Влияние частоты электрического сигнала на измеряемое удельное сопротивление при электрофизическом подходе оценки свойств почв гумидной зоны

Введение. Сегодня одним из основных направлений развития в области производства растениеводческой продукции признано точное земледелие [5, 6]. Его базисом является внесение удобрений в зависимости от пестроты почвенного плодородия. Для агрохимической оценки, отвечающей требованиям экономичности и повышению скорости получения первичной информации, необходима разработка высокоточных методов сбора данных.

Современный электрофизический метод, основанный на информации об электрическом сопротивлении, в почвенно-аналитической практике получил широкое распространение. Он зарекомендовал себя как удобный и скоростной способ получения комплексной характеристики свойств почв [7, 8]. Общеизвестно, что в зоне преобладания аридных почв активно используется информация об электрическом сопротивлении и обратной ему величине – электропроводности, для оценки засоления почв [1, 2, 3, 4, 10]. Эффективное применение метода в гумид-ных зонах возможно только после оценки величины отдельных почвенных свойств на сопротивление индивидуально и в совокупности. Выполнение этой задачи даст точное определение возможности применения для этого методов электрофизики [9].

В наши дни существует несколько способов измерения электрических характеристик почв, например с использованием переменного или постоянного электрического тока. У каждого из них есть как свои преимущества, так и недо- статки. Главным требованием к выбору способа измерения является получение максимального количества данных для характеристики исследуемого объекта. На сегодня более технически совершенным способом признаны измерения, проводимые на постоянном электрическом токе [8].

Не смотря на то, что использование постоянного электрического тока дает данные о профиле почвы, существует достаточное количество исследований, которые говорят о его неэффективности при определении почвенной влаги [7]. Главный аргумент при этом – это неоднозначность и изменчивость показаний во времени, что приводит к получению недостоверных данных о содержании влаги в почве.

Однако при проведении измерений на переменном электрическом токе и получении других характеристик, таких как удельное электрическое сопротивление почвы, недостаточно внимания, на наш взгляд, уделено анализу зависимости полученных результатов измерений от частоты измерительного переменного электрического тока.

Целью данного исследования является получение данных о влиянии частоты измерительного сигнала на получаемые значения удельного электрического сопротивления на фоне изменения уровня влажности и их анализ.

Методика исследования. С целью охвата большего диапазона выраженности признаков, влияющих на электрическое сопротивление, были выбраны основные типы почв Тамбовской области. К ним относятся черноземы обыкновенные, черноземы солонцеватые и дерново-подзолистые, на образцах данных типов проходило выявления зависимости частотных характеристик от влажности.

Отбор образцов производился на участках, не задействованных в сельскохозяйственном производстве.

Измерение удельного электрического сопротивления проводилось в лабораторных условиях при увлажнении почв до пастообразного состояния, то есть при стандартизированных «равновесных» условиях.

В лаборатории были определены: влажность – термостатно-весовым методом, температура – при помощи цифрового мультиметра UT 61E; частота измерительного тока задавалась при помощи прямого цифрового синтезатора частоты (DDS), который генерирует сигналы 5-ти различных форм и выдаёт синусоидальный сигнал с частотой до 20 МГц, осциллограммы которых отображаются на двухканальном цифровом осциллографе ISDS205B.

Для непосредственного измерения сопротивления почвы была предложена измерительная ячейка с электродами в виде медных пла- стин; сама емкость изготовлена в форме куба без верхней грани, выполненная из стекла, с металлическим основанием, а также металлическая крышка, предохраняющая от различных помех, наводок и т.д. Отходящие от электродов провода экранированы, что также защищает процесс измерения от помех.

Всего было исследовано 72 образца.

Результаты исследований и их обсуждение. По итогам измерений, при анализе полученных данных были составлены графики зависимостей удельного электрического сопротивления от влажности при разных частотах подаваемого сигнала.

Влажностная зависимость удельного сопротивления почвы при фиксированных уровнях частоты подаваемого токового сигнала показала, что наиболее низкие значения удельное сопротивление почвы имеет при высоких частотах (10 и 20 МГц). При этом, как можно увидеть на графиках, чем больше влажность почвы, тем в меньшей степени проявляется влияние частоты сигнала.

Рисунок 1 – Влияние частоты сигнала на результаты измерений удельного электрического сопротивления на примере чернозема обыкновенного в диапазоне 0,4–20 МГц

Рисунок 2 – Влияние частоты сигнала на результаты измерений удельного электрического сопротивления на примере дерново-подзолистой почвы в диапазоне 0,4–20 МГц

Рисунок 3 – Влияние частоты сигнала на результаты измерений удельного электрического сопротивления на примере чернозема солонцеватого в диапазоне 0,5–20 МГц

Рисунок 4 – Оценка коэффициента влияния частоты сигнала на удельное электрическое сопротивление на фоне увеличения влажности, рассчитанная по формуле 1

Обычно частотная зависимость электрофизических характеристик почвы, которая по своей структуре относится к капиллярнопористым материалам, в теории диэлектриков объясняется поляризацией этих материалов в электрическом поле.

С целью оценки влияния частоты сигнала вычислим коэффициент такого влияния, используя следующую формулу:

_v _ g(0,5)-g(20)

,

где g(0,5) и g(20) – удельные электросопротивления на частотах 0,5 и 20 МГц.

На рисунке 4 с целью иллюстрации приведены графики, характеризующие влияние частоты сигнала (V) в зависимости от влажности (W) для черноземов обыкновенных, черноземов солонцеватых и дерново-подзолистых.

Таким образом, произведя расчеты, можно получить сравнительную таблицу степени влияния частоты на сопротивление при разных уровнях влажности для исследуемых типов почв.

Исходя из данных исследований, представленных на рисунке 4, можно сделать вывод о том, что частота сигнала влияет на величину измеренного удельного сопротивления в диапазоне влажности 4–20% для дерново-подзолистых почв, для черноземов солонцеватых диапазон влажности составляет 4–16%. Максимальный коэффициент влияния частоты среди всех типов почв составляет 0,81 для черноземов солонцеватых при влажности 4%, коэффициент для дерново-подзолистых и черноземов обыкновенных при том же уровне влажности соот- ветственно равен 0,7 и 0,35. Для выявления объективных причин необходимо анализировать минералогический и гранулометрический состав.

Заключение. На примере черноземов обыкновенных, черноземов солонцеватых и дерново-подзолистых типов почв установлено, что электрическое сопротивление тесно связано с характеристиками подаваемого сигнала, а именно с частотой измерительного тока. Произведена оценка влияния частоты подаваемого сигнала на измеренное удельное электрическое сопротивления при разных уровнях влажности. При повышении частоты в диапазоне влажности 4–20% для черноземов обыкновенных, а для черноземов солонцеватых и дерново-подзолистых типов почв в диапазоне 4–16% их удельное сопротивление уменьшается. В диапазоне 20– 32% и 16–32% по соответствующим типам почв происходит насыщение почвы влагой, в результате чего сопротивление практически не зависит от частоты.