[發明專利]多孔性物質含水率測定模型及其構建方法與應用

無效

• 申請號: 201110347467.X
• 申請日: 2011-11-07
• 公開（公告）號: CN102621194A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: 段鐵城;胡建東;胡小寧;吳建中;賈芳;衡麗沙
• 申請（專利權）人: 河南農大迅捷測試技術有限公司
• 主分類號: G01N27/22
• 分類號: G01N27/22;G01N5/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及水分含量檢測領域，具體涉及一種基于電容或重量變化的多孔性物質的含水率測定模型及其構建方法與應用。

背景技術

多孔物質的水分測定中研究最多的是土壤水分測定。它是農田水分監測的基本手段。目前各國開發的水分儀有多種，其中用于便攜式測量的主要有電導式、高頻電容式、頻域反射儀和時域反射儀等，前兩種技術在土壤水分領域已經基本淘汰、很少應用，后兩種則得到了較廣泛的應用。一般認為時域反射儀(TDR)是最先進的，性能最好的，而頻域反射儀則較便宜：現以時域反射儀為例，看水分測定技術的發展水平。

時域反射儀(TDR)：是依靠電磁波在波導棒中傳導遇到不同介電常數的界面反射，影響其傳播往返時間來測定含水率的。據稱其測定值不受土壤質地的影響，但有報道認為土壤粘粒含量47％時其測值增加12.4％。對土壤成分的變化尤其不能適應，例如水稻土、栗鈣土、紅壤都需要建立單獨的模型，不同的含水量也要有不同的關系式。土壤容重變化的適應范圍是1.1～1.7g/cm³，但即便在此范圍內也會引起1.9％的誤差，即便把容重因素扣除，含水量的絕對誤差也只能減少到0.05～0.15cm³/cm³(即體積含水率5～15％)，不同的TDR儀之間的系統誤差還有0.9％[中國農大曹巧紅：土壤因子對時域反射儀測試的影響]。

土壤水分測試技術面對復雜多變的土壤性質已經進行了數十年的探索，Topp(1980)，Ldieu(1986)，Herkelrath(1991)，Malicki等都分別提出過各自的計算模型，但也都只能適應一定的范圍。土壤水分測試技術仍處只能原位校準原位測試的水平，至今沒有找到簡便有效的普適的水分測定方法，其障礙主要有3個方面：

(1)是必須針對既定的土壤類型(或在一定范圍土類內)建立計算模型，當土壤類型變化時就需要重新建立模型，或重新標定。然而我國土壤類型很多(據研究我國有土類60個、亞類133個，土屬、土種成千個)，其成分、質地變化都很大，因此儀器的測試精度難以保證，更難以使儀器具有通用性。

(2)即便同一土壤，在不同耕作后狀態不同、虛密度(容重)不同也造成極大的測量誤差，因此同一含水量的農田，即使成分完全相同，在不同地塊測值也會有很大甚至成倍的差異。這便是便攜式的土壤水分儀至今不能很好應用的關鍵。這是一個世界性難題。

(3)水分含量自身的變化引起其存在形態(自由水、束縛水等)的和介電常數變化，而這種變化又緊密地與土壤成分、質地、溫度等交織在一起。這就使依靠介電常數測定水分技術，即使建立多元多階方程也很難保證其精度。

發明內容

本發明要解決的技術問題是提供一種精度高、通用性強、無需標定的基于電容和重量變化的多孔性物質含水率測定模型，構建方法。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：

人為地改變放置于電容式傳感器的容器中的待測多孔性物質的虛密度或容重，測量其改變前后的重量和輸出電壓/電容，然后進行重量和電壓/電容的差減，使各種相同的影響因素的影響在差減中對消掉，只留有重量/容重和輸出電壓/電容的變化，且二者構成線性函數關系。

一種多孔性物質含水率測定模型，包括以下方程式：

ΔU＝A+BΔK????I，

W＝[(1-Q2)M-K2]/K2[(M/ρ)-1]II；

W＝[(1-Q1)M-K1]/K1[(M/ρ)-1]III；

Q2-Q1＝A/JV?εIV；

上述式中，式I中ΔK為置于電容傳感器容器內的待測多孔性物質的虛密度或容重變化量，ΔU為對應于該ΔK的電壓/電容的變化量ΔU；W為含水率；K1、K2分別為電容傳感器的容器內的待測多孔性物質的虛密度改變前后的容重；M為電容傳感器的容器內的待測多孔性物質的相對于水的比重；ρ為水的密度；Q1、Q2為與式I中的系數A或/和常數B有關的參數；J為電容傳感器常數；V為電容傳感器容器的容積；ε為標準物質介電常數；

上述式I、式II、式III、式IV聯立求解參數Q1、Q2，再代入式II或式III即得待測多孔物質的含水率。

上述多孔性物質含水率測定模型的構建方法，包括以下步驟：

(1)取待測多孔性物質放置一電容傳感器的容器中，改變該容器內的待測多孔性物質的虛密度或容重，測量或計算其虛密度或容重改變前后的容重和輸出的電壓/電容，差減獲得容重變化量ΔK以及電壓/電容的變化量ΔU；