Метод зонда постоянной мощности для измерения потенциала влаги и тепловых потоков в почве

Управление тепловым и влажноетным режимом сельскохозяйственного поля является одной из центральных задач интенсификации сельскохозяйственного производства. При выборе агротехнических, мелиоративных и других мероприятий, связанных с изменением теплои гидрофизических характеристик почвы существенно, в частности, иметь информацию о теплопроводности, тепловом потоке в почву, потенциале почвенной влаги и влажности почвы.

Измерение количества влаги в почве, разработка датчиков влажности почвы и информационно-измерительных систем, рассчитывающих потребность растений в воде, необходимы для установления сроков и автоматизации полива, мелиорации земель, а также для повышения уровня эксплуатации и автоматизации внутрихозяйственной оросительной сети (водораспределения). Основной задачей мелиоративного почвоведения и мелиорации является оптимизация водного режима почв и растений, которая сводится к нахождению и поддержанию в оптимальных пределах потенциала почвенной влаги как одной из чувствительнейших характеристик состояния влаги в почвах. Для решения этой проблемы важную самостоятельную задачу представляет создание надежных приборов и методов для непрерывных регистраций потенциала влаги в полевых условиях. Эти измерения важны в научных исследованиях, почвоведении, гидрологии, гидротехнике.

Измерения влажности имеют многолетнюю ис торию. Аналитический способ определения влагосодержания твердых тел путем взвешивания до и после высушивания образца применяется уже на протяжении многих десятилетий, кондуктометрический метод был предложен в начале двадцатого столетия (1900;1910гг.), а диэлькометрический — примерно в 1928 г. Позднее стали развиваться такие методы, как психрометрический, осмотический, радиоактивный, сверхвысокочастотный, тешюфизический и др. в некоторых из этих методов влажность измеряется непосредственно, в других — производится измерение потенциала влаги с целью оценки уровня влажности, несмотря на разнообразие предложенных методов и датчиков потенциала влаги и влажности до настоящего времени продолжает остро ощущаться нехватка надежных, высокоточных, эксплуатационно и технологически рациональных способов определениях этих параметров, особенно в полевых условиях, В связи с научно-техническим прогрессом в последнее десятилетие изменились требования, предъявляемые к преобразователям влажности и потенциала влаги, и при их разработке должно быть учтено, что важнейшими из этих требований являются уменьшение длительности измерения и возможность выполнения всех или основных операций измерения без участия человека, т. е. переход от ручного аналитического контроля к методам современной измерительной техники.

Основные методы измерения влажности и потенциала влаги поч-вогрунтов в полевых условиях опираются на более или менее устойчивые зависимости отдельных параметров почвенной среды от влажности (потенциала влаги) [1−9]. Из них наиболее распространены следующие методы (в скобках указывается измеряемый параметр): аналитический или’термостатно-весовой (вес почвенного образца), кондуктометрический с применением эталонного блока (электросопротивление), диэлькометрический (комплексная диэлектрическая проницаемость, мнимая составляющая диэлектрической проницаемости, тангенс угла потерь, СВЧ-поглощение), психрометрический (давление водяных паров), осмотический (осмотическое давление), радиационный (поглощение нейтронов, уи рентгеновской радиации), теплового радиоизлучения (яркостная температура земной поверхности), тензиометрический (давление влаги), тепловой (теп-лофизические характеристики: теплопроводность, температуропроводность, объемная теплоемкость). Все указанные методы имеют как достоинства, так и недостатки. Если говорить о последних, то следует отметить трудоемкость и невозможность применения в автоматических системах аналитического методанедостаточное разрешение при тарировке по влажности, зависимость от химического состава почвы, необходимость вынесения за непосредственные пределы сельскохозяйственного поля для датчиков радиационного излученияневысокую точность при высоких влажностях психрометрического методасильную зависимость данных кондатометрического и (в меньшей степени) диэлькометрического методов от засоленности и температуры и т. п. Что касается тензиометров, то здесь нужно указать на ограничение в предельных измеряемых величинах давлений почвенной влаги (практически до 0,7*0,8 атм), сложность подготовки к работе и установки в естественных почвогрунтах, сравнительно большие размеры (в длину до 10 см и более), не допускающие высокое разрешение на глубине в почве [9] .

Среди различных методов, предназначенных для измерения объемной влажности и потенциала влаги в почве, к числу наиболее эффективных относятся методы, основанные на связи теплофизических характеристик почвы или вспомогательной эталонной пористой среды с влажностью. Главным достоинством этих методов является относительно слабое воздействие на результаты измерений солевого состава почвенного раствора и возможность подавления температурной зависимости показаний. При этом тепловые датчики просты в эксплуатации, допускают подключение к мелиоративным системам уцравления, обладают небольшими размерами, а, следовательно, хорошим разрешением по глубине, и, практически, могут работать во всем диапазоне полевых влагосодержаний.

Из недостатков существующих тепловых методов, использующих эталонные пористые блоки [10−13], следует отметить:

1. Большие размеры нагревателя, которые определяют большое время выхода тепловой волны за его пределы, что приводит к возрастанию времени измерения,.

2. Невысокая чувствительность измерения связана: а) с формой нагревателей, создающих квазишаровую тепловую волну, не обеспечивающую максимальную чувствительность измерения, Кроме того, в большинстве известных методов нагреватель и терморезистор разделены. Это увеличивает размеры системы «нагреватель-терморезистор», и, следовательно, время измеренияб) с невысоким отношением теплопроводностей эталонных пористых материалов в насыщенном водой и сухом состояниях (максимум 2,7+3) — в) не учитывается то обстоятельство, что на начальную часть кривой изменения температуры термозонда влияют свойства контакта между термозондом и материалом блока,.

3. При использовании термисторов необходимо компенсировать влияние изменения температуры окружающей среды как на сопротивление зонда, так и на стабильность показаний в процессе измерения.

4. Не преодолены трудности изготовления стандартных пористых блоков с варьируемой зоной чувствительности по потенциалу влаги и влажности,.

5. Большая инерционность тепловых преобразователей по отношению к установлению равновесной влажности обусловлена их размерами (в свою очередь, определяемыми размерами нагревателя и термочувствительного элемента).

Настоящая работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских работ Агрофизического НИИ (ВАСХНИЛ г. Ленинград) задание 01.08 на 1975;1980 г. г. «Разработать методы измерения, датчики, приборы и устройства для контроля за физическими параметрами почв и приземного слоя воздуха» Государственный регистрационный Ш 79 465.

Основными задачами исследования являлись:

1. Исследование особенностей применения нестационарного метода цилиндрического зонда постоянной мощности с термозондом кольцевой формы для определения теплопроводности увлажненных дисперсных сред.

2. Исследование зависимости теплопроводности различных связанных и порошкообразных материалов от влажности, потенциала влаги, температуры, концентрации солей и дисперсности частиц с целью обоснованного выбора оптимальных материалов для влагочув-етвительного сорбента с варьируемой зоной чувствительности и стабильными характеристиками в первичных преобразователях потенциала влаги почвы.

3. Исследование зависимости теплопроводности увлажненных дисперсных материалов от атмосферного давления с целью оценки фазового состава влагопереноса.

4. Разработка высокоэффективных преобразователей и устройства для измерения потенциала влаги почвы на основе нестационарного метода цилиндрического зонда постоянной мощности.

5. Разработка преобразователя и устройства для измерения тепловых потоков в почву, также использующих метод зонда постоянной мощности.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Выявлены и исследованы факторы, определяющие особенности и преимущества измерения теплопроводности дисперсных тел нестационарным методом постоянной мощности с кольцевым термозондом.

Проведены исследования зависимостей теплопроводностей порошкообразных и связавных материалов в широком диапазоне от влажности, потенциала влаги, температуры, концентрации соли в увлажняющем растворе, атмосферного давления, дисперсности частиц.

Изучена экспериментально и обоснована теоретически дробно-линейная зависимость теплопроводности дисперсных порошкообразных материалов от потенциала влаги.

Проведена экспериментальная оценка фазового состава влаго-переноса методом парожидкостной теплопроводности в капиллярно-пористом сорбенте на основе гипса.

На основании проведенных исследований впервые предложены в качестве сорбента в преобразователях потенциала влаги почвы порошкообразные материалы различной дисперсности из абразивных микрои шлифпорошков (электрокорунд, карбид бора, карбид кремния, кварц), которые позволяют увеличить чувствительность, стабильность характеристик, расширить диапазон измерений по сравнению с известными сорбентами.

Исследованы характеристики тепловых преобразователей потенциала влаги и влажности почвы с различным сорбентом в полевых и лабораторных условиях в различных типах почв.

Основные положения, выносимые на защиту.

I. Метод цилиндрического зонда постоянной мощности имеет существенные преимущества перед другими нестационарными методами измерения теплопроводности в отношении скорости измерения при хорошей точности, небольших количествах исследуемых веществ и независимости от внешних температурных воздействий и может быть применен для измерения потенциала и влажности дисперсных материалов и почв.

2. Зависимость теплопроводности исследованных материалов от потенциала влаги определяется дробно-линейной функцией в широком интервале потенциалов (давлений).

3. Метод двухфазной теплопроводности в определенном интервале влажноетей высокоэффективен для оценок параметров проводимости, характеризующих перенос по пару и жидкой влаге в дисперсных средах,.

4. Тепловые преобразователи потенциала влаги, разработанные на основе изученных сорбентов, стабильны в своих показаниях и высокочувствительны к изменению давления почвенной влаги.

Практическое использование результатов работы.

Разработаны, исследованы и испытаны новые типы тепловых преобразователей потенциала влаги и теплового потока и измерительные устройства к ним, действующие на основе нестационарного метода зонда постоянной мощности. Эти преобразователи по своим параметрам превосходят известные отечественные и зарубежные тепловые преобразователи аналогичного назначения, и поэтому их следует рекомендовать для решения различных задач мелиоративного почвоведения и агротехники, в частности, для целей оптимизации водного режима почв и растений.

Разработанные устройство и тепловые преобразователи потенциала влаги почвы внедрены в учебно-опытном хозяйстве Андижанского института хлопководства для установления оптимальных сроков вегетационных поливов хлопчатника.

Метод измерения теплопроводности дисперсных материалов, экспериментальная установка и измерительные ячейки внедрены и использованы при выполнении хоздоговорных работ в ВДКТБ НП АН УзССР с фактическим экономическим эффектом 52 тыс.рублей.

Результаты настоящей работы могут быть положены в основу создания опытных образцов тепловых преобразователей потенциала влаги в проектно-конструкторских организациях, разрабатывающих измерительные приборы для сельского хозяйства.

Апробации работы и публикации. Основное содержание диссертации докладывалось и обсуждалось на У1 Всесоюзной конференции по тепломассообмену (Минск, 1980 г.), областной научно-производственной конференции «За высокую эффективность сельскохозяйственного производства в свете решений ХХУ1 съезда КПСС» (Андижан, 1982 г.), расширенном заседании лаборатории неконтактных методов диагностики сельскохозяйственных полей и посевов Агрофизического ордена Трудового Красного Знамени НИИ в мае 1980 г. и сентябре 1983 г., объединенном научно-теоретическом семинаре кафедр физики’Андижанского института хлопководства и Государственного педагогического института в апреле 1982 г., научном семинаре Отдела теплофизики АН УзССР в июле 1982 г., объединенном семинаре лабораторий реофизики и криогенной техники в сентябре 1983 г. и заседания физико-технической секции Ученого Совета в декабре 1983 г. ИТШ им. А. В. Лыкова АН БССР.

По теме диссертации опубликовано 5 статей и подучено I авторское свидетельство на изобретение.

Диссертация изложена на 191 страницах, включая 74 рисунка, 7 таблиц и 2 приложения.

Список литературы

включает 91 наименование отечественных и зарубежных авторов. Диссертация" состоит из введения, четырех глав, выводов и приложений.