, изменяется электроемкость конденсатора.
Электрометрические методы имеют основное преимущество перед остальными методами — скорость. Получить результаты исследования можно спустя 1-2 минуты.
В настоящее время крупные производства пользуются электровлагомерами самых разнообразных марок, одним из них является анализатор влажности «Элвиз-2» (рис. 1).
Рис. 1. Анализатор влажности
Тензометрический метод измерения влажности почвы. Другой вид измерения влажности — тензометрический. Он состоит из пластиковой трубы и вакуумного манометра (вакуумметр). Сначала прибор заполняется водой, а потом его помещают в почву для определения давления. Когда вода движется по трубе, то происходит изменение давления и, соответственно, показание счетчика. После гидратации (или дождя) почва бывает влажная и вода не поступает в трубку, пока не произойдет смещение потенциала между почвой и тензиометром [11].
Тензиометр — доступный прибор. Можно приобретать трубки различной длины для измерения водного потенциала в почве на различных глубинах (рис. 2).
возможное скопление пузырьков воздуха
Р
Рис. 2. Схема тензиометра: 1 — керамическая тонкопористая свеча; 2 — вакуумметр; 3 — трубка, соединяющая свечу и вакуумметр, заполненная кипяченой водой и закрытая с одного конца; 4 — пробка
Принцип действия данного устройства заключается в следующем: при высыхании породы земли, в которой находится пористый наконечник тензиометра, небольшое количество воды из полости прибора переходит в субстрат, а в приборе возникает вакуум, величину которого показывает вакуумметр [12]. Если влажность почвы увеличивается, то влага возвращается в полость прибора и вакуум в нем уменьшается.
Тензиометры обычно используют для принятия решения о начале и окончании полива почв [13]. Желательно их устанавливать на разных глубинах [14]. По показаниям данного прибора можно определить время начала орошения (тензиометр располагают ближе к поверхности) и время окончания полива (тензиометр располагают глубже). Недостаток этого прибора в том, что его необходимо убирать до наступления холодов.
Что касается точности измерений, то особого различия в методах нет, погрешность методов колеблется от 2 до 4 % [15]. Поэтому при создании автоматизированной системы измерения, выборе метода и средства измерения влажности почвы основываются на способе использования.
Таким образом, электрометрические приборы имеют более высокую скорость получения результатов, но недостаточно хороший контакт игл измерителя с исследуемым материалом, что может отрицательно сказываться на точности результатов. Тензометрические датчики более точные и доступные по цене, но подвержены влиянию температуры.
Заключение. Электрометрический метод измерения почвенной влаги является наиболее предпочтительным ввиду высокой скорости измерения. Влагомеры, в основе которых лежит электрометрический метод, можно использовать в любое время года. Средства, реализующие данный метод, можно использовать в автоматизированных системах.
Библиографический список
1. Вальков, В. Ф. Почвы Юга России / В. Ф. Вальков, К. Ш. Казеев, С. И. Колесников. — Ростов-на-Дону : Эверест, 2008. —276 с.
2. Вальков, Ф. Почвоведение : учебник для академического бакалавриата / В. Ф. Вальков, К. Ш. Казеев, С. И. Колесников. — Изд-во. 4-е, перераб. и доп. — Москва : Юрайт, 2018. — 527 с.
3. Климат и агроклиматические ресурсы Ростовской области / Ю. П. Хрусталев [и др.]. — Ростов-на-Дону : Батайское кн. изд-во, 2002. —184 с.
Молодой исследователь Дона IfHfjJJ №4(25) 2020
4. Старостин, А. А. Технические средства автоматизации и управления : учеб. пособие / А. В. Лаптева, А. А. Старостин. — 2-е изд., стер. — Екатеринбург : Издательство Уральского университета, 2015. — 168 с.
5. Берлинер, М. А. Измерения влажности / М. А. Берлинер. — изд. 2-е, перераб. и доп. — Москва : Энергия, 1973. — 400 с.
6. Измерение влажности почв методом частотной диэлькометрии / А. Г. Болотов [и др.] // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. — 2013. — № 12 (110). — С. 36-39.
7. Бабьева, И. П. Биология почв / И. П. Бабьева, Г. М. Зенова; под ред. Д. Г. Звягинцева. — изд. 2-е, перераб. и доп. — Москва : Издательство МГУ, 1989. — 335 с.
8. Теории и методы физики почв / под ред. Е. Шеина, Л. Карпачевского. — Москва : Гриф и К, 2007. — 368 с.
9. Фрайден, Дж. Современные датчики. Справочник / Дж. Фрайден. — Москва : Техносфера, 2005. —592 с.
10. Агроклиматические ресурсы Ростовской области / под ред. З. Русеевой, Е. Роговской, Г. Ивковой. — Ленинград : Гидрометеоиздат, 1972. — 251 с.
11. Кузнецов, М. И. Основы электротехники / М. И. Кузнецов. — Москва : Высшая школа, 1970 — 368 с.
12. Виглеб, Г. Датчики. Устройство и применение / Г. Виглеб. — Москва : Мир, 1989. — 196 с.
13. Шишмарёв, В. Ю. Технические измерения и приборы : учебник для средн. профессион. образ. / В. Ю. Шишмарёв. — Изд. 3-е, перераб. и доп. —Москва : Юрайт, 2019. — 377 с.
14. Качинский, Н. А. Физика почвы. Часть 1. / Н. А. Качинский. — Москва : Высшая школа, 1965.— 324 с.
15. Толмачева, Н. И. Методы и средства гидрометеорологических измерений (для метеорологов) : учебное пособие / Н. И. Толмачева. — Пермь : Изд-во Пермского университета, 2011. — 223 с.
Об авторах:
Мозговая Татьяна Викторовна, студент кафедры «Управление качеством» Донского государственного технического университета (344003, РФ, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1), ya.moz gowaia@yandex. ru
Жукова Ангелина Олеговна, студент кафедры «Управление качеством» Донского государственного технического университета (344003, РФ, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1), [email protected]
Сорочкина Оксана Юрьевна, доцент кафедры «Управление качеством» Донского государственного технического университета (344003, РФ, г. Ростов-на-Дону, пл. Гагарина, 1), кандидат технических наук, доцент, oxisor@yandex .ru
Authors:
Mozgovaya, Tatyana V., student, Department of Quality Management, Don State Technical University (1, Gagarin sq., Rostov-on-Don, 344003, RF), [email protected]
Zhukova, Angelina O., student, Department of Quality Management, Don State Technical University (1, Gagarin sq., Rostov-on-Don, 344003, RF), [email protected]
Sorochkina, Oksana Yu., associate professor, Department of Quality Management, Don State Technical University (1, Gagarin sq., Rostov-on-Don, 344003, RF), Cand.Sci., Associate professor, oxisor@yandex .ru
