УДОСКОНАЛЕННЯ КОНСТРУКЦІЇ ЧУТЛИВОГО ЕЛЕМЕНТА ЄМНІСНОГО ДАТЧИКА ВОЛОГОСТІ ҐРУНТУ

Анотація

Робота присвячена удосконаленню ємнісного датчика вологості ґрунту з метою підвищення точності вимірювання та стабільності характеристик в різноманітних умовах експлуатації. Актуальність дослідження зумовлена широким застосуванням датчиків у системах автоматичного поливу, сільському господарстві та задачах моніторингу стану ґрунту, де вірогідність вимірювання напряму впливає на ефективність керування ресурсами та врожайність. Традиційні датчики вологості мають певні недоліки, пов’язані з неоднорідністю ґрунту, що при високих показниках вологості ґрунту може вносити нелінійність в характеристику датчика через нерівномірний розподіл чутливого об’єму, що, в свою чергу, призводить до зниження точності вимірювань. В рамках цієї роботи було запропоновано конструктивне рішення, засноване на впровадженні симетричної конструкції обкладок чутливого елемента датчика вологості ґрунту. Запропонована симетрична конструкція дозволяє значно знизити вплив нерівномірного розподілу чутливого об’єму вимірюваного середовища та збільшити сам чутливий об’єм. Це сприяє підвищенню стабільності вихідного сигналу та зменшенню похибки вимірювань при зміні умов навколишнього середовища. За рахунок збільшення чутливого об’єму досягається підвищення чутливості датчика вологості ґрунту. В ході дослідження було проведено аналіз конструкції чутливого елемента існуючого ємнісного датчика вологості ґрунту, проведено комп’ютерне моделювання електростатичного поля, на основі якого виявлено основне джерело похибки та зумовлена необхідність модернізації. Розроблена конструкція чутливого елемента з симетричним компланарним конденсатором, виконано комп’ютерне моделювання електростатичного поля, проведено порівняльний аналіз результатів моделювання існуючого чутливого елемента та запропонованого. Математичне моделювання підтвердило, що запропонована вдосконалена конструкція генерує симетричну форму електростатичного поля незалежно від середовища. Це дозволило збільшити абсолютну чутливість датчика в 1.65 раза (на 65.3 %) та забезпечити ідеально лінійну залежність ємності. Зокрема, розрахункова приведена похибка від нелінійності зменшилася з 3.2 % (для існуючого прототипу) до 0.0 % у всьому діапазоні вимірювань (від сухого ґрунту до 100 % вологості). Практична значимість роботи полягає у можливості застосування розробленого чутливого елемента в удосконалених датчиках вологості ґрунту, які в свою чергу можна застосовувати в системах автоматичного контролю вологості ґрунту, включаючи інтелектуальні системи поливу та агротехнічні комплекси. Запропонований підхід може бути використаний при подальшому розвитку сенсорних систем та створенні більш точних та надійних вимірювальних пристроїв.