Метод зонда постоянной мощности для измерения потенциала влаги и тепловых потоков в почве тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ЗАВИСИМОСТЬ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ДИСПЕРСНЫХ СРЕД ОТ ВЛАЖНОСТИ И ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВЫХ И ВЛАЖНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОЧВЫ (литературный обзор).

1.1. Теплофизические свойства дисперсных сред и почв при различной увлажненности

1.2. Тепловые методы измерения влажности и капилляр-но-сорбционного потенциала влаги почвы.

ГЛАВА 2. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ЗОНДА ПОСТОЯННОЙ МОЩНОСТИ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕШЮПРОВОДНШТЙ ДИСПЕРСНЫХ СРЕД;.

2.1. Основные полбжения метода цилиндрического зонда постоянной мощности.

2.2. Технология и конструкция измерительных ячеек. Характеристика исследуемых материалов.

2.3. Установка .для измерения теплопроводности дисперсных материалов

ГЛАВА 3. ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ЕЕ

СВЯЗЬ С ВЛАЖНОСТЬЮ И ПОТЕНЦИАЛОМ ВЛАГИ.

3.1. Зависимость теплоцроводности порошковых сред от влажности и потенциала влаги.

3.2. Зависимость теплопроводности от температуры.

3.3. Зависимость теплопроводности от атмосферного давления. Определение фазового состава влаго-переноса в капиллярнопористых телах методом двухфазной теплопроводности.

3.4. Влияние содержания соли в увлажняющем растворе на эффективную теплопроводность дисперсных материалов.

ГЛАВА 4. ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ЗОНДА ДЛЯ ПОЛЕВОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТЕНЦИАЛА ВЛАГИ И ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ В ПОЧВЕ.

4.1. Применение теплового метода цилиндрического зонда для измерения потенциала влаги почвы

4.2. Устройство для определения потенциала влаги.

4.3. Результаты лабораторных и полевых испытаний тепловых преобразователей. Гистерезисные явления.

4.4. Применение метода цилиндрического зонда постоянной мощности для измерения тепловых потоков в почвах

ВЫВОДЫ.

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 тепло- и 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, у- и 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 метода; недостаточное разрешение при тарировке по влажности, зависимость от химического состава почвы, необходимость вынесения за непосредственные пределы сельскохозяйственного поля для датчиков радиационного излучения; невысокую точность при высоких влажностях психрометрического метода; сильную 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 измерения; б) 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 000465.

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 микро- и 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, 1982г.), расширенном заседании лаборатории неконтактных методов диагностики сельскохозяйственных полей и посевов Агрофизического ордена Трудового Красного Знамени НИИ в мае 1980г. 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.