專利名稱：多孔性物質含水率測定模型及其構建方法與應用的制作方法
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. I I. 7g/cm3，但即便在此范圍內也會引起I. 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(I)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A U = A+B A K I,W = [(1-Q2)M_K2]/K2[(M/p )-1]11 ;W = [ (I-Ql)M-Kl]/Kl [(M/P )-I] III ;Q2-Q1 = A/JV e IV ；上述式中，式I中AK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，AU為對應于該AK的電壓/電容的變化量AU ;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；P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；e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Ql、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(I)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AK以及電壓/電容的變化量AU ；(2)該電容傳感器的容器內的待測多孔性物質的容重變化量AK和電壓/電容的變化量AU具有如下的線性函數關系 A U = A+B A K I,根據改變該電容傳感器的容器內的待測多孔性物質的虛密度或容重所獲得的一系列的AU值和AK值進行線性回歸、試驗驗證或數學計算等的方法求解出A、B;(3)將上述線性方程式與下述方程聯立即構成多孔性物質含水率的計算模型W = [(1-Q2)M_K2]/K2[(M/p )-1]11 ;W = [ (I-Ql)M-Kl]/Kl [(M/P )-I] III ;Q2-Q1 = A/JV e IV ；式中，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比重；P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；e為標準物質介電常數；對于特定的電容傳感器(如電容式水分測定儀等)來說，J、V均為已知，e、p均為常數。在所述步驟(I)中，改變待測多孔性物質的虛密度或容重的方式為振動、壓縮、充氣、抽氣中的任意一種。在所述步驟⑴中，AU為改變容重前后的電容或電壓的差值，SP AU = U2-U1，其中U2取經下式修正的值 式中U2W分別為U2填補待測多孔性物質至電容傳感器容器裝滿時和壓縮后未填補待測多孔性物質時的實測電壓或電容，KpK2分別是虛密度改變前后的容重。上述多孔性物質含水率測定模型在多孔性物質含水率測定中的應用。上述多孔性物質含水率測定模型在多孔性物質含水率測定裝置中的應用。本發明具有積極有益的效果(I)本發明模型是在重量/容重與電容/電壓信號的基礎上所構建而成的含水率測定模型，完成建模后無需任何標定，即可用于多孔性物質含水率的測定。(2)該模型通用性強，適用于各種多孔性由液固氣三相(如土壤等)組成物質的含水率測定及計算；(3)在基本消除了電導對水分測定的影響的條件下，模型建立后用實測的AU和A K數據通過計算得到含水率，無需因被測對象不同而修正模型；(4)應用本發明模型進行含水率測定，其測定精度只決定于電路和傳感器精度，不受被測對象成分、結構和測試環境的影響，例如測土壤時其準確率誤差可小于I %。
圖I為一種土壤的電容變化量和容重變化量的線性關系圖，橫軸代表容重變化量，縱軸代表電容變化量；圖2為一種土壤的含水率與AU = A+B AK系數B線性關系圖。
具體實施例方式以下結合具體實施例進一步闡述本發明。下述實施例中無特別說明或闡述的方法或步驟，均為常規方法或步驟；所用設備無特別說明，均為市售。實施例I :已知土壤含水率條件下的土壤的電容變化量和容重變化量的線性關系驗證取校園中某種土壤按常規方法配制成不同含水率(5 %、8 %、11 %、14%、17 %、20% )的土壤作為待測樣品，通過多次壓縮改變其密實度，以電容傳感器及電子天平測定其容重變化量及對應的電容變化量，分別以橫軸(X)代表容重變化量，縱軸(y)代表電容變化量，作出散點分布圖，如圖I所示。并根據這些數據擬合出以下曲線方程(以5%，8%含水率為例)5%含量沙土的擬合曲線為Y=L 84406+0. 0154X，擬合系數r為0. 99823，A的標準誤差為0. 08899 ；B的標準誤差為2. 89665X10-4 ；8%含量沙土的擬合曲線為Y = -0. 1441+0. 02596X，擬合系數r為0. 98128，A的標準誤差為0. 46154 ；B的標準誤差為0. 0016 ；實驗證明在一定的含水率條件下，電容變化量和容重變化量之間的線性關系的存在。實施例2 :某種土壤的含水率與A U = A+B A K中方程系數B的相關性表I不同土壤含水率的及其對應的線性方程A U = A+B A K的斜率B
權利要求
1.一種多孔性物質含水率測定模型，包括以下方程式 Δ U = Α+Β Δ K I,W = [(1-Q2)M-K2]/K2[(M/p )-1]11 ;W = [(I-Ql)M-Kl]/Kl [(M/ P )-1]111 ； Q2-Q1 = A/JV IV ； 上述式中，式I中ΛΚ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，Λ U為對應于該Λ K的電壓/電容的變化量Λ U ;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；Μ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；P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為電容傳感器常數為電容傳感器容器的容積；ε為標準物質介電常數； 上述式II、式III聯立迭代求解，或聯合應用式I、式II、式III、式IV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。
2.一種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△!(以及電壓/電容的變化量AU ; (2)該電容傳感器的容器內的待測多孔性物質的容重變化量ΛΚ和電壓/電容的變化量AU具有如下的線性函數關系 Δ U = Α+Β Δ K I, 根據改變該電容傳感器的容器內的待測多孔性物質的虛密度或容重所獲得的一系列的AU值和Λ K值進行線性回歸、試驗驗證或數學計算的方法求解出A、B; (3)將上述線性方程式與下述方程聯立即構成多孔性物質含水率的測定模型W = [(1-Q2)M-K2]/K2[(M/p )-1]11 ;W = [(I-Ql)M-Kl]/Kl [(M/ P )-1]111 ；Q2-Q1 = A/JV ε IV ； 式中，W為含水率；Κ1、Κ2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;Μ為電容傳感器的容器內的待測多孔性物質的比重；P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。
3.根據權利要求I所述的多孔性物質含水率測定模型的構建方法，其特征在于，在所述步驟(I)中，改變待測多孔性物質的虛密度或容重的方式為振動、壓縮或充氣/抽氣中的任意一種。
4.根據權利要求I所述的多孔性物質含水率測定模型的構建方法，其特征在于，在所述步驟⑴中，ΔU為改變容重前后的電容或電壓的差值,即AU = U2-U1,其中U2為經下式修正的值U2 = U/ -(u/ -U1) K2A1, 式中υ2’、υ/分別為填補待測多孔性物質至電容傳感器容器裝滿時和壓縮后未填補待測多孔性物質時的實測電壓或電容，KpK2分別是虛密度改變前后的容重。
5.權利要求I所述多孔性物質含水率測定模型的在多孔性物質含水率測定中的應用。
6.權利要求I所述多孔性物質含水率測定模型在多孔性物質含水率測定裝置中的應用。
全文摘要
本發明涉及一種多孔性物質的含水率測定模型及其構建方法與應用。該模型的建立是基于人為地改變一定體積內待測樣的虛密度，測量其改變前后的重量和輸出電壓，然后進行容重和電壓的差減，使各種相同的影響因素的影響在差減中對消掉，從而消除了近十種干擾因素的影響，只留水分形態與容重的變化，據電壓測定和容重測定測算出多孔性物質的含水率。該模型在基本消除了電導對水分測定的影響的條件下，無需標定、修正，適用于各種多孔性由液固氣三相(如土壤等)組成物質的含水率測定及計算，通用性強；應用本發明模型進行含水率測定，其測定精度只決定于傳感器和電路精度，不受被測對象成分、結構和測試環境的影響，例如測土壤時其準確率誤差可小于1％。
文檔編號G01N5/00GK102621194SQ20111034746
公開日2012年8月1日 申請日期2011年11月7日 優先權日2011年11月7日
發明者吳建中, 段鐵城, 胡小寧, 胡建東, 衡麗沙, 賈芳 申請人:河南農大迅捷測試技術有限公司